CN102736451B - 三光束干涉光刻方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三光束干涉光刻方法和系统，其方法包括：激光束被位相光栅分光成三路光束后在加工工件表面实现N次干涉曝光，相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中，N为大于等于3的奇数，d_I为曝光后的光强分布的周期，所述三路光束分别为复振幅相同的第一光束和第二光束以及0级光束。通过本发明的三光束干涉光刻方法，可以在光刻胶上直接制备大幅面的精密多台阶结构，加工效率高，而且所采用的元器件容易获得，成本低。另外，采用三光束干涉曝光，对光栅和系统没有消零级的要求，易于制备。

Description

三光束干涉光刻方法和系统

技术领域

本发明属于干涉光刻领域，尤其涉及一种三光束干涉光刻方法和系统。

背景技术

多台阶结构是一种典型而又基本的三维结构，在半导体、微光学器件、微机电系统（MEMS）以及平板显示等诸多领域具有广泛应用。在这些应用场合，多台阶结构的台阶数目、尺寸精度和表面粗糙度的要求都很低：台阶数目一般为2到4台阶，台阶高度尺寸的精度要求约在零点几微米到几微米，台阶表面粗糙度要求约在零点几微米。在加工方法上，可以采用掩膜光刻和激光直写等多种方法实现。

但是，对于一些特殊的应用领域，例如光学器件和显示视觉等相领域，需要制作的高精度超光滑的多台阶结构，以下对二元光学器件和干涉调制显示器件进行说明。

二元光学器件是指具有两个及以上台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。二元光学器件是光器件中的新兴领域，在实现光波变换上具有许多传统光学器件难以达到的卓越性能，包括高衍射效率、独特的色散性能、巨大的设计自由度、宽广的材料可选性和特殊的光学功能。同时，二元光学器件还便于实现光学系统的微型化、阵列化和集成化。二元光学器件的台阶精度和表面粗糙度，对其输出光场分布、衍射效率和信噪比具有直接影响。以典型的2台阶结构来分析：设计波长取为532纳米，材料折射率取典型值1.5，空气折射率为1.0，则台阶的阶梯高度为532纳米，如果允许误差在10%，则台阶高度的尺寸误差要求小于53.2纳米，可见要求十分严苛。

干涉调制显示器件。干涉调制显示技术IMOD(Interferometric modulatordisplay)是一种新型的显示技术，基于该技术的显示器件和显示设备不需要背光源，拥有显著的低功耗性能，并且可以在宽泛的光线环境下使用，即便是在强烈的阳光照射下，其显示效果依然清晰锐丽。IMOD显示器件的基本单元是两片镜面夹着一个空隙的微结构，这个空隙决定光线照射显示器时所反射的颜色。当空隙的厚度尺寸等于红光波长的一半时，则通过空隙上下表面反射的红光获得干涉增强，而其它颜色则被衰减，从而使得该单元的显示出红色。利用相同的原理，通过光刻的方法在制作波长量级的多台阶结构，可以实现彩色无油墨印刷。显然，干涉调制显示器件对多台阶结构的尺寸精度和表面粗糙度也是有着很高的要求。

现有的光刻技术（包括掩膜光刻、激光直写以及电子束光刻），仅能制作微米及亚微米量级的多台阶结构，难以实现几十纳米量级的台阶深度控制和表面粗糙度要求。主要原因是，这些光刻技术难以对曝光光强进行如此精密的控制。具体分析如下：

首先分析掩膜光刻。掩膜光刻采用汞灯和LED作为发光源，光源经过透镜准直和微透镜阵列等器件进行光场均匀化后，投射在掩膜板上进行光刻。通常掩膜板上表面的光强均匀性参数约在95%左右，理论上，如果光刻胶厚度为2um，则光刻获得的台阶尺寸精度理论数值约为100nm，实际情况下可获得的精度更低。因为光场在掩膜板后的近场传输过程中，光强分布的不均匀性急剧增加。另外，由于汞灯和LED的发光体为灯丝和荧光粉末，其光场中的微小散斑和颗粒无法被匀光器件彻底改善，因此曝光的表面粗糙度很难达到20nm附近。另外，掩膜光刻作为一种基于模版的复制工艺，其加工的灵活性较差。

