CN101470354B - 提高无掩模光刻的分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高无掩模光刻的分辨率的方法，用于以一聚焦元件阵列聚焦一图案化的光束阵列，而在被曝光元件上形成由多个二维分布为h(x，y)的光斑组成的光刻图案，其中，该方法是使该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间沿第一方向和第二方向相对步进移动，依次曝光形成多组像素，其中每次移动的步长小于各聚焦元件所形成的光斑的直径，以使各像素点上由一个以上的光斑相互重叠而形成的光强分布中，光强大于一曝光临界值的曝光像素图案形成一个所述的像素。由此可以在聚焦元件分辨率受限时获得更高的光刻分辨率。

Description

提高无掩模光刻的分辨率的方法

技术领域

本发明涉及一种无掩模光刻技术，尤其涉及提高无掩模光刻的分辨率的方法。

背景技术

在传统的投影式光刻技术(projection optical lithography)中，掩模上的图案通过一个光学系统缩小若干倍(通常为4-10倍)，并投影到光刻胶(photoresist)上。然后经过显影(development)即可在光刻胶上得到缩小的掩模图案。

随着半导体技术的发展，集成电路(Integrated Circuits，简称IC)的特征尺寸日益缩小，传统光刻面临着越来越大的挑战，其中之一是掩模的费用和制造时间。一套用于90nm集成电路的掩模价格高达1百万美元，制造周期长达3个月，而且有比例高达70％可能是不能使用的。对于小批量的IC生产(如定制集成电路，ASIC)来说，掩模的费用和周期越来越无法承受。

纳米技术的发展也对光刻有着广泛的需求，因为光刻是获得纳米量级的材料和系统的主要手段。但昂贵而耗时的掩模使得深亚微米光刻几乎无法用于纳米技术。

因此，近年来提出的无掩模光刻(Maskless Lithography)(又称直接写入技术)技术提供了解决这些问题的方案。

一种无掩模光刻的基本流程如下：

1)在计算机控制下，产生一组微型光束。光束的产生方法可以有多种，比如说：把光发射向一个微型反射镜阵列，每个微型反射镜可以“开”或“关”，从而形成多个宽度在微米左右的光束。每个微型光束也可以是由几个反射镜形成的。这几个反射镜同时开或关。当每个微型光束由几个反射镜形成的时候，可以减少由反射镜的反射率和开关速度的差异带来的微型光束的不稳定。

把光发射向一个微型液晶阵列。每个液晶点可以单独被电压控制从而透光或不透光，从而形成多个宽度在微米左右的光束。每个微型光束也可以是由几个液晶点一起形成的。这几个液晶点同时开或关。当每个微型光束由几个液晶点控制的时候，可以减少由液晶点的透射率和开关速度的差异带来的微型光束的不稳定。

2)每个微型光束被一个为微透镜聚焦，投影到基片表面的光刻胶上。光束的宽度由微透镜控制。被光束曝光的区域就成了亮像素(pixel)，未被曝光的区域即为暗像素。

3)在计算机控制下，微型光束阵列中的每一个光束被不断“开”或“关”，并同步移动基片，即可用亮和暗的像素组成所需的任何图案(pattern)。

类似地，美国专利文献US 2005/0181314公开了一种以微透镜阵列(如波带片)来聚焦光束，在基片上形成光斑图案的方法和系统。

在无掩模光刻中，像素分辨率的大小取决于各微透镜所聚焦形成的光斑大小。由于目前微透镜聚焦形成的光斑直径仍达到几百纳米，因此无掩模光刻的分辨率无法有效提高，受制于此，由此制作的半导体器件的特征尺寸仍然较高，无法满足日益提高的集成度要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以提高无掩模光刻的分辨率的方法。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种提高无掩模光刻的分辨率的方法，该方法包括使该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间沿第一方向和第二方向相对步进移动，依次曝光形成多组像素，其中每次移动的步长小于各聚焦元件所形成的光斑的直径，以使各像素点上由一个以上的光斑相互重叠而形成的光强分布中，光强大于一曝光临界值的曝光像素图案形成一个所述的像素。

