CN102096316A - 一种利用岛型结构掩模提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法 - Google Patents

一种利用岛型结构掩模提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用岛型结构掩模提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于首先在掩模基底上制备岛型凸起结构，然后溅射避光膜层，利用直写手段在岛形区域的避光膜层上加工纳米图形。本发明可以提高掩模图形结构特征尺寸小于λ/2时，超衍射光刻所得光刻材料图形结构的分辨力和光刻图形质量。

Description

一种利用岛型结构掩模提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法
技术领域
本发明提供一种进行超衍射光刻的方法，具体涉及一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法。
背景技术
基于近场光学原理的微加工技术因不受衍射极限限制，具有高频信息丰富、分辨特征尺寸小等特点，是重要纳米光学光刻加工技术手段之一。但是，因为近场光作用范围短、衰减快、受光源影响大等缺点，在光刻中往往不能制备出高分辨力和光刻质量的光刻材料图形。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服超衍射光刻分辨力和光刻质量随掩模与光刻材料之间距离增加而变差的不足，提出一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法。
近场光存在作用范围短、衰减快等特点，因此超衍射光刻的光刻质量会随掩模与光刻材料之间距离增加而变差。同时，随着这个距离的增加，近场光所携带的掩模结构分布信息也迅速减弱，甚至完全消失。传统超衍射光刻中，通常采用将掩模的整个表面和涂有光刻材料的基底整个表面相接触的方法来减小两者之间的距离，这里就存在几点难以避免的问题：1、掩模或者基底材料表面形貌不匹配导致的间隙。由于掩模和基底材料的表面是一个宏观上的平面，受加工工艺水平限制，难以在几平方英寸的范围内实现表面起伏小于几纳米的要求。2、操作环境污染颗粒产生的间隙。尽管光刻过程在超净间中进行，但仍不可避免会有灰尘颗粒存在。若灰尘颗粒落在掩模与基底之间，就会产生间隙而影响光刻质量。3、掩模内应力分布不均匀而引起的光刻图形畸变。传统超衍射光刻曝光时对掩模(或基底)整个面施加压力，由于受力面积过大，会在掩模(或基底)的某些位置形成应力集中点而引起掩模形变，从而导致光刻图形的畸变。
本发明针对这种情况，提出解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法。本发明通过在基底材料上制备高出基底平面的突出结构，形成符合一定分布规律的岛型区域，再将掩模图形直接加工在这些突起岛型区域上的方法，避免了掩模与基底形貌不匹配、污染颗粒等对进场光刻质量的影响，通过调节岛型结构分布，解决了掩模受应力发生形变的难题，从而实现了利用超衍射光刻技术制备特征尺寸小于半波长的高质量图形结构的可能，其特点在于包括下列步骤：
(1)首先选择一种透明基底材料A；
(2)在基底A上表面涂敷光刻材料B，光刻材料B的厚度取决于最终制备完成时岛型突出结构的高度，以及光刻材料B与基底材料A之间的刻蚀比。即光刻材料B的厚度应满足：曝光、显影后，剩余光刻材料厚度能够作为掩蔽层将光刻所得岛型结构传递到基底材料A上。一组可能的光刻材料B厚度为Db＝500nm～20um；
