專利名稱：基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，屬于光學(xué)微細(xì)加工技術(shù)中用于納 米尺度器件制作的激光直寫光刻技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，以先進(jìn)納米加工技術(shù)為先導(dǎo)，在信息安全、光電子器件、生物芯片、通 訊設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星等巨大市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，納米尺度制造技術(shù)領(lǐng)域得 到了快速發(fā)展，品種繁多的納米器件不斷問世，使許多以往棘手的問題有了解決的途 徑。然而隨著半導(dǎo)體行業(yè)集成度的逐年提高，人們對(duì)用于納米尺度器件制作的光刻設(shè) 備的分辨力要求也因此越來越高。傳統(tǒng)的接近/接觸式光刻通常采用減少曝光光源波長(zhǎng) 和增大數(shù)值孔徑的方法來實(shí)現(xiàn)分辨力的提高，如浸沒液體能提高數(shù)值孔徑，但由浸沒 液體引起的氣泡問題、浸沒液體和光刻膠的相容性卻很難解決；減少曝光光源波長(zhǎng)也 因波長(zhǎng)進(jìn)一步縮短帶來的一系列成本和技術(shù)問題而很難解決。故目前的光學(xué)光刻分辨 力的進(jìn)一步改善和提高已成為當(dāng)前急需解決的問題之一。電子束光刻、離子束光刻、 原子光刻等基于帶電粒子光刻技術(shù)的出現(xiàn)，使得分辨力得到了極大提高，理論上大約 可達(dá)5-10nm左右，但仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)尚待解決，如生產(chǎn)效率非常低下，無法滿足 大規(guī)模生產(chǎn)需求；帶電粒子的鄰近效應(yīng)；和傳統(tǒng)的光學(xué)光刻在工藝上不兼容等。故目 前的帶電粒子光刻在工藝兼容性和生產(chǎn)效率方面的進(jìn)一步改善和提高已成為當(dāng)前急需 解決的問題之一。如何既能突破傳統(tǒng)光學(xué)光刻系統(tǒng)分辨力的極限，達(dá)到制作微納尺度 圖形的分辨力水平，又能和傳統(tǒng)光學(xué)光刻工藝兼容，降低成本，提高生產(chǎn)效率已成為 現(xiàn)代光刻技術(shù)急需解決的核心問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是為克服上述光刻系統(tǒng)的不足，在分辨力、生產(chǎn)效 率、成本、工藝兼容性等問題上取得相對(duì)的平衡，提供了一種基于光子篩的激光直寫 光刻系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光子篩器件的良好聚焦性能，只需在傳統(tǒng)激光直寫光刻系統(tǒng)上
做少量改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)圖形的制作，既提高了光刻分辨力，又降低了成本，提 高了工作效率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為 一種基于光子篩器件的激光直寫光刻系統(tǒng)，其特征在 于該系統(tǒng)由曝光光源、透鏡、空間濾波裝置、均勻準(zhǔn)直透鏡組、反射鏡、光子篩、
3基片、光刻膠、掃描工件臺(tái)組成，激光光源經(jīng)透鏡聚焦后，經(jīng)過空間濾波、擴(kuò)束準(zhǔn)査 透鏡組后成為均勻準(zhǔn)直的平行光，照射到光子篩上，利用光子篩良好的聚焦能力，在 涂有光刻膠的基片上聚焦?；胖迷诠ぜ_(tái)上，利用光子篩與基片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 來實(shí)現(xiàn)所需的光刻圖形?；毓狻@影后，用掃描電鏡及三維光學(xué)輪廓儀檢測(cè)光刻 結(jié)果。
本發(fā)明的原理是由于光子篩是在菲涅爾波帶片結(jié)構(gòu)上做了一定的改進(jìn)，它是用 不同大小的透光孔徑取代菲涅爾透光環(huán)帶而形成的衍射光學(xué)元件。與波帶片相比，光 子篩的分辨力不再取決于最小衍射結(jié)構(gòu)的特征尺寸，這就降低了對(duì)最小線寬加工的要 求。光子篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使之衍射焦點(diǎn)的光強(qiáng)更加集中，有利于分辨力的提高，同時(shí)抑 制次極和高階衍射，有利于提高光刻圖形的對(duì)比度，故光子篩器件可以突破衍射極限 而實(shí)現(xiàn)高分辨力納米圖形的聚焦。對(duì)于光子篩制作而言，可采用電子束加工等方法進(jìn) 行。于是，在不改變傳統(tǒng)激光直寫光刻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，只需將聚焦元件改為光子 篩器件，就可以通過長(zhǎng)波長(zhǎng)曝光光源實(shí)現(xiàn)納米尺度圖形的制作。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果為-
