CN101794070A - 一种用于缩小投影超分辨成像器件和光刻方法 - Google Patents

Abstract

一种用于缩小投影超分辨成像的器件和光刻方法。器件主要结构特征为多层交替叠加的金属和介质薄膜，薄膜界面为特殊设计的曲面。在薄膜结构最外层掩模物信息以一定缩小倍率成像传递到另外一侧最外层表面，该表面外为光刻胶，实现缩小投影超分辨成像光刻。或者通过投影光学系统将掩模图形投影成像到超分辨成像器件的物平面上，再以一定缩小倍率成像传递到器件另外一侧最外层表面，该表面外为光刻胶，实现缩小投影超分辨成像光刻。

Description

一种用于缩小投影超分辨成像器件和光刻方法

技术领域

本发明属于光学光刻加工技术领域，涉及一种用于缩小投影超分辨成像的器件和光刻方法。

技术背景

为满足集成电路对更小线宽的不断追求，各种新型的纳米加工技术被不断的探索与研究。传统光刻技术在很大程度上通过缩短光源波长获得更高的加工分辨力，例如193nm浸没光刻技术、极紫外光刻技术，但带来的问题是光源系统、投影光学系统异常复杂，成本高昂，与传统光刻技术兼容性差。

近场光刻技术是利用传统光刻汞灯光源，实现纳米尺度分辨力的一种简单、成本低廉、高效的超分辨光刻技术。但存在的技术困难之一为纳米尺度掩模图形加工问题。这是由于光刻胶图形与近场光刻掩模图形是1∶1的成像关系，而传统投影光刻中一般为1/4的缩小成像关系。因此加工同样的光刻图形，近场光刻掩模图形线宽比投影光刻掩模图形线宽小4倍。因此，在近场光刻技术中纳米掩模图形加工难度大、成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有近场光刻技术中纳米图形掩模加工难度大，而193nm光刻技术和极紫外光刻技术光源系统、投影系统复杂、成本高昂的问题，提供一种实现纳米尺度光刻分辨力、采用传统汞灯光源、光刻图形与掩模图形为缩小倍率关系的超分辨成像光刻器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用一种由特殊弯曲面形分布的多层金属介质交替薄膜构成的超分辨成像器件，器件的上下最外层分别为物平面和像平面。在该器件物平面引入掩模图形，紫外光照明掩模图形，激发多层金属和介质薄膜结构中的表面等离子体，实现携带掩模图形信息的光场，沿着垂直于薄膜曲面面形特殊弯曲连线向器件另外一侧传递，并以一定缩小倍率成像方式传递到达像平面。像平面外的光刻胶材料感光，实现缩小投影超分辨成像光刻。或者通过投影光学系统将掩模图形投影成像到超分辨成像器件的物平面上，激发多层金属和介质薄膜结构中的表面等离子体，实现携带掩模图形信息的光波，沿着垂直于薄膜曲面面形的特殊弯曲连线向器件另外一侧传递，并以一定缩小倍率成像方式传递到像平面。像平面外的光刻胶材料感光，实现缩小投影超分辨成像光刻。

本发明提出的实现缩小投影光刻的超分辨成像器件具有以下结构特征：

1、成像器件的物平面和像平面为相互平行的两平面，物平面和像平面有效范围为半径分别为R和r的圆，R＞r，二个圆心的连线与两平面垂直，为成像器件的中心旋转对称轴；所述物平面和像平面之间为交替叠加在一起、具有特殊曲面形状、中心旋转轴对称的多层金属薄膜和介质薄膜；该交替薄膜结构的两侧最外层薄膜表面是成像器件的物平面和像平面。

2、所述多层金属薄膜与介质薄膜结构的所有相邻薄膜交界面与一簇特定曲线垂直。该特定曲线簇是中心对称轴截面上物平面上的若干抽样物点到对应像平面的像点的特殊弯曲连线，具体定义如下。

