CN105259739A - 基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及其装置，其特点是，当采用非单色紫外宽光谱照明周期掩模时，不同光谱和级次的自成像光场分布相互交错叠加，在掩模后一定距离范围内可形成连续可成像区域。本发明利用紫外宽光谱自成像的可成像焦深范围大，给出了制备二维周期阵列的光刻的具体步骤及其装置。采用紫外宽光谱自成像光刻术制作周期阵列结构大大降低了对硅片形貌、定位精度的要求。本发明将为大面积、高精度、图案复杂化的周期性微纳结构加工提供一条更为便捷高效的新途径。

Description

基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及装置

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技术领域，特别涉及一种基于基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及装置。

背景技术

随着工业测量、航空航天、显示照明、生物医疗等与国家发展息息相关的生产技术不断进步，线性光栅、孔槽阵列等周期性微纳结构正广泛应用于各大重要领域中。如光谱仪中的衍射光栅，光纤布拉格光栅，线栅偏振器，用于改善LED出射光的光子晶体，生物传感器阵列等都是常见的周期型结构。这些结构都具有一些相同的特性，其点阵常数即分辨率都在100纳米到1微米之间。另一方面，它们所应用的表面并不是完全平整洁净的表面，如在LED上复制光子晶体图样时，由于制造LED时需要进行高温沉积，该过程易导致衬底弯曲变形，且易使晶圆上满是杂质微粒。这些问题将成为需要紧密接触或者存在景深限制的方法的主要难题。而且这些结构的市场需求量大，因此需要用相对较低的成本以实现量产。

然而，现有的微纳结构制备技术由于存在景深的限制或高成本而无法满足上述需求。接近或接触式光刻作为最成熟的“复制型”微细加工手段，被大量用于制作较低精度的微纳结构。该方法原理简单，技术门槛较低，成本较低。但受到设备、掩模、工艺的限制，绝大多数接近或接触式光刻的分辨力尚停留在0.5到1微米之间，不能适应未来科技的发展。

纳米压印法是一种新兴的微纳加工手段，可以实现大面积、高精度的周期微纳结构复制，特征尺寸可以做到几十纳米甚至几纳米。然而纳米压印受模板限制较为严重，同时还存在基片易弯曲、压印表面聚合物易残留、脱模复杂等诸多问题有待解决。

干涉光刻法是现阶段制备周期微纳结构最为典型的技术手段，它是通过控制两束或多束相干紫外光束生成周期图样，实现大面积、无掩模、高精度微纳图形加工。针对不同的光刻图样结构，干涉光刻需要对干涉光路进行精确调整，需要良好的环境稳定性和严格的控制来保证稳定的静态干涉条纹，操作较难控制；且干涉光刻可加工图形单一，灵活性较差，不适用于加工具有复杂图案的周期微纳结构。连续电子束光刻方法生产效率太低，其他扫描探针技术如蘸水笔光刻束难以实现有效输出，因此都无法实现大批量生产。

可以看出，现有技术在制备周期微纳结构时，并不能同时满足大面积、高精度、图案复杂化、制备周期短、成本低等要求，直接或间接增加了制备难度。因此需要一种良好的高产率光刻方法，以实现低成本大面积生产亚微米分辨率的周期型结构。

基于此，利用自成像效应进行光刻为制备高分辨、复杂化、大面积周期微纳结构提供了一种新的思路。微纳周期结构的自成像效应首先被英国科学家H.F.Talbot发现，其光场分布如图1所示。在单色光照射下，周期性物体将在其光场传播方向上以为周期性自成像，p为物体周期，λ为入射光波长，Z即为泰伯成像周期。除此以外，在每个传播周期的1/2处，还将出现一个具有π相移的相移自成像。相比于传统的成像方式，自成像效应有如下两大重要特点：①可以实现无镜头成像；②成像分辨力高，最小分辨力接近衍射极限。

