二元光學(xué)器件光刻掩模的設(shè)計與制作

1、二元光學(xué)器件光刻掩模的設(shè)計與制作二元光學(xué)器件是指基于光波衍射理論，利用計算機輔助設(shè)計，并用超大規(guī)模集成電路制作工藝，在片基或傳統(tǒng)的光學(xué)器件表面上蝕刻產(chǎn)生多個臺階深度的浮雕結(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)器件。二元光學(xué)器件能實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)器件許多難以達(dá)到的目的和功能。制作二元光學(xué)器件的方法很多，如灰階掩模板法、激光熱敏加工法、金剛石車削法、準(zhǔn)分子激光加工法等。除這些方法外，采用光學(xué)逐層套刻的方法(光刻法)仍是目前最經(jīng)典有效制作二元光學(xué)器件的方法。在這種方法制作二元器件中，光刻掩模是必不可少的。掩模是采用某些材料制成(通常是在光學(xué)玻璃表面鍍金屬膜)，然后通過相應(yīng)工藝方法使其

2、產(chǎn)生透光和不透光的圖形分布。掩模的作用是在光線照射其上時使光線選擇性的透射和截止，而使其相向的基片感光層選擇性的曝光。套刻制作八臺階二元光學(xué)器件需要三塊掩模，三塊掩模圖案不同，每塊掩模光刻一層臺階，掩模的效果對二元器件的制作精度起著至關(guān)重要的作用，掩模是套刻曝光過程的前提和基礎(chǔ)。1光刻掩模的設(shè)計二元光學(xué)器件掩模設(shè)計主要有三個過程，即首先確定系統(tǒng)所需的相位分布函數(shù)，然后根據(jù)此函數(shù)進(jìn)行相位壓縮和量化得到二元光學(xué)器件的相位分布圖，最后將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換及輸出。11相位分布函數(shù)的確定相位分布函數(shù)的確定這一過程是通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行的。對于所研究二元光學(xué)器件來說都有兩個二元面，每個二元相位面

3、由兩部分組成：基底面形和相位分布，兩個二元面的基底面形都等同于一個偶次非球面，面形高度可以表示為cr21+V1-(1+k)c2r2+fa1i=11)式中，r是二元光學(xué)器件半徑，c是二元面基底的曲率，k是基底的圓錐系數(shù)。對于實際使用的二元光學(xué)器件來說，基底通常是平面或球面。由軟件設(shè)計得二元面相位分布函數(shù)為2)二藝AE(x,y)iii=0二迓Ap2i=迓A(r/r)2(3)iii=0i=0式中，E.(x,y)是按某種方式排列的關(guān)于x,y的多項式，r是器件的歸一化半徑，p是歸一i化后的半徑。對于折衍射系統(tǒng)的設(shè)計來說，二元光學(xué)器件的相位分布函數(shù)是對整個系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化后得到的結(jié)果。這里得到的相位分布函

4、數(shù)不適合所有波段，只是針對系統(tǒng)的中心波長。12相位轉(zhuǎn)化相位轉(zhuǎn)化是將初始的相位分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為二元光學(xué)器件的相位分布。轉(zhuǎn)化過程依據(jù)標(biāo)量衍射理論。通常二元光學(xué)器件引入的相位分布被壓縮到0,2m，n內(nèi)。m是一整數(shù)，對于經(jīng)典的二元光學(xué)器件，m=1；隨著加工技術(shù)的發(fā)展，為提高衍射效率，出現(xiàn)了m1的二元光學(xué)器件。根據(jù)制作工藝的需要，這種相位分布必須經(jīng)過量化，以適應(yīng)多臺階二元光學(xué)器件的需要。量化有兩種方法：(1)離散化表示，就是選擇一個適當(dāng)?shù)姆指罘椒▽⒍鈱W(xué)器件所在曲面網(wǎng)格化，用每個格點上引入的光程差來描述二元光學(xué)器件。對于采用連續(xù)的光程分布描述比較困難或在優(yōu)化設(shè)計時采用離散相位分布的二元光學(xué)器件，這種方法

