基于數(shù)字微鏡的無(wú)掩模光刻系統(tǒng)

基于數(shù)字微鏡的無(wú)掩模光刻系統(tǒng)

0亞微級(jí)微光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與制作研磨微光學(xué)元件的生產(chǎn)方法主要有三種：直接激光法、電子束法和灰度覆蓋法。其中灰度掩模法最有發(fā)展前途,其關(guān)鍵是制作一張高精度的灰度掩模板,以實(shí)現(xiàn)曝光量的精確控制;但傳統(tǒng)的灰度掩模技術(shù)不能根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況對(duì)掩模進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。利用電尋址空間光調(diào)制器(SLM)液晶顯示系統(tǒng)的可編程性結(jié)合投影光刻系統(tǒng)的并行性,可簡(jiǎn)化光刻過程,且能實(shí)現(xiàn)掩模的實(shí)時(shí)校正;但液晶的分辨率和開口率均不高,且存在嚴(yán)重的“黑柵效應(yīng)”。必須增大精縮投影系統(tǒng)的精縮倍數(shù),才能實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)微光學(xué)元件的制作,這會(huì)增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。數(shù)字微鏡(DMD)是一種新型的電尋址SLM,已廣泛應(yīng)用于DLP投影機(jī)領(lǐng)域,與液晶相比,它具有高的分辨率、開口率、亮度、對(duì)比度和灰度等級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。利用其輸出圖像等效灰度掩模,制作高質(zhì)量灰度掩模板,或經(jīng)刻蝕直接制作衍射光學(xué)元件是可行的。如果結(jié)合高質(zhì)量精縮投影光學(xué)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)衍射微光學(xué)元件的制作。本文研制了一套實(shí)用新型的基于DMD的無(wú)掩模數(shù)字光刻系統(tǒng),對(duì)衍射光學(xué)元件的大批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化,推動(dòng)其在國(guó)防和工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。1dmd輸出光場(chǎng)分布圖1為DMD單個(gè)微鏡結(jié)構(gòu)圖。采用大規(guī)模集成電路技術(shù),在器件的基底硅片上制出靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM),每一個(gè)SRAM單元有2條尋址電極和2個(gè)搭接電極。兩個(gè)支撐柱上,通過扭臂梁鉸鏈安裝一個(gè)微型反射鏡,形成一個(gè)“蹺蹺版”的結(jié)構(gòu)。每個(gè)DMD微鏡的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)(±10°或±12°)均由位于該微鏡下面的SRAM單元中存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)決定。將二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓加到地址電極端,產(chǎn)生靜電吸引,微鏡便會(huì)根據(jù)SRAM中的數(shù)據(jù)保持原位置或轉(zhuǎn)到相反的位置;一旦微鏡穩(wěn)定下來(lái),可認(rèn)為微鏡已被電子機(jī)械鎖定在理想位置,此時(shí)可改變SRAM中的數(shù)據(jù)而不影響微鏡的狀態(tài)。由于SRAM中的數(shù)據(jù)是二元的,因此,DMD的調(diào)制也稱為二元脈沖寬度調(diào)制(BPWM)。DMD反射的光強(qiáng)由一個(gè)刷新周期內(nèi)的調(diào)制脈寬控制。計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像先由顯卡轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào),再由DMD的支持電路轉(zhuǎn)換為BPWM格式二元脈沖數(shù)據(jù)。