兩微米線寬TFT應用的數字光刻研究

兩微米線寬TFT應用的數字光刻研究摘要高分辨光刻技術無論是在半導體行業(yè)還是高端電子產品的制造行業(yè)都是至關重要的?；贒MD的數字光刻機可以實現(xiàn)掩模的實時產生，已在工業(yè)上蓬勃興起，研究這種技術的光刻應用很有意義。本文首先介紹了光刻技術的背景、分類、以及國內外研究情況，接著詳細介紹了光刻技術的原理和工藝流程。然后就數字光刻技術的背景、原理進行了介紹，在此基礎上，進一步介紹了本實驗要用到的DMD數字光刻機以及其核心部件空間光調制器。隨后提出了本文的研究方案。本實驗取得了2微米光刻圖樣，隨后用origin軟件對圖樣的剖面圖進行了分析，經此分析得出本次實驗的圖像較為精確。通過實驗圖像的分析可以知道目前高分辨光刻技術已經比較成熟。在結論部分提出了一些對光刻技術未來發(fā)展的展望。在實驗數據的基礎上，提出了一些對本文研究方法的改良意見。關鍵詞：光刻技術、數字光刻、光刻機注：本設計（論文）題目來源于國家自然科學基金項目，項目編號為：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光刻技術背景光刻技術是在集成電路制造中利用光學-化學反應原理和化學、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術。集成電路的發(fā)明，大大促進了人類社會科技水平的發(fā)展，成為了現(xiàn)代科技社會的基石。集成電路的發(fā)展使得電子產品的體積得到了顯著的減小，降低了電子產品的生產成本。自從1958年世界上第一塊平面集成電路的問世開始，在短短幾十年間，半導體及微電子技術得到了一次飛躍性的發(fā)展。在集成電路飛速發(fā)展的進程中，光刻技術扮演了一個重要的角色。隨著光刻技術的進步，器件的體積不斷縮小，單個器件的運算速度和工作效率不斷提高。在摩爾定律的引領下，光學光刻技術經歷了接觸/接近、等倍投影、縮小步進投影、步進掃描投影等曝光方式的變革[2]。曝光光源波長不斷縮短，目前最短的波長為193納米（ArF）。技術節(jié)點降低至目前的22納米。光學科技的創(chuàng)新推動了集成電路技術的發(fā)展。隨著集成電路技術的進步，對光刻技術曝光分辨率的要求也越來越高。光學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、數值孔徑和曝光波長決定。降低曝光波長是目前光刻技術和設備發(fā)展的一個重要趨勢。特征尺寸隨著光刻技術的進步而減小。半導體芯片制造所采用的光源逐漸由可見光源發(fā)展到納米激光光源。目前最先進的光刻機是193納米浸沒式光刻機。1.2光刻技術分類1.2.1有掩膜光刻有掩膜光刻技術是最為傳統(tǒng)的光刻技術，它是由接觸式曝光發(fā)展而來的。如圖1.1所示。圖1.1接觸式曝光接觸式曝光是先將已經制作好的掩膜板與半導體襯底接觸，然后抽去空氣，調整壓力再進行曝光。但是這種方式容易使半導體襯底損壞，因為掩膜板與光致抗蝕劑有直接接觸。不僅掩膜板使用壽命不長，還會影響器件的質量。因此只有頻繁更換掩膜板。然而這樣會使得光刻的經濟成本過高。因此為了降低光刻成本以及保證產品的質量，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，然后通過入射平行光束進行曝光。雖然通過這種方式使得掩模板的損耗問題得以解決，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世紀五十年代仍然被認作制造業(yè)的主流。但為了使以上兩種缺陷得以解決，使用掩模板的光學投影成像光刻技術被發(fā)展起來了，如圖1.2。圖1.2投影式曝光其是利用光學投影的原理，通過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使用壽命。掩膜板的尺寸在這種報廣告模式下一般會做得比較大，不會產生小圖形的困難，不會產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，精準度也高，高集成器件的要求得以滿足。但成本高，所以對于低檔次產品的制作，該種曝光方式存在一定限制。1.2.2無掩膜光刻由于使用掩模板會引發(fā)經濟成本上升以及各種技術難題，開始陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)了很多形式的無掩模光刻，但根據其原理主要可以分為兩大類：一類是基于帶電粒子的無掩模光刻技術，另一類是基于光學的無掩模光刻技術。