基于數(shù)字微鏡元件的空間光調(diào)制器

摘 要：空間光調(diào)制器是一類能將信息加載于光學(xué)數(shù)據(jù)場上以便對二維空間各點光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的器件，其在微光刻領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。微光刻技術(shù)對于照明強(qiáng)度分布、均勻性等的高精確度要求，使得基于數(shù)字微鏡元件的空間光調(diào)制器由于精度高、可控性好而逐漸受到青睞，成為微光刻系統(tǒng)不可缺少的組成元件。

關(guān)鍵詞：空間光調(diào)制器，數(shù)字微鏡，微光刻

中圖分類號：N04；TN761；TH74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0072-03

Introduction of Spatial Light Modulator SLM Based on Digital Micro Mirror

DU Shuya

Abstract： SLM （spatial light modulator） is a kind of devices which can upload information to an optical data field， therefore modulating the light intensity of each point of the 2dimentional space. It is widely used in the field of microlithography. As for the high demand for the accuracy of illumination intensity and uniformity etc. of the microlithography technology， SLM based on DMD（digital micro mirror） is welcomed because of its high accuracy and controllability， therefore becoming essential part of microlithography system.

Keywords： SLM， DMD， microlithography

收稿日期：2014-06-08

作者簡介：杜叔亞（1984—），女，助理研究員，主要從事方向為微光刻曝光設(shè)備、微光刻曝光技術(shù)等。通信方式：studentdsy@126.com。

一 空間光調(diào)制器和數(shù)字微鏡的概念

空間光調(diào)制器（spatial light modulator，SLM）是一種以空間形式調(diào)制入射光波的變換器件，能夠在實現(xiàn)形式上以相位、方向、振幅、強(qiáng)度或偏振狀態(tài)等對入射光進(jìn)行調(diào)制。近年來，隨著光信息技術(shù)的發(fā)展，空間光調(diào)制器逐漸在光互聯(lián)、光計算、光學(xué)控制、光學(xué)檢測等領(lǐng)域中顯示出越來越重要的作用。

空間光調(diào)制器的特點在于對入射光的調(diào)制呈矩陣形式。具體來說，空間光調(diào)制器通常包含多個在空間上排列成一維或二維的獨立單元，每個獨立單元陣列即被認(rèn)為是空間光調(diào)制器的一個“像素”，入射光相應(yīng)地被分離為多個子束，每個子束對應(yīng)一個“像素”?？臻g光調(diào)制器對于入射光特征的調(diào)制，是以“像素”為單位進(jìn)行的。

現(xiàn)有技術(shù)中，光調(diào)制器的種類多樣，依據(jù)其實現(xiàn)方式可以分為磁光器件、液晶器件、微通道板、反射鏡等。其中，微光刻系統(tǒng)中越來越多地使用數(shù)字微鏡元件（digital micro mirror device）構(gòu)成的空間光調(diào)制器。

數(shù)字微鏡元件是用數(shù)字壓電信號控制微鏡片執(zhí)行機(jī)械運動，由此實現(xiàn)光學(xué)功能的裝置。數(shù)字微鏡元件可以被認(rèn)為是一種“光開關(guān)”，通過控制微鏡片圍繞固定軸的旋轉(zhuǎn)和時域響應(yīng)等，決定反射光的角度、方向以及強(qiáng)度分布等性質(zhì)（見圖1）。

圖1 常見的數(shù)字微鏡元件的結(jié)構(gòu)

數(shù)字微鏡元件的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)光調(diào)制器對于器件本身屬性的精度依賴。將數(shù)字微鏡元件排布成矩陣結(jié)構(gòu)，通過中央處理器控制每個微鏡元件的動作，改變?nèi)肷涔獾奶匦?，從而實現(xiàn)所需的調(diào)制效果（見圖2）。

圖2 基于數(shù)字微鏡元件的空間光調(diào)制器

二 特點和技術(shù)現(xiàn)狀

目前的微光刻系統(tǒng)中，基于空間光調(diào)制器的自身特點，主要用于兩方面：提供預(yù)定照明模式和代替?zhèn)鹘y(tǒng)掩模。

1. 提供預(yù)定照明模式

微光刻技術(shù)是目前加工微器件、半導(dǎo)體元件等的主要方法。微光刻系統(tǒng)通常由照明系統(tǒng)、投影系統(tǒng)和曝光系統(tǒng)三部分構(gòu)成。曝光的過程大致如下：照明系統(tǒng)根據(jù)掩模和待加工基板的特性產(chǎn)生具有一定形狀和強(qiáng)度分布的照明光束，照明光束通過投影系統(tǒng)的掩模形成圖案調(diào)制光束，圖案調(diào)制光束再通過投影物鏡放大或縮小，形成曝光光束，對位于掃描臺上的基板進(jìn)行曝光處理，經(jīng)過顯影、清洗、烘干等步驟，最終形成微器件。

