CN101561637A - 基于光子筛的激光直写光刻*** - Google Patents
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Abstract
基于光子筛的激光直写光刻***，是由曝光光源(1)、透镜(2)、空间滤波装置(3)、均匀准直透镜组(4)、反射镜(5)、光子筛(6)、光刻胶(7)、基片(8)、精密工件台(9)组成。激光光源经透镜、空间滤波、均匀准直透镜组后成为均匀准直的平行光，照射到光子筛上，光子筛具有良好的聚焦能力，在涂有光刻胶的基片上聚焦。基片放置在X、Y精密工件台上，利用光子筛与基片之间的相对运动来实现所需的光刻图形。本发明具有很好的工艺兼容性，不需改动整个***的结构，只需将聚焦元件改为光子筛器件，就可用传统的i线、g线激光直写光刻***实现纳米量级的分辨力。若在此基础上再缩短曝光光源的波长，则可实现更高的分辨力，以极低的成本实现纳米量级图形的制作。
Description
技术领域
本发明是一种基于光子筛的激光直写光刻***，属于光学微细加工技术中用于纳米尺度器件制作的激光直写光刻技术领域。
背景技术
近年来，以先进纳米加工技术为先导，在信息安全、光电子器件、生物芯片、通讯设备、雷达、导弹、人造卫星等巨大市场需求的推动下，纳米尺度制造技术领域得到了快速发展，品种繁多的纳米器件不断问世，使许多以往棘手的问题有了解决的途径。然而随着半导体行业集成度的逐年提高，人们对用于纳米尺度器件制作的光刻设备的分辨力要求也因此越来越高。传统的接近/接触式光刻通常采用减少曝光光源波长和增大数值孔径的方法来实现分辨力的提高，如浸没液体能提高数值孔径，但由浸没液体引起的气泡问题、浸没液体和光刻胶的相容性却很难解决；减少曝光光源波长也因波长进一步缩短带来的一系列成本和技术问题而很难解决。故目前的光学光刻分辨力的进一步改善和提高已成为当前急需解决的问题之一。电子束光刻、离子束光刻、原子光刻等基于带电粒子光刻技术的出现，使得分辨力得到了极大提高，理论上大约可达5-10nm左右，但仍存在一些关键技术尚待解决，如生产效率非常低下，无法满足大规模生产需求；带电粒子的邻近效应；和传统的光学光刻在工艺上不兼容等。故目前的带电粒子光刻在工艺兼容性和生产效率方面的进一步改善和提高已成为当前急需解决的问题之一。如何既能突破传统光学光刻***分辨力的极限，达到制作微纳尺度图形的分辨力水平，又能和传统光学光刻工艺兼容，降低成本，提高生产效率已成为现代光刻技术急需解决的核心问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：为克服上述光刻***的不足，在分辨力、生产效率、成本、工艺兼容性等问题上取得相对的平衡，提供了一种基于光子筛的激光直写光刻***，该***利用光子筛器件的良好聚焦性能，只需在传统激光直写光刻***上做少量改动即可实现纳米量级图形的制作，既提高了光刻分辨力，又降低了成本，提高了工作效率。
本发明的技术解决方案为：一种基于光子筛器件的激光直写光刻***，其特征在于：该***由曝光光源、透镜、空间滤波装置、均匀准直透镜组、反射镜、光子筛、基片、光刻胶、扫描工件台组成，激光光源经透镜聚焦后，经过空间滤波、扩束准直透镜组后成为均匀准直的平行光，照射到光子筛上，利用光子筛良好的聚焦能力，在涂有光刻胶的基片上聚焦。基片放置在工件台上，利用光子筛与基片之间的相对运动来实现所需的光刻图形。基片曝光、显影后，用扫描电镜及三维光学轮廓仪检测光刻结果。
