CN101446777B - 一种超分辨i线光刻装置 - Google Patents

Abstract

一种超分辨i线光刻装置，包含分离式曝光系统、自净化空气过滤系统以及气控弹性掩膜变形系统；曝光系统采用i线汞灯光源，且光源与匀光照明系统分离，两部分间光能传输通过光纤实现；气控弹性掩膜变形系统中，通过微气泵来改变气压大小使弹性掩膜发生变形，掩膜与芯片的紧密贴合通过控制弹性掩膜变形量的大小得以实现，从而可以得到超分辨光刻分辨力；自净化空气过滤系统，通过装置壳体顶部的空气过滤器循环过滤实现装置内部工作环境达到超净要求；通过包含上述系统的装置，实现在汞灯光源i线紫外光波长下突破一百纳米的超分辨近场光刻功能；该装置光刻分辨力高，结构简单，成本低，操作方便，对环境要求较低，适用于多种纳米结构加工领域。

Description

一种超分辨i线光刻装置

技术领域

本发明属于纳米结构加工领域，涉及一种带有自净化空气过滤系统的超分辨i线光刻装置。

技术背景

光刻装置是一种用于微细结构复制加工的高精密设备。随着半导体电子工业的不断发展，芯片上加工图形的集成度也越来越高。传统的光刻装置由于存在衍射极限的限制，要想提高其光刻分辨率就必须提高光刻的数值孔径或采用波长更短的光刻光源。浸没式光刻装置和极紫外光刻装置都能实现100纳米以下光刻分辨率要求，但是它们都有着极为苛刻的技术要求，因此也有着昂贵的价格，很难得到普及。超分辨光刻技术是近几年发展起来的一种新型的光刻技术，它利用结构图形表面激发的倏逝波来对光刻胶进行感光的，由于倏逝波波长比照明光波长要短得多，所以能突破传统光刻存在衍射极限的问题，实现远小于波长的超分辨光刻分辨率。但由于倏逝波传播的距离很短(一百个纳米以下)，这就要求掩膜和基片必须紧密贴合(小于几十个纳米)，这需要特殊的精密机械装置实现，对掩模和基片的表面平整度也有很高要求。另外，纳米级结构图形光刻对光刻环境要求很高，空气中的很小颗粒的尘埃也会对光刻图形质量有很大影响，需要对光刻空气环境高效净化处理。现有i线或g线投影光刻装置，掩模与基片分离，无法利用倏逝波进行光刻胶感光，其分辨力一般在五百纳米以上，且需要放置在超净室内工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足和传统光刻设备中的分辨力限制，提供一种能够实现掩膜与基片完全贴合，具有自净化式高效空气净化系统、可突破百纳米分辨力的超分辨i线光刻装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种超分辨i线光刻装置，包括对准系统，基片台系统以及隔振系统，其特征在于：还包括分离式曝光系统，自净化空气过滤系统和气控弹性掩膜变形系统；

所述的气控弹性掩膜变形系统包括微型气泵，微型真空泵，掩膜吸附架，螺旋微调结构，自调平机构，弹性掩膜，基片，基片台；微型真空泵工作，将弹性掩膜周边真空，从而掩模被吸附于掩膜吸附架上；通过掩膜吸附架上的螺旋微调结构调整好弹性掩膜下表面与微调结构下表面之间的间隙，约45-50微米；调整基片台，将基片升起，通过自调平机构使基片与螺旋微调结构下表面贴合；这样基片上表面与弹性掩膜下表面之间的间隙就等于之前调好的距离；避免了基片与弹性掩膜直接接触由于接触力过大对弹性掩膜造成的破坏，通过微型气泵调整掩膜吸附架内部气压，使弹性掩膜发生弹性变形，达到掩膜与基片的完全贴合。

所述的分离式曝光系统包括了光源部分和匀光照明系统部分，光源采用i线汞灯光源；它们之间用光纤实现光能传输。首先将汞灯光源放置在椭球镜一个焦点上，利用椭球镜将汞灯光能集中到另一个焦点上；焦点位置上放置冷光反射镜，反射光通过光纤输送到光刻装置内部匀光照明系统部分；通过准直物镜，光栏，紫外窄带滤光片，蝇眼积分透镜，第一场镜，反射镜，第二场镜作用后，出射光即为光刻所需的均匀照明。

所述的自净化空气过滤系统包括空气过滤器、进风口、光刻装置工作区内部、光刻装置壳体、出风口；自带的空气过滤器包含了初效，中效，高效以及超高效过滤网，进风风量控制器；外部空气经过多级过滤器过滤后经过壳体顶部的进风口送入光刻装置工作区内部，光刻装置壳体的底部出风口将壳体内部空气排出，调整进风量和出风量，使壳体内部始终保持正压，这样外部未被净化的空气就无法进入壳体，通过不断的空气循环就能使光刻装置壳体内部环境达到很高的技术指标。

所述的气控弹性掩膜变形系统中的所述掩膜吸附架采用中空结构，所述微型真空泵吸附所述弹性掩膜周边部分，所述微型气泵来控制所述掩膜吸附架内部气压变化，使所述弹性掩膜中心部分发生弹性变形，所述螺旋微调结构进行距离调整。