5、比較適合；(2)連續(xù)函數(shù)變換法，即對未經(jīng)壓縮的相位分布函數(shù)作用一個變換函數(shù)T(0)，得到最終的相位分布。實際運用中，通常是將二元光學(xué)器件的相位分布壓縮到02m,n中，量化時采用連續(xù)函數(shù)變換法。變換的函數(shù)只和相關(guān)值有關(guān)。常用的變換函數(shù)有：T(卩)二卩int(/2mn)-2mnqkt(爭)二(畔巴)-竽-qB2mnN(5)式中int(x)取整函數(shù)，得到小于x的最大整數(shù)；q為深度比例因子，當(dāng)q不等于1時，表示因加工誤差或設(shè)計波長和使用波長的偏差，二元光學(xué)器件含深度誤差。連續(xù)相位分布函數(shù)經(jīng)2mn壓縮函數(shù)Tk(0)變化后，即成為連續(xù)型衍射光學(xué)器件；連續(xù)相位分布經(jīng)臺階量化函數(shù)T()變換后，成為N臺階二元光

6、學(xué)器件，見圖1。B(a)初始相位(b)壓縮相位(c)量化相位圖1相位分布函數(shù)處理過程Fig.1dealwithprocessofphasedistributionfunction13數(shù)據(jù)輸出根據(jù)量化后的結(jié)果，求出各轉(zhuǎn)折點處的半徑值，即得到最后的掩模數(shù)據(jù)。圖2為與掩模數(shù)據(jù)表1對應(yīng)的掩模圖案。表1掩模數(shù)據(jù)表(mm)Tab.1maskdatetable(mm)19.670318.6471一次套刻掩模套刻掩模半徑0.000016.561317.969719.6703二次套刻掩模00.000009.906215.568316.561317.305917.959818.647119.6703三次套刻掩模0

7、0.000009.906215.568316.561317.305917.959818.647119.670300.000009.906215.568316.561317.305917.959818.6471Fig.2maskfigure2掩模的激光直寫實驗中掩模制作選用的基片材料是石英玻璃，首先在其表面鍍鉻膜。鉻膜表面涂覆正型光致抗蝕劑，經(jīng)激光輻照曝光部分的抗蝕劑發(fā)生分解反應(yīng)并在顯影液中被溶解去除，而未曝光部分被保留而形成抗蝕保護(hù)層，經(jīng)后續(xù)的對鉻膜腐蝕等處理后形成鉻膜的掩模圖案圖3制作掩模工藝流程Fig.3processoffabricatingmask掩模制作具體工藝流程如圖3。其中，基片

8、預(yù)處理、鍍膜、涂抗蝕劑、前烘、顯影、后烘、腐蝕和去膠等，與普通光刻基本相同，不再贅述。這里僅討論直寫曝光過程。21直寫原理極坐標(biāo)激光直寫設(shè)備由工控計算機、激光器、光路準(zhǔn)直透鏡組、自動聚焦系統(tǒng)、徑向坐標(biāo)控制系統(tǒng)、角度坐標(biāo)控制系統(tǒng)等組成。計算機按照二元光學(xué)器件掩模設(shè)計數(shù)據(jù)控制聲光調(diào)制器，對激光強度進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)透鏡組準(zhǔn)直后由自動聚焦系統(tǒng)聚焦到鉻板表面光致抗蝕劑層。同時，計算機通過角度坐標(biāo)控制系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)臺角速度和角位移，利用徑向坐標(biāo)控制系統(tǒng)控制直寫頭徑向位移，對旋轉(zhuǎn)臺上鉻板光致抗蝕劑層進(jìn)行定位、定量曝光，從而實現(xiàn)對掩模圖案的刻寫。22工藝參數(shù)對線寬的影響在通常的光刻工藝中，線條輪廓是由抗蝕劑層內(nèi)曝光