(1) 本發(fā)明將聚焦元件由傳統(tǒng)的透鏡方式改為光子篩方式，降低了由于透鏡的色 散等引起的衰減，從而可以增強(qiáng)聚焦性能，有利于高分辨力圖形的轉(zhuǎn)移。另外，不需 要預(yù)先制作掩模板，只需用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬掩模圖形，將圖形的位置與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 傳輸給工件臺(tái)，利用光子篩與工件臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將所需光刻圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。 同時(shí)，與傳統(tǒng)光刻機(jī)工藝兼容性好，具有成本低，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
(2) 本發(fā)明極限分辨力的限制在于虛擬掩模圖形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光子篩制作過程中 的加工誤差，而不受傳統(tǒng)衍射極限的限制。從理論上講，只要選擇合適的曝光光源波 長(zhǎng)，合適的光子篩結(jié)構(gòu)和制作工藝，合適的光刻膠，就可以用這種激光直寫光刻系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)極限分辨力。
(3) 本發(fā)明中光子篩的聚焦性能和分布在透光環(huán)帶上的透光小孔的位置參數(shù)、直 徑大小、密度分布等因素有關(guān)，經(jīng)過數(shù)值模擬對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后更能完成高分辨 力和高對(duì)比度圖形的聚焦。本發(fā)明設(shè)計(jì)的光子篩相對(duì)于傳統(tǒng)的激光直寫光刻而言，僅 需改變聚焦元件為光子篩，即可將分辨力提高到納米量級(jí)。
(4) 本發(fā)明的曝光光源可以從傳統(tǒng)的i線、g線到更短波長(zhǎng)的EUV、 X射線，只 需在設(shè)計(jì)光子篩結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)入射波長(zhǎng)進(jìn)行修改，并選用合適的光刻膠即可。
(5) 本發(fā)明的光子篩的制作過程由電子束直寫工藝完成，光子篩可以是振幅型光 子篩，也可以是位相型光子篩，位相型光子篩相比于振幅型光子篩來說，除了高分辨力外，具有更好的光能透過率。不管是振幅型光子篩還是位枏型光子篩，對(duì)于某一特 定曝光波長(zhǎng)而言，都可由電子束直寫工藝加工，然后多次使用，故在保持高分辨力的 同時(shí)，可明顯提高生產(chǎn)效率。


圖l為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1中均勻準(zhǔn)直透鏡組結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖1中光刻膠、基片和精密工件臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為圖1中光子篩結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為圖1中光子篩橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括曝光光源l、透鏡2、空間濾波裝置3、均勻準(zhǔn)直透鏡組 4、反射鏡5、光子篩6、光刻膠7、基片8和掃描工件臺(tái)9，基片8放置在掃描工件臺(tái) 9上；曝光光源1經(jīng)透鏡2聚集后，經(jīng)空間濾波裝置3、均勻準(zhǔn)直透鏡組4后成為均勻 準(zhǔn)直的平行光，再由反射鏡5反射到光子篩6上，光子篩良好的聚焦能力，并在涂有 光刻膠7的基片8上聚焦，掃描工件臺(tái)9為X、 Y精密工件臺(tái)，精密工件臺(tái)根據(jù)計(jì)算機(jī) 提供的所需光刻圖形的位置和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)光子篩與基片之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精密控制， 從而形成光刻圖形?；毓?、顯影后，用掃描電鏡及三維光學(xué)輪廓儀檢測(cè)光刻結(jié)果。
如圖2所示，均勻準(zhǔn)直透鏡組2、 4是由準(zhǔn)直透鏡21、濾波片22、積分鏡23和場(chǎng) 鏡24組成。由激光光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡21后，變成均勻準(zhǔn)直的平行光，再經(jīng)濾 光片22、積分鏡23和場(chǎng)鏡24作用后變成質(zhì)量較好的準(zhǔn)均勻準(zhǔn)直平行光?；毓狻?顯影后，用掃描電鏡及三維光學(xué)輪廓儀檢測(cè)光刻結(jié)果。
如圖3所示，光刻膠7是對(duì)曝光光源敏感的高分辨力光致抗蝕劑(正性、負(fù)性均 可)。以i線曝光光源為例，可選擇薄膠ARP-3170，厚膠SU-8或AZ5214?；?是 由對(duì)入射光透明的石英或其他材料組成。精密工件臺(tái)9的運(yùn)動(dòng)軌跡由計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確 控制。
如圖4、5所示，光子篩6的由透明的基底61和不透明的金屬62組成，利用電子 束加工工藝將直徑不同的小孔63刻蝕在不透明的金屬層(絡(luò)、金、銅或銀)上，金屬 層的選擇根據(jù)金屬本身的性質(zhì)和所需刻蝕的圖形結(jié)構(gòu)有關(guān)，本發(fā)明實(shí)施例中，選擇銀 作為金屬層。