(3)将经设计的，刻有镂空岛型结构的图形掩模置于步骤(2)所得结构上表面，并使两者紧密贴合；
(4)对步骤(3)所得结构进行曝光；
(5)曝光结束后，去除刻有镂空岛型结构的图形掩模。将基底材料A及其上表面经过曝光的光刻材料B放入与光刻材料B相匹配的显影液中进行显影；
(6)清洁步骤(5)中所得结构表面残留的显影液并后烘，使光刻所获得的图形结构能牢固的粘接在基底材料A上表面；
(7)将步骤(6)所获得结构置于刻蚀设备中，根据所需形成岛型突起结构的高度，综合考虑光刻材料B的厚度Db以及光刻材料B与基底材料A之间的刻蚀关系，选择适当的刻蚀气体或腐蚀液体。利用刻蚀传递原理，将经步骤(3)～(6)所得结构转移到基底材料A上，即在基底材料A上形成与步骤(6)所得光刻结构相同的岛型突起结构；
(8)清洁步骤(7)所获得的基底材料结构，在该结构上表面制备用于遮蔽曝光照明光的膜层材料C，所述膜层材料C的厚度为Dc，大于50nm，即膜层材料C厚度应满足对曝光照明光不允许透过；膜层材料C上表面平整度≤3nm；
(9)对步骤(8)所获得结构使用聚焦粒子束加工设备。选择步骤(8)所得结构中，岛型突起结构中心区域，将经设计的掩模图形结构加工在其表面膜层材料C上，要求完成掩模上的图形结构应完整、边缘光滑，对膜层材料C的刻蚀应底部干净、无残留材料。至此，完成了岛型掩模结构及其表面掩模图形结构的制备；
(10)选择一种可用于光刻的基底材料D。在基底材料D上涂敷光刻材料E，光刻材料厚度为De，De为20nm～200nm；
(11)将步骤(9)制备所得岛型掩模结构及其表面掩模图形结构置于步骤(10)所制备结构上表面并紧密贴合。其中，步骤(9)所得结构中有岛型突起结构的一面应朝向步骤(10)所得结构中涂敷有光刻材料E的一面放置；
(12)对步骤(11)所得结构进行曝光；
(13)曝光结束后，去除掩模图形结构。将光刻所得的结构放入与光刻材料E相匹配的显影液中进行显影；
(14)去除步骤(13)中所得结构表面残留的显影液，后烘以获得最终超衍射光刻图形结构。
所述步骤(1)中的透明基底材料A为光波段的石英或玻璃。
所述步骤(2)中光刻材料B的材料为正性光刻材料或负性光刻材料，用于制备的方法有旋涂、喷涂、摊涂、滚刷等物理沉积法或化学沉积法。其中，光刻材料B的一般选取抗刻蚀性能高的厚胶。
所述步骤(3)中经设计的镂空岛型结构中，岛的形状可为任意结构，岛的直径可选择任意数值，一组常用的直径数值为100um～15mm，如设计有多个岛，则岛的分布需考虑岛型结构与光刻基底材料接触面间的受力分布和岛型结构掩模自身的应力分布；掩模与光刻材料B应紧密贴合，具体作用方式可采用气压、真空、机械压紧或匹配液填充。
所述步骤(4)中曝光时所采用的照明光为由汞灯激发的i-line平面光，曝光时照明光垂直于掩模表面入射；曝光时间由曝光强度和光刻材料B的厚度、感光性能决定，可为15秒～300秒。
所述步骤(5)中的显影方式可采用浸没方式或喷淋方式。
所述步骤(6)中清洁步骤(5)中所得结构表面残留的显影液可采用去离子水喷淋和高纯气流冲洗等方式。所述步骤(6)中采用热板或烘箱进行后烘，后烘时间和温度由光刻材料B与后续工艺决定，后烘温度可为80℃～180℃，后烘时间为1分钟～150分钟。
所述步骤(7)中使用的刻蚀设备可以是反应离子束刻蚀设备(R.I.E)、离子束刻蚀设备(I.B.E)、感应耦合等离子刻蚀设备(I.C.P)、湿法腐蚀设备等。用于刻蚀的气体可为含F气体，如SF6等，可用于湿法腐蚀的液体有HF稀溶液等。
