基于受激光發(fā)射損耗的激光直寫(xiě)曝光裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于受激發(fā)射光損耗激光直寫(xiě)曝光裝置，其特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括激發(fā)光源、退激發(fā)光源、第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、二分之一波片組、二向色鏡、相位型波帶片、振幅型波帶片、高數(shù)值孔徑消色差物鏡和三維掃描平臺(tái)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高分辨、長(zhǎng)焦深的光學(xué)曝光。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于受激光發(fā)射損耗的激光直寫(xiě)曝光裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)曝光領(lǐng)域，特別是一種基于受激光發(fā)射損耗的激光直寫(xiě)曝光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超大規(guī)模集成電路集成度的不斷提高，作為集成電路制造關(guān)鍵技術(shù)的投影光刻技術(shù)也因此得到了迅猛發(fā)展。不斷提高投影光刻系統(tǒng)的分辨率、焦深一直是科研人員研究的重點(diǎn)。光學(xué)曝光技術(shù)主要是以縮短光刻機(jī)的曝光波長(zhǎng)和提高光刻物鏡的數(shù)值孔徑作為提高光刻機(jī)分辨率的有效手段，但同時(shí)會(huì)使投影物鏡的焦深急劇減小。目前國(guó)際主流的深紫外光刻(DUVL)技術(shù)采用離軸照明克服上述問(wèn)題，但是DUV光刻成本昂貴，在深紫外波段上鍍膜和光學(xué)加工都非常困難。最近幾年，極紫外光刻技術(shù)(EUVL)的發(fā)展能夠?qū)⒓庸ぞ€寬壓縮至22nm以下，但是產(chǎn)生極紫外光源需要等離子放電，難度非常大，尚有許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。另外，在光學(xué)系統(tǒng)方面采用了離軸反射系統(tǒng)，對(duì)加工與裝調(diào)技術(shù)要求非常嚴(yán)格。最重要的是，上述幾種技術(shù)存在一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題:任何一種成像系統(tǒng)都不能逾越阿貝衍射極限。在顯微鏡研究領(lǐng)域，為了突破衍射極限，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一系列技術(shù)，例如電子顯微鏡、原子力顯微鏡、近場(chǎng)掃描顯微鏡；而在生命科學(xué)研究領(lǐng)域，2006年Bietzing等人提出了光敏定位顯微鏡(PALM)，實(shí)現(xiàn)了 20nm的圖像橫向分辨率。2009年Zhuang與其合作者則提出隨機(jī)光重建顯微鏡(STORM)實(shí)現(xiàn)了三維超衍射極限成像。超衍射極限在顯微鏡與生命科學(xué)上的成功應(yīng)用，促使科研人員致力于將這種成像技術(shù)移植到光學(xué)曝光上。Scott T.F.等將可見(jiàn)激光發(fā)射損耗技術(shù)應(yīng)用在三維顯微成像中，可以實(shí)現(xiàn)橫向分辨lOOnm，但是對(duì)提高焦深未作進(jìn)一步研究，而在光學(xué)曝光技術(shù)中不僅要提高分辨率，還需要增大焦深。
[0003]中國(guó)專(zhuān)利“一種納米光刻方法及裝置”(CN102866580A)提出了一種基于表面等離子激元效應(yīng)的納米光刻方法。將波長(zhǎng)為SOOnm的飛秒激光光束經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后照射到掩模板上，經(jīng)過(guò)10秒的曝光，將涂有光刻膠的基底在SU8顯影液和異丙醇中進(jìn)行浸泡，得到超衍射極限干涉條紋，其條紋寬度在50nm。這種方法雖然可以獲得亞波長(zhǎng)分辨，但是掩模板制作工藝難度較大，整個(gè)的光刻工藝過(guò)程較為復(fù)雜，無(wú)法有效控制。