本发明的原理是：由于光子筛是在菲涅尔波带片结构上做了一定的改进，它是用不同大小的透光孔径取代菲涅尔透光环带而形成的衍射光学元件。与波带片相比，光子筛的分辨力不再取决于最小衍射结构的特征尺寸，这就降低了对最小线宽加工的要求。光子筛的结构特点使之衍射焦点的光强更加集中，有利于分辨力的提高，同时抑制次极和高阶衍射，有利于提高光刻图形的对比度，故光子筛器件可以突破衍射极限而实现高分辨力纳米图形的聚焦。对于光子筛制作而言，可采用电子束加工等方法进行。于是，在不改变传统激光直写光刻***结构的前提下，只需将聚焦元件改为光子筛器件，就可以通过长波长曝光光源实现纳米尺度图形的制作。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)本发明将聚焦元件由传统的透镜方式改为光子筛方式，降低了由于透镜的色散等引起的衰减，从而可以增强聚焦性能，有利于高分辨力图形的转移。另外，不需要预先制作掩模板，只需用计算机设计一个虚拟掩模图形，将图形的位置与结构数据传输给工件台，利用光子筛与工件台之间的相对运动将所需光刻图形转移到光刻胶上。同时，与传统光刻机工艺兼容性好，具有成本低，生产效率高等优点。
(2)本发明极限分辨力的限制在于虚拟掩模图形的结构设计和光子筛制作过程中的加工误差，而不受传统衍射极限的限制。从理论上讲，只要选择合适的曝光光源波长，合适的光子筛结构和制作工艺，合适的光刻胶，就可以用这种激光直写光刻***实现极限分辨力。
(3)本发明中光子筛的聚焦性能和分布在透光环带上的透光小孔的位置参数、直径大小、密度分布等因素有关，经过数值模拟对参数进行优化设计后更能完成高分辨力和高对比度图形的聚焦。本发明设计的光子筛相对于传统的激光直写光刻而言，仅需改变聚焦元件为光子筛，即可将分辨力提高到纳米量级。
(4)本发明的曝光光源可以从传统的i线、g线到更短波长的EUV、X射线，只需在设计光子筛结构时对入射波长进行修改，并选用合适的光刻胶即可。
(5)本发明的光子筛的制作过程由电子束直写工艺完成，光子筛可以是振幅型光子筛，也可以是位相型光子筛，位相型光子筛相比于振幅型光子筛来说，除了高分辨力外，具有更好的光能透过率。不管是振幅型光子筛还是位相型光子筛，对于某一特定曝光波长而言，都可由电子束直写工艺加工，然后多次使用，故在保持高分辨力的同时，可明显提高生产效率。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为图1中均匀准直透镜组结构示意图；
图3为图1中光刻胶、基片和精密工件台结构示意图；
图4为图1中光子筛结构示意图；
图5为图1中光子筛横截面示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括曝光光源1、透镜2、空间滤波装置3、均匀准直透镜组4、反射镜5、光子筛6、光刻胶7、基片8和扫描工件台9，基片8放置在扫描工件台9上；曝光光源1经透镜2聚集后，经空间滤波装置3、均匀准直透镜组4后成为均匀准直的平行光，再由反射镜5反射到光子筛6上，光子筛良好的聚焦能力，并在涂有光刻胶7的基片8上聚焦，扫描工件台9为X、Y精密工件台，精密工件台根据计算机提供的所需光刻图形的位置和结构数据实现光子筛与基片之间相对运动的精密控制，从而形成光刻图形。基片曝光、显影后，用扫描电镜及三维光学轮廓仪检测光刻结果。
如图2所示，均匀准直透镜组2、4是由准直透镜21、滤波片22、积分镜23和场镜24组成。由激光光源发出的光经准直透镜21后，变成均匀准直的平行光，再经滤光片22、积分镜23和场镜24作用后变成质量较好的准均匀准直平行光。基片曝光、显影后，用扫描电镜及三维光学轮廓仪检测光刻结果。