所述步骤(8)中使用的清洁方式可采用去离子水清洗、气流吹洗、氧气刻蚀清洗等。所述步骤(8)中用于遮蔽曝光照明光的膜层材料C材料为金、铬、晶体硅或非晶硅等，制备方法采用蒸镀、溅射等物理沉积法或化学沉积法。
所述步骤(9)中聚焦离子束设备所加工的经过设计的掩模图形为任意结构，加工区域选择在岛型结构的突起部分上。
所述步骤(10)中光刻材料D为正性光刻材料或负性光刻材料，如AR-P3170、AR-N7700等。用于制备的方法有旋涂、喷涂、摊涂、滚刷等物理沉积法或化学沉积法。
所述步骤(11)将掩模具有岛型突起结构的一面朝向光刻材料所在面放置。掩模与光刻材料D紧密贴合，具体作用方式可采用气压、真空、机械压紧或匹配液填充，目的是使掩模与光刻材料获得充分而均匀的接触。
所述步骤(12)中曝光时所采用的照明光为由汞灯激发的i-line平面光，曝光时照明光垂直于掩模表面入射，以确保到达掩模上表面的光强分布均匀；曝光时间由曝光强度和光刻材料D的厚度、感光性能决定，可为15秒～300秒。
所述步骤(13)中的显影采用浸没或喷淋方式。
所述步骤(14)中清洁步骤(13)中所得结构表面残留的显影液可采用去离子水喷淋和高纯气流冲洗等方式。所述步骤(14)中采用热板或烘箱进行后烘，以提高光刻材料的在基片上的附着性，保证图形在后续工艺中不致变形。后烘时间和温度由光刻材料B与后续工艺决定，后烘温度可为80℃～180℃，后烘时间为1分钟～150分钟。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明通过在基底材料上制备高出基底平面的突出结构，形成符合一定分布规律的岛型区域，再将掩模图形直接加工在这些突起岛型区域上的方法，避免了掩模与基底形貌不匹配、污染颗粒等对进场光刻质量的影响，通过调节岛型结构分布，解决了掩模受应力发生形变的难题，从而实现了利用超衍射光刻技术制备具有更高分辨力和更高质量图形结构。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为实施例1中所选择的基底材料A的示意图；
图3为实施例1中在基底材料A表面形成光刻材料B膜层后的结构示意图；
图4左图为实施例1中将刻有镂空岛型结构的图形掩模放置于光刻材料B表面并紧密贴合的结构示意图，图4右图为刻有镂空岛型结构的图形掩模的上视结构示意图；
图5为实施例1中对掩模及光刻材料B结构进行曝光的结构示意图；
图6为实施例1中将光刻材料B进行显影、后烘之后形成的结构示意图；
图7为实施例1中使用刻蚀设备将光刻材料上的图形结构传递到基底材料后所形成的新基底结构示意图；
图8为实施例1中在基底结构上沉积膜层材料C后的结构示意图；
图9为实施例1中使用聚焦粒子束在掩模岛型突起区域加工掩模图形结构的结构示意图；
图10为实施例1中在基底材料D上涂敷形成光刻材料膜层E的结构示意图；
图11为实施例1中将岛型结构图形掩模放置于光刻材料E表面并紧密贴合的结构示意图；
图12为实施例1中对掩模及光刻材料E结构进行曝光的结构示意图；
图13为实施例1中将光刻材料E进行显影、后烘之后形成的结构示意图。
图中：1为基底材料石英，2为光刻材料AR-P3120，3为经设计刻有镂空岛型结构的图形掩模，4为垂直入射的紫外光，5为光刻材料AR-P3120所形成岛型结构，6为经刻蚀形成的新基底结构，7为沉积的膜层材料Cr，8为聚焦粒子束设备，9为加工完成的掩模图形结构，10为另一种光刻材料AR-P3170，11为经曝光显影后形成的光刻材料结构。
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。
实施例1