从现有的研究来看，科学家们已经证明了用单色光自成像光刻加工二维周期图案的良好能力，且在掩模部分残缺或不规则的情况下，自成像光刻依然能实现掩模的精确还原，具有“掩模修复”效果。但此类自成像光刻方法，均基于接近式光刻法，并利用周期结构掩模的固定光场分布，通过精确控制基片与掩模之间的间隙实现大面积复杂周期性微纳结构加工。当待曝光图形周期减小时，其焦深极具缩短。为保证曝光图形质量，该方法对基片平整度、光刻胶厚度等有严格要求，且需要对掩模与基片之间的绝对间隙进行纳米级控制，在实际微纳结构制备过程中极难实现，难以真正得到应用。

发明内容

本发明的目的在于：在现有的技术和研究理论的基础之上，为克服上述存在的问题和不足，提出一种基于基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及装置。

本发明实现上述目的技术方案如下：

基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻装置，该光刻装置包括：高压汞灯光源1、冷光椭球镜2、冷光反射镜3、快门4、积木错位蝇眼透镜5、聚光镜6、大反射镜7、精密工件台8、二维周期阵列掩膜板9、承片台10、掩膜硅片相对运动台11、整体运动台12和计算机及电控系统13；二维周期阵列掩膜板9、承片台10、掩膜硅片相对运动台11、整体运动台12和计算机及电控系统13组成精密工件台8，计算机及电控系统13控制精密工件台8运动，二维周期阵列掩膜板9在承片台10上，承片台10在掩膜硅片相对运动台11上，掩膜硅片相对运动台11在整体运动台12上；高压汞灯光源1发出的光通过冷光椭球镜2聚光后经过冷光反射镜3反射，反射后的光依次通过快门4、积木错位蝇眼透镜5、聚光镜6，然后经过大反射镜7反射到二维周期阵列掩膜板9上。

其中，该光刻装置应用紫外宽光谱照明周期性图样在其后泰伯距离处可形成自成像，即当采用非单色紫外光照明周期掩模时，如汞灯光谱，不同光谱、不同级次的自成像光场分布相互交错、非相干叠加，在掩模下方一定后方形成连续可成像区域。利用相应的光刻装置对涂有光刻胶的硅片进行曝光，显影，制备具有二维周期分布的微纳级小孔阵列结构；相比于单波长照明的自成像光场分布，紫外宽谱自成像的可成像区域可以拓展至数毫米，甚至厘米量级，将硅片置于连续可成像区域的任意位置时，均可获得强度近似相等的自成像和相移自成像光场分布，从而实现周期倍频。

本发明基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法的具体操作步骤为：

第一步，微纳级周期阵列结构的制备

绘制具有周期阵列结构的二维图像。利用DMD无掩膜光刻机进行曝光，显影，刻蚀等工艺技术制备具有微纳级周期阵列结构的掩膜版。

第二步，搭建适应于紫外宽光谱自成像光刻术的曝光装置

利用350W的高压汞灯发出包括i线、h线、g线以及可见光和红外等多种成分的光，首先由镀有冷光反射膜的椭球镜进行聚光，并初次过滤掉长波段的光，即可见光和红外光成分，再由一块冷光反射镜再一次过滤长波成份，在椭球镜的后焦点附近设置快门，开启快门后，光线经将由积木错位式的积分镜进行均匀照明、消衍射和侧壁陡度处理，最后通过大反射镜将掩模和样片的上表面照明，即可实现紫外宽光谱曝光照明。

第三步，掩膜硅片放置及对准

将步骤一种所制备的周期阵列掩膜板放置到掩膜台上，并将硅片放置到承片台上，调节掩膜台和承片台的相对位置，以实现将硅片放置在掩膜板后紫外宽光谱自成像的长焦深范围内，将样片调平，并将掩膜板与硅片进行对准。

