兩微米線寬TFT應(yīng)用的數(shù)字光刻研究

兩微米線寬TFT應(yīng)用的數(shù)字光刻研究摘要高分辨光刻技術(shù)無(wú)論是在半導(dǎo)體行業(yè)還是高端電子產(chǎn)品的制造行業(yè)都是至關(guān)重要的。基于DMD的數(shù)字光刻機(jī)可以實(shí)現(xiàn)掩模的實(shí)時(shí)產(chǎn)生，已在工業(yè)上蓬勃興起，研究這種技術(shù)的光刻應(yīng)用很有意義。本文首先介紹了光刻技術(shù)的背景、分類、以及國(guó)內(nèi)外研究情況，接著詳細(xì)介紹了光刻技術(shù)的原理和工藝流程。然后就數(shù)字光刻技術(shù)的背景、原理進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了本實(shí)驗(yàn)要用到的DMD數(shù)字光刻機(jī)以及其核心部件空間光調(diào)制器。隨后提出了本文的研究方案。本實(shí)驗(yàn)取得了2微米光刻圖樣，隨后用origin軟件對(duì)圖樣的剖面圖進(jìn)行了分析，經(jīng)此分析得出本次實(shí)驗(yàn)的圖像較為精確。通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像的分析可以知道目前高分辨光刻技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在結(jié)論部分提出了一些對(duì)光刻技術(shù)未來(lái)發(fā)展的展望。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一些對(duì)本文研究方法的改良意見(jiàn)。關(guān)鍵詞：光刻技術(shù)、數(shù)字光刻、光刻機(jī)注：本設(shè)計(jì)（論文）題目來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為：61475037AbstractHighresolutionopticallithographyisbothimportantinSemiconductorindustryandHigh-endelectronicsmanufacturingindustry.DMDDigitalopticallithographymachinehasbeenpopularinindustry,whichcanrealizetheproduceofmask.Itisverymeaningfultoresearchtheapplicationoflithography.Atfirstthearticleintroducesthebackground,classificationandtheresearchsituationathomeandbroadoflithography.ThenintroducesthePrincipleandprocessoflithography.BasedonlithographythearticlealsointroducesthebackgroundandprincipleofdigitallithographyandthemostimportantpartofDMDdigitallithographymachine,whatiscalledspacelightmodulator.Thentheresearchschemeofthispaperisproposed.Theconclusionofthisexperimentisanimageoftwomicronresolutionlithography.Thenweuseoriginsoftwaretoanalyzetheprofileofthepicture,whichcandeterminethatthepictureofthisexperimentisaccurate.Wecanknowthathighresolutionopticallithographyisperfecttoday.Intheconclusionofthisarticlesomeoutlookofopticallithographyisputforward.Atendbasedontheconclusionofexperimentwediscusssomeopinionsoftheresearchofthisarticle.Keywords:Opticallithography,Digitalphotolithography,Digitallithographymachine目錄1緒論 緒論1.1光刻技術(shù)背景光刻技術(shù)是在集成電路制造中利用光學(xué)-化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。集成電路的發(fā)明，大大促進(jìn)了人類社會(huì)科技水平的發(fā)展，成為了現(xiàn)代科技社會(huì)的基石。集成電路的發(fā)展使得電子產(chǎn)品的體積得到了顯著的減小，降低了電子產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。自從1958年世界上第一塊平面集成電路的問(wèn)世開(kāi)始，在短短幾十年間，半導(dǎo)體及微電子技術(shù)得到了一次飛躍性的發(fā)展。在集成電路飛速發(fā)展的進(jìn)程中，光刻技術(shù)扮演了一個(gè)重要的角色。隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步，器件的體積不斷縮小，單個(gè)器件的運(yùn)算速度和工作效率不斷提高。在摩爾定律的引領(lǐng)下，光學(xué)光刻技術(shù)經(jīng)歷了接觸/接近、等倍投影、縮小步進(jìn)投影、步進(jìn)掃描投影等曝光方式的變革[2]。曝光光源波長(zhǎng)不斷縮短，目前最短的波長(zhǎng)為193納米（ArF）。技術(shù)節(jié)點(diǎn)降低至目前的22納米。光學(xué)科技的創(chuàng)新推動(dòng)了集成電路技術(shù)的發(fā)展。隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)光刻技術(shù)曝光分辨率的要求也越來(lái)越高。光學(xué)分辨率是指能在晶圓上成像的最小特征尺寸[4]。由工藝因子、數(shù)值孔徑和曝光波長(zhǎng)決定。降低曝光波長(zhǎng)是目前光刻技術(shù)和設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。特征尺寸隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步而減小。半導(dǎo)體芯片制造所采用的光源逐漸由可見(jiàn)光源發(fā)展到納米激光光源。目前最先進(jìn)的光刻機(jī)是193納米浸沒(méi)式光刻機(jī)。1.2光刻技術(shù)分類1.2.1有掩膜光刻有掩膜光刻技術(shù)是最為傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，它是由接觸式曝光發(fā)展而來(lái)的。如圖1.1所示。圖1.1接觸式曝光接觸式曝光是先將已經(jīng)制作好的掩膜板與半導(dǎo)體襯底接觸，然后抽去空氣，調(diào)整壓力再進(jìn)行曝光。但是這種方式容易使半導(dǎo)體襯底損壞，因?yàn)檠谀ぐ迮c光致抗蝕劑有直接接觸。不僅掩膜板使用壽命不長(zhǎng)，還會(huì)影響器件的質(zhì)量。