光刻工藝技術專題（三）：低成本光刻技術之激光直寫光刻

低成本光刻主要指的是無需投影成像的光刻技術，如掩模接近式光刻，激光直寫光刻，無衍射極限的光學光刻等。盡管這些技術的產率、分辨率和工藝控制能力普遍低于DUV和EUV光刻，但是它們仍然廣泛應用于微納制造領域。本文簡單介紹一下激光直寫光刻技術。

激光直寫光刻不需要使用掩模，只需使用簡單的聚焦光學系統(tǒng)就可以靈活地生成幾乎任意形狀的圖形。激光直寫系統(tǒng)的價格遠低于先進的光學投影光刻，其主要不足是串行寫入方式非常耗時，產率低。

激光直寫（LDWL）采用一束或多束聚焦激光束對光刻膠進行曝光。通過硅片或激光束的掃描運動控制光刻膠曝光位置。利用工件臺與2D掃描振鏡可以在超過幾毫米的大面積上制造微納結構。工件臺一般為3D線性壓電傳感器（PZT）驅動型工件臺或電機驅動型工件臺。無需光刻膠的激光直寫材料加工工藝（LDWP）也采用了類似的工作原理。LDWL使用標準的激光光源。LDWP的光源為高功率飛秒脈沖激光器，可以直接對材料進行加工。早期的LDWL系統(tǒng)主要用于制作光刻掩模，可作為電子束掩模直寫設備的高性價比替代方案。激光直寫系統(tǒng)的曝光率取決于聚焦光束的形狀及其在光刻膠上的掃描/運動方式。激光直寫光刻一般用于制備2D或3D圖形。

下圖為兩種激光直寫光束強度分布或光束幾何形狀截面圖。平面波經過聚焦透鏡形成帶有束腰的sinc2函數（柱面透鏡）或貝塞爾函數（球面透鏡）型強度分布。由于聚焦透鏡只能收集部分平面波，所以這種結構會導致光瞳填充的過滿，能效偏低，還會產生明顯的成像旁瓣。旁瓣導致鄰近效應，相鄰圖形衍射光之間相互干擾。采用光束寬度很小的高斯光束進行照明，可以確保大部分光能量能夠穿過光瞳。采用這種配置，光瞳面的光強分布為高斯型，不會完全填充，是LDWL的首選。NA較大的情況下，聚焦后光束的形狀明顯受偏振態(tài)的影響。

標準激光直寫光刻的分辨率由阿貝-瑞利極限x=k1*λ/NA決定，取決于曝光波長λ和投影物鏡的數值孔徑NA。工藝因子k1取決于光束形狀、光刻膠和其他工藝條件。激光直寫光刻的k1常見值約為1.0.大多數激光直寫光刻系統(tǒng)的波長在350~450nm，數值孔徑可達0.85。因此激光直寫光刻的分辨率極限為300~500nm。

聚焦激光束的掃描方式包括矢量掃描和柵格掃描兩種。矢量掃描過程中聚焦光束移動到需要曝光的位置進行曝光，通常這種方法需要將聚焦光束跳躍性地移動到硅片上的不同區(qū)域。在短時間內高精度定位到所需位置的難度很大。因此，大多數系統(tǒng)都使用柵格掃描方式。在柵格掃描過程中，聚焦光束沿著矩形網格有規(guī)律地移動。

上圖為主流激光直寫光刻系統(tǒng)的基本寫入策略示意圖，即在直線網格上進行柵格掃描的策略。在這種寫入策略中，聚焦激光束在均勻網格上移動。均勻網格也稱為尋址網格。由掃描元件執(zhí)行掃描動作，例如可通過反射鏡系統(tǒng)、三維位移臺或工件臺來移動光束焦點的位置。通過邊掃描邊調節(jié)光束強度的方法來構建所需的圖像。在最簡單的情況下，只需打開和關閉光束即可。通過計算機控制掃描運動和光束調制，由用戶輸入圖形數據。所有離散位置形成了一個等間距的尋址網格。尋址單元為尋址網格上兩個相鄰格點之間的距離。網格中的點數或像素數決定了激光直寫設備的寫入速度。尋址單元較小時產生的圖形數據量大，導致寫入時間很長；較大的尋址單元可以減少數據量和寫入時間，但會降低空間分辨率?？虒懝獍叩拇笮『托螤睢⑾袼鼐W格的周期/方向以及像素間的相對強度等曝光參數決定了柵格化圖形的圖像質量。將計算機圖像顯示技術進行一定修改并應用在激光直寫光刻中，可以優(yōu)化與解決其在刻寫速度、網格像大小以及精度方面的矛盾。采用旋轉網格、灰度像素和多通曝光的方法可以提高成像的最小特征尺寸、邊緣放置分辨率與精度、CD均勻性以及邊緣粗糙度。

利用柵格掃描曝光方法可以更加靈活地刻寫任意形狀的圖形。然而掃描時間會比較長，限制了其可以實現(xiàn)的產率。無掩模光刻結合了激光直寫與光學投影光刻的優(yōu)點。下圖為采用數字微鏡陣列（DMD）或其他微鏡陣列生成圖形的典型裝置，可動態(tài)調整圖形的幾何結構。通過調整陣列中單個微反射鏡的位置和方向可調制光的空間分布和相位分布。通過液晶顯示也可以產生所需的強度分布。物鏡將這種強度分布縮小成像至硅片上的光刻膠內。簡而言之，可以將該系統(tǒng)看作是具有可編程掩模的投影光刻機。

目前光學無掩模光刻的性能還不能滿足先進半導體制造的需求。激光直寫光刻的分辨率雖比不上聚焦電子束光刻，但它仍然被廣泛應用于制造低分辨率光刻掩模、印刷電路板，以及用于各種需要低成本且高度設計靈活性的研發(fā)應用場合。先進商用激光直寫光刻機采用波長可見光（如405nm）和DMD來動態(tài)地生成圖形，分辨率和產率可滿足許多應用的要求。

來源：光學與半導體研綜