• <tr id="yyy80"></tr>
  • <sup id="yyy80"></sup>
  • <tfoot id="yyy80"><noscript id="yyy80"></noscript></tfoot>
  • 99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

    亞10 μm線寬的投影光刻物鏡設計及其成像性能的實驗測定

    2014-03-27 01:52:00李浪林周金運
    應用光學 2014年2期
    關鍵詞:空間頻率線寬光刻

    雷 亮, 李浪林, 袁 煒, 劉 新, 周金運

    (1. 廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院, 廣東 廣州 510006;2. 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院,河南 鄭州 450052)

    引言

    光刻是集成電路工業(yè)的核心工藝,現(xiàn)今超大規(guī)模集成電路的工藝生產(chǎn)中,大部分都采用投影式縮小光刻系統(tǒng),為獲得更好性能的超大規(guī)模集成電路,需要制作出特征尺寸越來越小的元件,分辨率就成了投影式光刻的重要參數(shù)之一[1]。光學傳遞函數(shù)MTF表征了光刻物鏡的分辨能力和物鏡對光的傳遞能力,MTF函數(shù)作為評判成像質(zhì)量的最重要綜合指標,如何能準確有效地測量對于檢驗光學系統(tǒng)具有重要的意義[2-3]。

    現(xiàn)今的大規(guī)模集成電路工業(yè)中,采用的光刻系統(tǒng)及工藝要求已低于100 nm,所使用的光源要求深紫外甚至X射線波段,投影物鏡材質(zhì)亦相當昂貴,一套可靠的納米級光刻機商用價格達數(shù)百萬美金。而在亞10 μm級的PCB、TFT、高密度封裝、觸控面板、平板顯示器領域,幾十萬元人民幣的投影式光刻機有十分龐大的市場需求[4]。本實驗室在前期開發(fā)中已制作成型第一代成熟的20 μm線寬的投影式曝光機[5],目前依工程應用的需求,需要研制亞10 μm線寬的投影光刻系統(tǒng),并結(jié)合系統(tǒng)的成本預算,設計所得的投影物鏡參數(shù),透鏡組由材質(zhì)皆為ZK7的6鏡片組合為雙遠心結(jié)構(gòu),數(shù)值孔徑0.06,放大倍數(shù)2∶1(即2倍縮小),工作波長使用405 nm半導體激光光源,分辨率精度達5 μm,視場12 mm×12 mm 內(nèi)波像差小于1/4波長,畸變小于0.005%。本文將報道此系統(tǒng)的投影物鏡的設計要點,以及該物鏡最重要的MTF實驗測定結(jié)果。

    本文的另一部份是在MTF實驗測定的可靠性分析上。通用的MTF測定方法受噪聲干擾嚴重;如何消除噪聲干擾,提出了一種適用于投影光刻物鏡的標準實驗測量法。該方法有2個主要核心: 1)通過理論分析影響MTF測量的噪聲產(chǎn)生機理,提出去除噪聲的有效實驗手段;2)利用該方法所得的待測物鏡MTF實驗結(jié)果,應該與怎樣的數(shù)據(jù)進行比對以提高其可靠性。通過上述從設計目的到設計要點,然后到物鏡系統(tǒng)的實物化制作、進而對實物進行分辨能力的實驗測量、到最后的測量結(jié)果可靠性分析,本文皆給出了系統(tǒng)性的討論。

    1 投影物鏡的設計要點

    一套實用且滿足工程應用需求的光刻投影物鏡系統(tǒng),主要從其使用目的、視場大小、適用工作波長、制作材質(zhì)、數(shù)值孔徑、最小分辨能力、制作成本、波像差優(yōu)化校正等多個方面考慮以進行綜合設計。本實驗室開發(fā)的第二代投影光刻系統(tǒng)采用光源成本相對低廉的405 nm半導體光源,要求在滿足2∶1的縮小倍數(shù)前提下,在物方視場12 mm×12 mm (即像方視場6 mm×6 mm)范圍內(nèi)可快速曝光。

    首先在制作材質(zhì)方面,選擇405 nm激光透過率較高并且熱膨脹系數(shù)應盡可能小的材料,另外由于半導體激光器存在一定的帶寬,所以要考慮消色差問題。高折射率對于校正光學系統(tǒng)的場曲有利,低色散則對于校正色差有利,再結(jié)合制作成本,因此選擇相對普及的重冕玻璃ZK7為采用的材質(zhì)。其折射率為1.613,阿貝系數(shù)為60.58,并且這種材料的機械強度好,耐熱性能高,化學性質(zhì)穩(wěn)定,熱膨脹系數(shù)小,對405 nm波長光透過率較高,達到了94%以上。

