專利名稱：雙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，尤其涉及一種雙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邊緣收縮，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。總之，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)明提出了一種雙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)方案如下一種雙光束干涉光刻方法，其中，兩路光束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 > 2，Cl1為曝光后的光強分布的周期，所述兩路光束干涉后的光場復(fù)振幅分布為余弦函數(shù)。相應(yīng)地，本申請還提供了一種雙光束干涉光刻系統(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)域的大小和形狀；分光元件，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，干涉后的光場復(fù)振幅分布為余弦函數(shù)；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 ^ 2，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，所述分光元件包括位相光柵。作為本發(fā)明的進一步改進，所述位相光柵抑制0級光束。作為本發(fā)明的進一步改進，所述分光元件還包括光闌，所述光闌遮擋來自所述位相光柵的0級光束。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，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兩路光束之一的光路上。作為本發(fā)明的進一步改進，所述雙光束干涉系統(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)明的雙光束干涉光刻方法，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。


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)明第一實施例中雙光束干涉光刻系統(tǒng)的示意圖；圖3所不為本發(fā)明第一實施例雙光束干涉光刻系統(tǒng)的兩次曝光的光強分布圖；圖4所示為本發(fā)明第二實施例中雙光束干涉光刻系統(tǒng)的示意圖。
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)。
為了達到上述目的，本發(fā)明實施例公開了一種雙光束干涉光刻方法，兩路光束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 ^ 2, Cl1為曝光后的光強分布的周期，所述兩路光束干涉后的光場復(fù)振幅分布為余弦函數(shù)。相應(yīng)地，本發(fā)明還公開了一種雙光束干涉光刻系統(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)域的大小和形狀；分光元件，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，干涉后的光場復(fù)振幅分布為余弦函數(shù)；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 ^ 2，Cl1為曝光后的光強分布的周期。本發(fā)明的雙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├?，本領(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)明第一實施例中雙光束干涉光刻系統(tǒng)的示意圖。參圖2所示，雙光束干涉光刻系統(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、分光兀件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可以采用鉻板等各種掩膜，也可以采用空間光調(diào)制器實現(xiàn)。分光兀件12用以對激光束進行分光,其包括位相光柵121和光闌122,位相光柵121將激光束分成+1級、-I級光束以及0級光束，光闌122用以遮擋0級光束。需要說明的是，激光經(jīng)過位相光柵121后，亦可產(chǎn)生±2、±3等其他光束，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±1級兩路光束進行干涉。采用位相光柵121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121，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121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。光闌122位于第一投影光學(xué)鏡組131和第二投影光學(xué)鏡組132之間，且位于0級光束的光路上。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。雙光束干涉光刻系統(tǒng)10的曝光疊加的方式，可以基于經(jīng)典的+1’級和‘-I’級雙光束干涉實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方法如下I、采用典型的雙光束干涉光路，曝光的光場復(fù)振幅分布為經(jīng)典的cos函數(shù)，可以記為
權(quán)利要求
1.一種雙光束干涉光刻方法，其特征在于，兩路光束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 ^ 2, Cl1為曝光后的光強分布的周期，所述兩路光束干涉后的光場復(fù)振幅分布為余弦函數(shù)。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求I所述雙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)域的大小和形狀； 分光兀件，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，干涉后的光場復(fù)振幅分布為余弦函數(shù)； 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 > 2，Cl1為曝光后的光強分布的周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)模板為掩膜或空間光調(diào)制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述分光元件包括位相光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述位相光柵抑制O級光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述分光元件還包括光闌，所述光闌遮擋來自所述位相光柵的O級光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙光束干涉系統(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，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兩路光束之一的光路上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙光束干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述雙光束干涉系統(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)明公開了一種雙光束干涉光刻方法和系統(tǒng)，其方法包括兩路光束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≥2，dI為曝光后的光強分布的周期，所述兩路光束干涉后的光場復(fù)振幅分布為余弦函數(shù)。通過本發(fā)明的雙光束干涉光刻方法，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。
文檔編號G03F7/20GK102722091SQ20121022967
公開日2012年10月10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)