多光束无掩模光刻系统

文章编号:100222082(2010)0420537203多光束无掩模光刻系统沈　易,吴翌旭,邢燕冰,周成刚(上海科学院集成电路制造装备研究中心,上海201203)摘　要:介绍了一种多光束无掩模光刻系统,该系统利用空间光调制器数字微反射镜(DM D )对405nm 的激光光束进行调制,控制波带片阵列及纳米透镜阵列聚焦,利用聚焦点阵配合纳米移动平台进行扫描光刻。

介绍了该无掩模光刻实验系统结构及工作原理,并给出了多光束光刻的实验结果。

实验表明:利用普通蓝紫光源和聚焦元件阵列可实现分辨率为400nm 的多光束并行光刻。

关键词:无掩模光刻;多光束光刻;波带片阵列光刻;DM D中图分类号:TN 202 文献标志码:AM ulti -beam ma skless l ithograph systemSH EN Y i ,W U Y i 2xu ,X I N G Yan 2b ing ,ZHOU Cheng 2gang(Integrated C ircuit M anufacturing Equi pm ent R &D Center ,ShanghaiA cadem y ofScience &T echno logy ,Shanghai 201203,Ch ina )Abstract :A m u lti 2beam lithograp h system is in troduced .T he system u ses a digital m icro 2m irro rdevice (DM D )as a spatial ligh t m odu lato r to m odu late the 405nm laser .B y con tro lling the zone 2p late 2array o r focu sing 2elem en t 2array to focu s on the sub strate to fo r m a focu sing 2lattice ,scann ing lithograp h is ach ieved w ith a nanom eter m oving p latfo r m .T he setup and p rinci p le of the system is in troduced and the resu lt of the exp eri m en ts is given .T he experi m en t p roved that m u lti 2beam lithography w ith reso lu ti on of 400nm is ach ieved u sing the o rdinary b lue ligh t and focu sing 2elem en t 2array .Key words :m ask less lithography ;m u lti 2beam lithograp hy ;zone 2p late 2array lithography ;digital m icro 2m irro r device引言尽管浸没式光刻技术已经可以将光刻节点延伸至65nm 甚至45nm ,各种提高分辨率途径如:寻找高折射率的浸没液体、改善光学主镜头、提高光刻胶分辨率、优化掩模版、自对准双重图形技术及各种波前工程的综合使用,可使光刻节点降至32nm 甚至22nm ,但是不断攀升的价格,让人望而生畏,到了阻碍新产品开发的地步。

无掩模光刻技术是解决掩模成本问题的潜在方案,是下一代光刻技术的研究热点。

目前无掩模光刻主要是电子束光刻,虽然有着非常高的光刻精度,但效率极低,自20世纪80年代诞生以来一直都不能适用于生产线,且设备昂贵。

为此,许多研究单位把多光束光刻作为提高光刻速度的解决途径进行研究。

目前,多电子束光刻的开发商有M app er L ithography 、M u ltibeam System 、I M S N anofab ri 2cati on 、美国M IT 实验室等[126],它们都有各自的技术或产品;A S M L 、美国贝尔实验室等单位也都在致力于开发无掩模光刻技术。

1　多光束光刻系统 在新型无掩模光刻技术中,一些基于M E M S收稿日期:2010202206;　修回日期:2010203205作者简介:沈易(1982-),女,河北衡水人,硕士,主要从事无掩模光刻、光电检测等方面的研究工作。

通信作者:周成刚,E 2m ail :cgzhou @tic .stn .sh .cn第31卷第4期2010年7月 应用光学Journal of A pp lied Op tics V o l .31N o.4Jul .2010技术的SLM (sp atial ligh t m odu lato r ,空间光调制器)被不断应用,生成数字掩模或是作为光开关[728],如GLV (silicon ligh t m ach ines 光栅光阀)和T I 公司的数字微反射镜(DM D )等。

