基于紫外寬光譜自成像制備二維周期陣列的光刻方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微電子、微光學(xué)、微納結(jié)構(gòu)和光電子器件制備等微納加工領(lǐng)域的光刻
技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于基于紫外寬光譜自成像制備二維周期陣列的光刻方法及裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)測量、航空航天、顯示照明、生物醫(yī)療等與國家發(fā)展息息相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù) 不斷進(jìn)步，線性光柵、孔槽陣列等周期性微納結(jié)構(gòu)正廣泛應(yīng)用于各大重要領(lǐng)域中。如光譜儀 中的衍射光柵，光纖布拉格光柵，線柵偏振器，用于改善LED出射光的光子晶體，生物傳感 器陣列等都是常見的周期型結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)都具有一些相同的特性，其點(diǎn)陣常數(shù)即分辨率 都在100納米到1微米之間。另一方面，它們所應(yīng)用的表面并不是完全平整潔凈的表面，如 在LED上復(fù)制光子晶體圖樣時(shí)，由于制造 LED時(shí)需要進(jìn)行高溫沉積，該過程易導(dǎo)致襯底彎曲 變形，且易使晶圓上滿是雜質(zhì)微粒。這些問題將成為需要緊密接觸或者存在景深限制的方 法的主要難題。而且這些結(jié)構(gòu)的市場需求量大，因此需要用相對(duì)較低的成本以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
[0003] 然而，現(xiàn)有的微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)由于存在景深的限制或高成本而無法滿足上述需 求。接近或接觸式光刻作為最成熟的"復(fù)制型"微細(xì)加工手段，被大量用于制作較低精度的 微納結(jié)構(gòu)。該方法原理簡單，技術(shù)門檻較低，成本較低。但受到設(shè)備、掩模、工藝的限制，絕 大多數(shù)接近或接觸式光刻的分辨力尚停留在〇. 5到1微米之間，不能適應(yīng)未來科技的發(fā)展。
[0004] 納米壓印法是一種新興的微納加工手段，可以實(shí)現(xiàn)大面積、高精度的周期微納結(jié) 構(gòu)復(fù)制，特征尺寸可以做到幾十納米甚至幾納米。然而納米壓印受模板限制較為嚴(yán)重，同時(shí) 還存在基片易彎曲、壓印表面聚合物易殘留、脫模復(fù)雜等諸多問題有待解決。
[0005] 干涉光刻法是現(xiàn)階段制備周期微納結(jié)構(gòu)最為典型的技術(shù)手段，它是通過控制兩束 或多束相干紫外光束生成周期圖樣，實(shí)現(xiàn)大面積、無掩模、高精度微納圖形加工。針對(duì)不同 的光刻圖樣結(jié)構(gòu)，干涉光刻需要對(duì)干涉光路進(jìn)行精確調(diào)整，需要良好的環(huán)境穩(wěn)定性和嚴(yán)格 的控制來保證穩(wěn)定的靜態(tài)干涉條紋，操作較難控制；且干涉光刻可加工圖形單一，靈活性較 差，不適用于加工具有復(fù)雜圖案的周期微納結(jié)構(gòu)。連續(xù)電子束光刻方法生產(chǎn)效率太低，其他 掃描探針技術(shù)如蘸水筆光刻束難以實(shí)現(xiàn)有效輸出，因此都無法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
[0006] 可以看出，現(xiàn)有技術(shù)在制備周期微納結(jié)構(gòu)時(shí)，并不能同時(shí)滿足大面積、高精度、圖 案復(fù)雜化、制備周期短、成本低等要求，直接或間接增加了制備難度。因此需要一種良好的 高產(chǎn)率光刻方法，以實(shí)現(xiàn)低成本大面積生產(chǎn)亞微米分辨率的周期型結(jié)構(gòu)。
[0007] 基于此，利用自成像效應(yīng)進(jìn)行光刻為制備高分辨、復(fù)雜化、大面積周期微納結(jié)構(gòu)提 供了一種新的思路。微納周期結(jié)構(gòu)的自成像效應(yīng)首先被英國科學(xué)家H. F. Talbot發(fā)現(xiàn)，其光 場分布如圖1所示。在單色光照射下，周期性物體將在其光場傳播方向上以Z = ^為周期 A 性自成像，p為物體周期，λ為入射光波長，z即為泰伯成像周期。除此以外，在每個(gè)傳播周 期的1/2處，還將出現(xiàn)一個(gè)具有JT相移的相移自成像。相比于傳統(tǒng)的成像方式，自成像效 應(yīng)有如下兩大重要特點(diǎn)：①可以實(shí)現(xiàn)無鏡頭成像；②成像分辨力高，最小分辨力接近衍射 極限。
