Az optikai mikrolitográfiában alapvető cél, hogy a maszkon lévő mintázat képe leképezési hibák nélkül a lehető legnagyobb kicsinyítéssel kerüljön egy fényérzékeny lemezre. A mintázat méretét a rendszer feloldóképessége (R) korlátozza, ami alapvetően az alkalmazott fény hullámhosszától (lambda) és a rendszer numerikus apertúrájától (NA) függ. Növelve a numerikus apertúrát vagy csökkentve az alkalmazott fény hullámhosszát, a rendszer feloldóképessége nő (R arányos lambda/NA), és így finomabb mintázatok is leképezhetővé válnak. Ezzel egyidejűleg azonban a mélységélesség (DOF) csökken (DOF arányos µ lambda/NA2). Ez a korlátozó feltétel arra ösztönözte a kutatókat, hogy más módszereket dolgozzanak ki a feloldóképesség és a mélységélesség egyidejű növelésére. A koherens többszörös leképezés egy olyan módszer, amely alkalmas a mélységélesség és a feloldóképesség együttes javítására (Erdélyi et al., 1997; Horváth et al., 1997; Erdélyi et al., 2000).
A koherens többszörös leképezés alapelve
A tradicionális leképezés során a fotómaszknak egy kicsinyített képe jelenik meg a fényérzékeny lemezen. A többszörös koherens leképezés lényege, hogy egy optikai eszközzel megsokszorozzuk a maszk képét, amely képeket a lencse koherens (azaz egymással interferenciára képes) módon szuperponál. A javasolt technika elvi vázlata az 1. ábrán látható.
Az interferométerben bekövetkező többszörös reflexió miatt a valódi maszknak több virtuális képe jön létre. A virtuális maszkok távolsága 2d, intenzitásarányuk R2, ahol d az interferométer tükreinek távolsága, R pedig a reflexiós képességük. Mivel a tükrök távolsága egy piezo-eltolóval könnyedén változtatható, a képpontok közti szeparáció is állítható. A szomszédos képek közötti relatív fáziskülönbség delta = 2pi 2d/lambda. A maszkok képeinek távolsága 2dM2, ahol M2 a lencse longitudinális nagyítása. A leképező objektív által létrehozott végső kép a valódi és a virtuális maszkok képeinek szuperpozíciója. Itt érdemes bevezetni a relatív képsűrűség fogalmát (N), amely megadja, hogy egy mélységélességen belül hány kép van: N = DOF/2dM2. Ha N kisebb, mint 1, akkor a képek szeparáltan jelennek meg. Bár mind a relatív képsűrűség, mind a relatív fáziskülönbség az interferométer tükreinek távolságától függ, praktikus okok miatt célszerű független paraméterként kezelni őket.
Pontszerű fényforrások leképezése
A javasolt módszer a mélységélességen túl a feloldóképességet is megnöveli. Ennek demonstrálására vizsgáljuk meg a rendszer pontátviteli függvényét, azaz számítsuk ki és mérjük meg egy pontszerű fényforrás esetén a képet. A Fabry-Perot-interferométer bázistávolságát úgy kell megválasztani, hogy csak egy gyűrű haladjon át a lencse apertúrájának szélén. Megmutatható, hogy ilyenkor a lencse képsíkjának közelében kialakult intenzitás radiális eloszlása a J02 függvénnyel jellemezhető, ahol J0 a nulladrendű Bessel-függvény. Határesetben - amikor a Fabry-Perot-gyűrű végtelenül keskeny és teljesen az apertúra szélén van - a feloldás 60 %-kal javítható. Fontos megemlíteni azonban, hogy a J02 függvény mellékmaximumai jóval intenzívebbek, mint az Airy-féle elhajlási kép esetén voltak. Míg utóbbinál az első mellékmaximum intenzitása nem haladja meg a főmaximum 2 %-át, addig a Bessel-függvény négyzete esetén ugyanez az arány 16%.
A fény hullámtermészetét figyelembe vevő hullámoptika segítségével a leképező lencse mögötti fényintenzitás kiszámítható. A hengerszimmetria miatt az intenzitás a z és az r koordináták függvénye, ahol z és r a megfigyelési pontnak a fókuszsíktól, illetve az optikai tengelytől mért távolsága. Az etalon bázistávolságának csökkentésével a képsűrűség (N) növekszik, aminek következtében az optikai tengely mentén az oszcilláció eltűnik, az intenzitást megadó görbe simább lesz, és a mélységélesség az Airy-féle képhez tartozó értékének többszörösére nő. A kísérleti eredmények szerint mikor a lencsére csak egy (éles) Fabry-Perot-gyűrű esik, akkor az optikai tengelyre merőleges síkokban az intenzitást a nulladrendű Bessel-függvény négyzete írja le. Ezt a számolási eredményeink megerősítik.
