基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微电子、微光学、微纳结构和光电子器件制备等微纳加工领域的光刻
技术领域，特别涉及一种基于基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及装 置。
【背景技术】
[0002] 随着工业测量、航空航天、显示照明、生物医疗等与国家发展息息相关的生产技术 不断进步，线性光栅、孔槽阵列等周期性微纳结构正广泛应用于各大重要领域中。如光谱仪 中的衍射光栅，光纤布拉格光栅，线栅偏振器，用于改善LED出射光的光子晶体，生物传感 器阵列等都是常见的周期型结构。这些结构都具有一些相同的特性，其点阵常数即分辨率 都在100纳米到1微米之间。另一方面，它们所应用的表面并不是完全平整洁净的表面，如 在LED上复制光子晶体图样时，由于制造 LED时需要进行高温沉积，该过程易导致衬底弯曲 变形，且易使晶圆上满是杂质微粒。这些问题将成为需要紧密接触或者存在景深限制的方 法的主要难题。而且这些结构的市场需求量大，因此需要用相对较低的成本以实现量产。
[0003] 然而，现有的微纳结构制备技术由于存在景深的限制或高成本而无法满足上述需 求。接近或接触式光刻作为最成熟的"复制型"微细加工手段，被大量用于制作较低精度的 微纳结构。该方法原理简单，技术门槛较低，成本较低。但受到设备、掩模、工艺的限制，绝 大多数接近或接触式光刻的分辨力尚停留在〇. 5到1微米之间，不能适应未来科技的发展。
[0004] 纳米压印法是一种新兴的微纳加工手段，可以实现大面积、高精度的周期微纳结 构复制，特征尺寸可以做到几十纳米甚至几纳米。然而纳米压印受模板限制较为严重，同时 还存在基片易弯曲、压印表面聚合物易残留、脱模复杂等诸多问题有待解决。
[0005] 干涉光刻法是现阶段制备周期微纳结构最为典型的技术手段，它是通过控制两束 或多束相干紫外光束生成周期图样，实现大面积、无掩模、高精度微纳图形加工。针对不同 的光刻图样结构，干涉光刻需要对干涉光路进行精确调整，需要良好的环境稳定性和严格 的控制来保证稳定的静态干涉条纹，操作较难控制；且干涉光刻可加工图形单一，灵活性较 差，不适用于加工具有复杂图案的周期微纳结构。连续电子束光刻方法生产效率太低，其他 扫描探针技术如蘸水笔光刻束难以实现有效输出，因此都无法实现大批量生产。
[0006] 可以看出，现有技术在制备周期微纳结构时，并不能同时满足大面积、高精度、图 案复杂化、制备周期短、成本低等要求，直接或间接增加了制备难度。因此需要一种良好的 高产率光刻方法，以实现低成本大面积生产亚微米分辨率的周期型结构。
[0007] 基于此，利用自成像效应进行光刻为制备高分辨、复杂化、大面积周期微纳结构提 供了一种新的思路。微纳周期结构的自成像效应首先被英国科学家H. F. Talbot发现，其光 场分布如图1所示。在单色光照射下，周期性物体将在其光场传播方向上以Z = ^为周期 A 性自成像，p为物体周期，λ为入射光波长，z即为泰伯成像周期。除此以外，在每个传播周 期的1/2处，还将出现一个具有JT相移的相移自成像。相比于传统的成像方式，自成像效 应有如下两大重要特点：①可以实现无镜头成像；②成像分辨力高，最小分辨力接近衍射 极限。
[0008] 从现有的研究来看，科学家们已经证明了用单色光自成像光刻加工二维周期图案 的良好能力，且在掩模部分残缺或不规则的情况下，自成像光刻依然能实现掩模的精确还 原，具有"掩模修复"效果。但此类自成像光刻方法，均基于接近式光刻法，并利用周期结构 掩模的固定光场分布，通过精确控制基片与掩模之间的间隙实现大面积复杂周期性微纳结 构加工。当待曝光图形周期减小时，其焦深极具缩短。为保证曝光图形质量，该方法对基片 平整度、光刻胶厚度等有严格要求，且需要对掩模与基片之间的绝对间隙进行纳米级控制， 在实际微纳结构制备过程中极难实现，难以真正得到应用。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于：在现有的技术和研究理论的基础之上，为克服上述存在的问 题和不足，提出一种基于基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法及装置。
[0010] 本发明实现上述目的技术方案如下：
[0011] 基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻装置，该光刻装置包括：高压汞 灯光源1、冷光椭球镜2、冷光反射镜3、快门4、积木错位绳眼透镜5、聚光镜6、大反射镜7、 精密工件台8、二维周期阵列掩膜板9、承片台10、掩膜硅片相对运动台11、整体运动台12 和计算机及电控系统13 ;二维周期阵列掩膜板9、承片台10、掩膜硅片相对运动台11、整体 运动台12和计算机及电控系统13组成精密工件台8,计算机及电控系统13控制精密工件 台8运动，二维周期阵列掩膜板9在承片台10上，承片台10在掩膜硅片相对运动台11上， 掩膜硅片相对运动台11在整体运动台12上；高压汞灯光源1发出的光通过冷光椭球镜2 聚光后经过冷光反射镜3反射，反射后的光依次通过快门4、积木错位蝇眼透镜5、聚光镜6， 然后经过大反射镜7反射到二维周期阵列掩膜板9上。