BPWM脈沖數(shù)越多,通光時(shí)間越長(zhǎng),得到的反射光強(qiáng)也越大。將微鏡+10°偏轉(zhuǎn)定義為“ON”狀態(tài),-10°偏轉(zhuǎn)定義為“OFF”狀態(tài)。取“ON”狀態(tài)的反射光對(duì)掩模曝光,則反射強(qiáng)度或光通量正比于各微鏡像素在一幀時(shí)間內(nèi)處于“ON”狀態(tài)的時(shí)長(zhǎng)。掩模圖形的灰度值決定了DMD反射光的強(qiáng)度,因此,DMD的輸出光場(chǎng)分布實(shí)際上就是掩模圖形,但這種掩模不是真實(shí)的掩模板,是在空間傳播的虛擬掩模;同時(shí),由于DMD實(shí)現(xiàn)了純數(shù)字化輸出,故采用DMD進(jìn)行掩模制作的技術(shù)稱為無(wú)掩模數(shù)字光刻技術(shù)。2dmd的無(wú)蔽模數(shù)字光刻系統(tǒng)本系統(tǒng)核心部件DMD是從DLP投影系統(tǒng)獲得,需要原投影系統(tǒng)某些部件的驅(qū)動(dòng),所以給系統(tǒng)光路的布置和整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了不便。經(jīng)綜合考慮,本系統(tǒng)采用自下向上方式曝光。圖2為基于DMD的無(wú)掩模數(shù)字光刻系統(tǒng)原理圖。光源經(jīng)擴(kuò)束、濾波、準(zhǔn)直后,成為近似平頂分布的均勻平行光斑,經(jīng)兩次反射后輸入到DMD芯片上。計(jì)算機(jī)上的掩模圖形經(jīng)I/O接口以二進(jìn)制數(shù)字形式輸入到DMD芯片上的SRAM,從而控制鏡片的翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)灰度圖像輸出;因此,經(jīng)DMD調(diào)制輸出的光場(chǎng)將載有掩模圖形信息,然后垂直向上入射到高倍精縮投影物鏡上,經(jīng)縮微后在光刻膠面上成像(光刻膠面朝下),從而實(shí)現(xiàn)掩模圖形的傳遞。2.1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)主要包括曝光光源和擴(kuò)束、濾波、準(zhǔn)直裝置。2.1.1nm的水源曝光光源是光學(xué)光刻的重要組成部分,光刻中所用的光源是單色光,包括波長(zhǎng)為436～365nm的紫外線(UV)、248～193nm的深紫外線(DUV)和13nm的極紫外(EUV)。光源可采用相干光源(如激光器等)和非相干光源(如高壓球形汞燈)。由于非相干光源很難得到均勻分布的平行光斑,若要得到平行光斑,需很高的成本,因此相干光源成了本系統(tǒng)的首選光源。從系統(tǒng)成本和光源功率等方面考慮,最后采用的光源為He-Cd激光器,特征波長(zhǎng)為441.6nm,功率大于70mW,穩(wěn)定性為波動(dòng)小于3.5%/h。由于實(shí)驗(yàn)所用光刻膠型號(hào)為BP213型紫外正型光刻膠,對(duì)436nm(g線)的光最敏感,與我們所用的光源波長(zhǎng)441.6nm很接近。2.1.2準(zhǔn)直鏡的作用原理擴(kuò)束鏡采用放大倍數(shù)為40倍的顯微鏡。針孔濾波器的作用是消除擴(kuò)束鏡及其在擴(kuò)束前光束經(jīng)過的光學(xué)元件所產(chǎn)生的高頻噪聲。從針孔濾波器輸出的光場(chǎng)能量為超高斯分布,經(jīng)過一定的傳輸距離后,光斑逐漸擴(kuò)大,由于準(zhǔn)直鏡孔徑的限制,中間近似平頂分布的圓形光斑被截取。從某種意義上說,這樣做是以能量的損失來(lái)?yè)Q取光強(qiáng)的均勻分布。針孔濾波器的大小為15μm。準(zhǔn)直鏡的作用是將球面波變成平面波,使光變成平行光,本系統(tǒng)中的準(zhǔn)直鏡焦距為400mm。經(jīng)擴(kuò)束、濾波、準(zhǔn)直后的光束是一個(gè)強(qiáng)度近似均勻分布的平行光,光斑直徑為?40mm,均勻度約為90%。2.2sun芯片2.2.1亞微級(jí)的衍射光學(xué)元件的精縮和直寫系統(tǒng)所用DMD芯片取自DLP投影機(jī),尺寸為0.01778m(對(duì)角線長(zhǎng)度),分辨率為1024×768,像素大小為17μm,其中1μm為兩像素之間的黑帶,占空比為0.94,傾斜角度為±10°。