基于数字微镜器件亚微米制备技术研究

　　　　　　　　　　　　2010年4月ACTAPHOTONICASINICAVol.39No.4

April2010

文章编号:100424213(2010)042060025

基于数字微镜器件亚微米制备技术研究

陆锦洪,谢向生,张培晴,周建英󰂍

(中山大学光电材料与技术国家重点实验室,广州510275)

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摘　要:为了实时、便捷的改变光刻图案以用于微纳光子器件制备,使用数字微镜器件构建了一套无掩模亚微米尺度制备系统.基于阿贝成像原理分析了周期结构在相干光照明下的成像过程,并用数值模拟以及空间滤波实验证明了这个过程.使用此实验系统制作出了周期为900nm的二维结构以及周期为数十微米的带缺陷结构.实验表明,使用数字微镜器件可以方便的制作出亚微米尺度的图案.

关键词:干涉光刻;傅里叶光学;微纳光子器件;阿贝成像原理;数字微镜器件中图分类号:O438　　　　文献标识码:A　　　　doi:10.3788/gzxb20103904.0600

0　引言

微纳光子器件通过在波长和亚波长尺度上对光的操控,实现各种各样光操控功能.微纳光子器件制备方法主要有化学自组织生长法、逐点微加工法、光学全息制备法[122]和多步骤组合法.其中光学全息制备法通常采用多光束干涉的方法,形成空间周期排列的光强分布,再作用于感光材料,将空间光强分别刻蚀在材料上.此方法无缺陷、大体积、成本低、效率高、品质好,具有应用于大规模生产的潜力.借鉴于光刻技术多年来的发展经验,特别微小型化技术革命(ResolutionEnhancementTechnology,RET)[3]的影响,光学全息制备法同样在激光光源,光刻胶和光学装置上不断取得进步,周期特征尺度也缩小至十纳米级.但是,光学全息制备法通常采用的是简单的光场合成,仅能得到简单周期排列的微纳结构,对于更加复杂和实用的功能性光子晶体和光子器件的制备,需要更多的技术的结合.光学邻近效应校正,相移掩模和离轴照明成为RET的三大主要技术,通过它们的不断革新,RET使得光刻尺寸不断缩小并紧跟着产业需要,服从和满足摩尔定律,在集成电路制造业中发挥了重要的作用.

数字无掩模光学投影蚀刻是一种新兴的无掩模光刻技术[4],它通过计算机实时产生一些特殊的数字化图案,并加载在空间光调制器,使得光学投影的图案可以任意调制.常见空间光调制器有液晶显示

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器件LCD、等离子体显示器件和数字微反射镜器件(DigitalMicromirrorDevice,DMD)等.而DMD是目前唯一的一种大批量生产的纯数字化空间光调制器.因此数字光学无掩摸光刻技术的研究基本上都是基于DMD空间光调制器的[5,6].国内DMD研究主要用于大尺寸的灰度光刻[7,8],而在亚微米尺度的光刻技术研究还处于起步阶段,相关的研究报告或论文也很少,且一般处于理论研究或数值模拟阶段,所制作结构图案其特征尺寸较低大,无法真正满足微光机电系统的要求.

本文介绍了使用DMD作无掩模光刻制备法,比国内原来最小准确度有了较大提高[9211],达到国际最先进水平[12],首次制作出了周期为微米以下的二维结构,并根据数值模拟与实验,提出了在相干光照明下的DMD成像过程应该使用阿贝成像原理进行解释.

1　实验系统及分析

实验系统的成像部分如图1.波长为532nm的激光依次经过物镜、小针孔及消色差透镜后成为平行光照射在DMD上.计算机设计的图形经I/O接口以二进制数字形式输入到DMD芯片上的静态随

国家自然科学基金(10774193、10934011)和国家重点基础研究计划项目(2010CB923204)资助󰂍

Tel:020284110277Email:stszjy@mail.sysu.edu.cn收稿日期:2009209210修回日期:2009210213

图1　实验原理

Fig.1　Schematicdiagramoftheexperiment

4期陆锦洪,等:基于数字微镜器件亚微米制备技术研究601

机存储器(SRAM),从而控制镜片的翻转,实现图像输出.

成像系统是一个4f系统.把DMD上的图案设置为二维光栅,周期为28μm.平行光照射在DMD后,经衍射分解为向不同方向传播的多束平行光(每一束平行光对应一定的空间频率),再经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵,这点阵就是光栅的夫琅和费衍射图.然后不同空间频率的光束又经过L2重新在像平面上复合成像,形成最终图案并作用在L2后焦面上的光刻胶,亦即DMD上的图像经过缩小后在光刻胶处重新成像.

实验中,L1使用大焦距、大孔径的透镜,收集尽可能多的衍射级.理论及实验均表明,收集尽可能多的衍射级可以提高成像锐度,过少的衍射级甚至不能成像.L2为小焦距、大孔径的非球面镜镜.非球面镜比一般透镜具有更大的数值孔径,且消除了球差,可以大幅度提高成像品质.