[0004]中國(guó)專(zhuān)利“基于表面等離子體共振腔的超深亞波長(zhǎng)可調(diào)諧納米光刻結(jié)構(gòu)與方法”(CN102053491A)提出了一種表面等離子共振腔的納米光刻結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分辨率可調(diào)技術(shù)，并且能夠通過(guò)優(yōu)化光刻膠厚度，在波長(zhǎng)為436nm的光束照射下產(chǎn)生16.5nm的最小條紋寬度。但是該方法對(duì)需要制作的薄膜有較高要求，同時(shí)在工藝上對(duì)光刻膠的精確控制難度很大。另外，上述技術(shù)中，都未考慮如何增強(qiáng)分辨率的同時(shí)提高焦深，而在光學(xué)曝光刻技術(shù)中需要同時(shí)考慮兩方面因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于受激光發(fā)射損耗的激光直寫(xiě)曝光裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)高分辨、長(zhǎng)焦深的光學(xué)曝光。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0007]—種基于受激發(fā)射光損耗激光直寫(xiě)曝光裝置，其特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括:激發(fā)光源、退激發(fā)光源、第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、二分之一波片組、二向色鏡、相位型波帶片、振幅型波帶片、高數(shù)值孔徑消色差物鏡和三維掃描平臺(tái)，該三維掃描平臺(tái)為x、y、z軸精密平移平臺(tái)，該三維掃描平臺(tái)用于置放上表面涂有光刻膠的基片；沿所述的激發(fā)光源發(fā)出的激發(fā)光束傳播方向依次是同軸的第一空間光調(diào)制器、二向色鏡、相位型波帶片、振幅型波帶片、高數(shù)值孔徑消色差物鏡、光刻膠、基片和三維掃描平臺(tái)；沿著所述的退激發(fā)光源發(fā)出的退激發(fā)光束的傳播方向，依次是同軸的第二空間光調(diào)制器、級(jí)聯(lián)二分之一波片組、反射鏡、二向色鏡、相位型波帶片、振幅型波帶片、高數(shù)值孔徑消色差物鏡、光刻膠、基片和三維掃描平臺(tái)。所述的激發(fā)光源、第一空間光調(diào)制器用于產(chǎn)生雙環(huán)徑向偏振光束；所述的退激發(fā)光源、第二空間光調(diào)制器和所述的二分之一波片組用于產(chǎn)生雙環(huán)切向偏振光束；所述的二向色鏡將激發(fā)光束與退激發(fā)光束合為一束；所述的相位型波帶片對(duì)激發(fā)光束與退激發(fā)光束的空間相位進(jìn)行調(diào)制；所述的振幅型波帶片和高數(shù)值孔徑消色差物鏡將所述的激發(fā)光束和退激發(fā)光束進(jìn)行振幅調(diào)制和大會(huì)聚角聚焦，在高數(shù)值孔徑消色差物鏡焦平面附近得到超分辨、長(zhǎng)焦深的三維光場(chǎng)。
[0008]所述的第一空間光調(diào)制器和第二空間光調(diào)制器是該領(lǐng)域科研人員熟知的商業(yè)化產(chǎn)品，分別用于將激發(fā)光源和退激發(fā)光源產(chǎn)生的光束進(jìn)行位相調(diào)控，從而得到該領(lǐng)域科研人員熟知的雙環(huán)徑向偏振光束。
[0009]所述的相位型波帶片對(duì)激發(fā)光束和退激發(fā)光束的雙環(huán)徑向偏振光的混合光束進(jìn)行相位調(diào)制；所述的相位型波帶片的位相分布采用和凸錐鏡圓錐面相等效(按照光程差相等的原則)的二元化位相分布，從而提高會(huì)聚光束的焦深。
[0010]所述的振幅型波帶片由同心的環(huán)帶構(gòu)成，各個(gè)環(huán)帶的透過(guò)率依次為O或者100%間隔。設(shè)置每個(gè)環(huán)帶的半徑和寬度以實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)焦深和分辨率的調(diào)節(jié)。
[0011]經(jīng)過(guò)所述的高數(shù)值孔徑消色差物鏡會(huì)聚的光斑照射在光刻膠上，所述的光刻膠涂覆于基片表面，所述的基片置于三維掃描平臺(tái)上，所述的掃描平臺(tái)可在X、y、Z三個(gè)方向作精密平移。在曝光過(guò)程中，所述的掃描平臺(tái)帶動(dòng)所述的基片在x-y面內(nèi)移動(dòng)獲得所需的曝光圖形；所述的掃描平臺(tái)在z向的移動(dòng)用于調(diào)焦，使曝光過(guò)程中所述的基片表面的光刻膠始終位于所述的高數(shù)值孔徑消色差物鏡的焦深范圍內(nèi)。
[0012]與先技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列的有益效果:
[0013]1、本發(fā)明采用受激光發(fā)射損耗實(shí)現(xiàn)具有高分辨、長(zhǎng)焦深的三維光場(chǎng)，該方法采用可見(jiàn)激光光源，即可實(shí)現(xiàn)百納米量級(jí)的分辨率；