该系统采用T I 公司微反射镜阵列作为空间光开关进行多光束开关控制,系统组成如下:光源　405nm 半导体激光器,功率30mW 。

聚焦器件　波带片阵列,理论焦距60.75Λm ,分辨率400nm ;纳米透镜阵列,理论焦距15Λm ,分辨率250nm 。

DM D T I D iscovery 4000开发板,1024×768像素,适用于蓝紫光波段。

扫描平移台　六轴,压电陶瓷控制,最小步距50nm ,重复定位精度7nm 。

其他　扩束准直镜、4f 空间滤波系统、CCD 观测系统、PSD 调平系统、光谱测厚仪调焦系统等,系统示意图如图1所示。

图1　多光束无掩模光刻实验系统示意图F ig .1　Sche matic of m ulti -beam masklesslithograph syste m系统工作原理:半导体激光器所发出的加工激光首先经过准直扩束,以一定角度投射到空间光调制器DM D 上,经过DM D 后光束被调制为多束光,每束光单独控制后面的一个聚焦微镜,然后,光束以点阵光斑的形式汇聚到涂有光刻胶的硅片上。

根据所需加工的图案编程控制从DM D 反射出光束的开断,同时,计算机控制精密移动工作台进行扫描,形成所需图案,最后对所有透镜扫描出的图形进行拼接,即可得到所需要的光刻图案。

2　DM D 成像系统DM D 的成像系统为4F 系统,如图2所示,DM D 被放置在4F 系统第一个透镜的前焦面上,滤波器放置在第一个透镜的后焦面,则第二个透镜的前焦面即为DM D 所在光场的傅里叶变换,此傅里叶变换经第二个透镜成像在其后焦面上的透镜阵列上。

控制DM D 面上不同像素的开关,根据其后傅里叶反变换后所成的像,即可控制透镜阵列上的光通断。

图2　DM D 的成像系统示意图F ig .2　Sche matic of i m ag i ng syste m of DMD ele m en t此系统的目的在于进行滤波成像,既要提高DM D 的成像精度和充分利用光能量,又要考虑精度过高时,DM D 微镜结构中的黑栅和内孔对成像元件的影响。

实验中,由于聚焦器件的特性,我们选择了低通滤波,滤除高频信息,以补偿由于光的不均匀性对聚焦元件的影响。

3　实验结果实验采用7.62c m (3英寸)硅片作为基底材料,硅片上涂敷300nm 厚Sh i p ley S 1805光刻胶(2700r m ,热板100℃ m in ),曝光后在M F 320(3∶1稀释)中显影60s ,显影后的实验结果如图3所示。

图3(a )为周期1.2Λm 的光栅波带片阵列光刻结果,采用奥林巴斯显微镜放大1000×观察;图3(b )间距2Λm 的点阵,纳米透镜阵列光刻结果,采用奥林巴斯显微镜放大1000×观察;图3(c )最小周期为1.2Λm 阵列光栅,波带片阵列光刻结果,共聚焦扫描显微镜成像;图3(d )周期为0.8Λm 光栅波带片阵列光刻结果,扫描电镜成像。

实验中,由于基于表面等离子效应的微透镜阵列分辨率受焦距限制,当设计透镜焦距极短,仅为数十个纳米或亚波长时,近场光刻分辨率极高,但由于间距控制的技术难度,目前较难实现,实验仍在不断探索中。

实验结果多为波带片阵列远场光刻结果。

另外,从实验中可以看出:3(行)×3(列)的多光束光刻,各个微镜的光强并非很均匀。

因为实验系统中所使用的DM D 开发板为二元信号控制,若加入灰度控制模块,可利用灰度补偿由于光斑的不均匀性所到来的影响。

・835・应用光学　2010,31(4) 沈　易,等:多光束无掩模光刻系统图3　多光束光刻实验结果F ig.3　Exper i m en t al results of m ulti-beam lithography4　结束语本文主要介绍了利用微透镜阵列实现多光束光刻技术,通过DM D光学开关的作用可以达到多光束并行直写的效果,提高光刻系统的加工效率。

实验中,纳米透镜及波带片均进行多次试验,多光束光刻效果较满意。

值得注意的是,根据设计的聚焦透镜的不同,其光刻精度不同。

理论上,对于基于表面等离子效应的纳米透镜近场光刻[9],利用普通i线光源,即可达到50nm以下的光刻分辨率,这是近场光刻的一个巨大诱惑和挑战。

由于近场控制的技术难度大,目前主要为远场光刻,光刻分辨率在400nm左右。

若采用光子筛、互补阻挡以及浸没式光刻等技术,可以进一步提高其分辨率[10211]。

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