基于數字微鏡陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機制造技術

本發明專利技術公開了一種基于數字微鏡陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機，包括：光源照明系統、DMD數字微鏡陣列、投影光刻物鏡、X-Y步進工作臺、對準控制系統、X-Y精密步進工作臺和計算機。光源發出的光束經光學系統擴束、準直、均勻后照射到數字式微鏡陣列掩模版(DMD)上，投射其上的光源光束經DMD反射后將成像在投影光刻物鏡的入射光瞳處，最后由投影光識別灰度圖片的掩模信息，再經成像系統的傳輸、校準及縮放后透過各光學物鏡投射至膠層表面，誘導膠層內發生光化學反應；灰度值不同對應的投射光功率密度不同，光刻膠固化深度不同；通過控制圖片掩模的灰度值并對其曝光、顯影、刻蝕，即可實現不同深度的多臺階光柵的制作。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及微電子、微光學、微納結構和光電子器件制備等微納加工領域的光刻機
，特別涉及一種基于數字微鏡(DMD)陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機。
技術介紹
光刻技術是一種精密的微細加工技術。光刻工藝是通過曝光方法將掩模上的圖形轉移到硅片表面涂覆的光刻膠上，再通過顯影、定影、刻蝕等工藝將圖形轉移到硅片上。隨著器件的特征尺寸越來越小，分辨率幾乎達到了物理極限，傳統光刻技術在降低分辨率方面遇到了巨大的困難和挑戰。光刻技術的進一步發展存在的主要問題如下:1、光刻工藝復雜:傳統光刻采用曝光方式將掩模板的圖形轉移到硅片上的光刻膠，再經顯影、定影、刻蝕等處理工藝將圖形轉移到硅片上，工藝復雜、耗時，如果其中某一環節出錯，則需重頭再來。2、制作成本高:隨著光刻技術的不斷發展，其加工線條的最小特征尺寸越來越小，雖然浸沒式光刻技術和極紫外光刻技術的發展解決了提高分辨率這一難題，但是其價格卻很昂貴。僅僅就掩模版的價格而言，隨著特征尺寸的減小，掩模加工的精度也越來越高，掩模的制作復雜且費用昂貴。3、操作靈活性不高:現有的光刻機刻寫不同的掩模圖形，需要制作不同的掩模，而隨著特征的減小，對掩模版的制作工藝精度要求更高更復雜，因此對于不同掩模圖形的光刻其操作靈活性不高。4、生產效率低且難以實現大面積刻寫，傳統的激光直寫或電子束直寫，雖然精度較高，但它們都屬于逐點微米級或亞微米級加工，采取逐點掃描曝光方式，完成一張掩模需幾個小時，因此生產效率較低，不適合大規模的生產制作。積木錯位蠅眼透鏡能將能量分布不均勻的寬光束分解為若干細光束，各細光束均按柯拉原理照明在掩模面上。由于在細光束范圍內能量分布基本上是均勻的，因而在掩模面上得到均勻照明。由于細光束均疊加在掩模的相同區域，這就實現了照明的高能量化。數字微鏡陣列DMD相當于傳統光刻中的掩模版，通過控制器對照明面不同區域的光進行空間調制，形成所需要的灰度圖案。無掩模光刻技術是利用計算機軟件繪制一系列“虛擬”的數字掩模圖形，再結合投影曝光設備，通過控制系統把掩模圖形一幅一幅地轉移到基片表面上。DMD無掩模光刻技術大大提高了掩模的制作速度，且不需要昂貴的掩模板，不存在對準誤差，并且可以通過對掩模圖形進行實時修改來制作任意三維表面微結構和制作周期短等優點。臺階型光柵的制作一般采用濕法刻蝕的方法。傳統的臺階光柵制作方法需要多次重復掩模圖形的轉印和刻蝕過程即進行多次套刻，制作周期長、加工成本高。多次套刻嚴格對準很難做到，經常會因對不準而產生“尖峰”;或者由于勻膠工藝不夠成熟、模板標記制作有誤差、光刻機系統誤差而產生凹陷的縫隙等缺陷，這些缺陷都會使光柵的衍射效率降低。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服上述存在的問題和不足，提出一種基于數字微鏡(DMD)陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機。該光刻機是一種工藝簡單、制作成本較低、可操作性靈活、可簡單制作多臺階的無掩模數字光刻機。本專利技術實現上述目的的技術方案如下:—種基于數字微鏡(DMD)陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機，該光刻機包括:光源照明系統、DMD數字微鏡陣列、投影光刻物鏡、X-Y步進精密工件臺、調焦與對準控制系統和計算機，其中:曝光光學系統主要由光源照明系統和投影光刻物鏡組成，即包括高壓汞燈、橢球反射鏡、冷光反光鏡、快門、準直鏡組、積木錯位繩眼透鏡、聚光鏡、反射鏡、DMD數字微鏡陣列、縮小投影光刻鏡頭等。