在中心对称轴截面与物平面的交界线上，以物平面的圆心为坐标中心，建立从-R到+R的物平面抽样坐标。在同一中心对称轴截面与像平面的交界线上，以像平面的圆心为坐标中心，建立从-r到+r的物平面抽样坐标。以物平面和像平面的中心对称轴中间位置点为坐标中心，建立对称轴的坐标。从-R到+R的区间范围，等间隔抽样N个点，它们的坐标为以物平面圆心为中心，标识为xi，i的取值范围为1到N的抽样序号，xi＝-R+2*R/(N-1)*(i-1)。在中心对称轴截面与像平面的交界线上，以像平面的圆心为坐标中心，从-r到+r的区间范围，同样等间隔抽样N个点，它们的坐标为以像平面圆心为中心，标识为yi，i的取值范围为1到N，N为整数，yi＝-r+2*r/(N-1)*(i-1)。以上抽样物点xi到对应像平面像点的坐标为yi，二者比值为器件的成像缩放倍率M，即yi/xi＝M，M＜1。上述一簇特定曲线为所有对应物平面抽样点与对应像平面像点两点之间的特殊弯曲连线。该特殊弯曲连线定义为在区间[-0.5*H，0.5*H]上由四变量映射函数的三次厄米特插值多项式，即Cubic Hermite InterpolatingPolynomial，定义的函数曲线，其中四变量映射函数为[-0.6*H，-0.5*H，0.5*H，0.6*H]到[xi，xi，yi，yi]的映射。其中，H为物平面与像平面之间的距离。在以上定义的曲线簇之外，金属薄膜与介质薄膜的交界面与超分辨成像器件的物平面和像平面平行。

3、所述中心轴对称处的所有金属薄膜和介质的薄膜厚度相等，厚度选择范围为5nm到50nm。抽样点N的选择为保证由曲线簇定义的多层金属薄膜与介质薄膜的所有交界面足够光滑，其最小取值满足2*R/(N-1)＜100nm。

4、所述交替叠加在一起的所有金属薄膜和介质薄膜的介电常数的实部数值的绝对值大小相近，差异不超过10％，符号相反。

5、所述金属薄膜材料为：Au，Ag，Pt，Al，Ni或W。

6、所述介质薄膜材料为SiO2，GaN，Al2O3，Si或Ge。

利用上述缩小投影光刻的超分辨成像器件实现光刻的两种方法为

1、第一种方法。将所述超分辨成像器件直接加工在紫外光透明基片上，像平面一侧在外，所述超分辨成像器件放置在涂有光刻胶的基片上，光刻胶表面与所述超分辨成像器件的像平面重合，掩模图形为光刻胶目标图形整体放大1/(M*N)倍，光刻时利用传统投影光刻系统，将掩模图形以缩放倍率N投影到超分辨成像器件的物平面上，超分辨成像器件以缩放倍率M将图形进一步成像在光刻胶表面，从而实现缩小投影成像光刻。

2、第二种方法。首先在紫外光透明基底上加工金属掩模图形，掩模图形相对光刻胶图形整体放大1/M倍。然后在金属掩模上制作所述超分辨成像器件，或以紧密贴紧的方式将所述超分辨成像器件的物平面与金属掩模图形面重合，涂有光刻胶材料的基片胶表面与成像器件的像平面重合。紫外光从光刻掩模一侧照明，掩模图形经超分辨成像器件投影传递到光刻胶表面，光刻胶感光，实现缩小投影光刻。

3、上述两种光刻方法中，可以通过并列多个超分辨成像器件，所有超分辨成像器件的物平面都在一个平面上，所有像平面也都在一个平面上，从而实现大面积图形的光刻。

本发明与现有技术相比具有以下优点：与传统投影光学光刻系统相比，其分辨力受到衍射限制，无法达到二分之一波长。超分辨成像器件的分辨力突破了衍射极限，分辨力可以达到二分之一波长以下。在传统汞灯i线(波长365nm)或g线(波长436nm)照明光下，即可实现100nm以下的分辨力。与传统近场光刻技术相比，由于超分辨成像光刻器件的缩小成像作用，掩模图形尺寸为加工目标图形尺寸的M倍，大大降低掩模图形加工难度。

