高质量精缩投影光刻系统的设计与实现

高质量精缩投影光刻系统的设计与实现

1高质量精缩投影光刻系统的设计思路灰色蒙太奇技术是一种非常发达的色散光学元件制备方法。传统的灰度掩膜技术不能根据实验情况对掩膜进行实时修改。利用电寻址空间光调制器(SpatialLightModulator,简称SLM)液晶显示系统的可编程性结合投影光刻系统的并行性,可大大简化光刻过程,且能实现掩膜的实时校正。但液晶的分辨率和开口率均不够高,且存在严重的“黑栅效应”。必须增大精缩投影系统的精缩倍数,才能实现亚微米级微光学元件的制作,这无疑会增加系统成本和复杂性。数字微镜(DigitalMicromirrorDevice,简称DMD)是一种新型的电寻址SLM,与液晶相比,它具有更高的分辨率、开口率、亮度、对比度和灰度等级等优点。利用其输出图像等效灰度掩膜,制作高质量灰度掩膜板,或经过蚀刻直接制作衍射光学元件是完全可行的。如果结合高质量精缩投影光学系统,完全可以实现亚微米级衍射微光学元件的制作。本文研制了一套实用新型的基于DMD的高质量精缩投影光刻系统。对衍射光学元件的大批量生产和产业化,推动其在国防和工业等领域的应用具有重要意义。2dmd精缩投影光刻系统原理本系统核心部件DMD是从DLP(DigitalLightProcessing)投影系统获得,需要原投影系统某些部件的驱动,所以给系统光路的布置和整个系统的设计带来了不便。经综合考虑,本系统采用自下向上方式曝光。图1是DMD精缩投影光刻系统原理图。光源经扩束、滤波、准直后,成为近似“平定”分布的均匀平行光斑。经两次反射后输入到DMD芯片上。计算机上的掩膜图形经I/O接口以二进制数字形式输入到DMD芯片上的SRAM,从而控制镜片的翻转,实现灰度图像输出。因此经DMD调制输出的光场将载有掩膜图形信息,然后垂直向上入射到精缩投影物镜上,经精缩后在光刻胶面上成像(光刻胶面朝下),从而实现图形转印。下面从照明系统、DMD芯片、精缩物镜、三维基片载物平台等部分详细介绍系统的总体设计过程。2.1照明系统照明系统主要包括曝光光源和扩束、滤波、准直装置。2.1.1相干光路系统曝光光源是光学光刻的重要组成部分,光刻中所用的光源是单色光,包括波长为365～436nm的紫外线(UV),193～248nm的深紫外线(DUV),以及13nm的极紫外(EUV)。光源可以采用相干光源(如激光器等)和非相干光源(如高压球形汞灯)。由于非相干光源很难得到均匀分布的平行光斑,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统的首选光源。从系统成本和光源功率等方面考虑,最后采用的光源为He-Cd激光器,特征波长为441.6nm,功率大于70mW,稳定性为波动小于3.5%/h。由于实验所用光刻胶型号为BP213型紫外正型光刻胶,对436nm(g线)的光最敏感,与我们所用的光源波长441.6nm很接近。2.1.2准直镜的作用扩束镜采用放大倍数为40倍的显微镜。针孔滤波器的作用是消除扩束镜及其在扩束以前光束经过的光学元件所产生的高频噪声。从针孔滤波器输出的光场能量为超高斯分布,经过一定的传输距离后,光斑逐渐扩大,由于准直镜孔径的限制,中间近似“平定”分布的圆形光斑被截取。从某种意义上说,这样做是以能量的损失来换取光强的均匀分布。针孔滤波器的大小为15μm。准直镜的作用是将球面波变成平面波,使光变成平行光,本系统中的准直镜焦距为400mm。经扩束、滤波、准直后的光束是一个强度近似均匀分布的平行光,光斑直径为ϕ40mm,均匀度约为80%。2.2sun芯片2.2.1精缩的个数系统所用DMD芯片尺寸为0.7in(对角线长度),分辨率为1024×768,像素大小为17μm,其中1μm为两像素之间的黑带,占空比为0.94,倾斜角度为±10°。由于像素大小(包括1μm的黑带)仅为17×17μm2,如果经过10倍的精缩后,为1.7×l.7μm2;如果精缩100倍,为0.17×0.17μm2。显然,要得到亚微米级的衍射光学元件,必须与高倍精缩投影系统相结合。考虑其它因素的影响,精缩倍数至少为20倍。DMD芯片面积为17.4×13.1mm2,如果精缩倍数为10倍,则一次曝光面积达1.74×1.31mm2,可以制作小型阵列器件。