基于數(shù)字微鏡陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子、微光學(xué)、微納結(jié)構(gòu)和光電子器件制備等微納加工領(lǐng)域的光刻機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于數(shù)字微鏡(DMD)陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。光刻工藝是通過曝光方法將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面涂覆的光刻膠上，再通過顯影、定影、刻蝕等工藝將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。隨著器件的特征尺寸越來越小，分辨率幾乎達(dá)到了物理極限，傳統(tǒng)光刻技術(shù)在降低分辨率方面遇到了巨大的困難和挑戰(zhàn)。光刻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展存在的主要問題如下:
[0003]1、光刻工藝復(fù)雜:傳統(tǒng)光刻采用曝光方式將掩模板的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上的光刻膠，再經(jīng)顯影、定影、刻蝕等處理工藝將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，工藝復(fù)雜、耗時(shí)，如果其中某一環(huán)節(jié)出錯，則需重頭再來。
[0004]2、制作成本高:隨著光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，其加工線條的最小特征尺寸越來越小，雖然浸沒式光刻技術(shù)和極紫外光刻技術(shù)的發(fā)展解決了提高分辨率這一難題，但是其價(jià)格卻很昂貴。僅僅就掩模版的價(jià)格而言，隨著特征尺寸的減小，掩模加工的精度也越來越高，掩模的制作復(fù)雜且費(fèi)用昂貴。
[0005]3、操作靈活性不高:現(xiàn)有的光刻機(jī)刻寫不同的掩模圖形，需要制作不同的掩模，而隨著特征的減小，對掩模版的制作工藝精度要求更高更復(fù)雜，因此對于不同掩模圖形的光刻其操作靈活性不高。
[0006]4、生產(chǎn)效率低且難以實(shí)現(xiàn)大面積刻寫，傳統(tǒng)的激光直寫或電子束直寫，雖然精度較高，但它們都屬于逐點(diǎn)微米級或亞微米級加工，采取逐點(diǎn)掃描曝光方式，完成一張掩模需幾個(gè)小時(shí)，因此生產(chǎn)效率較低，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)制作。
[0007]積木錯位蠅眼透鏡能將能量分布不均勻的寬光束分解為若干細(xì)光束，各細(xì)光束均按柯拉原理照明在掩模面上。由于在細(xì)光束范圍內(nèi)能量分布基本上是均勻的，因而在掩模面上得到均勻照明。由于細(xì)光束均疊加在掩模的相同區(qū)域，這就實(shí)現(xiàn)了照明的高能量化。
[0008]數(shù)字微鏡陣列DMD相當(dāng)于傳統(tǒng)光刻中的掩模版，通過控制器對照明面不同區(qū)域的光進(jìn)行空間調(diào)制，形成所需要的灰度圖案。無掩模光刻技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)軟件繪制一系列“虛擬”的數(shù)字掩模圖形，再結(jié)合投影曝光設(shè)備，通過控制系統(tǒng)把掩模圖形一幅一幅地轉(zhuǎn)移到基片表面上。DMD無掩模光刻技術(shù)大大提高了掩模的制作速度，且不需要昂貴的掩模板，不存在對準(zhǔn)誤差，并且可以通過對掩模圖形進(jìn)行實(shí)時(shí)修改來制作任意三維表面微結(jié)構(gòu)和制作周期短等優(yōu)點(diǎn)。
[0009]臺階型光柵的制作一般采用濕法刻蝕的方法。傳統(tǒng)的臺階光柵制作方法需要多次重復(fù)掩模圖形的轉(zhuǎn)印和刻蝕過程即進(jìn)行多次套刻，制作周期長、加工成本高。多次套刻嚴(yán)格對準(zhǔn)很難做到，經(jīng)常會因?qū)Σ粶?zhǔn)而產(chǎn)生“尖峰”;或者由于勻膠工藝不夠成熟、模板標(biāo)記制作有誤差、光刻機(jī)系統(tǒng)誤差而產(chǎn)生凹陷的縫隙等缺陷，這些缺陷都會使光柵的衍射效率降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是克服上述存在的問題和不足，提出一種基于數(shù)字微鏡(DMD)陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機(jī)。該光刻機(jī)是一種工藝簡單、制作成本較低、可操作性靈活、可簡單制作多臺階的無掩模數(shù)字光刻機(jī)。
[0011]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下:
[0012]—種基于數(shù)字微鏡(DMD)陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機(jī)，該光刻機(jī)包括:光源照明系統(tǒng)、DMD數(shù)字微鏡陣列、投影光刻物鏡、X-Y步進(jìn)精密工件臺、調(diào)焦與對準(zhǔn)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，其中:
[0013]曝光光學(xué)系統(tǒng)主要由光源照明系統(tǒng)和投影光刻物鏡組成，即包括高壓汞燈、橢球反射鏡、冷光反光鏡、快門、準(zhǔn)直鏡組、積木錯位繩眼透鏡、聚光鏡、反射鏡、DMD數(shù)字微鏡陣列、縮小投影光刻鏡頭等。照明光源選用高壓汞燈的多點(diǎn)源照明，高壓汞燈所發(fā)射的光束經(jīng)橢球反光鏡進(jìn)行聚光，并初次過濾掉長波段光，即可見光和紅外光成分，其后經(jīng)冷光反射鏡再次濾波，快門為光電快門，通過光電快門控制曝光時(shí)間，然后經(jīng)準(zhǔn)直鏡將光束準(zhǔn)直為平行光并進(jìn)行擴(kuò)束，蠅眼透鏡為積木錯位蠅眼透鏡，采用積木錯位蠅眼透鏡進(jìn)行光勻化，勻化后光束經(jīng)聚光鏡后投影到DMD數(shù)字微鏡陣列上識別不同灰度值圖片掩模信息，DMD數(shù)字微鏡陣列包括DMD控制芯片，計(jì)算機(jī)通過DMD控制芯片控制DMD數(shù)字微鏡陣列，再經(jīng)投影光刻物鏡將DMD數(shù)字微鏡陣列上反射的圖形成像到硅片表面的光刻膠上，涂有光刻膠的硅片放置在X-Y精密步進(jìn)工作臺上，光刻膠上記錄的圖形再經(jīng)顯影、定影、刻蝕，最終將DMD數(shù)字微鏡陣列上的掩模圖形轉(zhuǎn)印到基片上。
[0014]進(jìn)一步的，所述的照明光源采用350W高壓汞燈，其曝光譜線為365nm波長i線的近紫外光照明；曝光光源采用積木錯位蠅眼透鏡實(shí)現(xiàn)均勻照明，其照明不均勻性為2%左右。
[0015]進(jìn)一步的，所述的采用DMD數(shù)字微鏡作為數(shù)字掩模，像素為1024X768，像元尺寸為13.68 μ mX 13.68 μ m，微鏡間距為0.8 μ m，反射鏡轉(zhuǎn)角范圍為±12° ;采用縮小投影光刻物鏡成像，其倍率為14倍，曝光面積為ImmX0.75mm，光刻分辨力< I μπι。
[0016]更進(jìn)一步，該光刻機(jī)采用縮小投影光刻物鏡成像，一次曝光面積ImmX0.75mm，所述的調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)中CCD檢焦精度為2 μπι，調(diào)焦臺運(yùn)動行程為8mm，調(diào)焦臺運(yùn)動靈敏度I μπι，對準(zhǔn)系統(tǒng)的對準(zhǔn)精度為±1 ym，轉(zhuǎn)動臺行程±6°以上，工件臺運(yùn)動定位精度為+ 0.65 μ mD
[0017]再進(jìn)一步，該光刻機(jī)所適用的基片尺寸外徑為φ Imm-Φ 100mm,厚度為0.lmm-8mm0
[0018]再進(jìn)一步，該光刻機(jī)采用進(jìn)口精密光柵、電機(jī)、導(dǎo)軌、絲杠實(shí)現(xiàn)精確工件定位和曝光拼接；采用CCD檢焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整場調(diào)平、自動逐場調(diào)焦和實(shí)時(shí)調(diào)平調(diào)焦曝光。
[0019]本發(fā)明技術(shù)方案的原理為:
[0020]所述高壓汞燈光源，通過所設(shè)計(jì)均勻照明系統(tǒng)是光線均勻的照射到輸入不同灰度值條紋的數(shù)字微鏡上，由投影光識別灰度圖片掩模信息，再經(jīng)成像系統(tǒng)的傳輸、校準(zhǔn)及縮放后透過各光學(xué)物鏡投射至膠層表面，誘導(dǎo)膠層內(nèi)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)；灰度值不同對應(yīng)的投射光功率密度不同，光刻膠固化深度不同；通過控制圖片掩模的灰度值并對其曝光、顯影、刻蝕，即可實(shí)現(xiàn)不同深度的多臺階光柵的制作。此過程無需掩模，且制作多臺階光柵無需進(jìn)行多次套刻，并盡可能的避免了對準(zhǔn)誤差，使得刻寫光柵的效率較高，工藝較為簡單。
[0021]本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)相比的優(yōu)勢為:
[0022]1、結(jié)構(gòu)簡單:因灰度值不同對應(yīng)的投射光功率密度不同，光刻膠固化深度不同，通過控制圖片掩模的灰度值并對其曝光、顯影、刻蝕，即可實(shí)現(xiàn)不同深度的多臺階光柵的制作。此種方法無需制作光刻掩模板。
[0023]2、光刻工藝簡單:光刻通過控制數(shù)字掩模的灰度值并對其曝光、顯影、刻蝕，即可實(shí)現(xiàn)不同深度的多臺階光柵的制作，無需制作多個(gè)掩模，無需多次涂膠、勻膠、曝光、刻蝕等多次套刻處理，也避免了對對準(zhǔn)誤差所引起的尖峰的處理等過程。
[0024]3、生產(chǎn)效率較高:該光刻機(jī)一次曝光面積約為ImmX0.75mm，而傳統(tǒng)的激光直寫或電子束直寫，雖然精度較高，但它們都屬于逐點(diǎn)微米級或亞微米級加工，采取逐點(diǎn)掃描曝光方式，完成一張掩模需幾