基于dmd的數(shù)字掩模光刻成像系統(tǒng)

基于dmd的數(shù)字掩模光刻成像系統(tǒng)

二維光學元件是指基于波束理論的開發(fā)、計算設(shè)計（cd）和大規(guī)模電路（vl-si）的生產(chǎn)工藝。在傳統(tǒng)的基片或光學裝置的表面上雕刻和產(chǎn)生各種深度的浮雕結(jié)構(gòu)，形成一系列具有純相位、連續(xù)復制和高衍射效率的透射光學裝置。二元光學元件能實現(xiàn)傳統(tǒng)光學器件許多難以達到的目的和功能。制作二元光學元件的方法很多,如灰階掩模板法、激光熱敏加工法、金剛石車削法、準分子激光加工法等。除這些方法外,采用光學逐層套刻的方法仍是目前經(jīng)典、有效的制作二元光學元件的方法,其中光刻掩模是必不可少的。掩模的制作是后續(xù)制作的關(guān)鍵所在。掩模的效果對二元元件的精度起著至關(guān)重要的作用,掩模是套刻曝光過程的前提和基礎(chǔ)。目前鉻版掩膜在電子行業(yè)中主要應(yīng)用于STN-LCD、TFT-LCD、PDP、以及PCB產(chǎn)業(yè)BGA、FPC、HDI等產(chǎn)品。目前鉻版掩模生產(chǎn)中,主要使用的是激光光繪機(Maskwriter)。將設(shè)計的CAD電腦文件,經(jīng)過編輯和格式轉(zhuǎn)換,輸出到激光光繪機,從而在鉻版上光繪出圖形。1dmd技術(shù)特點通常的二元光學元件的制作步驟包括:相位分布的光學設(shè)計、通過CAD將階梯相位分布變換成一組振幅圖(光掩模)、通過反復的平面復制、圖像轉(zhuǎn)印、器件評價等過程加工出基板面浮雕。故本文提出了應(yīng)用數(shù)字光刻技術(shù),通過計算機優(yōu)化產(chǎn)生的一系列“虛擬”的數(shù)字圖形控制曝光設(shè)備將圖形一幅幅地投影到基片上的一種新方法。DMD的輸出圖形可直接投影制作掩模,一次曝光形成掩模的面積相當于激光直寫系統(tǒng)在數(shù)小時內(nèi)完成的工作量,且圖形越復雜,優(yōu)勢越明顯,因此此系統(tǒng)可大大縮短生產(chǎn)周期,從而減低制作成本?；镜难苌涠鈱W元件有二元光柵、達曼光柵、龍基光柵、菲涅耳透鏡等。其中,菲涅耳透鏡的設(shè)計如下:根據(jù)要求的焦距f,最大外徑2R(或相對孔徑2R/f,或數(shù)值孔徑NA)及衍射效率η,計算相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。包括:波帶片周期數(shù)N,環(huán)帶半徑rm,相應(yīng)臺階數(shù)L,環(huán)帶數(shù)M=NL,及最小線寬Δrm。通用公式為:2實驗2.1鉻板覆蓋層生產(chǎn)2.1.1同心圓環(huán)的繪制以菲涅耳透鏡為例,可根據(jù)要實現(xiàn)的透鏡的焦距、最小環(huán)帶半徑、臺階數(shù)以及最小線寬的不同,先用Matlab設(shè)計軟件得到一組環(huán)帶半徑,以表格形式輸出,再用CAD繪圖軟件繪制同心圓環(huán)并且以.BMP格式進行圖形輸出。如圖1所示,設(shè)計外形尺寸如下:(a)二元光柵800lin/mm;(b)正交光柵400lin/mm;(c)Ronchi光柵200lin/mm;(d)Dammann光柵100lin/mm;(e&f)菲涅耳波帶透鏡透鏡及方形菲涅耳波帶片:焦距6.5mm,最大外徑1.3mm,適用波長0.6328μm,陣列數(shù)40×40。