9、量的空間分布決定的，曝光量等于曝光光強與曝光時間的乘積。而在激光直寫過程中，曝光光強是由寫入焦斑光強度分布決定，曝光時間則由掃描速度決定。因此，激光直寫的曝光量由掃描速度和寫入焦斑光強共同決定。可見，焦斑光強分布和掃描速度是激光直寫光刻研究中兩個重要的工藝參數(shù)。激光直寫中，掃描速度和線寬的關(guān)系，實質(zhì)上是掃描速度與曝光量的關(guān)系，可以通過基片預(yù)處理條件和顯影條件的選擇，使曝光量與寫入線寬成線性關(guān)系。當(dāng)寫入焦斑光強度分布不變時，顯影后抗蝕劑層內(nèi)的線寬反映了曝光量的大小，在準(zhǔn)確調(diào)焦后，先以運動平臺允許的最快掃描速度和最佳曝光量初始條件來計算寫入焦斑的光強。然后，通過調(diào)制輸出到光刻物鏡的光路計算，確定輸

10、出功率與曝光量的關(guān)系。最后通過多次實驗來校正曝光量和調(diào)制光輸出功率的對應(yīng)關(guān)系。最后得出抗蝕劑層內(nèi)線寬與掃描速度的關(guān)系曲線如圖4。1I才jJ-J-ViI-/-；-jl-JtA1.1JU*.*.*JfrBAjU圖4線寬與掃描速度關(guān)系的關(guān)系曲線Fig.4curveofstringwidthandscaningspeed23激光功率、徑向位置坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)關(guān)系在極坐標(biāo)寫入系統(tǒng)中，對于不同的徑向坐標(biāo)，光斑在抗蝕劑膜上掃描的線速度不同，如果不改變激光功率，抗蝕劑層內(nèi)得到的線條寬度就不同，隨著半徑的增大，線速度隨之增大，環(huán)帶的線寬會變窄。因此要寫入相同的線寬，在不同徑向位置掃描環(huán)帶上的曝光量相同的條件下

11、，需要調(diào)節(jié)激光功率的輸出。半徑越大，激光功率越大。由曝光量的定義可以得到激光功率、徑向位置坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)關(guān)系為P=CWrd(6)其中P為激光輸出功率，W為旋轉(zhuǎn)角速度，r為寫入圓環(huán)半徑，d為單次掃描線寬，是與對應(yīng)的最佳曝光量常數(shù)。環(huán)帶徑向位置和寬度控制精度是極坐標(biāo)寫入圓對稱圖形最基本和必要的要求，徑向位置由光軸和旋轉(zhuǎn)軸對準(zhǔn)精度和X軸定位精度決定，環(huán)帶寬度控制精度則與徑向位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)速度和激光功率有關(guān)。(a)掃描軌跡(b)線條橫截面圖5寫入圓環(huán)線條截面輪廓分析示意圖Fig.5sketchmapofroundstringsectioncontour這里應(yīng)該指出：寫入光斑有一定尺寸，徑向強度呈高

12、斯分布，如圖5所示。掃描光斑直徑兩端點A、B線速度不同，A、B點曝光量也不相同，這會導(dǎo)致抗蝕劑層內(nèi)圓環(huán)線條橫截面輪廓不對稱。用曝光量代替得到曝光量與徑向坐標(biāo)的關(guān)系式為E二卩(7)co-r-d由(7)式可以看出，寫入半徑越大，內(nèi)外徑位置曝光量差值越小，圓環(huán)線條內(nèi)外兩側(cè)壁角的差距越小。由公式(6)得到不同徑向位置與激光功率的關(guān)系如圖6所示。grM口業(yè)Radius(u)圖6徑向位置與激光功率的關(guān)系Fig.6Theconcernofcenterpositionandlaserpower24直寫系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置激光輸出能量密度：調(diào)節(jié)范圍20-llOmJ/cm，曝光步距與激光能量密度關(guān)系如表2所示。表2激光能

