基于深紫外激光器的大面積干涉光刻裝置研究

張 嶺， 胡海峰， 顧亮亮， 詹其文

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

在過去的幾十年，微納加工技術取得了長足的發展，誕生了納米壓印、激光干涉光刻等多項加工技術[1-3]，采用微納加工技術制造的周期性陣列結構被廣泛應用在光子晶體[4]、微流體裝置[5]、諧振波導[6]、激光制造[7]及超表面[8]等領域。微納加工技術包括傳統的紫外光刻、納米壓印、聚焦離子束光刻以及電子束光刻等技術[9]。紫外光刻技術已經做成商業化的光刻機，其集成化、自動化程度高，操作簡單，工藝穩定；但是，傳統的紫外曝光受到掩模版衍射極限的限制，極限分辨率只能達到0.5μm，雖然結合了多種提升分辨率的方法，如采用波長更短的極紫外（EUV）光源、多重曝光技術等，結構的關鍵尺寸已經達到了5 nm以下，但曝光系統各方面功能很難完全實現[10]。聚焦離子束光刻具有極高的分辨率，一般是制作光學掩膜的方法，但是，其需要昂貴的設備，并且加工時間很長，導致生產效率很低[11]。納米壓印可以制備大面積高分辨率的圖形結構，但是，制作納米結構的模板是納米壓印的前提，同時在壓印過程中的操作不規范使得模板容易損壞成為消耗品[12]。電子束光刻和聚焦離子束相似，可以加工任意圖形并且擁有極高的分辨率，但是，依賴昂貴的加工儀器，并不適用于大規模工業生產[13]。

激光干涉光刻是一種無掩膜的微納加工技術，利用光束之間的互相干涉形成大小不一的光強，在光刻膠上生成干涉周期圖案，相比于其他的微納加工技術，具有曝光面積大、生產效率高等優點[14]。針對激光干涉光刻裝置，一般使用勞埃德（Lloyd）干涉和雙光束干涉兩種方式。雙光束干涉可以提供更大的曝光面積，但是，由于其本身的設計對系統的穩定性要求更高，同時每次改變周期都需要調節雙光束之間的夾角，造成光路調節困難，效率低下[15]。Lloyd干涉裝置調節光路簡單，改變周期容易，成本低，非常適合科研實驗的需要，但是，在實際應用中，由于激光產生的高斯光在不同區域具有不同的光強度，使得光刻膠不同曝光區域的曝光劑量有差異，最終會導致產生的干涉圖案的線寬均勻性差[16]。本文在Lloyd干涉光刻裝置中引進了平頂光整形器，將高斯光整形成中心強度均勻的平頂光光束，可產生高質量的均勻線寬干涉結構，對后續轉移光刻膠圖形獲得高質量的周期結構有極大的幫助，非常有利于制作高質量的周期性結構圖形。

1 實驗

1.1 干涉光刻裝置搭建

Lloyd干涉光刻裝置如圖1所示。該裝置由針孔濾波器、2個擴束系統、平頂光整形器、光開關和Lloyd干涉樣品臺組成。圖中L1，L2，L3，L4為光學透鏡，M1為反射鏡，FTBS為平頂光整形器，S為光快門。

圖1 Lloyd干涉光刻裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Lloyd’s interference lithography setup

由深紫外激光器產生的波長為266 nm、光斑直徑為0.6 mm的高斯光束經過爬升架后，經焦距為20 mm的透鏡L1聚焦，在焦點處放置一個15μm的針孔，將激光器光束的高頻部分和透鏡帶來的光學噪聲濾除，從而生成純凈的高斯光斑；再經過透鏡L2擴束并準直變成光斑直徑6.2 mm的光斑進入平頂光整形器（πShaper 6_6_266,AdlOptica），輸出一個光斑直徑為5.2 mm的平頂光光斑，該平頂光光斑從中心到邊緣的光功率變化率僅為18.6%。再次經過1個擴束系統，在第2個擴束系統的焦點處放置了1個光快門S，用來控制曝光時間，最終輸出光斑直徑為39 mm的平頂光束。以上步驟使用CCD相機觀察了光斑的質量，如圖2所示。