因此只有頻繁更換掩膜板。然而這樣會(huì)使得光刻的經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高。因此為了降低光刻成本以及保證產(chǎn)品的質(zhì)量，發(fā)展了一種接近式曝光，即讓掩模板與光致抗蝕劑保持一定的距離，然后通過(guò)入射平行光束進(jìn)行曝光。雖然通過(guò)這種方式使得掩模板的損耗問(wèn)題得以解決，但由于光的衍射限制了光刻的分辨率，因此光刻的精度得不到保證。以上兩種光刻方式知道20世紀(jì)五十年代仍然被認(rèn)作制造業(yè)的主流。但為了使以上兩種缺陷得以解決，使用掩模板的光學(xué)投影成像光刻技術(shù)被發(fā)展起來(lái)了，如圖1.2。圖1.2投影式曝光其是利用光學(xué)投影的原理，通過(guò)使用等倍率或者縮小倍率投影物鏡，將掩模板上的圖案投影到光刻膠上，完成曝光[7]。該種方法不會(huì)使掩膜版與襯底表面發(fā)生摩擦，這樣使得掩膜版得以延長(zhǎng)使用壽命。掩膜板的尺寸在這種報(bào)廣告模式下一般會(huì)做得比較大，不會(huì)產(chǎn)生小圖形的困難，不會(huì)產(chǎn)生光衍射和光散射現(xiàn)象。由此，非接觸式曝光引起的圖形玷污較小，成品率很高，精準(zhǔn)度也高，高集成器件的要求得以滿足。但成本高，所以對(duì)于低檔次產(chǎn)品的制作，該種曝光方式存在一定限制。1.2.2無(wú)掩膜光刻由于使用掩模板會(huì)引發(fā)經(jīng)濟(jì)成本上升以及各種技術(shù)難題，開(kāi)始陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)了很多形式的無(wú)掩模光刻，但根據(jù)其原理主要可以分為兩大類：一類是基于帶電粒子的無(wú)掩模光刻技術(shù)，另一類是基于光學(xué)的無(wú)掩模光刻技術(shù)。無(wú)掩膜光刻是一類不采用光刻掩膜版的光刻技術(shù)，即采用電子束直接在硅片上制作出需要的圖形[7]。許多個(gè)掩膜需要被用來(lái)制作一個(gè)大型的集成電路，以上兩種方式的光刻技術(shù)都需要制作很高分辨率的掩膜版。掩膜版的成本只會(huì)在未來(lái)越來(lái)越高，隨著光刻對(duì)分辨率要求的提高。由于這個(gè)原因，更多種無(wú)掩膜光刻系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)了出來(lái)比如電子束光刻技術(shù)、激光光刻技術(shù)、數(shù)字灰度掩膜技術(shù)等。離子、電子束直接書寫、激光直接書寫等直接書寫技術(shù)是使用離子、電子束在緩蝕劑表面逐點(diǎn)對(duì)緩蝕劑進(jìn)行曝光。特點(diǎn)是此過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)掌控，曝光程度和曝光深度可以受到嚴(yán)格控制，因此生產(chǎn)精度高。激光直寫可以用最小線寬為0.5微米。每種無(wú)掩膜光刻技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如離子、電子束直刻、激光直刻等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率，但生產(chǎn)效率低。數(shù)字光刻比直接寫入技術(shù)效率高,和它使用空間光調(diào)制器(SLM)技術(shù)是分不開(kāi)的。掩膜受電腦控制，在任何時(shí)候修改都可以，適合小型試驗(yàn)生產(chǎn)。由于技術(shù)還不成熟，存在著光柵效應(yīng)等問(wèn)題。光刻工藝的生產(chǎn)效率在未來(lái)不太可能得到大規(guī)模發(fā)展，按照直寫光刻技術(shù)的原理來(lái)看，由于有很多效率更高的方法，未來(lái)的市場(chǎng)中很難得到顯著的發(fā)展。在掩膜版之外，普通光刻技術(shù)和無(wú)掩膜光刻技術(shù)在照明的使用上也存在差異。1.3國(guó)內(nèi)外研究情況由于半導(dǎo)體工藝越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)光刻精度的要求也越來(lái)越高。遇到的技術(shù)難題也越來(lái)越多。2002年，摩爾技術(shù)的發(fā)展遇到瓶頸,傳統(tǒng)的193nm光刻機(jī)無(wú)法將芯片制程推進(jìn)至65nm以下。荷蘭的ASML公司經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)攻關(guān)，推出了首臺(tái)浸潤(rùn)式光刻機(jī)[8]，以此獲得了極高的市場(chǎng)占有率。幾年后，又推出了極紫外光刻技術(shù)，并使該項(xiàng)技術(shù)成為當(dāng)前世界范圍內(nèi)生產(chǎn)效率和精度最高的設(shè)備。EUV（極紫外光刻機(jī)）目前研發(fā)的進(jìn)展還是趨于緩慢。但由于其精度高的特性，還是受到一些半導(dǎo)體公司的青睞。當(dāng)前一臺(tái)EUV的價(jià)格大概為1億美元。一些大型半導(dǎo)體集團(tuán)熱衷于采購(gòu)EUV，以謀求在7-10納米節(jié)點(diǎn)工藝降低成本[5]。受到國(guó)外光刻技術(shù)迅猛發(fā)展的啟示，再結(jié)合我國(guó)科技環(huán)境現(xiàn)狀，我國(guó)主要建立了一條由核心企業(yè)為主導(dǎo)，各種中小型企業(yè)伴隨發(fā)展的企業(yè)鏈。同時(shí)大力推動(dòng)上下級(jí)企業(yè)合作，共同推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。在企業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，由政府出面建立企業(yè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，開(kāi)展與高校的合作，共同攻關(guān)高技術(shù)水平研究。企業(yè)聯(lián)盟應(yīng)該以技術(shù)為主，在核心技術(shù)方面開(kāi)展合作以及分?jǐn)傎M(fèi)用。在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，我國(guó)也已經(jīng)初步建立起一些法律和法規(guī)。1.4本文研究方法及構(gòu)成經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)前的方案比對(duì)，本實(shí)驗(yàn)決定采用su8-2000光刻膠，以及PGEMA顯影液來(lái)進(jìn)行2微米線性光刻的研究。以上使用到的幾種材料將在后文部分進(jìn)行詳細(xì)介紹并展示。2.光刻技術(shù)的原理按照曝光光源的不同可以把光刻技術(shù)分成兩大類：光學(xué)光刻和離子束光刻。其中光學(xué)光刻是目前的主流技術(shù)，并且在未來(lái)仍為主流技術(shù)。其主要過(guò)程為：第一步覆蓋有光刻膠薄膜的硅片受到紫外光照射，受到光照的區(qū)域發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)；然后用顯影液把曝光區(qū)域或者未曝光區(qū)域的光抗蝕劑溶解，掩膜板上的圖案就被復(fù)制到了光刻膠上；最后一步把圖形通過(guò)刻蝕技術(shù)轉(zhuǎn)移到硅片上。