CN102053509B - 一种压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，包括以下步骤有：1)首先确定获得高对比度莫尔条纹图像对应的折射光栅折射率范围，在该范围内进行光栅材料选择；2)光刻，制作光栅标记掩膜板，并以光栅标记掩膜板为掩护，刻蚀光刻胶层，分别在压印基底和模板上得到光刻胶栅条；3)溅射，在有光刻胶栅线的基板上溅射优化光栅材料；4)剥离，剥离基底上的光刻胶区域得到突起光栅条纹。本发明采用界面光学理论和有限差分计算，优化光栅标记制作材料。该方法从光栅制作材料角度，解决了传统标记由于压印光刻胶的引入带来的莫尔条纹对准图像对比度严重下降的问题，且具有更广的光刻胶适用范围，可以适用于多种常用光刻胶的引入。

Description

一种压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法

技术领域

本发明属于纳米压印光刻中刻对准技术领域，涉及一种光栅对准标记的制作方法，尤其是一种提高莫尔条纹图像质量的凸起光栅对准标记制作方法，可以提高有光刻胶情况下莫尔条纹对准图像的质量。

背景技术

压印光刻以其高分辨率、高效率和低成本跻身于下一代16nm节点光刻技术的代表之一，可以有效地解决传统光刻由于图形衍射问题带来的尺寸限制。尽管压印光刻在图形转移方面具有高分辨率、高效率和低成本的优势，要使之成为真正实用而有竞争性的微纳制造技术，仍有许多关键性的问题需要解决，其中多层定位和对准技术是决定压印最终应用于半导体制造行业的关键。

纳米压印多层套刻对准中，最可行的对准方案是基于莫尔条纹相位匹配的方法。该方法的测量精度取决于干涉条纹图像空间相位的提取精度，在无光刻胶填充状态下，对准测量分辨率可以达到亚纳米级，而对准精度在10nm以下。

然而，在实际应用中，由于光刻胶的引入，而使对准中获得的莫尔条纹对准图像对比度严重下降。在模板为玻璃，基底为硅片的条件下，两光栅间介质折射率为1.4的胶时得到的莫尔条纹你图像对比度只有介质为空气时的16％。

而莫尔条纹对比度直接决定了我们相位提取的精度，特别是随着光刻胶折射率的提高，图像质量下降迅速，最后甚至是无法分辨莫尔条纹的明暗条纹，给对准相位的提取带来困难。

提高图像对比度最直接、最有效地方法是选用低折射率的光刻胶。然而，由于光刻胶聚合物的组分所限，不可能得到很低折射率的胶，目前存在的光刻胶折射率主要集中在1.4-1.7，部分光刻胶的折射率可以得到1.9。这些就决定必须采用其他途径解决由于光刻胶带来的对准图像质量严重下降的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，该制作方法可以提高由于光刻胶引入带来的莫尔条纹对准图像对比度严重下降的问题，对光刻胶折射率变化的反应不敏感，适用于多种常用光刻胶压印过程的压印对准。通过提高莫尔条纹对准图像质量，进一步提高压印对准精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

该种压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，包括以下步骤：

1)光栅材料选择

基于莫尔条纹相位匹配的压印光刻对准，通过菲涅尔界面定理和时域有限差分计算，分析莫尔条纹图像对比度与光栅材料折射率的关系，确定获得高对比度莫尔条纹图像对应的折射光栅折射率范围，并在此范围内选定光栅标记材料。在压印中，基底为Si，模板为玻璃的条件下，选用模板光栅材料是折射率接近或等于1.9的材料，基底选用材料为折射率接近或等于2.7的材料；

2)光刻

制作光栅标记掩膜板，并以光栅标记掩膜板为掩护，刻蚀光刻胶层，分别在压印基底和模板上得到光刻胶栅条；

3)溅射

在有光刻胶栅线的基板上溅射优化光栅材料；

4)剥离

剥离基底上的光刻胶区域得到突起光栅条纹。

以上步骤1)中，在模板材料为玻璃即SiO2，基底材料为Si，光刻胶折射率为1.4的条件下，模板光栅标记采用折射率为1.9的材料，基底光栅标记采用折射率为2.7的材料。