其次分析激光直写。第一类激光直写系统，采用激光光源、空间光调制器和成像光路。参图1a和图1b所示，由于其成像光路的孔径限制，其输入光场的高频信息被滤除，导致其曝光生成多台阶结构时，台阶的边缘和顶面均有波纹和起伏，这一现象被称为光学吉布斯现象。

根据信息光学理论分析，增大光学系统的孔径后，台阶的平面度仅仅会获得有限改善，具体表现为，台阶中部的波纹幅度减小，波纹更细密（周期变小），波纹分布逐渐向台阶两边收缩，但波纹的幅值基本稳定在总幅值的10%附近。显然，这对于精密的台阶结构，是难以接受的。值得一提的是，增加光学系统的孔径，意味着系统成本的急剧增加。

如果，将系统的光源由激光改为汞灯和LED等非相干光，则遇到掩膜光刻的同样的问题。另外，此时台阶的边缘陡直性较差，因此光刻可获得的台阶结构的占空比较低。

另一类激光直写系统，采用激光光源，光束扫描器件(或者说偏转器件)和聚焦光路。其输出光场为单个聚焦点，通过对聚焦点的精密均匀叠加，理论上可以实现上述的精密多台阶结构。但是其主要问题是单点扫描加工方式，加工效率很低，而且所采用精密光学扫描器件的设备成本很高。

最后，分析电子束光刻。电子束光刻系统的成本很高，而且加工效率极低。另外，由于电子束的曝光原理的特殊性，其曝光工艺不利于获得镜面级的光洁表面。

由于光刻技术难以直接制作上述精密多台阶结构，目前，工业领域实际采用的主流方法是光刻加工结合化学刻蚀的方法。该方法，通过光刻的方法（包括掩膜光刻和激光直写）控制台阶的二维图形形状，而通过化学刻蚀方法，例如反应离子刻蚀RIE（Reactive Ion Etching）精密控制台阶的深度，同时可以获得良好的表面光洁度。该方法的主要不足是：1、两个以上台阶，需要多次套刻，工艺繁琐；2、化学刻蚀的加工时间很长，效率低；3、化学刻蚀需要真空环境，由于真空腔体的体积限制，其加工幅面非常有限。

总之，现有加工方法无法直接地、高效地、低成本地制作大幅面的精密多台阶结构。

发明内容

本发明提出了一种三光束干涉光刻方法和系统，可以在光刻胶上直接制备大幅面的精密多台阶结构，加工效率高，成本低，获得的台阶表面光滑。

为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种三光束干涉光刻方法，其中，激光束被位相光栅分光成三路光束后在加工工件表面实现N次干涉曝光，相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中，N为大于等于3的奇数，d_I为曝光后的光强分布的周期，所述三路光束分别为复振幅相同的第一光束和第二光束以及0级光束。

作为本发明的进一步改进，所述0级光束的复振幅大于等于所述第一光束或第二光束复振幅的2倍。

相应地，本申请还提供一种三光束干涉光刻系统，包括：

激光光源；

扩束准直光学元件，将来自激光光源的激光束准直成平行光；

光学模板，用以控制曝光区域的形状；

位相光栅，对激光束进行分光；

投影光学镜组，接收所述分光后的激光束并将其汇聚到加工工件表面实现干涉曝光；

楔形位相板，控制相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中，N为大于等于3的奇数，d_I为曝光后的光强分布的周期。

