CC BY
7
УДК 53.088.23
ФОРМИРОВАНИЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ТЕСТОВЫХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕШЕТОК
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО КОНТРОЛЯ КОНФОРМАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Дмитрий Александрович Белоусов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)330-79-31, e-mail: d.a.belousov91@gmail.com
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: victork@iae.nsk.ru
Руслан Камильевич Насыров
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, старший научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com
Представлены результаты исследования применения тестовых синусоидальных решёток для осуществления производственного контроля конформальных элементов на каждом технологическом этапе полутоновой растровой фотолитографии. Показано, что использование тестовых решёток синусоидальной формы позволяет получать полную характеристическую кривую во всём исследуемом диапазонеформирования микрорельефа.
Ключевые слова: конформальные оптические элементы, растровая полутоновая фотолитография, производственный контроль, тестовая синусоидальная решетка.
MANUFACTURING AND CHARACTERIZATION OF SINUSOIDAL GRATING TEST PATTERNS FOR PRODUCTION INSPECTION OF CONFORMAL ELEMENTS
Dmitrij A. Belousov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Software Engineer, phone: (383)330-79-31, e-mail: d.a.belousov91@gmail.com
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Laboratory of the Diffraction Optics, phone: (383)333-30-91, e-mail: victork@iae.nsk.ru
Ruslan K. Nasyrov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Senior Scientist, phone: (383)330-79-31, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com
The results of the investigation of the application of sinusoidal grating test patternsfor production inspection of conformal elements at each technological stage of halftone photolithography are presented. It is shown the use of the test gratings with sinusoidal profile makes possible to measuretotal characteristic curve in the whole depth range.
Key words: conformal elements, halftone photolithography, manufacturing inspection, sinusoidal grating test patterns.
Конформальные оптические элементы, функция пропускания которых выбирается из внешних неоптических условий, применяются как статические кор -ректоры волнового фронта, исправляющие аберрации активных элементов мощных твердотельных лазеров. Искажения волнового фронта при прохождении через кристалл активного элемента являются следствием неоднородности распределения показателя преломления. Выращивание кристаллических активных элементов по методу Чохральского крайне трудозатратный и дорогостоящий процесс при том, что полученные изделия, зачастую, не удовлетворяют требованиям по оптическому качеству. В ИАиЭ СО РАН осуществляется изготовление индивидуальных конфо рмальных корректоров для кристаллических активных элементов из YAG:Nd [1, 2] с использованием полутоновой растровой технологии [3]. Изготовление конформальных элементов с помощью данной технологии представляет собой многоэтапный процесс, каждый из которых является критическим, т.е. ошибки, возникшие на одном из этапов, в дальнейшем невозможно компенсировать. Изначально рельеф формируется в пленке фоторезиста, путем его экспонирования. Заданное распределение экспозиции обеспечивается с помощью растрового фотошаблона, который представляет собой амплитудную ячеистую структуру, сформированную в пленке хрома. Пропускание на отдельном участке фотошаблона зависит от скважности структуры. Затем, с помощью технологии ионно-плазменного травления полученный рельеф переносится в материал кварцевой подложки. Для контроля конечного рельефа корректоров используется интерферометр Физо Intellium Z100 [4]. На этапе формирования в фоторезисте рельефа контроль таким методом невозможен в связи с тем, что прозрачная пленка фоторезиста имеет иной показатель преломления по сравнению с кварцевой подложкой, что приводит к деструктивной интерференции в слое резиста. Интерферометр белого света значительно меньше подвержен влиянию деструктивной интерференции, однако его применение ограничено контролем структур относительно малого размера. В частности используемый в нашей работе WLI - интерферометр фирмы BMTGmbH позволяет производить измерения в поле шириной 1.4 мм [5].