光子篩6是采用不同大小的透光孔徑陣列取代菲涅爾透光環(huán)帶而形成的衍射光學(xué) 元件。小孔徑的位置參數(shù)、直徑大小、密度分布等因素都會(huì)對(duì)光子篩的性能產(chǎn)生影響，需經(jīng)過數(shù)值模擬對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化過程如下首先建立光子篩的衍射模型，以 焦面上衍射光強(qiáng)取得最大值為原則，對(duì)小孔直徑大小、密度分布等因素進(jìn)行優(yōu)化。本 發(fā)明在此處具體優(yōu)化實(shí)現(xiàn)過程為首先根據(jù)預(yù)設(shè)的焦距和曝光光源波長(zhǎng)計(jì)算出波帶片
各環(huán)半徑/;，相鄰兩環(huán)半徑之差即為環(huán)帶寬度w，假設(shè)波帶片中心環(huán)為暗環(huán)，第一透 光環(huán)帶的寬度w,即為Wl =r2 -^ ，然后將光子篩的分布在第一透光環(huán)帶上的小孔直徑 《取為《-A:xM;, (A為比例系數(shù))，其它透光環(huán)帶上小孔的直徑也類似計(jì)算。然后根
據(jù)各透光環(huán)帶上分布小孔的面積之和呈現(xiàn)一定分布為根據(jù)，確定各透光環(huán)帶上分布小 孔的數(shù)量。本發(fā)明實(shí)施例中，曝光光源波長(zhǎng)為355nm，焦距為10ram，比例系數(shù)取為1.5， 其中最外透光環(huán)帶上分布小孔的直徑大約200nm，各透光環(huán)帶上分布小孔的面積之和 呈現(xiàn)高斯分布，則各透光環(huán)帶分布小孔面積之和大約等于相應(yīng)透光環(huán)帶面積的60%， 從而確定所有透光環(huán)帶上分布小孔的數(shù)量總和為658076。
權(quán)利要求
1、基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，其特征在于包括曝光光源(1)、透鏡(2)、空間濾波裝置(3)、均勻準(zhǔn)直透鏡組(4)、反射鏡(5)、光子篩(6)、光刻膠(7)、基片(8)和掃描工件臺(tái)(9)組成；曝光光源(1)經(jīng)透鏡(2)聚焦后，經(jīng)過空間濾波裝置(3)、均勻準(zhǔn)直透鏡組(4)后成為均勻準(zhǔn)直的平行光，然后由反射鏡(5)反射到光子篩(6)上，光子篩良好的聚焦能力，在放置在掃描工件臺(tái)(9)上并涂有光刻膠(7)的基片(8)上聚焦，利用光子篩與基片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)所需的光刻圖形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，其特征在于所述 的均勻準(zhǔn)直透鏡組(4)由準(zhǔn)直透鏡(41)、濾波片(42)、積分鏡(43)和場(chǎng)鏡(44) 組成，由激光光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(41)后，變成均勻準(zhǔn)直的平行光，再經(jīng)濾光片(42)、積分鏡(43)和場(chǎng)鏡(44)作用后變成準(zhǔn)均勻準(zhǔn)直平行光。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，其特征在于所述 的光子篩(6)的結(jié)構(gòu)為由透明的基底(61)和不透明的金屬層(62)組成，在不透 明的金屬層(62)上刻蝕有直徑不同的多個(gè)小孔(63)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，其特征在于所述 的光子篩(6)是振幅型光子篩，或位相型光子篩。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，其特征在于所述 的曝光光源(1)為i線、或g線，或更短波長(zhǎng)的EUV和X射線。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，其特征在于所述 的光刻膠是根據(jù)曝光光源的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行選取的，對(duì)于i線曝光光源，選擇薄膠 ARP-3170、厚膠SU-8或AZ5214。
全文摘要
基于光子篩的激光直寫光刻系統(tǒng)，是由曝光光源(1)、透鏡(2)、空間濾波裝置(3)、均勻準(zhǔn)直透鏡組(4)、反射鏡(5)、光子篩(6)、光刻膠(7)、基片(8)、精密工件臺(tái)(9)組成。激光光源經(jīng)透鏡、空間濾波、均勻準(zhǔn)直透鏡組后成為均勻準(zhǔn)直的平行光，照射到光子篩上，光子篩具有良好的聚焦能力，在涂有光刻膠的基片上聚焦?；胖迷赬、Y精密工件臺(tái)上，利用光子篩與基片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)所需的光刻圖形。本發(fā)明具有很好的工藝兼容性，不需改動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，只需將聚焦元件改為光子篩器件，就可用傳統(tǒng)的i線、g線激光直寫光刻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的分辨力。若在此基礎(chǔ)上再縮短曝光光源的波長(zhǎng)，則可實(shí)現(xiàn)更高的分辨力，以極低的成本實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)圖形的制作。
文檔編號(hào)G03F7/004GK101561637SQ20091008429
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者偉 嚴(yán), 周紹林, 博 張, 鋒 徐, 勇 楊, 松 胡, 蔣文波, 趙立新, 薇 邢, 陳旺富 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所