一種無掩模數字投影光刻的圖形拼接方法

專利名稱：一種無掩模數字投影光刻的圖形拼接方法
技術領域：
本發明屬于無掩模光刻技術領域，特別涉及一種適用于無掩模數字投影光刻的圖形拼接方法。
背景技術：
隨著微光、機、電等技術的迅猛發展，微細加工技術得到了迅速發展。微光學元件在通訊、軍事、空間技術、超精加工、生物醫學以及信息處理等領域中得到廣泛應用。這使得科研人員對微光學相關的設計、制作及應用技術展開了廣泛研究。微光學在設計理論與制作方法上已有了很大的發展，為了進一步擴大微光學元件的應用領域，對其制作方法也提出了更高的要求。因此，研究便捷、有效、實時、靈活的微光學元件的制作方法仍然是目前國內外微光學領域的一個極為重要的研究方向。相比之下，傳統的光刻方法(即電子束光刻制作掩模，用有掩模的投影光刻或接近接觸光刻進行復制)不能同時滿足靈活、高效、低成本的要求。而基于數字微鏡(數字微鏡)的無掩模光刻技術正好應運而生，并且該方法可采用紫外光、深紫外光、甚至更短波長的極紫外光作為光源，因而具有很強的技術延伸性和工藝兼容性，更易在光刻實踐中得到應用，具有廣泛的應用前景。然而，由于這種光刻技術單次刻蝕的面積有限，而且環境震動干擾、工件臺的位移精度等因素對圖像的逐場曝光的精確位置造成巨大的影響，從而形成線條的錯位、包裹、交疊等現象。特別是該技術若刻蝕大面積圖形，要實現高精度的刻寫質量存在很大的技術問題。這就需要通過圖像拼接技術在投影曝光前對圖形進行預處理。

發明內容
為解決上述問題，本發明的目的是為了滿足數字微鏡無掩模光刻特點的光刻技術發展的需要，解決大面積圖形刻寫存在的拼接問題，為此提供一種無掩模數字光刻的圖形拼接方法。為了達成所述目的，本發明提供一種無掩模數字投影光刻的圖形拼接方法，所述方法的步驟包括步驟SI :對待刻蝕圖形進行分割，得到分割后的多幀子圖形，且每幀子圖形尺寸相同；步驟S2 :設置模板尺寸與每幀子圖形尺寸相同；步驟S3 :將分割后的每幀子圖形與所述模板相乘，邊界拼接區域的灰度值受到調制，不需要拼接的區域其灰度值保持原樣，以此用灰度調制模板調制邊界拼接區域的灰度值，獲得調制后的子圖形；步驟S4 :對調制后的子圖形通過數字微鏡顯示逐幀曝光，實現數字微鏡顯示的調制后的子圖形向基片復制轉移的拼接。優選實施例所述待刻蝕圖形的分割步驟如下步驟Sll :設定每幀子圖形的大小為1024X768像素；
步驟S12 :設定每幀子圖形之間的重疊區域寬度；步驟S13 :針對步驟S12中設定的重疊區域寬度，判斷待刻蝕圖形是否能分割為1024X768像素的整數倍，如果能，則不進行邊界填充，則分割結束；如果不能，則將待刻蝕圖形邊界填充灰度為0使得能被分割成1024X768像素的整數倍，然后重新分割。優選實施例所述調制后的子圖形向基片復制轉移的拼接，共有九種邊界拼接情況，需要設計九種灰度調制模板，每個模板只在其周圍相鄰的重疊邊界區域設定漸變灰度值。優選實施例調制后子圖形的大小為1024X768像素。所述的圖形拼接方法，還包括通過計算機控制數字微鏡顯示圖形灰度調制狀態，調制后的單幀子圖形曝光時，如果調制后的單幀子圖形不同位置點的灰度值不一樣，則數字微鏡相應位置的調制狀態將發生改變。