首先是光復(fù)印，然后是光刻蝕。2.1光刻技術(shù)的光復(fù)印原理把在掩膜版上做好的器件或者圖形的位置通過(guò)曝光系統(tǒng)傳遞到襯底或晶片上所涂布的光刻膠上。2.2光刻技術(shù)的刻蝕原理為了在基片表面得到跟抗蝕劑上圖形一樣的圖形，可以通過(guò)去除不被抗蝕劑覆蓋的基片表面或介質(zhì)層?？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)和物理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。得到的集成電路功能層在三維空間上重疊。因此光刻過(guò)程需要被多次重復(fù)。例如，要通過(guò)十次光刻才能完成大規(guī)模集成電路不同層的圖形。2.3光致抗蝕劑按照受到光照后溶解的部分不同，光致抗蝕劑有兩種分類，分別是正性光致抗蝕劑和負(fù)性光致抗蝕劑。2.3.1正性光致抗蝕劑正性光致抗蝕劑在受到光照時(shí)，會(huì)留下未被曝光的部分，與掩膜版上的圖形相同。而受光照部分淫威降解反應(yīng)會(huì)在顯影液中溶解。集成度高、要求更加精密的器件適合用這種光刻膠進(jìn)行制作，因?yàn)樗邆渚雀?、駐波效應(yīng)影響小、曝光量大、針孔密度低等非常顯著的特點(diǎn)。2.3.2負(fù)性光致抗蝕劑負(fù)性光控制抗蝕劑的曝光部分會(huì)通過(guò)交鏈反應(yīng)生成不溶物而不溶，未被曝光的部分會(huì)在顯影液中溶解，會(huì)得到與掩膜版上的圖形互補(bǔ)的圖形。負(fù)性光致抗蝕劑的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、黏附力很強(qiáng)。集成度低的器件適合使用該類光刻膠。2.4光刻技術(shù)的工藝流程如2.1所示為光刻工藝的主要步驟，本小節(jié)將對(duì)各個(gè)步驟進(jìn)行分解并說(shuō)明。圖2.1一般光刻工藝的步驟2.4.1涂膠離心甩膠機(jī)通常用于在襯底上涂布光致抗蝕劑。離心甩膠機(jī)可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度決定光刻膠的膜層厚度?？梢宰龀鲱A(yù)先試驗(yàn)測(cè)量曲線，獲得所需厚度應(yīng)選擇的工藝參數(shù)。為了使光致抗蝕劑的溶劑揮發(fā)掉，使膜層雨襯底之間獲得較高的附著力，涂覆后，應(yīng)該準(zhǔn)備好烘箱，以便及時(shí)地進(jìn)行烘烤，烘烤后再顯影。對(duì)于一般的光刻膠，烘烤時(shí)間應(yīng)控制在30min左右。2.4.2曝光在進(jìn)行涂布抗蝕劑之后，需要對(duì)晶片進(jìn)行曝光。曝光時(shí)要注意控制好兩個(gè)非常重要的參數(shù)即曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。一定要注意控制好這兩個(gè)參數(shù)的量，不精心調(diào)制的話，這樣就不能得到符合要求的器件。曝光的方法分為投影式曝光和接近式曝光，這部分內(nèi)容在前文已經(jīng)提及過(guò)，所以這里不再進(jìn)行重復(fù)贅述。2.4.3顯影和堅(jiān)膜曝光后，要把含有光刻膠的基板浸入顯影液中進(jìn)行顯影或噴射顯影。此做法的目的是去除沒(méi)感光的負(fù)性光刻膠負(fù)極膠或去除感光的正性光刻膠，把圖像顯示出來(lái)。比如TMAH之類的正性光刻膠一般呈堿性。負(fù)性光刻膠由很多種類型，一般主要成分是二甲苯。但是由于光刻膠會(huì)滲透二甲苯，會(huì)降低顯影的速度，造成聚合物膨脹，所以通常加入二甲苯來(lái)抑制顯影劑的顯影速度。包括顯影劑濃度、溫度、光致抗蝕劑的干燥程度都會(huì)影響顯影速率。顯影完成后，為了增加膠膜與硅片的黏附能力，并且使得抗腐蝕能力更強(qiáng)，以至于其在下一步的腐蝕中不會(huì)被溶解，應(yīng)該對(duì)光抗蝕劑進(jìn)行堅(jiān)膜。通常步驟是利用電熱板在180攝氏度到200攝氏度下進(jìn)行烘焙30min。有兩個(gè)值得注意的情況，其一是，堅(jiān)膜達(dá)不到要求時(shí)，腐蝕的時(shí)候容易浮膠；過(guò)度堅(jiān)膜的時(shí)候，很容易引起熱膨脹。2.4.4脫膜和腐蝕堅(jiān)膜完成后，要對(duì)硅片進(jìn)行脫膜和腐蝕。具體是，把經(jīng)過(guò)前面一系列處理后的圖形未經(jīng)曝光的部分去掉（正性光刻膠情況下）。在硅片上重現(xiàn)展現(xiàn)和光刻膠一樣的圖形。這樣就要求腐蝕液可以在去掉裸露二氧化硅的同時(shí)不損傷光刻膠。一般包括濕法腐蝕和干法腐蝕。濕法腐蝕一般使用HF溶液，干法腐蝕一般應(yīng)用一些氣體比如等離子體。3.數(shù)字光刻技術(shù)3.1數(shù)字光刻技術(shù)背景數(shù)字光刻采用了液晶光學(xué)閥、數(shù)字微鏡陣列、薄膜等空間光調(diào)制器(SLM)。薄膜（MieromirrorArray）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光刻掩模，實(shí)現(xiàn)掩模的實(shí)時(shí)生成，由于不需要處理掩模，大大降低了微處理的成本[6]。也由于空間光調(diào)制器可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)灰度圖像,使面向雜項(xiàng)浮雕的復(fù)雜形狀微觀結(jié)構(gòu),如微透鏡陣列、微柱面透鏡陣列,相位光柵微光學(xué)元件。目前，空間光調(diào)制器可以生成8位或更高灰度的掩模圖像。從理論上講，一次曝光可以得到256步以上的表面微觀結(jié)構(gòu)，而在后處理過(guò)程中優(yōu)化后可以得到非常接近連續(xù)變化的表面形狀。由于光刻技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的投影式光刻技術(shù)已經(jīng)趨于完善。但由于半導(dǎo)體器件對(duì)光學(xué)分辨率的要求越來(lái)越高，在傳統(tǒng)光刻技術(shù)的基礎(chǔ)上已經(jīng)發(fā)展出了一系列新的技術(shù)例如，電子束投影光刻技術(shù)和粒子投影光刻技術(shù)。由此帶來(lái)了掩模成本的飛速上升。由于液晶顯示器(LCD)面板行業(yè)在TFT(薄膜電阻)-LCD掩模的成本上花費(fèi)了大量的資金，通過(guò)利用數(shù)字微鏡器件(DMDs)和光柵光閥(GLVs)等空間光調(diào)制器，無(wú)掩模光刻技術(shù)得以發(fā)展。該技術(shù)已被開(kāi)發(fā)用于實(shí)現(xiàn)2毫米位圖分辨率，但大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝進(jìn)步和發(fā)展進(jìn)度仍然很慢?；赿md的無(wú)掩模曝光使用405nm波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器作為光源和光學(xué)引擎，其中包含DMDs、微透鏡陣列(MLAs)和投影透鏡、基于GLV的系統(tǒng)由紫外激光器和光學(xué)寫入引擎組成，這些引擎由GLV、光柵光學(xué)和成像透鏡構(gòu)成。