二元光学元件的光刻技术研究

二元光学元件元件的光刻技术研究STUDY OF PHOTOLITHOGRAPHY TECNOLOGY OF MASK OF BINARY OPTICAL ELEMENT 摘 要本文叙述了二元光学元件多掩模光刻技术的基本原理，并在对光刻中曝光和显影模型分析理解的基础上，结合多台阶相位图对称衍射光学元件的特点，设计了八相位校正板的光刻制作掩模，研究并讨论了器件制作工艺过程中光致抗蚀剂及涂布、曝光的方式、显影过程等各主要技术环节的条件和影响制作效果的主要相关因素。通过对八相位校正板光刻掩模的设计，利用ZEMAX得出设计结果，采用蚀刻的办法把在光刻胶上形成的面形可靠地转移到所需基底材料表面，分析了工艺流程中各主要技术环节的条件和影响制作效果的相关因素，如对准标记方法的设计等，使八相位校正板的光刻线宽达到微米级，并通过对准标记来提高器件制作精度。文中同时就八相位校正位校正板的制作，从二元器件的衍射效率的角度等方面，对二元光学元件的制作误差进行了相应的分析。关键词：二元光学元件 光刻 图形转移 ABSTRACTThe paper narrates the basic principle of Binary Optical Element (BOE) multi-mask laser score technology. Base on the comprehension of the analysis about model of exposure and develop in laser score, and the feature of multi-step symmetric diffraction, design the laser score fabrication mask about eight phase optical element. We design the eight phase mask ,use the ZEMAX and adopt the eclipse engrave method to make the light engrave of the surface which formed on the light engrave glue credible transfer to the surface of the needed base material and analyses the condition in the technical master operation and factors which influence the effect of producing Especially ,for example ,to design alignment mark etc ,so the line wide get to the micrometer . Study and discuss the process of optical element fabrication, photo resist, print the way of exposure and the process of develop etc. From the point of view of the influence fabrication effect .We also analyze the error of fabrication.Key words: Binary Optical Element, Photolithography, Image transfer目 录第一章 绪 论1.1 研究的背景及意义.11.2 光刻技术的发展概况.11.3 论文研究的目的和内容.3第二章 二元光学元件基本原理及其应用 .42.1 二元光学元件的基本原理.42.2 二元光学元件的应用.6第三章 二元光学元件的光刻制作.73.1 二元光学元件的光刻制作方法.73.1.1台阶刻蚀法.73.1.2薄膜沉积法.93.1.3激光直写法.103.1.4准分子激光加工法.103.1.5灰阶掩膜法.113.2光致抗蚀剂.123.3二元光学元件的光刻制作过程.13 3.3.1基片处理.143.3.2抗蚀剂涂布.153.3.3曝光与显影.173.3.4后烘过程.22第四章 二元光学元件的制作误差分析.234.1掩膜对准误差.244.2线宽误差.244.3刻蚀深度误差.25结 论.27致 谢 .28参考文献.29第一章 绪 论1.1 研究的背景及意义随着半导体工业和纳米技术的飞速发展,对光刻技术提出了越来越高的要求。光学光刻技术经过几十年的发展,在方方面面都取得了巨大进步,同时在现有基础上继续提高也存在着难以克服的困难;而下一代光刻技术(NGL)尽管取得了一些突破,但由于费用、生产率、实现性等问题,投入大规模使用尚待时日。在未来几年内,光学光刻的主流地位仍然不可动摇。但是目前国内二元光学元件的加工工艺还不够成熟，加工的元件和理论的设计还有一定的距离，因此，深入研究二元光学元件的加工工艺，对于提高工艺水平、质量具有重大意义。1.1 光刻技术的发展概况光刻技术是利用光学复制的方法把超小图样刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的技术，光的应用是整个刻划技术的关键，光刻技术的开发就是围绕光的波长进行的。光刻设备的发展和进步的历程实质上是一部各类波长应用的历史，光刻技术的发展方向是曝光波长越来越短，多年来的研究工作和技术突破都是沿着436365248193157mNGL(下一代光刻术)的路线进行的。