[0014]2、本發(fā)明采用雙環(huán)徑向偏振光場(chǎng)和受激發(fā)射損耗相結(jié)合，使得光學(xué)曝光分辨率進(jìn)一步提聞到十納米量級(jí)；
[0015]3、本發(fā)明采用相位型波帶片實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦深，并利用振幅型波帶片的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)焦深和分辨率的調(diào)節(jié)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明基于受激光發(fā)射損耗的激光直寫(xiě)曝光裝置光學(xué)原理圖。[0017]圖2為所述的受激光發(fā)射損耗激光直寫(xiě)曝光的物理原理示意圖。
[0018]圖3a為所述的激發(fā)光經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑消色差物鏡聚焦后在焦平面上的場(chǎng)分布圖。
[0019]圖3b為所述的退激發(fā)光經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑消色差物鏡聚焦后在焦平面上的場(chǎng)分布圖。
[0020]圖4為未加退激發(fā)光與加退激發(fā)光的焦平面上的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)曲線。
[0021]圖5a為所述的激發(fā)光經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑消色差物鏡聚焦后在焦面附近的場(chǎng)分布圖。
[0022]圖5b為所述的退激發(fā)光經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑消色差物鏡聚焦后在焦面附近的場(chǎng)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)清晰，下面結(jié)合附圖1和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)闡述。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明基于受激發(fā)射光損耗激光直寫(xiě)曝光裝置，其構(gòu)成包括:激發(fā)光源101、退激發(fā)光源201、第一空間光調(diào)制器102、第二空間光調(diào)制器202、二分之一波片組203、二向色鏡103、相位型波帶片301、振幅型波帶片302、高數(shù)值孔徑消色差物鏡401和三維掃描平臺(tái)404，該三維掃描平臺(tái)404為x、y、z軸精密平移平臺(tái)，該三維掃描平臺(tái)404用于置放上表面涂有光刻膠402的基片403 ；
[0024]沿所述的激發(fā)光源101發(fā)出的激發(fā)光束傳播方向依次是同軸的第一空間光調(diào)制器102、二向色鏡103、相位型波帶片301、振幅型波帶片302、高數(shù)值孔徑消色差物鏡401、光刻膠402、基片403和三維掃描平臺(tái)404 ；
[0025]沿著所述的退激發(fā)光源201發(fā)出的退激發(fā)光束的傳播方向，依次是同軸的第二空間光調(diào)制器202、級(jí)聯(lián)二分之一波片組203、反射鏡204、二向色鏡103、相位型波帶片301、振幅型波帶片302、高數(shù)值孔徑消色差物鏡401、光刻膠402、基片403和三維掃描平臺(tái)404。
[0026]光刻膠402涂覆于基片403表面，基片403置于三維掃描平臺(tái)404上，掃描平臺(tái)404可在X、y、z三個(gè)方向作精密平移。在曝光過(guò)程中，掃描平臺(tái)404帶動(dòng)基片403在χ-y面內(nèi)移動(dòng)可獲得所需的曝光圖形；掃描平臺(tái)404在z向的移動(dòng)用于調(diào)焦，使曝光過(guò)程中基片403表面的光刻膠始終位于高數(shù)值孔徑消色差物鏡401的焦深范圍內(nèi)。
[0027]所述的第一空間光調(diào)制器102和第二空間光調(diào)制器202是相同的，其中的相位分布也是相同的；
[0028]所述的級(jí)聯(lián)二分之一波片組203是用于將徑向偏振的退激發(fā)光光場(chǎng)轉(zhuǎn)換為切向偏振光場(chǎng)。
[0029]所述的相位型波帶片301用于對(duì)光場(chǎng)的調(diào)控，不改變光束的偏振狀態(tài)。
