專利名稱：三光束干涉光刻方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于干涉光刻領(lǐng)域，尤其涉及一種三光束干涉光刻方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
多臺階結(jié)構(gòu)是一種典型而又基本的三維結(jié)構(gòu)，在半導(dǎo)體、微光學(xué)器件、微機電系統(tǒng)(MEMS)以及平板顯示等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在這些應(yīng)用場合，多臺階結(jié)構(gòu)的臺階數(shù)目、尺寸精度和表面粗糙度的要求都很低臺階數(shù)目一般為2到4臺階，臺階高度尺寸的精度要求約在零點幾微米到幾微米，臺階表面粗糙度要求約在零點幾微米。在加工方法上，可以采用掩膜光刻和激光直寫等多種方法實現(xiàn)。但是，對于一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如光學(xué)器件和顯示視覺等相領(lǐng)域，需要制作的 高精度超光滑的多臺階結(jié)構(gòu)，以下對二元光學(xué)器件和干涉調(diào)制顯示器件進行說明。二元光學(xué)器件是指具有兩個及以上臺階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，形成純相位、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類衍射光學(xué)元件。二元光學(xué)器件是光器件中的新興領(lǐng)域，在實現(xiàn)光波變換上具有許多傳統(tǒng)光學(xué)器件難以達(dá)到的卓越性能，包括高衍射效率、獨特的色散性能、巨大的設(shè)計自由度、寬廣的材料可選性和特殊的光學(xué)功能。同時，二元光學(xué)器件還便于實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的微型化、陣列化和集成化。二元光學(xué)器件的臺階精度和表面粗糙度，對其輸出光場分布、衍射效率和信噪比具有直接影響。以典型的2臺階結(jié)構(gòu)來分析設(shè)計波長取為532納米，材料折射率取典型值I. 5，空氣折射率為I. 0，則臺階的階梯高度為532納米，如果允許誤差在10%，則臺階高度的尺寸誤差要求小于53. 2納米，可見要求十分嚴(yán)苛。干涉調(diào)制顯不器件。干涉調(diào)制顯不技術(shù)IMOD (Interferometric modulatordisplay)是一種新型的顯示技術(shù)，基于該技術(shù)的顯示器件和顯示設(shè)備不需要背光源，擁有顯著的低功耗性能，并且可以在寬泛的光線環(huán)境下使用，即便是在強烈的陽光照射下，其顯示效果依然清晰銳麗。MOD顯示器件的基本單元是兩片鏡面夾著一個空隙的微結(jié)構(gòu)，這個空隙決定光線照射顯示器時所反射的顏色。當(dāng)空隙的厚度尺寸等于紅光波長的一半時，則通過空隙上下表面反射的紅光獲得干涉增強，而其它顏色則被衰減，從而使得該單元的顯示出紅色。利用相同的原理，通過光刻的方法在制作波長量級的多臺階結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)彩色無油墨印刷。顯然，干涉調(diào)制顯示器件對多臺階結(jié)構(gòu)的尺寸精度和表面粗糙度也是有著很高的要求?，F(xiàn)有的光刻技術(shù)(包括掩膜光刻、激光直寫以及電子束光刻)，僅能制作微米及亞微米量級的多臺階結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)幾十納米量級的臺階深度控制和表面粗糙度要求。主要原因是，這些光刻技術(shù)難以對曝光光強進行如此精密的控制。具體分析如下首先分析掩膜光刻。掩膜光刻采用汞燈和LED作為發(fā)光源，光源經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直和微透鏡陣列等器件進行光場均勻化后，投射在掩膜板上進行光刻。通常掩膜板上表面的光強均勻性參數(shù)約在95%左右，理論上，如果光刻膠厚度為2um，則光刻獲得的臺階尺寸精度理論數(shù)值約為lOOnm，實際情況下可獲得的精度更低。因為光場在掩膜板后的近場傳輸過程中，光強分布的不均勻性急劇增加。另外，由于汞燈和LED的發(fā)光體為燈絲和熒光粉末，其光場中的微小散斑和顆粒無法被勻光器件徹底改善，因此曝光的表面粗糙度很難達(dá)到20nm附近。另外，掩膜光刻作為一種基于模版的復(fù)制工藝，其加工的靈活性較差。其次分析激光直寫。第一類激光直寫系統(tǒng)，采用激光光源、空間光調(diào)制器和成像光路。