在本实验中,DMD相当于传统光刻中的掩模.一块DMD是由成千上万个微小、可倾斜的铝合金镜片组成[9],可通过脉冲宽度调制决定每个镜片倾斜在某个方向上为多长时间.镜片可以在一秒内开关256次,即最多可实现256级的灰度,这一速度允许数字灰度和颜色再现,实现灰度光刻及全息显示[13214].与常规的数字化空间光调制器相比,数字微镜器件具有更高的光能利用率、分辨率高、响应速度快、工作温度范围大等优点.

本实验中采用的DMD主要参量为:1)像元数:1024×768;2)像元尺寸:13.68×13.68μm2;3)微镜间距:0.32μm;4)反射镜转角:±12°;5)灰度阶:256.

衍射光斑图样;第二步,各衍射光斑作为新的次波波

源发出球面子波,在像平面上相干叠加形成物体的像[15].

一般来说,像和物不可能完全一样,这是由于透镜的孔径是有限的,总有一部分衍射角度较大的高频信息不能进入到物镜而被丢弃,所以像的信息总是比物的信息要少一些.

对于非周期结构图像而言,相干光照射后衍射不明显,很容易就收集到足够的信息形成清晰图像.而相干光照射周期图案后衍射角度大,一般无法收集到足够信息,而只能收集到其中的低频信息,从而无法把图像中的细节重新成像出来.因此,目前使用DMD作无掩模光刻一般用于非周期结构的光刻,如微机电系统等.这种类型的光刻不需要大孔径的透镜收集较多的衍射级用于重新成像.

本文使用Matlab对相干光照明下的DMD成像过程进行了数值模拟.相干光入射到一个如图2(a)所示的二维周期结构后,其衍射光各级频率成分沿着不同的角度向远处传播,考虑到透镜尺寸有限,只有其低频成分最终被收集,并经过4f系统在透镜L2的后焦面最终重新成像.只收集图2(b)所示的中间9级低频成分,舍弃其余较难收集的高频成分,相当于在频谱面处加上了一个空间滤波器,此时恢复所得图案如图2(c).

图像精缩倍数由两面透镜的焦距决定,而最终所得图案周期为

(1)d=D×(f2/f1)式中D为DMD上图案周期.

2　周期结构的相干光成像

当用DMD实现灰度显示时,各像素之间是往

往是没有规则的开关状态.因此,相互之间的干涉效应并不明显,特别是使用非相干光作照明光源时,因此整个DMD阵列图形的像面光强可视为单个微镜光强分布的叠加[9].但当使用相干光照明周期结构图案时,干涉效应就会十分明显,此时必须使用波动光学来进行分析处理.阿贝成像原理认为,相干成像过程可以分成两步完成:第一步,物体在相干光照明下,可以看作一个复杂的光栅,照明光通过物体被衍射,衍射光波在透镜后焦面上形成物体的夫琅和费

图2　阿贝成像原理的数值模拟Fig.2　NumericalsimulationofprincipleofAbbe′simaging

由此模拟过程可以看到,由于透镜尺寸的限制,当丢弃图像的高频成分后还原所得图像的精细结构丢失,在正方形图案中表现为边角变为模糊不清,所得图案类似圆形.

602光　子　学　报39卷

在RET革命的第一次飞跃中,Saleh提出光刻

过程是一个透镜光阑的低通滤波效应和光刻胶的阈值聚会效应的结合,可以简单的分析为成像系统是一个傅里叶变换、低通滤波和反傅里叶变换的结合[3].

平面物体的图像可由一个二维函数t(x1,y1)描述,设空间滤波器透过率为F(fx,fy),则频谱面后的光场复振幅为

′

(2)u2=T(fx,fy)F(fx,fy)式中T(fx,fy)=F{t(x1,y1)},空间频率fx、fy与

坐标x2、y2的关系为

fx=

x2y2,fy=λfλf

由于高频信息丢失,故矩形图案的边缘逐渐模糊,此

时所得图像大致为圆形,如图3(c).当小孔缩小到最小时,只有0级衍射通过,此时CCD上显示的是一片亮光.把小孔光阑取走,并用两卡片挡住上下光,只留中间一排衍射光斑通过,此时成像为一维条纹,如图3(d).这与阿贝成像理论吻合且与阿贝—波特实验完全一致.

3　光刻实验结果

使用此光路系统,本文成功地在正性胶上制作了各种周期的二维周期结构,其中最小周期为900nm,为目前国际上使用DMD制作的最小周期尺寸.

实验表明,利用图1所示成像系统可以制作出周期为1μm以下的二维周期结构,而当图像周期较大时,衍射角较小,容易收集到较高频信息,把图像中的精细结构重新显示出来,从而可以制作带缺陷的二维周期结构,如图4(d).