    其次是數(shù)值孔徑與分辨率方面的考慮。投影光刻物鏡所具有的衍射極限成像質(zhì)量要求整個視場內(nèi)的波像差小于波長的1/4,對于無像差均勻照明圓孔徑的光學系統(tǒng)其調(diào)制傳遞函數(shù)可表示如下關系式[6]:

    MTF(f)= (2/π){cos-1(f/fmax)-(f/fmax)·

    [1-(f/fmax)2]1/2}

    (1)

    式中:f為像方空間頻率;fmax為像方空間截止頻率,令

    f/fmax=cosφ

    (2)

    則(1)式可化為

    MTF(f)=(2/π)(φ-cosφ·sinφ)

    (3)

    對于光刻投影物鏡一般要求MTF>0.5曝光時才不會出現(xiàn)問題[7],在這里取MTF≥0.57代入(3)式得cosφ≤0.34。

    另外,光刻系統(tǒng)中可分辨的最小線寬R的2倍即為空域信號的空間周期,該值的倒數(shù)即為空間頻率f,所以f=1/(2R),從數(shù)值孔徑NA的物理定義及角譜理論易得fmax=2NA/λ,把兩者代入(2)式得

    R=[1/(4cosφ)]*λ/NA

    (4)

    將工作波長λ=405 nm以及cosφ≤0.34代入(4)式得滿足光刻分辨率為R=5 μm要求時光刻物鏡的NA值≥0.06。

    第三是考慮了制作成本的鏡片組數(shù)量及其組合結(jié)構(gòu)問題。由于投影光刻系統(tǒng)掩膜板所在的物面與基板所在的像面有不同程度的離焦,不恰當?shù)墓鈱W結(jié)構(gòu)會因離焦導致倍率誤差,因而在光刻領域保持倍率一致性非常重要,所以本設計的光學組合結(jié)構(gòu)采用雙遠心光路結(jié)構(gòu)為原型。最簡單的雙遠心結(jié)構(gòu)為2個凸透鏡的組合,然而獨立的1塊凸透鏡有較高的光焦量,為了減少單個凸透鏡所承擔的光焦量,將單個凸透鏡分別分解為2個凸透鏡鏡片,但如果光學系統(tǒng)都是凸透鏡,則場曲無法校正,因此必須在前組凸透鏡和后組凸透鏡中分別加入1個凹透鏡分別得到透鏡組G1和G2,因而得到了滿足上述原則的最少鏡片(6鏡片)組合,如圖1所示,前組G1有效焦距為f1>0,后組G2有效焦距為f2>0。

    圖1 雙遠心光路設計原型Fig.1 Prototype of double telecentric structure optical path design

    最后是優(yōu)化設計中的波像差校正。任何光學系統(tǒng)成像都不可能理想,由同一物點發(fā)出的光線經(jīng)過系統(tǒng)后經(jīng)由不同路徑的光線最后并不能完全交匯于理想點,實際光線與理想點之間的位置差就是像差,像差越大,成像的質(zhì)量就越差。光刻物鏡和其他光學系統(tǒng)一樣,必須把像差控制在非常小的范圍內(nèi),但是不可能完全消除,因而對光刻物鏡的優(yōu)化只是一個像差平衡或稱為優(yōu)化的過程。所以在使用Zemax軟件的優(yōu)化功能時,投影光刻物鏡需要校正球差、彗差、像散、場曲、畸變等像差。

    另外要考慮到光學設計誤差、加工誤差(面形誤差和偏心誤差)、光學材料誤差以及校裝誤差對成像質(zhì)量的影響[8]。為保證最后校裝完成后的物鏡仍然達到瑞利判斷所規(guī)定的波像差小于λ/4的條件,在光學設計中必須把波像差控制在λ/8~λ/10以下[9]。

    以上評價指標都是對影響成像對比度的像差的總體要求,就光刻物鏡而言,為保證光刻圖形傳遞質(zhì)量,對畸變也有較高的要求,通常要求畸變控制在最小光刻線寬的1/5。對于5 μm 的分辨率來說,要求絕對畸變δy≤1 μm,相對畸變DIST≤0.033%。

    2 設計結(jié)果

    利用上述所確定的參數(shù)及Zemax軟件優(yōu)化和模擬,得到優(yōu)化后光學結(jié)構(gòu)圖2所示。波像差方面,由圖3可知在全視場內(nèi)的波像差小于λ/10,滿足校裝后小于工作波長小于1/4的要求。

