激光干涉光刻技术的理论仿真研究文献综述

 2022-09-22 11:09

  1. 文献综述(或调研报告):

集成电路的特征尺寸从1-0.5-0.35-0.25-0.18-0.13mu;m逐渐向100-70-50-30-22nm推进[1]。在上个世纪末,大部分学者认为光刻技术的分辨率极限是500nm左右。但在14年前,光刻技术发展迅速,涌现出许多新的技术可以提升光刻分辨率,包括浸没式曝光、相位光学系统、先进掩膜技术等等。光刻设备的进一步优化也使得IC集成度逐步提高。上世纪,光刻设备的曝光光源一般使用泵浦灯的g线(436nm),透镜的数值孔径为0.35~0.45mu;m,后改善到05mu;m以上;与此同时更短波长i线(365nm)也备受关注,可以用来制作更高数值孔径的透镜[2]。近年来,新光源的发展为激光干涉光刻制备纳米级结构铺平了道路,一些深紫外光源和准分子激光,它们的波长分别为193nm和157nm,这些新光源为集成电路集成度的提高创造了有利条件[3]。短波长准分子激光器与先进的光学光刻技术的结合,至2014年仍然是现代微电子技术向45nm、32nm乃至22nm级大规模集成技术的主流研究方向之一。极紫外线与射线光刻、电子束光刻技术等这些未来加工技术,等有可能将光刻极限向新的目标推进。

激光干涉光刻技术作为光刻领域发展最快的高新技术之一,更是各国研究者争相研究的对象。IBM公司用DUV光刻系统,成功的使光刻结构的特征尺寸达到了29.9nm,用NIL则能产生10nm以下特征尺寸的结构。2006年,欧盟第六研究框架项目DELILA中展示出直接激光干涉纳米光刻的最小直写特征尺寸可以达到40nm,2007年则达到了27nm[4]。

近年来,中科院光电技术研究所微细加工国家重点实验室一直从事着对激光干涉光刻技术的研究,他们采用双光束、多光束曝光系统,利用激光干涉法制备了线阵、孔阵和点阵结构,并使其特征尺寸达到了180nm。国内的苏州大学在80cmtimes;60cm的平台上实现了大面积光刻实验,其使用空间光调制器(spatial light modulator, SLM)对光斑进行调制,对输出的各种空频方形光斑进行并列式刻蚀[5,6]。长春理工大学纳米测量与制造技术中心(CNM)实验室成功的制备出特征尺寸在50nm以下的光栅图案[7]。

国内外已开展了关于大面积光刻的研究,麻省理工大学所研制的扫描光束干涉光刻系统(scanning beam interference lithography,SBIL)成功地在12inch的基底上制造出大面积的干涉条纹图案[8]。其使用光电位置传感器(position sensitive device,PSD)作为检测的核心器件进行光束检测,有一定的局限性,且需添加多个声光调制器、空间滤波器等进行相位调制,安装/操作有一定的复杂度。

光学光刻是工业上广泛采用的图案化光刻胶技术,最常见的是利用光将几何图案从光刻薄膜转移到光刻胶上。制约光刻系统发展的最主要因素是光刻分辨率,光刻分辨率是由曝光波长lambda;、数值孔径和焦深共同决定的,然而波长与数值孔径已基本濒临极限,于是减小焦深,也就是要求衬底平整,便是我们的主要工作。激光干涉光刻技术系统简单,曝光场的面积只由系统的数值孔径限制,从而解决了焦深极限的问题,为大面积光刻制造提供了有利条件。这也就引出了我们的激光干涉光刻技术。

在基础仿真内容中一般的方法仅利用光学干涉理论对周期结构进行仿真,然而单一的理论仿真并不能真实反映实际情况,故而我们结合多重理论,包括光学干涉和驻波效应,利用matlab建立了新的数学模型,能准确地估计曝光时间。

  1. 首先了解了基础光学干涉的原理以及场光强的计算方法。

此研究理论国内外均有相似的成果,激光干涉纳米光刻技术主要是用激光器发出的两束或多束相干光在样品表面干涉来产生纳米结构图案。激光干涉纳米光刻系统主要包括激光器、扩束与准直系统、相位控制、干涉控制、偏振控制、光束检测、样品定位和控制系统。该系统在曝光的同时,能对曝光图像进行检测,并反馈给上位机,控制平台移动,使系统能在大面积上(面积接近1mtimes;1m)精确制造纳米级周期性图案。此外,为了干涉光刻工艺得到更加广泛的应用,有文章提出了使用透明衬底,使用背向曝光工艺成功的在透明衬底表面加工出高质量的纳米结构图形。研究通过双层胶结构对于干涉光刻结果的改善,以及光刻图形的浇注转移工艺。为激光干涉光刻在更加广泛的领域内应用打下基础[9]。

其中在多光束干涉光刻这一方面(MBIL),多光束干涉光刻可以制备多种一维、二维和三维微纳米结构,是一种具有广阔应用前景的光刻技术。主要应用领域包括:(1)微纳电子学、(2)光子晶体器件、(3)元器件、(4)生物医学结构和(5)亚波长光学元件。微电子学和纳米电子学包括诸如动态随机存取存储器(DRAM)等设备的电路配置,这些设备由高度周期性的单元布局和定义这些单元中最小特征尺寸的周期性栅格模式组成[10]。 MBIL可以用来定义这个底层网格。因此,它可以作为未来光学光刻系统的基石。光子晶体器件具有真正密集的集成光子电路和系统的潜力[11,12]。

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