多光束无掩模光刻系统

1、第31卷第4期应用光学Vol.31No.42010年7月JournalofAppliedOpticsJul.2010文章编号:1002-2082(2010)04-0537-03多光束无掩模光刻系统沈易,吴翌旭,邢燕冰,周成刚(上海科学院集成电路制造装备研究中心,上海201203)摘要:介绍了一种多光束无掩模光刻系统,该系统利用空间光调制器数字微反射镜(DMD)对405nm的激光光束进行调制,控制波带片阵列及纳米透镜阵列聚焦,利用聚焦点阵配合纳米移动平台进行扫描光刻。介绍了该无掩模光刻实验系统结构及工作原理,并给出了多光束光刻的实验结果。实验表明:利用普通蓝紫光源和聚焦元件阵列可实现分辨率为40

2、0nm的多光束并行光刻。关键词:无掩模光刻;多光束光刻;波带片阵列光刻;DMD中图分类号:TN202文献标志码:AMulti-beammasklesslithographsystemSHENYi,WUYi-xu,XINGYan-bing,ZHOUCheng-gang(IntegratedCircuitManufacturingEquipmentR&DCenter,ShanghaiAcademyofScience&Technology,Shanghai201203,China)Abstract:Amulti-beamlithographsystemisintroduced.The

3、systemusesadigitalmicro-mirrordevice(DMD)asaspatiallightmodulatortomodulatethe405nmlaser.Bycontrollingthezone-plate-arrayorfocusing-element-arraytofocusonthesubstratetoformafocusing-lattice,scanninglithographisachievedwithananometermovingplatform.Thesetupandprincipleofthesystemisintroducedandtheresu

4、ltoftheexperimentsisgiven.Theexperimentprovedthatmulti-beamlithographywithresolutionof400nmisachievedusingtheordinarybluelightandfocusing-element-array.Keywords:masklesslithography;multi-beamlithography;zone-plate-arraylithography;digitalmicro-mirrordevice引言尽管浸没式光刻技术已经可以将光刻节点延伸至65nm甚至45nm,各种提高分辨率途径如

5、:寻找高折射率的浸没液体、改善光学主镜头、提高光刻胶分辨率、优化掩模版、自对准双重图形技术及各种波前工程的综合使用,可使光刻节点降至32nm甚至22nm,但是不断攀升的价格,让人望而生畏,到了阻碍新产品开发的地步。无掩模光刻技术是解决掩模成本问题的潜在方案,是下一代光刻技术的研究热点。目前无掩模光刻主要是电子束光刻,虽然有着非常高的光刻精度,但效率极低,自20世纪80年代诞生以来一直都不能适用于生产线,且设备昂贵。为此,许多研究单位把多光束光刻作为提高光刻速度的解决途径进行研究。目前,多电子束光刻的开发商有MapperLithography、MultibeamSystem、IMSNanofab

6、ri-美国MIT实验室等1-6,它们都有各自的技cation、术或产品;ASML、美国贝尔实验室等单位也都在致力于开发无掩模光刻技术。1多光束光刻系统在新型无掩模光刻技术中,一些基于MEMS收稿日期:2010-02-06;修回日期:2010-03-05作者简介:沈易(1982-),女,河北衡水人,硕士,主要从事无掩模光刻、光电检测等方面的研究工作。538应用光学2010,31(4)沈易,等:多光束无掩模光刻系统技术的SLM(spatiallightmodulator,空间光调制器)被不断应用,生成数字掩模或是作为光开关7-8,如GLV(siliconlightmachines光栅光阀)和TI公

7、司的数字微反射镜(DMD)等。该系统采用TI公司微反射镜阵列作为空间光开关进行多光束开关控制,系统组成如下:光源405nm半导体激光器,功率30mW。聚焦器件波带片阵列,理论焦距60.75󰀁m,分辨率400nm;纳米透镜阵列,理论焦距15󰀁m,分辨率250nm。DMDTIDiscovery4000开发板,1024×768像素,适用于蓝紫光波段。扫描平移台六轴,压电陶瓷控制,最小步距50nm,重复定位精度7nm。其他扩束准直镜、4f空间滤波系统、CCD观测系统、光谱测厚仪调焦系统PSD调平系统、等,系统示意图如图1所示。波器放置在第一个透镜的后焦面,则第

8、二个透镜的前焦面即为DMD所在光场的傅里叶变换,此傅里叶变换经第二个透镜成像在其后焦面上的透镜阵列上。控制DMD面上不同像素的开关,根据其后傅里叶反变换后所成的像,即可控制透镜阵列上的光通断。图2DMD的成像系统示意图Fig.2SchematicofimagingsystemofDMDelement此系统的目的在于进行滤波成像,既要提高DMD的成像精度和充分利用光能量,又要考虑精度过高时,DMD微镜结构中的黑栅和内孔对成像元件的影响。实验中,由于聚焦器件的特性,我们选择了低通滤波,滤除高频信息,以补偿由于光的不均匀性对聚焦元件的影响。3实验结果实验采用7.62cm(3英寸)硅片作为基底材料,硅