作为本发明的进一步改进，所述光学模板为掩膜或空间光调制器。

作为本发明的进一步改进，所述投影光学镜组包括第一投影光学镜组和第二投影光学镜组，

作为本发明的进一步改进，所述楔形位相板位于所述第一投影光学镜组和第二投影光学镜组之间，所述楔形位相板位于所述第一光束或第二光束的光路上。

作为本发明的进一步改进，所述三光束干涉系统还包括压电陶瓷驱动装置，所述楔形位相板由该压电陶瓷驱动装置驱动。

与现有技术相比，本发明采用光学模板投影—位相光栅分光干涉光路。位相光栅将输入平行光进行分束，多光束经过投影光学系统，在光刻胶上曝光。干涉曝光后光场的复振幅分布接近于理想的余弦函数，受到光学系统有限孔径的影响很小。通过多次曝光的对位叠加，在光刻胶上的总曝光强度为平顶分布，总光强的波纹可控制在1%以下，从而可以获得精密的台阶结构。在台阶的深度尺寸精度和台阶表面的粗糙度上，明显优于现有方法。通过本发明的三光束干涉光刻方法，可以在光刻胶上直接制备大幅面的精密多台阶结构，加工效率高，而且所采用的元器件容易获得，成本低。另外，采用三光束干涉曝光，对光栅和系统没有消零级的要求，成本低，易于制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a所示为现有技术中第一类激光直写系统中空间光调制器中输入的光场分布图；

图1b所示为现有技术中第一类激光直写系统中用于光刻实际输出的光场分布图；

图2所示为本发明具体实施例中三光束干涉光刻系统的示意图；

图3所示为0级光束的振幅比值k取值为1.5时曝光叠加的光强分布；

图4所示为0级光束的振幅比值k取值为1.0时曝光叠加的光强分布；

图5所示为0级光束的振幅比值k取值为0.4时曝光叠加的光强分布。

具体实施方式

本发明提出了一种基于干涉光刻和多次曝光叠加的加工方法，其基本思想是利用干涉光刻获得接近理想的余弦类型的光强分布，然后通过多次曝光使得余弦类型的光强错位叠加，从而使得总光强分布为一个水平直线，从而获得平顶的台阶结构。

为了达到上述目的，本发明实施例公开了一种三光束干涉光刻方法，激光束被位相光栅分光成三路光束后在加工工件表面实现N次干涉曝光，相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中，N为大于等于3的奇数，d_I为曝光后的光强分布的周期，所述三路光束分别为复振幅相同的第一光束和第二光束以及0级光束。

相应地，本发明还公开了一种三光束干涉光刻系统，包括：

激光光源；

扩束准直光学元件，将来自激光光源的激光束准直成平行光；

光学模板，用以控制曝光区域的形状；

位相光栅，对激光束进行分光；

投影光学镜组，接收所述分光后的激光束并将其聚到加工工件表面实现干涉曝光；

楔形位相板，控制相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中，N为大于等于3的奇数，d_I为曝光后的光强分布的周期。

本发明的三光束干涉光刻方法和系统，可以在光刻胶上直接制备大幅面的精密多台阶结构，加工效率高，成本低，获得的台阶表面光滑。另外，采用三光束干涉曝光，对光栅和系统没有消零级的要求，易于制备。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图2所示为本发明具体实施例中三光束干涉光刻系统的示意图。

参图2所示，三光束干涉光刻系统10包括激光光源（图未示）、扩束准直光学元件（图未示）、光学模板11、位相光栅12、投影光学镜组13以及楔形位相板14。

采用激光作为光源，其优点在于激光具有良好的相干性，适于进行干涉光刻。另外，相比普通光源，激光具有良好的光场均匀性。

扩束准直光学元件，用以将来自激光光源的激光束准直成平行光。

光学模板11用以控制曝光区域的大小和形状，也即台阶结构的水平方向的大小和形状。通常光学模板11的形状为正方形。具体地，光学模板11可以采用铬板等掩膜，也可以采用空间光调制器实现。

位相光栅12用以对激光束进行分光，具体可以将激光束分成+1级（第一光束）、-1级(第二光束)光束以及0级光束。需要说明的是，激光经过位相光栅12后，亦可产生±2、±3等其他级光束，但是由于+1级两路光束发散角小且能量大，本实施例中优选采用±1级两路光束进行干涉。

采用位相光栅12对激光束进行分光，易于实现稳定可控的干涉光刻。优点一，可以保证参与干涉的两路光+1级和-1级光束的能量严格相等，初始相位相同，从而可以确保获得理想cos轮廓的光强分布；优点二，对激光光源的相干性要求很低，可以适用于多种激光器类型。

