多光束無(wú)掩模光刻系統(tǒng)

1、第31卷第4期應(yīng)用光學(xué)Vol.31No.42010年7月JournalofAppliedOpticsJul.2010文章編號(hào):1002-2082(2010)04-0537-03多光束無(wú)掩模光刻系統(tǒng)沈易,吳翌旭,邢燕冰,周成剛(上?？茖W(xué)院集成電路制造裝備研究中心,上海201203)摘要:介紹了一種多光束無(wú)掩模光刻系統(tǒng),該系統(tǒng)利用空間光調(diào)制器數(shù)字微反射鏡(DMD)對(duì)405nm的激光光束進(jìn)行調(diào)制,控制波帶片陣列及納米透鏡陣列聚焦,利用聚焦點(diǎn)陣配合納米移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行掃描光刻。介紹了該無(wú)掩模光刻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理,并給出了多光束光刻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明:利用普通藍(lán)紫光源和聚焦元件陣列可實(shí)現(xiàn)分辨率為40

2、0nm的多光束并行光刻。關(guān)鍵詞:無(wú)掩模光刻;多光束光刻;波帶片陣列光刻;DMD中圖分類號(hào):TN202文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AMulti-beammasklesslithographsystemSHENYi,WUYi-xu,XINGYan-bing,ZHOUCheng-gang(IntegratedCircuitManufacturingEquipmentR&DCenter,ShanghaiAcademyofScience&Technology,Shanghai201203,China)Abstract:Amulti-beamlithographsystemisintroduced.The

3、systemusesadigitalmicro-mirrordevice(DMD)asaspatiallightmodulatortomodulatethe405nmlaser.Bycontrollingthezone-plate-arrayorfocusing-element-arraytofocusonthesubstratetoformafocusing-lattice,scanninglithographisachievedwithananometermovingplatform.Thesetupandprincipleofthesystemisintroducedandtheresu

4、ltoftheexperimentsisgiven.Theexperimentprovedthatmulti-beamlithographywithresolutionof400nmisachievedusingtheordinarybluelightandfocusing-element-array.Keywords:masklesslithography;multi-beamlithography;zone-plate-arraylithography;digitalmicro-mirrordevice引言盡管浸沒(méi)式光刻技術(shù)已經(jīng)可以將光刻節(jié)點(diǎn)延伸至65nm甚至45nm,各種提高分辨率途徑如

5、:尋找高折射率的浸沒(méi)液體、改善光學(xué)主鏡頭、提高光刻膠分辨率、優(yōu)化掩模版、自對(duì)準(zhǔn)雙重圖形技術(shù)及各種波前工程的綜合使用,可使光刻節(jié)點(diǎn)降至32nm甚至22nm,但是不斷攀升的價(jià)格,讓人望而生畏,到了阻礙新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的地步。無(wú)掩模光刻技術(shù)是解決掩模成本問(wèn)題的潛在方案,是下一代光刻技術(shù)的研究熱點(diǎn)。目前無(wú)掩模光刻主要是電子束光刻,雖然有著非常高的光刻精度,但效率極低,自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái)一直都不能適用于生產(chǎn)線,且設(shè)備昂貴。為此,許多研究單位把多光束光刻作為提高光刻速度的解決途徑進(jìn)行研究。目前,多電子束光刻的開(kāi)發(fā)商有MapperLithography、MultibeamSystem、IMSNanofab

6、ri-美國(guó)MIT實(shí)驗(yàn)室等1-6,它們都有各自的技cation、術(shù)或產(chǎn)品;ASML、美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室等單位也都在致力于開(kāi)發(fā)無(wú)掩模光刻技術(shù)。1多光束光刻系統(tǒng)在新型無(wú)掩模光刻技術(shù)中,一些基于MEMS收稿日期:2010-02-06;修回日期:2010-03-05作者簡(jiǎn)介:沈易(1982-),女,河北衡水人,碩士,主要從事無(wú)掩模光刻、光電檢測(cè)等方面的研究工作。538應(yīng)用光學(xué)2010,31(4)沈易,等:多光束無(wú)掩模光刻系統(tǒng)技術(shù)的SLM(spatiallightmodulator,空間光調(diào)制器)被不斷應(yīng)用,生成數(shù)字掩模或是作為光開(kāi)關(guān)7-8,如GLV(siliconlightmachines光柵光閥)和TI公

7、司的數(shù)字微反射鏡(DMD)等。該系統(tǒng)采用TI公司微反射鏡陣列作為空間光開(kāi)關(guān)進(jìn)行多光束開(kāi)關(guān)控制,系統(tǒng)組成如下:光源405nm半導(dǎo)體激光器,功率30mW。聚焦器件波帶片陣列,理論焦距60.75󰀁m,分辨率400nm;納米透鏡陣列,理論焦距15󰀁m,分辨率250nm。DMDTIDiscovery4000開(kāi)發(fā)板,1024×768像素,適用于藍(lán)紫光波段。掃描平移臺(tái)六軸,壓電陶瓷控制,最小步距50nm,重復(fù)定位精度7nm。其他擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、4f空間濾波系統(tǒng)、CCD觀測(cè)系統(tǒng)、光譜測(cè)厚儀調(diào)焦系統(tǒng)PSD調(diào)平系統(tǒng)、等,系統(tǒng)示意圖如圖1所示。波器放置在第一個(gè)透鏡的后焦面,則第