參圖Ia和圖Ib所示，由于其成像光路的孔徑限制，其輸入光場的高頻信息被濾除，導(dǎo)致其曝光生成多臺階結(jié)構(gòu)時，臺階的邊緣和頂面均有波紋和起伏，這一現(xiàn)象被稱為光學(xué)吉布斯現(xiàn)象。根據(jù)信息光學(xué)理論分析，增大光學(xué)系統(tǒng)的孔徑后，臺階的平面度僅僅會獲得有限改善，具體表現(xiàn)為，臺階中部的波紋幅度減小，波紋更細(xì)密(周期變小)，波紋分布逐漸向臺階兩邊收縮，但波紋的幅值基本穩(wěn)定在總幅值的10%附近。顯然，這對于精密的臺階結(jié)構(gòu)，是難以接受的。值得一提的是，增加光學(xué)系統(tǒng)的孔徑，意味著系統(tǒng)成本的急劇增加。如果，將系統(tǒng)的光源由激光改為汞燈和LED等非相干光，則遇到掩膜光刻的同樣的問題。另外，此時臺階的邊緣陡直性較差，因此光刻可獲得的臺階結(jié)構(gòu)的占空比較低。
另一類激光直寫系統(tǒng)，采用激光光源，光束掃描器件(或者說偏轉(zhuǎn)器件)和聚焦光路。其輸出光場為單個聚焦點，通過對聚焦點的精密均勻疊加，理論上可以實現(xiàn)上述的精密多臺階結(jié)構(gòu)。但是其主要問題是單點掃描加工方式，加工效率很低，而且所采用精密光學(xué)掃描器件的設(shè)備成本很高。最后，分析電子束光刻。電子束光刻系統(tǒng)的成本很高，而且加工效率極低。另外，由于電子束的曝光原理的特殊性，其曝光工藝不利于獲得鏡面級的光潔表面。由于光刻技術(shù)難以直接制作上述精密多臺階結(jié)構(gòu)，目前，工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H采用的主流方法是光刻加工結(jié)合化學(xué)刻蝕的方法。該方法，通過光刻的方法(包括掩膜光刻和激光直寫)控制臺階的二維圖形形狀，而通過化學(xué)刻蝕方法，例如反應(yīng)離子刻蝕RIE (ReactiveIon Etching)精密控制臺階的深度，同時可以獲得良好的表面光潔度。該方法的主要不足是1、兩個以上臺階，需要多次套刻，工藝繁瑣；2、化學(xué)刻蝕的加工時間很長，效率低；3、化學(xué)刻蝕需要真空環(huán)境，由于真空腔體的體積限制，其加工幅面非常有限?？傊?，現(xiàn)有加工方法無法直接地、高效地、低成本地制作大幅面的精密多臺階結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種三光束干涉光刻方法和系統(tǒng)，可以在光刻膠上直接制備大幅面的精密多臺階結(jié)構(gòu)，加工效率高，成本低，獲得的臺階表面光滑。為了實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案如下一種三光束干涉光刻方法，其中，激光束被位相光柵分光成三路光束后在加工工件表面實現(xiàn)N次干涉曝光，相鄰兩次曝光位置之間的錯位值為屯/N，其中，N為大于等于3的奇數(shù)，Cl1為曝光后的光強分布的周期，所述三路光束分別為復(fù)振幅相同的第一光束和第二光束以及O級光束。作為本發(fā)明的進一步改進，所述O級光束的復(fù)振幅大于等于所述第一光束或第二光束復(fù)振幅的2倍。相應(yīng)地，本申請還提供一種三光束干涉光刻系統(tǒng)，包括激光光源；
擴束準(zhǔn)直光學(xué)元件，將來自激光光源的激光束準(zhǔn)直成平行光；光學(xué)模板，用以控制曝光區(qū)域的形狀；位相光柵，對激光束進行分光；投影光學(xué)鏡組，接收所述分光后的激光束并將其匯聚到加工工件表面實現(xiàn)干涉曝光;楔形位相板，控制相鄰兩次曝光位置之間的錯位值為屯/N，其中，N為大于等于3的奇數(shù)，Cl1為曝光后的光強分布的周期。作為本發(fā)明的進一步改進，所述光學(xué)模板為掩膜或空間光調(diào)制器。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述投影光學(xué)鏡組包括第一投影光學(xué)鏡組和第二投影光學(xué)鏡組，作為本發(fā)明的進一步改進，所述楔形位相板位于所述第一投影光學(xué)鏡組和第二投影光學(xué)鏡組之間，所述楔形位相板位于所述第一光束或第二光束的光路上。作為本發(fā)明的進一步改進，所述三光束干涉系統(tǒng)還包括壓電陶瓷驅(qū)動裝置，所述楔形位相板由該壓電陶瓷驅(qū)動裝置驅(qū)動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用光學(xué)模板投影一位相光柵分光干涉光路。位相光柵將輸入平行光進行分束，多光束經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)，在光刻膠上曝光。