CN108319115B - 一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法，该方法通过预先计算的二维图形构建的虚拟层逐行控制SLM的一行微元，每一幅虚拟层图形独立、逐行循环控制固定的一行SLM微元，将所有虚拟层逐行动态调制的多帧二元数字掩模进行动态曝光以形成复杂微结构轮廓。本发明通过合理设置虚拟层的行数，可以有效提高曝光剂量线的离散阶数，从而实现微结构纵向的精细制作；通过二值化的虚拟层逐行动态控制SLM一行的数字掩模，仅以两个边界灰度值来调制SLM微元，可以有效避免SLM灰度对曝光剂量的非线性调制，从而提高数字光刻制作精细度。

Description

一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法
技术领域
本发明涉及一种数字光刻方法，尤其涉及一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法。
背景技术
近年来，随着微细加工技术的迅猛发展，对光刻系统的分辨率和工作效率提出了更高的要求。基于空间光调制器（SLM）的数字光刻由于采用逐面光刻方式，与传统逐点光刻相比，光刻系统的运行效率大大提高了,因此在国内外受到广泛关注。充分利用SLM二维离散面阵快速独立调制能力，发展了一些适用于SLM数字光刻的分辨率增强技术，如数字分形掩模技术、基于SLM的光学邻近效应校正（OPC）等，这些方法能有效改善数字光刻成像质量，从一定程度上提高了数字光刻横向分辨率。
对SLM而言，在其动态范围之内，灰度数是有限的。由于光致抗蚀剂具有感光阈值，在数字光刻中，当SLM灰度调制的曝光剂量未达到感光阈值时，抗蚀剂不感光；当SLM灰度调制的曝光剂量达到感光阈值以上时，抗蚀剂发生光化学反应，但抗蚀剂对SLM灰度调制的曝光剂量响应是非线性的，且灰度与制作深度的非线性调制鲁棒性较差，这些因素将导致可供数字光刻的灰度数少于SLM理论灰度数，从而造成基于SLM的数字光刻纵向制作精度受限。典型的SLM如德州仪器公司产品数字微镜器件（DMD），理论上8位DMD灰度数为28，而实际有效可供数字光刻的灰度数不足200。针对目前基于SLM的数字光刻纵向制作精度受限问题，提出一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法，以提高数字光刻纵向制作精细度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法，以解决基于SLM的数字光刻技术纵向制作精度受限问题。该方法通过预先计算的二维图形构建的虚拟层逐行控制SLM的一行微元，每一幅虚拟层图形独立、逐行循环控制固定的一行SLM微元，SLM所有行共同组成一帧二元数字掩模，将所有虚拟层逐行动态调制的多帧二元数字掩模进行动态曝光以形成复杂微结构轮廓，SLM每一行对应的虚拟层是由复杂微结构在对应行的轮廓线映射而成。
本发明是这样来实现的，一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法，其特征是：
（1）微结构在直角坐标系（x, y, z）中可表示为关于x, y, z的函数F(x, y, z)，以数字掩模投影光刻系统的单像素制作尺寸为离散采样周期，沿y轴对F(x, y, z)进行离散采样，可离散成M行分微结构轮廓，依次提取分微结构的中心轮廓，形成M行轮廓线；
（2）结合光刻胶对曝光剂量的响应曲线，将每一行轮廓线转换成曝光剂量线；
（3）再将每一行曝光剂量线映射成一幅二值虚拟图像即虚拟层；
（4）逐行以一定频率将虚拟层图像输入到SLM对应的一行微元，同时控制系统进行动态曝光，在光刻胶上便可形成该行的轮廓；
（5）以此类推，SLM的M行均以相同的动态形式同时进行动态曝光，曝光时间由虚拟层图像的行数及虚拟层逐行输入的频率共同决定。
（6）经显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成微结构。
本发明所述SLM包括数字微镜器件（DMD）、液晶（LCD）、硅基液晶（LCOS）等空间光调制器。
本发明所述沿y轴对F(x, y, z)进行离散采样，包括沿y轴正方向或负方向。
本发明所述沿y轴对F(x, y, z)进行离散采样，可以扩展为沿x轴对F(x, y, z)进行离散采样。
本发明所述的映射，是指将曝光剂量线的剂量高度离散为L阶，再基于曝光剂量线构建一个“黑白”二元图形组成的L行N列虚拟图像，第i列虚拟图像中“白”的微元个数由曝光剂量线第i个点的离散剂量高度决定。
本发明所述的虚拟层，是指由曝光剂量线映射得到的L行N列二值虚拟图像。
本发明所述的光刻胶包括可用于光刻制作的正性或负性胶。
本发明的优点是：通过合理设置虚拟层的行数，可以有效提高曝光剂量线的离散阶数，与数字光刻有效灰度不足相比，更易于实现微结构纵向的精细制作；通过二值化的虚拟层逐行动态控制SLM一行的数字掩模，仅以两个边界灰度值（最大灰度“白”及最小灰度“黑”）来调制SLM微元，可以有效避免SLM灰度对曝光剂量的非线性调制，从而提高数字光刻制作精细度。
附图说明
图1为本发明的基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法示意图。
在图中，（a）为待制作的微结构F(x, y, z)，(b)为第k行分微结构中心轮廓线，(c)为光刻胶对曝光剂量的响应曲线，（d）为第k行分微结构中心轮廓线对应的曝光剂量线，（e）为第k个虚拟层以一定频率逐行输入到SLM第k行，(f) 光刻胶上得到的第k行轮廓。
具体实施方式
如图1所示，本发明是这样实现的：
空间光调制器以数字微镜DMD为例来说明本发明的实施，DMD一个微元通过数字掩模投影光刻系统可制作的尺寸为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。待制作微结构F(x,y,z) （a）在y方向上的最大尺寸为Y max ，沿y轴将其离散成M行分微结构，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，ceil为向上取整运算；沿y方向从第1行至第M行，依次提取分微结构轮廓，可取出M行中心轮廓线。结合光刻胶响应曲线（c），将M行中心轮廓线转换为M行曝光剂量线。以第k行曝光剂量线为例，说明曝光剂量线映射成虚拟层的过程，第k行中心轮廓线对应第k行曝光剂量线（d）。沿x方向将曝光剂量线离散成N个点，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，X max 为待制作微结构在x方向上的最大尺寸。沿剂量高度E方向将曝光剂量线上各点的剂量值进行L阶离散。虚拟层的构建过程是对全“黑”（灰度值设置为0）的L行N列的图形进行“白”（灰度值设置为最大）填充，填充规则为：逐列填充，第i列虚拟层图像中白的像素个数由曝光剂量线第i个点的离散剂量高度决定，第k个虚拟层的所有行以一定频率依次逐行输入到DMD的第k行，实现第k个虚拟层对DMD上第k行的动态调制（e），便可在光刻胶上曝光形成微结构第k行的轮廓（f）。按照上述原则，本发明中M个虚拟层同时动态调制DMD上的M行，经曝光、显影、定影、后烘等工艺后最终可在光刻胶上形成微结构。