位相光栅12，其空间频率优选较大数值，例如300线对/毫米以上。这样分光后的多个级次的光束不易相互混叠，并且各个级次输出光束平直性较好，从而使得经过投影光学系统后，最终能在加工表面够获得接近理想cos分布的干涉光强分布。但是位相光栅12的空间频率也不宜太大，否则干涉条纹的周期相应减小，对多次曝光错位叠加的精度要求提高。

投影光学镜组13，用以接收+1级和-1级光束并将该两束光束汇聚到加工工件15表面实现干涉曝光。投影光学镜组13包括第一投影光学镜组131和第二投影光学镜组132，激光光束分别经过第一投影光学镜组131和第二投影光学镜组132后在加工工件15表面实现干涉曝光。

楔形位相板14，用来实现高速高精度曝光错位叠加。它位于+1级光路（或者-1级光路）与第二投影光学镜组132前焦面的交点处。移动楔形位相板14，可以改变‘+1’级光路的初始位相，从而使得加工工件15上的干涉条纹沿着水平方向移动，进而实现多次曝光的错位叠加。楔形位相板14可以由压电陶瓷驱动装置直接驱动。

这种位相板移动方式，相比平台移动方式优势明显。楔形位相板14，相比平台，质量轻得多，因而相应快，定位精度高。再者，楔形结构具有几何放大的效果，可以将微观量级的移动，放大为宏观量级的移动，因而定位精度大幅提高。

三光束干涉光刻系统10的曝光叠加的方式，它基于0级，+1级和-1级三光束干涉实现，具体分析如下：

设三光束的能量比例为：+1级和-1级光束的光场复振幅相等，均为0.5，0级光束的复振幅为k，三光束的干涉光场的复振幅分布为：

$E=k+\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{d}\right)=k+\cos \left(a\right),$

d为复振幅分布的周期。

光强分布为复振幅分布的平方，表达式如下：

$I=E^2={(k+\cos \left(a\right))}^2=\frac{1}{2}\cos \left(2a\right)+2k\cos \left(a\right)+(\frac{1}{2}+k^2),$

根据以上表达式可知，三光束干涉曝光光强的分布，含有两个周期为2：1的cos函数，其总周期记为d_I，d_I=d。

三光束干涉曝光的叠加方式如下。根据光强分布函数I的两个cos项呈2倍周期关系，具体方法如下：

1、采用0级、+1级和-1级三光束干涉曝光。

2、0级光的复振幅优选为±1级光的复振幅两倍以上，也即k≥1，这一点对位相光栅12很容易实现。

3、曝光叠加次数为N次，N为奇数，N≥3。

4、各次曝光位置的错位值为d_I/N。这里，d_I为曝光光场的光强分布的周期。

当曝光叠加次数N=3，0级光的振幅比值k分别取值1.5、1.0和0.4时，曝光叠加的光强分布分别参图3、图4和图5，其中位于每个图外围的粗曲线为三光束叠加后的光强分布，细实线为各次独立干涉曝光的光强分布。

由图3至图5对比可知，k的取值不同，均可在曝光光场中部获得理想的平顶台阶结构。k值小于1时，仍然可以获得平顶的台阶结构，但是台阶的边缘起伏较大，平顶部分所占面积缩小，因此优选k≥1，即0级光的复振幅优选为±1级光复振幅的两倍以上。

利用上述三光束干涉光刻系统10来控制台阶的高度，需要控制各个曝光区域的实现不同的曝光剂量，这里曝光剂量=曝光光强×曝光时间。具体可有两种实现方式：

一、控制曝光次数实现多级曝光剂量。

该加工方式，对于不同的台阶高度，采用不同的曝光次数。台阶越高，曝光次数越多。在台阶数目不太多的情况下，如2台阶~4台阶，可以采用分层光刻的方式来实现。以两台阶为例，具体详述：