無掩膜光刻是一類不采用光刻掩膜版的光刻技術，即采用電子束直接在硅片上制作出需要的圖形[7]。許多個掩膜需要被用來制作一個大型的集成電路，以上兩種方式的光刻技術都需要制作很高分辨率的掩膜版。掩膜版的成本只會在未來越來越高，隨著光刻對分辨率要求的提高。由于這個原因，更多種無掩膜光刻系統(tǒng)被開發(fā)了出來比如電子束光刻技術、激光光刻技術、數字灰度掩膜技術等。離子、電子束直接書寫、激光直接書寫等直接書寫技術是使用離子、電子束在緩蝕劑表面逐點對緩蝕劑進行曝光。特點是此過程通過計算機掌控，曝光程度和曝光深度可以受到嚴格控制，因此生產精度高。激光直寫可以用最小線寬為0.5微米。每種無掩膜光刻技術都有各自的優(yōu)缺點，如離子、電子束直刻、激光直刻等技術可以實現(xiàn)高分辨率，但生產效率低。數字光刻比直接寫入技術效率高,和它使用空間光調制器(SLM)技術是分不開的。掩膜受電腦控制，在任何時候修改都可以，適合小型試驗生產。由于技術還不成熟，存在著光柵效應等問題。光刻工藝的生產效率在未來不太可能得到大規(guī)模發(fā)展，按照直寫光刻技術的原理來看，由于有很多效率更高的方法，未來的市場中很難得到顯著的發(fā)展。在掩膜版之外，普通光刻技術和無掩膜光刻技術在照明的使用上也存在差異。1.3國內外研究情況由于半導體工藝越來越先進，對光刻精度的要求也越來越高。遇到的技術難題也越來越多。2002年，摩爾技術的發(fā)展遇到瓶頸,傳統(tǒng)的193nm光刻機無法將芯片制程推進至65nm以下。荷蘭的ASML公司經過一定的技術攻關，推出了首臺浸潤式光刻機[8]，以此獲得了極高的市場占有率。幾年后，又推出了極紫外光刻技術，并使該項技術成為當前世界范圍內生產效率和精度最高的設備。EUV（極紫外光刻機）目前研發(fā)的進展還是趨于緩慢。但由于其精度高的特性，還是受到一些半導體公司的青睞。當前一臺EUV的價格大概為1億美元。一些大型半導體集團熱衷于采購EUV，以謀求在7-10納米節(jié)點工藝降低成本[5]。受到國外光刻技術迅猛發(fā)展的啟示，再結合我國科技環(huán)境現(xiàn)狀，我國主要建立了一條由核心企業(yè)為主導，各種中小型企業(yè)伴隨發(fā)展的企業(yè)鏈。同時大力推動上下級企業(yè)合作，共同推進技術的發(fā)展和進步。在企業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模時，由政府出面建立企業(yè)產業(yè)聯(lián)盟，開展與高校的合作，共同攻關高技術水平研究。企業(yè)聯(lián)盟應該以技術為主，在核心技術方面開展合作以及分攤費用。在知識產權保護方面，我國也已經初步建立起一些法律和法規(guī)。1.4本文研究方法及構成經過實驗前的方案比對，本實驗決定采用su8-2000光刻膠，以及PGEMA顯影液來進行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行詳細介紹并展示。2.光刻技術的原理按照曝光光源的不同可以把光刻技術分成兩大類：光學光刻和離子束光刻。其中光學光刻是目前的主流技術，并且在未來仍為主流技術。其主要過程為：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)生一些化學反應；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制到了光刻膠上；最后一步把圖形通過刻蝕技術轉移到硅片上。首先是光復印，然后是光刻蝕。2.1光刻技術的光復印原理把在掩膜版上做好的器件或者圖形的位置通過曝光系統(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，可以通過去除不被抗蝕劑覆蓋的基片表面或介質層?？梢酝ㄟ^化學和物理方法來實現(xiàn)。得到的集成電路功能層在三維空間上重疊。因此光刻過程需要被多次重復。例如，要通過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，會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會在顯影液中溶解。集成度高、要求更加精密的器件適合用這種光刻膠進行制作，因為它具備精度高、駐波效應影響小、曝光量大、針孔密度低等非常顯著的特點。2.3.2負性光致抗蝕劑負性光控制抗蝕劑的曝光部分會通過交鏈反應生成不溶物而不溶，未被曝光的部分會在顯影液中溶解，會得到與掩膜版上的圖形互補的圖形。