附图说明

图1为本发明所有实施例中的超分辨成像器件对称轴截面示意图。

图2为图1中超分辨成像器件的中心对称轴截面上，金属介质薄膜曲面与物平面到像平面的两点之间的特殊弯曲连线相互垂直的示意图。

图3为本发明实施例1中的光刻结构的示意图。

图4为本发明实施例2中的光刻结构的示意图。

图5为本发明实施例3中的光刻结构的示意图。

图6为本发明实施例4中的光刻结构的示意图。

图中1为缩小投影成像器件中交替叠加的SiO2介质膜层，2为缩小投影成像光刻器件中交替叠加的Ag膜层，3为光刻胶，4为硅基底，5为汞灯发出的i线紫外照明光，6为掩模的SiO2基底，7为Cr图形掩模，8为传统投影光刻系统的物镜示意图。

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，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1，本发明的一个典型实施例，是利用超分辨成像器件制作周期为100nm、线宽为50nm的周期线条，曝光波长为汞灯i线，波长365nm。

缩小投影成像器件结构为：

(1)如图1所示，以石英为基底，石英基底上为铬膜，铬膜上有周期为200nm，线宽100nm的4个相邻透光线条图形；铬膜图形上面为超分辨成像器件。器件物平面的圆半径为1000nm，像平面的圆半径为500nm。

(2)如图1所示，器件结构为交替出现、特定曲面形状的多层Ag和SiO2薄膜结构。Ag和SiO2在365nm波长下的介电常数分别为-2.4+0.2488i和2.25，其中i为纯虚数。

(3)如图3所示，多层Ag和SiO2薄膜结构邻近Cr掩模的膜层为SiO2，最后一层为Ag。上下最外层薄膜表面均为与基片表面平行的平面，两平面之间距离H＝360nm。Ag膜和SiO2膜总层数为18层，在膜层曲面中心对称轴位置的所有交替出现的Ag和SiO2薄膜的膜层厚度均为20nm。

(4)如图2所示，多层Ag和SiO2薄膜交界面与对称轴截面上的物平面上20个抽样物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线簇相互垂直。其中物平面抽样点到物平面圆心的距离xi，对应像平面抽样点到像平面圆心的距离yi，yi/xi＝1/2。交界面与物平面上抽样物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线为在区间[-180，180]上由四变量映射函数的三次厄米特插值多项式，即Cubic Hermite Interpolating Polynomial，定义的函数曲线。其中，四变量映射函数为[-216，-180，180，216]到[xi，xi，yi，yi]的映射。图2画出了在物平面和像平面上各自均匀排布20个点，物点和对应像点连接而成的上述函数定义的曲线。在以上定义的曲线簇之外，金属薄膜与介质薄膜的交界面与超分辨成像器件的物平面和像平面平行。

(5)如图3所示，将上述超分辨成像器件，以紧密贴紧的方式叠加在基片上光刻胶表面，器件的像平面与光刻胶表面重合。365nm波长的汞灯i线紫外光从光刻掩模一侧照明，掩模图形经超分辨成像器件以1/2倍缩放倍率传递到光刻胶表面，光刻胶感光。光刻胶显影后得到周期100nm，线宽50nm的线条。

实施例2，本发明的一个典型实施例，是利用缩小投影成像器件和传统投影光刻系统制作周期为100nm、线宽为50nm的周期线条，曝光波长为365nm。

缩小投影成像器件结构为：

(1)以石英为基底，其上为超分辨成像器件。器件物平面的圆半径为1000nm，像平面的圆半径为500nm。如图1所示，器件结构为交替出现、特定曲面形状的多层Ag和SiO2薄膜结构。Ag和SiO2在365nm波长下的介电常数分别为-2.4+0.2488i和2.25，其中i为纯虚数。上下最外层薄膜表面均为与基片表面平行的平面，两平面之间距离H＝360nm。Ag膜和SiO2膜总层数为18层，在膜层曲面对称轴位置的膜层厚度均为20nm。

