光刻工藝技術(shù)專(zhuān)題（三）：低成本光刻技術(shù)之激光直寫(xiě)光刻

低成本光刻主要指的是無(wú)需投影成像的光刻技術(shù)，如掩模接近式光刻，激光直寫(xiě)光刻，無(wú)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，但是它們仍然廣泛應用于微納制造領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)單介紹一下激光直寫(xiě)光刻技術(shù)。

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

激光直寫(xiě)（LDWL）采用一束或多束聚焦激光束對光刻膠進(jìn)行曝光。通過(guò)硅片或激光束的掃描運動(dòng)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(guò)幾毫米的大面積上制造微納結構。工件臺一般為3D線(xiàn)性壓電傳感器（PZT）驅動(dòng)型工件臺或電機驅動(dòng)型工件臺。無(wú)需光刻膠的激光直寫(xiě)材料加工工藝（LDWP）也采用了類(lèi)似的工作原理。LDWL使用標準的激光光源。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系統主要用于制作光刻掩模，可作為電子束掩模直寫(xiě)設備的高性?xún)r(jià)比替代方案。激光直寫(xiě)系統的曝光率取決于聚焦光束的形狀及其在光刻膠上的掃描/運動(dòng)方式。激光直寫(xiě)光刻一般用于制備2D或3D圖形。

下圖為兩種激光直寫(xiě)光束強度分布或光束幾何形狀截面圖。平面波經(jīng)過(guò)聚焦透鏡形成帶有束腰的sinc2函數（柱面透鏡）或貝塞爾函數（球面透鏡）型強度分布。由于聚焦透鏡只能收集部分平面波，所以這種結構會(huì )導致光瞳填充的過(guò)滿(mǎn)，能效偏低，還會(huì )產(chǎn)生明顯的成像旁瓣。旁瓣導致鄰近效應，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(guò)光瞳。采用這種配置，光瞳面的光強分布為高斯型，不會(huì )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。

標準激光直寫(xiě)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(cháng)λ和投影物鏡的數值孔徑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(xiě)光刻的k1常見(jiàn)值約為1.0.大多數激光直寫(xiě)光刻系統的波長(cháng)在350~450nm，數值孔徑可達0.85。因此激光直寫(xiě)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(guò)程中聚焦光束移動(dòng)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(dòng)到硅片上的不同區域。在短時(shí)間內高精度定位到所需位置的難度很大。因此，大多數系統都使用柵格掃描方式。在柵格掃描過(guò)程中，聚焦光束沿著(zhù)矩形網(wǎng)格有規律地移動(dòng)。

上圖為主流激光直寫(xiě)光刻系統的基本寫(xiě)入策略示意圖，即在直線(xiàn)網(wǎng)格上進(jìn)行柵格掃描的策略。在這種寫(xiě)入策略中，聚焦激光束在均勻網(wǎng)格上移動(dòng)。均勻網(wǎng)格也稱(chēng)為尋址網(wǎng)格。由掃描元件執行掃描動(dòng)作，例如可通過(guò)反射鏡系統、三維位移臺或工件臺來(lái)移動(dòng)光束焦點(diǎn)的位置。通過(guò)邊掃描邊調節光束強度的方法來(lái)構建所需的圖像。在最簡(jiǎn)單的情況下，只需打開(kāi)和關(guān)閉光束即可。通過(guò)計算機控制掃描運動(dòng)和光束調制，由用戶(hù)輸入圖形數據。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)數或像素數決定了激光直寫(xiě)設備的寫(xiě)入速度。尋址單元較小時(shí)產(chǎn)生的圖形數據量大，導致寫(xiě)入時(shí)間很長(cháng)；較大的尋址單元可以減少數據量和寫(xiě)入時(shí)間，但會(huì )降低空間分辨率?？虒?xiě)光斑的大小和形狀、像素網(wǎng)格的周期/方向以及像素間的相對強度等曝光參數決定了柵格化圖形的圖像質(zhì)量。將計算機圖像顯示技術(shù)進(jìn)行一定修改并應用在激光直寫(xiě)光刻中，可以?xún)?yōu)化與解決其在刻寫(xiě)速度、網(wǎng)格像大小以及精度方面的矛盾。采用旋轉網(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(xiě)任意形狀的圖形。然而掃描時(shí)間會(huì )比較長(cháng)，限制了其可以實(shí)現的產(chǎn)率。無(wú)掩模光刻結合了激光直寫(xiě)與光學(xué)投影光刻的優(yōu)點(diǎn)。下圖為采用數字微鏡陣列（DMD）或其他微鏡陣列生成圖形的典型裝置，可動(dòng)態(tài)調整圖形的幾何結構。通過(guò)調整陣列中單個(gè)微反射鏡的位置和方向可調制光的空間分布和相位分布。通過(guò)液晶顯示也可以產(chǎn)生所需的強度分布。物鏡將這種強度分布縮小成像至硅片上的光刻膠內。簡(jiǎn)而言之，可以將該系統看作是具有可編程掩模的投影光刻機。

目前光學(xué)無(wú)掩模光刻的性能還不能滿(mǎn)足先進(jìn)半導體制造的需求。激光直寫(xiě)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計靈活性的研發(fā)應用場(chǎng)合。先進(jìn)商用激光直寫(xiě)光刻機采用波長(cháng)可見(jiàn)光（如405nm）和DMD來(lái)動(dòng)態(tài)地生成圖形，分辨率和產(chǎn)率可滿(mǎn)足許多應用的要求。

來(lái)源：光學(xué)與半導體研綜