負性光致抗蝕劑的優(yōu)點是靈敏度高、黏附力很強。集成度低的器件適合使用該類光刻膠。2.4光刻技術的工藝流程如2.1所示為光刻工藝的主要步驟，本小節(jié)將對各個步驟進行分解并說明。圖2.1一般光刻工藝的步驟2.4.1涂膠離心甩膠機通常用于在襯底上涂布光致抗蝕劑。離心甩膠機可以通過旋轉速度決定光刻膠的膜層厚度?？梢宰龀鲱A先試驗測量曲線，獲得所需厚度應選擇的工藝參數。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，應該準備好烘箱，以便及時地進行烘烤，烘烤后再顯影。對于一般的光刻膠，烘烤時間應控制在30min左右。2.4.2曝光在進行涂布抗蝕劑之后，需要對晶片進行曝光。曝光時要注意控制好兩個非常重要的參數即曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。一定要注意控制好這兩個參數的量，不精心調制的話，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，這部分內容在前文已經提及過，所以這里不再進行重復贅述。2.4.3顯影和堅膜曝光后，要把含有光刻膠的基板浸入顯影液中進行顯影或噴射顯影。此做法的目的是去除沒感光的負性光刻膠負極膠或去除感光的正性光刻膠，把圖像顯示出來。比如TMAH之類的正性光刻膠一般呈堿性。負性光刻膠由很多種類型，一般主要成分是二甲苯。但是由于光刻膠會滲透二甲苯，會降低顯影的速度，造成聚合物膨脹，所以通常加入二甲苯來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，以至于其在下一步的腐蝕中不會被溶解，應該對光抗蝕劑進行堅膜。通常步驟是利用電熱板在180攝氏度到200攝氏度下進行烘焙30min。有兩個值得注意的情況，其一是，堅膜達不到要求時，腐蝕的時候容易浮膠；過度堅膜的時候，很容易引起熱膨脹。2.4.4脫膜和腐蝕堅膜完成后，要對硅片進行脫膜和腐蝕。具體是，把經過前面一系列處理后的圖形未經曝光的部分去掉（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，干法腐蝕一般應用一些氣體比如等離子體。3.數字光刻技術3.1數字光刻技術背景數字光刻采用了液晶光學閥、數字微鏡陣列、薄膜等空間光調制器(SLM)。薄膜（MieromirrorArray）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光刻掩模，實現(xiàn)掩模的實時生成，由于不需要處理掩模，大大降低了微處理的成本[6]。也由于空間光調制器可以產生實時灰度圖像,使面向雜項浮雕的復雜形狀微觀結構,如微透鏡陣列、微柱面透鏡陣列,相位光柵微光學元件。目前，空間光調制器可以生成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構，而在后處理過程中優(yōu)化后可以得到非常接近連續(xù)變化的表面形狀。由于光刻技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的投影式光刻技術已經趨于完善。但由于半導體器件對光學分辨率的要求越來越高，在傳統(tǒng)光刻技術的基礎上已經發(fā)展出了一系列新的技術例如，電子束投影光刻技術和粒子投影光刻技術。由此帶來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掩模的成本上花費了大量的資金，通過利用數字微鏡器件(DMDs)和光柵光閥(GLVs)等空間光調制器，無掩模光刻技術得以發(fā)展。該技術已被開發(fā)用于實現(xiàn)2毫米位圖分辨率，但大規(guī)模生產系統(tǒng)的工藝進步和發(fā)展進度仍然很慢?；赿md的無掩模曝光使用405nm波長半導體激光器作為光源和光學引擎，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寫入引擎組成，這些引擎由GLV、光柵光學和成像透鏡構成。由于許多公司一直在努力研發(fā)無掩模技術，無掩模技術將在不久的將來在LCD行業(yè)實現(xiàn)。3.2數字光刻技術原理數字光刻技術一般通過計算機產生要求的圖形，跟傳統(tǒng)的光刻技術有很大的差別。再通過曝光設備將圖形投影到基片上。并且可以通過一系列的檢測系統(tǒng)得到圖像信息，控制下一步的投影進度，來完善修改圖象。