優選實施例不同的調制后的子圖形灰度值對應于數字微鏡的各個響應狀態，繼而每幀數字微鏡顯示的調制后的子圖形對應于基片位置圖形刻寫時，光刻膠被刻蝕程度與灰度值相對應。優選實施例所述用灰度調制模板調制邊界拼接區域灰度值的步驟包括對邊界拼接區域的灰度值由灰度調制模板的外側到內側灰度依次減小。優選實施例對于四次重疊邊界拼接區域的灰度值設置有別于兩次重疊的情況，灰度調制模板的外側到內側灰度依次減小；數字微鏡兩次顯示的子圖形拼接后，各邊界拼接區域的灰度值和與四次重疊后各處的灰度值相等。優選實施例在數字微鏡顯示的調制后的子圖形的邊界拼接區域的位置處，經灰度調制模板調制的線條灰度或者被刻蝕的程度是漸變的，沒有明顯的躍變，從而實現數字微鏡顯示的子圖形的拼接，使待刻蝕圖形整體向基片的復制轉移。本發明的基本原理根據數字微鏡的特點，即數字微鏡每次曝光的子圖形大小為1024X768像素，對于待刻蝕圖形需要分割大小為1024X768像素多幀子圖形。計算機控制數字微鏡圖形灰度調制狀態，因此單幀子圖形曝光時，如果不同位置點的灰度值不一樣，則數字微鏡陣列相應位置的調制狀態將發生改變。即不同的圖形灰度值，數字微鏡相應狀態與之一一對應，繼而對應位置子圖形刻寫在基片時，光刻膠被刻蝕程度不一樣。基于此原理，設計邊界拼接灰度調制模板。本發明的特點與優勢(I)本發明充分利用了數字微鏡靈活、高效、成本低、無需掩模版等特點，提出了待刻蝕圖形有效的分割方法。(2)本發明基于光刻膠對數字微鏡圖形灰度的響應，設計了對應的邊界灰度調制模板。針對拼接區域的差異，設置了不同的灰度值。(3)本發明將待刻寫的圖形進行分割，然后與設計好的模板相乘，對每幀子圖形的邊界灰度值進行有效調制，逐場曝光的同時實現子圖形的拼接。實踐表明，本發明能較好地解決大面積圖形曝光時存在的畸變、錯位、包裹等問題圖形拼接問題，改善數字投影光刻圖形刻蝕的質量。


圖I是本發明適用于數字微鏡無掩模數字投影光刻圖形拼接方法流程圖；圖2a至圖2d分別是數字微鏡無掩模數字投影光刻大面積曝光圖形拼接存在的幾種典型錯誤示意圖；圖3是待刻蝕圖形分割示意圖；圖4是模板設計示意圖。圖5是邊界拼接灰度模板調制示意圖。
圖6a至圖6c是待刻蝕圖形分割示意圖。圖7是拼接結果圖片。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖I中示出，本發明提供的一種適用于數字微鏡無掩模數字光刻的圖形拼接方法，待刻蝕圖形分割、模板設計、子圖形受對應模板調制、調制后子圖形逐幀曝光。其中，在實際的刻寫操作前，將待刻蝕圖形分割為多幀大小為1024X768像素的多幀子圖形，然后每個子圖形與設計好的對應模板相乘，實現子圖形的預處理。數字微鏡無掩模數字投影光刻大面積圖形曝光時，由于數字微鏡只能顯示大小為1024X768像素圖形特點的限制，而待刻蝕圖形尺寸的通常大于1024X768像素，不能一次性整體直接轉移復制至基片上，需要對待刻蝕圖形分割為數字微鏡可顯示的大小為1024X768像素的多幀子圖形，設計合理的灰度調制模板對分割后的子圖形進行處理，最后通過數字微鏡顯示的調制后的多幀子圖形逐幀曝光以拼接的方式轉移至基片，完成待刻蝕圖形整體向基片的復制轉移。所述方法包括步驟SI :首先對待刻蝕圖形進行分割，得到分割后的多幀子圖形，且每幀子圖形尺寸相同，其大小為1024X768像素；(圖形分割具體實施方法見下文所述)待刻蝕圖形通常不是(一般是大于)1024 X 768像素大小，而數字微鏡只能顯示1024 X 768像素大小的子圖形，所以需要分割(填充)。步驟S2 :設計分割后的子圖形相應的灰度調制模板，其大小與分割后的多幀子圖形尺寸相同，即1024X768像素；(模板設計的具體方法見下文所述)。步驟S3 :將分割后的多幀子圖形與所述對應模板相乘，使得數字微鏡顯示的子圖形邊界拼接區域的灰度值分布為由外側到內側依次減小；四次重疊邊界拼接區域的灰度值設置有別于兩次重疊的情況，但灰度值的大小由外側到內側灰度依次減小；兩次數字微鏡顯示的子圖形拼接后，各邊界拼接區域的灰度值和與四次重疊后各處的灰度值相等。