如图3所示，光刻胶7是对曝光光源敏感的高分辨力光致抗蚀剂(正性、负性均可)。以i线曝光光源为例，可选择薄胶ARP-3170，厚胶SU-8或AZ5214。基片8是由对入射光透明的石英或其他材料组成。精密工件台9的运动轨迹由计算机进行精确控制。
如图4、5所示，光子筛6的由透明的基底61和不透明的金属62组成，利用电子束加工工艺将直径不同的小孔63刻蚀在不透明的金属层(铬、金、铜或银)上，金属层的选择根据金属本身的性质和所需刻蚀的图形结构有关，本发明实施例中，选择银作为金属层。
光子筛6是采用不同大小的透光孔径阵列取代菲涅尔透光环带而形成的衍射光学元件。小孔径的位置参数、直径大小、密度分布等因素都会对光子筛的性能产生影响，需经过数值模拟对参数进行优化设计。优化过程如下：首先建立光子筛的衍射模型，以焦面上衍射光强取得最大值为原则，对小孔直径大小、密度分布等因素进行优化。本发明在此处具体优化实现过程为：首先根据预设的焦距和曝光光源波长计算出波带片各环半径rn，相邻两环半径之差即为环带宽度w，假设波带片中心环为暗环，第一透光环带的宽度w1即为w1＝r2-r1，然后将光子筛的分布在第一透光环带上的小孔直径d1取为d1＝k×w1(k为比例系数)，其它透光环带上小孔的直径也类似计算。然后根据各透光环带上分布小孔的面积之和呈现一定分布为根据，确定各透光环带上分布小孔的数量。本发明实施例中，曝光光源波长为355nm，焦距为10mm，比例系数取为1.5，其中最外透光环带上分布小孔的直径大约200nm，各透光环带上分布小孔的面积之和呈现高斯分布，则各透光环带分布小孔面积之和大约等于相应透光环带面积的60％，从而确定所有透光环带上分布小孔的数量总和为658076。
Claims (6)
1、基于光子筛的激光直写光刻***，其特征在于包括：曝光光源(1)、透镜(2)、空间滤波装置(3)、均匀准直透镜组(4)、反射镜(5)、光子筛(6)、光刻胶(7)、基片(8)和扫描工件台(9)组成；曝光光源(1)经透镜(2)聚焦后，经过空间滤波装置(3)、均匀准直透镜组(4)后成为均匀准直的平行光，然后由反射镜(5)反射到光子筛(6)上，光子筛良好的聚焦能力，在放置在扫描工件台(9)上并涂有光刻胶(7)的基片(8)上聚焦，利用光子筛与基片之间的相对运动来实现所需的光刻图形。
2、根据权利要求1中所述的基于光子筛的激光直写光刻***，其特征在于：所述的均匀准直透镜组(4)由准直透镜(41)、滤波片(42)、积分镜(43)和场镜(44)组成，由激光光源发出的光经准直透镜(41)后，变成均匀准直的平行光，再经滤光片(42)、积分镜(43)和场镜(44)作用后变成准均匀准直平行光。
3、根据权利要求1中所述的基于光子筛的激光直写光刻***，其特征在于：所述的光子筛(6)的结构为：由透明的基底(61)和不透明的金属层(62)组成，在不透明的金属层(62)上刻蚀有直径不同的多个小孔(63)。
4、根据权利要求1中所述的基于光子筛的激光直写光刻***，其特征在于：所述的光子筛(6)是振幅型光子筛，或位相型光子筛。
5、根据权利要求1中所述的基于光子筛的激光直写光刻***，其特征在于：所述的曝光光源(1)为i线、或g线，或更短波长的EUV和X射线。
6、根据权利要求1中所述的基于光子筛的激光直写光刻***，其特征在于：所述的光刻胶是根据曝光光源的波长范围进行选取的，对于i线曝光光源，选择薄胶ARP-3170、厚胶SU-8或AZ5214。
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