在平頂光光斑到達的位置上放置了Lloyd干涉裝置，如圖3所示。它的一臂夾持了對266 nm波長反射率大于90%的25.4 mm大小的方形反射鏡，另一臂作為光刻的樣品臺可以真空吸附硅片。兩臂以鉸鏈式結構連接，可以自由旋轉。平頂光一部分的光被反射鏡反射，另一部分光直接入射，因此，兩者之間存在夾角，會在樣品表面形成干涉條紋。干涉光場的強弱分布經曝光和顯影以后在光刻膠上就形成了周期性的光柵條紋結構。干涉周期由式（1）表示。

式中：ρ為條紋結構的周期；λ為入射光的波長；θ為入射光和反射鏡之間的夾角。

圖2 不同位置CCD相機采集的圖像Fig.2 Images acquired by CCD cameras in different positions

圖3 Lloyd干涉儀的結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of Lloyd’s interferometer

干涉曝光區域的尺寸可以通過式（2）進行計算。

式中：Z為曝光區域的橫向長度；L為反射鏡的橫向尺寸，L=25.4 mm；α為入射光和樣品臺的夾角。

當兩臂垂直時，即θ+α=90 °，式（2）可以化簡為

因此，干涉結構的周期與激光光源波長λ以及入射角θ的角度有關，λ越小，則周期越小。本文使用的266 nm深紫外激光器在理論上可以實現最小周期為133 nm的光柵結構，同時增加θ，可以減小周期并增大曝光面積。

1.2 干涉周期結構制備工藝

制備周期性的干涉結構還需要一系列的工藝。第1步，硅片的清潔，采用丙酮進行超聲清洗5 min，去除表面油脂等污染物，再使用去離子水沖洗3 min；第2步，采用熱板去除硅片表面的水蒸氣；第3步，硅片表面滴膠，用勻膠機旋涂光刻膠；第4步，將勻膠后的硅片取出，此時光刻膠已經形成薄膜，將其放在熱板上前烘；第5步，使用樣品臺真空吸附硅片并調整好角度進行干涉曝光；第6步，硅片取下后烘（對于大部分正性光刻膠可以忽略此步驟）；第7步，顯影液顯影并用去離子水沖洗，光刻膠產生干涉結構圖案[17]。

為了證明裝置的普適性，實驗了2種不同類型的光刻膠，分別是I-line負性光刻膠SU8 2000.5和KrF正性光刻膠HTK1062。對于SU8 2000.5光刻膠，在4000 r/min轉速下勻膠30 s，得到500 nm膠厚，然后在熱板上95℃前烘60 s，在2.3 mW/cm2的強度下曝光30 s，后烘60 s并顯影30 s，獲得較好的曝光圖形質量。為了實驗不同的周期性結構，光刻膠曝光后將硅片進行旋轉并再次進行曝光，其他步驟相同。對于HTK1062光刻膠，在4000 r/min轉速下勻膠40 s，得到242 nm的膠厚，在熱板上95℃前烘90 s，在16.4 mW/cm2的強度下曝光1 s，顯影20 s，獲得了較好的曝光圖形質量。

2 結果與討論

2.1 周期性結構的種類

SU8 2000.5光刻膠在干涉光刻裝置曝光顯影后的顯微鏡和掃描電鏡照片如圖4所示，其中，圖4(a)和(b)為500倍光學顯微鏡照片，圖4(c)和(d)為掃描電子顯微鏡（SEM）照片。由于干涉光場存在強弱分布，負性光刻膠與達到曝光閾值的光（干涉光場的亮條紋區域）發生反應，顯影后固化；沒有達到曝光閾值的光（干涉光場的暗條紋區域）則會被顯影液洗去，因此，光刻膠一次曝光將會產生一維光柵結構。對于二次曝光，是一次曝光按旋轉角度的光強疊加效果。產生的二維點陣結構是一維光柵結構以一定角度在光刻膠上疊加形成的。隨著曝光次數的增加，需要將每次的曝光時間減半，才能保持與一維光柵相同的曝光劑量[18]。圖4(a)和(c)顯示干涉結構的周期為860 nm，與曝光時選擇的入射光和反射鏡夾角8.8°的計算結果基本一致。圖4(b)和(d)是一次曝光后硅片旋轉53°得到的二維孔洞結構，干涉結構周期同樣是860 nm。實驗結果顯示，無論是一維還是二維周期結構，圖案都沒有失真，脊條和孔洞的形狀都保持一致，條紋清晰。

