投影光刻系统套刻对准技术的研究

论文摘要

现代光学和IC产业的发展要求光学器件的微型化、阵列化和集中化，从而产生了微光学技术。微光学技术是光学与微电子学、微机械学相结合渗透的一个学科，是研究亚微米级尺寸光学元件或光学系统的现代光学分支。光刻技术是大规模集成电路制造技术和微光学、微机械技术的先导和基础，它决定了集成电路的集成度。光刻技术的不断创新改革决定着集成电路的发展方向。光刻技术经历了接触式光刻、接近式光刻、分步重复式等倍投影光刻、步进式缩小投影光刻、步进扫描式投影光刻等典型光刻技术过程，极紫外光刻、X射线光刻正处于研究和使用阶段。下一代光刻技术如纳米压印光刻、原子力光刻等尚处于前沿研究中。目前的IC生产主要应用的就是投影光刻技术。制作二元光学元件需要经过多次曝光、显影、刻蚀才能完成。每次曝光都需要一块掩模板，曝光前，每一块掩模板都需要和前次已经曝光的图像进行对准后才能够进行曝光，这样才能保证每一层图形有精确的相对位置，这称为套刻对准。套刻精度是投影光刻机的重要关键技术之一，而对准精度是影响套刻精度的主要因素。本文在接触式和接近式光刻的基础上，提出了建立投影光刻系统。该系统由曝光光源、掩模板、投影光刻物镜、三维平移工作台等部分组成。每一部分都对分辨率的提高和图形精确度都有着很大的作用。投影光刻的工作原理主要是利用光学投影成像，将掩模板上的图形经过曝光的方式，通过投影光刻物镜，成像在涂好胶的基片上进行曝光的过程。然后经过显影、刻蚀、套刻对准后再曝光，可得到分辨率更加高的图形。其中，套刻对准是投影光刻机的关键技术指标，对准精度是影响套刻精度的关键因素。对准的方法有很多，本文应用的是基于moiré条纹光栅衍射形成明暗相间的条纹的原理，确定掩模板和基片的相对位置，进而进行对准。本文在讨论了影响投影光刻系统成像因素的基础上，进行优化改进，利用长工作距离投影物镜，自行设计、搭建了一套能够用于光刻粗缩套刻对准的实验系统，包括机械零部件的设计加工。并设计了一种对准标记，应用moiré条纹对准技术进行了一次套刻，基本实现了二元光学元件的4台阶浮雕结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光刻机的性能参数
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 莫尔条纹对准技术在投影光刻系统中的应用
• 1.5 投影光刻技术在微光学元件加工中的应用
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第2章 投影光刻系统
• 2.1 引言
• 2.2 光致抗蚀剂
• 2.3 二元套刻技术
• 2.4 光刻系统分类
• 2.4.1 接触式/接近式光刻系统
• 2.4.2 投影光刻系统
• 2.4.3 下一代光刻系统
• 2.5 投影光刻系统
• 2.5.1 分辨率和焦深
• 2.5.2 曝光光源
• 2.5.3 投影光刻物镜
• 2.6 小结
• 第3章 套刻对准技术
• 3.1 引言
• 3.2 对准方法分类
• 3.2.1 明场和暗场对准方法
• 3.2.2 光栅衍射对准方法
• 3.2.3 离轴和同轴对准相结合的对准技术
• 3.2.4 视频图像对准技术
• 3.3 莫尔（Moiré）条纹对准技术
• 3.3.1 Moiré条纹概论
• 3.3.2 Moiré条纹的特点
• 3.3.3 Moiré条纹的生成机理
• 3.3.4 Moiré条纹应用于光刻对准
• 3.4 小结
• 第4章 投影光刻系统的构建
• 4.1 引言
• 4.2 掩模板及对准标记的设计
• 4.2.1 掩模板的设计
• 4.2.2 对准标记的设计
• 4.3 投影光刻系统的构建
• 4.3.1 投影光刻系统的设计
• 4.3.2 各部分组成
• 4.3.3 系统组装
• 4.4 光刻工艺步骤
• 4.4.1 基片预处理
• 4.4.2 涂胶
• 4.4.3 前烘
• 4.4.4 曝光
• 4.4.5 后烘
• 4.4.6 显影、定影
• 4.4.7 硬烘（坚膜）
• 4.4.8 刻蚀
• 4.4.9 去胶
• 4.4.10 对准
• 4.4.11 第二次曝光
• 4.5 实验结果及分析
• 4.5.1 在铬版上制作微光学元件
• 4.5.2 套刻实现 4 台阶浮雕结构
• 4.5.3 投影光刻系统的实验效果
• 4.5.4 实验误差
• 4.6 小结
• 第5章 结论和展望
• 参考文献
• 发表论文情况说明
• 致谢
• 附录