RU199867U1 - Installation for maskless photolithography - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технологиям производства полупроводниковых приборов, микроэлектромеханических систем и интегральных микросхем и может быть использована для безмасочной фотолитографии с высоким разрешением.Установка для безмасочной фотолитографии, содержащая несущий каркас, выполненный с возможностью перемещения образца, мультимедиапроектор, включающий источник света, LCD-дисплей, снабженный фильтром и микрообъектив. При этом 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.Технический результат выражается в повышении эффективности безмасочной фотолитографии за счет обеспечения более однородной фокусировки и освещения дисплея по всей площади. 6 ил.The utility model relates to technologies for the production of semiconductor devices, microelectromechanical systems and integrated microcircuits and can be used for maskless photolithography with high resolution. An installation for maskless photolithography, containing a supporting frame made with the ability to move a sample, a multimedia projector, including a light source, LCD display, equipped with a filter and a micro lens. At the same time, a light-scattering element is installed in the projector between the light source and the LCD-display, the installation additionally contains a light-splitting cube and a video camera, while the multimedia projector, a beam-splitting cube and a micro-lens are located sequentially and coaxially, in addition, the video camera is oriented so that its optical axis is perpendicular the common axis of the multimedia projector, beamsplitting cube and microlens and passed through the center of the beamsplitting cube, and the multimedia projector and video camera are made to move along their optical axes. The technical result is expressed in increasing the efficiency of maskless photolithography by providing more uniform focusing and illumination of the display over the entire area. 6 ill.

Description

Полезная модель относится к технологиям производства полупроводниковых приборов, микроэлектромеханических систем и интегральных микросхем, и может быть использована для безмасочной фотолитографии с высоким разрешением.The utility model relates to technologies for the production of semiconductor devices, microelectromechanical systems and integrated circuits, and can be used for high-resolution maskless photolithography.

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)).Known installation for maskless photolithography, containing a supporting frame made with the ability to move the sample, a telecentric DLP projector, an optical system containing a lens and a microlens (see 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.The disadvantage of the known solution is the limited scope due to the fixed value of the distance between the lens and the projector, which is 100 mm.

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).As the closest analogue, an installation for maskless photolithography is adopted, which contains a supporting frame made with the possibility of moving the sample, a multimedia projector including a light source, an LCD display equipped with a filter, an optical system containing a microlens (see 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.The disadvantages of the closest analogue are the high cost, as well as the use of a light source, in which a small part of the emitted energy falls on the UV range.

Задачей заявляемого технического решения является разработка простой конструкции установки с низкой себестоимостью для более эффективной безмасочной фотолитографии с высоким разрешением.The objective of the proposed technical solution is to develop a simple design of the installation with a low cost for more efficient maskless photolithography with high resolution.

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.The technical result achieved when solving the problem is expressed in increasing the efficiency of maskless photolithography by providing more uniform focusing and illumination of the display over the entire area.

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.The problem is solved in that the installation for maskless photolithography, containing a supporting frame made with the ability to move the sample, a multimedia projector, including a light source, an LCD display equipped with a filter, and a micro lens, is characterized in that in the projector between the light source and the LCD display a light-scattering element is installed, the installation additionally contains a beam-splitting cube and a video camera, while the multimedia projector, a beam-splitting cube and a micro-lens are located sequentially and coaxially, in addition, the video camera is oriented so that its optical axis is perpendicular to the common axis of the multimedia projector, a beam-splitting cube and a micro-lens and passes the center of the beam-splitting cube, and the multimedia projector and the video camera are made with the ability to move along their optical axes.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».Comparative analysis of the totality of essential features of the proposed technical solution and the totality of essential features of the prototype and analogues indicates its compliance with the "novelty" criterion.

При этом отличительные признаки формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.In this case, the distinctive features of the utility model formula solve the following functional tasks.

Признак «в проекторе между источником света и LCD-дисплеем установлен светорассеивающий элемент» обеспечивает более однородное освещение дисплея по всей площади.The feature "a light diffuser is installed in the projector between the light source and the LCD display" provides a more uniform illumination of the display over the entire area.

Использование микрообъектива позволяет уменьшить изображение из проектора на необходимую величину.Using a micro lens allows you to reduce the image from the projector by the required amount.

Выполнение проектора с возможностью перемещения вдоль его оптической оси позволяет регулировать фокусировку проецируемого изображения на поверхность образца, покрытого фоторезистом.The implementation of the projector with the ability to move along its optical axis allows you to adjust the focus of the projected image on the surface of the sample coated with a photoresist.

Признак «мультимедиапроектор, светоделительный куб и микрообъектив расположены последовательно и соосно» позволяет расположить проектор в центре проецируемого изображения.The feature "multimedia projector, beamsplitting cube and micro-lens are arranged in series and coaxial" allows the projector to be positioned in the center of the projected image.