圖4 SU8 2 000.5光刻膠的一維和二維周期性結構圖像Fig.4 Images of 1D and 2D periodic structuresof photoresist SU8 2000.5

2.2 平頂光整形對圖形的影響

高斯光的光強分布特點是中心強、邊緣弱。在實際進行光刻加工中，會導致中心區域受到的曝光劑量超過邊緣區域，因此，常出現中心區域的光刻膠正常曝光時，邊緣光刻膠出現曝光不足的現象。特別是對于工藝窗口小的光刻膠，會導致中心區域過曝，而邊緣曝光不足的情況。占空比是光柵圖形線寬和周期的比值，對于負性光刻膠，將出現中心區域的光柵結構占空比大而邊緣區域的占空比小，對于正性光刻膠則相反。

平頂光是一種中心強度分布均勻的光場，在邊緣處光強迅速下降到零。因此，在中間區域進行光刻時，所受到的曝光劑量幾乎是一致的，因此，會獲得線寬均勻性非常好的光柵結構。在曝光裝置中去除平頂光整形器，使用HTK1062光刻膠進行對比實驗，分別選取曝光區域的3個位置使用掃描電鏡觀察，其中，區域A為曝光區域中心，區域B和區域C為區域A上下各移動12 mm選取的區域，結果如圖5所示。圖5中的一維光柵結構的周期均為407 nm，是由入射光和反射鏡夾角為19.1°產生的干涉條紋曝光得來。光柵線條出現小幅度的彎曲是由于入射光照射光刻膠產生部分反射光，兩者互相干涉引起的駐波效應導致，可以通過在硅襯底預先勻涂一層抗反射涂層進行改善。對SEM圖像中的所有光柵結構計算占空比并且選取平均值以減少誤差，如表1所示。光柵結構線寬的均勻性利用式（4）計算。

式中：H表示均勻度；Max表示數據的最大值；Min表示數據的最小值；Adv表示數據的平均值。

由此可得，使用高斯光曝光的區域一維光柵結構的線寬均勻度為69.54%，使用平頂光曝光區域的線寬均勻度為90.90%，相比提升了21.36%。

2.3 不同光刻膠的區別

SU8光刻膠是I-line負性光刻膠，曝光中心波長是365 nm，對于266 nm的曝光光源具有相對較低的敏感性，因此，需要更大的曝光劑量，同時對光路的穩定性要求也更高。SU8系列光刻膠的作用機理是遇光產生自由基分子熱交聯形成鈍化性很強的環氧樹脂[19]，去膠困難，故在結構轉移時需要考慮這一問題。

圖5 不同區域不同類型光的掃描電鏡圖像Fig.5 SEM images of different types of light in different areas

表1 不同區域的占空比Tab.1 Duty cycles for different regions

HTK1062是一款KrF正性光刻膠，曝光中心波長是248 nm，與光源波長接近，因此，有著更高的曝光敏感度，曝光時間很短，振動對其影響小，因此，可以更穩定地產生小圖形結構，但是，工藝窗口也因此變小，操作時需注意控制曝光時間。在不稀釋的情況下，HTK1062具有更薄的厚度，傳統的去膠液丙酮就可以完成對HTK1062的去膠操作，對于后續圖形的轉移有很大優勢。

3 結論

成功搭建了基于266 nm深紫外激光器的Lloyd干涉光刻裝置，實驗了SU8 2000.5和HTK 1062這2種不同類型的光刻膠，均實現了8.9 mm×25.4 mm的大面積曝光；通過一次和二次曝光獲得了良好的一維光柵結構和二維點陣結構，證明了該裝置具有普適性。在裝置中加入了平頂光整形器，顯著提高了光柵結構線寬的均勻性，對實現大面積、高線寬均勻性的光柵結構具有指導意義。