探索DMD投影光刻技术在曝光亚微米级特征图案时的更深焦深应用

《Optics & Laser Technology》：Exploring the extended depth of focus of DMD projection lithography for exposing submicron feature patterns

　　

赵媛媛|黄晓文|彭玲娜|陈景涛|段宣明

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  我们开发了一种经过像差校准的DMD光刻平台，用于精确测定焦深。
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  通过Bossung曲线分析，系统研究了亚微米级图案的焦深极限。
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  确定了k₁ = 0.61和k₂ = 0.59的工艺参数，从而为DMD光刻提供了实用的工艺范围。

引言

光刻技术是一种重要的微纳制造技术，广泛应用于集成电路、光学器件和生物芯片等领域。传统的光刻技术依靠掩模将图案转移到光刻胶上，但随着器件尺寸的缩小和复杂度的增加，传统的掩模制造变得愈发困难且成本高昂[1]。因此，数字微镜装置（DMD）投影光刻技术应运而生，它利用光学元件和空间光调制装置精确投射图案，实现了高分辨率、高效率且灵活的微纳图案制造[2]、[3]、[4]。与传统光刻技术相比，DMD投影光刻技术具有诸多优势[5]、[6]。首先，它无需昂贵的掩模制造和维护，降低了生产成本；其次，无掩模光刻系统能够实时生成复杂的曝光图案，仅需简单工艺即可制造出复杂的微纳结构；此外，它还能实现高效的并行曝光，数百万个微镜可同时定义图案，其吞吐量远远高于电子束光刻和直接激光写入等串行技术[7]、[8]、[9]、[10]。DMD投影光刻技术虽然能借助大数值孔径实现亚微米级分辨率，但其焦深却仅限于几百纳米左右[11]、[12]、[13]。

在DMD投影光刻过程中，焦深指的是物镜聚焦平面的允许误差范围[14]。在曝光过程中，为保证高良率，曝光区域必须始终处于焦深范围内。只有在此范围内曝光，才能获得理想的光刻图案。为了实现精确的焦深控制，人们采用了多种焦深检测技术，确保光刻平面始终处于聚焦状态。目前，已有许多焦深检测技术被应用于DMD光刻中[14]、[15]、[16]。例如，同轴光度法通过测量光度信号的强度分布来确定焦点位置；激光干涉法利用激光的干涉效应来测定焦点；光栅法则借助光栅的干涉效应确定焦点。此外，还有傅里叶刀缘法、临界角法、针法和像差法等离轴方法也被用于无掩模光刻的焦深控制。随着DMD光刻分辨率不断向亚微米级别提升，焦深范围越来越小，对检测技术的要求也越来越高。然而，目前关于无掩模光刻系统焦深控制的研究仍处于初期阶段。

在本研究中，我们探讨了DMD投影光刻技术在曝光亚微米级特征图案时的扩展焦深问题。我们在DMD光刻系统中采用了基于像差法的焦深检测技术，通过快速点检测来保持物镜与硅片之间的距离相对恒定。这种方法能够确保曝光区域始终处于光刻透镜的焦深范围内，从而实现纳米级焦平面的实时检测。借助这一方法，我们对DMD光刻系统中的焦深以及失焦对光刻图案的影响进行了深入研究。这些研究旨在优化实际应用中的光刻工艺控制，进而优化工艺窗口，提升制造能力，提高无掩模光刻的图案质量，推动微纳技术的发展。

章节摘要

DMD投影光刻系统

为研究焦深以及失焦对光刻胶图案的影响，我们使用了基于DMD的无掩模光刻系统，并通过基于像差法的焦深检测技术对焦平面进行了校准。如图1(a,b)所示，该光刻系统由均匀照明光源、DMD、投影透镜系统以及高精度载物台组成[17]、[4]、[5]、[6]。作为曝光源，我们采用了飞秒激光器（Maitai & Inspire，Spectra-Physics）。

焦深的理论计算结果

光刻成像仿真模型由照明系统和双瞳部分相干成像系统构成[29]、[30]。在光刻系统中，失焦偏差对光刻系统空间图像的影响通常用光程差来描述。这可以通过公式(1)表示，其中失焦量z相当于公式(1)中的δ。假设光学系统处于折射率为1的空气中，那么公式为

结论

在本文中，我们通过结合经过校准的基于像差法的焦深控制、理论仿真以及实验性的Bossung曲线分析，系统地量化了亚微米级DMD投影光刻系统中焦深、临界尺寸和数值孔径之间的关系。我们的方法采用了基于正性光刻胶的阈值模型进行仿真，并用S形函数来近似描述光刻胶上的溶解曲线。这样一来，我们

CRediT作者贡献说明

赵媛媛：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，项目管理，概念构思。黄晓文：正式分析，数据整理。彭玲娜：验证，软件使用，实验研究。陈景涛：可视化，软件使用，数据整理。段宣明：写作——审阅与编辑，资源获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：62575128）以及广东省基础与应用基础研究基金（编号：2023A1515011404）的支持。