Kiterjedt mintázatok leképezése
A pontszerű források leképezése sok gyakorlati és elméleti tapasztalattal szolgál a javasolt módszerre vonatkozóan, gyakorlati jelentősége azonban csekély. Az integrált áramkörökön lévő mintázatokat ugyanis optikai litográfiai úton hozzák létre, azaz az egész struktúrát egyszerre képezik le, és nem "húzzák" a vonalakat. A kérdés tehát az, hogy kiterjedt mintázatok esetén hogyan használható a koherens többszörös leképezés. Itt az ún. off-set kontaktusokból álló mintázatok leképezését vizsgáljuk meg részletesen.
A szimulációk és a kísérletek során alkalmazott hullámhossz 441,6 nm (He-Cd lézer), a tükrök reflexiója R = 0,97, a bázistávolság 122 mikrom volt. A nagy reflexiónak és a kicsi képsűrűségnek (N = 4) köszönhetően az apertúra szélén lévő Fabry-Perot-gyűrű vékony. A szimuláció során alkalmazott paraméterek megegyeztek a kísérletek során alkalmazottakkal.
A leképező lencse által létrehozott képet két, kaszkád módon egymás után elhelyezett mikroszkópobjektívvel nagyítottuk fel, és CCD-kamerával vizsgáltuk. A két objektív együttes nagyítása 20x40 = 800 volt. Az első objektívet egy z-eltolóra helyeztük, aminek következtében az axiális intenzitáseloszlást is fel lehetett venni.
A keletkezett kép minőségét az határozza meg, hogy mennyi Fourier-komponens vesz részt a leképezésben. Fabry-Perot-szűrő nélkül a lencse numerikus apertúrája önmagában meghatározza az átengedett maximális térbeli frekvenciakomponenst, és végső soron a kép minőségét. Minél kisebb a periódus a maszkon, annál nagyobb a diffrakciós szög, illetve a diffrakciós rendek térbeli szeparációja. A mintát nem lehet leképezni, ha csak a nulladik rend halad át a lencsén.
A 2. ábra a számolt intenzitáseloszlásokat mutatja hét minta esetén különböző mélységélességek mellett. Az ábrázolt 7,5x15 mikrom2 területek kiértékeléséből nyert FWHM értékek szintén láthatóak. A FWHM (szimulált feloldás) függése a CD-től (a maszkon mért tényleges méret) minden mélység esetén hasonló karakterisztikát mutat. Ugrásszerű változás akkor tapasztalható, amikor a CD 0,84 mm alá csökken, ekkor ui. a ±2 rendek már nem haladnak át a lencse apertúráján, így nem vesznek részt a leképezésben. A FWHM jelentősen megnő, míg a mélységélesség csökken. Tovább csökkentve a CD értékét, a ±1 rendek egyre közelebb kerülnek az apertúra széléhez, csökkentve ezzel a FWHM értékét.
Egy keskenysávú Fabry-Perot-szűrő jelentős szelekciót vezet be a térbeli Fourier-komponensek között: csak azok a diffrakciós rendek vesznek részt a leképezésben, amelyek áthaladnak a szűrőn. Ez egyúttal erős mintázatfüggőséget jelent. A 3. ábrán a Fabry-Perot-szűrő használatával nyert szimulációs képeket láthatjuk. A szimulált mintázatok karakterisztikája nagymértékben függ a mintázat periódusától, de nem érzékeny a mélységélesség változtatására. Figyelemreméltó, hogy a FWHM 0,75 mikrom-ről 0,58 mikrom-re csökkent a 0,84 mikrom-es mintázat esetén. Ez a mintázat a legjobban leképezhető a fényveszteség szempontjából is, ugyanis ebben az esetben a 2. diffrakciós rendek éppen a Fabry-Perot-szűrő transzmissziós maximumára esnek. Tovább csökkentve a mintázat periódusát, a 2. rendek kívülre kerülnek az apertúrán, csökkentve mind a feloldást, mind az intenzitást.
Összefoglalás
Egy Fabry-Perot-etalon alkalmazásán alapuló koherens többszörös leképezési eljárást vizsgáltunk elméleti és kísérleti módszerekkel. Az eljárás elsősorban kontaktusok leképezésénél alkalmazható, ahol megfelelően választott paraméterek mellett a feloldás 25 %-kal, míg a mélységélesség 300 %-kal volt növelhető.
Kulcsszavak: többszörös leképezés, optikai litográfia, mélységélesség, feloldóképesség
IRODALOM
Erdélyi M. - Horváth Z. L. - Szabó G. - Bor Zs. - Tittel, F. K. - Cavallaro, J. R. - Smayling, M. C. (1997): Journal of Vacuum Science and Technology B. 15, 2, 287-92
Erdélyi M. - Bor Zs. - Wilson, W. L. - Smayling, M. C. - Tittel, F. K. (2000): Applied Optics. 39, 7, 1121-29
Horváth Z. L. - Erdélyi M. - Szabó G. - Bor Zs. - Tittel, F. K. - Cavallaro, J. R. (1997): Journal of the Optical Society of America A. 14, 11, 3009-13