由于像素大小(包括1μm的黑帶)僅為17μm×17μm,如果經(jīng)10倍精縮后,為1.7μm×1.7μm;如果精縮100倍,為0.17μm×0.17μm。顯然,要得到亞微米級(jí)的衍射光學(xué)元件,必須與高倍精縮投影系統(tǒng)相結(jié)合?？紤]其他因素的影響,精縮倍數(shù)至少為20倍。DMD芯片面積為17.4mm×13.1mm,如果精縮倍數(shù)為10倍,則一次曝光面積達(dá)1.74mm×1.31mm,可制作小型陣列器件;激光直寫技術(shù)數(shù)小時(shí)內(nèi)才能完成的工作量,該系統(tǒng)在幾分鐘之內(nèi)就能完成,且一次成形,無(wú)對(duì)準(zhǔn)誤差。因此該系統(tǒng)不但縮短了衍射光學(xué)元件的制作周期,減少了誤差來(lái)源,也有利于進(jìn)一步提高衍射微光學(xué)元件的衍射效率。2.2.2dmd和光刻膠板本系統(tǒng)中,由于光刻膠板無(wú)法傾斜,要想精確成像,必須DMD水平放置,與光刻膠板表面平行。圖3為DMD的簡(jiǎn)單安裝圖。通過計(jì)算,θ=70°,才能保證從DMD反射輸出的光垂直向上。2.2.3圖像序列及互補(bǔ)由于微反射鏡是圍繞鏡軸(對(duì)角線方向)向正負(fù)兩個(gè)方向翻轉(zhuǎn),因此存在2個(gè)成像區(qū)域,且兩區(qū)域的圖像灰度互補(bǔ)。成像區(qū)域的選擇,直接影響后面光路的設(shè)計(jì)。我們可根據(jù)實(shí)際光路,合理地選擇成像區(qū)域。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),我們選擇的是與掩模圖形灰度相吻合的成像區(qū)域;如果選擇另一成像區(qū)域,則掩模圖形要進(jìn)行灰度反轉(zhuǎn)處理。2.3遠(yuǎn)心成像鏡組精縮物鏡是整個(gè)數(shù)字光刻系統(tǒng)的核心部件,其成像質(zhì)量直接影響掩模圖形的傳遞。由于實(shí)驗(yàn)室曝光平臺(tái)的防震性不好,精縮倍數(shù)不能太高,因此精縮物鏡采用GCO-23系列遠(yuǎn)心成像鏡組?；剧R組不能單獨(dú)使用,而任意兩個(gè)基本鏡組可通過接口組合成遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)。其中GCO-2301和GCO-2305組合可實(shí)現(xiàn)6倍精縮,GCO-2301和GCO-2306組合可實(shí)現(xiàn)8倍精縮,且組合后的遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)均具有較長(zhǎng)的焦深(約幾個(gè)毫米)。表1為GCO-23基本鏡組規(guī)格。真正要使該系統(tǒng)完善,必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)精縮投影物鏡。設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮分辨率和焦深這兩個(gè)性能指標(biāo)。此外,成像質(zhì)量,包括波像差、光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、像面彎曲、像散和畸變等在設(shè)計(jì)時(shí)均須考慮。2.4x、y方向的調(diào)節(jié)三維基片載物平臺(tái)的主要作用除了放置光刻膠板外,還具有x、y、z方向的調(diào)節(jié)功能。x、y方向的調(diào)節(jié)主要是為了水平移動(dòng)光刻膠板,這樣在同一塊基片上可曝光多個(gè)圖形,從而可制作衍射微光學(xué)陣列器件;z方向主要可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng),使光刻膠表面盡量與精縮物鏡的像面重合。3光刻膠衍射微光學(xué)元件的制備為了驗(yàn)證系統(tǒng)可行性,制作了分束比為5×5的達(dá)曼(Dammann)光柵、8臺(tái)階閃耀光柵和8臺(tái)階菲涅耳透鏡。圖4為轉(zhuǎn)移到光刻膠上的掩模圖形,經(jīng)顯影和刻蝕即可得到對(duì)應(yīng)的衍射微光學(xué)元件。實(shí)驗(yàn)條件為:光刻膠型號(hào)為紫外正型光刻膠BP213,激光功率為80mW,顯影液為0.1%和0.5%的NaOH溶液,定影液為去離子水。刻蝕采用普通的濕法刻蝕,腐蝕液為濃度10%的HBF(氫氟酸)。4亞大米亞米系的制備目前,DMD的開發(fā)系統(tǒng)電路板