80 年代中期，美国 MIT 林肯实验室威尔得坎普(Veldkamp)领导的研究组在设计新型传感系统中，率先提出“二元光学”的概念:,他当时描述到:“现在光学有一个分支，它几乎完全不同于传动制作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表面带有浮雕结构;由于使用了本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元编码形式进行分层，故引出二元光学的概念。 ”美国国防部领先科研项目处(DARPA)对“二元光学”项目进行了资助，并提出了研究的目标.(1)一种基于微电子制作工艺的光学技术，用以节约资金和劳动力，获取在设计和材料选择上更多的自由度，并开发新的光学功能元件;(2)推动光电系统整体的计算机辅助设计;(3)在美国工业界广泛应用衍射光学技术。随后，二元光学不仅作为一门技术，而且作为一门学科迅速地受到学术界和工业界的青睐，在国际上掀起了一股二元光学的研究热潮。进入 90 年代，随着微细加工技术的发展，为了得到高衍射效率的二元光学器件，其浮雕结构从两个台阶发展到多个台阶，直至近似连续分布，但由于主要的制作方法仍基于表面分步成形技术，每次刻蚀得到的仍是二倍的相位阶数，故仍称为二元光学，而且往往被称为衍射光学。随着二元光学技术的发展，二元光学器件已经广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储等诸多领域。它的发展已经历了三代:第一代，人们采用二元光学技术来改进传统的折射光学元件，以提高它们的常规性能，并实现普通光学元件无法实现的特殊功能;这类器件主要用于像差校正和消色差。通常的方法是在球面折射镜的一个面上刻蚀衍射图案，实现折衍混合消像差和较宽波段上的消色差。此外，二元光学器件能产生任意波面以实现许多特殊功能，从而具有重要的应用价值。第二代，主要应用于微光学元件和微光学阵列:80 年代末，二元光学进入微光学领域，向微型化、阵列化发展，器件大小从十几个微米至一个毫米。用二元光学方法制作的高密度微透镜阵列衍射效率很高，且能实现衍射受限成像。此外，当刻蚀深度超过几个波长时，微透镜阵列表现出普通的折射器件的特性，并且具有独特的优点:如能产生各种轮廓形状的透镜表面等。这类高质量的微透镜阵列在光通信、光学信息处理、光存储和激光束扫描等许多领域有重要的应用。第三代，即目前正在发展的一代，二元光学瞄准了多层或三维集成微光学，在成像和复杂的光互连中进行光束变换和控制二元光学的研究除在美国 MIT 林肯实验室开展外，美国 JPL 喷气动力实验室和布朗、Perkin-Elmer、杜邦等公司都有二元光学器件的研究成果和产品问世，此外，西方的一些发达国家也开展了这方面的研究:如加拿大国家光学实验室将衍射光学作为重要研究方向;德国的爱尔兰根(Erlangen)大学研究制作了二元光学器件的各种工艺方法;俄罗斯的西伯利亚电工研究所，己经研制了氦锅激光直写机床、制作了多种相息图及二元光学器件;瑞士、日本的一些高校和研究所也在进行这一领域的研究工作。在国内，许多单位也开展了二元光学的研究:如中国科学院物理研究所、等离子体物理所、微电子研究中心、长春光机所、清华大学、中国科技大学、国防科技大学、南京大学等，并取得了一些可喜的研究成果:如中国科学院物理研究所杨国祯和顾本源提出了任意线性变换系统中振幅一相位恢复的一般理论和杨一顾(Y-G)算法4,5，成功的应用于多种衍射光器件的设计:长春光机所使用薄膜沉积法和离子束刻蚀法制作了衍射光学器件，并研制成功折衍混合小型 CCD 相机，同时，在中科院的资助下，研制成功激光直写设备，填补了国内空白。在 1991 年八月，国家自然科学基金委员会邀请国内二十几位有关专家在杭州召开了第一界全国二元光学研讨会，在 1994 年 5 月，又召开了“全国微光学学术研讨会” 。1.3 论文研究的目的和内容通过调研和相关文献资料的查阅及实验，了解二元光学器件制作的全过程（包括掩模制作、光刻制作、蚀刻成型等） ，结合八台阶二元光学元件的制作，论述出光刻技术的基本原理、光刻掩模的设计、制作的工艺过程及控制，及对光刻的结果作出相应的分析。第二章 二元光学器件原理及其应用2.1 二元光学器件的基本原理二元光学器件源于全息光学器件(HOE) ，特别是计算全息器件(CGH)。相息图 (Kinoform)可认为是早期的二元光学器件。但全息元件效率低，且离轴再现，相息图虽同轴再现，但工艺长期未能解决，因此，其进展缓慢，实用受限。二元光学则同时解决了效率和加工问题，它是多台阶位相结构近似相息图的连续浮雕结构。图1表示了一个折射透镜演变成2二模的连续浮雕及多台阶浮雕结构表面二元光学器件的过程。图1 折射透镜到二元光学器件的演变二元光学是一种纯位相器件，具有高的衍射效率。利用套刻工艺制作多台阶位相二元光学器件，一般使用N块模板可得到 L=2N个位相台阶，其衍射效率为由此计算，当L二2,4,8和16时.衍射效率n分别为40.5%，81%.94.9%和98.6% 。利用亚波长微结构及连续位相结构，可达到接近100%的衍射效率。二元光学器件具有独特的、不同于常规光学器件的色散性能，其一级特性与传统光学的比较如表I所示，其中 是常数。可在折射光学系统中用二元光学器件来校正球差与色差，构成混合光学系统，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，而利用表面上的浮雕位相结构校正像差