上海理工大学学报  2022, Vol. 44 Issue (6): 540-545   PDF    
基于深紫外激光器的大面积干涉光刻装置研究
张岭, 胡海峰, 顾亮亮, 詹其文     
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
摘要: 搭建了基于266 nm波长深紫外光源的干涉光刻装置,使用平顶光整形器将高斯光整形成平顶光束,在硅基底上制备出面积为8.9 mm×25.4 mm、周期为407 nm的一维光栅结构图形和周期为860 nm的二维孔洞结构。使用扫描电子显微镜(SEM)测量了平顶光产生的一维干涉结构的线宽、周期等参数,并与高斯光产生的一维干涉结构参数进行对比。实验结果表明,加入了平顶光整形器的干涉光刻装置产生的周期性光栅结构图形均匀性提升了21.36%。
关键词: 激光干涉光刻     平顶光     深紫外激光     光栅结构     微纳加工    
Large-area interference lithography setup based on deep ultraviolet laser
ZHANG Ling, HU Haifeng, GU Liangliang, ZHAN Qiwen     
School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: The setup based on deep ultraviolet light source with a wavelength of 266 nm was built for interference lithography and a flat-top beam shaper was used to turn Gaussian light into a flat-top beam. Both a one-dimensional grating structure pattern with an area of 8.9 mm×25.4 mm and period of 407 nm, and a two-dimensional hole structure with a period of 860 nm were successfully achieved on silicon substrate. The linewidth, period and other parameters of the one-dimensional interference structure generated by flat-top beam with SEM were measured, and also a comparison was made with the parameters of the one-dimensional interference structure generated by Gaussian light. The experimental results show that the interference lithography setup with flat top beam shaper can produce periodic grating structure patterns with better uniformity, which is increased by 21.36%.
Key words: laser interference lithography     flat-top beam     deep UV laser     grating structure     micro-nano processing    

在过去的几十年,微纳加工技术取得了长足的发展,诞生了纳米压印、激光干涉光刻等多项加工技术[1-3],采用微纳加工技术制造的周期性阵列结构被广泛应用在光子晶体[4]、微流体装置[5]、谐振波导[6]、激光制造[7]及超表面[8]等领域。微纳加工技术包括传统的紫外光刻、纳米压印、聚焦离子束光刻以及电子束光刻等技术[9]。紫外光刻技术已经做成商业化的光刻机,其集成化、自动化程度高,操作简单,工艺稳定;但是,传统的紫外曝光受到掩模版衍射极限的限制,极限分辨率只能达到0.5 μm,虽然结合了多种提升分辨率的方法,如采用波长更短的极紫外(EUV)光源、多重曝光技术等,结构的关键尺寸已经达到了5 nm以下,但曝光系统各方面功能很难完全实现[10]。聚焦离子束光刻具有极高的分辨率,一般是制作光学掩膜的方法,但是,其需要昂贵的设备,并且加工时间很长,导致生产效率很低[11]。纳米压印可以制备大面积高分辨率的图形结构,但是,制作纳米结构的模板是纳米压印的前提,同时在压印过程中的操作不规范使得模板容易损坏成为消耗品[12]。电子束光刻和聚焦离子束相似,可以加工任意图形并且拥有极高的分辨率,但是,依赖昂贵的加工仪器,并不适用于大规模工业生产[13]

激光干涉光刻是一种无掩膜的微纳加工技术,利用光束之间的互相干涉形成大小不一的光强,在光刻胶上生成干涉周期图案,相比于其他的微纳加工技术,具有曝光面积大、生产效率高等优点[14]。针对激光干涉光刻装置,一般使用劳埃德(Lloyd)干涉和双光束干涉两种方式。双光束干涉可以提供更大的曝光面积,但是,由于其本身的设计对系统的稳定性要求更高,同时每次改变周期都需要调节双光束之间的夹角,造成光路调节困难,效率低下[15]。Lloyd干涉装置调节光路简单,改变周期容易,成本低,非常适合科研实验的需要,但是,在实际应用中,由于激光产生的高斯光在不同区域具有不同的光强度,使得光刻胶不同曝光区域的曝光剂量有差异,最终会导致产生的干涉图案的线宽均匀性差[16]。本文在Lloyd干涉光刻装置中引进了平顶光整形器,将高斯光整形成中心强度均匀的平顶光光束,可产生高质量的均匀线宽干涉结构,对后续转移光刻胶图形获得高质量的周期结构有极大的帮助,非常有利于制作高质量的周期性结构图形。

1 实 验 1.1 干涉光刻装置搭建

Lloyd干涉光刻装置如图1所示。该装置由针孔滤波器、2个扩束系统、平顶光整形器、光开关和Lloyd干涉样品台组成。图中L1,L2,L3,L4为光学透镜,M1为反射镜,FTBS为平顶光整形器,S为光快门。