[0008] 從現(xiàn)有的研究來看，科學(xué)家們已經(jīng)證明了用單色光自成像光刻加工二維周期圖案 的良好能力，且在掩模部分殘缺或不規(guī)則的情況下，自成像光刻依然能實(shí)現(xiàn)掩模的精確還 原，具有"掩模修復(fù)"效果。但此類自成像光刻方法，均基于接近式光刻法，并利用周期結(jié)構(gòu) 掩模的固定光場分布，通過精確控制基片與掩模之間的間隙實(shí)現(xiàn)大面積復(fù)雜周期性微納結(jié) 構(gòu)加工。當(dāng)待曝光圖形周期減小時(shí)，其焦深極具縮短。為保證曝光圖形質(zhì)量，該方法對(duì)基片 平整度、光刻膠厚度等有嚴(yán)格要求，且需要對(duì)掩模與基片之間的絕對(duì)間隙進(jìn)行納米級(jí)控制， 在實(shí)際微納結(jié)構(gòu)制備過程中極難實(shí)現(xiàn)，難以真正得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于：在現(xiàn)有的技術(shù)和研究理論的基礎(chǔ)之上，為克服上述存在的問 題和不足，提出一種基于基于紫外寬光譜自成像制備二維周期陣列的光刻方法及裝置。
[0010] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的技術(shù)方案如下：
[0011] 基于紫外寬光譜自成像制備二維周期陣列的光刻裝置，該光刻裝置包括：高壓汞 燈光源1、冷光橢球鏡2、冷光反射鏡3、快門4、積木錯(cuò)位繩眼透鏡5、聚光鏡6、大反射鏡7、 精密工件臺(tái)8、二維周期陣列掩膜板9、承片臺(tái)10、掩膜硅片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)11、整體運(yùn)動(dòng)臺(tái)12 和計(jì)算機(jī)及電控系統(tǒng)13 ;二維周期陣列掩膜板9、承片臺(tái)10、掩膜硅片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)11、整體 運(yùn)動(dòng)臺(tái)12和計(jì)算機(jī)及電控系統(tǒng)13組成精密工件臺(tái)8,計(jì)算機(jī)及電控系統(tǒng)13控制精密工件 臺(tái)8運(yùn)動(dòng)，二維周期陣列掩膜板9在承片臺(tái)10上，承片臺(tái)10在掩膜硅片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)11上， 掩膜硅片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)11在整體運(yùn)動(dòng)臺(tái)12上；高壓汞燈光源1發(fā)出的光通過冷光橢球鏡2 聚光后經(jīng)過冷光反射鏡3反射，反射后的光依次通過快門4、積木錯(cuò)位蠅眼透鏡5、聚光鏡6， 然后經(jīng)過大反射鏡7反射到二維周期陣列掩膜板9上。
[0012] 其中，該光刻裝置應(yīng)用紫外寬光譜照明周期性圖樣在其后泰伯距離處可形成自成 像，即當(dāng)采用非單色紫外光照明周期掩模時(shí)，如汞燈光譜，不同光譜、不同級(jí)次的自成像光 場分布相互交錯(cuò)、非相干疊加，在掩模下方一定后方形成連續(xù)可成像區(qū)域。利用相應(yīng)的光刻 裝置對(duì)涂有光刻膠的硅片進(jìn)行曝光，顯影，制備具有二維周期分布的微納級(jí)小孔陣列結(jié)構(gòu)； 相比于單波長照明的自成像光場分布，紫外寬譜自成像的可成像區(qū)域可以拓展至數(shù)毫米， 甚至厘米量級(jí)，將硅片置于連續(xù)可成像區(qū)域的任意位置時(shí)，均可獲得強(qiáng)度近似相等的自成 像和相移自成像光場分布，從而實(shí)現(xiàn)周期倍頻。
[0013] 本發(fā)明基于紫外寬光譜自成像制備二維周期陣列的光刻方法的具體操作步驟 為：
[0014] 第一步，微納級(jí)周期陣列結(jié)構(gòu)的制備
[0015] 繪制具有周期陣列結(jié)構(gòu)的二維圖像。利用DMD無掩膜光刻機(jī)進(jìn)行曝光，顯影，刻蝕 等工藝技術(shù)制備具有微納級(jí)周期陣列結(jié)構(gòu)的掩膜版。
[0016] 第二步，搭建適應(yīng)于紫外寬光譜自成像光刻術(shù)的曝光裝置
[0017] 利用350W的高壓汞燈發(fā)出包括i線、h線、g線以及可見光和紅外等多種成分的 光，首先由鍍有冷光反射膜的橢球鏡進(jìn)行聚光，并初次過濾掉長波段的光，即可見光和紅外 光成分，再由一塊冷光反射鏡再一次過濾長波成份，在橢球鏡的后焦點(diǎn)附近設(shè)置快門，開啟 快門后，光線經(jīng)將由積木錯(cuò)位式的積分鏡進(jìn)行均勻照明、消衍射和側(cè)壁陡度處理，最后通過 大反射鏡將掩模和樣片的上表面照明，即可實(shí)現(xiàn)紫外寬光譜曝光照明。
[0018] 第三步，掩膜硅片放置及對(duì)準(zhǔn)