以此完成每個子圖形的灰度調制。步驟S4 :對步驟S3中調制后子圖形通過數字微鏡顯示逐幀曝光，同時實現調制后的子圖形的拼接。所有調制后的子圖形曝光拼接完成后，則完成了待刻蝕圖形整體向基片的復制轉移。圖2a至圖2d是大面積圖形拼接沒有經過灰度模板調制存在的幾類常見的錯誤示意圖。其中，灰色線條表示實際需要曝光的單幀子圖形，黑色線框內為拼接錯誤的地方。對于圖2a在Y方向兩次子圖形曝光時，由于拼接誤差引起橫向線條發生錯位，縱向線條發生斷裂。同樣，如圖2b示出，在X方向兩次子圖形曝光時，由于拼接錯誤導致縱向線條發生錯位，橫向線條發生斷裂。如圖2c中示出，雖然在Y方向拼接精確，橫向線條未發生錯位。但是在X方向拼接存在誤差，造成橫向線條發生交疊。此處由于曝光過度會使得線條變粗；同樣，在X方向拼接精確，縱向線條未發生錯位。但是在Y方向的拼接存在誤差，造成橫向線條發生交疊。此處由于曝光過度會使線條變粗。如圖2d示出是最常見的現象，在X，Y兩個方向的數字微鏡顯示的子圖形拼接都存在誤差，圖中下部分圖形是線條包裹吞噬結構，曝光后在豎直方向連成曝光過度的變粗“帶狀”結構，這是數字微鏡顯示的子圖形拼接無法接受的。如圖3示出為待刻蝕圖形分割，其中，黑粗線框為初始待刻蝕圖形的邊界大小，虛 線為分割圖形的邊界線。由于數字微鏡每次曝光的調制后子圖形大小為1024X768像素。因此對于待刻蝕圖形需要分割為大小為1024X768像素多幀子圖形。分割方法為(I)開始分割圖像時，從左上角開始(編號1)，每次分割的子圖形大小為1024X768 像素；(2)后續分割的子圖形，編號2與編號I、編號3與編號I有一部分重疊，重疊部分寬度為edge，后面子分割的圖形以此類推。(3)如果待刻蝕圖形不能分割為1024X768像素的整數倍，需要在分割前將通過邊界填充為黑色，灰度值為0 (為便于觀察，圖3中填充為棋盤格)。其中重疊部分的寬度(edge)，可以根據需要設定，同時邊界填充的區域也會發生相應變化。如圖4示出為模板設計，其中All A13、A21 A23及A31 A33是九種模板的相鄰關系，代表實際圖形拼接的所有情況；由于數字微鏡的響應狀態與模板調制后子圖形灰度值一一對應，繼而模板調制后的每幀子圖形被刻寫時，對應像素點灰度圖形在光刻膠被刻蝕程度不一樣。因此，對不同邊界位置需要拼接的地方，需要設計相應的基于灰度漸變的單幀子圖形預處理模板。圖4中9個粗虛線框(編號分別為All A13、A21 A23及A31 A33)為數字微鏡顯示的子圖形需要拼接的九種情況，對應九個模板。雙線箭頭為相鄰兩幀數字微鏡顯示的子圖形拼接的邊界位置，需要設計灰度漸變模板。細虛線框為相鄰四幀子圖形拼接重疊的公共區域，可同時參見圖3中虛線交叉的小方格，即All的右下角，A12左下角、A21右上角、A22的左上角拼接重合的區域，這里稱之為(All，A12，A21，A22)。因此，對于每個模板的灰度設置有別于兩幀數字微鏡顯示的子圖形拼接重疊的區域。通常兩次疊加的部分，灰度最小值Gmin與最大值Gmax由下式決定Gfflin= 255 Xkfflin(I)Gmax = 255 X kmax如果重疊部分的寬度設置為edge，則兩次重疊拼接處模板區域(例如，圖4中All與A12拼接處)的灰度值為mask (I :768, j)
