高質(zhì)量精縮投影光刻系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高質(zhì)量精縮投影光刻系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1高質(zhì)量精縮投影光刻系統(tǒng)的設(shè)計思路灰色蒙太奇技術(shù)是一種非常發(fā)達的色散光學(xué)元件制備方法。傳統(tǒng)的灰度掩膜技術(shù)不能根據(jù)實驗情況對掩膜進行實時修改。利用電尋址空間光調(diào)制器(SpatialLightModulator,簡稱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,可大大簡化光刻過程,且能實現(xiàn)掩膜的實時校正。但液晶的分辨率和開口率均不夠高,且存在嚴重的“黑柵效應(yīng)”。必須增大精縮投影系統(tǒng)的精縮倍數(shù),才能實現(xiàn)亞微米級微光學(xué)元件的制作,這無疑會增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。數(shù)字微鏡(DigitalMicromirrorDevice,簡稱DMD)是一種新型的電尋址SLM,與液晶相比,它具有更高的分辨率、開口率、亮度、對比度和灰度等級等優(yōu)點。利用其輸出圖像等效灰度掩膜,制作高質(zhì)量灰度掩膜板,或經(jīng)過蝕刻直接制作衍射光學(xué)元件是完全可行的。如果結(jié)合高質(zhì)量精縮投影光學(xué)系統(tǒng),完全可以實現(xiàn)亞微米級衍射微光學(xué)元件的制作。本文研制了一套實用新型的基于DMD的高質(zhì)量精縮投影光刻系統(tǒng)。對衍射光學(xué)元件的大批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化,推動其在國防和工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。2dmd精縮投影光刻系統(tǒng)原理本系統(tǒng)核心部件DMD是從DLP(DigitalLightProcessing)投影系統(tǒng)獲得,需要原投影系統(tǒng)某些部件的驅(qū)動,所以給系統(tǒng)光路的布置和整個系統(tǒng)的設(shè)計帶來了不便。經(jīng)綜合考慮,本系統(tǒng)采用自下向上方式曝光。圖1是DMD精縮投影光刻系統(tǒng)原理圖。光源經(jīng)擴束、濾波、準直后,成為近似“平定”分布的均勻平行光斑。經(jīng)兩次反射后輸入到DMD芯片上。計算機上的掩膜圖形經(jīng)I/O接口以二進制數(shù)字形式輸入到DMD芯片上的SRAM,從而控制鏡片的翻轉(zhuǎn),實現(xiàn)灰度圖像輸出。因此經(jīng)DMD調(diào)制輸出的光場將載有掩膜圖形信息,然后垂直向上入射到精縮投影物鏡上,經(jīng)精縮后在光刻膠面上成像(光刻膠面朝下),從而實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)印。下面從照明系統(tǒng)、DMD芯片、精縮物鏡、三維基片載物平臺等部分詳細介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計過程。2.1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)主要包括曝光光源和擴束、濾波、準直裝置。2.1.1相干光路系統(tǒng)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,包括波長為365～436nm的紫外線(UV),193～248nm的深紫外線(DUV),以及13nm的極紫外(EUV)。光源可以采用相干光源(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,如果要得到平行光斑,需要很高的成本。因此相干光源便成了本系統(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,特征波長為441.6nm,功率大于70mW,穩(wěn)定性為波動小于3.5%/h。由于實驗所用光刻膠型號為BP213型紫外正型光刻膠,對436nm(g線)的光最敏感,與我們所用的光源波長441.6nm很接近。2.1.2準直鏡的作用擴束鏡采用放大倍數(shù)為40倍的顯微鏡。針孔濾波器的作用是消除擴束鏡及其在擴束以前光束經(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能量為超高斯分布,經(jīng)過一定的傳輸距離后,光斑逐漸擴大,由于準直鏡孔徑的限制,中間近似“平定”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換取光強的均勻分布。針孔濾波器的大小為15μm。準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)中的準直鏡焦距為400mm。經(jīng)擴束、濾波、準直后的光束是一個強度近似均勻分布的平行光,光斑直徑為?40mm,均勻度約為80%。2.2sun芯片2.2.1精縮的個數(shù)系統(tǒng)所用DMD芯片尺寸為0.7in(對角線長度),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17×17μm2,如果經(jīng)過10倍的精縮后,為1.7×l.7μm2;如果精縮100倍,為0.17×0.17μm2。