CN105137720A - 基于数字微镜阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，包括：光源照明系统、DMD数字微镜阵列、投影光刻物镜、X-Y步进工作台、对准控制系统、X-Y精密步进工作台和计算机。光源发出的光束经光学系统扩束、准直、均匀后照射到数字式微镜阵列掩模版(DMD)上，投射其上的光源光束经DMD反射后将成像在投影光刻物镜的入射光瞳处，最后由投影光识别灰度图片的掩模信息，再经成像系统的传输、校准及缩放后透过各光学物镜投射至胶层表面，诱导胶层内发生光化学反应；灰度值不同对应的投射光功率密度不同，光刻胶固化深度不同；通过控制图片掩模的灰度值并对其曝光、显影、刻蚀，即可实现不同深度的多台阶光栅的制作。

Description

基于数字微镜阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机

技术领域

本发明涉及微电子、微光学、微纳结构和光电子器件制备等微纳加工领域的光刻机技术领域，特别涉及一种基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机。

背景技术

光刻技术是一种精密的微细加工技术。光刻工艺是通过曝光方法将掩模上的图形转移到硅片表面涂覆的光刻胶上，再通过显影、定影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上。随着器件的特征尺寸越来越小，分辨率几乎达到了物理极限，传统光刻技术在降低分辨率方面遇到了巨大的困难和挑战。光刻技术的进一步发展存在的主要问题如下：

1、光刻工艺复杂：传统光刻采用曝光方式将掩模板的图形转移到硅片上的光刻胶，再经显影、定影、刻蚀等处理工艺将图形转移到硅片上，工艺复杂、耗时，如果其中某一环节出错，则需重头再来。

2、制作成本高：随着光刻技术的不断发展，其加工线条的最小特征尺寸越来越小，虽然浸没式光刻技术和极紫外光刻技术的发展解决了提高分辨率这一难题，但是其价格却很昂贵。仅仅就掩模版的价格而言，随着特征尺寸的减小，掩模加工的精度也越来越高，掩模的制作复杂且费用昂贵。

3、操作灵活性不高：现有的光刻机刻写不同的掩模图形，需要制作不同的掩模，而随着特征的减小，对掩模版的制作工艺精度要求更高更复杂，因此对于不同掩模图形的光刻其操作灵活性不高。

4、生产效率低且难以实现大面积刻写，传统的激光直写或电子束直写，虽然精度较高，但它们都属于逐点微米级或亚微米级加工，采取逐点扫描曝光方式，完成一张掩模需几个小时，因此生产效率较低，不适合大规模的生产制作。

积木错位蝇眼透镜能将能量分布不均匀的宽光束分解为若干细光束，各细光束均按柯拉原理照明在掩模面上。由于在细光束范围内能量分布基本上是均匀的，因而在掩模面上得到均匀照明。由于细光束均叠加在掩模的相同区域，这就实现了照明的高能量化。

数字微镜阵列DMD相当于传统光刻中的掩模版，通过控制器对照明面不同区域的光进行空间调制，形成所需要的灰度图案。无掩模光刻技术是利用计算机软件绘制一系列“虚拟”的数字掩模图形，再结合投影曝光设备，通过控制系统把掩模图形一幅一幅地转移到基片表面上。DMD无掩模光刻技术大大提高了掩模的制作速度，且不需要昂贵的掩模板，不存在对准误差，并且可以通过对掩模图形进行实时修改来制作任意三维表面微结构和制作周期短等优点。

台阶型光栅的制作一般采用湿法刻蚀的方法。传统的台阶光栅制作方法需要多次重复掩模图形的转印和刻蚀过程即进行多次套刻，制作周期长、加工成本高。多次套刻严格对准很难做到，经常会因对不准而产生“尖峰”；或者由于匀胶工艺不够成熟、模板标记制作有误差、光刻机系统误差而产生凹陷的缝隙等缺陷，这些缺陷都会使光栅的衍射效率降低。

发明内容

本发明的目的是克服上述存在的问题和不足，提出一种基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机。该光刻机是一种工艺简单、制作成本较低、可操作性灵活、可简单制作多台阶的无掩模数字光刻机。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，该光刻机包括：光源照明系统、DMD数字微镜阵列、投影光刻物镜、X-Y步进精密工件台、调焦与对准控制系统和计算机，其中：