并且,激光直写技术数小时内才能完成的工作量,该系统在几分钟之内就能完成,因此,大大缩短了衍射光学元件的制作周期。2.2.2dmd的安装在本系统中,由于光刻胶板无法倾斜,要想精确成像,必须DMD水平放置,与光刻胶板表面平行。图2是DMD的简单安装图。其中,粗实线表示DMD未翻转时的位置,虚线表示翻转后的状态。通过计算,θ=70°,才能保证从DMD反射输出的光垂直向上。2.2.3成像区域的选择由于微反射镜是围绕镜轴(对角线方向)向正负两个方向翻转,因此存在两个成像区域,且两区域的图像灰度互补。成像区域的选择,直接影响后面光路的设计。我们可以根据实际光路,合理的选择成像区域。在本系统设计时,我们选择的是与掩膜图形灰度相吻合的成像区域。如果选择另一成像区域,则掩膜图形要进行灰度反转处理。2.3远心成像镜组精缩物镜是整个投影曝光系统的核心部件,其成像质量直接影响掩膜图形的转印。由于实验室曝光平台的防震性不是很好,精缩倍数不能太高,因此精缩物镜采用GCO-23系列远心成像镜组。基本镜组不能单独使用,而任意两个基本镜组可以通过接口组合成远心成像系统。其中,GCO-2301和GCO-2305组合可实现6倍精缩,GCO-2301和GCO-2306组合可实现8倍精缩,且组合后的远心成像系统均具有较长的焦深(约几个毫米)。表1是GCO-23基本镜组规格。真正要使该系统完善,必须严格设计精缩投影物镜。设计时,主要考虑分辨率和焦深这两个性能指标。除此之外,成像质量,包括波像差、光学调制传递函数MTF、像面弯曲、像散和畸变等在设计时均须考虑。2.4x、y方向的调节三维基片载物平台的主要作用除了放置光刻胶板以外,还具有x、y、z三个方向的调节功能。x、y方向的调节主要是为了水平移动光刻胶板,这样在同一块基片上可曝光多个图形。z方向主要可实现上下移动,使光刻胶表面尽量与精缩物镜的像面重合。3dampnn算法为了验证系统可行性,特制作一分束比为5×5的Dammann光栅。图3为转移到光刻胶上的掩膜图形,实验条件为:光刻胶型号为紫外正型光刻胶BP213,激光功率为75mw,曝光时间为60s,显影液为0.1%和0.5%的NaOH溶液,显影时间分别为15s和20s,定影液为去离子水。经化学腐蚀得到最终的Dammann光栅,腐蚀条件为:腐蚀液为浓度9%的氢氟酸(BHF)溶液,腐蚀时间为10s。经性能测试,衍射效率为58.2%。图4为5×5等光强分布图。图中光点大小不同,原因主要是入射光不是垂直入射而致。4改系统设计特点与传统的灰度掩膜技术相比而言,基于DMD虚拟掩膜技术的精缩投影光刻系统具有许多独特的优点,具体可总结如下:1)采用高分辨率DMD(如1024×768像素,像素尺寸17×17μm2)为空间光调制器,从DMD输出的具有一定灰度的掩膜图形经高质量精缩投影光刻系统后,可使衍射光学器件的最小特征尺寸达到微米甚至亚微米级水平;同时,DMD的高灰度等级(8位,10位或更高)使该系统可实现曝光量的精确控制,从而为制作复杂面形、连续相位结构的器件奠定基础;2)DMD输出图像直接投影制作灰度掩膜,一次曝光形成灰度掩膜的面积相当于激光直写系统在数小时内才能完成的工作量,因此该系统可大大缩短衍射微光学灰度掩膜的生产周期,降低制作成本;3)DMD上的图像可由计算机灵活控制,便于实时更换掩膜,实时校正掩膜;4)该系统既可制作台阶型器件,又可制作连续性器件。制作连续型器件时,可通过提高精缩倍数,如100倍,这样一个点的大小只有0.17μm,完全满足连续器件制作的近似要求;5)如果感光材料采用HEBSG玻璃,则制作的是灰度掩膜板,如果感光材料采用光刻胶,则直接制作衍射光学元件。因此改系统即可制作灰度掩膜板,又可直接制作器件,无需复制,即可实现衍射光学元件的大批量生产;6)该系统既可制作单个器件,又可制作阵列器件。如果精缩倍数足够高,虽然可以缩小元件的最小特征尺寸,但曝光面积也同时减小,对制作阵列器件显然不利。这时只有通过精确移动光刻胶板来实现阵列器件的制作;7)曝光方式灵活。既可一次曝光,又可分时曝光,还可实现移动掩膜、旋转掩膜曝光;8)每个点(对应像素)上的曝光量完全由计算机数字信号(与灰度对应)控制,是真正意义上的纯数字掩膜,易于控制;9)DMD是反射式SLM,对曝光光源波长不敏感,因此光源的选择范围