[发明专利]双光束干涉光刻方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于干涉光刻领域，尤其涉及一种双光束干涉光刻方法和系统。

背景技术

多台阶结构是一种典型而又基本的三维结构，在半导体、微光学器件、微机电系统（MEMS）以及平板显示等诸多领域具有广泛应用。在这些应用场合，多台阶结构的台阶数目、尺寸精度和表面粗糙度的要求都很低：台阶数目一般为2到4台阶，台阶高度尺寸的精度要求约在零点几微米到几微米，台阶表面粗糙度要求约在零点几微米。在加工方法上，可以采用掩膜光刻和激光直写等多种方法实现。

但是，对于一些特殊的应用领域，例如光学器件和显示视觉等相领域，需要制作的高精度超光滑的多台阶结构，以下对二元光学器件和干涉调制显示器件进行说明。

二元光学器件是指具有两个及以上台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。二元光学器件是光器件中的新兴领域，在实现光波变换上具有许多传统光学器件难以达到的卓越性能，包括高衍射效率、独特的色散性能、巨大的设计自由度、宽广的材料可选性和特殊的光学功能。同时，二元光学器件还便于实现光学系统的微型化、阵列化和集成化。二元光学器件的台阶精度和表面粗糙度，对其输出光场分布、衍射效率和信噪比具有直接影响。以典型的2台阶结构来分析：设计波长取为532纳米，材料折射率取典型值1.5，空气折射率为1.0，则台阶的阶梯高度为532纳米，如果允许误差在10%，则台阶高度的尺寸误差要求小于53.2纳米，可见要求十分严苛。

干涉调制显示器件。干涉调制显示技术IMOD(Interferometric modulator display)是一种新型的显示技术，基于该技术的显示器件和显示设备不需要背光源，拥有显著的低功耗性能，并且可以在宽泛的光线环境下使用，即便是在强烈的阳光照射下，其显示效果依然清晰锐丽。IMOD显示器件的基本单元是两片镜面夹着一个空隙的微结构，这个空隙决定光线照射显示器时所反射的颜色。当空隙的厚度尺寸等于红光波长的一半时，则通过空隙上下表面反射的红光获得干涉增强，而其它颜色则被衰减，从而使得该单元的显示出红色。利用相同的原理，通过光刻的方法在制作波长量级的多台阶结构，可以实现彩色无油墨印刷。显然，干涉调制显示器件对多台阶结构的尺寸精度和表面粗糙度也是有着很高的要求。

现有的光刻技术（包括掩膜光刻、激光直写以及电子束光刻），仅能制作微米及亚微米量级的多台阶结构，难以实现几十纳米量级的台阶深度控制和表面粗糙度要求。主要原因是，这些光刻技术难以对曝光光强进行如此精密的控制。具体分析如下：

首先分析掩膜光刻。掩膜光刻采用汞灯和LED作为发光源，光源经过透镜准直和微透镜阵列等器件进行光场均匀化后，投射在掩膜板上进行光刻。通常掩膜板上表面的光强均匀性参数约在95%左右，理论上，如果光刻胶厚度为2um，则光刻获得的台阶尺寸精度理论数值约为100nm，实际情况下可获得的精度更低。因为光场在掩膜板后的近场传输过程中，光强分布的不均匀性急剧增加。另外，由于汞灯和LED的发光体为灯丝和荧光粉末，其光场中的微小散斑和颗粒无法被匀光器件彻底改善，因此曝光的表面粗糙度很难达到20nm附近。另外，掩膜光刻作为一种基于模版的复制工艺，其加工的灵活性较差。

其次分析激光直写。第一类激光直写系统，采用激光光源、空间光调制器和成像光路。参图1a和图1b所示，由于其成像光路的孔径限制，其输入光场的高频信息被滤除，导致其曝光生成多台阶结构时，台阶的边缘和顶面均有波纹和起伏，这一现象被称为光学吉布斯现象。

根据信息光学理论分析，增大光学系统的孔径后，台阶的平面度仅仅会获得有限改善，具体表现为，台阶中部的波纹幅度减小，波纹更细密（周期变小），波纹分布逐渐向台阶边缘收缩，但波纹的幅值基本稳定在总幅值的10%附近。显然，这对于精密的台阶结构，是难以接受的。值得一提的是，增加光学系统的孔径，意味着系统成本的急剧增加。

如果，将系统的光源由激光改为汞灯和LED等非相干光，则遇到掩膜光刻的同样的问题。另外，此时台阶的边缘陡直性较差，因此光刻可获得的台阶结构的占空比较低。

另一类激光直写系统，采用激光光源，光束扫描器件(或者说偏转器件)和聚焦光路。其输出光场为单个聚焦点，通过对聚焦点的精密均匀叠加，理论上可以实现上述的精密多台阶结构。但是其主要问题是单点扫描加工方式，加工效率很低，而且所采用精密光学扫描器件的设备成本很高。

最后，分析电子束光刻。电子束光刻系统的成本很高，而且加工效率极低。另外，由于电子束的曝光原理的特殊性，其曝光工艺不利于获得镜面级的光洁表面。