數(shù)字掩模技術的可視化設計

數(shù)字掩模技術的可視化設計

1數(shù)字擴大技術:基于dmd的共享料制作技術紫外微光學元件具有高光學轉換效率、獨特的色散性能、更多的設計自由度和更廣泛的材料可選性等優(yōu)點。它可以實現(xiàn)特殊的光學功能，并受到各國的高度重視和廣泛應用。目前,在此領域存在的主要問題是其制作技術相對滯后于設計理論,嚴重阻礙了衍射微光學元件的產業(yè)化進程。衍射微光學元件的制作方法主要有:基于對準套刻的二元光學技術、激光束或電子束直寫技術和灰度掩模技術。其中,灰度掩模技術是最有發(fā)展前途的一種技術,其關鍵是制作一張高精度的灰度掩模版,以實現(xiàn)曝光量的精確控制。傳統(tǒng)的灰度掩模技術不能根據實驗情況對掩模進行實時修改,利用電尋址空間光調制器(SpatialLightModulator,SLM)制作掩?？杀苊獯藛栴}。目前,可通過計算機直接控制的SLM器件主要有液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay,LCD)、硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCoS)和數(shù)字微鏡器件(DigitalMicromirrorDevice,DMD)。與LCD相比,DMD具有更高的分辨率、開口率和灰度等級。就速度和光譜響應能力而言,LCD也不如DMD。另外,基于簡單的反射原理,DMD可以靈活調制光強,具有寬帶工作能力。鑒于單LCD灰度掩模制作技術已有報道,本文研究了基于DMD的掩模制作技術。由于DMD是目前惟一一種大批量生產的純數(shù)字化SLM,因此該掩模制作技術可稱為數(shù)字掩模技術。由于實驗條件限制,本文僅重點研究了其實現(xiàn)原理,并進行了簡單的實驗驗證。2dmd的調制DMD單個微鏡的結構如圖1所示。器件的基底是硅,用大規(guī)模集成電路的技術,在硅片上制出靜態(tài)隨機存取器(StaticRandomAccessMe-mory,SRAM),每一個存儲器有兩條尋址電極(addressingelectrodes)和兩個搭接電極(1andingelectrodes)。兩個支撐柱上,通過扭臂梁鉸鏈(torsionhinge)安裝一個微形反射鏡,形成一個“蹺蹺版”的結構。每個DMD微鏡的偏轉狀態(tài)(±10°)都是由位于該微鏡下面的SRAM單元中存儲的二元數(shù)據決定的。將SRAM單元中的二元數(shù)據對應電壓加到地址電極端,產生靜電吸引,微鏡便會根據SRAM中的數(shù)據保持原位置或轉到相反的位置。一旦微鏡穩(wěn)定下來,可認為微鏡已被電子機械鎖定在理想位置,此時,可以改變SRAM中的數(shù)據而不影響微鏡的狀態(tài)。由于SRAM中的數(shù)據是二元的,因此,DMD的調制也稱為二元脈沖寬度調制(BinaryPulseWidthModulation,BPWM)。DMD反射的光強由一個刷新周期內的調制脈寬控制。計算機內的圖像先由顯示卡轉換為標準視頻信號,再由DMD的支持電路轉換為BPWM格式二元脈沖數(shù)據。BPWM脈沖數(shù)越多,通光時間越長,得到的反射光強也越大。將微鏡+10°偏轉定義為“ON”狀態(tài),-10°偏轉定義為“OFF”狀態(tài)。取“ON”狀態(tài)的反射光對掩模曝光,則反射強度或光通量正比于各微鏡像素在一幀時間內處于“ON”狀態(tài)的時長。3dmd的數(shù)字中心裝復目前市場上大部分激光直寫設備的激光波長都是在可見光范圍內的,然而在某些領域需要高分辨率曝光的情況下,要求系統(tǒng)能夠兼容紫外曝光。DMD簡單的反射特性、寬波段有效調制范圍,加上超強的數(shù)據傳輸率,使得DMD成為下一代光刻系統(tǒng)使用的理想器件。目前,BasysPrintGmbH公司利用標準的DMD,已經生產出可在x-y坐標系內曝光的紫外打印格式裝置,光譜調制范圍350～450nm,單DMD系統(tǒng)每秒可曝光一千萬個點。隨著下一代專門優(yōu)化設計用于350～450nm波長范圍的DMD器件的出現(xiàn),曝光速度將遠超過激光直寫系統(tǒng)。圖2是數(shù)字掩模技術的實現(xiàn)原理圖。掩模圖形經視頻卡以二進制數(shù)字形式輸出到DMD芯片上的SRAM,再傳送到每個微鏡下面的CMOS存儲電路。均勻平行光束的入射方向與DMD的表面法線夾角為20°。DMD正常工作時,每個微鏡偏轉+10°,因此,反射光束剛好沿垂直方向入射到精縮鏡組并成像在涂有敏感材料的感光基片上。顯微鏡組用于精確調焦對準。圖形的灰階顏色不同,DMD上對應微鏡的偏轉頻率就不同,單位時間內反射光通量也不同,因此,投影精縮后在感光基片上產生變化的曝光強度。整張掩模圖形被DMD上的微鏡離散成上百萬個正方形像素,每一個像素由精縮光學系統(tǒng)精縮成像為一個亞微米級的光點。每個光點對應的光強由DMD的像素翻轉頻率決定,可形成至少256級強度調制。DMD掩模制作系統(tǒng)的曝光量不僅可以由曝光時間控制,還可以通過計算機調整DMD的像素灰階控制,而且DMD的像素由純數(shù)字化的二元數(shù)據控制,因此是一種全新的數(shù)字化灰度掩摸制作技術。4數(shù)字法定轉印技術由于實驗所用DMD像素大小為17μm×17μm,因此要想得到最小線寬為1μm以下的光刻分辨率,必須采用投影式光刻,精縮投影倍數(shù)為17倍以上。根據瑞利公式,實際像方分辨率R和焦深DOF的計算公式分別為:R=k1λNA(1)DOF=k2λNA2(2)R=k1λΝA(1)DΟF=k2λΝA2(2)式中λ為曝光光源波長;NA為透鏡數(shù)值孔徑。k1、k2為常系數(shù),通常取k1=k2=1。由此可見,NA越大,像方分辨率越高。但NA越大,焦深越小,加工較困難。若NA較小,直接影響光刻分辨率,且焦距較長,造成物距太大,給曝光光路的調整帶來困難。因此,設計時應根據理論分辨率和實際條件綜合選擇。本文的研究受課題經費限制,采用的僅是8倍組合精縮鏡組,數(shù)值孔徑NA為0.2。所用光源為He-Cd激光器,特征波長為441.6nm,因此可實現(xiàn)的最小線寬約為2.2μm。圖3是數(shù)字掩模技術簡單的實驗原理圖。光源經擴束、濾波、準直后,成為近似“平定”分布的均勻平行光斑。經兩次反射后輸入到DMD芯片上。計算機上的掩模圖形經I/O接口以二進制數(shù)字形式輸入到DMD芯片上的SRAM,從而控制鏡片的翻轉,實現(xiàn)灰度圖像輸出。因此經DMD調制輸出的光場將載有掩模圖形信息,然后垂直向上入射到精縮投影物鏡上,經精縮后在光刻膠面上成像(光刻膠面朝下),從而實現(xiàn)圖形轉印。圖4是使用該技術制作的幾張掩模圖形放大圖。通過實驗結果充分驗證了該技術的可行性。5dmd:及其亞微級微光學元件提出基于數(shù)字微鏡的數(shù)字掩模技術。對該技術的實現(xiàn)原理進行了詳細