由于許多公司一直在努力研發(fā)無(wú)掩模技術(shù)，無(wú)掩模技術(shù)將在不久的將來(lái)在LCD行業(yè)實(shí)現(xiàn)。3.2數(shù)字光刻技術(shù)原理數(shù)字光刻技術(shù)一般通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生要求的圖形，跟傳統(tǒng)的光刻技術(shù)有很大的差別。再通過(guò)曝光設(shè)備將圖形投影到基片上。并且可以通過(guò)一系列的檢測(cè)系統(tǒng)得到圖像信息，控制下一步的投影進(jìn)度，來(lái)完善修改圖象。該種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以省去傳統(tǒng)光刻技術(shù)中所用到的掩模板，可以達(dá)到降低成本的作用。使用空間光調(diào)制器(SpaceLightModulator,SLM)來(lái)代替掩膜版來(lái)對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制。常見(jiàn)空間光調(diào)制器有液晶光閥、等離子體顯示器件(PlasmaDisplayPanel,PDP)等。圖3.1所示為DMD光刻系統(tǒng)圖。1-半導(dǎo)體激光器；2-耦合光纖；3-準(zhǔn)直透鏡組；4-分束透鏡組；5-擴(kuò)束透鏡組；6-反射鏡；7-微反射鏡；8-會(huì)聚透鏡；9,10-基片圖3.1DMD光刻系統(tǒng)1為半導(dǎo)體激光器，發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)耦合光纖2后，經(jīng)過(guò)微透鏡組3被準(zhǔn)直，在經(jīng)過(guò)微透鏡組4分束，之后經(jīng)過(guò)透鏡5被擴(kuò)束，然后被6反射至微反射鏡組7上。光線經(jīng)過(guò)DMD透鏡組調(diào)制后，經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡8把圖像投影至涂有光刻膠的基片10上。3.3DMD數(shù)字無(wú)掩膜光刻機(jī)DMD式無(wú)掩膜光刻機(jī)是基于數(shù)字光刻技術(shù)發(fā)展的一臺(tái)儀器，會(huì)在后續(xù)篇幅中詳細(xì)介紹。利用DMD數(shù)字掩膜，這種該光刻機(jī)不需要掩膜版，任意圖案都可以在抗蝕劑內(nèi)進(jìn)行曝光，因?yàn)槔肈MD數(shù)字掩膜。除了CAD數(shù)據(jù)，Bitmap,PNG,DXF,GDSⅡ等其它格式。也可以通過(guò)無(wú)掩膜光刻機(jī)讀取。由于使用365nm曝光光源，不僅可以降低價(jià)格，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定曝光。采用10倍物鏡，一次曝光面積可達(dá)1mm′0.6mm，曝光時(shí)間僅需1s。3.4空間光調(diào)制器空間光調(diào)制器是數(shù)字光刻中較為重要的一個(gè)器件，它可以起到替代掩膜板的作用。下面將就空間光調(diào)制器的原理、功能、分類進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.4.1空間光調(diào)制器背景近幾年來(lái),空間光調(diào)制器在光電子學(xué)中得到了迅猛發(fā)展?？臻g光調(diào)制器的迅猛發(fā)展，得益于微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的進(jìn)步和緊密結(jié)合?？臻g光調(diào)制器可以及時(shí)地、受控地調(diào)制光波所包含的信息,因此它在實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理中占據(jù)了重要的地位。因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，空間光調(diào)制器是現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要器件。由于科技的進(jìn)步，光信息處理這門新學(xué)科得以發(fā)展起來(lái)。二十世紀(jì)六十年代，隨著激光器的發(fā)明，光信息處理技術(shù)得以出現(xiàn)。光信息包括光強(qiáng)度(或振幅)、相位、波長(zhǎng)和偏振態(tài)等。光學(xué)信息處理是經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器,改變光的振幅、偏振甚至相干性，實(shí)現(xiàn)對(duì)光賦予信息的過(guò)程。由于光學(xué)信息處理具有速度快、信息準(zhǔn)確的特點(diǎn)，目前已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用。光學(xué)信號(hào)與其它信號(hào)相比，具有的巨大的優(yōu)勢(shì):第一，光波頻率可以達(dá)到很大,因此光學(xué)信號(hào)擁有很大的帶寬，能承載的信息容量大;第二,光波的傳播不需要介質(zhì)并且受環(huán)境影響小,而且光波通過(guò)并行傳播的方式傳遞信息。因此，信息之間不會(huì)互相干擾。由于以上原因,串行輸入/輸出的光調(diào)制器不能再滿足光信息處理的要求?？臻g光調(diào)制器因?yàn)榫邆淇焖佥斎爰坝?jì)算能力，在此基礎(chǔ)上被研發(fā)出來(lái)。空間光調(diào)制器是一種通過(guò)調(diào)節(jié)光場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)記錄信息的裝置。例如，通過(guò)調(diào)整振幅和偏振狀態(tài)來(lái)記錄信息。這種器件改變光在空間分布的振幅或強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)和波長(zhǎng)，或?qū)⒎窍喔晒廪D(zhuǎn)換為相干光。可以由時(shí)變電信號(hào)控制。因此，該器件在實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理、光學(xué)計(jì)算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有重要作用。根據(jù)輸入信號(hào)不同，可分為光尋址(oa-slm)和電尋址(ea-slm)。按照讀出光方式不同可以分為反射式和透射式。液晶光閥的原理是通過(guò)光-光直接轉(zhuǎn)換，效率高，能耗低，速度快，質(zhì)量好。液晶光閥(LCLV)是應(yīng)用最廣泛的空間光調(diào)制器。它可廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別、光計(jì)算、顯示、信息處理等領(lǐng)域，具有非常廣闊的前景。3.4.2空間光調(diào)制器原理功能空間光調(diào)制器簡(jiǎn)稱是SLM(SpatialLightModulator)。它可以對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制，這一點(diǎn)可以很容易通過(guò)查閱資料得知。通常來(lái)說(shuō),空間光調(diào)制器是指在控制信號(hào)的作用下,通常可以通過(guò)光信號(hào)或者電信號(hào)，對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制的一種器件。