在上述的提高无掩模光刻的分辨率的方法中，各像素点(x，y)上的光强分布为：

$f(x,y)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{jk}}h(x-\mathrm{j\Δl},y-\mathrm{k\Δl}),$ 其中a_jk是中心为(jΔl，kΔl)的曝光点上的光斑强度，Δl为移动步长，j为第一方向x上的步进次数，k为第二方向y上的步进次数；

而曝光像素图案为：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)\&GreaterEqual;T\\ 0& f(x,y)<T\end{array}\right.,$ 其中T为曝光临界值。

在上述的方法中，还可包括使该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间相对移动而曝光的同时，调制该光束阵列的曝光剂量，以改变各曝光点上的光斑强度a_jk。其中，可以使该光斑强度a_jk为一常数。较佳地是，在进行该曝光前，通过使该曝光像素图案g(x，y)与一需要的图案t(x，y)之间的误差最小化来优化该光斑强度。

在上述的方法中，还包括在进行该曝光前，依据该光刻图案产生一由各曝光点上的光斑强度和曝光点之间的步长所定义的曝光矩阵，以根据该曝光矩阵进行该曝光过程。

在上述的提高无掩模光刻的分辨率的方法中，该被曝光元件例如是半导体基片，其上涂覆有光刻胶。

在上述的提高无掩模光刻的分辨率的方法中，以该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间相对步进移动的步骤例如是以如下的方式：使承载该被曝光元件的可移动平台相对该聚焦元件阵列步进移动。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有的无掩模光刻技术相比，在聚焦元件的分辨率受限的情况下，仍可获得更高的分辨率，因此能够制作更为精细的半导体器件和其他纳米器件。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是依照本发明一实施例的无掩模光刻系统框图。

图2是依照本发明一实施例的作为聚焦元件的纳米透镜示意图。

图3是图2所示纳米透镜的剖面图。

图4是纳米透镜的光强分布图。

图5是本发明一个实施例的曝光矩阵的曝光结果图。

图6是图5所示曝光矩阵形成的曝光图案。

具体实施方式

在以下的说明中，“像素点”一词是指形成实际所需的曝光像素的点，“曝光点”是指以纳米级的光束聚焦而形成的点。应当指出的是，本发明的背景中，“点”是占据了一定的二维分布的区域。

首先请参照图1所示，根据本发明一个实施例的无掩模光刻系统结构如下。一个提供曝光所用光100的光源(图未示)，此曝光光例如是紫外光或激光。一个微型反射镜阵列110，其上有多个反射方向可控的微型反射镜112，每个微型反射镜112可通过改变其反射方向以选择是否将光源照射的光束反射至光学投影装置120，即进行“开”和“关”的控制，以形成宽度在微米左右的微型光束102。因而整个阵列110所反射的光形成图案化的光束阵列。光学投影装置120使图案化光束阵列形成投向半导体基片150上的光刻胶140的投影光104。由大量纳米透镜130组成的聚焦阵列聚焦这些投影光束以形成纳米光束106，并于光刻胶140上进行曝光。根据不同的结构，纳米光束的宽度可以从几十nm到几千nm。被纳米光束曝光的区域就成了亮像素，而未被曝光的区域即为暗像素。

涂覆光刻胶140的半导体基片150放置于移动平台160上，此移动平台连接于一控制装置170，此控制装置一方面根据其中储存的光刻图案产生驱动微型反射镜阵列开或关以产生图案化光束阵列的驱动信号172；另一方面，控制装置170还同步地输出移动信号174，使移动平台160移动以改变曝光区域。在曝光一组像素以后，载有基片150的移动平台160把基片移动到另一个位置，曝光一组新的像素。这个位移称为“步长”(step)。本发明的提高无掩模光刻的分辨率的方法就是通过改变移动的步长，并结合曝光剂量的调整来提高光刻的分辨率的，以下将详细描述本发明的方法。

在曝光中，光刻胶140上形成的图案的每一个像素都是由聚焦元件所聚焦的光斑所产生的。由于光学系统的不理想和光本身的波长限制，光斑并非理想的点，而是一个有3维分布的场。其中影响形成图案的主要是光强的二维分布，假设每一个光斑在成像平面上的二维分布为h(x，y)，再假设曝光的步长为Δl。曝光后的各像素点位置上的光强分布为：