該種方法的優(yōu)點在于可以省去傳統(tǒng)光刻技術中所用到的掩模板，可以達到降低成本的作用。使用空間光調制器(SpaceLightModulator,SLM)來代替掩膜版來對入射光進行調制。常見空間光調制器有液晶光閥、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-半導體激光器；2-耦合光纖；3-準直透鏡組；4-分束透鏡組；5-擴束透鏡組；6-反射鏡；7-微反射鏡；8-會聚透鏡；9,10-基片圖3.1DMD光刻系統(tǒng)1為半導體激光器，發(fā)出的光束經過耦合光纖2后，經過微透鏡組3被準直，在經過微透鏡組4分束，之后經過透鏡5被擴束，然后被6反射至微反射鏡組7上。光線經過DMD透鏡組調制后，經過會聚透鏡8把圖像投影至涂有光刻膠的基片10上。3.3DMD數字無掩膜光刻機DMD式無掩膜光刻機是基于數字光刻技術發(fā)展的一臺儀器，會在后續(xù)篇幅中詳細介紹。利用DMD數字掩膜，這種該光刻機不需要掩膜版，任意圖案都可以在抗蝕劑內進行曝光，因為利用DMD數字掩膜。除了CAD數據，Bitmap,PNG,DXF,GDSⅡ等其它格式。也可以通過無掩膜光刻機讀取。由于使用365nm曝光光源，不僅可以降低價格，也能實現(xiàn)穩(wěn)定曝光。采用10倍物鏡，一次曝光面積可達1mm′0.6mm，曝光時間僅需1s。3.4空間光調制器空間光調制器是數字光刻中較為重要的一個器件，它可以起到替代掩膜板的作用。下面將就空間光調制器的原理、功能、分類進行詳細介紹。3.4.1空間光調制器背景近幾年來,空間光調制器在光電子學中得到了迅猛發(fā)展?？臻g光調制器的迅猛發(fā)展，得益于微電子技術和光電子技術的進步和緊密結合?？臻g光調制器可以及時地、受控地調制光波所包含的信息,因此它在實時光學信息處理中占據了重要的地位。因為這個特點，空間光調制器是現(xiàn)代光學領域中的一個重要器件。由于科技的進步，光信息處理這門新學科得以發(fā)展起來。二十世紀六十年代，隨著激光器的發(fā)明，光信息處理技術得以出現(xiàn)。光信息包括光強度(或振幅)、相位、波長和偏振態(tài)等。光學信息處理是經過空間光調制器,改變光的振幅、偏振甚至相干性，實現(xiàn)對光賦予信息的過程。由于光學信息處理具有速度快、信息準確的特點，目前已經得到了大量的應用。光學信號與其它信號相比，具有的巨大的優(yōu)勢:第一，光波頻率可以達到很大,因此光學信號擁有很大的帶寬，能承載的信息容量大;第二,光波的傳播不需要介質并且受環(huán)境影響小,而且光波通過并行傳播的方式傳遞信息。因此，信息之間不會互相干擾。由于以上原因,串行輸入/輸出的光調制器不能再滿足光信息處理的要求?？臻g光調制器因為具備快速輸入及計算能力，在此基礎上被研發(fā)出來?？臻g光調制器是一種通過調節(jié)光場來調節(jié)記錄信息的裝置。例如，通過調整振幅和偏振狀態(tài)來記錄信息。這種器件改變光在空間分布的振幅或強度、相位、偏振態(tài)和波長，或將非相干光轉換為相干光?？梢杂蓵r變電信號控制。因此，該器件在實時光學信息處理、光學計算和光神經網絡系統(tǒng)中具有重要作用。根據輸入信號不同，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光-光直接轉換，效率高，能耗低，速度快，質量好。液晶光閥(LCLV)是應用最廣泛的空間光調制器。它可廣泛應用于模式識別、光計算、顯示、信息處理等領域，具有非常廣闊的前景。3.4.2空間光調制器原理功能空間光調制器簡稱是SLM(SpatialLightModulator)。它可以對光波的空間分布進行調制，這一點可以很容易通過查閱資料得知。通常來說,空間光調制器是指在控制信號的作用下,通?？梢酝ㄟ^光信號或者電信號，對光波進行調制的一種器件。如圖3.2。很多在空間上呈現(xiàn)一維或者二維分布的獨立單元組成了一個空間調制器。通過物理效應的利用(泡克爾斯效應、克爾效應等)來使自身的光學性質發(fā)生變化,從而調制照射到它上面的光信號。光信號或者電信號可以單獨控制每個單元?！皩懭牍狻?writelight)為控制這些小單元的信號,這些獨立的單元被稱作空間光調制器的“像素”(pixel)?！白x出光”(readoutlight)是照在整個調制器上并且被調制的光,“輸出光”(outputlight)是指通過空間光調制器調制后輸出的光波?？梢哉f,空間光調制器就是一塊光學性質可以根據需要不斷進行變化的鏡片。很明顯,單個像素的信息應該都包括在寫入信號內。