第四步，二维周期阵列结构制备

在确保掩膜板和硅片对准并能均匀照明时，可开启快门进行曝光，对曝光后的硅片进行显影，在显微镜下观察，并借助计算机视图工具进行测量曝光所得图样周期。最后通过对曝光后的硅片进行刻蚀等后续制作工艺即可完成二维周期阵列结构制备。

其中，第二步所述照明光源采用350W高压汞灯，且其曝光谱线340nm到450nm范围内的紫外宽光谱照明；椭球镜和第一块反射镜均镀有冷光介质膜，所有透镜均镀紫外增透膜，可过滤掉长波段光波，即可见光和红外光成分，保留紫外宽光谱成分。

其中，第二步所述曝光系统采用柯拉照明的原理，积分镜是由79块蝇眼透镜拼接而成，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。细光束均叠加在掩模的相同区域，且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，同时实现了照明的高能量化。

其中，第三步所述的工件台由上升机构、整体运动台、掩膜样片相对运动台、承片台和掩模架等组成。上升机构是实现调平、上下片、分离对准间隙和消除曝光间隙时的上升运动。整体运动台用于对准时快速寻找对准标记。掩模样片相对运动台，主要用于实现掩模和样片间的相对运动调节或放片后调节样片位置。对工件台的各项调节都直接由计算机程序和相应的电控系统进行精确控制。

其中，第三步所述的样片放置的位置是如附图3(a)中所示掩膜板后泰伯焦深范围内。

其中，第二步和第四步中所述的快门开启，可通过计算机控制程序设置曝光时间,即快门开启时间来控制曝光剂量，可适应于不同光刻胶胶厚的曝光。操作灵活简单，曝光剂量可控。

本发明技术方案的原理为：

微纳周期结构的自成像效应首先被英国科学家H.F.Talbot发现，其光场分布如图2所示。在单色光照射下，周期性物体将在其光场传播方向上以为周期性自成像，p为物体周期，λ为入射光波长，n取整数。除此以外，在每个传播周期的1/2处，还将出现一个具有π相移的相移自成像。当采用非单色紫外光照明周期掩模时，如汞灯光谱，不同光谱、不同级次的自成像光场分布相互交错、非相干叠加，在掩模后方一定距离后形成连续可成像区域，如图4所示。相比于如图3所示的单波长照明的自成像光场分布，紫外宽谱自成像的可成像区域可以拓展至数毫米，甚至厘米量级，将硅片置于连续可成像区域的任意位置时，均可获得强度近似相等的自成像和相移自成像光场分布，从而实现周期倍频。采用紫外宽光谱自成像光刻术可将光刻成像区域可以拓展至数毫米，甚至厘米量级，大大降低了对硅片形貌、定位精度的要求。

本发明技术方案主要优势如下：

①本发明采用常规紫外宽光谱光刻光源汞灯，成本较低；

②本发明由于可以在接近光刻方式下工作，能够实现大面积微纳光刻，具有较好的工艺适应性；

③本发明采用宽光谱照明方式，可以极大拓展可光刻区域，即超长焦深；

④本发明采用固定型曝光模式，简化实验机构，能同时记录下自成像和相移自成像，实现相对于掩模的周期倍频；

⑤本发明光强控制简单，并且加工所得二维周期阵列结构的周期能有效缩小为掩膜板上阵列周期的一半，分辨力能达到或接近衍射极限。本发明将为大面积、高精度、图案复杂化的周期性微纳结构加工提供一条更为便捷、高效的新途径。

附图说明

图1为基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻装置示意图。其中：1为高压汞灯光源、2为冷光椭球镜、3为冷光反射镜、4为快门、5为积木错位蝇眼透镜、6为聚光镜、7为大反射镜、8为精密工件台、9为二维周期阵列掩膜板、10为承片台、11为掩膜硅片相对运动台、12为整体运动台、13为计算机及电控系统。