[0019] 將步驟一種所制備的周期陣列掩膜板放置到掩膜臺(tái)上，并將硅片放置到承片臺(tái) 上，調(diào)節(jié)掩膜臺(tái)和承片臺(tái)的相對(duì)位置，以實(shí)現(xiàn)將硅片放置在掩膜板后紫外寬光譜自成像的 長焦深范圍內(nèi)，將樣片調(diào)平，并將掩膜板與硅片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。
[0020] 第四步，二維周期陣列結(jié)構(gòu)制備
[0021] 在確保掩膜板和硅片對(duì)準(zhǔn)并能均勻照明時(shí)，可開啟快門進(jìn)行曝光，對(duì)曝光后的硅 片進(jìn)行顯影，在顯微鏡下觀察，并借助計(jì)算機(jī)視圖工具進(jìn)行測量曝光所得圖樣周期。最后通 過對(duì)曝光后的硅片進(jìn)行刻蝕等后續(xù)制作工藝即可完成二維周期陣列結(jié)構(gòu)制備。
[0022] 其中，第二步所述照明光源采用350W高壓汞燈，且其曝光譜線340nm到450nm范 圍內(nèi)的紫外寬光譜照明；橢球鏡和第一塊反射鏡均鍍有冷光介質(zhì)膜，所有透鏡均鍍紫外增 透膜，可過濾掉長波段光波，即可見光和紅外光成分，保留紫外寬光譜成分。
[0023] 其中，第二步所述曝光系統(tǒng)采用柯拉照明的原理，積分鏡是由79塊蠅眼透鏡拼接 而成，能將能量分布不均勻的寬光束分解為若干細(xì)光束，各細(xì)光束均按柯拉原理照明在掩 模面上。細(xì)光束均疊加在掩模的相同區(qū)域，且在細(xì)光束范圍內(nèi)能量分布基本上是均勻的，因 而在掩模面上得到均勻照明，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了照明的高能量化。
[0024] 其中，第三步所述的工件臺(tái)由上升機(jī)構(gòu)、整體運(yùn)動(dòng)臺(tái)、掩膜樣片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)、承片 臺(tái)和掩模架等組成。上升機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)調(diào)平、上下片、分離對(duì)準(zhǔn)間隙和消除曝光間隙時(shí)的上升 運(yùn)動(dòng)。整體運(yùn)動(dòng)臺(tái)用于對(duì)準(zhǔn)時(shí)快速尋找對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。掩模樣片相對(duì)運(yùn)動(dòng)臺(tái)，主要用于實(shí)現(xiàn)掩 模和樣片間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)或放片后調(diào)節(jié)樣片位置。對(duì)工件臺(tái)的各項(xiàng)調(diào)節(jié)都直接由計(jì)算機(jī) 程序和相應(yīng)的電控系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。
[0025] 其中，第三步所述的樣片放置的位置是如附圖3(a)中所示掩膜板后泰伯焦深范 圍內(nèi)。
[0026] 其中，第二步和第四步中所述的快門開啟，可通過計(jì)算機(jī)控制程序設(shè)置曝光時(shí)間， 即快門開啟時(shí)間來控制曝光劑量，可適應(yīng)于不同光刻膠膠厚的曝光。操作靈活簡單，曝光劑 量可控。
[0027] 本發(fā)明技術(shù)方案的原理為：
[0028] 微納周期結(jié)構(gòu)的自成像效應(yīng)首先被英國科學(xué)家H. F. Talbot發(fā)現(xiàn)，其光場分布如 圖2所示。在單色光照射下，周期性物體將在其光場傳播方向上以，
為周期性自成 像，P為物體周期，λ為入射光波長，n取整數(shù)。除此以外，在每個(gè)傳播周期的1/2處，還將 出現(xiàn)一個(gè)具有π相移的相移自成像。當(dāng)采用非單色紫外光照明周期掩模時(shí)，如汞燈光譜， 不同光譜、不同級(jí)次的自成像光場分布相互交錯(cuò)、非相干疊加，在掩模后方一定距離后形成 連續(xù)可成像區(qū)域，如圖4所示。相比于如圖3所示的單波長照明的自成像光場分布，紫外寬 譜自成像的可成像區(qū)域可以拓展至數(shù)毫米，甚至厘米量級(jí)，將硅片置于連續(xù)可成像區(qū)域的 任意位置時(shí)，均可獲得強(qiáng)度近似相等的自成像和相移自成像光場分布，從而實(shí)現(xiàn)周期倍頻。 采用紫外寬光譜自成像光刻術(shù)可將光刻成像區(qū)域可以拓展至數(shù)毫米，甚至厘米量級(jí)，大大 降低了對(duì)硅片形貌、定位精度的要求。
[0029] 本發(fā)明技術(shù)方案主要優(yōu)勢如下：
[0030] ①本發(fā)明采用常規(guī)紫外寬光譜光刻光源汞燈，