基于dmd的數字掩模光刻成像系統(tǒng)

基于dmd的數字掩模光刻成像系統(tǒng)

二維光學元件是指基于波束理論的開發(fā)、計算設計（cd）和大規(guī)模電路（vl-si）的生產工藝。在傳統(tǒng)的基片或光學裝置的表面上雕刻和產生各種深度的浮雕結構，形成一系列具有純相位、連續(xù)復制和高衍射效率的透射光學裝置。二元光學元件能實現傳統(tǒng)光學器件許多難以達到的目的和功能。制作二元光學元件的方法很多,如灰階掩模板法、激光熱敏加工法、金剛石車削法、準分子激光加工法等。除這些方法外,采用光學逐層套刻的方法仍是目前經典、有效的制作二元光學元件的方法,其中光刻掩模是必不可少的。掩模的制作是后續(xù)制作的關鍵所在。掩模的效果對二元元件的精度起著至關重要的作用,掩模是套刻曝光過程的前提和基礎。目前鉻版掩膜在電子行業(yè)中主要應用于STN-LCD、TFT-LCD、PDP、以及PCB產業(yè)BGA、FPC、HDI等產品。目前鉻版掩模生產中,主要使用的是激光光繪機(Maskwriter)。將設計的CAD電腦文件,經過編輯和格式轉換,輸出到激光光繪機,從而在鉻版上光繪出圖形。1dmd技術特點通常的二元光學元件的制作步驟包括:相位分布的光學設計、通過CAD將階梯相位分布變換成一組振幅圖(光掩模)、通過反復的平面復制、圖像轉印、器件評價等過程加工出基板面浮雕。故本文提出了應用數字光刻技術,通過計算機優(yōu)化產生的一系列“虛擬”的數字圖形控制曝光設備將圖形一幅幅地投影到基片上的一種新方法。DMD的輸出圖形可直接投影制作掩模,一次曝光形成掩模的面積相當于激光直寫系統(tǒng)在數小時內完成的工作量,且圖形越復雜,優(yōu)勢越明顯,因此此系統(tǒng)可大大縮短生產周期,從而減低制作成本。基本的衍射二元光學元件有二元光柵、達曼光柵、龍基光柵、菲涅耳透鏡等。其中,菲涅耳透鏡的設計如下:根據要求的焦距f,最大外徑2R(或相對孔徑2R/f,或數值孔徑NA)及衍射效率η,計算相應的結構參數。包括:波帶片周期數N,環(huán)帶半徑rm,相應臺階數L,環(huán)帶數M=NL,及最小線寬Δrm。通用公式為:2實驗2.1鉻板覆蓋層生產2.1.1同心圓環(huán)的繪制以菲涅耳透鏡為例,可根據要實現的透鏡的焦距、最小環(huán)帶半徑、臺階數以及最小線寬的不同,先用Matlab設計軟件得到一組環(huán)帶半徑,以表格形式輸出,再用CAD繪圖軟件繪制同心圓環(huán)并且以.BMP格式進行圖形輸出。如圖1所示,設計外形尺寸如下:(a)二元光柵800lin/mm;(b)正交光柵400lin/mm;(c)Ronchi光柵200lin/mm;(d)Dammann光柵100lin/mm;(e&f)菲涅耳波帶透鏡透鏡及方形菲涅耳波帶片:焦距6.5mm,最大外徑1.3mm,適用波長0.6328μm,陣列數40×40。2.1.2曝光時間的設置高分辨率的DMD為1024×768像素,其單個像素(微鏡)的尺寸為10.8μm,系統(tǒng)采用14倍精縮投影組合物鏡,可實現的最小分辨率可達到1μm以下。