將單個像素多需要的信息準確傳遞到,相對應的像素格內，稱為“尋址”(addressing)。圖3.2空間光調制器原理圖空間光調制器可以提供及時的一維或者二維的空間光計算，這是它的基本功能。作為內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)的輸入設備，也可以作為系統(tǒng)中的轉換或操作設備。作為一種輸入設備，空降光調制器作為傳感器，把原始信息加工成需要的格式。在這種情況下，空間光調制器可以實現(xiàn)光電轉換、串并聯(lián)轉換、非相干光和相干光轉換、波長轉換等。同時可以實現(xiàn)光學放大、矢量矩陣或者矩陣乘法之類的功能，當它作為計算設備的器件的時候。除此以外還可以存儲圖像。3.4.3空間光調制器分類方法按照輸入控制信號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制器分為反射型和透射型。如下圖3.2:圖3.3空間光調制器示意圖在另外一種情況下可以通過工作原理來劃分，這里不做說明。這里應該指出:(1)電尋址時,一對相鄰的行電極和一對相鄰的列電極之間的區(qū)域構成像素，電信號一般為串行信號,因此電尋址一般是順序處理,當光信息處理中有一個電尋址替代了光尋址，二維的并行處理就被串行處理代替，速度會顯著的降低[3]。(2)寫信號的像素和像素空間調制器可以對應一個一個的實現(xiàn)解決。在光學處理時,一個二維光強分布實際上是印在像素平面空間光調制器的一個適當的光學系統(tǒng)。光尋址中的所有像素都會在同一時間完成尋址。因為它是一種并行尋址的方式。系統(tǒng)分辨率一般會限制像素格的尺寸，它的特點是擁有最快的尋址速度。此外，讀出光與寫入光之間會發(fā)生串擾，要防止這種干擾，空間光調制器一般被做成反射型的，其中帶有一個隔層，兩種光不會發(fā)生相互干擾;除此以外可以利用波長不同的光，通過過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——開口率較低，光能利用率不高。[3]3.4.4數字微反射鏡空間光調制器數字微鏡器件(DigitalMicromirrorDevice,DMD)一種非常精妙的電子尋址空間光調制器。它在1987年被發(fā)明。作為一種二維空間光調制器，利用硅襯底存儲陣列控制硅微鏡陣列在同一襯底上的反射和成像。DMD作為一種光學信息處理系統(tǒng)的接口器件，近年來，其在數字投影顯示和高清電視中的優(yōu)越顯示性能引起了科學界和工業(yè)界的廣泛關注。雖未得到廣泛的報道。DMD是數字投影成像系統(tǒng)的一個很好的例子，即非相干調制器?？臻g光調制器在光學圖像處理、全息技術和相位共軛技術、光神經網絡和投影顯示等方面有著重要的應用。近年來，還出現(xiàn)了鐵電陶瓷(PLZI)調制器、微通道板(MSLM)調制器、多量子阱調制器等空間光調制器。3.4.5液晶空間光調制器液晶空間光調制器是一個可以在一個或兩個維度上調節(jié)光束的相位、偏振狀態(tài)、振幅或強度。因此現(xiàn)在空間光調制器中應用最廣泛的器件就是液晶空間光調制器。它的液晶部分是向列向液晶，它的液晶層是調制光的主要材料,用來產生混合場效應。液晶分子的排列和位置會發(fā)生不同的變化，當液晶的不同區(qū)域加上電場。光信號因此可以實現(xiàn)調制。同時它的光學性質也會得到改變。一般來說使用電信號控制每個小的單元狀態(tài)，0或者1，若干集成電路控制單元組成了SLM。以液晶作為調制材料的空間光調制器具有能耗低、電壓低的特點。圖3.4所示為典型的液晶光閥。1-介質膜；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-多層介質膜反射鏡；9-隔光層；10-光導層；13-電源圖3.4硫化鎘液晶光閥示意圖4.實驗部分4.1DMD光刻機介紹DMD光刻機是以DMD數字微反射鏡裝置作為空間光調制器，生成掩膜圖形。同時由投影系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和平臺的控制系統(tǒng)組成的一套復雜系統(tǒng)。它的核心器件是DMD數字微反射鏡裝置。4.1.1DMD數字微反射鏡裝置DMD作為DMD光刻機中的核心元件，可以對光進行調制,它的電學特性和光學特性相比較于其它類似元件比較獨特。單個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微小的光電單元。