如图1所示，本发明，一种利用岛型结构掩模提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其具体实施步骤如下：
(1)选择石英作为基底材料，如图2所示；
(2)在基底上表面涂敷光刻材料AR-P3120，厚度为500nm，如图3所示；
(3)将刻有镂空岛型结构的图形掩模放置于涂有AR-P3120的基片表面，(岛直径2mm，共三个岛，成正三角形分布，任意两个岛的中心距为8mm)，并利用气压将两者紧密贴合在一起，放置结构如图4所示，其中图4右图为刻有镂空岛型结构掩模的上视结构示意图；
(4)采用由汞灯激发，波长为365nm的紫外光对步骤(3)中获得的结构进行曝光，曝光时间为90秒，如图5所示；
(5)将步骤(4)所获得基片浸入光刻材料对应的显影液AR300-35中，显影25秒。再将该基片置于去离子水中冲洗，并用高纯氮气吹干表面水分。然后将基片置于120℃的热板上烘烤15分钟。烘烤完成后所得结构如图6所示；
(6)在反应离子束刻蚀(R.I.E)设备上使用CHF3，将光刻材料所形成结构刻蚀至石英基底上，结构如图7所示；
(7)使用磁控溅射台在步骤(6)所得结构上表面沉积一层金属Cr，金属Cr的厚度为50nm，结构如图8所示；
(8)使用聚焦粒子束在掩模岛型突起区域加工特征尺度为100nm的掩模图形结构，加工效果如图9所示；
(9)选择石英作为基底材料，在基底材料上涂敷光刻材料AR-P3170，光刻材料厚度为120nm，结构如图10所示；
(10)将步骤(8)所得结构置于步骤(9)所得结构之上，其中有图形的一面紧贴光刻材料表面，结构如图11所示；
(11)采用由汞灯激发，波长为365nm的紫外光对步骤(10)所获得结构进行曝光，曝光时间为50秒，如图12所示；
(12)曝光结束后，移开掩模版，将步骤(11)中获得的结构放入AR-P3170对应显影液AR300-35中进行显影，显影时间为30秒。然后将显影后的结构吹干，放入热板后烘，后烘温度90℃，后烘时间15min，即可获得如图13所示的目标结构。
实施例2
(1)选择透明玻璃作为基底材料；
(2)在基底上表面涂敷光刻材料AZ-3100，厚度为1.5um；
(3)将刻有镂空岛型结构的图形掩模放置于涂有AZ-3100的基片表面，(岛为直径15mm的圆型，岛的中心与基片中心重合)，并利用自调平铰链将两者紧密贴合在一起；
(4)采用由汞灯激发，波长为365nm的紫外光对步骤(3)中获得的结构进行曝光，曝光时间为15秒；
(5)将步骤(4)所获得基片浸入光刻材料对应的显影液中显影，再将该基片置于去离子水中冲洗，并用高纯氮气吹干表面水分。然后将基片置于80℃的热板上烘烤30分钟；
(6)在离子束刻蚀设备(I.B.E)上使用CHF3，将光刻材料所形成结构刻蚀至玻璃基底；
(7)使用磁控溅射台在步骤(6)所得结构上表面沉积一层多晶硅，多晶硅厚度为80nm；
(8)使用聚焦粒子束在掩模岛型突起区域加工特征尺度为200nm的掩模图形结构；
(9)选择玻璃作为基底材料，在基底材料上涂敷光刻材料AR-N7400，光刻材料厚度为90nm；
(10)将步骤(8)所得结构置于步骤(9)所得结构之上，其中有图形的一面紧贴光刻材料表面；
(11)采用由汞灯激发，波长为365nm的紫外光对步骤(10)所获得结构进行曝光，曝光时间为90秒；
(12)曝光结束后，移开掩模版，将步骤(11)中获得的结构放入对应显影液中进行显影，显影时间为45秒。然后将显影后的结构吹干，放入热板后烘，后烘温度120℃，后烘时间30min，即可获得目标结构。
实施例3
(1)选择石英材料作为基底材料；
(2)在基底上表面涂敷光刻材料NR5-8000，厚度为20um；