= ((255 X (kmin+kmax) -255) / (edge-1)) X (1024-j) +255 X kmin(2)其中j = 1024-edge+l :1024, edge為重疊區域寬度，j為行序號；kmin稱之為灰度漸變系數最小值，kmax稱之為灰度漸變系數最大值，kmin和kmax的大小與光刻工藝和DMD器件的參數有關且I ( kmin+kmax ( I. 5，mask表示灰度調制模板。四次拼接疊加的部分，如圖4細虛線框處區域。對于單幀子圖形，例如AU。拼接區域(All右下角)的灰度值表示為mask(768-edge+l, j)= ((255 X Kmin+255 X (Kmax-Kmin)) / (edge-1)) X (1024-j)(3)其中Kmin、Kmax的大小與光刻工藝和DMD器件的參數有關且0. 5 ( Kmin+Kmax ( 1， mask表示灰度調制模板。因此數字微鏡顯示的調制后子圖像拼接后，各處的灰度值和為255。對于數字微鏡顯示的調制后子圖形拼接中，其他相同情況依此類推。如(A12，A13，A22，A23)、(A21，A22，A31, A32)等等。如圖5 中示出，當 edge = 100 像素,kmin = 0. 2, kmax = 0. 8 ；Kmin = 0. I, Kmax = 0. 4的模板式樣。則兩次疊加的部分，灰度最小值為51 (255X0. 2)，最大值為204(255X0.8)；四次疊加的部分，灰度值最小值26 (255 X0. I),灰度值最大值102 (255 X 0. 4)。因此數字微鏡顯示的調制后子圖像拼接后，各處的灰度值和為255。分別對應圖4中的九種拼接情況。圖中模板灰度的設置規則如圖4中所述。圖5中示出All A13、A21 A23及A31 A33分別是9種不同的數字微鏡顯示的調制后子圖形拼接情況對應灰度調制模板。其中，(I)兩次重疊區域的灰度值疊加后為255,四次重疊后的區域灰度值為255 ；
(2)每個模板灰度邊界區域，灰度值由外到內依次增大。因此，只要將待刻蝕圖形分割成的多幀子圖形與對應灰度調制模板相乘，就可以實現該子圖形邊界的灰度調制。如圖6a至圖6c所示，其中圖6b、圖6c為圖4左上角第一幀子圖形、第二幀子圖形；圖6a是待刻蝕的原始為分割圖形其大小為2872X2804像素，設定edge = 100像素剛好可以分割為9幀大小為1024X768像素的子圖形。圖6b的右邊和圖6c的左邊很明顯有一部分重疊。實際曝光前，將第一幀子圖形和第二幀子圖形分別與圖5中All和A12的模板相乘實現灰度調制預處理。曝光時第二幀子圖形的左邊將重疊在第一幀子圖形的右邊，重疊寬度為100像素，從而實現步進數字微鏡顯示的調制后子圖形曝光。如圖7所示出的圖片，是將圖6a分割為9幀子圖形后，分別受相應的模板調制，拼接后的結果如圖7所示。圖中可以看出，拼接處的灰度值大于周圍其他區域。但對于數字微鏡顯示的調制后單幀子圖形曝光時，拼接邊界區域的灰度值是小于其他區域的，此時光刻膠被刻蝕的程度并不是與灰度值成線性關系的。實際數字微鏡顯示的調制后子圖形曝光拼接結束后，拼接區域的光刻膠被刻蝕的程度與周圍其他區域基本相同，不會出現曝光過度的問題，從而實現相鄰數字微鏡顯示的調制后子圖形拼接的平滑、自然過渡。在數字微鏡顯示的調制后逐幀子圖形曝光后，可以在一定程度上有效解決錯位、交疊、包裹等數字微鏡顯示的未調制子圖形拼接問題，使得拼接處的線條連接自然、平滑，彌補工件臺定位誤差的固有缺陷，改善數字微鏡無掩模數字投影光刻大面積圖形曝光的整體效果。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含范圍之內。
權利要求