以上步骤1)中，所述压印光刻对准，采用基于莫尔条纹相位匹配的对准原理，通过基底和模板上分别存在的一组组合光栅副进行对准，在对准过程中，模板上的组合光栅中周期为P1的光栅与基底上组合光栅中周期为P2的光栅重叠形成一组莫尔条纹；模板上组合光栅中周期为P2的光栅与基底上组合光栅中周期为P1的光栅重叠形成另一组莫尔条纹；通过比较两组莫尔条纹相位进行对准。

进一步，在步骤1)中，所述菲涅尔界面定理和时域有限差分计算过程为：

振幅反射率 $\tilde{r}=\frac{n_2-n_1}{n_2+n_1};$

振幅透射率

$\tilde{t}=\frac{{2n}_1}{n_2+n_1};$

光强I：            I＝nE²；

光强的反射率R： $R=\frac{I_1^{\′}}{I_1}={\tilde{r}}^2;$

光强透射率T： $T=\frac{I_2}{I_1}=\frac{n_2}{n_1}{\tilde{t}}^2;$

上式n₁为界面两侧光线先通过的介质折射率，n₂为界面两侧光线后通过的介质折射率；n为光线通过的介质折射率；E为光的电矢量；I′₁为反射光强；I₁为入射光强；I₂为投射出的光强。

以及对比度公式：

I_max为最大光强；I_min为最小光强。

即当界面两侧介质折射率越接近时，能够采集到得光强越强，图像对比度则越低。

进一步，根据以上的技术，在压印中精对准时，光栅副间隙小于菲涅尔焦面半周期，采用凸起光栅相对于凹进光栅能进一步减小的光栅间隙，得到更高的莫尔条纹图像对比度。

上述模板光栅材料采用铅、ITO或特重火石玻璃；基底材料采用氧化铬、氧化铜或者铬等。最后，选定材料为ITO和Cr。

上述步骤2)中，所述光刻过程，在栅线宽度为3μm，光刻胶为正胶的条件下，光刻时间为5-8秒。

上述步骤4)中，突起光栅条纹的剥离，是采用有机溶剂丙酮溶解并通过超声剥离掉光刻胶。

本发明采用界面光学理论和有限差分计算，优化光栅标记制作材料。由菲涅尔焦面理论确定凸起光栅标记制作方案。通过溅射、剥离工艺代替原工艺中的刻蚀工艺，制作新的凸起光栅对准标记。该方法从光栅制作材料角度，解决了传统标记由于压印光刻胶的引入带来的莫尔条纹对准图像对比度严重下降的问题，且具有更广的光刻胶适用范围，可以适用于多种常用光刻胶的引入(折射率为1.4-1.7)；提高了压印过程中，莫尔条纹对准图像的质量，从而提高了对准中莫尔条纹相位提取的精度，进一步提高了压印对准精度。总之，本发明所使用方法与传统光栅制作方法相比较，并没有增加工艺步骤，制作简单、易行。

附图说明

图1纳米压印多层套刻莫尔条纹对准原理；

图2相位匹配对准方案；

图3进行有限差分计算的原物理模型；

图4进行有限差分计算的优化物理模型；

图5优化后方案与原方案比较；

图6铺胶、光刻得到图形；

图7溅射后图形；

图8剥离后得到凸起条纹结构图。

具体实施方式

本发明的压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法具体包括以下步骤：

(1)光栅材料选择：

基于莫尔条纹相位匹配的压印光刻对准，通过菲涅尔界面定理和时域有限差分计算，分析莫尔条纹图像对比度与光栅材料折射率的关系，确定获得高对比度莫尔条纹图像对应的折射光栅折射率范围，并在此范围内选定光栅标记材料，在压印中，基底为Si，模板为玻璃的条件下，选用模板光栅材料是折射率为1.9左右的材料，基底选用材料为折射率2.7左右的材料。