两台阶结构，分为两层光刻。第一层，光刻完成一台阶图形和两台阶图形的前一半的曝光。第二层，光刻完成两台阶图形的后一半的曝光。由于每一层中光刻中，都是单脉冲等剂量的曝光，因而可以采用飞行曝光（逐行扫描），从而可以获得极高的运行效率和定位精度。如前所述，这里每一层的光刻，并不是一次完成，要分为N次进行。

控制曝光次数具体也包括两种实现方法：

1、控制曝光周期的重复次数。

2、控制每个曝光周期中N的大小。

所谓曝光周期是指，通过对干涉曝光的有限次叠加，以获得平顶光强的过程。具体地：每个曝光周期中包含N次干涉曝光，相邻两次曝光之间的错位值为d_I/N，其中，N≥2，d_I为曝光光场的光强分布的周期，相邻曝光周期之间的错位值为0。

二、控制曝光时间实现多级曝光剂量。

该加工方式，对于不同的台阶高度，采用不同的曝光时间。台阶越高，曝光时间越长。

实际光刻工艺中需要注意，光刻胶的光刻深度与曝光剂量不是一个严格的线性关系。根据典型的光刻胶的响应曲线可以看出，在曝光剂量很小和很大时，线性度最差；而在中等曝光剂量区间内，线性度良好的。实际工艺中，需要根据所采用的光刻胶的响应曲线，选择合适的曝光剂量，以获得最大程度的线性响应。

光刻胶的非线性相应，对台阶的平面度的影响可以忽略不计，但是对多台阶的相对阶梯高度有影响。必要时，可以根据光刻胶的响应曲线，进行曝光剂量的预校正。

综上所述，本发明采用光学模板投影-位相光栅分光干涉光路。位相光栅将输入平行光进行分束，多光束经过投影光学系统，在光刻胶上曝光，干涉曝光后光场的复振幅分布为余弦函数，通过多次曝光的对位叠加，在光刻胶上的总曝光强度为平顶分布，从而可以获得精密的台阶结构，在台阶的深度尺寸精度和台阶表面的粗糙度上，明显优于现有方法。通过本发明的三光束干涉光刻方法，可以在光刻胶上直接制备大幅面的精密多台阶结构，加工效率高，而且所采用的元器件容易获得，成本低。另外，采用三光束干涉曝光，对光栅和系统没有消零级的要求，成本低，易于制备。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种三光束干涉光刻方法，其特征在于，激光束被位相光栅分光成三路光束后在加工工件表面实现N次干涉曝光，相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中，N为大于等于3的奇数，d_I为曝光后的光强分布的周期，所述三路光束分别为复振幅相同的第一光束和第二光束以及0级光束,楔形位相板位于所述第一光束或第二光束的光路上，楔形位相板控制相邻两次曝光位置之间的错位值。

2.根据权利要求1所述的三光束干涉光刻方法，其特征在于，所述0级光束的复振幅大于等于所述第一光束或第二光束复振幅的2倍。

3.一种应用权利要求1或2所述三光束干涉光刻方法的系统，其特征在于，包括：

激光光源；

扩束准直光学元件，将来自激光光源的激光束准直成平行光；

光学模板，用以控制曝光区域的形状；

位相光栅，对激光束进行分光；

投影光学镜组，接收所述分光后的激光束并将其汇聚到加工工件表面实现干涉曝光；

楔形位相板，控制相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中，N为大于等于3的奇数，d_I为曝光后的光强分布的周期。

4.根据权利要求3所述的三光束干涉光刻方法的系统，其特征在于，所述光学模板为掩膜或空间光调制器。

5.根据权利要求3所述的三光束干涉光刻方法的系统，其特征在于，所述投影光学镜组包括第一投影光学镜组和第二投影光学镜组。

6.根据权利要求5所述的三光束干涉光刻方法的系统，其特征在于，所述楔形位相板位于所述第一投影光学镜组和第二投影光学镜组之间，所述楔形位相板位于所述第一光束或第二光束的光路上。

7.根据权利要求3所述的三光束干涉光刻方法的系统，其特征在于，所述三光束干涉光刻方法的系统还包括压电陶瓷驱动装置，所述楔形位相板由该压电陶瓷驱动装置驱动。

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