照明系統(tǒng)提供的照明光束，直接決定了后續(xù)曝光的精度，不同基板和掩模對照明條件具有不同的要求。傳統(tǒng)方法采用透鏡等光束變換元件進(jìn)行照明光束的調(diào)制，然而，由于透鏡等元件的固有屬性，使得其形成的照明分布局限于均勻照明、兩極、四極照明等傳統(tǒng)模式，而對于特殊照明分布則難以實現(xiàn)。

基于數(shù)字微鏡元件的空間光調(diào)制器的出現(xiàn)解決了上述難題。基于微鏡元件的獨立尋址能力，可以容易地控制空間光調(diào)制器形成所希望的預(yù)定照明模式（見圖3）。

圖3 基于空間光調(diào)制器的微光刻系統(tǒng)

上述系統(tǒng)中，光源發(fā)出的光入射至空間光調(diào)制器，利用控制器使空間光調(diào)制器的每個微鏡元件單獨動作，將入射的光束分割成為與微鏡元件數(shù)量相當(dāng)?shù)淖庸馐⒏髯援a(chǎn)生不同調(diào)制，由此形成所需要的特定照明模式，照明掩模，對掩模圖案進(jìn)行投影，從而在基板上形成曝光圖案。利用空間光調(diào)制器，可以形成除均勻照明、兩極照明和四極照明以外的多種特殊照明分布。

2. 代替?zhèn)鹘y(tǒng)掩模

傳統(tǒng)微光刻系統(tǒng)利用掩模形成圖案光束，對基板進(jìn)行曝光。然而，為了在基板上制作不同器件，通常需要制作多個掩模，每個掩模僅能用于制作一種特定的器件，這就需要大量的掩模板，造成資源浪費，顯著提高光刻工藝成本。

利用基于數(shù)字微鏡元件的空間光調(diào)制器模擬傳統(tǒng)掩模圖案，形成帶有圖案信息的曝光光束，可以完美地解決上述問題（見圖4）。

圖4 無掩模直寫式微光刻系統(tǒng)

在上述系統(tǒng)中，不設(shè)置傳統(tǒng)掩模，光源1發(fā)出的光在前置光學(xué)系統(tǒng)2的作用下形成具有特定照明場分布的照明光，照明光入射至空間光調(diào)制器3上，通過微鏡元件將入射照明光分成多個照明子束，由計算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)需要的掩模圖案獨立控制每個微鏡元件調(diào)制對應(yīng)的照明子束，以形成圖像像素元，二維陣列的所有圖像像素元共同構(gòu)成數(shù)字掩模圖案。最后利用投影系統(tǒng)4、5將數(shù)字掩模圖案投影至基板6上形成器件圖案。

三 空間光調(diào)制器面臨的挑戰(zhàn)

目前，微電子器件的臨界尺寸越來越小，光刻精度不斷提高，對于制作工藝條件也不斷提出新的要求。照明條件直接決定了微光刻的質(zhì)量，因此利用空間光調(diào)制器實現(xiàn)預(yù)定的照明條件也面臨更多挑戰(zhàn)，主要有：

1. 空間光調(diào)制器器件微型化帶來制造工藝難度的提升。

2. 器件微型化導(dǎo)致獨立尋址控制機(jī)制更加復(fù)雜，操作難度加大。

3. 數(shù)字微鏡元件的小型化和子光束調(diào)制精度提升的雙重要求。

四 結(jié) 語

基于數(shù)字微鏡元件的空間光調(diào)制器在微光刻系統(tǒng)中發(fā)揮出了越來越重要的作用，逐漸取代了傳統(tǒng)的光調(diào)制部件、掩模等技術(shù)手段，將微光刻帶入數(shù)字化控制的時代。盡管在制造和控制精度方面面臨多方挑戰(zhàn)，但是基于數(shù)字微鏡元件的空間光調(diào)制器的應(yīng)用前景不可限量。

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