(2)凸起光栅制作：

通过对准标记光栅副间隙与得到莫尔条纹对准图像对比度之间的关系确定采用凸起光栅标记制作方案。具体制作过程如下：

1)标记材料准备：将以上(1)中优化结果应用于标记制作，确定标记制作材料。即选用折射率1.9左右的材料制作模板光栅标记，采用折射率2.7左右的材料制作基底光栅标记。常见折射率1.9左右的材料有铅、ITO、特重火石玻璃等；折射率在2.7在左右的材料有氧化铬、氧化铜、铬等。考虑剥离工艺我们选择ITO和Cr。

在本发明的较佳实施例中，模板光栅材料选用ITO，基底光栅材料选用Cr可以达到较好的效果。

在压印光刻对准时，采用基于莫尔条纹相位匹配的对准原理，通过基底和模板上分别存在的一组组合光栅副进行对准，在对准过程中，模板上的组合光栅中周期为P1的光栅与基底上组合光栅中周期为P2的光栅重叠形成一组莫尔条纹；模板上组合光栅中周期为P2的光栅与基底上组合光栅中周期为P1的光栅重叠形成另一组莫尔条纹；通过比较两组莫尔条纹相位进行对准。光栅副间隙与形成莫尔条纹图像对比度之间的关系为，光栅副间隙越接近菲涅尔焦面，所的莫尔条纹图像对比度越高。压印中精对准时，光栅副间隙小于菲涅尔焦面半周期，要得到高对比度图像尽量减小两光栅间隙。采用凸起光栅相对于凹进光栅可以进一步减小的光栅间隙，得到莫尔条纹图像对比度更高。

以上的菲涅尔界面定理和时域有限差分计算过程是通过菲涅尔界面光学定理，具体如下：

振幅反射率

$\tilde{r}=\frac{n_2-n_1}{n_2+n_1};$

振幅透射率

$\tilde{t}=\frac{{2n}_1}{n_2+n_1};$

光强I：        I＝nE²；

光强的反射率R： $R=\frac{I_1^{\′}}{I_1}={\tilde{r}}^2;$

光强透射率T： $T=\frac{I_2}{I_1}=\frac{n_2}{n_1}{\tilde{t}}^2;$

上式n₁为界面两侧光线先通过的介质折射率，n₂为界面两侧光线后通过的介质折射率；n为光线通过的介质折射率；E为光的电矢量；I′₁为反射光强；I₁为入射光强；I₂为投射出的光强。

以及对比度公式：

I_max为最大光强；I_min为最小光强。

得到结论：当界面两侧介质折射率越接近时，能够采集到得光强越强，图像对比度则越低。

在压印对准时，采用模板透射式光栅，基底反射式光栅。在此情况下，要获得高对比度对准图像，需要：增大模板光栅与中间介质(压印光刻胶)折射率之差，减小基底光栅与中间介质(压印光刻胶)折射率之差。

然后通过FDTD(Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分化)，具体确定所需要的材料折射率。

2)光刻：制作光栅标记掩膜板，并以光栅标记掩膜板为掩护，刻蚀光刻胶层，分别在压印基底和模板上得到光刻胶栅条。在光刻过程中，在栅线宽度为3μm，光刻胶为正胶的条件下，光刻时间大约为7秒。

3)溅射：在有光刻胶栅线的基板上溅射优化光栅材料。溅射时，ITO和Cr的溅射时间大约在10分钟左右。

4)剥离基底上的光刻胶区域得到突起光栅条纹。得到突起光栅条纹的剥离，是采用有机溶剂丙酮溶解并通过超声剥离掉光刻胶。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参照图1、图2所示，压印多层套刻对准原理和方案示意图。目前最常用的压印多层套刻对准方案是基于莫尔条纹相位匹配的对准方案。在基底和模板上分别存在周期为P1、P2的两组光栅，对准时模板上周期为P1的光栅与基底上周期为P2的光栅重叠形成一组莫尔条纹；模板上周期为P2的光栅与基底上周期为P1的光栅重叠形成另一组莫尔条纹。通过提取两组莫尔条纹的相位来进行对准。

参照图3，进行有限差分计算和菲涅尔界面光学分析的物理模型，n1为模具及其标记的折射率，n2为光刻胶的折射率，n3为压印基底的折射率。

参照图4，进行有限差分计算和菲涅尔界面光学的优化模型。改变光栅制作材料，n1为模具及其标记的折射率，n2为光刻胶的折射率，n3为压印基底的折射率；n4为模板光栅标记制作材料；n5为压印基底光栅标记材料折射率。

