基于数字微镜元件的空间光调制器

摘 要：空间光调制器是一类能将信息加载于光学数据场上以便对二维空间各点光强进行调制的器件，其在微光刻领域具有广泛应用。微光刻技术对于照明强度分布、均匀性等的高精确度要求，使得基于数字微镜元件的空间光调制器由于精度高、可控性好而逐渐受到青睐，成为微光刻系统不可缺少的组成元件。

关键词：空间光调制器，数字微镜，微光刻

中图分类号：N04；TN761；TH74 文献标识码：A 文章编号：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

作者简介：杜叔亚（1984—），女，助理研究员，主要从事方向为微光刻曝光设备、微光刻曝光技术等。通信方式：studentdsy@126.com。

一 空间光调制器和数字微镜的概念

空间光调制器（spatial light modulator，SLM）是一种以空间形式调制入射光波的变换器件，能够在实现形式上以相位、方向、振幅、强度或偏振状态等对入射光进行调制。近年来，随着光信息技术的发展，空间光调制器逐渐在光互联、光计算、光学控制、光学检测等领域中显示出越来越重要的作用。

空间光调制器的特点在于对入射光的调制呈矩阵形式。具体来说，空间光调制器通常包含多个在空间上排列成一维或二维的独立单元，每个独立单元阵列即被认为是空间光调制器的一个“像素”，入射光相应地被分离为多个子束，每个子束对应一个“像素”。空间光调制器对于入射光特征的调制，是以“像素”为单位进行的。

现有技术中，光调制器的种类多样，依据其实现方式可以分为磁光器件、液晶器件、微通道板、反射镜等。其中，微光刻系统中越来越多地使用数字微镜元件（digital micro mirror device）构成的空间光调制器。

数字微镜元件是用数字压电信号控制微镜片执行机械运动，由此实现光学功能的装置。数字微镜元件可以被认为是一种“光开关”，通过控制微镜片围绕固定轴的旋转和时域响应等，决定反射光的角度、方向以及强度分布等性质（见图1）。

图1 常见的数字微镜元件的结构

数字微镜元件的出现，改变了传统光调制器对于器件本身属性的精度依赖。将数字微镜元件排布成矩阵结构，通过中央处理器控制每个微镜元件的动作，改变入射光的特性，从而实现所需的调制效果（见图2）。

图2 基于数字微镜元件的空间光调制器

二 特点和技术现状

目前的微光刻系统中，基于空间光调制器的自身特点，主要用于两方面：提供预定照明模式和代替传统掩模。

1. 提供预定照明模式

微光刻技术是目前加工微器件、半导体元件等的主要方法。微光刻系统通常由照明系统、投影系统和曝光系统三部分构成。曝光的过程大致如下：照明系统根据掩模和待加工基板的特性产生具有一定形状和强度分布的照明光束，照明光束通过投影系统的掩模形成图案调制光束，图案调制光束再通过投影物镜放大或缩小，形成曝光光束，对位于扫描台上的基板进行曝光处理，经过显影、清洗、烘干等步骤，最终形成微器件。

照明系统提供的照明光束，直接决定了后续曝光的精度，不同基板和掩模对照明条件具有不同的要求。传统方法采用透镜等光束变换元件进行照明光束的调制，然而，由于透镜等元件的固有属性，使得其形成的照明分布局限于均匀照明、两极、四极照明等传统模式，而对于特殊照明分布则难以实现。

基于数字微镜元件的空间光调制器的出现解决了上述难题。基于微镜元件的独立寻址能力，可以容易地控制空间光调制器形成所希望的预定照明模式（见图3）。

图3 基于空间光调制器的微光刻系统

上述系统中，光源发出的光入射至空间光调制器，利用控制器使空间光调制器的每个微镜元件单独动作，将入射的光束分割成为与微镜元件数量相当的子光束并各自产生不同调制，由此形成所需要的特定照明模式，照明掩模，对掩模图案进行投影，从而在基板上形成曝光图案。利用空间光调制器，可以形成除均匀照明、两极照明和四极照明以外的多种特殊照明分布。

2. 代替传统掩模

传统微光刻系统利用掩模形成图案光束，对基板进行曝光。然而，为了在基板上制作不同器件，通常需要制作多个掩模，每个掩模仅能用于制作一种特定的器件，这就需要大量的掩模板，造成资源浪费，显著提高光刻工艺成本。

利用基于数字微镜元件的空间光调制器模拟传统掩模图案，形成带有图案信息的曝光光束，可以完美地解决上述问题（见图4）。

图4 无掩模直写式微光刻系统

在上述系统中，不设置传统掩模，光源1发出的光在前置光学系统2的作用下形成具有特定照明场分布的照明光，照明光入射至空间光调制器3上，通过微镜元件将入射照明光分成多个照明子束，由计算机根据生产需要的掩模图案独立控制每个微镜元件调制对应的照明子束，以形成图像像素元，二维阵列的所有图像像素元共同构成数字掩模图案。最后利用投影系统4、5将数字掩模图案投影至基板6上形成器件图案。

三 空间光调制器面临的挑战

目前，微电子器件的临界尺寸越来越小，光刻精度不断提高，对于制作工艺条件也不断提出新的要求。照明条件直接决定了微光刻的质量，因此利用空间光调制器实现预定的照明条件也面临更多挑战，主要有：

1. 空间光调制器器件微型化带来制造工艺难度的提升。

2. 器件微型化导致独立寻址控制机制更加复杂，操作难度加大。

3. 数字微镜元件的小型化和子光束调制精度提升的双重要求。

四 结 语

基于数字微镜元件的空间光调制器在微光刻系统中发挥出了越来越重要的作用，逐渐取代了传统的光调制部件、掩模等技术手段，将微光刻带入数字化控制的时代。尽管在制造和控制精度方面面临多方挑战，但是基于数字微镜元件的空间光调制器的应用前景不可限量。

参考文献

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