光刻工藝技術(shù)專題（三）：低成本光刻技術(shù)之激光直寫光刻

低成本光刻主要指的是無需投影成像的光刻技術(shù)，如掩模接近式光刻，激光直寫光刻，無衍射極限的光學(xué)光刻等。盡管這些技術(shù)的產(chǎn)率、分辨率和工藝控制能力普遍低于DUV和EUV光刻，但是它們?nèi)匀粡V泛應(yīng)用于微納制造領(lǐng)域。本文簡單介紹一下激光直寫光刻技術(shù)。

激光直寫光刻不需要使用掩模，只需使用簡單的聚焦光學(xué)系統(tǒng)就可以靈活地生成幾乎任意形狀的圖形。激光直寫系統(tǒng)的價(jià)格遠(yuǎn)低于先進(jìn)的光學(xué)投影光刻，其主要不足是串行寫入方式非常耗時(shí)，產(chǎn)率低。

激光直寫（LDWL）采用一束或多束聚焦激光束對光刻膠進(jìn)行曝光。通過硅片或激光束的掃描運(yùn)動控制光刻膠曝光位置。利用工件臺與2D掃描振鏡可以在超過幾毫米的大面積上制造微納結(jié)構(gòu)。工件臺一般為3D線性壓電傳感器（PZT）驅(qū)動型工件臺或電機(jī)驅(qū)動型工件臺。無需光刻膠的激光直寫材料加工工藝（LDWP）也采用了類似的工作原理。LDWL使用標(biāo)準(zhǔn)的激光光源。LDWP的光源為高功率飛秒脈沖激光器，可以直接對材料進(jìn)行加工。早期的LDWL系統(tǒng)主要用于制作光刻掩模，可作為電子束掩模直寫設(shè)備的高性價(jià)比替代方案。激光直寫系統(tǒng)的曝光率取決于聚焦光束的形狀及其在光刻膠上的掃描/運(yùn)動方式。激光直寫光刻一般用于制備2D或3D圖形。

下圖為兩種激光直寫光束強(qiáng)度分布或光束幾何形狀截面圖。平面波經(jīng)過聚焦透鏡形成帶有束腰的sinc2函數(shù)（柱面透鏡）或貝塞爾函數(shù)（球面透鏡）型強(qiáng)度分布。由于聚焦透鏡只能收集部分平面波，所以這種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致光瞳填充的過滿，能效偏低，還會產(chǎn)生明顯的成像旁瓣。旁瓣導(dǎo)致鄰近效應(yīng)，相鄰圖形衍射光之間相互干擾。采用光束寬度很小的高斯光束進(jìn)行照明，可以確保大部分光能量能夠穿過光瞳。采用這種配置，光瞳面的光強(qiáng)分布為高斯型，不會完全填充，是LDWL的首選。NA較大的情況下，聚焦后光束的形狀明顯受偏振態(tài)的影響。

標(biāo)準(zhǔn)激光直寫光刻的分辨率由阿貝-瑞利極限x=k1*λ/NA決定，取決于曝光波長λ和投影物鏡的數(shù)值孔徑NA。工藝因子k1取決于光束形狀、光刻膠和其他工藝條件。激光直寫光刻的k1常見值約為1.0.大多數(shù)激光直寫光刻系統(tǒng)的波長在350~450nm，數(shù)值孔徑可達(dá)0.85。因此激光直寫光刻的分辨率極限為300~500nm。

聚焦激光束的掃描方式包括矢量掃描和柵格掃描兩種。矢量掃描過程中聚焦光束移動到需要曝光的位置進(jìn)行曝光，通常這種方法需要將聚焦光束跳躍性地移動到硅片上的不同區(qū)域。在短時(shí)間內(nèi)高精度定位到所需位置的難度很大。因此，大多數(shù)系統(tǒng)都使用柵格掃描方式。在柵格掃描過程中，聚焦光束沿著矩形網(wǎng)格有規(guī)律地移動。

上圖為主流激光直寫光刻系統(tǒng)的基本寫入策略示意圖，即在直線網(wǎng)格上進(jìn)行柵格掃描的策略。在這種寫入策略中，聚焦激光束在均勻網(wǎng)格上移動。均勻網(wǎng)格也稱為尋址網(wǎng)格。由掃描元件執(zhí)行掃描動作，例如可通過反射鏡系統(tǒng)、三維位移臺或工件臺來移動光束焦點(diǎn)的位置。通過邊掃描邊調(diào)節(jié)光束強(qiáng)度的方法來構(gòu)建所需的圖像。在最簡單的情況下，只需打開和關(guān)閉光束即可。通過計(jì)算機(jī)控制掃描運(yùn)動和光束調(diào)制，由用戶輸入圖形數(shù)據(jù)。所有離散位置形成了一個(gè)等間距的尋址網(wǎng)格。尋址單元為尋址網(wǎng)格上兩個(gè)相鄰格點(diǎn)之間的距離。網(wǎng)格中的點(diǎn)數(shù)或像素?cái)?shù)決定了激光直寫設(shè)備的寫入速度。尋址單元較小時(shí)產(chǎn)生的圖形數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致寫入時(shí)間很長；較大的尋址單元可以減少數(shù)據(jù)量和寫入時(shí)間，但會降低空間分辨率?？虒懝獍叩拇笮『托螤?、像素網(wǎng)格的周期/方向以及像素間的相對強(qiáng)度等曝光參數(shù)決定了柵格化圖形的圖像質(zhì)量。將計(jì)算機(jī)圖像顯示技術(shù)進(jìn)行一定修改并應(yīng)用在激光直寫光刻中，可以優(yōu)化與解決其在刻寫速度、網(wǎng)格像大小以及精度方面的矛盾。采用旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格、灰度像素和多通曝光的方法可以提高成像的最小特征尺寸、邊緣放置分辨率與精度、CD均勻性以及邊緣粗糙度。

利用柵格掃描曝光方法可以更加靈活地刻寫任意形狀的圖形。然而掃描時(shí)間會比較長，限制了其可以實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)率。無掩模光刻結(jié)合了激光直寫與光學(xué)投影光刻的優(yōu)點(diǎn)。下圖為采用數(shù)字微鏡陣列（DMD）或其他微鏡陣列生成圖形的典型裝置，可動態(tài)調(diào)整圖形的幾何結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整陣列中單個(gè)微反射鏡的位置和方向可調(diào)制光的空間分布和相位分布。通過液晶顯示也可以產(chǎn)生所需的強(qiáng)度分布。物鏡將這種強(qiáng)度分布縮小成像至硅片上的光刻膠內(nèi)。簡而言之，可以將該系統(tǒng)看作是具有可編程掩模的投影光刻機(jī)。

目前光學(xué)無掩模光刻的性能還不能滿足先進(jìn)半導(dǎo)體制造的需求。激光直寫光刻的分辨率雖比不上聚焦電子束光刻，但它仍然被廣泛應(yīng)用于制造低分辨率光刻掩模、印刷電路板，以及用于各種需要低成本且高度設(shè)計(jì)靈活性的研發(fā)應(yīng)用場合。先進(jìn)商用激光直寫光刻機(jī)采用波長可見光（如405nm）和DMD來動態(tài)地生成圖形，分辨率和產(chǎn)率可滿足許多應(yīng)用的要求。

來源：光學(xué)與半導(dǎo)體研綜