无掩模激光干涉光刻技术研究

量　、潮量、　■Ｉｌ工｜．Ｌ木鼻谖　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｍｉｃｒｏｆｓｂｄｃａｔｉｏｎ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　一　无掩模激光干涉光刻技术研究　冯伯儒　，张苏　平　２．四川大学物理系，四）ｌｌ成都锦　一，宗德蓉　，蒋世磊　，　，陈宝钦　，陈　芬　６１０２０９　６１００６４；３．中国科学院微电子中心＋北京６３７００２）　（１．中国科学院光电技术研究所，微细加工光学技术国家重点实验室，四川成都４四川师范学院物理系，四川南充１０００２９；　摘要：介绍了一种不用掩模的光刻技术——激光干涉光割技术的基本原理＋给出了干涉光刻技术　的主要特点及一些可能的应用＋并对实验系统和初步实验结果进行了分析。研究表明．激光干涉　光刻具有大视场和分辨率高和视场宽等优点。　关键词：微光刻技术；干涉先剥；场发射显示器；无掩模光刻技术　中图分类号：ＴＮ４０５文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—４７７６｛２００２）０３—００３９－０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｍａｓｋｓ　ＦＥＮＧ　Ｂｏ—ｍ　，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎ　一，ＺＯＮＧ　Ｄｅ—ｒａｎｇ　，ＪＩＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｌｅｉ　，　ＳＵ　Ｐｉｎｇ　２　ＣＨＥＮ　Ｂａｏ・ｑｉｎ　，ＣＨＥＮ　Ｆｅｎ４　（１＆哦Ｋｅｙ￡曲ｏｆ印ｔｉｃｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．ｔｏｒ　Ｍｉｃｒｆｏａｂｒｅｉ￣ｉｏｎ，ｔｎｓｔｉｔｏｚｅ　ｏｆ　０ｐｔｉｃｓ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　…　６１０２０９，Ｃｈｉ￣；２．Ｄｅｐｔ　ｏｆＰｈｙｓ￣ｓ．Ｓｉｅｈ￣ｚ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．　６１００６４，Ｃｈｉｎａ；３　Ｃｅｎｔｅ　ｒ　Ｍｉｅｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉ￣ｓ．Ｃｈｉ　Ａｃａｄｅｍｙ《Ｓｃｉｅｎｃｅｓ．Ｂｅ　ｉ　１０００２９，Ｃｈｉｎａ；４．Ｄｅｐｔ　ｏｆ　ｙｓｉｃｓ．ＳｉｃｈｍｍＮｏｒｍｄＣｏｌｌｅｇｅ，Ｎ４ｚ，ｗｈｏｎｇ　６３７００２．Ｃｈｉａ）ｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐ　ｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｅｃｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ａｌｓｏ．ｈｅＴ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｌａｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｆｉｅｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｂｙ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ；ｆｉｅｌｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｉｓｐＪａｙ；ｍｉ—　ｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｍａｓｋｓ　１　引　言　光刻技术的发展突飞猛进，光刻工艺和微电　子光刻设备也随之发展。光刻技术多年来的目标　一光刻分辨率的主要方法是增大投影光刻物镜的数值　孔径（ＮＡ）、减小曝光波长（Ａ）和采用减小ｋ　因　子的增强光刻技术，如相移掩模（ＰＳＭ）技术、离　轴照明（ＯＡＩ）技术、光学邻近效应校正（ＯＰＣ）、　光瞳滤波（ＰＦ）技术、驻波效应校正、多层抗蚀　剂上表面成像技术以及其它一些波前工程技术：　直是提高光刻分辨率，改善实际工作焦深，推　进光刻技术极限和促进微电子工业的发展。提高　收稿日期：２００１—１１—０８　国家自然科学基盒（６００７６０１９１资助　ｏ　微纳电子技术　２００２年第３期　维普资讯 http://www.cqvip.com