[0030]所述的振幅型波帶片302每個(gè)環(huán)帶的透過(guò)率依次間隔為O或者100%，用以選擇透過(guò)的空間頻譜分量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可設(shè)計(jì)兩個(gè)、四個(gè)或更多的環(huán)帶，透過(guò)率依次間隔為O或100%。所述的振幅型波帶片302和高數(shù)值孔徑消色差物鏡401組合將入射光場(chǎng)進(jìn)行會(huì)聚而產(chǎn)生聞分辨、長(zhǎng)焦深的光場(chǎng)。
[0031]受激光發(fā)射損耗光學(xué)曝光的物理原理的示意圖如圖2所示。圖中等號(hào)左邊的實(shí)心圓為激發(fā)光源的聚焦光斑，圓環(huán)為退激發(fā)光源的聚焦光斑。退激發(fā)光源輻照在光刻膠上，使得光刻膠吸收飽和，從而無(wú)法吸收激發(fā)光源。由于退激發(fā)光源所產(chǎn)生的環(huán)狀光束的外徑和激發(fā)光源的外徑相同，激發(fā)光源照射的光刻膠的外環(huán)將無(wú)法吸收激發(fā)光源，吸收激發(fā)光源的光刻膠尺寸變小，從而提高曝光的分辨率。上述原理是受激光發(fā)射損耗光學(xué)曝光的基本原理，實(shí)際中還不能應(yīng)用，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)才能用于光學(xué)曝光系統(tǒng)，具體的改進(jìn)措施如下:
[0032]I)采用雙環(huán)徑向的激發(fā)光源和切向偏振的退激發(fā)光源，可以進(jìn)一步提高曝光的分辨率，具體的公式推導(dǎo)和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)后面的敘述。
[0033]2)采用空間相位調(diào)制和振幅調(diào)制，提高曝光的焦深，并且通過(guò)振幅調(diào)制的幾何參數(shù)實(shí)現(xiàn)分辨率和焦深的調(diào)節(jié)，具體的公式推導(dǎo)和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)后面的敘述。
[0034]首先，后續(xù)理論推導(dǎo)用到的參數(shù)定義如下:
[0035]I)描述光束相對(duì)尺寸參數(shù)δ 0._ Difl
【權(quán)利要求】
1.一種基于受激發(fā)射光損耗激光直寫(xiě)曝光裝置，其特征在于其構(gòu)成包括:激發(fā)光源(101)、退激發(fā)光源(201)、第一空間光調(diào)制器(102)、第二空間光調(diào)制器(202)、二分之一波片組(203)、二向色鏡(103)、相位型波帶片(301)、振幅型波帶片(302)、高數(shù)值孔徑消色差物鏡(401)和三維掃描平臺(tái)(404)，該三維掃描平臺(tái)(404)為x、y、z軸精密平移平臺(tái)，該三維掃描平臺(tái)(404)上用于置放上表面涂有光刻膠(402)的基片(403)； 沿所述的激發(fā)光源(101)發(fā)出的激發(fā)光束傳播方向依次是同軸的第一空間光調(diào)制器(102)、二向色鏡(103)、相位型波帶片(301)、振幅型波帶片(302)、高數(shù)值孔徑消色差物鏡(401)、光刻膠(402)、基片(403)和三維掃描平臺(tái)(404)； 沿著所述的退激發(fā)光源(201)發(fā)出的退激發(fā)光束的傳播方向，依次是同軸的第二空間光調(diào)制器(202)、級(jí)聯(lián)二分之一波片組(203)、反射鏡(204)、二向色鏡(103)、相位型波帶片(301)、振幅型波帶片(302)、高數(shù)值孔徑消色差物鏡(401)、光刻膠(402)、基片(403)和三維掃描平臺(tái)(404)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于受激發(fā)射光損耗激光直寫(xiě)曝光裝置，其特征在于所述的第一空間光調(diào)制器(102)和第二空間光調(diào)制器(202)是相同的，其中的相位分布也是相同的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于受激發(fā)射光損耗激光直寫(xiě)曝光裝置，其特征在于所述的振幅型波帶片(302)是透過(guò)率O和100%依次間隔的多個(gè)同心的環(huán)帶構(gòu)成的，所述的環(huán)帶包括兩個(gè)環(huán)帶、四個(gè)環(huán)帶或更多的環(huán)帶。
【文檔編號(hào)】G03F7/20GK103777473SQ201410029950
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】朱菁, 黃惠杰, 楊寶喜, 宋強(qiáng), 張方, 王鍵, 陳明, 李璟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所