参照图5，原标记方案与优化后标记方案的对比。将原来的凹进光栅标记制作为凸起光栅标记，可以改变光栅材料，且在相同压印留膜厚度下可以减小两光栅之间的间隙。

参照图6-8，凸起光栅制作过程示意图，即剥离技术制作光栅过程。

从光栅间隙对莫尔条纹图像的影响角度，本发明提出凸起条纹的制作。莫尔条纹对准方案应用于压印精对准。压印精对准时，留膜厚度小于一个菲涅尔焦面周期，两光栅间隙越小，所的莫尔条纹图像对比度越高。在相同留膜厚度下，凸起光栅条纹与刻蚀光栅条纹相比，具有更小的光栅间隙，从而进一步提高莫尔条纹对比度。

Claims (6)

1.一种压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）光栅材料选择

基于莫尔条纹相位匹配的压印光刻对准，通过菲涅尔界面定理和时域有限差分计算，分析莫尔条纹图像对比度与光栅材料折射率的关系，确定获得高对比度莫尔条纹图像对应的折射光栅折射率范围，并在此范围内选定光栅标记材料；在压印中，模板为玻璃的条件下，选用模板光栅材料是折射率接近或等于1.9的材料，选用基底光栅材料为折射率接近或等于2.7的材料；所述模板光栅材料采用铅玻璃、ITO玻璃或特重火石玻璃；

2）光刻

制作光栅标记掩膜板，并以光栅标记掩膜板为掩护，刻蚀光刻胶层，分别在压印基底和模板上得到光刻胶栅线；

3）溅射

在有光刻胶栅线的基底上溅射优化的光栅材料；

4）剥离

剥离基底上的光刻胶区域得到突起光栅条纹。

2.根据权利要求1所述的压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，其特征在于，步骤1）中，所述压印光刻对准，采用基于莫尔条纹相位匹配的对准原理，通过基底和模板上分别存在的一组组合光栅副进行对准，在对准过程中，模板上的组合光栅中周期为P1的光栅与基底上组合光栅中周期为P2的光栅重叠形成一组莫尔条纹；模板上组合光栅中周期为P2的光栅与基底上组合光栅中周期为P1的光栅重叠形成另一组莫尔条纹；通过比较两组莫尔条纹相位进行对准。

3.根据权利要求1或2所述的压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，其特征在于，步骤1）中，所述菲涅尔界面定理和时域有限差分计算过程为：

振幅反射率

$\tilde{r}=\frac{n_2-n_1}{n_2+n_1};$

振幅透射率

$\tilde{t}=\frac{2n_1}{n_2+n_1};$

光强I：I=nE²；

光强的反射率R： $R=\frac{I_1^{\′}}{I_1}={\tilde{r}}^2;$

光强透射率T： $T=\frac{I_2}{I_1}=\frac{n_2}{n_1}{\tilde{t}}^2;$

上式n₁为界面两侧光线先通过的介质折射率，n₂为界面两侧光线后通过的介质折射率；n为光线通过的介质折射率；E为光的电矢量；I′1为反射光强；I₁为入射光强；I₂为投射出的光强；

以及对比度公式：I_max为最大光强；I_min为最小光强；

即当界面两侧介质折射率越接近时，能够采集到得光强越强，图像对比度则越低。

4.根据权利要求2所述的压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，其特征在于，压印中精对准时，光栅副间隙小于菲涅尔半周期，采用凸起光栅相对于凹进光栅能进一步减小的光栅间隙，得到更高的莫尔条纹图像对比度。

5.根据权利要求1所述的压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，其特征在于，步骤2）中，所述光刻过程，在栅线宽度为3μm，光刻胶为正胶的条件下，光刻时间为5-8秒。

6.根据权利要求1所述的压印光刻中凸起光栅对准标记的制作方法，其特征在于，步骤4）中，基底上光刻胶区域的剥离，是采用有机溶剂丙酮溶解并通过超声剥离掉光刻胶。

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