2.1.2曝光時間的設(shè)置高分辨率的DMD為1024×768像素,其單個像素(微鏡)的尺寸為10.8μm,系統(tǒng)采用14倍精縮投影組合物鏡,可實現(xiàn)的最小分辨率可達到1μm以下。同時,DMD的高灰度等級使該系統(tǒng)可實現(xiàn)曝光量的精確控制,為制作復雜圖形、連續(xù)相位結(jié)構(gòu)的器件奠定基礎(chǔ)。將制作好的掩模圖導入DMD,設(shè)置好曝光時間(6～20s)進行曝光。本實驗使用的鉻版為長沙韶光的LRC型版,尺寸為2.5×2.5×0.06inch,基板材料是石英玻璃,鉻膜表面涂覆的是S1805型正性光致抗蝕劑,曝光光源是波長為365nm的近紫外光。曝光誤差即曝光時光的衍射、折射和反射等曝光鄰近效應(yīng)所引起的缺陷。在曝光強度不變的情況下,線條寬度與曝光時間成反比。所以曝光時間的控制是極為重要的。2.1.3定影劑離子水系統(tǒng)顯影就是將經(jīng)近紫外光曝光產(chǎn)生分解反應(yīng)的抗蝕劑溶解去除,而未被曝光部分保留形成保護層。本實驗以濃度為3.5‰的NaOH水溶液作為顯影劑,去離子水作為定影劑,顯影溫度穩(wěn)定在22℃左右。將曝光后的鉻版顯影10～20s,然后在去離子水中定影,后堅膜。顯影誤差主要有顯影液濃度和顯影的溫度及時間。顯影時間的長短直接影響到線寬。過長時間的顯影會導致線條被額外刻蝕,以致線寬變細;而不足的顯影時間則會引起線條尺寸偏大。由于顯影時間很大程度上依賴于曝光工藝中曝光劑量的控制,所以在確定顯影時間時,通?；谄毓鈩┝亢途€條尺寸等條件做理論計算,并不需要特別進行研究。2.1.4腐蝕液的配置蝕刻即將曝露處的鉻層腐蝕去除。本實驗采用的是濕法刻蝕法。鉻板顯定影完畢后,將其放入22℃左右的腐蝕液中刻蝕35s±5s,用清水沖洗干凈。由于采用的是濕法刻蝕技術(shù),對于光掩膜的橫向衍生刻蝕是很難掌握的。濕法化學刻蝕方法的實際適用性由其分辨率和刻蝕尺寸決定。實驗中發(fā)現(xiàn),刻蝕速率隨溫度的升高而增加,但溫度過高時刻蝕速率過快,使得刻蝕結(jié)果不好,刻蝕表面凹凸不平,有成片的鉻膜脫落。2.1.5光刻膠的制備脫膜是將經(jīng)過刻蝕的鉻板表面殘留的光刻膠去除干凈。實驗采用的去膠液是濃度為5%的NaOH溶液,將鉻板浸泡40s即可去除表面殘余的光刻膠。2.2投影光刻系統(tǒng)的建立由于數(shù)字光刻最佳實現(xiàn)的最小線寬為1μm,雖然也能夠做到亞微米的線寬,但是對顯影時間、溫度和刻蝕時間、溫度需要掌握的更加準確,給實驗增加了極大難度,所以可以通過搭建投影精縮光刻系統(tǒng),采用可變焦的精縮投影物鏡,將掩模板上的圖形縮小適當?shù)谋稊?shù)。如圖2和3所示:3結(jié)果分析3.1曝光時間的確定以菲涅耳波帶片為例,經(jīng)過大量實驗表明,短曝光、長顯影的實驗效果最佳。所以曝光時間15～19s、顯影時間12～16s,刻蝕時間為25s左右的均可得到理想的線寬。圖4所示為采用不同的曝光時間,在同一塊鉻版上所得到的菲涅耳波帶片,及周期為800條/mm的二元光柵。其中圖4(c)是圖4(a)的部分放大圖像。3.2最小線寬的確定在每一個步驟中,都存在著會導致原始圖形變形的因素。曝光量的控制不當,顯影的濃度、時間和溫度,刻蝕過程中的橫向衍生刻蝕等都是不利的因素。如圖1(e)所示,其最小線寬的設(shè)計尺寸是10.0μm的菲涅耳波帶片。經(jīng)過精縮系統(tǒng)5倍縮小后,實際得到的實驗結(jié)果如圖4(a),條紋清晰可辨、邊界完整、無陡坡等現(xiàn)象存在,得到的最小線寬約為2.0μm,達到了實驗要求。且對光線的匯聚作用如圖5所示:4dmd光刻技術(shù)本文通過大量的實驗最終