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为单波长照明下自成像光场分布。

图4为基于紫外宽光谱自成像的光刻术原理简图，其中，图4(a)为照明曝光用紫外宽光谱谱线图，图4(b)为紫外宽光谱照明下自成像光场分布。

图5为基于紫外宽光谱自成像的光刻术制备二维周期小孔阵列的掩膜板及曝光结果，其中，图5(a)为DMD数字微镜无掩膜光刻机所制备的周期小孔阵列掩模板图像；图5(b)为基于紫外宽光谱自成像的光刻术制备得到的倍频二维周期小孔阵列结构。

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：

实验采用自制10mm×10mm的小孔阵列掩模板，其小孔阵列周期为15um，透光部分是面积为5um×5um的小孔。对均匀涂胶的硅片用图1所示光刻装置进行接近式曝光。对曝光后的硅片进行显影。显影后，硅片表面较为清晰的记录下了基于紫外宽光谱自成像光刻所得到的二维周期小孔阵列结构。经显微镜观测，曝光所得阵列结构的周期间隔相比掩模板缩小一半左右，小孔面积介于为2um×2um～3um×3um之间。本发明方法的具体操作步骤为：

第一步，利用DMD无掩膜光刻机制备10mm×10mm的小孔阵列掩膜版，其中小孔阵列的周期为15um，小孔的透光面积为5um×5um，如图5(a)所示。

第二步，第二步，搭建适应于自成像光刻相关要求的曝光装置。

利用350W的高压汞灯发出包括i线、h线、g线以及可见光和红外等多种成分的光，首先由镀有冷光反射膜的椭球镜进行聚光，并初次过滤掉长波段的光，即可见光和红外光成分，再由一块冷光反射镜再一次过滤长波成份，在椭球镜的后焦点附近设置快门，通过其后的一组准直光学元件将照明光转变为平行光，同时对平行光进行扩束处理，光线经扩束之后由积木错位式的积分镜进行均匀照明、消衍射和侧壁陡度处理，最后通过大反射镜，场镜等将掩模和样片的上表面照明，即可实现紫外宽光谱曝光照明。

第三步，掩膜硅片放置及对准。

将步骤一种所制备的周期阵列掩膜板放置到掩膜台上，将硅片放置到承片台上，调节掩膜台和承片台的相对位置，以实现将硅片放置在掩膜板后泰伯距离处，将样片调平，并将掩膜板与硅片进行对准。

第四步，二维周期阵列结构制备

在确保掩膜板和硅片对准并能均匀照明时，可开启快门进行曝光，对曝光后的硅片进行显影，在显微镜下观察，并借助计算机视图工具进行测量曝光所得图样周期。最后通过对曝光后的硅片进行刻蚀等后续制作工艺即可完成如图5(b)所示的倍频二维周期阵列结构制备。

Claims (8)

1.基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻装置，其特征在于：该光刻装置包括：高压汞灯光源(1)、冷光椭球镜(2)、冷光反射镜(3)、快门(4)、积木错位蝇眼透镜(5)、聚光镜(6)、大反射镜(7)、精密工件台(8)、二维周期阵列掩膜板(9)、承片台(10)、掩膜硅片相对运动台(11)、整体运动台(12)和计算机及电控系统(13)；二维周期阵列掩膜板(9)、承片台(10)、掩膜硅片相对运动台(11)、整体运动台(12)和计算机及电控系统(13)组成精密工件台(8)，计算机及电控系统(13)控制精密工件台(8)运动，二维周期阵列掩膜板(9)在承片台(10)上，承片台(10)在掩膜硅片相对运动台(11)上，掩膜硅片相对运动台(11)在整体运动台(12)上；高压汞灯光源(1)发出的光通过冷光椭球镜(2)聚光后经过冷光反射镜(3)反射，反射后的光依次通过快门(4)、积木错位蝇眼透镜(5)、聚光镜(6)，然后经过大反射镜(7)反射到二维周期阵列掩膜板(9)上。