照明光源選用高壓汞燈的多點源照明，高壓汞燈所發射的光束經橢球反光鏡進行聚光，并初次過濾掉長波段光，即可見光和紅外光成分，其后經冷光反射鏡再次濾波，快門為光電快門，通過光電快門控制曝光時間，然后經準直鏡將光束準直為平行光并進行擴束，蠅眼透鏡為積木錯位蠅眼透鏡，采用積木錯位蠅眼透鏡進行光勻化，勻化后光束經聚光鏡后投影到DMD數字微鏡陣列上識別不同灰度值圖片掩模信息，DMD數字微鏡陣列包括DMD控制芯片，計算機通過DMD控制芯片控制DMD數字微鏡陣列，再經投影光刻物鏡將DMD數字微鏡陣列上反射的圖形成像到硅片表面的光刻膠上，涂有光刻膠的硅片放置在X-Y精密步進工作臺上，光刻膠上記錄的圖形再經顯影、定影、刻蝕，最終將DMD數字微鏡陣列上的掩模圖形轉印到基片上。進一步的，所述的照明光源采用350W高壓汞燈，其曝光譜線為365nm波長i線的近紫外光照明；曝光光源采用積木錯位蠅眼透鏡實現均勻照明，其照明不均勻性為2%左右。進一步的，所述的采用DMD數字微鏡作為數字掩模，像素為1024X768，像元尺寸為13.68 μ mX 13.68 μ m，微鏡間距為0.8 μ m，反射鏡轉角范圍為±12° ;采用縮小投影光刻物鏡成像，其倍率為14倍，曝光面積為ImmX0.75mm，光刻分辨力< I μπι。更進一步，該光刻機采用縮小投影光刻物鏡成像，一次曝光面積ImmX0.75mm，所述的調平調焦系統中CCD檢焦精度為2 μπι，調焦臺運動行程為8mm，調焦臺運動靈敏度I μπι，對準系統的對準精度為±1 ym，轉動臺行程±6°以上，工件臺運動定位精度為+ 0.65 μ mD再進一步，該光刻機所適用的基片尺寸外徑為φ Imm-Φ 100mm,厚度為0.lmm-8mm0再進一步，該光刻機采用進口精密光柵、電機、導軌、絲杠實現精確工件定位和曝光拼接；采用CCD檢焦系統實現整場調平、自動逐場調焦和實時調平調焦曝光。本專利技術技術方案的原理為:所述高壓汞燈光源，通過所設計均勻照明系統是光線均勻的照射到輸入不同灰度值條紋的數字微鏡上，由投影光識別灰度圖片掩模信息，再經成像系統的傳輸、校準及縮放后透過各光學物鏡投射至膠層表面，誘導膠層內發生光化學反應；灰度值不同對應的投射光功率密度不同，光刻膠固化深度不同；通過控制圖片掩模的灰度值并對其曝光、顯影、刻蝕，即可實現不同深度的多臺階光柵的制作。此過程無需掩模，且制作多臺階光柵無需進行多次套刻，并盡可能的避免了對準誤差，使得刻寫光柵的效率較高，工藝較為簡單。本專利技術和傳統技術相比的優勢為:1、結構簡單:因灰度值不同對應的投射光功率密度不同，光刻膠固化深度不同，通過控制圖片掩模的灰度值并對其曝光、顯影、刻蝕，即可實現不同深度的多臺階光柵的制作。此種方法無需制作光刻掩模板。2、光刻工藝簡單:光刻通過控制數字掩模的灰度值并對其曝光、顯影、刻蝕，即可實現不同深度的多臺階光柵的制作，無需制作多個掩模，無需多次涂膠、勻膠、曝光、刻蝕等多次套刻處理，也避免了對對準誤差所引起的尖峰的處理等過程。3、生產效率較高:該光刻機一次曝光面積約為ImmX0.75mm，而傳統的激光直寫或電子束直寫，雖然精度較高，但它們都屬于逐點微米級或亞微米級加工，采取逐點掃描曝光方式，完成一張掩模需幾當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于數字微鏡(DMD)陣列制作不同深度的多臺階光柵的無掩模光刻機，其特征在于，該光刻機包括：光源照明系統、DMD數字微鏡陣列、投影光刻物鏡、X?Y步進工作臺、對準控制系統、X?Y精密步進工作臺和計算機；其中：曝光光學系統主要由光源照明系統和投影光刻物鏡組成，即包括照明光源、橢球反光鏡、反射鏡、光電快門、蠅眼透鏡、聚光鏡、投影光刻物鏡，照明光源選用350W高壓汞燈照明，365nm波長曝光，高壓汞燈所發射的光束經鍍有冷光反射膜的橢球反光鏡進行聚光，并初次過濾掉長波段光，即可見光和紅外光成分，其后經冷光反射鏡再次過濾長波成分，在橢球鏡的后焦點附近設置快門，快門為光電快門，通過光電快門控制曝光時間，然后經準直鏡將光束準直為平行光并進行擴束，蠅眼透鏡為積木錯位蠅眼透鏡，采用積木錯位蠅眼透鏡進行光勻化，勻化后光束經聚光鏡后投影到DMD數字微鏡陣列上照明識別不同灰度值等間隔排列條紋圖片掩模信息，DMD數字微鏡陣列包括DMD控制芯片，計算機通過DMD控制芯片控制DMD數字微鏡陣列，再經投影光刻物鏡將DMD數字微鏡陣列上反射的圖形成像到硅片表面的光刻膠上，涂有光刻膠的硅片放置在X?Y精密步進工作臺上，光刻膠上記錄的圖形再經顯影、定影、刻蝕，最終將DMD數字微鏡陣列上的掩模圖形轉印到基片上，實現不同深度的多臺階光柵制作。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧茜，劉俊伯，趙立新，胡松，司新春，鄧欽元，周毅，
申請(專利權)人：中國科學院光電技術研究所，
類型：發明
國別省市：四川;51