8、二個(gè)透鏡的前焦面即為DMD所在光場(chǎng)的傅里葉變換,此傅里葉變換經(jīng)第二個(gè)透鏡成像在其后焦面上的透鏡陣列上?？刂艱MD面上不同像素的開(kāi)關(guān),根據(jù)其后傅里葉反變換后所成的像,即可控制透鏡陣列上的光通斷。圖2DMD的成像系統(tǒng)示意圖Fig.2SchematicofimagingsystemofDMDelement此系統(tǒng)的目的在于進(jìn)行濾波成像,既要提高DMD的成像精度和充分利用光能量,又要考慮精度過(guò)高時(shí),DMD微鏡結(jié)構(gòu)中的黑柵和內(nèi)孔對(duì)成像元件的影響。實(shí)驗(yàn)中,由于聚焦器件的特性,我們選擇了低通濾波,濾除高頻信息,以補(bǔ)償由于光的不均勻性對(duì)聚焦元件的影響。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)采用7.62cm(3英寸)硅片作為基底材料,硅

9、片上涂敷300nm厚ShipleyS1805光刻膠(2700r/m,熱板100/min),曝光后在MF320(31稀釋)中顯影60s,顯影后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為周期1.2󰀁m的光柵波帶片陣列光刻結(jié)果,采用奧林巴斯顯微鏡放大1000×觀察;圖1多光束無(wú)掩模光刻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematicofmulti-beammasklesslithographsystem圖3(b)間距2󰀁m的點(diǎn)陣,納米透鏡陣列光刻結(jié)果,采用奧林巴斯顯微鏡放大1000×觀察;圖3(c)最小周期為1.2󰀁m陣列光柵,波帶片陣列光刻結(jié)果

10、,共聚焦掃描顯微鏡成像;圖3(d)周期為0.8󰀁m光柵波帶片陣列光刻結(jié)果,掃描電鏡成像。實(shí)驗(yàn)中,由于基于表面等離子效應(yīng)的微透鏡陣列分辨率受焦距限制,當(dāng)設(shè)計(jì)透鏡焦距極短,僅為數(shù)十個(gè)納米或亞波長(zhǎng)時(shí),近場(chǎng)光刻分辨率極高,但由于間距控制的技術(shù)難度,目前較難實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)仍在不斷探索中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果多為波帶片陣列遠(yuǎn)場(chǎng)光刻結(jié)果。另外,從實(shí)驗(yàn)中可以看出:3(行)×3(列)的多光束光刻,各個(gè)微鏡的光強(qiáng)并非很均勻。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所使用的DMD開(kāi)發(fā)板為二元信號(hào)控制,若加入灰度控制模塊,可利用灰度補(bǔ)償由于光斑的不系統(tǒng)工作原理:半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的加工激光首先經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束,以一定角度投射到空間光調(diào)制

11、器DMD上,經(jīng)過(guò)DMD后光束被調(diào)制為多束光,每束光單獨(dú)控制后面的一個(gè)聚焦微鏡,然后,光束以點(diǎn)陣光斑的形式匯聚到涂有光刻膠的硅片上。根據(jù)所需加工的圖案編程控制從DMD反射出光束的開(kāi)斷,同時(shí),計(jì)算機(jī)控制精密移動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行掃描,形成所需圖案,最后對(duì)所有透鏡掃描出的圖形進(jìn)行拼接,即可得到所需要的光刻圖案。2DMD成像系統(tǒng)DMD的成像系統(tǒng)為4F系統(tǒng),如圖2所示,DM,應(yīng)用光學(xué)2010,31(4)沈易,等:多光束無(wú)掩模光刻系統(tǒng)539plate-arraylithographyinthedeepultravioletJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,1998,1

12、6(6):3426-3429.3CARTERDJD,GILD,MENONR,etal.Mask-less,parallelpatterningwithzone-platearraylithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,1999,17(6):3449-3452.4MENONR,PATELA,MOONEE,etal.Alpha-prototypesystemforzone-plate-arraylithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,2004,22(6):3032-3037

13、.5CHAOD,PATELA,BARWICZT,etal.Immer-sionzone-plate-arraylithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,2005,23(6):2657-2661.6CARTERDJD,GILD,MENONR,etal.Zone-圖3多光束光刻實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3Experimentalresultsofmulti-beamlithographyplatearraylithography(ZPAL):Anewmaskless332.approachJ.SPIE,1999,3676:324-7彭欽軍,郭永康,

14、陳波,等.液晶實(shí)時(shí)掩膜技術(shù)制作連續(xù)微光學(xué)元J.光學(xué)學(xué)報(bào),2003,23(2):220-224.PENGQin-jun,GUOYong-kang,CHENBo,etal.LCDreal-timemasktechniqueforfabricationofcontinuousmicro-opticalelementsJ.ActaOpticaSinica,2003,23(2):220-224.(inChinesewithanEnglishabstract)8陳勁松.基于數(shù)字微鏡的高質(zhì)量精縮投影光刻系統(tǒng)的研制J.激光與紅外,2006,36(3):206-209.CHENJin-song.Research

15、onhighqualityreductionprojectingsystembasedondigitalmicromirrordeviceJ.Laser&Infrared,2006,36(3):206-209.(inChinesewithanEnglishabstract)9SRITURAVANICHW,PANLiang,WANGYuan,etal.Flyingplasmoniclensinthenearfieldforhigh-speednanolithographyJ.technology,2008,3:733-737.10MENONR,GILD,BARBASTATHISG,eta

16、l.參考文獻(xiàn):1SMITHHI.Aproposalformaskless,zone-plate-arraynanolithographyJ.JournalofVacuumSciencesandTechnologyB,1996,14(6):4318-4322.2DJOMEHRIIJ,SAVASTA,SMITHHI.Zone-Photon-sievelithographyJ.J.Opt.Soc.Am.A.,2005,22(2):342-345.11KIPPL,SKIBOWSKIM,JOHNSONRL,etal.SharperimagesbyfocusingsoftX-rayswithphotonsievesJ.Nature,2001,414:184-188.NatureNano-4結(jié)束語(yǔ)本文主要介紹了利用微透鏡