干涉曝光后光場的復(fù)振幅分布接近于理想的余弦函數(shù)，受到光學(xué)系統(tǒng)有限孔徑的影響很小。通過多次曝光的對位疊加，在光刻膠上的總曝光強度為平頂分布，總光強的波紋可控制在1%以下，從而可以獲得精密的臺階結(jié)構(gòu)。在臺階的深度尺寸精度和臺階表面的粗糙度上，明顯優(yōu)于現(xiàn)有方法。通過本發(fā)明的三光束干涉光刻方法，可以在光刻膠上直接制備大幅面的精密多臺階結(jié)構(gòu)，加工效率高，而且所采用的元器件容易獲得，成本低。另外，采用三光束干涉曝光，對光柵和系統(tǒng)沒有消零級的要求，成本低，易于制備。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖Ia所示為現(xiàn)有技術(shù)中第一類激光直寫系統(tǒng)中空間光調(diào)制器中輸入的光場分布圖；圖Ib所不為現(xiàn)有技術(shù)中第一類激光直寫系統(tǒng)中用于光刻實際輸出的光場分布圖；圖2所示為本發(fā)明具體實施例中三光束干涉光刻系統(tǒng)的示意圖；圖3所示為O級光束的振幅比值k取值為I. 5時曝光疊加的光強分布；圖4所示為O級光束的振幅比值k取值為I. O時曝光疊加的光強分布；圖5所示為O級光束的振幅比值k取值為O. 4時曝光疊加的光強分布。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種基于干涉光刻和多次曝光疊加的加工方法，其基本思想是利用干涉光刻獲得接近理想的余弦類型的光強分布，然后通過多次曝光使得余弦類型的光強錯位疊加，從而使得總光強分布為一個水平直線，從而獲得平頂?shù)呐_階結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實施例公開了一種三光束干涉光刻方法，激光束被位相光柵分光成三路光束后在加工工件表面實現(xiàn)N次干涉曝光，相鄰兩次曝光位置之間的錯位值為屯/N，其中，N為大于等于3的奇數(shù)，屯為曝光后的光強分布的周期，所述三路光束分別為復(fù)振幅相同的第一光束和第二光束以及O級光束。相應(yīng)地 ，本發(fā)明還公開了一種三光束干涉光刻系統(tǒng)，包括激光光源；擴束準(zhǔn)直光學(xué)元件，將來自激光光源的激光束準(zhǔn)直成平行光；光學(xué)模板，用以控制曝光區(qū)域的形狀；位相光柵，對激光束進行分光；投影光學(xué)鏡組，接收所述分光后的激光束并將其聚到加工工件表面實現(xiàn)干涉曝光;楔形位相板，控制相鄰兩次曝光位置之間的錯位值為屯/N，其中，N為大于等于3的奇數(shù)，Cl1為曝光后的光強分布的周期。本發(fā)明的三光束干涉光刻方法和系統(tǒng)，可以在光刻膠上直接制備大幅面的精密多臺階結(jié)構(gòu)，加工效率高，成本低，獲得的臺階表面光滑。另外，采用三光束干涉曝光，對光柵和系統(tǒng)沒有消零級的要求，易于制備。為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護的范圍。圖2所示為本發(fā)明具體實施例中三光束干涉光刻系統(tǒng)的示意圖。參圖2所示，三光束干涉光刻系統(tǒng)10包括激光光源(圖未示)、擴束準(zhǔn)直光學(xué)元件(圖未不)、光學(xué)模板11、位相光柵12、投影光學(xué)鏡組13以及楔形位相板14。采用激光作為光源，其優(yōu)點在于激光具有良好的相干性，適于進行干涉光刻。另外，相比普通光源，激光具有良好的光場均勻性。擴束準(zhǔn)直光學(xué)元件，用以將來自激光光源的激光束準(zhǔn)直成平行光。光學(xué)模板11用以控制曝光區(qū)域的大小和形狀，也即臺階結(jié)構(gòu)的水平方向的大小和形狀。通常光學(xué)模板11的形狀為正方形。具體地，光學(xué)模板11可以采用鉻板等掩膜，也可以采用空間光調(diào)制器實現(xiàn)。位相光柵12用以對激光束進行分光，具體可以將激光束分成+1級(第一光束)、_1級(第二光束)光束以及O級光束。需要說明的是，激光經(jīng)過位相光柵12后，亦可產(chǎn)生±2、土 3等其他級光束，但是由于+1級兩路光束發(fā)散角小且能量大，本實施例中優(yōu)選采用土 I級兩路光束進行干涉。采用位相光柵12對激光束進行分光，易于實現(xiàn)穩(wěn)定可控的干涉光刻。優(yōu)點一，可以保證參與干涉的兩路光+1級和-I級光束的能量嚴(yán)格相等，初始相位相同，從而可以確保獲得理想COS輪廓的光強分布；優(yōu)點二，對激光光源的相干性要求很低，可以適用于多種激光器類型。位相光柵12，其空間頻率優(yōu)選較大數(shù)值，例如300線對/毫米以上。