Для того чтобы иметь возможность использовать WLI -интерферометр для осуществления контроля рельефа сформированного в пленке фоторезиста авторами опубликованных ранее работ [1, 2], было предложено использовать тестовую линейную решетку (ТЛР) с кусочно-непрерывным рельефом, расположенную вокруг изготавливаемого корректора. Период ТЛР составляет 1000 мкм, а ее глубина равна максимальной глубине структуры конформального элемента. Анализ глубины и формы ТЛР [6] позволяет подобрать параметры экспонирования фоторезиста, а так же, в случае неудовлетворительной формы рельефа, вносить коррекцию в файл скважности (файл, задающий пропускание растрового фотошаблона в каждой его точке), для записи нового фотошаблона. Кроме того, сканирование области фотошаблона, предназначенной для формирования ТЛР в слое фоторезиста, пробным лазерным пуском и измерение интегральной дифракционной эффективности (ДЭ) по всем порядкам позволяет контролировать функцию пропускания изготовленного фотошаблона. Таким образом, ис-
пользование тестовых структур помогает осуществлять контроль на каждом этапе производственного процесса.
Однако, использование ТЛР имеет ряд недостатков. Во-первых, при формировании рельефа с помощью полутоновой растровой технологии, за счет того что в процессе экспонирования фотошаблон расположен на значительном расстоянии (для устранения переноса структуры растрированного фотошаблона) от пленки фоторезиста полученная форма ТЛР имеет широкий обратный скат. Это не позволяет осуществлять контроль формы в области экстремумов линейной функции, которой аппроксимируется полученный рельеф и, следовательно, отсутствует возможность вносить в этих областях коррекцию в файл скважности. Размер исключенной из исследования области может достигать порядка 10% от периода ТЛР. Во-вторых, функция пропускания фотошаблона, в области экстремумов ТЛР меняется скачкообразно. Пробный пучок, с помощью которого осуществляется сканирование фотошаблона при измерении интегральной ДЭ, имеет размер порядка 5 ячеек фотошаблона. Следовательно, в процессе сканирования, при исследовании области экстремумов тестовой структуры измеренная функция пропускания будет меняться плавно от максимума к минимуму (или наоборот), образуя подобие обратного ската, что так же не позволяет осуществлять полный контроль растрового фотошаблона в этих областях.
0.9
5 0.8
Я
Н 0.7
О
л" н 0.6
о
о а: 0.5
са
X о 0.4
ш
<и н 0.3
ЕЕ
К 0.2 П 1
и.1 0
• - Измеренная интегральная ДЭ - - Теоретическая функция пропускания
/ \ / \
/ \ / \
/ \ /
0.5
X, мкм
1.5
0.9
Э0-8
н 0.7
Л 0.6
н и
2 0.5
X й
а 0.4
со
М
и О.з
0.2 0.1 о
- - Полученная скважность фотошаблона - - Расчётная скважность фотошаблона
- -
у -
- / -
50
100 150
К, отн.ед.
200
250
а) б)
Рис. 1. Контроль растрового фотошаблона по анализу области тестовой синусоидальной решетки: измерение интегральной ДЭ (а) и определение полученной функции скважности фотошаблона (б)
Для того чтобы иметь возможность получать полные характеристические кривые на каждом производственном этапе, предлагается использовать синусоидальные тестовые решетки. Функция пропускания растрового фотошаблона в области формирования синусоидальной решетки меняется плавно и, следовательно, интегральная ДЭ может быть измерена во всех ее областях (рис. 1, а).
На рис. 2, б показана функция скважности растрового фотошаблона, восстановленная из измерений ДЭ тестовой синусоидальной решетки, в сравнении с расчетной скважностью. Отклонения полученной скважности не превышает 1.45%.
Формирование рельефа синусоидальной решетки в пленке фоторезиста (резист ФП-3535 производства компании ФРАСТ-М) позволяет осуществлять контроль глубины и формы профиля во всех его областях. На рис. 2, а показана форма профиля, измеренная на WLI - интерферометре после аппроксимации и горизонтирования в сравнении с теоретической формой тестовой решетки. Максимальное отклонение полученной формы составило 7.82%. На рис. 2, б показан процесс коррекции файла скважности, по анализу отклонений формы полученного профиля.
