Установка для безмасочной фотолитографии

Полезная модель относится к технологиям производства полупроводниковых приборов, микроэлектромеханических систем и интегральных микросхем, и может быть использована для безмасочной фотолитографии с высоким разрешением.
Известна установка для безмасочной фотолитографии, содержащая несущий каркас, выполненный с возможностью перемещения образца, телецентрический DLP проектор, оптическую систему, содержащую линзу и микрообъектив (см. J. Cordeiroa, M. Zelsmanna, D. Peyradea, Table-top deterministic and collective colloidal assembly using videoprojector lithography. AppliedSurfaceScience 349, 452 (2015)).
Недостатком известного решения является ограниченная область применения из-за фиксированного значения расстояния между линзой и проектором, которое составляет 100 мм.
В качестве ближайшего аналога принята установка для безмасочной фотолитографии, содержащая несущий каркас, выполненный с возможностью перемещения образца, мультимедиапроектор, включающий источник света, LCD-дисплей, снабженный фильтром, оптическую систему, содержащую микрообъектив (см. http://www.smartforcetechnologies.com/products/smartprint).
Недостатками ближайшего аналога является высокая стоимость, а также использование источника света, у которого малая часть излучаемой энергии приходится на УФ диапазон.
Задачей заявляемого технического решения является разработка простой конструкции установки с низкой себестоимостью для более эффективной безмасочной фотолитографии с высоким разрешением.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности безмасочной фотолитографии за счет обеспечения более однородной фокусировки и освещения дисплея по всей площади.
Поставленная задача решается тем, что установка для безмасочной фотолитографии, содержащая несущий каркас, выполненный с возможностью перемещения образца, мультимедиапроектор, включающий источник света, LCD-дисплей, снабженный фильтром, и микрообъектив, отличается тем, что в проекторе между источником света и LCD-дисплеем установлен светорассеивающий элемент, установка дополнительно содержит светоделительный куб и видеокамеру, при этом мультимедиапроектор, светоделительный куб и микрообъектив расположены последовательно и соосно, кроме того, видеокамера ориентирована таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна общей оси мультимедиапроектора, светоделительного куба и микрообъектива и проходила через центр светоделительного куба, причем мультимедиапроектор и видеокамера выполнены с возможностью перемещения вдоль своих оптических осей.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признак «в проекторе между источником света и LCD-дисплеем установлен светорассеивающий элемент» обеспечивает более однородное освещение дисплея по всей площади.
Использование микрообъектива позволяет уменьшить изображение из проектора на необходимую величину.
Выполнение проектора с возможностью перемещения вдоль его оптической оси позволяет регулировать фокусировку проецируемого изображения на поверхность образца, покрытого фоторезистом.
Признак «мультимедиапроектор, светоделительный куб и микрообъектив расположены последовательно и соосно» позволяет расположить проектор в центре проецируемого изображения.
Применение светоделительного куба позволяет направить отраженный от образца свет в объектив видеокамеры.
Ориентация видеокамеры таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна общей оси мультимедиапроектора, светоделительного куба и микрообъектива и проходила через центр светоделительного куба, а также выполнение видеокамеры с возможностью перемещения вдоль ее оптической оси, позволяют получить резкое изображение для наблюдения и контроля за процессом за счет связи с компьютерным оборудованием, а также проводить фокусировку и совмещение проецируемого изображения с ранее полученными структурами при многоэтапной литографии.
На фиг.1 изображен общий вид установки.
На фиг.2 изображены оптические элементы установки.
На фиг.3 приведен результат экспонирования массива небольших объектов.
На фиг.4 приведен результат двухэтапной литографии.
На фиг.5 приведены результаты экспонирования близко стоящих объектов:
а – экспонирование надписи;
б – экспонирование периодической структуры типа «шахматная доска».
На фиг.6 приведен результат экспонирования сложного профиля.
На чертежах показаны несущий каркас 1, мультимедиапроектор 2, включающий источник света 3, LCD-дисплей 4, а также микрообъектив 5, светорассеивающий элемент 6 и линза 7 мультимедиапроектора 2, светоделительный куб 8, видеокамера 9 и ее объектив 10, образец 11.
Несущий каркас 1 выполнен с возможностью перемещения образца 11.
В мультимедиапроекторе 2 LCD-дисплей 4 снабжен светофильтрами и поляризаторами (на чертежах не обозначены), кроме того между источником света 3 и LCD-дисплеем 4 установлен светорассеивающий элемент 6.
Мультимедиапроектор 2, светоделительный куб 8 и микрообъектив 5 расположены последовательно и соосно.
Видеокамера 9 выполнена с возможностью связи с компьютерным оборудованием (на чертежах не показано) и ориентирована таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна общей оси мультимедиапроектора 2, светоделительного куба 8 и микрообъектива 5 и проходила через центр светоделительного куба 8.
