基于dmd的数字掩模光刻成像系统

基于dmd的数字掩模光刻成像系统

二维光学元件是指基于波束理论的开发、计算设计（cd）和大规模电路（vl-si）的生产工艺。在传统的基片或光学装置的表面上雕刻和产生各种深度的浮雕结构，形成一系列具有纯相位、连续复制和高衍射效率的透射光学装置。二元光学元件能实现传统光学器件许多难以达到的目的和功能。制作二元光学元件的方法很多,如灰阶掩模板法、激光热敏加工法、金刚石车削法、准分子激光加工法等。除这些方法外,采用光学逐层套刻的方法仍是目前经典、有效的制作二元光学元件的方法,其中光刻掩模是必不可少的。掩模的制作是后续制作的关键所在。掩模的效果对二元元件的精度起着至关重要的作用,掩模是套刻曝光过程的前提和基础。目前铬版掩膜在电子行业中主要应用于STN-LCD、TFT-LCD、PDP、以及PCB产业BGA、FPC、HDI等产品。目前铬版掩模生产中,主要使用的是激光光绘机(Maskwriter)。将设计的CAD电脑文件,经过编辑和格式转换,输出到激光光绘机,从而在铬版上光绘出图形。1dmd技术特点通常的二元光学元件的制作步骤包括:相位分布的光学设计、通过CAD将阶梯相位分布变换成一组振幅图(光掩模)、通过反复的平面复制、图像转印、器件评价等过程加工出基板面浮雕。故本文提出了应用数字光刻技术,通过计算机优化产生的一系列“虚拟”的数字图形控制曝光设备将图形一幅幅地投影到基片上的一种新方法。DMD的输出图形可直接投影制作掩模,一次曝光形成掩模的面积相当于激光直写系统在数小时内完成的工作量,且图形越复杂,优势越明显,因此此系统可大大缩短生产周期,从而减低制作成本。基本的衍射二元光学元件有二元光栅、达曼光栅、龙基光栅、菲涅耳透镜等。其中,菲涅耳透镜的设计如下:根据要求的焦距f,最大外径2R(或相对孔径2R/f,或数值孔径NA)及衍射效率η,计算相应的结构参数。包括:波带片周期数N,环带半径rm,相应台阶数L,环带数M=NL,及最小线宽Δrm。通用公式为:2实验2.1铬板覆盖层生产2.1.1同心圆环的绘制以菲涅耳透镜为例,可根据要实现的透镜的焦距、最小环带半径、台阶数以及最小线宽的不同,先用Matlab设计软件得到一组环带半径,以表格形式输出,再用CAD绘图软件绘制同心圆环并且以.BMP格式进行图形输出。如图1所示,设计外形尺寸如下:(a)二元光栅800lin/mm;(b)正交光栅400lin/mm;(c)Ronchi光栅200lin/mm;(d)Dammann光栅100lin/mm;(e&f)菲涅耳波带透镜透镜及方形菲涅耳波带片:焦距6.5mm,最大外径1.3mm,适用波长0.6328μm,阵列数40×40。2.1.2曝光时间的设置高分辨率的DMD为1024×768像素,其单个像素(微镜)的尺寸为10.8μm,系统采用14倍精缩投影组合物镜,可实现的最小分辨率可达到1μm以下。同时,DMD的高灰度等级使该系统可实现曝光量的精确控制,为制作复杂图形、连续相位结构的器件奠定基础。将制作好的掩模图导入DMD,设置好曝光时间(6～20s)进行曝光。本实验使用的铬版为长沙韶光的LRC型版,尺寸为2.5×2.5×0.06inch,基板材料是石英玻璃,铬膜表面涂覆的是S1805型正性光致抗蚀剂,曝光光源是波长为365nm的近紫外光。曝光误差即曝光时光的衍射、折射和反射等曝光邻近效应所引起的缺陷。在曝光强度不变的情况下,线条宽度与曝光时间成反比。所以曝光时间的控制是极为重要的。2.1.3定影剂离子水系统显影就是将经近紫外光曝光产生分解反应的抗蚀剂溶解去除,而未被曝光部分保留形成保护层。本实验以浓度为3.5‰的NaOH水溶液作为显影剂,去离子水作为定影剂,显影温度稳定在22℃左右。将曝光后的铬版显影10～20s,然后在去离子水中定影,后坚膜。显影误差主要有显影液浓度和显影的温度及时间。显影时间的长短直接影响到线宽。过长时间的显影会导致线条被额外刻蚀,以致线宽变细;而不足的显影时间则会引起线条尺寸偏大。由于显影时间很大程度上依赖于曝光工艺中曝光剂量的控制,所以在确定显影时间时,通常基于曝光剂量和线条尺寸等条件做理论计算,并不需要特别进行研究。2.1.4腐蚀液的配置蚀刻即将曝露处的铬层腐蚀去除。本实验采用的是湿法刻蚀法。铬板显定影完毕后,将其放入22℃左右的腐蚀液中刻蚀35s±5s,用清水冲洗干净。由于采用的是湿法刻蚀技术,对于光掩膜的横向衍生刻蚀是很难掌握的。湿法化学刻蚀方法的实际适用性由其分辨率和刻蚀尺寸决定。实验中发现,刻蚀速率随温度的升高而增加,但温度过高时刻蚀速率过快,使得刻蚀结果不好,刻蚀表面凹凸不平,有成片的铬膜脱落。2.1.5光刻胶的制备脱膜是将经过刻蚀的铬板表面残留的光刻胶去除干净。实验采用的去胶液是浓度为5%的NaOH溶液,将铬板浸泡40s即可去除表面残余的光刻胶。2.2投影光刻系统的建立由于数字光刻最佳实现的最小线宽为1μm,虽然也能够做到亚微米的线宽,但是对显影时间、温度和刻蚀时间、温度需要掌握的更加准确,给实验增加了极大难度,所以可以通过搭建投影精缩光刻系统,采用可变焦的精缩投影物镜,将掩模板上的图形缩小适当的倍数。如图2和3所示:3结果分析3.1曝光时间的确定以菲涅耳波带片为例,经过大量实验表明,短曝光、长显影的实验效果最佳。所以曝光时间15～19s、显影时间12～16s,刻蚀时间为25s左右的均可得到理想的线宽。图4所示为采用不同的曝光时间,在同一块铬版上所得到的菲涅耳波带片,及周期为800条/mm的二元光栅。其中图4(c)是图4(a)的部分放大图像。3.2最小线宽的确定在每一个步骤中,都存在着会导致原始图形变形的因素。曝光量的控制不当,显影的浓度、时间和温度,刻蚀过程中的横向衍生刻蚀等都是不利的因素。如图1(e)所示,其最小线宽的设计尺寸是10.0μm的菲涅耳波带片。经过精缩系统5倍缩小后,实际得到的实验结果如图4(a),条纹清晰可辨、边界完整、无陡坡等现象存在,得到的最小线宽约为2.0μm,达到了实验要求。且对光线的汇聚作用如图5所示:4dmd光刻技术本文通过大量的实验最终