為了對光進行調制，一般來說，控制電信號的變化即可控制微鏡片偏轉的角度。很通常的來說，一個微反射鏡單元一般以微米為單位。圖像中的每個像素點通常來講會由幾個不同的光電單元來成像，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行的像素點組成了該芯片,并且可以在投影下進行演示。但是，事實上，比像素點多很多的微小鏡片組成了這個尺寸的芯片,具體數目可以達到非常大。目前，已經得到大量應用的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。不同的陣列之間應該保留一定的間隙，為了方便微鏡的翻轉。因此該器件的尺寸還由這個因素決定。圖4.1DMD芯片鏡片排列按照源頭的光波長，可以將DMD芯片分為可見光型、紫外光型芯片和近紅外光型芯片,不同的芯片對應著不同的應用方向。分辨率較高的是可見光型，一般被用來當作投影展示;另外兩種通常來說在比較高級的光控制系統(tǒng)中比較普遍。比如光學印刷系統(tǒng)和應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]工作時候的DMD芯片，+10。(開)或100(關)偏轉時，微鏡偏轉到+10。當入射光向投影物鏡方向反射時，通過投影鏡頭后，在圖像表面形成一個亮像素。當微透鏡達到偏轉到-100時，反射光無法通過投影物鏡，所以在圖像表面形成暗像素，如圖4.3，在DMD上面反射時只能產生入射光的明暗反射。灰度圖像為了被調制，采用控制數字脈沖信號寬度的方法來調節(jié)微鏡的開斷時間比，稱為二進制脈寬調制HUJ[3]。圖4.3a兩個偏轉的DMD微鏡圖4.3bDMD光調制示意圖當DMD作為一種數字虛擬掩膜工作時，反射鏡在計算機控制下發(fā)生偏轉，產生光調制的作用。DMD的表面在這個時候就不再是一個平面了，相對而言是一個起起伏伏的空間剖面。所以通過這樣可以判定，投影的鏡頭一直在很小的離焦情況下運行，大概為四微米。而離焦量是一個附加量，現(xiàn)存的DMD只有1024x768像素，光刻所需要的信息量遠遠大于這樣微小的信息量，因此在大面積曝光這一點上得到了很大的限制。這一個顯著的缺點可以通過發(fā)展和研究像素更多、帶寬非常大的DMD來解決。另外，掃描或者步進的曝光方法也可以用來增大受光照也就是曝光的面積，通過這樣來提高工作效率。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，圖形的質量可以這樣來提高。然而，掃描或者步進曝光的情況下，非常容易被工作臺光潔度、運動精度、對準精度、緩蝕劑表面光潔度等因素影響，曝光系統(tǒng)對成像焦點的深度要求更高。4.1.2前端照明系統(tǒng)整個系統(tǒng)的照明主要來講需要由前端的照明系統(tǒng)來提供。主要有組成部分是一個大型的光源和對光束的加工和準直系統(tǒng)。更進一步來說，在選擇光源的時候，應該選擇單色光光源，并且通?；蛘咭话銇碚f，要選擇短波波長，短波對分辨率的提升是非常顯著的，可以通過選擇更短的波長來制備更精細的結構；除此之外，光子的能量會隨著波長的縮短而升高，聚合物因此更加容易形成很細微的結構。在設計這個系統(tǒng)時，應該注意一下要求：（1）DMD表面應該被均勻照射到，即，光的分布應該比較均勻，大于百分之九十。（2）投影物鏡對光的通過率應該比較高，這樣可以提高光能的利用率。4.1.3投影光刻物鏡把DMD上的圖案經過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。因為這個原因，這個光刻系統(tǒng)的分辨率是在物鏡放大倍數的基礎上成立的。而且一般來說圖像的質量取決于物鏡上的成像質量。DMD和傳統(tǒng)掩膜板的區(qū)別通常來說包括：DMD一般處于物方離焦狀態(tài)下，這一偏差會對成像質量造成影響，因此在設計時應該考慮這點。光路相較于傳統(tǒng)的光路要長，因此需要準確調整光路。4.2曝光模式DMD數字光刻機的曝光模式一般來說有兩種，即，掃描曝光和步進曝光。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，[]工作時候，投影物鏡一般相對于基板是勻速運動，工作進程中不存在停頓，圖像根據投影時間來刷新，通過這種很普遍的方式把圖案投影到數字掩膜上，圖4.4是一個簡單的例子，從A到F的過程是平臺在做掃描運動，方向一般是從左到右，DMD的運動與鏡頭同步，因此基板相對于鏡頭沒有運動，DMD一般來講刷新率和平臺運動速度相同，目的是為了讓圖形看起來不動。