(2)如图2所示，多层Ag和SiO2薄膜交界面与对称轴截面上的物平面上20个等间距抽样物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线相互垂直。其中物平面抽样点到物平面圆心的距离xi，对应像平面抽样点到像平面圆心的距离yi，yi/xi＝1/4。交界面与物平面上物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线为在区间[-180，180]上由四变量映射函数的三次厄米特插值多项式，即Cubic Hermite Interpolating Polynomial，定义的函数曲线。其中，四变量映射函数为[-216，-180，180，216]到[xi，xi，yi，yi]的映射。图2画出了在物平面和像平面上各自均匀排布20个点，物点和对应像点连接而成的上述函数定义的曲线。在以上定义的曲线簇之外，金属薄膜与介质薄膜的交界面与超分辨成像器件的物平面和像平面平行。

(3)如图4所示，周期为800nm，线宽400nm的相邻4个铬线条图形的透光掩模板放置在商业投影光刻机的掩模板位置；加工有超分辨成像器件的基片放置在涂有光刻胶的基片上，光刻胶表面与器件的像平面重合，器件的物平面位于商业投影光刻机的投影像平面上。365nm波长的汞灯i线紫外光从光刻掩模一侧照明，掩模图形以1/4倍的比例缩小投影到器件的物平面上，并通过器件进一步以1/2倍率成像到器件像平面位置，即光刻胶表面，经过曝光显影后即可得到周期100nm、线宽50nm的线条。

实施例3：本发明的一个典型实施例，是利用阵列超分辨成像器件制作周期为100nm、线宽为50nm的周期线条，曝光波长为汞灯i线，波长365nm。

阵列缩小投影成像器件结构为：

(1)如图5所示，以石英为基底，石英基底上为铬膜，铬膜上有两组周期为200nm，线宽100nm的4个相邻透光线条图形；铬膜图形上面为并排的两个相同的超分辨成像器件。器件物平面的圆半径为1000nm，像平面的圆半径为500nm，两器件的中心间距为2500nm。

(2)如图5所示，每一个超分辨成像器件结构为交替出现、特定曲面形状的多层Ag和SiO2薄膜结构。Ag和SiO2在365nm波长下的介电常数分别为-2.4+0.2488i和2.25，其中i为纯虚数。

(3)如图5所示，多层Ag和SiO2薄膜结构邻近Cr掩模的膜层为SiO2，最后一层为Ag。上下最外层薄膜表面均为与基片表面平行的平面，两平面之间距离H＝360nm。Ag膜和SiO2膜总层数为18层，在膜层曲面中心对称轴位置的所有交替出现的Ag和SiO2薄膜的膜层厚度均为20nm。

(4)如图2所示，多层Ag和SiO2薄膜交界面与对称轴截面上的物平面上20个抽样物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线相互垂直。其中物平面抽样点到物平面圆心的距离xi，对应像平面抽样点到像平面圆心的距离yi，yi/xi＝1/2。交界面与物平面上抽样物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线为在区间[-180，180]上由四变量映射函数的三次厄米特插值多项式，即Cubic Hermite Interpolating Polynomial，定义的函数曲线。其中，四变量映射函数为[-216，-180，180，216]到[xi，xi，yi，yi]的映射。图2画出了在物平面和像平面上各自均匀排布20个点，物点和对应像点连接而成的上述函数定义的曲线。在以上定义的曲线簇之外，金属薄膜与介质薄膜的交界面与超分辨成像器件的物平面和像平面平行。

