紫外曝光—曝光技术

管理员 — Wed, 22 Jul 2020 07:18:38 +0000

前面文章中我们介绍了光反应过程。了解完光反应的基础知识后，我们接下来介绍一下我们常见的曝光技术，这里不深入探讨具体的曝光设备，只是从技术层面探讨一下这种曝光技术与光刻的特点及影响。

掩膜对准式光刻机（Mask Aligners）

平行光通过掩模的透明区域照射到光刻胶膜上(图1 左图所示)。光掩模通常由玻璃或石英板作为载体，在其上镀上一层很薄的带有图案的铬层，形成不透明的图案区域。
光掩膜上结构的尺寸与曝光后的图案尺寸呈1:1关系，图案保持一致。为了获得更好的分辨率，光掩模和所述抗蚀膜的表面是直接接触的我们称为接触式曝光，这种曝光模式的优点是分辨率高，但缺点是未干透的光刻胶可能会污染掩膜版；为了改善这个问题，通常我们也能见到光刻胶膜与掩膜版之间有一定间隙的接近式曝光，相比于接触式曝光，其分辨率稍差但是掩膜版的寿命得到提升。

步进投影式曝光机（Stepper）

曝光过程也是用过掩膜版来实现的，但是是通过投影的方式实现(图1 中图所示)。通过在光刻胶和掩膜版之间增加透镜，使得掩膜版上图案成倍投影致光刻胶膜上，因而曝光后获得的团尺寸要比掩膜版的尺寸小的多。这种方式可以获得更精细的图形，也减小了掩膜版的加工难度。
由于投影式曝光每次只有一小部分光刻胶被曝光，对于整个晶圆的曝光就得按顺序一步一步曝光出相同的图案，如此就可以在晶圆上形成大规模的集成电路。这也是当今集成电路制造中最常用的光刻手段之一。

激光直写（Laser Direct Writing）

利用激光直接在光刻胶上按照一定路径对光刻胶进行曝光获得图形(图1 右图所示)。这种曝光方式的优点是不需要昂贵的掩膜版，只要之前设计好曝光图版后即可直接写出对应的图形。但是这种激光直写曝光的缺点是图案需要逐步写出，需要消耗相当长的时间，因而在掩膜版加工和小面积的科研领域使用较多。

图1 常见曝光方式示意图（左图：掩膜对准式曝光、中图：步进投影式曝光、右图：激光直写曝光）

其他曝光技术（Other Exposure Techniques）

为了实现高分辨率的要求，可复制的结构和良好的光刻胶侧壁形态，满足光刻胶吸收的曝光波长，以及完美的光学性能。使用掩膜对准曝光、步进式曝光和激光直写这些曝光手段都是必不可少的。
我们也可以集合自己的图案特点灵活使用泰伯效应（Talbot）为基础原理的曝光手段（PhableR）或者干涉曝光等手段来实现。

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干涉光刻

管理员 — Fri, 08 May 2020 11:55:23 +0000

干涉光刻又叫全息光刻，是一种特殊的光刻手段，其特点是可以通过简单的设备即可获得百纳米周期性结构。下面我们简单介绍什么是干涉光刻、干涉光刻的一些特点和实例应用。

概念

干涉光刻基本原理与干涉测量法或全息法的原理相似。两个及以上的相干光波形成一个干涉图样利用干涉图形对光刻胶进行曝光，从而形成图形的加工方式。这种光刻利用了光场干涉相长及干涉相消形成光照区域和非光照区域从而实现对光刻胶的曝光。在两束干涉的情况下，条纹间距或周期为（λ/ 2）/ sin（θ/ 2），其中θ是彼此叠加的波之间的角度，而λ是激光波长。最小可能的周期由波长决定，并以λ表示/ 2。如果将激光用于干涉光刻，则可以产生最小尺寸低至约100 nm的周期性结构，曝光后对光刻胶的处理方式与普通紫外光刻一致。

特点

周期性结构：干涉光刻非常适合用于形成周期性结构，如光栅、点阵等，对于非周期性结构，需要通过特殊工艺手段辅助实现；
高分辨率、大面积：利用干涉光刻可以很容易实现百纳米级结构，且有制作大面积结构的能力，可获得几平方厘米甚至是平米级结构，如下图1所示；
可通过工艺手段获得正弦形态光刻胶结构，但比较难实现垂直断面结构；
是实现周期性结构无缝R2R模具的手段之一，如下图2所示。

图1 temicon公司大面积干涉光刻技术

图2 temicon公司无缝压印模具

干涉光刻实例

1.正胶干涉光刻：下图是中科院物理所戴龙贵老师使用AR-P 3840光刻胶在He-Cd激光器搭建的干涉光刻示意图、所使用的光刻胶方案以及曝光结果：

表1：使用AR-P 3840正胶在激光干涉光刻下的工艺参数

图3：激光干涉光刻的实验装置

图4：180 nm周期的光刻胶栅

图5：线宽为72 nm的323 nm周期

2. 负胶干涉光刻：通过化学放大（CAR）机理交联的光刻胶会产生特别光滑的边缘，并且在显影的结构中没有明显的第一干涉最小值。通过使用我们标准光刻胶AR-N 4340（SX AR-N 4340/8）的特殊版本，干涉光刻也可以在白光条件下成功进行（MLU Halle；材料科学中心，Fuhrmann博士）：

图6：在膜厚为191nm时具有57nm线径的SX AR-N 4340/8线结构。其他参数：232nm周期，角度：35°，在266nm下暴露750s，输出功率为约0.01mW / cm ²，在100℃下PEB 10分钟；发展：90 s与AR 300-47（1：1稀释）。

在这种情况下，产生了带有垂直壁的美丽均匀的线条结构。在232 nm的周期内，仅实现了57 nm的出色分辨率！

不能通过CAR机制交联的负胶也可以用于激光干涉光刻。例如，我们的负胶AR-N 4240通常用于剥离工艺。在这种情况下，需要由驻波产生的底切，但仍会限制分辨率。

图7：AR-N 4240（MLU Halle，AR 300-12，4000 rpm，SB 85°C，稀释1：2）的典型边缘轮廓，曝光：160 s，在266 nm下约16-20 mJ，PEB 30在85°C的条件下进行分钟；在AR 300-475中显影：30秒）。

可以通过改变PEB温度来选择性地调整边缘形状。

图8：从上到下的加工结构：PEB分别在90、95、100、105和110°C下。

为了减少处理时间，将PEB时间分别缩短至5分钟，同时以5°C为步长同时提高温度。在90°C的PEB下，源自第一个最小值的条纹会溶解。在95至100°C之间，光刻胶轮廓可与标准条件下获得的轮廓相媲美。在105°C，第一个最小值的变窄消失，在110°C，结构不再发育。最佳结果是PEB温度为105°C。底切在此温度下完全消失，这允许使用更短的时间，并使AR-N 4240适用于反应性铁蚀刻（RIE）工艺。

进一步的参考文献（MLU）：Johannes de Boor，Nadine Geyer，JörgV.Witteman，UlrichGösele和Volker Schmidt：“通过激光干涉光刻和金属辅助蚀刻的亚100纳米硅纳米线” Nanotechnology 21（2010）095302（5pp） ; doi：10.1088 / 0957-4484 / 21/9/095302

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