3
я я
ю я
- -1 [олучснная форма профиля
- - Теоретическая форма профиля
I
0.9
Ч 0.К и
о
0.6
-и
о
о =
Щ и
100 200 300 4 00 500 600 7Ш 800 900 1000 X, МКМ
а)
Скорректированная скважность Расчетная скважность фотошаблона
№01;)
50
100 150
N. отп.ед. б)
200
250
ю >1
•И С
о -0.1 -0,2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.fi -0,7 -О.К -0.9 -I
- - Полученная форма профиля
- - Теоретическая форма профиля
100 20(1 300 400 500 МО 700 К00 900
X. мкм
В) Г)
Рис. 2. Контроль формы профиля тестовой синусоидальной решетки, сформированной в пленке фоторезиста: измерение отклонения полученной формы профиля от теоретической при использовании исходного растрового фотошаблона (а); коррекция файла скважности фотошаблона (б); измеренная профилограмма рельефа в фоторезисте (в) и нормированная форма профиля (г), полученные при использовании растрового фотошаблона, записанного после коррекции функции скважности (б)
Процесс коррекции можно описать следующим образом. В точке Xi для получения глубины H1 была использована скважность D1. Однако необходимая для данной координаты глубина рельефа была получена в точке X2, в которой использовалась скважность D2. Следовательно, в скорректированном файле скважности в ячейке N1 необходимо использовать значение скважности равное D2. И так для каждой точки профиля. На рис. 2в приведена профилограмма тестовой синусоидальной решетки, сформированной в пленке фоторезиста, путем его экспонирования с использованием скорректированного растрового фотошаблона. Отклонения полученной формы не превышает 1.53% (рис. 2г).
В результате исследования было показано, что использование тестовых решеток синусоидальной формы для производственного контроля конформаль-ных элементов позволяет получать полные характеристические кривые на каждом из технологических этапов растровой полутоновой технологии, начиная от контроля функции пропускания растрового фотошаблона заканчивая контролем полученной глубины и формы рельефа сформированного как в фоторезисте, так и в материале кварцевой подложки. После коррекции файла скважности и записи нового фотошаблона был произведен анализ профилограмм ряда тестовых синусоидальных решеток полученных путем экспонирования фоторезиста с различными параметрами. Отклонение полученной формы не превышало 2.57%, при глубине решеток от 3.1 мкм до 3.5 мкм. Таким образом, предложенный метод позволил значительно снизить погрешность на этапе формирования 3D рельефа в слое фоторезиста
Исследование выполнено за счет средств субсидии на финансовое обеспечение выполнения государственного задания (№ гос. регистрации АААА-А17-117052210002-7) в Институте автоматики и электрометрии СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Корольков В. П., Насыров Р. К., Полещук А. Г., Арапов Ю. Д., Иванов А. Ф. Методы оперативного контроля характеристик дифракционных оптических элементов в процессе изготовления // Квантовая электроника. - 2013. - Т 43, № 2. - С. 117-121.
2. Korolkov V. P., Nasyrov R. K.,Poleshchuk A. G., Arapov Y. D., Ivanov A. F. Freeform corrector for laser with large aperture YAG:Nd3+active element // Optical Engineering - V. 53, № 7. - P. 117-121.
3. Полещук А. Г. Изготовление высокоэффективных элементов дифракционной оптики с помощью полутоновой и фоторастровой технологий // Автометрия. - 1991. - № 6. -С. 54-61.
4. https://sigatec.fr/download/intelliumZ100%20Sigatec.pdf.
5. http://breitmeier.de/en/optical-profilometry/wli-lab.
6. Корольков В. П., Остапенко С.В. Характеризация профилограмм кусочно-непрерывного дифракционного микрорельефа // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76, № 7. -С. 34-41.
© Д. А. Белоусов, В. П. Корольков, Р. К. Насыров, 2018