比如說投影圖像的分辨率是20um，20mm/s是平臺運動速率，所以DMD系統(tǒng)的更新頻率4OOOHz，在工作時要求分辨率越低越優(yōu)，制作效率隨著平臺運動速度的上升增加，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，成本和花費也隨著升高，此外為了達到器件的物理極限，大大增加效率，一般會把多個DMD用作同時曝光，系統(tǒng)因此變得更為復雜，成本也更高。圖4.4掃描曝光過程4.2.2步進式投影曝光相對來說，步進式曝光方式非常的高效。在每次刷新DMD投影的圖片的時候，都可以得到非常大的DMD曝光圖像。下面舉一個例子來說明，假設有一個寬度是1270pixel的DMD，那么每次也能夠步進1270pixel。但是掃描式曝光方式每次只能夠步進1pixel。因此相對而言，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進行大面積的曝光工程。也就是說，每次先進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步進式投影曝光掃描示意圖如圖所示是一個面積很大的圖案，按照3x3的格式分成9個小塊，每個小塊對應相應的DMD投影面積相同，基于此，通過工作平臺進行步進，按照順序對已經分好的小塊進行曝光處理，軌跡大概是S形。要提出的一點是，DMD作為投影鏡頭一般是固定在一個位置不動，工作平臺作相對運動。每個幀數依次曝光。4.3SU8-2000光刻膠SU-82000是一種高對比度的環(huán)氧樹脂基光刻膠，它適合用在微加工和精密加工領域。SU8-2000因為它的干燥速度快、溶劑體系更加極性，所以用它進行光刻的產品擁有更高的涂層質量，并且生產速度更快。SU8-2000有12種標準粘度選擇。通過一個單層的涂層工藝可以實現(xiàn)0.5到>200微米的薄膜厚度。經過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能夠產生非常高的展弦比結構，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壁成像，在360納米以上具有非常高的光學傳輸能力。SU8-2000經常曝光在350-400nm波長的光下，雖然推薦的波長一般為365納米。SU8-2000還可以通過電子束和x射線曝光。在曝光后，交聯(lián)過程分為兩個步驟(1)在曝光過程中形成強酸，下一步是(2)在曝光后烘烤(PEB)過程中酸催化、熱驅動產生交聯(lián)反應。一個正常的步驟是：旋轉覆蓋、軟烘焙、曝光、接觸后烘等步驟在進行下一步。打枊使用SU8-2000作為光刻膠時，應該使用受控硬烘焙技術來把這些結構連接起來。整個過程應該在特定的應用程序中進行優(yōu)化?；鍛摫３窒鄬Φ母稍锖颓鍧?，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的桶式裝置清洗。傳統(tǒng)上不需要粘合促進劑。對于包括在電鍍之內的應用，一般用MCC引物80/20對基體預處理。SU8-2000擁有良好的機械性能。但是對于應用在那些保留成像電阻的設備上來說，硬烘焙應該被加入到制作過程中。這種做法只在最終設備或者部件在常規(guī)處理中做熱處理時需要。SU8-2000是一種熱樹脂，因此當暴露在比以前更高的溫度下時，它的性質才會繼續(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。根據所需要的固化程度，烘焙溫度應該在150度到250度這個范圍內，時間應該在5到30分鐘左右。4.4實驗具體步驟4.4.1勻膠從冰箱取出SU8-2050光刻膠，并且靜置1h以上。把需要勻膠的硅片進行烘烤，溫度設置為120攝氏度，時間設置為10min。去下片子，冷卻5min。將硅片放置在離心旋涂機中進行涂布。設置參數為：前轉：600r，時間10s后轉：4350r，時間40s如圖4.6所示：圖4.6離心旋涂機參數設置涂布完成后，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。參數設置如圖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為405納米，光強為12.9mj/cm2的激光進行曝光6s，然后立即進行下一步后烘。4.4.4后烘再次使用電熱板進行烘焙。具體步驟為：在65攝氏度下進行烘焙1min升溫至95攝氏度，并且維持95攝氏度5min把硅片取下來放在塑料托盤上冷卻1min圖片與前烘步驟相同，這里不再進行展示。