1.一種無掩模數字投影光刻的圖形拼接方法，其特征在于所述方法包括步驟 步驟SI :對待刻蝕圖形進行分割，得到分割后的多幀子圖形，且每幀子圖形尺寸相同； 步驟S2 :設置模板尺寸與每幀子圖形尺寸相同； 步驟S3 :將分割后的每幀子圖形與所述模板相乘，邊界拼接區域的灰度值受到調制，不需要拼接的區域其灰度值保持原樣，以此用灰度調制模板調制邊界拼接區域的灰度值，獲得調制后的子圖形； 步驟S4 :對調制后的子圖形通過數字微鏡顯示逐幀曝光，實現數字微鏡顯示的調制后的子圖形向基片復制轉移的拼接。
2.如權利要求I所述的圖形拼接方法，其特征在于所述待刻蝕圖形的分割步驟如下 步驟Sll :設定每幀子圖形的大小為1024X768像素； 步驟S12 :設定每幀子圖形之間的重疊區域寬度(edge)； 步驟S13 :針對步驟S12中設定的重疊區域寬度(edge)，判斷待刻蝕圖形是否能分割為1024X768像素的整數倍，如果能，則不進行邊界填充，則分割結束；如果不能，則將待刻蝕圖形邊界填充灰度為0使得能被分割成1024X768像素的整數倍，然后重新分割。
3.如權利要求I所述的圖形拼接方法，其特征在于所述調制后的子圖形向基片復制轉移的拼接，共有九種邊界拼接情況，需要設計九種灰度調制模板，每個模板只在其周圍相鄰的重疊邊界區域設定漸變灰度值。
4.如權利要求I所述的圖形拼接方法，其特征在于調制后子圖形的大小為1024X768像素。
5.如權利要求I所述的圖形拼接方法，其特征在于還包括通過計算機控制數字微鏡顯示圖形灰度調制狀態，調制后的單幀子圖形曝光時，如果調制后的單幀子圖形不同位置點的灰度值不一樣，則數字微鏡相應位置的調制狀態將發生改變。
6.如權利要求I所述的圖形拼接方法，其特征在于不同的調制后的子圖形灰度值對應于數字微鏡的各個響應狀態，繼而每幀數字微鏡顯示的調制后的子圖形對應于基片位置圖形刻寫時，光刻膠被刻蝕程度與灰度值相對應。
7.如權利要求I所述的圖形拼接方法，其特征在于所述用灰度調制模板調制邊界拼接區域灰度值的步驟包括對邊界拼接區域的灰度值由灰度調制模板的外側到內側灰度依次減小。
8.如權利要求7所述的圖形拼接方法，其特征在于對于四次重疊邊界拼接區域的灰度值設置有別于兩次重疊的情況，灰度調制模板的外側到內側灰度依次減小；數字微鏡兩次顯示的子圖形拼接后，各邊界拼接區域的灰度值和與四次重疊后各處的灰度值相等。
9.如權利要求I所述的圖形拼接方法，其特征在于在數字微鏡顯示的調制后的子圖形的邊界拼接區域的位置處，經灰度調制模板調制的線條灰度或者被刻蝕的程度是漸變的，沒有明顯的躍變，從而實現數字微鏡顯示的子圖形的拼接，使待刻蝕圖形整體向基片的復制轉移。
全文摘要
本發明是一種無掩模數字投影光刻的圖形拼接方法，包括步驟步驟S1對待刻蝕圖形進行分割，得到分割后的多幀子圖形，且每幀子圖形尺寸相同；步驟S2設置模板尺寸與每幀子圖形尺寸相同；步驟S3將分割后的每幀子圖形與所述模板相乘，得到子圖形的邊界拼接區域，用灰度調制模板調制邊界拼接區域的灰度值，獲得調制后的子圖形；步驟S4對調制后的子圖形通過數字微鏡顯示逐幀曝光，實現數字微鏡顯示的調制后的子圖形向基片復制轉移的拼接。本發明能較好地解決大面積圖形刻寫時存在的拼接問題，改善了數字投影光刻圖形刻蝕的質量。
文檔編號G06T7/00GK102722085SQ20121014557
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者何渝, 唐燕, 朱江平, 胡松, 陳銘勇 申請人:中國科學院光電技術研究所