如圖3.2。很多在空間上呈現(xiàn)一維或者二維分布的獨(dú)立單元組成了一個(gè)空間調(diào)制器。通過(guò)物理效應(yīng)的利用(泡克爾斯效應(yīng)、克爾效應(yīng)等)來(lái)使自身的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,從而調(diào)制照射到它上面的光信號(hào)。光信號(hào)或者電信號(hào)可以單獨(dú)控制每個(gè)單元?！皩懭牍狻?writelight)為控制這些小單元的信號(hào),這些獨(dú)立的單元被稱作空間光調(diào)制器的“像素”(pixel)?！白x出光”(readoutlight)是照在整個(gè)調(diào)制器上并且被調(diào)制的光,“輸出光”(outputlight)是指通過(guò)空間光調(diào)制器調(diào)制后輸出的光波?？梢哉f(shuō),空間光調(diào)制器就是一塊光學(xué)性質(zhì)可以根據(jù)需要不斷進(jìn)行變化的鏡片。很明顯,單個(gè)像素的信息應(yīng)該都包括在寫入信號(hào)內(nèi)。將單個(gè)像素多需要的信息準(zhǔn)確傳遞到,相對(duì)應(yīng)的像素格內(nèi)，稱為“尋址”(addressing)。圖3.2空間光調(diào)制器原理圖空間光調(diào)制器可以提供及時(shí)的一維或者二維的空間光計(jì)算，這是它的基本功能。作為內(nèi)部信息和外界信息交流的媒介，在光信息系統(tǒng)中，它不僅可作為系統(tǒng)的輸入設(shè)備，也可以作為系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換或操作設(shè)備。作為一種輸入設(shè)備，空降光調(diào)制器作為傳感器，把原始信息加工成需要的格式。在這種情況下，空間光調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、串并聯(lián)轉(zhuǎn)換、非相干光和相干光轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)放大、矢量矩陣或者矩陣乘法之類的功能，當(dāng)它作為計(jì)算設(shè)備的器件的時(shí)候。除此以外還可以存儲(chǔ)圖像。3.4.3空間光調(diào)制器分類方法按照輸入控制信號(hào)不同的方式可以分為光尋址和電尋址；按照讀出光方式的不同可以將空間光調(diào)制器分為反射型和透射型。如下圖3.2:圖3.3空間光調(diào)制器示意圖在另外一種情況下可以通過(guò)工作原理來(lái)劃分，這里不做說(shuō)明。這里應(yīng)該指出:(1)電尋址時(shí),一對(duì)相鄰的行電極和一對(duì)相鄰的列電極之間的區(qū)域構(gòu)成像素，電信號(hào)一般為串行信號(hào),因此電尋址一般是順序處理,當(dāng)光信息處理中有一個(gè)電尋址替代了光尋址，二維的并行處理就被串行處理代替，速度會(huì)顯著的降低[3]。(2)寫信號(hào)的像素和像素空間調(diào)制器可以對(duì)應(yīng)一個(gè)一個(gè)的實(shí)現(xiàn)解決。在光學(xué)處理時(shí),一個(gè)二維光強(qiáng)分布實(shí)際上是印在像素平面空間光調(diào)制器的一個(gè)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)。光尋址中的所有像素都會(huì)在同一時(shí)間完成尋址。因?yàn)樗且环N并行尋址的方式。系統(tǒng)分辨率一般會(huì)限制像素格的尺寸，它的特點(diǎn)是擁有最快的尋址速度。此外，讀出光與寫入光之間會(huì)發(fā)生串?dāng)_，要防止這種干擾，空間光調(diào)制器一般被做成反射型的，其中帶有一個(gè)隔層，兩種光不會(huì)發(fā)生相互干擾;除此以外可以利用波長(zhǎng)不同的光，通過(guò)過(guò)濾的濾光片消除他們之間的干擾。此外，電尋址一般利用帶狀電極處理傳遞信息，因此它的電極尺寸大小有一定的物理極限，相應(yīng)的，存在分辨率限制它的像素大小也有一定的限度。電極本身是不透明的，所以像素的有效通光面積與像素的總面積之比——開(kāi)口率較低，光能利用率不高。[3]3.4.4數(shù)字微反射鏡空間光調(diào)制器數(shù)字微鏡器件(DigitalMicromirrorDevice,DMD)一種非常精妙的電子尋址空間光調(diào)制器。它在1987年被發(fā)明。作為一種二維空間光調(diào)制器，利用硅襯底存儲(chǔ)陣列控制硅微鏡陣列在同一襯底上的反射和成像。DMD作為一種光學(xué)信息處理系統(tǒng)的接口器件，近年來(lái)，其在數(shù)字投影顯示和高清電視中的優(yōu)越顯示性能引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。雖未得到廣泛的報(bào)道。DMD是數(shù)字投影成像系統(tǒng)的一個(gè)很好的例子，即非相干調(diào)制器?？臻g光調(diào)制器在光學(xué)圖像處理、全息技術(shù)和相位共軛技術(shù)、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和投影顯示等方面有著重要的應(yīng)用。近年來(lái)，還出現(xiàn)了鐵電陶瓷(PLZI)調(diào)制器、微通道板(MSLM)調(diào)制器、多量子阱調(diào)制器等空間光調(diào)制器。3.4.5液晶空間光調(diào)制器液晶空間光調(diào)制器是一個(gè)可以在一個(gè)或兩個(gè)維度上調(diào)節(jié)光束的相位、偏振狀態(tài)、振幅或強(qiáng)度。因此現(xiàn)在空間光調(diào)制器中應(yīng)用最廣泛的器件就是液晶空間光調(diào)制器。它的液晶部分是向列向液晶，它的液晶層是調(diào)制光的主要材料,用來(lái)產(chǎn)生混合場(chǎng)效應(yīng)。液晶分子的排列和位置會(huì)發(fā)生不同的變化，當(dāng)液晶的不同區(qū)域加上電場(chǎng)。光信號(hào)因此可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。同時(shí)它的光學(xué)性質(zhì)也會(huì)得到改變。一般來(lái)說(shuō)使用電信號(hào)控制每個(gè)小的單元狀態(tài)，0或者1，若干集成電路控制單元組成了SLM。以液晶作為調(diào)制材料的空間光調(diào)制器具有能耗低、電壓低的特點(diǎn)。圖3.4所示為典型的液晶光閥。1-介質(zhì)膜；2，12-平板玻璃；3,11-透明電極；4,7-液晶分子取向膜層；5-液晶；6-隔圈；8-多層介質(zhì)膜反射鏡；9-隔光層；10-光導(dǎo)層；13-電源圖3.4硫化鎘液晶光閥示意圖4.實(shí)驗(yàn)部分4.1DMD光刻機(jī)介紹DMD光刻機(jī)是以DMD數(shù)字微反射鏡裝置作為空間光調(diào)制器，生成掩膜圖形。同時(shí)由投影系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和平臺(tái)的控制系統(tǒng)組成的一套復(fù)雜系統(tǒng)。