●、　●＼．　Ｉ｜．Ｉ工　木ＪＩＩ麓｜ＩＩ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　传统投影光刻技术目前已达到０．１３１．Ｌｍ临界尺　寸（ＣＤ），其产品已面市。发展０．１ＯＩ．Ｌｍ及以下尺　寸的光刻技术已成为当今微电子光刻技术领域的　主题　各国纷纷提出和研究所谓的“下一代”光　刻技术，并推进其实用化进程，如发展极紫外　（ＥＵＶ）光刻、ｘ射线光刻、电子束投影光刻和离　子束投影光刻技术等。同时也有一些其它技术可　用于发展光刻技术，如全息光刻技术、双曝光光　刻技术、混合匹配光刻技术、原子光刻技术以及　激光干涉光刻技术等。　平板显示器市场是电子工业中增长最快的一　部分，场发射显示器为生产平板显示器提供一种　有希望的方法。与液晶显示器相比，场发射显示　器（ＦＥＤ）提供了减小生产复杂性、降低成本、增　加亮度、改善视角特性和降低功耗的可能性。用　于场发射显示器的光刻技术必须满足大视场、高　分辨的要求，这些将大大提高光刻设备和工艺的　＝　图１干涉光射原理　平面内产生的垂直于　轴的光栅的光强分布为　，（　１＿　［１＋ｅｏｓｋｘ（ｓｉｎＯＬ＋ｓｉｎ０２）］　２，Ｄ　。ｓ（ｚ一　［１＋ｃｏｓ（２ｗｘ／ｄ）］　式中：　＿　（１）　成本。所幸的是，激光干涉光刻能产生亚微米、　甚至纳米尺寸的周期性阵列图形，能与场发射显　示器生产的要求相匹ｌ配。无疑，激光干涉光刻技　术在微电子、光电子和大尺寸平板显示器等领域　有广阔的应用前景。　（２）　ｄ为产生的光栅周期；＾为曝光波长　厶为每束平　面波的强度。　２基本原理　无掩模激光干涉光刻技术的基本原理在于不　用任何事先制作好的掩模，而用激光束的干涉，　若　＝　Ｆ０，则式（２）变成：　（３）　当　一÷９０。时，ｄ＿＋Ａ／２，特征尺寸ＣＤ＿＋＾／４。　表１示出ｅｔ＝０２＝０＝６０。和９０。时。计算得到的结果。　襄１　干涉光刻产生的最小特征尺寸　经过双光束、多光束一次曝光或双光束、多光束　多次曝光产生周期图形，如周期性光栅、孔阵、　点阵、柱阵图形等，以满足某些特定应用场合的　要求。　干涉光刻无需采用掩模，不用昂贵的光刻镜　头，可用一般光刻光源和抗蚀剂，相对简单、廉　价，较易达到高分辨率（ＣＤ极限为１／４波长）；　大视场曝光，场深大，图形对比度高，用现有激　光光源和光致抗蚀剂就能满足场发射显示器目前　提出的最具挑战性的问题——约０．１微米尺寸图　产生的图形的特点在于不论周期ｄ取值如何，　均具有零强度极小值，因此调制度　为：　，　一，　＝　＝ｌ　（４）　』～　Ⅻｎ　形。场发射器的实现和希望在于发展大面积、高　产额、亚微米甚至纳米光刻技术。　式中：，眦和』～分别为产生的图形中的最大和最小　强度值。　调制度　与光栅周期ｄ无关，而在传统光刻　技术中，调制传递函数在低空间频率（空间频率　图１示出干涉光刻的原理。设两束平面波分　别以　和　角入射于记录介质基片上，则在记录　微纳电子技术　２００２年第３期●墨，　维普资讯 http://www.cqvip.com

重●、　童＼｜Ｉ．．１．１．玉　章　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　￣－ｌ／ｄ）时为１，接近光刻系统极限分辨率时减小　们采用的实验系统光路如图３所示。图中记录介　到０．５，高于极限分辨率时降为零。　由式（３）可见，当ｐ为９０。时，在等线宽间　隔图形情况下，产生的图形特征尺寸为ｃＤ＝ｄ／２＝　，４。　质可在其平面内任意转动，便于进行双曝光或多　曝光。实验系统调整要求得到好的平面波，两光　束强度相等，光程差在激光相干长度之内，最好　尽量调相等，此外系统应便于精密调整两光束夹　角，以适应不同周期图形的产生。光束需经过针　双光束曝光产生正弦光栅，用双光束干涉图　形以一定方式多次重迭曝光，或多光束多次曝光　方法可以产生多种结构的二维图形。而且干涉光　孔空间滤波，以提高空间相干性和保证光束的均　匀性，在曝光期间应维持激光功率的稳定性，曝　光量要适当，显影要合适，才能得到良好的等线　宽间隔图形。整个实验装置应放在气浮减振光学　平台上。　刻方法焦深大，特别适合于视基片平面度及形貌　为关键问题的大视场的应用，由于无需拼接，也　消除了临界尺寸拼接误差的影响。　用多光束曝光可产生对微电子器件有用的结　构，多曝光提供了任意周期、方向和相位的正弦　渡相加之和，可以产生多种周期性图形。用少量　次数的曝光可以容易地形成高度复杂的一维和二　维图形，完全超出现行光刻技术的能力！