    圖2 Zemax輸出的2D光學結(jié)構(gòu)圖Fig.2 2D structure diagram by Zemax

    場曲和畸變反應了整個像面的彎曲情況,分別如圖4左圖與右圖所示。左圖展示了最大場曲在25 μm的范圍內(nèi);而光刻投影物鏡對畸變的要求很高[10],文中設計的結(jié)果僅容許有小于0.033%的相對畸變存在,右圖展示了系統(tǒng)最大相對畸變小于0.005%,滿足畸變的要求。

    圖3 Zemax輸出的波像差分析結(jié)果Fig.3 Wavefront aberration analyzing result by Zemax

    圖4 Zemax輸出的場曲和畸變分析結(jié)果Fig.4 Field curvature and aberration analysis by Zemax

    Zemax軟件所輸出的結(jié)果中,最重要的、最能綜合表征所設計的鏡頭是否達到某個分辨能力的是其理論MTF曲線。

    3 投影物鏡成像性能MTF的實驗測定

    利用軟件輸出的是一個理想的MTF理論曲線,來源于Zemax根據(jù)投影物鏡組的設定參數(shù)模擬出波像差、通光域、出瞳形狀、點擴散函數(shù)等信息,再采用數(shù)值計算方法(2次傅立葉變換法或自相關函數(shù)計算法)求解而得,本設計所輸出的理論曲線見圖5中的虛線所示。然而,待測光學元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)在加工、校裝、或光學系統(tǒng)搭建過程中的微小誤差,都會使得實際的MTF曲線與理論計算有相當大的差異。所以,評價一個光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量好壞,其理論MTF值在實際工程應用中只能作為定性參考。

    若輸入面信息以f(x,y)表示,輸出面以g(x,y)表示,作傅立葉變換得其空間頻域表示

    (5)

    (6)

    該標準測量法利用MTF與輸入信號無關的特點,以單一空間頻率的信號為輸入,實驗上的實現(xiàn)是將高度均勻化、消相干后的半導體激光源照射掩模板,掩模板的灰度值沿某一維(x維)呈空間頻率為fx的余弦變化規(guī)律,振動幅度為Iin(fx),在輸出面可獲得對應此空間頻率的振動幅度為Iout(fx)的輸出信號,并且此信號的信噪比很大,抗噪能力很強。作對比度差異計算MTF(fx)=Iout(fx)/Iin(fx)得對應此單一頻率fx時的衰減比值系數(shù),然后將各個分立頻率值的MTF插值擬合成連續(xù)的MTF曲線[11]。該方法在實驗上只需要CCD拍攝像面的光強分布以獲取Iout(fx),而無須獲取物面信息,只需保證切換各個掩模板時注意實驗環(huán)境統(tǒng)一性即Iin(fx)幅度相同即可。為保證該統(tǒng)一性,將各個空間頻率的灰度余弦變化信息刻畫在同一個固定在微調(diào)移動臺上的掩模板中,以實現(xiàn)實驗條件一致時的空間頻率的切換。這就是沿用上述光學傳遞函數(shù)的物理定義,從(6)式中提煉得到的MTF曲線標準測量法。

    圖5 理論與實驗測量所得的MTF曲線Fig.5 Theoretical and experimental MTFs

    對本設計的投影光刻物鏡測量得到如圖5中的實線所示,它是由上述MTF標準測量法得到的分立實驗點(圖中的方點)插值擬合而成。對于達到衍射極限的光學系統(tǒng),通常要求在最大頻率下MTF≥0.4[9]。在此光學系統(tǒng)下分辨線寬R與MTF函數(shù)的自變量有fx=1/(2R)的對應關系,從圖可見,理論曲線中fx=100 lp/mm處,代入得R=5 μm,此時MTF值大于0.57滿足衍射極限系統(tǒng)的條件。而實驗曲線顯示該系統(tǒng)在衍射極限條件下即滿足MTF=0.4時,F(xiàn)x=57 lp/mm,所以該系統(tǒng)實際的分辨能力為8.8 μm,它與理論曲線的差異由待測光學元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)在加工、校裝、或光學系統(tǒng)搭建過程中的微小誤差導致,但已滿足本投影物鏡所要求的亞10 μm工程應用需求。

    4 結(jié)論

    本文根據(jù)工程應用需求,設計了一套工作波長為405 nm半導體激源,放大倍數(shù)為2∶1,視場12 mm×12 mm 內(nèi)波像差小于1/4波長的6鏡片組投影光刻系統(tǒng)。從設計的理論依據(jù)出發(fā),詳細討論了設計要點,實物化制作中的注意細則,還對實物投影光刻物鏡進行MTF分辨能力的實驗測定,實驗過程中采用了可靠性較高的MTF標準實驗測量法,得到實驗MTF曲線MTF(fx=57 lp/mm)≥0.4的結(jié)果,從而證明該系統(tǒng)的分辨率精度達8.8 μm線寬。

    [1] CHAE J, JAIN K. Excimer laser projection photoablation patterning of metal thin films for fabrication of microelectronic devices and displays[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters, 2008, 20(14):1216-1218.