图 1 Lloyd干涉光刻装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of Lloyd’s interference lithography setup

由深紫外激光器产生的波长为266 nm、光斑直径为0.6 mm的高斯光束经过爬升架后,经焦距为20 mm的透镜L1聚焦,在焦点处放置一个15 μm的针孔,将激光器光束的高频部分和透镜带来的光学噪声滤除,从而生成纯净的高斯光斑;再经过透镜L2扩束并准直变成光斑直径6.2 mm的光斑进入平顶光整形器(πShaper 6_6_266, AdlOptica),输出一个光斑直径为5.2 mm的平顶光光斑,该平顶光光斑从中心到边缘的光功率变化率仅为18.6%。再次经过1个扩束系统,在第2个扩束系统的焦点处放置了1个光快门S,用来控制曝光时间,最终输出光斑直径为39 mm的平顶光束。以上步骤使用CCD相机观察了光斑的质量,如图2所示。


图 2 不同位置CCD相机采集的图像 Fig. 2 Images acquired by CCD cameras in different positions

在平顶光光斑到达的位置上放置了Lloyd干涉装置,如图3所示。它的一臂夹持了对266 nm波长反射率大于90%的25.4 mm大小的方形反射镜,另一臂作为光刻的样品台可以真空吸附硅片。两臂以铰链式结构连接,可以自由旋转。平顶光一部分的光被反射镜反射,另一部分光直接入射,因此,两者之间存在夹角,会在样品表面形成干涉条纹。干涉光场的强弱分布经曝光和显影以后在光刻胶上就形成了周期性的光栅条纹结构。干涉周期由式(1)表示。


图 3 Lloyd干涉仪的结构示意图 Fig. 3 Schematic diagram of Lloyd’s interferometer
$ \rho = \frac{\lambda }{{2\sin\;\theta }} $ (1)

式中:ρ为条纹结构的周期;λ为入射光的波长;θ为入射光和反射镜之间的夹角。

干涉曝光区域的尺寸可以通过式(2)进行计算。

$ Z = \frac{{L\sin\;\theta }}{{\sin\;\left( {2\theta + \alpha } \right)}} $ (2)

式中:Z为曝光区域的横向长度;L为反射镜的横向尺寸,L=25.4 mm;α为入射光和样品台的夹角。

当两臂垂直时,即θ+α=90 °,式(2)可以化简为

$ Z = L \times \tan\;\theta $ (3)

因此,干涉结构的周期与激光光源波长λ以及入射角θ的角度有关,λ越小,则周期越小。本文使用的266 nm深紫外激光器在理论上可以实现最小周期为133 nm的光栅结构,同时增加θ,可以减小周期并增大曝光面积。

1.2 干涉周期结构制备工艺

制备周期性的干涉结构还需要一系列的工艺。第1步,硅片的清洁,采用丙酮进行超声清洗5 min,去除表面油脂等污染物,再使用去离子水冲洗3 min;第2步,采用热板去除硅片表面的水蒸气;第3步,硅片表面滴胶,用匀胶机旋涂光刻胶;第4步,将匀胶后的硅片取出,此时光刻胶已经形成薄膜,将其放在热板上前烘;第5步,使用样品台真空吸附硅片并调整好角度进行干涉曝光;第6步,硅片取下后烘(对于大部分正性光刻胶可以忽略此步骤);第7步,显影液显影并用去离子水冲洗,光刻胶产生干涉结构图案[17]

为了证明装置的普适性,实验了2种不同类型的光刻胶,分别是I-line 负性光刻胶SU8 2000.5和KrF正性光刻胶 HTK1062。对于SU8 2000.5光刻胶,在4000 r/min转速下匀胶30 s,得到500 nm胶厚,然后在热板上95℃前烘60 s,在2.3 mW/cm2 的强度下曝光30 s,后烘60 s并显影30 s,获得较好的曝光图形质量。为了实验不同的周期性结构,光刻胶曝光后将硅片进行旋转并再次进行曝光,其他步骤相同。对于HTK1062光刻胶,在4000 r/min转速下匀胶40 s,得到242 nm的胶厚,在热板上95 ℃前烘90 s,在16.4 mW/cm2 的强度下曝光1 s,显影20 s,获得了较好的曝光图形质量。