Мультимедиапроектор 2 и видеокамера 9 выполнены с возможностью перемещения вдоль своих оптических осей.
Поверхность образца 11 покрыта фоторезистом.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Предварительно на несущем каркасе 1 устанавливают образец 11.
В мультимедиапроекторе 2 световой поток от источника света 3 распределяется с помощью светорассеивающего элемента 6, проходит через LCD-дисплей 4 со светофильтрами и поляризаторами и линзу 7.
Далее световой поток проходит через светоделительный куб 8 и микрообъектив 5, и уменьшенное изображение из проектора 2 проецируют на поверхность образца 11.
После отражения от образца 11 свет через микрообъектив 5 попадает в светоделительный куб 8, а затем через объектив 10 на матрицу видеокамеры 9, изображение с которой выводится на монитор компьютера (на чертежах не показан).
Для процедуры фокусировки между источником света 3 и LCD-дисплеем 4 дополнительно устанавливают светофильтр, пропускающий только часть спектра, соответствующую красному свету, который не оказывает изменяющего действия на пленку фоторезиста.
Затем производят фокусировку видеокамеры 9 на поверхность образца 11, для чего ее перемещают вдоль своей оптической оси.
Далее производят фокусировку проецируемого изображения на поверхность образца 11, для чего мультимедиапроектор 2 перемещают вдоль его оптической оси.
В процессе фокусировки регулируют положение образца 11 в пространстве с помощью несущего каркаса 1.
На заключительном этапе осуществляют фотолитографию по стандартной технологии.
Автором был создан макет заявляемой установки.
Несущий каркас 1 был собран из алюминиевого конструкционного профиля сечением 35х35 мм.
Использование профиля позволяет добиться высокой прочности и ортогональности конструкции при минимальных временных и финансовых затратах. Крепления всех оптических элементов были выполнены с помощью 3d печати в соответствии с моделью установки, подготовленной в программе AutoCAD. Для печати использовался принтер Picaso Designer Pro и пластик PLA.
Для перемещения образца использовали 4-осевой микрометрической позиционер (на чертежах не обозначен), с помощью которого можно изменять положение образца 11 вдоль осей xyz с точностью 5 мкм, а так же угол поворота в xy-плоскости с точностью 0,1 градус.
Для изготовления мультимедиапроектора 2 был приобретен видеопроектор Epson EMP-X5, работающий по технологии 3LCD с разрешением 1024x768 пикселей и размером пикселя 12,6х12,6 мкм.
Для мультимедиапроектора заявляемой установки из указанного видеопроектора взяли дисплей, рассчитанный на пропускание синего света, с парой соответствующих поляризаторов, и шлейф-удлинитель, подключенный к плате управления проектора, следствием чего стала возможность формирования на дисплее прозрачных для УФ областей.
В качестве источника света использовали массив светодиодов, который обеспечивает спектральную мощность излучения 11 мВт в диапазоне от 430 до 470 нм, а для светорассеивающего элемента 6 – два массива микролинз.
В качестве микрообъектива 5 взяли планахроматический объектив Mitutoyo QV 10x. В планобъективах исправлена кривизна изображения по всему полю, что обеспечивает резкое изображение объекта по всему полю наблюдения (проекции). Кроме того, объективы имеют ахроматическую коррекцию.
Также использовали светоделительный куб 8 (50:50).
Далее осуществляли фотолитографию с помощью заявляемой установки.
Для тестирования работы установки использовали фоторезист отечественного производства ФП-2514 в комбинации с проявителем П-238-МФ.
По сравнению с установками, работающими на основе DLP проектора, удалось добиться большей однородности проецируемого изображения.
В качестве примера можно привести результат экспонирования массива небольших объектов (см. фиг.3).
Совмещение проецируемого изображения с ранее полученными объектами было протестировано на примере стандартных структур контактов Холла (см. фиг.4).
На первом этапе были получены кресты с шириной полоски 5-7 мкм, вторым этапом были сформированы контактные области размером 100х100 мкм.
Изолированные объекты являются простейшей задачей для литографии. Более сложным является разрешение близко стоящих объектов. Подобного рода задачи были апробированы на примере различных надписей (см. фиг.5а) и периодических структур (см. фиг.5б).
В качестве теста предпринимались попытки экспонирования изображений сложного профиля, например эмблемы Владивостокского президентского кадетского училища (см. фиг.6).
Видно, что получение качественного изображения в таком случае требует неоднородного времени экспонирования. Необходимо учитывать толщину элементов и их расположение относительно друг друга, чтобы учесть эффект «близости».
Опытным путем были определены основные технические параметры:
- рабочая длина волны - 390-410 нм, при этом пик спектральной плотности светодиодов приходится на длину волны 400 нм;
- время экспонирования - 3-4 с;
- минимальное стабильное разрешение - 5 мкм.