    [2] PARK STEPHEN K, SCHOWENGERDT ROBERT, KACZYNSKI MARY-ANNE. Modulation tansfer function analysis for sampled image systems [J].Applied Optics, 1984, 23(15): 2572-2582.

    [3] HOFFNAGLE J A, HINSBERG W D, SANCHEZ M L, et al. Houle method of measuring the spatial resolution of a photoresist[J].Optics Letters, 2002, 27(20): 1776-1778.

    [4] LIN K,JAIN K. Design and Fabrication of Stretchable Multilayer Self-Aligned Interconnects for flexible Electronics and Large-Area Sensor Arrays Using Excimer Laser Photoablation[J].Electron Device Letters,2009,30(1): 14-17.

    [5] 林清華,李文靜,周金運. PCB激光投影成像掃描技術(shù)分析[J]. 量子電子學報,2007,34(9):357-360.

    LIN Qing-hua, LI Wen-jing, ZHOU Jin-yun. PCB analysis of laser projection imaging scanning technology[J], Chinese Journal of Quantum Electronics, 2007, 34(9):357-360. (in Chinese with an English abstract)

    [6] MICHAEL BASS. Handbook of Optics second edition vol.2[M].NewYork: McGRAW-HILL, INC, 1995.

    [7] PLUMMER J D. Silicon VLSI Technology Fundamentals, practice and modeling[M]. UK:Prentice Hall,2003.

    [8] 楊新軍,王肇圻,母國光,等. 偏心和傾斜光學系統(tǒng)的像差特性[J].光子學報, 2005, 34 (11) :1658-1662.

    YANG Xin-jun, WANG Zhao-qi, MU Guo-guang, et al. Aberration properties of t he decentered and tilted optical systems[J].Acta photonica Sinica, 2005, 34 (11) :1658-1662. (in Chinese with an English abstract)

    [9] 陳銘勇,杜驚雷,郭小偉,等.數(shù)字灰度光刻成像物鏡設計[J].光子學報, 2009, 38 (1):120-124.

    CHEN Ming-yong, DU Jing-lei, GUO Xiao-wei, et al. Design of digital gray-tone lithography lens[J].Acta Photonica Sinica, 2009, 38(1):120-124. (in Chinese with an English abstract)

    [10] HAEFNER DAVID P, BURKS STEPHEN D. Noise estimation of an MTF measurement[J].SPIE, 2012, 8355: 835506-1-11.

    [11] MAROM EMANUEL, MILGROM BENJAMIN, KONFORTI NAIM. Two-dimensional modulation transfer function: a new perspective[J].Applied Optics, 2010, 49(35):6749-6755.

    猜你喜歡
    空間頻率線寬光刻
    印制板制造中量化蝕刻研究
    生產(chǎn)過程中的PCB線寬分析研究
    基于稀疏貝葉斯的多跳頻信號二維波達方向估計
    Excel圖形轉(zhuǎn)入CorelDRAW技巧
    【極紫外光刻】
    科學家(2017年20期)2017-11-10 13:05:44
    高數(shù)值孔徑投影光刻物鏡的光學設計
    掩模位置誤差對光刻投影物鏡畸變的影響
    空間頻率變化對不同年齡段正常眼圖形視覺誘發(fā)電位的影響
    亞波長金屬光柵光刻條紋分布
    基于人眼視覺特性的濾波器空間頻率的計算方法及其在彩色圖像上的應用
    剑川县| 龙泉市| 扎囊县| 高淳县| 阳谷县| 镇江市| 衢州市| 嘉鱼县| 任丘市| 廉江市| 重庆市| 伽师县| 邻水| 马鞍山市| 济源市| 富民县| 盐城市| 宜阳县| 武义县| 冕宁县| 射阳县| 广安市| 梅河口市| 岢岚县| 钟山县| 方正县| 章丘市| 且末县| 旬邑县| 鄂州市| 崇礼县| 吉安县| 雷山县| 肃宁县| 大名县| 平舆县| 中方县| 商洛市| 龙胜| 宁海县| 长寿区|