Применение светоделительного куба позволяет направить отраженный от образца свет в объектив видеокамеры.The use of a beam splitter cube allows you to direct the light reflected from the sample into the camera lens.

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.The orientation of the video camera so that its optical axis is perpendicular to the common axis of the multimedia projector, the beam splitting cube and the microlens and passes through the center of the beam splitting cube, as well as the implementation of the video camera with the ability to move along its optical axis, make it possible to obtain a sharp image for observing and controlling the process due to communication with computer equipment, as well as focusing and aligning the projected image with previously obtained structures in multi-stage lithography.

На фиг.1 изображен общий вид установки.Figure 1 shows a general view of the installation.

На фиг.2 изображены оптические элементы установки.Figure 2 shows the optical elements of the installation.

На фиг.3 приведен результат экспонирования массива небольших объектов.Figure 3 shows the result of exposing an array of small objects.

На фиг.4 приведен результат двухэтапной литографии.Figure 4 shows the result of a two-stage lithography.

На фиг.5 приведены результаты экспонирования близко стоящих объектов:Figure 5 shows the results of exposure of nearby objects:

а – экспонирование надписи;a - exposure of the inscription;

б – экспонирование периодической структуры типа «шахматная доска».b - exposure of a periodic structure of the "chessboard" type.

На фиг.6 приведен результат экспонирования сложного профиля.Figure 6 shows the result of exposing a complex profile.

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.The drawings show a supporting frame 1, a multimedia projector 2, including a light source 3, an LCD display 4, as well as a micro lens 5, a light scattering element 6 and a lens 7 of a multimedia projector 2, a beam splitting cube 8, a video camera 9 and its lens 10, sample 11.

Несущий каркас 1 выполнен с возможностью перемещения образца 11.The supporting frame 1 is made with the possibility of moving the sample 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.In the multimedia projector 2, the LCD display 4 is equipped with light filters and polarizers (not indicated in the drawings), in addition, a light scattering element 6 is installed between the light source 3 and the LCD display 4.

Мультимедиапроектор 2, светоделительный куб 8 и микрообъектив 5 расположены последовательно и соосно.Multimedia projector 2, beam splitting cube 8 and microlens 5 are arranged in series and coaxially.

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.The video camera 9 is configured to communicate with computer equipment (not shown in the drawings) and is oriented so that its optical axis is perpendicular to the common axis of the multimedia projector 2, beam splitting cube 8 and microlens 5 and passes through the center of the beam splitting cube 8.

Мультимедиапроектор 2 и видеокамера 9 выполнены с возможностью перемещения вдоль своих оптических осей.Multimedia projector 2 and video camera 9 are made with the ability to move along their optical axes.

Поверхность образца 11 покрыта фоторезистом.The surface of sample 11 is coated with a photoresist.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.

Предварительно на несущем каркасе 1 устанавливают образец 11.Preliminarily, a sample 11 is installed on the supporting frame 1.

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.In a multimedia projector 2, the luminous flux from a light source 3 is distributed using a light-scattering element 6, passes through an LCD display 4 with light filters and polarizers and a lens 7.

Далее световой поток проходит через светоделительный куб 8 и микрообъектив 5, и уменьшенное изображение из проектора 2 проецируют на поверхность образца 11.Next, the light flux passes through the beam splitting cube 8 and the microlens 5, and the reduced image from the projector 2 is projected onto the surface of the sample 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).After reflection from the sample 11, the light through the microlens 5 enters the beam splitting cube 8, and then through the lens 10 onto the video camera matrix 9, the image from which is displayed on the computer monitor (not shown in the drawings).

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.For the focusing procedure, a light filter is additionally installed between the light source 3 and the LCD display 4, which transmits only a part of the spectrum corresponding to red light, which does not have a changing effect on the photoresist film.

Затем производят фокусировку видеокамеры 9 на поверхность образца 11, для чего ее перемещают вдоль своей оптической оси.Then the video camera 9 is focused on the surface of the sample 11, for which it is moved along its optical axis.

Далее производят фокусировку проецируемого изображения на поверхность образца 11, для чего мультимедиапроектор 2 перемещают вдоль его оптической оси.Next, the projected image is focused on the surface of the sample 11, for which the multimedia projector 2 is moved along its optical axis.

В процессе фокусировки регулируют положение образца 11 в пространстве с помощью несущего каркаса 1.In the process of focusing, the position of the sample 11 in space is adjusted using the supporting frame 1.

На заключительном этапе осуществляют фотолитографию по стандартной технологии.At the final stage, photolithography is carried out using standard technology.

Автором был создан макет заявляемой установки.The author has created a layout of the claimed installation.