$f(x,y)=\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_{\mathrm{jk}}h(x-\mathrm{j\&Delta;l},y-\mathrm{k\&Delta;l}).$

其中a_jk是中心为(jΔl，kΔl)的曝光点上的光斑强度，Δl为移动步长，j为第一方向x上的步进次数，k为第二方向y上的步进次数。值得指出的是，并非每一曝光点对应一个像素点，而往往是多个曝光的光斑共同作用于一个像素点的区域而形成像素图案。

曝光所生成的像素图案为：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f(x,y)\&GreaterEqual;T\\ 0& f(x,y)<T\end{array}\right..$

其中T是一个预先设定的曝光临界值。当某一点的光强大于T的时候，该点为亮像素，否则为暗像素。在对光刻胶曝光的情况下，如果光刻胶为正胶，亮像素被洗掉，暗像素保留；如光刻胶为负胶，亮像素被保留，暗像素被洗掉。

如果需要生成的图案为t(x，y)，在某些像素点处，t(x，y)＝0，意味着该像素点为暗像素；在其他像素点处，t(x，y)＝1，意味着该点为亮像素。

光刻的目标是选择适当的a_jk和Δl，使得曝光的像素图案g(x，y)尽量接近所需的设计图案t(x，y)。

当步长Δl小于聚焦的光斑(其近似为圆形)的直径时，多次曝光所形成的光斑会在某些区域重叠(其尺寸可以小于光斑的直径)，因而这些区域的光强会大于其他未有多次曝光重叠的区域的光强，如果选择曝光临界值是多次曝光强度的叠加，那么意味着只在重叠区域中产生亮像素，从而所获得的像素尺寸将能小于光斑的直径。因此，本发明的一个方面，即选择选择尽量小的Δl，从而提高分辨率。一般来说，Δl越小，分辨率越高。但Δl也不宜太小，太小的Δl会使得曝光所需的扫描时间过长。

另一方面，如上所述，选取合适的a_jk使得g(x，y)尽量接近t(x，y)，曝光点上的光斑强度a_jk是通过改变纳米光束106的曝光剂量来达到的。a_jk的计算可以转化为一个优化问题。例如，我们可以定义曝光图案g(x，y)与所生成的图案的t(x，y)之间的误差为：

$\mathrm{err}=\underset{x,y}{\&Integral;}|g(x,y)-t(x,y)|\mathrm{dxdy},$ 或 $\mathrm{err}\underset{x,y}{\&Integral;}{|g(x,y)-t(x,y)|}^2\mathrm{dxdy},$ 或其他类似的函数，然后用优化算法搜索a_jk以最小化err。

在最简单的情况下，可以令所有的a_jk＝a₀为一个常数。也就是说，所有的光斑的强度都一样。

如果这种简单调制不能满足需要，一个优化方法是局部调整。如果某像素点(x，y)处g(x，y)≠t(x，y)，则改变该像素点附近的曝光点的光斑强度a_jk，使得g(x，y)＝t(x，y)。

此外，还可以采用多个z-平面曝光技术：该技术可以提高光刻工艺的稳定性，也就是说，在光强和移动等控制变量存在误差的情况下，能使光刻生成的图案尽量接近设计图案。该技术除了在x和y方向步进以外，还在z方向步进曝光。首先如纳米透镜的聚焦元件与光刻胶的距离(即工作距离)设置为z₀，然后进行x和y方向的步进。然后工作距离设置为z₁，再进行x和y方向的扫描。再改变工作距离为z₂，以此类推。

下面以一个实际的例子来说明上述的步进和光强控制。

例如，考虑一个作为聚焦元件的纳米透镜130，其俯视图如图2所示，剖视图如图3所示。它由一个玻璃基底131和溅射在基底上的一层120纳米厚的钛薄膜132组成。在薄膜中开了一个圆环133，圆环内径r为6微米，宽度为200纳米。

为方便起见，设钛薄膜表面为z＝0平面，z轴为垂直于透镜130的光轴。圆环133的圆心为坐标系的原点(x，y，z)＝(0，0，0)。当波长为405纳米的平行光从玻璃基底131的背面入射的时候，该纳米透镜在z＝9μm的平面上所成的光场分布如图4所示。该光场在中心(x，y，z)＝(0，0，9)μm处场强最大，向外逐渐衰减。除了主瓣以外，还有若干逐渐衰减的旁瓣。主瓣的宽度(FWHM，full-width-t-half-maximum)为320纳米。