13、量密度與曝光步距的關(guān)系Tab.2concernoflaserpowerdensityandexposestep曝光步距(屮】)0.10.20.25激光能量密度(mJ/cm2)1256350自動調(diào)焦增益：調(diào)焦增益設(shè)的太低，調(diào)焦反應(yīng)慢，當(dāng)工作臺移動較快時，可能跟不上相反，調(diào)焦增益設(shè)的太高，調(diào)焦反應(yīng)快，可能產(chǎn)生振動。選取中間值4-5。(3)正負(fù)圖形選擇：根據(jù)實際需要，可對同一設(shè)計選寫正圖形或負(fù)圖形。實驗中選擇直寫正圖形。(4)離焦量選擇：離焦量反應(yīng)的是聚焦激光束的束腰與抗蝕劑表面的偏移量，離焦量對圖形線條邊緣陡度和精細(xì)線條寬度有明顯影響，膜厚不同應(yīng)選取不同的離焦量，特別對微米級線條，更要通過實驗精確

14、選擇。經(jīng)實驗確定離焦量選取260nm較為合適。3誤差分析極坐標(biāo)激光直寫系統(tǒng)在寫入圓對稱器件過程中會引入一些誤差，這些誤差主要包括兩部分，分別是尺寸誤差和坐標(biāo)誤差。3l尺寸誤差尺寸誤差是指理論計算尺寸與實際寫入線條尺寸的差別，即寫入的環(huán)帶寬度差。其產(chǎn)生的主要原因有：徑向位置與激光功率的對應(yīng)關(guān)系失調(diào)；不準(zhǔn)確的曝光量導(dǎo)致線條寬度變化；重疊寫入不準(zhǔn)確引起的線寬變化。另外一些誤差與寫入系統(tǒng)無關(guān)，而與工藝條件、顯影、抗蝕劑的分辨率、基片的預(yù)處理等有關(guān)。在寫入工藝流程中每個環(huán)節(jié)上都會帶來誤差，導(dǎo)致線條寬度變化。寫入之前還應(yīng)該注意基片的抗蝕劑層必須保持平整，局部變化高度應(yīng)小于焦深范圍。否則，會明顯出現(xiàn)局部離焦

15、導(dǎo)致曝光不足，致使局部線條不清晰。32坐標(biāo)誤差坐標(biāo)誤差是寫入環(huán)帶的理論計算坐標(biāo)與實際寫入位置的差別。主要來源有：(1)旋轉(zhuǎn)軸和光軸對誤差導(dǎo)致極坐標(biāo)原點定位不準(zhǔn)確；（2）寫入過程中坐標(biāo)原點的漂移。漂移是由直寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引起的，主要是機械結(jié)構(gòu)受到如溫度變化引起的熱漂移，氣浮主軸的機械部件和光柵尺的膨脹等影響。熱漂移與環(huán)境溫度穩(wěn)定性和電機、電子器件以及激光器的熱量排放有關(guān)，這些影響可以通過在寫入之前整個系統(tǒng)運行幾個小時使溫度平衡來減小到最小（；3）光斑在旋轉(zhuǎn)盤上的運動軌跡與理想圓的偏差。由主軸旋轉(zhuǎn)中心的偏差（徑向跳動即離心）和旋轉(zhuǎn)軸的角偏差（旋轉(zhuǎn)軸向擺動）組成，須在主軸旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速值

16、，并穩(wěn)定一段時間后才可以寫入曝光，才能保證圓環(huán)線寬有好的均勻性。4結(jié)論本文分別采用相位分布函數(shù)轉(zhuǎn)化和激光直寫方法對掩模進(jìn)行了設(shè)計和制作，制得掩模符合使用要求。實驗驗證，器件徑向位置與激光功率的對應(yīng)關(guān)系失調(diào)是產(chǎn)生尺寸誤差的主要原因，寫入過程中坐標(biāo)原點的漂移是由直寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引起的。掩模精度的高低將直接影響二元器件的衍射效率。實驗中制得掩模誤差值小，環(huán)帶半徑誤差控制在0.10.2Am范圍內(nèi)，經(jīng)套刻所制得二元器件衍射效率達(dá)到91.25%（理論衍射效率95%）。參考文獻(xiàn)葉均八臺階二元光學(xué)器件套刻誤差的逐層分析與研究，J浙江大學(xué)報，1999,23（2）：157162.米鳳文，沈亦兵，楊國光衍射光學(xué)元件衍射效率影響混合光學(xué)系統(tǒng)性能的一種方法J.光子學(xué)報，2000,29（4）：436439.