9、片上涂敷300nm厚ShipleyS1805光刻胶(2700r/m,热板100/min),曝光后在MF320(31稀释)中显影60s,显影后的实验结果如图3所示。图3(a)为周期1.2󰀁m的光栅波带片阵列光刻结果,采用奥林巴斯显微镜放大1000×观察;图1多光束无掩模光刻实验系统示意图Fig.1Schematicofmulti-beammasklesslithographsystem图3(b)间距2󰀁m的点阵,纳米透镜阵列光刻结果,采用奥林巴斯显微镜放大1000×观察;图3(c)最小周期为1.2󰀁m阵列光栅,波带片阵列光刻结果

10、,共聚焦扫描显微镜成像;图3(d)周期为0.8󰀁m光栅波带片阵列光刻结果,扫描电镜成像。实验中,由于基于表面等离子效应的微透镜阵列分辨率受焦距限制,当设计透镜焦距极短,仅为数十个纳米或亚波长时,近场光刻分辨率极高,但由于间距控制的技术难度,目前较难实现,实验仍在不断探索中。实验结果多为波带片阵列远场光刻结果。另外,从实验中可以看出:3(行)×3(列)的多光束光刻,各个微镜的光强并非很均匀。因为实验系统中所使用的DMD开发板为二元信号控制,若加入灰度控制模块,可利用灰度补偿由于光斑的不系统工作原理:半导体激光器所发出的加工激光首先经过准直扩束,以一定角度投射到空间光调制

11、器DMD上,经过DMD后光束被调制为多束光,每束光单独控制后面的一个聚焦微镜,然后,光束以点阵光斑的形式汇聚到涂有光刻胶的硅片上。根据所需加工的图案编程控制从DMD反射出光束的开断,同时,计算机控制精密移动工作台进行扫描,形成所需图案,最后对所有透镜扫描出的图形进行拼接,即可得到所需要的光刻图案。2DMD成像系统DMD的成像系统为4F系统,如图2所示,DM,应用光学2010,31(4)沈易,等:多光束无掩模光刻系统539plate-arraylithographyinthedeepultravioletJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,1998,1

12、6(6):3426-3429.3CARTERDJD,GILD,MENONR,etal.Mask-less,parallelpatterningwithzone-platearraylithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,1999,17(6):3449-3452.4MENONR,PATELA,MOONEE,etal.Alpha-prototypesystemforzone-plate-arraylithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,2004,22(6):3032-3037

13、.5CHAOD,PATELA,BARWICZT,etal.Immer-sionzone-plate-arraylithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,2005,23(6):2657-2661.6CARTERDJD,GILD,MENONR,etal.Zone-图3多光束光刻实验结果Fig.3Experimentalresultsofmulti-beamlithographyplatearraylithography(ZPAL):Anewmaskless332.approachJ.SPIE,1999,3676:324-7彭钦军,郭永康,

14、陈波,等.液晶实时掩膜技术制作连续微光学元J.光学学报,2003,23(2):220-224.PENGQin-jun,GUOYong-kang,CHENBo,etal.LCDreal-timemasktechniqueforfabricationofcontinuousmicro-opticalelementsJ.ActaOpticaSinica,2003,23(2):220-224.(inChinesewithanEnglishabstract)8陈劲松.基于数字微镜的高质量精缩投影光刻系统的研制J.激光与红外,2006,36(3):206-209.CHENJin-song.Research

15、onhighqualityreductionprojectingsystembasedondigitalmicromirrordeviceJ.Laser&Infrared,2006,36(3):206-209.(inChinesewithanEnglishabstract)9SRITURAVANICHW,PANLiang,WANGYuan,etal.Flyingplasmoniclensinthenearfieldforhigh-speednanolithographyJ.technology,2008,3:733-737.10MENONR,GILD,BARBASTATHISG,eta

16、l.参考文献:1SMITHHI.Aproposalformaskless,zone-plate-arraynanolithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,1996,14(6):4318-4322.2DJOMEHRIIJ,SAVASTA,SMITHHI.Zone-Photon-sievelithographyJ.J.Opt.Soc.Am.A.,2005,22(2):342-345.11KIPPL,SKIBOWSKIM,JOHNSONRL,etal.SharperimagesbyfocusingsoftX-rayswithphotonsievesJ.Nature,2001,414:184-188.NatureNano-4结束语本文主要介绍了利用微透镜