ｌｊ　ｏ例如　双光束曝光时，两次曝光之间记录材料旋转不同　的角度可以得蓟不同形状结构的周期图形，转动　９０。得到圆孔阵列，转动４５。得到椭园形孔阵等。　图２示出不同曝光方法及产生的不同间距图　图３干涉光刻实验系统示意图　形之一例，图２（Ｂ）、（ｂ）、（ｃ）产生的图形　（点）间距分别为ｄ，２ｄ，、／２ｄ。　图中：Ｌ为激光器，Ｓ为快门，Ｔ为曝光时间　控制器，Ｉ．】，ｋ为透镜，ＰＨ为针孔滤波器，ＢＳ为　分束器，Ｍ　，Ｍ　，Ｍ　为反射镜，Ａ　，Ａ　为衰减器，　Ｒ为抗蚀剂基片及可转动夹持器。　图４与图５示出部分实验结果。　初步实验表明，用激光干涉光刻方法，可以　＼／＋＜　静　（８）双光束双曝光　较方便和较容易产生高分辨率周期图形，采用夹　角ｐ约为２３。时，图形特征尺寸约０－３　ｍ。图形的　＼ｌ／＋≤或斗　瓣　ｂ）三光束双曝光或五光束单曝光　对比度很好。　４特点及应用　干涉光刻可用以产生具有陡的侧壁、大的深　宽比和深亚微米尺寸的抗蚀剂结构阵列图形，结　＋㈦…三　构的形状使得它们能很好地适用于图形转移和器　件制造。干涉光刻是一种可靠的图形产生技术，　具有极好的ｃＤ控制和大的工艺宽容度。　干涉光刻能在大视场内，处处达到深亚微米、　３激光干涉光刻实验　干涉光刻最基本的实验是两平面渡干涉，我　甚至纳米级的分辨率。　干涉光刻的焦深实际上是无限的，与制作场　发射显示器要求相吻合。　●　搬纳电子技术　２００２年第３期　维普资讯 http://www.cqvip.com

童簟、　羹、｜Ｉ■　工ｔ求与Ｉｔ，Ｉｔ－　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　等光学元件；　・理论上，用双光　束、多光束的多次曝光　方法，当曝光次数很大　时．可　产生任意形状　的周期图形，用于微电　子、光电子领域：　・干涉光刻的原理　可用于相干原子束光刻　技术研究。　５　结束语　综上所述，无掩模　图４线阵ＳＥＭ照片　围５　Ｌ阵ＳＥ　照片　激光干涉光刻技术以其　自身的特点．具有广阔　ＰＳＭ，ＯＡＩ，ＯＰＣ，深紫外光刻等也可用于产　生类似的图形结构，但需经修改才能适应ＦＥＤ的　要求，要达此目的，可能既不现实，经济上也不　划算。干涉光刻的优越性在于提供了制作具有深　亚微米门宽度ＦＥＤ的方法，使ＦＥＤ能在低压工　作，并且能采用ＣＭＯＳ驱动电路，而且也可用于　制作１８０ｎｍ以下和纳米结构，以及用于Ｘ射线光　刻掩模的制作　干涉光刻是一种无掩模光刻方法，无需掩模　的应用前景，其研究正方兴未艾。干涉光刻可用　相对简单、廉价的系统装置相对容易地实现高分　辨率大视场曝光，由于干涉图形调制度高、焦深　大，在曝光场内，处处均可达到高分辨率。其产生　的周期图形形状可用多次曝光控制．图形周期大　小可通过改变相干光束夹角或多光束曝光实现，　且用传统激光光源就容易达到纳米级分辨率。　对于大尺寸平板显示器．如场发射显示器之　类器件的制作，正好需要大面积高分辨周期图形．　干涉光刻技术正好适应了这些器件的发展需要．　而且自身也得到了飞速的发展。　参ｇｒａｐｈｙＪⅧ就可产生多种结构、不同疏密程度的周期图形　激光干涉光刻技术的可能应用包括：　・用于制作ｕＬＳＩ器件、场发射显示器、冷阴　极射频源、高速场效应晶体管和ＭＳＭ光电探测　器、表面声波器件；　・按物理光学尺度制作用于高性能太阳能电　池的结构；　考文献　。１：ＺＭｄｉ　Ｓ　Ｈ．１￣ｒｕｅｃｋ　ｓ　ＩＩ　Ｊ．Ｍｕｈｉｐｌｅ—ｅｘｐ。ｓｕ　ｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｍｍｅｔｒｉｃ　Ｌｉｔｈｏ—　ｓｃ　ＴｅｅｈｎｏＩ．１９９３．Ｂ１　ｌ　ｌ３）：６５８－６６６　［２］冯伯儒．张绵，侯德胜等用于产生场发射器阵列图形的干涉　光刻拄术全国光电技术学术交流会论文集，５９３～５９６．１９９９　ｌ０．　７一ｌ３，昆明　・用于纳米材料、新型光电子器件研究和用　于外延材料生长的纳米结构基片；　・采用干涉光刻可以制作高分辨率位相光栅，　用于制作光纤布拉格光栅等器件；　・采用双光束正交曝光光刻得到的正交位相　光栅可用于离轴照明光刻系统中高效率地产生离　轴照明光束；　・用干涉光刻技术还可以制作全息透镜阵列　［３］冯伯懦张锦．侯德胜等．高分辨全息光栅制作技术垒国光电　３～８．北海　技术学术交流会论文集．４４２—４４５．２０００．儿冯伯儒男，研究量，博导．主要从事散细加工光学技术和　激光应用研究　张锦女．副研究员．博士生，主要从事徽细加工光学技　术和光学橙铡研究。　宗德蓉女．副研究员．主要从事激光和声光技术研究＝　徽纳电子技术　２００２年第３期・曙多　磁　…　痞　ｒ，，　Ｍａｒｃｈ　２００２