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，重復顯影5min。4.4.6堅膜把顯影完成后的硅片再次放到電熱板上進行烘焙，在150攝氏度下持續(xù)烘焙10min。4.4.7腐蝕本實驗用HF溶液作為腐蝕液來進行腐蝕，把經過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實驗結果分析圖4.92微米線寬光刻圖形如圖4.9所示為實驗得到的2微米線寬光刻的圖形，每一條單獨的線的線寬都為2微米。圖4.10剖面圖如圖4.10所示為圖形的剖面圖，縱坐標代表高度，橫坐標代表寬度。4.6實驗結論本研究用DMD數字光刻機進行實驗，用SU8-2000光刻膠進行顯影前的操作。在曝光之前的環(huán)節(jié)完成后，在電腦上用軟件設置好所需圖形的線寬和圖案，然后放入光刻機中進行曝光。第一次做實驗時由于對設備不熟悉，操作時沒有嚴格按照手冊上的步驟，二次烘焙之間的時間沒有控制好導致顯影效果不好，硅片受到了污染。在第二次實驗時，吸取了第一次失敗的教訓，嚴格控制了烘焙的時間，這次得到的效果比上要好，但是由于在腐蝕環(huán)節(jié)沒有控制好浸泡在腐蝕液中的時間，圖案受到了破壞。因此不得不做第三次實驗。第三次試驗時，吸取了前兩次的經驗，得到了比較好的圖形如上圖。在理論上可以用DMD光刻機做出任意圖案。因為事先沒有想好要刻的圖案，因此刻制了一些線條。因為實驗曝光環(huán)節(jié)是純數字化處理，因此得到圖案線寬非常精確。在電子顯微鏡下測量后，確定為所需要的2微米線寬。結論隨著科技的進步，在未來，電子器件的更新?lián)Q代速度只會越來越快。如今，手機和電腦的換代速度已經達到了一年一個型號。有些公司比如蘋果和三星甚至一年可以推出很多款手機。無掩膜光刻技術設備在電子設備更新?lián)Q代的過程中扮演了有一個很重要的角色?，F(xiàn)在的數字光刻機已經可以實現(xiàn)在電腦上進行圖像處理，然后精確無誤地把圖像傳遞到基片上。由此也引發(fā)了數字圖像處理技術的進步，目前數字光刻機已經可以支持很多種在電腦上運行的數字圖像處理軟件。在光刻膠的選擇上，現(xiàn)在的光刻膠種類也多種多樣起來，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聚酯、pgmea等。因此，未來的數字光刻技術將會有比較明顯的進步。本實驗主要做了以下工作：首先第一步，從光刻技術的歷史和背景講起，闡述了光刻技術近幾十年來的變化和發(fā)展。然后對光刻技術進行了分類，并且對每種類別進行了詳細的說明和解釋。指出無掩膜光刻技術是目前的發(fā)展主流。接下來介紹和對比了國內外光刻技術的研究情況，指出了當前中國的光刻技術水平相較于國外還有很大的差距。然后提出了本文的研究方法是利用數字光刻機進行高精度光刻。第二部分的第一步主要介紹了光刻技術的原理，說明了光刻技術主要分為光復印和光刻蝕。接下來介紹了兩種主要用到的光致抗蝕劑，即負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行了說明。說明正性抗蝕劑曝光部分不溶于顯影液和負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，并說明其中顯影和堅膜是最重要的兩個環(huán)節(jié)以及最容易出錯的兩個環(huán)節(jié)。還說明了一些注意事項。第三部分對目前的新興技術——數字光刻技術進行了說明。首先從數字光刻技術的背景講起，指出了數字光刻技術是近年來興起，并且得到廣泛應用的一門新興技術。然后說明了數字光刻技術的原理，指出了數字光刻技術是一門不需要掩膜版進行掩膜的經濟實用的光刻技術。第三步對DMD無掩膜光刻機進行了簡單的介紹，說明了這種型號的光刻機是使用最為廣泛的光刻機類型。接著用大部分篇幅介紹了空間光調制器。首先對空間光調制器出現(xiàn)的背景進行了簡單的介紹，空間光調制器是一種要用來處理大量光學信息的設備。后面介紹了空間光調制器對光波進行調制的原理，指出空間光調制器具有兩種尋址模式。空間光調制器根據對光的作用不同可以分為兩種類型。然后后面根據構成空間光調制器的不同材料，介紹了幾種應用很廣泛的空間光調制器。第四部分也就是實驗部分。第一步介紹了實驗要用到的DMD數字光刻機，說明了該機器的幾個重要組成部分。說明了一些本實驗用到的光刻機的注意事項，比如，嚴禁打開觀察窗運轉機器、嚴禁平臺限位