曝光光学系统主要由光源照明系统和投影光刻物镜组成，即包括高压汞灯、椭球反射镜、冷光反光镜、快门、准直镜组、积木错位蝇眼透镜、聚光镜、反射镜、DMD数字微镜阵列、缩小投影光刻镜头等。照明光源选用高压汞灯的多点源照明，高压汞灯所发射的光束经椭球反光镜进行聚光，并初次过滤掉长波段光，即可见光和红外光成分，其后经冷光反射镜再次滤波，快门为光电快门，通过光电快门控制曝光时间，然后经准直镜将光束准直为平行光并进行扩束，蝇眼透镜为积木错位蝇眼透镜，采用积木错位蝇眼透镜进行光匀化，匀化后光束经聚光镜后投影到DMD数字微镜阵列上识别不同灰度值图片掩模信息，DMD数字微镜阵列包括DMD控制芯片，计算机通过DMD控制芯片控制DMD数字微镜阵列，再经投影光刻物镜将DMD数字微镜阵列上反射的图形成像到硅片表面的光刻胶上，涂有光刻胶的硅片放置在X-Y精密步进工作台上，光刻胶上记录的图形再经显影、定影、刻蚀，最终将DMD数字微镜阵列上的掩模图形转印到基片上。

进一步的，所述的照明光源采用350W高压汞灯，其曝光谱线为365nm波长i线的近紫外光照明；曝光光源采用积木错位蝇眼透镜实现均匀照明，其照明不均匀性为2％左右。

进一步的，所述的采用DMD数字微镜作为数字掩模，像素为1024×768，像元尺寸为13.68μm×13.68μm，微镜间距为0.8μm，反射镜转角范围为±12°；采用缩小投影光刻物镜成像，其倍率为14倍，曝光面积为1mm×0.75mm，光刻分辨力≤1μm。

更进一步，该光刻机采用缩小投影光刻物镜成像，一次曝光面积1mm×0.75mm，所述的调平调焦系统中CCD检焦精度为2μm，调焦台运动行程为8mm，调焦台运动灵敏度1μm，对准系统的对准精度为±1μm，转动台行程±6°以上，工件台运动定位精度为±0.65μm。

再进一步，该光刻机所适用的基片尺寸外径为Φ1mm-Φ100mm，厚度为0.1mm-8mm。

再进一步，该光刻机采用进口精密光栅、电机、导轨、丝杠实现精确工件定位和曝光拼接；采用CCD检焦系统实现整场调平、自动逐场调焦和实时调平调焦曝光。

本发明技术方案的原理为：

所述高压汞灯光源，通过所设计均匀照明系统是光线均匀的照射到输入不同灰度值条纹的数字微镜上，由投影光识别灰度图片掩模信息，再经成像系统的传输、校准及缩放后透过各光学物镜投射至胶层表面，诱导胶层内发生光化学反应；灰度值不同对应的投射光功率密度不同，光刻胶固化深度不同；通过控制图片掩模的灰度值并对其曝光、显影、刻蚀，即可实现不同深度的多台阶光栅的制作。此过程无需掩模，且制作多台阶光栅无需进行多次套刻，并尽可能的避免了对准误差，使得刻写光栅的效率较高，工艺较为简单。

本发明和传统技术相比的优势为：

1、结构简单：因灰度值不同对应的投射光功率密度不同，光刻胶固化深度不同，通过控制图片掩模的灰度值并对其曝光、显影、刻蚀，即可实现不同深度的多台阶光栅的制作。此种方法无需制作光刻掩模板。

2、光刻工艺简单：光刻通过控制数字掩模的灰度值并对其曝光、显影、刻蚀，即可实现不同深度的多台阶光栅的制作，无需制作多个掩模，无需多次涂胶、匀胶、曝光、刻蚀等多次套刻处理，也避免了对对准误差所引起的尖峰的处理等过程。

3、生产效率较高：该光刻机一次曝光面积约为1mm×0.75mm，而传统的激光直写或电子束直写，虽然精度较高，但它们都属于逐点微米级或亚微米级加工，采取逐点扫描曝光方式，完成一张掩模需几个小时，因此生产效率较低，不适合大规模的生产制作。

4、成本低，操作灵活：该光刻方案无需制作光刻掩模板，掩模板图形灰度值易于调整，曝光量易于控制。同传统的多次重复掩模图形转印法制作台阶光栅相比，可以避免多次套刻带来的对准误差，可降低光学元件对衍射效率的影响，且制作周期短、成本低。

附图说明

图1为一种基于数字微镜阵列制作不同深度光栅条纹的无掩模光刻机结构示意图，其中，1为冷光椭球镜，2为350W高压汞灯，3为反射镜，4为快门，5为准直镜，6为蝇眼透镜，7为聚光镜，8为数字微镜阵列(DMD)，9为缩小投影光刻物镜，10为光刻样品，11为X-Y步进工作台，12为DMD控制芯片，13为计算机；

图2为积木错位蝇眼透镜示意图，其中，图2(a)为积分镜结构，图2(b)为积分镜分割光束原理；

图3为数字微镜阵列原理示意图，其中图3(a)为DMD单个微镜结构，图3(b)为DMD工作原理示意图，图3(c)为DMD微镜光线投影示意图；其中，14为支撑柱，15为硅衬底，16为反射镜单元，17为搭接电极，18为复位寻址电极，19为扭臂梁铰链；