同時,DMD的高灰度等級使該系統(tǒng)可實現曝光量的精確控制,為制作復雜圖形、連續(xù)相位結構的器件奠定基礎。將制作好的掩模圖導入DMD,設置好曝光時間(6～20s)進行曝光。本實驗使用的鉻版為長沙韶光的LRC型版,尺寸為2.5×2.5×0.06inch,基板材料是石英玻璃,鉻膜表面涂覆的是S1805型正性光致抗蝕劑,曝光光源是波長為365nm的近紫外光。曝光誤差即曝光時光的衍射、折射和反射等曝光鄰近效應所引起的缺陷。在曝光強度不變的情況下,線條寬度與曝光時間成反比。所以曝光時間的控制是極為重要的。2.1.3定影劑離子水系統(tǒng)顯影就是將經近紫外光曝光產生分解反應的抗蝕劑溶解去除,而未被曝光部分保留形成保護層。本實驗以濃度為3.5‰的NaOH水溶液作為顯影劑,去離子水作為定影劑,顯影溫度穩(wěn)定在22℃左右。將曝光后的鉻版顯影10～20s,然后在去離子水中定影,后堅膜。顯影誤差主要有顯影液濃度和顯影的溫度及時間。顯影時間的長短直接影響到線寬。過長時間的顯影會導致線條被額外刻蝕,以致線寬變細;而不足的顯影時間則會引起線條尺寸偏大。由于顯影時間很大程度上依賴于曝光工藝中曝光劑量的控制,所以在確定顯影時間時,通常基于曝光劑量和線條尺寸等條件做理論計算,并不需要特別進行研究。2.1.4腐蝕液的配置蝕刻即將曝露處的鉻層腐蝕去除。本實驗采用的是濕法刻蝕法。鉻板顯定影完畢后,將其放入22℃左右的腐蝕液中刻蝕35s±5s,用清水沖洗干凈。由于采用的是濕法刻蝕技術,對于光掩膜的橫向衍生刻蝕是很難掌握的。濕法化學刻蝕方法的實際適用性由其分辨率和刻蝕尺寸決定。實驗中發(fā)現,刻蝕速率隨溫度的升高而增加,但溫度過高時刻蝕速率過快,使得刻蝕結果不好,刻蝕表面凹凸不平,有成片的鉻膜脫落。2.1.5光刻膠的制備脫膜是將經過刻蝕的鉻板表面殘留的光刻膠去除干凈。實驗采用的去膠液是濃度為5%的NaOH溶液,將鉻板浸泡40s即可去除表面殘余的光刻膠。2.2投影光刻系統(tǒng)的建立由于數字光刻最佳實現的最小線寬為1μm,雖然也能夠做到亞微米的線寬,但是對顯影時間、溫度和刻蝕時間、溫度需要掌握的更加準確,給實驗增加了極大難度,所以可以通過搭建投影精縮光刻系統(tǒng),采用可變焦的精縮投影物鏡,將掩模板上的圖形縮小適當的倍數。如圖2和3所示:3結果分析3.1曝光時間的確定以菲涅耳波帶片為例,經過大量實驗表明,短曝光、長顯影的實驗效果最佳。所以曝光時間15～19s、顯影時間12～16s,刻蝕時間為25s左右的均可得到理想的線寬。圖4所示為采用不同的曝光時間,在同一塊鉻版上所得到的菲涅耳波帶片,及周期為800條/mm的二元光柵。其中圖4(c)是圖4(a)的部分放大圖像。3.2最小線寬的確定在每一個步驟中,都存在著會導致原始圖形變形的因素。曝光量的控制不當,顯影的濃度、時間和溫度,刻蝕過程中的橫向衍生刻蝕等都是不利的因素。如圖1(e)所示,其最小線寬的設計尺寸是10.0μm的菲涅耳波帶片。經過精縮系統(tǒng)5倍縮小后,實際得到的實驗結果如圖4(a),條紋清晰可辨、邊界完整、無陡坡等現象存在,得到的最小線寬約為2.0μm,達到了實驗要求。且對光線的匯聚作用如圖5所示:4dmd光刻技術本文通過大量的實驗最終