灰度掩膜技术

灰度掩模制作技术2013年11月27日灰度掩模技术(GSM)发展1994年，美国麻省理工学院首先完成了变灰度掩模的制作。1997年，美国加利福尼亚大学采用电子束直写方法；同年，美国迈阿密大学首次用激光直写设备制作了GSM。 之后，美国、德国、俄罗斯、新加坡、英国等不断开展灰度掩模技术相关的研究。我国2001年后，国防科技大学及四川大学等高校和研究院所开始相关研究。灰度掩模技术原理原理 通过在掩模平面内不同位置提供不同的透过率，单一的灰度掩模便含有了一组二元掩模的全部信息，在经过一次光刻后，就可得到所需要的台阶或连续变化的浮雕轮廓，该方法只经一次图形转印。优势 无对准误差、周期短、方法简单。分类直写灰度掩模、模拟灰度掩模和其他灰度掩模曝光显影刻蚀灰度掩模板直写灰度掩模定义 指用激光直写设备或电子束直写设备制作的灰度掩模。GSM的制作 首先将干净的制作GSM的材料固定在工作台，然后通过计算机控制光学系统和运动系统,使聚焦的激光束焦点位于HEBS玻璃的离子交换层，最后激光束对掩模直写曝光。直写曝光过程 激光聚焦在光敏玻璃的离子交换层,输入数据来扫描写入所需图形，不同数据使HEBS玻璃离子交换层中不透明的金属银按需要转化为透明的银离子，从而获得灰度图形。掩模各处曝光量由激光光强和写入速度控制。 掩模制作激光束焦斑大小和焦深是重要参数,它们决定写入线条分辨率。HEBS玻璃就是一种全灰度掩模板，它使用低膨胀系数的冕牌玻璃作为基质，将含有碱性物质的基质玻璃板长时间放在高温银离子酸性溶液中进行离子交换，以一种特殊的晶体类型形式存在于基质中四面体晶体腔内。

离子交换后的玻璃呈中性且对高能粒子束（特别是对电子束）非常敏感。使用高能粒子束对HEBS玻璃曝光以后，晶体内的银离子产生了局部聚集，通过聚集银离子团对入射光进行散射调制获得掩模上不同灰度值。电子束敏感玻璃（HEBSG）直写灰度掩模技术制作结果这种技术保证灰度掩模及微透镜的稳定性，与光致抗蚀剂和聚合物相比，离子交换掩模层也保证了均匀性。尽管一步直接刻蚀受HEBS玻璃基底限制，但这种玻璃出色的透过率特性能使用在可见光及某些红外波段的衍射光学元件(DOE)。直写灰度掩模的特点：精度较高，但与利用直写设备制作二元光学器件一样，所需设备十分昂贵，且制作灰度掩模的速度慢、成本高。直写灰度掩模模拟灰度掩模技术定义 通过改变二元掩模透过部分的数目和面积，利用不同的二元掩模编码方案，通过投影光刻系统进行空间滤波形成的灰度掩模，也称为半色调灰度掩模技术。制作模拟灰度掩模方法 对带有方孔的网板光掩模进行空间滤波； 对特殊的浓淡点图进行空间滤波；模拟灰度掩模方法在常规的光学曝光装置中使用网板光掩模，调节孔的大小，调制光强度的变化，产生所需模拟灰度图形，从而在光刻胶表面产生预先确定的曲面轮廓。这种方法是建立在传统的铬网线的适当图形和光刻工艺常规设备和材料的基础上，比较简单和实用，不受任何特殊表面形状的限制。使用这种方法已经制作出棱镜、闪耀光栅、菲涅耳透镜等光学元件。网板光掩模方法脉冲宽度调制：像素单元内的透明小孔个数不变，通过改变像素窗口内透明孔的大小来控制像素所在区域内的透射率；脉冲宽度和能量同时调制：同时改变透明区域的面积和个数和来获得需要的透射率。脉冲能量调制：像素窗口内透明孔的大小不变，通过改变像素单元的面积内的小孔数量来控制像素所在区域内的透射率；（都是振幅调制）使用简单的成像系统，在精缩过程中对特殊的浓淡点图进行空间滤波，产生模拟灰度图形。浓淡点图含有尺寸可变的点图形，光的灰度由白色背景上的黑点阵列提供。这种模拟方法产生一个高调制透过率轮廓。这种方法的制约因素是：浓淡点图的频率、光致抗蚀剂的最大厚度及图形的渐变厚度。使用这种方法已经得到闪耀光栅和透镜阵列。模拟灰度掩模的特点：可建立在传统光刻工艺、常规设备及材料的基础上，比较简单实用，但网板和浓淡点图的空间频率限制了最小特征尺寸的进一步缩小。特殊的浓淡点图GSM技术制作误差刻蚀深度误差 轮廓深度不能精确控制，产生相位误差，因素来源曝光强度、扫描速度、基底折射率和周围的环境等。线宽误差 制作掩模和图形转移过程中产生的。侧壁倾斜误差 激光光斑为高斯分布，写入过程光斑之间相互影响，侧壁不是垂直陡峭的理想结构。临近效应误差