[0012] 其中，该光刻装置应用紫外宽光谱照明周期性图样在其后泰伯距离处可形成自成 像，即当采用非单色紫外光照明周期掩模时，如汞灯光谱，不同光谱、不同级次的自成像光 场分布相互交错、非相干叠加，在掩模下方一定后方形成连续可成像区域。利用相应的光刻 装置对涂有光刻胶的硅片进行曝光，显影，制备具有二维周期分布的微纳级小孔阵列结构； 相比于单波长照明的自成像光场分布，紫外宽谱自成像的可成像区域可以拓展至数毫米， 甚至厘米量级，将硅片置于连续可成像区域的任意位置时，均可获得强度近似相等的自成 像和相移自成像光场分布，从而实现周期倍频。
[0013] 本发明基于紫外宽光谱自成像制备二维周期阵列的光刻方法的具体操作步骤 为：
[0014] 第一步，微纳级周期阵列结构的制备
[0015] 绘制具有周期阵列结构的二维图像。利用DMD无掩膜光刻机进行曝光，显影，刻蚀 等工艺技术制备具有微纳级周期阵列结构的掩膜版。
[0016] 第二步，搭建适应于紫外宽光谱自成像光刻术的曝光装置
[0017] 利用350W的高压汞灯发出包括i线、h线、g线以及可见光和红外等多种成分的 光，首先由镀有冷光反射膜的椭球镜进行聚光，并初次过滤掉长波段的光，即可见光和红外 光成分，再由一块冷光反射镜再一次过滤长波成份，在椭球镜的后焦点附近设置快门，开启 快门后，光线经将由积木错位式的积分镜进行均匀照明、消衍射和侧壁陡度处理，最后通过 大反射镜将掩模和样片的上表面照明，即可实现紫外宽光谱曝光照明。
[0018] 第三步，掩膜硅片放置及对准
[0019] 将步骤一种所制备的周期阵列掩膜板放置到掩膜台上，并将硅片放置到承片台 上，调节掩膜台和承片台的相对位置，以实现将硅片放置在掩膜板后紫外宽光谱自成像的 长焦深范围内，将样片调平，并将掩膜板与硅片进行对准。
[0020] 第四步，二维周期阵列结构制备
[0021] 在确保掩膜板和硅片对准并能均匀照明时，可开启快门进行曝光，对曝光后的硅 片进行显影，在显微镜下观察，并借助计算机视图工具进行测量曝光所得图样周期。最后通 过对曝光后的硅片进行刻蚀等后续制作工艺即可完成二维周期阵列结构制备。
[0022] 其中，第二步所述照明光源采用350W高压汞灯，且其曝光谱线340nm到450nm范 围内的紫外宽光谱照明；椭球镜和第一块反射镜均镀有冷光介质膜，所有透镜均镀紫外增 透膜，可过滤掉长波段光波，即可见光和红外光成分，保留紫外宽光谱成分。
[0023] 其中，第二步所述曝光系统采用柯拉照明的原理，积分镜是由79块蝇眼透镜拼接 而成，能将能量分布不均匀的宽光束分解为若干细光束，各细光束均按柯拉原理照明在掩 模面上。细光束均叠加在掩模的相同区域，且在细光束范围内能量分布基本上是均匀的，因 而在掩模面上得到均匀照明，同时实现了照明的高能量化。
[0024] 其中，第三步所述的工件台由上升机构、整体运动台、掩膜样片相对运动台、承片 台和掩模架等组成。上升机构是实现调平、上下片、分离对准间隙和消除曝光间隙时的上升 运动。整体运动台用于对准时快速寻找对准标记。掩模样片相对运动台，主要用于实现掩 模和样片间的相对运动调节或放片后调节样片位置。对工件台的各项调节都直接由计算机 程序和相应的电控系统进行精确控制。
[0025] 其中，第三步所述的样片放置的位置是如附图3(a)中所示掩膜板后泰伯焦深范 围内。
[0026] 其中，第二步和第四步中所述的快门开启，可通过计算机控制程序设置曝光时间， 即快门开启时间来控制曝光剂量，可适应于不同光刻胶胶厚的曝光。操作灵活简单，曝光剂 量可控。
[0027] 本发明技术方案的原理为：
[0028] 微纳周期结构的自成像效应首先被英国科学家H. F. Talbot发现，其光场分布如 图2所示。在单色光照射下，周期性物体将在其光场传播方向上以，
为周期性自成 像，P为物体周期，λ为入射光波长，n取整数。除此以外，在每个传播周期的1/2处，还将 出现一个具有π相移的相移自成像。当采用非单色紫外光照明周期掩模时，如汞灯光谱， 不同光谱、不同级次的自成像光场分布相互交错、非相干叠加，在掩模后方一定距离后形成 连续可成像区域，如图4所示。相比于如图3所示的单波长照明的自成像光场分布，紫外宽 谱自成像的可成像区域可以拓展至数毫米，甚至厘米量级，将硅片置于连续可成像区域的 任意位置时，均可获得强度近似相等的自成像和相移自成像光场分布，从而实现周期倍频。 采用紫外宽光谱自成像光刻术可将光刻成像区域可以拓展至数毫米，甚至厘米量级，大大 降低了对硅片形貌、定位精度的要求。
[0029] 本发明技术方案主要优势如下：
[0030] ①本发明采用常规紫外宽光谱光刻光源汞灯，