(3)

式中F{}为傅里叶变换算符;λ为激光波长;f是变换透镜L1的焦距.而像面得到的是u′2的傅里叶逆变换,即

′-1′-1

u3=F{u2}=F{T(fx,fy)3F(x,fy)}=

F

-1

-1

{T(fx,fy)}3F{F(fx,fy)}=-1

t(x3,y3)3F{F(fx,fy)}(4)

式中“3”表示卷积运算,式(4)表明像面得到的结果,是物的几何像与滤波器逆变换的卷积.由此可知,改变滤波器的透过率函数,可改变像面上的图像.

通过实验可以验证此理论.DMD上显示图像如图3(a),其结构为二维光栅,光栅常量为112μm.在L1与L2之间(频谱面处)放一小孔光阑,在L2的后焦面处用CCD记录图像.当小孔开为最大时,所得图像如图3(b),成像与DMD上图像基本一致.逐渐缩小光阑,当只有其中最低几级衍射通过小孔时,

图4　光刻结果的SEM图

Fig.4　SEMofthelithographyresult

3.1　像方数值孔径与分辨率

光学系统的分辨率反映光学系统传递信息密集度的能力.光学系统能够传递单位面积上的信息量越大,则表示其分辨本领越高.根据瑞利判据,成像光学系统的分辨率与其数值孔径NA、照明光波长λ的关系为

R=k1λ/NA

(5)

式中,k1为与抗蚀剂和工艺有关的常量,在此取为0.77.在本实验系统中,成像透镜L2的数值孔径为

图3　阿贝成像理论的实验验证

Fig.3　ExperimentalvalidationofprincipleofAbbe′s

imaging

NA=n0sinθ=0.673(6)(7)

因此,相干光照明下的像方分辨率为

R=0.77×(λ/NA)=608nm

4期陆锦洪,等:基于数字微镜器件亚微米制备技术研究603

3.2　精缩倍数及光刻图案周期

本实验系统系统的精缩倍数即经缩小后的图像大小与原图像大小的比值,它由L1与L2的焦距之比决定,即

(8)N=(f1/f2)=700/22.5=31.1

DMD上图像周期为28μm,由式(1)可得,精缩后周期为

d=D×(f2/f1)=900nm

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(9)

这与电子显微镜测量结果一致.3.3　焦深

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根据瑞利判据,当光学系统焦面移动所引起的波面像差小于λ/4时,光学系统的成像质量仍然是可以接受的.由此,可以推导出光学系统焦面位置移动的许可范围,该范围就是光学系统的焦深.本系统的焦深DOF为

2

DOF=k2λ/NA=1.2μm

式中k2是焦深工艺因子,通常取k2=1.

(10)

[10]　DUXin2rong.Designofmasklesslithographyimagesystem

basedonDMD[D].Xi′an:Xi′anUniversityofTechnology,

2008:39242.4　结论

实验表明,对于使用DMD作周期结构的无掩模光刻,其成像过程应该使用阿贝成像原理进行解释,而不是一直以来认为的几何光学成像.本文利用此方法成功制作了最小周期为900nm的二维周期结构,并证明了要在周期结构中引入精细结构(如缺陷)则必须收集更多的衍射级用于恢复精细结构.本实验提供了一种高效、灵活、快速、低成本的亚微米周期结构的无掩模制备方法.

致谢:感谢中山大学梁冰博士与刘忆琨博士提供的样品以及化学处理方面的帮助.

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604光　子　学　报39卷

Submicron2sizedOpticalFabricationwithDMDBasedLithography

LUJin2hong,XIEXiang2sheng,ZHANGPei2qing,ZHOUJian2ying

(StateKeyLaboratoryofOptoelectronicMaterialsandTechnologies,SunYat2senUniversity,Guangzhou510275,China)

Abstract:DigitalMicromirrorDevice(DMD)isemployedasspatiallightmodulatortoconstructadigital

masklesslithographysystem,whichcanbeusedtofabricatemicro2nanophotonicdeviceconveniently.Theimagingprocessoftheperiodicstructureinthecoherencelightisanalyzed.Accordingtothenumericalsimulationandexperimentalresult,theimagingprocessshouldbeexplainedbytheprincipleofAbbe′simaging.Withthissystem,2Dperiodicstructurewiththeperiodof900nmisfabricatedbutdefectisintroduced.SoDMDisapracticaltooltofabricatesubmicron2sizedpattern.

Keywords:Interferencelithography;Fourieroptics;Micro2nanophotonicdevice;PrincipleofAbbe′simaging;DigitalMicromirrorDevice(DMD)

LUJin2hong　wasbornin1984.NowheispursuinghisM.S.degreeinopticalengineering,andhisresearchinterestsfocusondigitallithography,micronanophotonicdeviceandoptical,mechanicalandelectronicintegration.

ZHOU　Jian2ying　wasbornin1957.HeobtainedthePh.D.degreefromImperialCollege,Londonin1988.NowheisaprofessorandDoctoralSupervisor,andhisresearchinterestsfocusonholographylithography,micronanophotonicdevice,3Ddisplayandoptical,mechanicalandelectronicintegration.