顯然,要得到亞微米級的衍射光學(xué)元件,必須與高倍精縮投影系統(tǒng)相結(jié)合?？紤]其它因素的影響,精縮倍數(shù)至少為20倍。DMD芯片面積為17.4×13.1mm2,如果精縮倍數(shù)為10倍,則一次曝光面積達1.74×1.31mm2,可以制作小型陣列器件。并且,激光直寫技術(shù)數(shù)小時內(nèi)才能完成的工作量,該系統(tǒng)在幾分鐘之內(nèi)就能完成,因此,大大縮短了衍射光學(xué)元件的制作周期。2.2.2dmd的安裝在本系統(tǒng)中,由于光刻膠板無法傾斜,要想精確成像,必須DMD水平放置,與光刻膠板表面平行。圖2是DMD的簡單安裝圖。其中,粗實線表示DMD未翻轉(zhuǎn)時的位置,虛線表示翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)。通過計算,θ=70°,才能保證從DMD反射輸出的光垂直向上。2.2.3成像區(qū)域的選擇由于微反射鏡是圍繞鏡軸(對角線方向)向正負兩個方向翻轉(zhuǎn),因此存在兩個成像區(qū)域,且兩區(qū)域的圖像灰度互補。成像區(qū)域的選擇,直接影響后面光路的設(shè)計。我們可以根據(jù)實際光路,合理的選擇成像區(qū)域。在本系統(tǒng)設(shè)計時,我們選擇的是與掩膜圖形灰度相吻合的成像區(qū)域。如果選擇另一成像區(qū)域,則掩膜圖形要進行灰度反轉(zhuǎn)處理。2.3遠心成像鏡組精縮物鏡是整個投影曝光系統(tǒng)的核心部件,其成像質(zhì)量直接影響掩膜圖形的轉(zhuǎn)印。由于實驗室曝光平臺的防震性不是很好,精縮倍數(shù)不能太高,因此精縮物鏡采用GCO-23系列遠心成像鏡組?；剧R組不能單獨使用,而任意兩個基本鏡組可以通過接口組合成遠心成像系統(tǒng)。其中,GCO-2301和GCO-2305組合可實現(xiàn)6倍精縮,GCO-2301和GCO-2306組合可實現(xiàn)8倍精縮,且組合后的遠心成像系統(tǒng)均具有較長的焦深(約幾個毫米)。表1是GCO-23基本鏡組規(guī)格。真正要使該系統(tǒng)完善,必須嚴格設(shè)計精縮投影物鏡。設(shè)計時,主要考慮分辨率和焦深這兩個性能指標。除此之外,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)計時均須考慮。2.4x、y方向的調(diào)節(jié)三維基片載物平臺的主要作用除了放置光刻膠板以外,還具有x、y、z三個方向的調(diào)節(jié)功能。x、y方向的調(diào)節(jié)主要是為了水平移動光刻膠板,這樣在同一塊基片上可曝光多個圖形。z方向主要可實現(xiàn)上下移動,使光刻膠表面盡量與精縮物鏡的像面重合。3dampnn算法為了驗證系統(tǒng)可行性,特制作一分束比為5×5的Dammann光柵。圖3為轉(zhuǎn)移到光刻膠上的掩膜圖形,實驗條件為:光刻膠型號為紫外正型光刻膠BP213,激光功率為75mw,曝光時間為60s,顯影液為0.1%和0.5%的NaOH溶液,顯影時間分別為15s和20s,定影液為去離子水。經(jīng)化學(xué)腐蝕得到最終的Dammann光柵,腐蝕條件為:腐蝕液為濃度9%的氫氟酸(BHF)溶液,腐蝕時間為10s。經(jīng)性能測試,衍射效率為58.2%。圖4為5×5等光強分布圖。圖中光點大小不同,原因主要是入射光不是垂直入射而致。4改系統(tǒng)設(shè)計特點與傳統(tǒng)的灰度掩膜技術(shù)相比而言,基于DMD虛擬掩膜技術(shù)的精縮投影光刻系統(tǒng)具有許多獨特的優(yōu)點,具體可總結(jié)如下:1)采用高分辨率DMD(如1024×768像素,像素尺寸17×17μm2)為空間光調(diào)制器,從DMD輸出的具有一定灰度的掩膜圖形經(jīng)高質(zhì)量精縮投影光刻系統(tǒng)后,可使衍射光學(xué)器件的最小特征尺寸達到微米甚至亞微米級水平;同時,DMD的高灰度等級(8位,10位或更高)使該系統(tǒng)可實現(xiàn)曝光量的精確控制,從而為制作復(fù)雜面形、連續(xù)相位結(jié)構(gòu)的器件奠定基礎(chǔ);2)DMD輸出圖像直接投影制作灰度掩膜,一次曝光形成灰度掩膜的面積相當(dāng)于激光直寫系統(tǒng)在數(shù)小時內(nèi)才能完成的工作量,因此該系統(tǒng)可大大縮短衍射微光學(xué)灰度掩膜的生產(chǎn)周期,降低制作成本;3)DMD上的圖像可由計算機靈活控制,便于實時更換掩膜,實時校正掩膜;4)該系統(tǒng)既可制作臺階型器件,又可制作連續(xù)性器件。制作連續(xù)型器件時,可通過提高精縮倍數(shù),如100倍,這樣一個點的大小只有0.17μm,完全滿足連續(xù)器件制作的近似要求;5)如果感光材料采用HEBSG玻璃,則制作的是灰度掩膜板,如果感光材料采用光刻膠,則直接制作衍射光學(xué)元件。因此改系統(tǒng)即可制作灰度掩膜板,又可直接制作器件,無需復(fù)制,即可實現(xiàn)衍射光學(xué)元件的大批量生產(chǎn);6)該系統(tǒng)既可制作單個器件,又可制作陣列器件。如果精縮倍數(shù)足夠高,雖然可以縮小元件的最小特征尺寸,但曝光面積也同時減小,對制作陣列器件顯然不利。這時只有通過精確移動光刻膠板來實現(xiàn)陣列器件的制作;7)曝光方式靈活。既可一次曝光,又可分時曝光,還可實現(xiàn)移動掩膜、旋轉(zhuǎn)掩膜曝光;8)每個點(對應(yīng)像素)上的曝光量完全由計算機數(shù)字信號(與灰度對應(yīng))控制,是真正意義上的純數(shù)字掩膜,易于控制;9)DMD是反射式SLM,對曝光光源波長不敏感,因此光源的選擇范圍