(5)如图5所示，将上述阵列超分辨成像器件，以紧密贴紧的方式叠加在基片上光刻胶表面，两器件的像平面与光刻胶表面重合。365nm波长的汞灯i线紫外光从光刻掩模一侧照明，掩模图形经超分辨成像器件以1/2倍缩放倍率传递到光刻胶表面，光刻胶感光。光刻胶曝光显影后得到两组周期100nm，线宽50nm的线条。

实施例4，本发明的一个典型实施例，是利用阵列缩小投影成像器件和传统投影光刻系统制作周期为100nm、线宽为50nm的两组周期线条，曝光波长为365nm。

阵列缩小投影成像器件结构为：

(1)以石英为基底，其上为并排的两个相同结构的超分辨成像器件。器件物平面的圆半径均为1000nm，像平面的圆半径为500nm。两器件对称轴之间的距离为2500nm，如图6所示。如图1所示，器件结构为交替出现、特定曲面形状的多层Ag和SiO2薄膜结构。Ag和SiO2在365nm波长下的介电常数分别为-2.4+0.2488i和2.25，其中i为纯虚数。上下最外层薄膜表面均为与基片表面平行的平面，两平面之间距离H＝360nm。Ag膜和SiO2膜总层数为18层，在膜层曲面对称轴位置的膜层厚度均为20nm。

(2)如图2所示，每一个器件的多层Ag和SiO2薄膜交界面与对称轴截面上的物平面上20个抽样物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线相互垂直。其中物平面上物点到对应像平面像点的关系为，像平面抽样像点到像平面对称中心的距离与物平面物点到物平面对称中心的距离xi和对应yi的比值为缩放倍率1/2。交界面与物平面上物点到对应像平面像点的特殊弯曲连线为在区间[-180，180]上由四变量映射函数的三次厄米特插值多项式，即CubicHermite Interpolating Polynomial，定义的函数曲线。其中，四变量映射函数为[-216，-180，180，216]到[xi，xi，yi，yi]的映射。图2画出了在物平面和像平面上各自均匀排布20个点，物点和对应像点连接而成的上述函数定义的曲线。在以上定义的曲线簇之外，金属薄膜与介质薄膜的交界面与超分辨成像器件的物平面和像平面平行。

(3)如图6所示，两组周期为800nm，线宽400nm的相邻4个铬线条图形的透光掩模板放置在商业投影光刻机的掩模板位置；加工有两个并排的超分辨成像器件的基片放置在涂有光刻胶的基片上，光刻胶表面与器件的像平面重合，器件的物平面位于商业投影光刻机的投影像平面上。365nm波长的汞灯i线紫外光从光刻掩模一侧照明，掩模图形以1/4倍的比例缩小投影到器件的物平面上，并通过器件进一步以1/2倍率缩小成像到器件像平面位置，即光刻胶表面，经过曝光显影后即可得到两组周期100nm、线宽50nm的线条。

Claims (9)

1.一种用于缩小成像光刻的超分辨成像器件，其特征在于：所述成像器件的物平面和像平面为相互平行的两平面，物平面和像平面有效范围为半径分别为R和r的圆，R＞r，二个圆心的连线与两平面垂直，且为成像器件的中心旋转对称轴；所述物平面和像平面之间为交替叠加在一起、具有特殊曲面形状、中心旋转轴对称的多层金属薄膜和介质薄膜；该交替薄膜结构的两侧最外层薄膜表面是成像器件的物平面和像平面。

2.根据权利1所述一种用于缩小成像光刻的超分辨成像器件，其特征在于：所述多层金属薄膜与介质薄膜结构的所有相邻薄膜交界面与一簇特定曲线垂直，该特定曲线簇是中心对称轴截面上物平面上的若干抽样物点到对应像平面的像点的特殊弯曲连线，具体定义如下：