本发明与现有光刻装置相比所具有的优点是：

1、本发明的光刻装置通过采用超薄的弹性掩膜，通过控制弹性掩膜的变形来实现掩膜与基片的紧密贴合。这样很好地克服了由于基片或者掩膜表面本身的不平整带来的贴合不紧密或者只能实现部分紧密贴合的问题，为大面积超分辨光刻的实现找到了很好的解决途径；

2、采用超分辨的倏逝波光刻技术，分辨力突破波长限制。在i线汞灯光源照明下，波长365纳米，由于掩模图形与基片紧密贴合，携带超分辨信息但作用距离很短的倏逝波成份可以参与光刻，分辨力可突破100纳米。

3、本发明的光刻装置通过精密螺旋机构和自适应调平机构保证了掩膜与基片之间相互平行关系，并且可以精密控制掩膜与基片之间的距离，有效避免了操作过程中可能对超薄弹性掩膜造成的损坏。

4、本发明的光刻装置通过采用自带的空气净化系统来提高光刻装置内部工作环境，不仅使该光刻装置不需要在超净间的环境下就可以工作，还实现了在常压下直接提高光刻装置内部工作环境，大大简化光刻过程，并可以随时对光刻过程进行操控；

5、本发明的光刻装置通过采用的是分离式的曝光系统，不仅有效减小了光刻装置主体尺寸，还有效隔离了光源部分带来的热，震动等影响；

附图说明

图1为超分辨i线光刻装置系统结构图；

图2为分离式曝光系统结构图；

图3为空气自净化系统结构图；

图4为气控弹性掩膜与基片贴合工作原理图；

图中：1为分离式曝光系统，2为自净化空气过滤系统，3为气控弹性掩膜变形系统，4为对准系统，5为基片台系统，6为隔振系统，7为汞灯光源，8为椭球镜，9为冷光反射镜，10为光纤，11为准直物镜，12为光栏，13为紫外窄带滤光片，14为蝇眼积分透镜，15为第一场镜，16为反射镜，17为第二场镜，18为空气过滤器，19为进风口，20为光刻装置工作区内部，21为光刻装置壳体，22为出风口，23为微型气泵，24为微型真空泵，25为掩膜吸附架，26为螺旋微调结构，27为自调平机构，28为弹性掩膜，29为基片，30为基片台。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施实例对领域内的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

如图1所示，本实例的超分辨i线光刻装置包含以下各系统：分离式曝光系统1，自净化空气过滤系统2，气控弹性掩膜变形系统3，对准系统4，基片台系统5以及隔振系统6。

各系统功能如下：

分离式曝光系统：为近场光刻过程提供365纳米波长的i线汞灯紫外光源；

自净化空气过滤系统：将光刻装置内部的工作环境达到要求的技术指标；

气控弹性掩膜变形系统：控制弹性掩膜变形，使其与能够与基片完全贴合；

对准系统；为实现分布重复光刻提供参照；

基片台系统：承载基片，分布重复光刻时移动基片，调整基片与掩膜之间位置关系，调平基片；

隔振系统：隔离系统外部震动。

系统工作流程：

1，开启并调整好曝光光源，得到稳定的曝光光束，具体工作原理如图2所示，开启自净化空气过滤系统，工作一段时间后，使光刻装置内部环境达到要求的技术水平，具体工作原理如图3所示。

2，将处理好的基片与掩膜安装到基片台和掩膜吸附架上，将对准系统移动到掩膜架上方，通过对准系统得到的信息对基片台位置进行调整，使掩膜与基片调整到要求的位置。控制微型气泵，调整掩膜吸附架内部气压，使弹性掩膜发生弹性变形，达到掩膜与基片的完全贴合，具体工作原理如图4所示；

3，移开对准系统，用曝光光束对已经紧密贴合的掩膜与基片进行曝光；

4，重复2，3步骤，即可对基片实现分步对准曝光了。

如图2所示为分离式曝光系统1结构图：曝光系统包括了光源部分(一)和匀光系统部分(二)；它们之间用光纤10实现光能传输；光源部分(一)包括汞灯光源7、椭球镜8、冷光反射镜9；匀光系统部分(二)包括准直物镜11、光栏12，紫外窄带滤光片13，蝇眼积分透镜14，第一场镜15，反射镜16，第二场镜17；首先将汞灯光源7放置在椭球镜8一个焦点上，利用椭球镜将汞灯光能集中到另一个焦点上；其上放置冷光反射镜9，反射光通过光纤输送到光刻装置内部匀光系统部分(二)；匀光系统通过将输入的光线经过准直物镜11，光栏12，紫外窄带滤光片13，蝇眼积分透镜14，第一场镜15，反射镜16，第二场镜17作用后出射光即为光刻所需的光源。本发明的分离式曝光系统有以下两个优点：其一是匀光系统体积小，可以有效减小光刻装置内部空间体积，有利于更有效的实现空气净化；其二是可以隔离光源部分震动和产生的热量对光刻过程的影响。