Несущий каркас 1 был собран из алюминиевого конструкционного профиля сечением 35х35 мм.The supporting frame 1 was assembled from an aluminum structural profile with a cross section of 35x35 mm.

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.Using a profile allows you to achieve high strength and orthogonality of the structure with minimal time and financial costs. All optical elements were fastened using 3D printing in accordance with the installation model prepared in AutoCAD. Used for printing a Picaso Designer Pro printer and PLA plastic.

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.To move the sample, a 4-axis micrometric positioner (not indicated in the drawings) was used, with which it is possible to change the position of the sample 11 along the xyz axes with an accuracy of 5 μm, as well as the angle of rotation in the xy-plane with an accuracy of 0.1 degree.

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.For the manufacture of multimedia projector 2, an Epson EMP-X5 video projector was purchased, operating on 3LCD technology with a resolution of 1024x768 pixels and a pixel size of 12.6x12.6 microns.

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.For a multimedia projector of the claimed installation, a display designed for transmitting blue light, with a pair of corresponding polarizers, and an extension cable connected to the projector's control board were taken from the specified video projector, as a result of which it became possible to form UV-transparent regions on the display.

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.An array of LEDs was used as a light source, which provides a spectral radiation power of 11 mW in the range from 430 to 470 nm, and for light scattering element 6 - two arrays of microlenses.

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.A Mitutoyo QV 10x plan-achromatic lens was used as a microlens 5. In plano lenses, the curvature of the image over the entire field has been corrected, which provides a sharp image of the object over the entire field of observation (projection). In addition, the lenses have achromatic correction.

Также использовали светоделительный куб 8 (50:50).A beamsplitting cube 8 (50:50) was also used.

Далее осуществляли фотолитографию с помощью заявляемой установки.Next, photolithography was carried out using the inventive installation.

Для тестирования работы установки использовали фоторезист отечественного производства ФП-2514 в комбинации с проявителем П-238-МФ.To test the operation of the installation, a photoresist of domestic production FP-2514 was used in combination with a developer P-238-MF.

По сравнению с установками, работающими на основе DLP проектора, удалось добиться большей однородности проецируемого изображения.Compared to installations based on a DLP projector, the projected image is more uniform.

В качестве примера можно привести результат экспонирования массива небольших объектов (см. фиг.3).An example is the result of exposing an array of small objects (see figure 3).

Совмещение проецируемого изображения с ранее полученными объектами было протестировано на примере стандартных структур контактов Холла (см. фиг.4).The alignment of the projected image with previously obtained objects was tested using the example of standard Hall contact structures (see figure 4).

На первом этапе были получены кресты с шириной полоски 5-7 мкм, вторым этапом были сформированы контактные области размером 100х100 мкм.At the first stage, crosses with a strip width of 5-7 µm were obtained, at the second stage, contact areas of 100x100 µm were formed.

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).Isolated objects are the simplest task for lithography. More difficult is the resolution of close objects. Problems of this kind have been tested on the example of various inscriptions (see Fig. 5a) and periodic structures (see Fig. 5b).

В качестве теста предпринимались попытки экспонирования изображений сложного профиля, например эмблемы Владивостокского президентского кадетского училища (см. фиг.6).As a test, attempts were made to exhibit images of a complex profile, for example, the emblem of the Vladivostok Presidential Cadet School (see Fig. 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».It can be seen that obtaining a high-quality image in this case requires a non-uniform exposure time. It is necessary to take into account the thickness of the elements and their relative position to each other in order to take into account the effect of "proximity".

Опытным путем были определены основные технические параметры:Empirically, the main technical parameters were determined:

- рабочая длина волны - 390-410 нм, при этом пик спектральной плотности светодиодов приходится на длину волны 400 нм;- working wavelength - 390-410 nm, while the peak of the spectral density of LEDs falls on a wavelength of 400 nm;

- время экспонирования - 3-4 с;- exposure time - 3-4 s;

- минимальное стабильное разрешение - 5 мкм.- the minimum stable resolution is 5 microns.

Claims (1)

Установка для безмасочной фотолитографии, содержащая несущий каркас, выполненный с возможностью перемещения образца, мультимедиапроектор, включающий источник света, LCD-дисплей, снабженный фильтром, и микрообъектив, отличающаяся 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.Installation for maskless photolithography, containing a supporting frame made with the ability to move the sample, a multimedia projector including a light source, an LCD display equipped with a filter, and a micro lens, characterized in that a light diffusing element is installed in the projector between the light source and the LCD display, the installation is additionally contains a beamsplitting cube and a video camera, while the multimedia projector, beamsplitting cube and microlens are located sequentially and coaxially, in addition, the video camera is oriented so that its optical axis is perpendicular to the common axis of the multimedia projector, beamsplitting cube and microlens and passes through the center of the beamsplitting cube, and the multimedia projector and the video camera is movable along its optical axes.

Images