它的核心器件是DMD數(shù)字微反射鏡裝置。4.1.1DMD數(shù)字微反射鏡裝置DMD作為DMD光刻機(jī)中的核心元件，可以對(duì)光進(jìn)行調(diào)制,它的電學(xué)特性和光學(xué)特性相比較于其它類似元件比較獨(dú)特。單個(gè)微小的光電單元組成二維陣列，再組成了DMD。一塊微小的方形鏡面以及控制它的電路組成了單個(gè)微小的光電單元。為了對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，一般來(lái)說(shuō)，控制電信號(hào)的變化即可控制微鏡片偏轉(zhuǎn)的角度。很通常的來(lái)說(shuō)，一個(gè)微反射鏡單元一般以微米為單位。圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)通常來(lái)講會(huì)由幾個(gè)不同的光電單元來(lái)成像，決定因素是要求的分辨率和清晰度。DMD可以被看做是由大量的像素點(diǎn)組成，這樣便于分析。例如,分辨率為1680×1020的芯片，1680列和1020行的像素點(diǎn)組成了該芯片,并且可以在投影下進(jìn)行演示。但是，事實(shí)上，比像素點(diǎn)多很多的微小鏡片組成了這個(gè)尺寸的芯片,具體數(shù)目可以達(dá)到非常大。目前，已經(jīng)得到大量應(yīng)用的DMD器件分辨率一般為1080P，更高精度的還有200P。DMD微反射鏡尺寸一般為7.6μm,最小為5.4μm,最大為13.6μm[5].分別具有正方形排列和菱形排列兩種方式,如圖4.1。不同的陣列之間應(yīng)該保留一定的間隙，為了方便微鏡的翻轉(zhuǎn)。因此該器件的尺寸還由這個(gè)因素決定。圖4.1DMD芯片鏡片排列按照源頭的光波長(zhǎng)，可以將DMD芯片分為可見(jiàn)光型、紫外光型芯片和近紅外光型芯片,不同的芯片對(duì)應(yīng)著不同的應(yīng)用方向。分辨率較高的是可見(jiàn)光型，一般被用來(lái)當(dāng)作投影展示;另外兩種通常來(lái)說(shuō)在比較高級(jí)的光控制系統(tǒng)中比較普遍。比如光學(xué)印刷系統(tǒng)和應(yīng)用在光譜分析的系統(tǒng)。圖4.2a部分微井陣列放大圖4.2b封裝的DMD芯片如圖4.2所示,有很多種分辨率規(guī)格的DMD，如640×480(VGA)、800×600(sVGA)、1024X768(XGA)以及1280X1024(SXGA)等。[5]工作時(shí)候的DMD芯片，+10。(開(kāi))或100(關(guān))偏轉(zhuǎn)時(shí)，微鏡偏轉(zhuǎn)到+10。當(dāng)入射光向投影物鏡方向反射時(shí)，通過(guò)投影鏡頭后，在圖像表面形成一個(gè)亮像素。當(dāng)微透鏡達(dá)到偏轉(zhuǎn)到-100時(shí)，反射光無(wú)法通過(guò)投影物鏡，所以在圖像表面形成暗像素，如圖4.3，在DMD上面反射時(shí)只能產(chǎn)生入射光的明暗反射?；叶葓D像為了被調(diào)制，采用控制數(shù)字脈沖信號(hào)寬度的方法來(lái)調(diào)節(jié)微鏡的開(kāi)斷時(shí)間比，稱為二進(jìn)制脈寬調(diào)制HUJ[3]。圖4.3a兩個(gè)偏轉(zhuǎn)的DMD微鏡圖4.3bDMD光調(diào)制示意圖當(dāng)DMD作為一種數(shù)字虛擬掩膜工作時(shí)，反射鏡在計(jì)算機(jī)控制下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光調(diào)制的作用。DMD的表面在這個(gè)時(shí)候就不再是一個(gè)平面了，相對(duì)而言是一個(gè)起起伏伏的空間剖面。所以通過(guò)這樣可以判定，投影的鏡頭一直在很小的離焦情況下運(yùn)行，大概為四微米。而離焦量是一個(gè)附加量，現(xiàn)存的DMD只有1024x768像素，光刻所需要的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這樣微小的信息量，因此在大面積曝光這一點(diǎn)上得到了很大的限制。這一個(gè)顯著的缺點(diǎn)可以通過(guò)發(fā)展和研究像素更多、帶寬非常大的DMD來(lái)解決。另外，掃描或者步進(jìn)的曝光方法也可以用來(lái)增大受光照也就是曝光的面積，通過(guò)這樣來(lái)提高工作效率。除此之外，掃描曝光這種方式可以解決一部分的DMD像素格子的影響，圖形的質(zhì)量可以這樣來(lái)提高。然而，掃描或者步進(jìn)曝光的情況下，非常容易被工作臺(tái)光潔度、運(yùn)動(dòng)精度、對(duì)準(zhǔn)精度、緩蝕劑表面光潔度等因素影響，曝光系統(tǒng)對(duì)成像焦點(diǎn)的深度要求更高。4.1.2前端照明系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)的照明主要來(lái)講需要由前端的照明系統(tǒng)來(lái)提供。主要有組成部分是一個(gè)大型的光源和對(duì)光束的加工和準(zhǔn)直系統(tǒng)。更進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，在選擇光源的時(shí)候，應(yīng)該選擇單色光光源，并且通?；蛘咭话銇?lái)說(shuō)，要選擇短波波長(zhǎng)，短波對(duì)分辨率的提升是非常顯著的，可以通過(guò)選擇更短的波長(zhǎng)來(lái)制備更精細(xì)的結(jié)構(gòu)；除此之外，光子的能量會(huì)隨著波長(zhǎng)的縮短而升高，聚合物因此更加容易形成很細(xì)微的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該注意一下要求：（1）DMD表面應(yīng)該被均勻照射到，即，光的分布應(yīng)該比較均勻，大于百分之九十。（2）投影物鏡對(duì)光的通過(guò)率應(yīng)該比較高，這樣可以提高光能的利用率。4.1.3投影光刻物鏡把DMD上的圖案經(jīng)過(guò)一系列變倍和清晰化處理后，成像或投影到基片的表面，這是它的作用。因?yàn)檫@個(gè)原因，這個(gè)光刻系統(tǒng)的分辨率是在物鏡放大倍數(shù)的基礎(chǔ)上成立的。而且一般來(lái)說(shuō)圖像的質(zhì)量取決于物鏡上的成像質(zhì)量。DMD和傳統(tǒng)掩膜板的區(qū)別通常來(lái)說(shuō)包括：DMD一般處于物方離焦?fàn)顟B(tài)下，這一偏差會(huì)對(duì)成像質(zhì)量造成影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮這點(diǎn)。光路相較于傳統(tǒng)的光路要長(zhǎng)，因此需要準(zhǔn)確調(diào)整光路。4.2曝光模式DMD數(shù)字光刻機(jī)的曝光模式一般來(lái)說(shuō)有兩種，即，掃描曝光和步進(jìn)曝光。