使用该纳米透镜直接书写的时候，系统框图如图1所示。选择纳米透镜到光刻胶之间的距离(工作距离)为9微米。如果要写宽度为200纳米(小于光场主瓣宽度320纳米)，间距也为200纳米的4条平行直线，可以选取曝光步长Δl为100纳米，曝光矩阵A为：

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

1  0.5  0  0  1  1  0  0  1  0.5  0  0  1  0.5  0  0

其中各点表示曝光点。设起始曝光点为(x′，y′)＝(0，0)，由矩阵A可见，在第一行，a₁₁＝1，在起始曝光点处曝光剂量为1；a₁₂＝0.5，表示在x′方向移动一个步长Δl(这里为100纳米)，然后曝光剂量为0.5；a₁₃＝0，表示在x′方向再移动一个步长，曝光剂量为0；以此类推。在第1列，a₂₁＝1，表示从起始点出发，在y′方向移动一个步长Δl，曝光剂量为1；a₃₁＝1，表示在y′方向再移动一个步长，曝光剂量为1；以此类推。

使用该曝光方案的曝光结果如图6所示，图6是由多个图4所示的光场叠加而成的。中间最亮的4条线是想要写入的，对应上述矩阵A中的数值为1和0.5的列。其他的线是由光场的旁瓣叠加产生的。取曝光临界值T为最大光强的96％，则曝光的图案如图6所示，其中高于曝光临界值的认为是亮像素，反之是暗像素。由图6可见最后曝光了4条线，其长度，宽度和间距都符合的要求。

因此当确定了上述的由各曝光点的曝光剂量和曝光点之间的间距(步长Δl)所定义的曝光矩阵A之后，就可以利用图1所示的无掩模光刻系统进行步进和曝光，以形成所需的光刻图案。一般来说，曝光矩阵的计算应在光刻之前根据所需的光刻图案来生成，以优化光刻的整体结果。

本发明的方法可以用于各种使用聚焦元件，如波带片、纳米透镜的无掩模光刻系统中，本发明所加工的对象包括但不限于半导体器件和纳米器件。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种提高无掩模光刻的分辨率的方法，用于以一聚焦元件阵列聚焦一图案化的光束阵列，而在被曝光元件上形成由多个二维分布为h(x，y)的光斑组成的光刻图案，其特征在于，该方法包括：

使该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间沿第一方向和第二方向相对步进移动，依次曝光形成多组像素，其中每次移动的步长小于各聚焦元件所形成的光斑的直径，以使各像素点上由一个以上的光斑相互重叠而形成的光强分布中，光强大于一曝光临界值的曝光像素图案形成一个所述的像素，其中所述各像素点(x，y)上的光强分布为：

$f(x,y)=\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_{\mathrm{jk}}h(x-\mathrm{j\&Delta;l},y-\mathrm{k\&Delta;l}),$

其中a_jk是中心为(jΔl，kΔl)的曝光点上的光斑强度，Δl为移动步长，j为第一方向x上的步进次数，k为第二方向y上的步进次数；所述曝光像素图案为：

并且使该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间相对移动而曝光的同时，调制该光束阵列的曝光剂量，以改变各曝光点上的光斑强度a_jk，其中该光斑强度a_jk是在进行曝光前通过使该曝光像素图案g(x，y)与一需要的图案t(x，y)之间的误差最小化来进行优化计算。

2.如权利要求1所述的提高无掩模光刻的分辨率的方法，其特征在于，还包括在进行该曝光前，依据该光刻图案产生一由各曝光点上的光斑强度和曝光点之间的步长所定义的曝光矩阵，以根据该曝光矩阵进行该曝光过程。

3.如权利要求1所述的提高无掩模光刻的分辨率的方法，其特征在于，该被曝光元件是半导体基片，其上涂覆有光刻胶。

4.如权利要求1所述的提高无掩模光刻的分辨率的方法，其特征在于，以该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间相对步进移动的步骤包括，使承载该被曝光元件的可移动平台相对该聚焦元件阵列步进移动。

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