如图3所示为自净化系统结构图：自净化空气过滤系统2包括空气过滤器18、进风口19、光刻装置工作区内部20、光刻装置壳体21、出风口22；自带的空气过滤器18包含了初效，中效，高效以及超高效过滤网，进风风量控制器。外部空气经过多级过滤器过滤后经过壳体顶部的进风口19送入光刻装置工作区内部20，光刻装置壳体21的底部出风口22将壳体内部空气排出。调整进风量和出风量，使壳体内部始终保持正压，这样外部未被净化的空气就无法进入壳体，通过不断的空气循环就能使光刻装置壳体内部环境达到很高的技术指标。

如图4所示：气压控制弹性掩膜与基片贴合工作原理：气控弹性掩膜变形系统包括微型气泵23，微型真空泵24，掩膜吸附架25，螺旋微调结构26，自调平机构27，弹性掩膜28，基片29，基片台30；微型真空泵24工作，使弹性掩膜28周边真空吸附于掩膜吸附架25上，掩膜吸附架25采用中空结构，用一个微型空气泵23来控制吸附架内部气压变化；通过掩膜吸附架25上的螺旋微调结构26调整好弹性掩膜28下表面与螺旋微调结构26下表面之间的间隙45-50微米，调整基片台30，将基片29升起，通过自调平机构27使基片29与螺旋微调结构26下表面贴合，这样基片29上表面与弹性掩膜28下表面之间的间隙就等于之前调好的距离，避免了基片29与弹性掩膜28直接接触由于接触力过大对弹性掩膜28造成的破坏，通过微型气泵23调整掩膜吸附架25内部气压，使弹性掩膜28发生弹性变形，达到弹性掩膜28与基片29的完全贴合。

Claims (4)

1.一种超分辨i线光刻装置，包括对准系统(4)，基片台系统(5)以及隔振系统(6)，其特征在于：还包括分离式曝光系统(1)，自净化空气过滤系统(2)和气控弹性掩膜变形系统(3)；

所述的气控弹性掩膜变形系统(3)包括微型气泵(23)，微型真空泵(24)，掩膜吸附架(25)，螺旋微调结构(26)，自调平机构(27)，弹性掩膜(28)，基片(29)，基片台(30)；微型真空泵(24)工作，将弹性掩膜(28)周边真空，从而掩模被吸附于掩膜吸附架(25)上；通过掩膜吸附架(25)上的螺旋微调结构(26)调整好弹性掩膜(28)下表面与微调结构(26)下表面之间的间隙，约45-50微米；调整基片台(30)，将基片(29)升起，通过自调平机构(27)使基片(29)与螺旋微调结构(26)下表面贴合；这样基片(29)上表面与弹性掩膜(28)下表面之间的间隙就等于之前调好的距离；避免了基片(29)与弹性掩膜(28)直接接触由于接触力过大对弹性掩膜(28)造成的破坏，通过微型气泵(23)调整掩膜吸附架(25)内部气压，使弹性掩膜(28)发生弹性变形，达到掩膜(28)与基片(29)的完全贴合。

2.根据权利要求1所述的一种超分辨i线光刻装置，其特征在于：所述的分离式曝光系统(1)包括了光源部分和匀光照明系统部分，光源采用i线汞灯光源；它们之间用光纤(10)实现光能传输。首先将汞灯光源(7)放置在椭球镜(8)一个焦点上，利用椭球镜将汞灯光能集中到另一个焦点上；焦点位置上放置冷光反射镜(9)，反射光通过光纤输送到光刻装置内部匀光照明系统部分；通过准直物镜(11)，光栏(12)，紫外窄带滤光片(13)，蝇眼积分透镜(14)，第一场镜(15)，反射镜(16)，第二场镜(17)作用后，出射光即为光刻所需的均匀照明。

3.根据权利要求1所述的一种超分辨i线光刻装置，其特征在于：所述的自净化空气过滤系统(2)包括空气过滤器(18)、进风口(19)、光刻装置工作区内部(20)、光刻装置壳体(21)、出风口(22)；自带的空气过滤器(18)包含了初效，中效，高效以及超高效过滤网，进风风量控制器；外部空气经过多级过滤器过滤后经过壳体顶部的进风口(19)送入光刻装置工作区内部(20)，光刻装置壳体(21)的底部出风口(22)将壳体内部空气排出，调整进风量和出风量，使壳体内部始终保持正压，这样外部未被净化的空气就无法进入壳体，通过不断的空气循环就能使光刻装置壳体内部环境达到很高的技术指标。

4.根据权利要求1所述的一种超分辨i线光刻装置，其特征在于：所述的气控弹性掩膜变形系统(3)中的所述掩膜吸附架(25)采用中空结构，所述微型真空泵(24)吸附所述弹性掩膜(28)周边部分，所述微型气泵(23)控制所述掩膜吸附架(25)内部气压变化，使所述弹性掩膜(28)中心部分发生弹性变形，所述螺旋微调结构(26)进行距离调整。

Images