在中心对称轴截面与物平面的交界线上，以物平面的圆心为坐标中心，建立从-R到+R的物平面抽样坐标，在同一中心对称轴截面与像平面的交界线上，以像平面的圆心为坐标中心，建立从-r到+r的物平面抽样坐标，以物平面和像平面的中心对称轴中间位置点为坐标中心，建立对称轴的坐标，从-R到+R的区间范围，等间隔抽样N个点，它们的坐标为以物平面圆心为中心，标识为xi，i的取值范围为1到N的抽样序号，xi＝-R+2*R/(N-1)*(i-1)，在中心对称轴截面与像平面的交界线上，以像平面的圆心为坐标中心，从-r到+r的区间范围，同样等间隔抽样N个点，它们的坐标为以像平面圆心为中心，标识为yi，i的取值范围为1到N，N为整数，yi＝-r+2*r/(N-1)*(i-1)；以上抽样物点xi到对应像平面像点的坐标为yi，二者比值为器件的成像缩放倍率M，即yi/xi＝M，M＜1；上述一簇特定曲线为所有对应物平面抽样点与对应像平面像点的两点之间的特殊弯曲连线，该特殊弯曲连线定义为，在区间[-0.5*H，0.5*H]上由四变量映射函数的三次厄米特插值多项式，即Cubic Hermite Interpolating Polynomial，定义的函数曲线，四变量映射函数为[-0.6*H，-0.5*H，0.5*H，0.6*H]到[xi，xi，yi，yi]的映射，H为物平面与像平面之间的距离，在以上定义的曲线簇之外，金属薄膜与介质薄膜的交界面与超分辨成像器件的物平面和像平面平行。

3.根据权利1所述一种用于缩小成像光刻的超分辨成像器件，其特征在于：所述中心轴对称处的所有金属薄膜和介质的薄膜厚度相等，厚度选择范围为5nm到50nm。抽样点N的选择为保证由曲线簇定义的多层金属薄膜与介质薄膜的所有交界面光滑，其最小取值满足物平面抽样点间距2*R/(N-1)＜100nm。

4.根据权利1所述一种用于缩小成像光刻的超分辨成像器件，其特征在于：所述交替叠加在一起的所有金属薄膜和介质薄膜的介电常数的实部数值的绝对值大小相近，差异不超过10％，符号相反。

5.根据权利1所述一种用于缩小成像光刻的超分辨成像器件，其特征在于：所述金属薄膜材料为：Au，Ag，Pt，Al，Ni或W。

6.根据权利1所述一种用于缩小成像光刻的超分辨成像器件，其特征在于：所述介质薄膜材料为SiO2，GaN，Al2O3，Si或Ge。

7.一种利用权利要求1所述的超分辨成像器件的光刻方法，其特征在于：将所述超分辨成像器件直接加工在紫外光透明基片上，像平面一侧在外，所述超分辨成像器件放置在涂有光刻胶的基片上，光刻胶表面与所述超分辨成像器件的像平面重合，掩模图形为光刻胶目标图形整体放大1/(M*N)倍，光刻时利用传统投影光刻系统，将掩模图形以缩放倍率N投影到超分辨成像器件的物平面上，超分辨成像器件以缩放倍率M将图形进一步成像在光刻胶表面，从而实现缩小投影成像光刻。

8.一种利用权利要求1所述的超分辨成像器件的光刻方法，其特征在于：：首先在紫外光透明基底上加工金属掩模图形，掩模图形相对光刻胶图形整体放大1/M倍。然后在金属掩模上制作所述超分辨成像器件，或以紧密贴紧的方式将所述超分辨成像器件的物平面与金属掩模图形面重合，涂有光刻胶材料的基片胶表面与成像器件的像平面重合，紫外光从光刻掩模一侧照明，掩模图形经超分辨成像器件投影传递到光刻胶表面，光刻胶感光，实现缩小投影光刻。

9.根据权利要求7或8所述的光刻方法，其特征在于：可以通过并列多个超分辨成像器件，所有超分辨成像器件的物平面都在一个平面上，所有像平面也都在一个平面上，结合步进的光刻方式，从而实现大面积图形的光刻。

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