4.2.1掃描曝光掃描曝光模式是使用黑白二值圖像作為投影圖像，[]工作時(shí)候，投影物鏡一般相對(duì)于基板是勻速運(yùn)動(dòng)，工作進(jìn)程中不存在停頓，圖像根據(jù)投影時(shí)間來(lái)刷新，通過(guò)這種很普遍的方式把圖案投影到數(shù)字掩膜上，圖4.4是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，從A到F的過(guò)程是平臺(tái)在做掃描運(yùn)動(dòng)，方向一般是從左到右，DMD的運(yùn)動(dòng)與鏡頭同步，因此基板相對(duì)于鏡頭沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，DMD一般來(lái)講刷新率和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度相同，目的是為了讓圖形看起來(lái)不動(dòng)。比如說(shuō)投影圖像的分辨率是20um，20mm/s是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率，所以DMD系統(tǒng)的更新頻率4OOOHz，在工作時(shí)要求分辨率越低越優(yōu)，制作效率隨著平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的上升增加，不好的是，DMD的刷新速度因此大大提高，要求更加精密的器件，成本和花費(fèi)也隨著升高，此外為了達(dá)到器件的物理極限，大大增加效率，一般會(huì)把多個(gè)DMD用作同時(shí)曝光，系統(tǒng)因此變得更為復(fù)雜，成本也更高。圖4.4掃描曝光過(guò)程4.2.2步進(jìn)式投影曝光相對(duì)來(lái)說(shuō)，步進(jìn)式曝光方式非常的高效。在每次刷新DMD投影的圖片的時(shí)候，都可以得到非常大的DMD曝光圖像。下面舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，假設(shè)有一個(gè)寬度是1270pixel的DMD，那么每次也能夠步進(jìn)1270pixel。但是掃描式曝光方式每次只能夠步進(jìn)1pixel。因此相對(duì)而言，這是一種效率更高的曝光方式?，F(xiàn)在主要采取拼接曝光的方式來(lái)進(jìn)行大面積的曝光工程。也就是說(shuō)，每次先進(jìn)性一部分很小面積的曝光，然后再拼在一起，圖4.5給出了一般的模式。圖4.5步進(jìn)式投影曝光掃描示意圖如圖所示是一個(gè)面積很大的圖案，按照3x3的格式分成9個(gè)小塊，每個(gè)小塊對(duì)應(yīng)相應(yīng)的DMD投影面積相同，基于此，通過(guò)工作平臺(tái)進(jìn)行步進(jìn)，按照順序?qū)σ呀?jīng)分好的小塊進(jìn)行曝光處理，軌跡大概是S形。要提出的一點(diǎn)是，DMD作為投影鏡頭一般是固定在一個(gè)位置不動(dòng)，工作平臺(tái)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)幀數(shù)依次曝光。4.3SU8-2000光刻膠SU-82000是一種高對(duì)比度的環(huán)氧樹(shù)脂基光刻膠，它適合用在微加工和精密加工領(lǐng)域。SU8-2000因?yàn)樗母稍锼俣瓤?、溶劑體系更加極性，所以用它進(jìn)行光刻的產(chǎn)品擁有更高的涂層質(zhì)量，并且生產(chǎn)速度更快。SU8-2000有12種標(biāo)準(zhǔn)粘度選擇。通過(guò)一個(gè)單層的涂層工藝可以實(shí)現(xiàn)0.5到>200微米的薄膜厚度。經(jīng)過(guò)曝光以及隨后的熱交聯(lián)部分的薄膜部分是不溶于顯影液的。SU-82000能夠產(chǎn)生非常高的展弦比結(jié)構(gòu)，具有良好的成像特性。SU-82000非常適合在非常厚的薄膜中近垂直側(cè)壁成像，在360納米以上具有非常高的光學(xué)傳輸能力。SU8-2000經(jīng)常曝光在350-400nm波長(zhǎng)的光下，雖然推薦的波長(zhǎng)一般為365納米。SU8-2000還可以通過(guò)電子束和x射線曝光。在曝光后，交聯(lián)過(guò)程分為兩個(gè)步驟(1)在曝光過(guò)程中形成強(qiáng)酸，下一步是(2)在曝光后烘烤(PEB)過(guò)程中酸催化、熱驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)。一個(gè)正常的步驟是：旋轉(zhuǎn)覆蓋、軟烘焙、曝光、接觸后烘等步驟在進(jìn)行下一步。打枊使用SU8-2000作為光刻膠時(shí)，應(yīng)該使用受控硬烘焙技術(shù)來(lái)把這些結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。整個(gè)過(guò)程應(yīng)該在特定的應(yīng)用程序中進(jìn)行優(yōu)化?；鍛?yīng)該保持相對(duì)的干燥和清潔，在使用SU8-2000光抗蝕劑之前，這樣可以讓工藝更加可靠。底物應(yīng)該在使用前先用H2SO4和H2O2溶液清洗，然后用純凈水清洗。此外基片也可以用反離子刻蝕劑和任何的氧氣供應(yīng)的桶式裝置清洗。傳統(tǒng)上不需要粘合促進(jìn)劑。對(duì)于包括在電鍍之內(nèi)的應(yīng)用，一般用MCC引物80/20對(duì)基體預(yù)處理。SU8-2000擁有良好的機(jī)械性能。但是對(duì)于應(yīng)用在那些保留成像電阻的設(shè)備上來(lái)說(shuō)，硬烘焙應(yīng)該被加入到制作過(guò)程中。這種做法只在最終設(shè)備或者部件在常規(guī)處理中做熱處理時(shí)需要。SU8-2000是一種熱樹(shù)脂，因此當(dāng)暴露在比以前更高的溫度下時(shí)，它的性質(zhì)才會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。所以，建議在比器件最高使用溫度高十度的環(huán)境下烘焙。根據(jù)所需要的固化程度，烘焙溫度應(yīng)該在150度到250度這個(gè)范圍內(nèi)，時(shí)間應(yīng)該在5到30分鐘左右。4.4實(shí)驗(yàn)具體步驟4.4.1勻膠從冰箱取出SU8-2050光刻膠，并且靜置1h以上。把需要?jiǎng)蚰z的硅片進(jìn)行烘烤，溫度設(shè)置為120攝氏度，時(shí)間設(shè)置為10min。去下片子，冷卻5min。將硅片放置在離心旋涂機(jī)中進(jìn)行涂布。設(shè)置參數(shù)為：前轉(zhuǎn)：600r，時(shí)間10s后轉(zhuǎn)：4350r，時(shí)間40s如圖4.6所示：圖4.6離心旋涂機(jī)參數(shù)設(shè)置涂布完成后，將硅片靜置1min。4.4.2前烘把硅片放在電熱板上進(jìn)行烘焙，首先在65攝氏度下烘焙一分鐘，之后再在95攝氏度下烘焙五分鐘，兩次烘焙之間間隔五分鐘。參數(shù)設(shè)置如圖4.7和圖4.8所示：圖4.7第一次烘焙圖4.8第二次烘焙在兩次烘焙完成后將硅片靜置至少15min4.4.3曝光把硅片置于波長(zhǎng)為405納米，光強(qiáng)為12.9mj/cm2的激光進(jìn)行曝光6s，然后立即進(jìn)行下一步后烘。4.4.4后烘再次使用電熱板進(jìn)行烘焙。具體步驟為：在65攝氏度下進(jìn)行烘焙1min升溫至95攝氏度，并且維持95攝氏度5min把硅片取下來(lái)放在塑料托盤上冷卻1min圖片與前烘步驟相同，這里不再進(jìn)行展示。4.4.5顯影把硅片用丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）和異丙醇溶液循環(huán)顯影，具體步驟為:用PGMEA顯影10s，再用異丙醇溶液顯影10s，重復(fù)顯影5min。