Claims (3)

1.一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)微结构在直角坐标系(x，y，z)中表示为关于x，y，z的函数F(x，y，z)，以数字掩模投影光刻系统的单像素制作尺寸为离散采样周期，沿y轴对F(x，y，z)进行离散采样，离散成M行分微结构轮廓，依次提取分微结构的中心轮廓，形成M行轮廓线；
(2)结合光刻胶对曝光剂量的响应曲线，将每一行轮廓线转换成曝光剂量线；
(3)再将每一行曝光剂量线映射成一幅二值虚拟图像即虚拟层图像；
(4)逐行以一定频率将虚拟层图像输入到SLM对应的一行微元，同时控制系统进行动态曝光，在光刻胶上形成该行的轮廓；
(5)以此类推，SLM的M行均以相同的动态形式同时进行动态曝光，曝光时间由虚拟层图像的行数及虚拟层图像逐行输入的频率共同决定；
(6)经显影、定影、后烘工艺后最终在光刻胶上形成微结构；
所述SLM包括数字微镜DMD；
所述数字微镜DMD一个微元通过数字掩模投影光刻系统制作的尺寸为δx×δy，待制作微结构F(x，y，z)在y方向上的最大尺寸为Ymax，沿y轴将其离散成M行分微结构，M＝ceil(Ymax/δy)，ceil为向上取整运算；沿y方向从第1行至第M行，依次提取分微结构中心轮廓，取出M行轮廓线；结合光刻胶对曝光剂量的响应曲线，将M行轮廓线转换为M行曝光剂量线，第k行轮廓线对应第k行曝光剂量线；沿x方向将曝光剂量线离散成N个点，N＝ceil(Xmax/δX)，Xmax为待制作微结构在x方向上的最大尺寸；沿剂量高度E方向将曝光剂量线上各点的剂量值进行L阶离散；
所述虚拟层图像的构建过程是对全“黑”即灰度值设置为0时的L行N列的图形进行“白”即灰度值设置为最大时的填充，填充规则为逐列填充，构建虚拟层图像的过程中，当逐列填充到虚拟层图像的第i列时，虚拟层图像的第i列中“白”的像素个数由曝光剂量线第i个点的离散剂量高度决定，第k个虚拟层图像的所有行以一定频率依次逐行输入到数字微镜DMD的第k行，实现第k个虚拟层图像对数字微镜DMD上第k行的动态调制，从而在光刻胶上曝光形成微结构第k行的轮廓，按照上述过程，通过M个虚拟层图像同时动态调制数字微镜DMD上的M行，经显影、定影、后烘工艺后最终在光刻胶上形成微结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法，其特征在于：所述沿y轴对F(x，y，z)进行离散采样，包括沿y轴的正方向或负方向对F(x，y，z)进行离散采样。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟层动态调制的二元数字掩模光刻方法，其特征在于：所述沿y轴对F(x，y，z)进行离散采样，进一步扩展为沿x轴对F(x，y，z)进行离散采样。
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