2.根据权利要求1所述的基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻装置，其特征在于：该光刻装置应用紫外宽光谱照明周期性图样在其后泰伯距离处可形成自成像，即当采用非单色紫外光照明周期掩模时，如汞灯光谱，不同光谱、不同级次的自成像光场分布相互交错、非相干叠加，在掩模下方一定后方形成连续可成像区域；利用相应的光刻装置对涂有光刻胶的硅片进行曝光，显影，制备具有二维周期分布的微纳级小孔阵列结构；相比于单波长照明的自成像光场分布，紫外宽谱自成像的可成像区域可以拓展至数毫米，甚至厘米量级，将硅片置于连续可成像区域的任意位置时，均可获得强度近似相等的自成像和相移自成像光场分布，从而实现周期倍频。

3.基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

第一步，微纳级周期阵列结构的制备

绘制具有周期阵列结构的二维图像，利用DMD无掩膜光刻机进行曝光，显影，刻蚀等工艺技术制备具有微纳级周期阵列结构的掩膜版；

第二步，搭建适应于紫外宽光谱自成像光刻术的曝光装置

利用350W的高压汞灯发出包括i线、h线、g线以及可见光和红外等多种成分的光，首先由镀有冷光反射膜的椭球镜进行聚光，并初次过滤掉长波段的光，即可见光和红外光成分，再由一块冷光反射镜再一次过滤长波成份，在椭球镜的后焦点附近设置快门，开启快门后，光线经将由积木错位式的积分镜进行均匀照明、消衍射和侧壁陡度处理，最后通过大反射镜将掩模和样片的上表面照明，即可实现紫外宽光谱曝光照明；

第三步，掩膜硅片放置及对准

将步骤一种所制备的周期阵列掩膜板放置到掩膜台上，并将硅片放置到承片台上，调节掩膜台和承片台的相对位置，以实现将硅片放置在掩膜板后紫外宽光谱自成像的长焦深范围内，将样片调平，并将掩膜板与硅片进行对准；

第四步，二维周期阵列结构制备

在确保掩膜板和硅片对准并能均匀照明时，可开启快门进行曝光，对曝光后的硅片进行显影，在显微镜下观察，并借助计算机视图工具进行测量曝光所得图样周期，最后通过对曝光后的硅片进行刻蚀等后续制作工艺即可完成二维周期阵列结构制备。

4.根据权利要求3所述的基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法，其特征在于，第二步所述照明光源采用350W高压汞灯，且其曝光谱线340nm到450nm范围内的紫外宽光谱照明；椭球镜和第一块反射镜均镀有冷光介质膜，所有透镜均镀紫外增透膜，可过滤掉长波段光波，即可见光和红外光成分，保留紫外宽光谱成分。

5.根据权利要求3所述的基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法，其特征在于，第二步所述曝光系统采用柯拉照明的原理，积分镜是由79块蝇眼透镜拼接而成，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，细光束均叠加在掩模的相同区域，且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，同时实现了照明的高能量化。

6.根据权利要求3所述的基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法，其特征在于，第三步所述的工件台包括上升机构、整体运动台、掩膜样片相对运动台、承片台和掩模架，上升机构是实现调平、上下片、分离对准间隙和消除曝光间隙时的上升运动，整体运动台用于对准时快速寻找对准标记，掩模样片相对运动台，主要用于实现掩模和样片间的相对运动调节或放片后调节样片位置，对工件台的各项调节都直接由计算机程序和相应的电控系统进行精确控制。

7.根据权利要求3所述的基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法，其特征在于，第三步所述的样片放置的位置是掩膜板后泰伯焦深范围内。

8.根据权利要求3所述的基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法，其特征在于，第二步和第四步中所述的快门开启，可通过计算机控制程序设置曝光时间，即快门开启时间来控制曝光剂量，可适应于不同光刻胶胶厚的曝光，操作灵活简单，曝光剂量可控。