4.4.6堅(jiān)膜把顯影完成后的硅片再次放到電熱板上進(jìn)行烘焙，在150攝氏度下持續(xù)烘焙10min。4.4.7腐蝕本實(shí)驗(yàn)用HF溶液作為腐蝕液來(lái)進(jìn)行腐蝕，把經(jīng)過(guò)一系列處理后的硅片置于HF容易中2min，然后拿出清理即得到了想要的圖形。4.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖4.92微米線寬光刻圖形如圖4.9所示為實(shí)驗(yàn)得到的2微米線寬光刻的圖形，每一條單獨(dú)的線的線寬都為2微米。圖4.10剖面圖如圖4.10所示為圖形的剖面圖，縱坐標(biāo)代表高度，橫坐標(biāo)代表寬度。4.6實(shí)驗(yàn)結(jié)論本研究用DMD數(shù)字光刻機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用SU8-2000光刻膠進(jìn)行顯影前的操作。在曝光之前的環(huán)節(jié)完成后，在電腦上用軟件設(shè)置好所需圖形的線寬和圖案，然后放入光刻機(jī)中進(jìn)行曝光。第一次做實(shí)驗(yàn)時(shí)由于對(duì)設(shè)備不熟悉，操作時(shí)沒(méi)有嚴(yán)格按照手冊(cè)上的步驟，二次烘焙之間的時(shí)間沒(méi)有控制好導(dǎo)致顯影效果不好，硅片受到了污染。在第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，吸取了第一次失敗的教訓(xùn)，嚴(yán)格控制了烘焙的時(shí)間，這次得到的效果比上要好，但是由于在腐蝕環(huán)節(jié)沒(méi)有控制好浸泡在腐蝕液中的時(shí)間，圖案受到了破壞。因此不得不做第三次實(shí)驗(yàn)。第三次試驗(yàn)時(shí)，吸取了前兩次的經(jīng)驗(yàn)，得到了比較好的圖形如上圖。在理論上可以用DMD光刻機(jī)做出任意圖案。因?yàn)槭孪葲](méi)有想好要刻的圖案，因此刻制了一些線條。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)曝光環(huán)節(jié)是純數(shù)字化處理，因此得到圖案線寬非常精確。在電子顯微鏡下測(cè)量后，確定為所需要的2微米線寬。結(jié)論隨著科技的進(jìn)步，在未來(lái)，電子器件的更新?lián)Q代速度只會(huì)越來(lái)越快。如今，手機(jī)和電腦的換代速度已經(jīng)達(dá)到了一年一個(gè)型號(hào)。有些公司比如蘋果和三星甚至一年可以推出很多款手機(jī)。無(wú)掩膜光刻技術(shù)設(shè)備在電子設(shè)備更新?lián)Q代的過(guò)程中扮演了有一個(gè)很重要的角色。現(xiàn)在的數(shù)字光刻機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在電腦上進(jìn)行圖像處理，然后精確無(wú)誤地把圖像傳遞到基片上。由此也引發(fā)了數(shù)字圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，目前數(shù)字光刻機(jī)已經(jīng)可以支持很多種在電腦上運(yùn)行的數(shù)字圖像處理軟件。在光刻膠的選擇上，現(xiàn)在的光刻膠種類也多種多樣起來(lái)，比較常用的有SU8-2000系列光刻膠以及BP212-37等。在顯影液的選擇上，也有比較多比如光學(xué)聚酯、pgmea等。因此，未來(lái)的數(shù)字光刻技術(shù)將會(huì)有比較明顯的進(jìn)步。本實(shí)驗(yàn)主要做了以下工作：首先第一步，從光刻技術(shù)的歷史和背景講起，闡述了光刻技術(shù)近幾十年來(lái)的變化和發(fā)展。然后對(duì)光刻技術(shù)進(jìn)行了分類，并且對(duì)每種類別進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明和解釋。指出無(wú)掩膜光刻技術(shù)是目前的發(fā)展主流。接下來(lái)介紹和對(duì)比了國(guó)內(nèi)外光刻技術(shù)的研究情況，指出了當(dāng)前中國(guó)的光刻技術(shù)水平相較于國(guó)外還有很大的差距。然后提出了本文的研究方法是利用數(shù)字光刻機(jī)進(jìn)行高精度光刻。第二部分的第一步主要介紹了光刻技術(shù)的原理，說(shuō)明了光刻技術(shù)主要分為光復(fù)印和光刻蝕。接下來(lái)介紹了兩種主要用到的光致抗蝕劑，即負(fù)性光致抗蝕劑和正性光致抗蝕劑。然后分別就兩種抗蝕劑的特性進(jìn)行了說(shuō)明。說(shuō)明正性抗蝕劑曝光部分不溶于顯影液和負(fù)性抗蝕劑曝光部分溶于顯影液。然后介紹了光刻工藝的一些基本流程，并說(shuō)明其中顯影和堅(jiān)膜是最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)以及最容易出錯(cuò)的兩個(gè)環(huán)節(jié)。還說(shuō)明了一些注意事項(xiàng)。第三部分對(duì)目前的新興技術(shù)——數(shù)字光刻技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明。首先從數(shù)字光刻技術(shù)的背景講起，指出了數(shù)字光刻技術(shù)是近年來(lái)興起，并且得到廣泛應(yīng)用的一門新興技術(shù)。然后說(shuō)明了數(shù)字光刻技術(shù)的原理，指出了數(shù)字光刻技術(shù)是一門不需要掩膜版進(jìn)行掩膜的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的光刻技術(shù)。第三步對(duì)DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，說(shuō)明了這種型號(hào)的光刻機(jī)是使用最為廣泛的光刻機(jī)類型。接著用大部分篇幅介紹了空間光調(diào)制器。首先對(duì)空間光調(diào)制器出現(xiàn)的背景進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，空間光調(diào)制器是一種要用來(lái)處理大量光學(xué)信息的設(shè)備。后面介紹了空間光調(diào)制器對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制的原理，指出空間光調(diào)制器具有兩種尋址模式。空間光調(diào)制器根據(jù)對(duì)光的作用不同可以分為兩種類型。然后后面根據(jù)構(gòu)成空間光調(diào)制器的不同材料，介紹了幾種應(yīng)用很廣泛的空間光調(diào)制器。第四部分也就是實(shí)驗(yàn)部分。第一步介紹了實(shí)驗(yàn)要用到的DMD數(shù)字光刻機(jī)，說(shuō)明了該機(jī)器的幾個(gè)重要組成部分。說(shuō)明了一些本實(shí)驗(yàn)用到的光刻機(jī)的注意事項(xiàng)，比如，嚴(yán)禁打開(kāi)觀察窗運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器、嚴(yán)禁平臺(tái)限位