這樣分光后的多個級次的光束不易相互混疊，并且各個級次輸出光束平直性較好，從而使得經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)后，最終能在加工表面夠獲得接近 理想COS分布的干涉光強分布。但是位相光柵12的空間頻率也不宜太大，否則干涉條紋的周期相應(yīng)減小，對多次曝光錯位疊加的精度要求提聞。投影光學(xué)鏡組13，用以接收+1級和-I級光束并將該兩束光束匯聚到加工工件15表面實現(xiàn)干涉曝光。投影光學(xué)鏡組13包括第一投影光學(xué)鏡組131和第二投影光學(xué)鏡組132，激光光束分別經(jīng)過第一投影光學(xué)鏡組131和第二投影光學(xué)鏡組132后在加工工件15表面實現(xiàn)干涉曝光。楔形位相板14，用來實現(xiàn)高速高精度曝光錯位疊加。它位于+1級光路(或者-I級光路)與第二投影光學(xué)鏡組132前焦面的交點處。移動楔形位相板14，可以改變‘+I’級光路的初始位相，從而使得加工工件15上的干涉條紋沿著水平方向移動，進而實現(xiàn)多次曝光的錯位疊加。楔形位相板14可以由壓電陶瓷驅(qū)動裝置直接驅(qū)動。這種位相板移動方式，相比平臺移動方式優(yōu)勢明顯。楔形位相板14，相比平臺，質(zhì)量輕得多，因而相應(yīng)快，定位精度高。再者，楔形結(jié)構(gòu)具有幾何放大的效果，可以將微觀量級的移動，放大為宏觀量級的移動，因而定位精度大幅提聞。三光束干涉光刻系統(tǒng)10的曝光疊加的方式，它基于O級，+1級和-I級三光束干涉實現(xiàn)，具體分析如下設(shè)三光束的能量比例為+1級和-I級光束的光場復(fù)振幅相等，均為O. 5，0級光束的復(fù)振幅為k，三光束的干涉光場的復(fù)振幅分布為
權(quán)利要求
1.一種三光束干涉光刻方法，其特征在于，激光束被位相光柵分光成三路光束后在加工工件表面實現(xiàn)N次干涉曝光，相鄰兩次曝光位置之間的錯位值為屯/N，其中，N為大于等于3的奇數(shù)，Cl1為曝光后的光強分布的周期，所述三路光束分別為復(fù)振幅相同的第一光束和第二光束以及O級光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三光束干涉光刻方法，其特征在于，所述O級光束的復(fù)振幅大于等于所述第一光束或第二光束復(fù)振幅的2倍。
3.一種應(yīng)用權(quán)利要求I或2所述三光束干涉光刻方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括 激光光源； 擴束準(zhǔn)直光學(xué)元件，將來自激光光源的激光束準(zhǔn)直成平行光； 光學(xué)模板，用以控制曝光區(qū)域的形狀； 位相光柵，對激光束進行分光； 投影光學(xué)鏡組，接收所述分光后的激光束并將其匯聚到加工工件表面實現(xiàn)干涉曝光； 楔形位相板，控制相鄰兩次曝光位置之間的錯位值為cVU其中，N為大于等于3的奇數(shù)，Cl1為曝光后的光強分布的周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)模板為掩膜或空間光調(diào)制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述投影光學(xué)鏡組包括第一投影光學(xué)鏡組和第二投影光學(xué)鏡組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述楔形位相板位于所述第一投影光學(xué)鏡組和第二投影光學(xué)鏡組之間，所述楔形位相板位于所述第一光束或第二光束的光路上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述三光束干涉系統(tǒng)還包括壓電陶瓷驅(qū)動裝置，所述楔形位相板由該壓電陶瓷驅(qū)動裝置驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三光束干涉光刻方法和系統(tǒng)，其方法包括激光束被位相光柵分光成三路光束后在加工工件表面實現(xiàn)N次干涉曝光，相鄰兩次曝光位置之間的錯位值為dI/N，其中，N為大于等于3的奇數(shù)，dI為曝光后的光強分布的周期，所述三路光束分別為復(fù)振幅相同的第一光束和第二光束以及0級光束。通過本發(fā)明的三光束干涉光刻方法，可以在光刻膠上直接制備大幅面的精密多臺階結(jié)構(gòu)，加工效率高，而且所采用的元器件容易獲得，成本低。另外，采用三光束干涉曝光，對光柵和系統(tǒng)沒有消零級的要求，易于制備。
文檔編號G03F7/20GK102736451SQ20121022925
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者浦東林, 胡進 申請人:蘇州大學(xué)