图4为灰度不同的等间隔条纹图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

参照图1所示的一种基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，该光刻机包括：高压汞灯光源2、冷光椭球镜1、冷光反射镜3、快门4、准直镜5、积木错位蝇眼透镜6、聚光镜7、数字微镜阵列8、缩小投影物镜9、光刻样品10、X-Y步进工作台11、DMD控制芯片12、计算机13组成。实现不同深度的多台阶光栅的制作具体步骤为：

当照明光源采用350W高压汞灯其所发射光，由冷光椭球镜进行聚光，以保证光能量被充分利用。

由椭球镜2聚集的光被放置在椭球镜开口处的反射镜反射后汇集到快门，快门处于准直镜的焦点上，使得照明光源发射的光通过准直镜准直化后都能平行入射到积木错位蝇眼透镜，经蝇眼透镜后变为均匀照明光入射到数字微镜阵列上。

利用计算机生成灰度值分别设置为256、240、200、160的灰度不同的等间隔条纹图像，并通过数字微镜阵列控制器将所需的图形、图像传送到数字微镜阵列，形成所需要的数字掩模图案；该数字掩模将对数字微镜阵列上的照明光进行空间调制，形成所需要的灰度图案。

再由投影物镜7将此图形成像复制到涂有光刻胶的光刻样品上，从而实现单场曝光，经显影、刻蚀等工艺后处理。

通过将所制作的成品光栅在台阶仪上测试即可观察到不同深度的多台阶光栅。

为获得较大面积的台阶光栅，可将一个较大的曝光场分割为多个曝光场，将光刻样品置于高精密的X-Y向步进工件台上，依靠精密工件台步进，顺次由数字掩模在焦平面上所形成的每一个曝光子场的图形，经拼接即可获得所需的较大面积的台阶光栅。

Claims (6)

1.一种基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，其特征在于，该光刻机包括：光源照明系统、DMD数字微镜阵列、投影光刻物镜、X-Y步进工作台、对准控制系统、X-Y精密步进工作台和计算机；其中：曝光光学系统主要由光源照明系统和投影光刻物镜组成，即包括照明光源、椭球反光镜、反射镜、光电快门、蝇眼透镜、聚光镜、投影光刻物镜，照明光源选用350W高压汞灯照明，365nm波长曝光，高压汞灯所发射的光束经镀有冷光反射膜的椭球反光镜进行聚光，并初次过滤掉长波段光，即可见光和红外光成分，其后经冷光反射镜再次过滤长波成分，在椭球镜的后焦点附近设置快门，快门为光电快门，通过光电快门控制曝光时间，然后经准直镜将光束准直为平行光并进行扩束，蝇眼透镜为积木错位蝇眼透镜，采用积木错位蝇眼透镜进行光匀化，匀化后光束经聚光镜后投影到DMD数字微镜阵列上照明识别不同灰度值等间隔排列条纹图片掩模信息，DMD数字微镜阵列包括DMD控制芯片，计算机通过DMD控制芯片控制DMD数字微镜阵列，再经投影光刻物镜将DMD数字微镜阵列上反射的图形成像到硅片表面的光刻胶上，涂有光刻胶的硅片放置在X-Y精密步进工作台上，光刻胶上记录的图形再经显影、定影、刻蚀，最终将DMD数字微镜阵列上的掩模图形转印到基片上，实现不同深度的多台阶光栅制作。

2.根据权利要求1所述的基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，其特征在于，照明光源采用350W高压汞灯且其曝光谱线为365nm波长i线的近紫外光照明；曝光光源采用积木错位蝇眼透镜实现均匀照明，其照明不均匀性为2％左右。

3.根据权利要求1所述的基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，其特征在于，采用数字微镜DMD作为数字掩模，其像素为1024×768，像元尺寸为13.68μm×13.68μm，微镜间距为0.8μm，反射镜转角范围为±12°；采用缩小投影光刻物镜成像，其倍率为14倍，曝光面积为1mm×0.75mm，光刻分辨力≤1μm。

4.根据权利要求1所述的基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，其特征在于，该光刻机采用缩小投影光刻物镜成像，一次曝光面积1mm×0.75mm，所述的调平调焦系统中CCD检焦精度为2μm，调焦台运动行程为8mm，调焦台运动灵敏度1μm，对准系统的对准精度为±1μm，转动台行程±6°以上，工件台运动定位精度为±0.65μm。

5.根据权利要求1或4所述的基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，其特征在于，该光刻机所适用的基片尺寸外径为Φ1mm-Φ100mm，厚度为0.1mm-8mm。

6.根据权利要求1或4所述的基于数字微镜(DMD)阵列制作不同深度的多台阶光栅的无掩模光刻机，其特征在于，该光刻机采用进口精密光栅、电机、导轨、丝杠实现精确工件定位和曝光拼接；采用CCD检焦系统实现整场调平、自动逐场调焦和实时调平调焦曝光。