2 结果与讨论 2.1 周期性结构的种类

SU8 2000.5光刻胶在干涉光刻装置曝光显影后的显微镜和扫描电镜照片如图4所示,其中,图4(a)和(b)为500倍光学显微镜照片,图4(c)和(d)为扫描电子显微镜(SEM)照片由于干涉光场存在强弱分布,负性光刻胶与达到曝光阈值的光(干涉光场的亮条纹区域)发生反应,显影后固化;没有达到曝光阈值的光(干涉光场的暗条纹区域)则会被显影液洗去,因此,光刻胶一次曝光将会产生一维光栅结构。对于二次曝光,是一次曝光按旋转角度的光强叠加效果。产生的二维点阵结构是一维光栅结构以一定角度在光刻胶上叠加形成的。随着曝光次数的增加,需要将每次的曝光时间减半,才能保持与一维光栅相同的曝光剂量[18]图4(a)和(c)显示干涉结构的周期为860 nm,与曝光时选择的入射光和反射镜夹角8.8 °的计算结果基本一致。图4(b)和(d)是一次曝光后硅片旋转53 °得到的二维孔洞结构,干涉结构周期同样是860 nm。实验结果显示,无论是一维还是二维周期结构,图案都没有失真,脊条和孔洞的形状都保持一致,条纹清晰。


图 4 SU8 2000.5光刻胶的一维和二维周期性结构图像 Fig. 4 Images of 1D and 2D periodic structures of photoresist SU8 2000.5
2.2 平顶光整形对图形的影响

高斯光的光强分布特点是中心强、边缘弱。在实际进行光刻加工中,会导致中心区域受到的曝光剂量超过边缘区域,因此,常出现中心区域的光刻胶正常曝光时,边缘光刻胶出现曝光不足的现象。特别是对于工艺窗口小的光刻胶,会导致中心区域过曝,而边缘曝光不足的情况。占空比是光栅图形线宽和周期的比值,对于负性光刻胶,将出现中心区域的光栅结构占空比大而边缘区域的占空比小,对于正性光刻胶则相反。

平顶光是一种中心强度分布均匀的光场,在边缘处光强迅速下降到零。因此,在中间区域进行光刻时,所受到的曝光剂量几乎是一致的,因此,会获得线宽均匀性非常好的光栅结构。在曝光装置中去除平顶光整形器,使用HTK1062光刻胶进行对比实验,分别选取曝光区域的3个位置使用扫描电镜观察,其中,区域A为曝光区域中心,区域B和区域C为区域A上下各移动12 mm选取的区域,结果如图5所示。图5中的一维光栅结构的周期均为407 nm,是由入射光和反射镜夹角为19.1°产生的干涉条纹曝光得来。光栅线条出现小幅度的弯曲是由于入射光照射光刻胶产生部分反射光,两者互相干涉引起的驻波效应导致,可以通过在硅衬底预先匀涂一层抗反射涂层进行改善。对SEM图像中的所有光栅结构计算占空比并且选取平均值以减少误差,如表1所示。光栅结构线宽的均匀性利用式(4)计算。


图 5 不同区域不同类型光的扫描电镜图像 Fig. 5 SEM images of different types of light in different areas

表 1 不同区域的占空比 Table 1 Duty cycles for different regions
$ H=1-\frac{Max-Min}{2Adv}\times 100\text{%} $ (4)

式中:H表示均匀度;Max表示数据的最大值;Min表示数据的最小值;Adv表示数据的平均值。

由此可得,使用高斯光曝光的区域一维光栅结构的线宽均匀度为69.54%,使用平顶光曝光区域的线宽均匀度为90.90%,相比提升了21.36%。

2.3 不同光刻胶的区别

SU8光刻胶是I-line负性光刻胶,曝光中心波长是365 nm,对于266 nm的曝光光源具有相对较低的敏感性,因此,需要更大的曝光剂量,同时对光路的稳定性要求也更高。SU8系列光刻胶的作用机理是遇光产生自由基分子热交联形成钝化性很强的环氧树脂[19],去胶困难,故在结构转移时需要考虑这一问题。

HTK1062是一款KrF正性光刻胶,曝光中心波长是248 nm,与光源波长接近,因此,有着更高的曝光敏感度,曝光时间很短,振动对其影响小,因此,可以更稳定地产生小图形结构,但是,工艺窗口也因此变小,操作时需注意控制曝光时间。在不稀释的情况下,HTK1062具有更薄的厚度,传统的去胶液丙酮就可以完成对HTK1062的去胶操作,对于后续图形的转移有很大优势。

3 结 论

成功搭建了基于266 nm深紫外激光器的Lloyd干涉光刻装置,实验了SU8 2000.5和HTK1062这2种不同类型的光刻胶,均实现了8.9 mm×25.4 mm的大面积曝光;通过一次和二次曝光获得了良好的一维光栅结构和二维点阵结构,证明了该装置具有普适性。在装置中加入了平顶光整形器,显著提高了光栅结构线宽的均匀性,对实现大面积、高线宽均匀性的光栅结构具有指导意义。

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