(3)将刻有镂空岛型结构的图形掩模放置于涂有NR5-8000的基片表面，(岛为边长10mm的正方型，岛的中心与基片中心重合)，并利用真空将两者紧密贴合在一起；
(4)采用由汞灯激发，波长为365nm的紫外光对步骤(3)中获得的结构进行曝光，曝光时间为300秒；
(5)将步骤(4)所获得基片浸入光刻材料对应的显影液中显影，再将该基片置于去离子水中冲洗，并用高纯氮气吹干表面水分。然后将基片置于180℃的热板上烘烤25分钟；
(6)在感应耦合等离子刻蚀设备(I.C.P)上使用CHF3，将光刻材料所形成结构刻蚀至石英基底；
(7)使用电子束蒸镀设备在步骤(6)所得结构上表面蒸镀一层金，金厚度为90nm；
(8)使用聚焦粒子束在掩模岛型突起区域加工特征尺度为100nm的掩模图形结构；
(9)选择硅作为基底材料，在基底材料上涂敷光刻材料AR-P7520，光刻材料厚度为80nm；
(10)将步骤(8)所得结构置于步骤(9)所得结构之上，其中有图形的一面紧贴光刻材料表面；
(11)采用由汞灯激发，波长为365nm的紫外光对步骤(10)所获得结构进行曝光，曝光时间为180秒；
(12)曝光结束后，移开掩模版，将步骤(11)中获得的结构放入对应显影液中进行显影，显影时间为25秒。然后将显影后的结构吹干，放入热板后烘，后烘温度120℃，后烘时间15min，即可获得目标结构。

Claims (11)

1.一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)首先选择一种透明基底材料A；透明基底材料A为光波段的石英或玻璃；
(2)在基底A上表面涂敷光刻材料B，光刻材料B的厚度取决于最终制备完成时岛型突出结构的高度，以及光刻材料B与基底材料A之间的刻蚀比，即光刻材料B的厚度应满足：曝光、显影后，剩余光刻材料厚度能够作为掩蔽层将光刻所得岛型结构传递到基底材料A上；所述光刻材料B的材料为正性光刻材料或负性光刻材料；
(3)将经设计的，刻有镂空岛型结构的图形掩模置于步骤(2)所得结构上表面，并使两者紧密贴合；
(4)对步骤(3)所得结构进行曝光；
(5)曝光结束后，去除刻有镂空岛型结构的图形掩模，将基底材料A及其上表面经过曝光的光刻材料B放入与光刻材料B相匹配的显影液中进行显影；
(6)清洁步骤(5)中所得结构表面残留的显影液并后烘，使光刻所获得的图形结构能牢固的粘接在基底材料A上表面；
(7)将步骤(6)所获得结构置于刻蚀设备中，根据所需形成岛型突起结构的高度，利用刻蚀传递原理，将经步骤(3)～(6)所得结构转移到基底材料A上，即在基底材料A上形成与步骤(6)所得光刻结构相同的岛型突起结构；
(8)清洁步骤(7)所获得的基底材料结构，在该结构上表面制备用于遮蔽曝光照明光的膜层材料C，所述膜层材料C的厚度Dc大于50nm，即膜层材料C厚度应满足对曝光照明光不允许透过；膜层材料C上表面平整度≤3nm；
(9)选择步骤(8)所得结构中岛型突起结构中心区域，使用聚焦粒子束加工设备，将经设计的掩模图形结构加工在岛型突起结构中心区域的表面膜层材料C上，要求完成掩模上的图形结构应完整、边缘光滑，对膜层材料C的刻蚀应底部干净、无残留材料；至此，完成了岛型掩模结构及突起结构上表面掩模图形结构的制备；
(10)选择一种可用于光刻的基底材料D，所述的基底材料D为硅基底或石英基底，在基底材料D上涂敷光刻材料E，光刻材料厚度为De，De为20nm～200nm；所述步骤(10)中光刻材料E为正性光刻材料或负性光刻材料；
(11)将步骤(9)制备所得岛型掩模结构及其表面掩模图形结构置于步骤(10)所制备结构上表面并紧密贴合，其中步骤(9)所得结构中有岛型突起结构的一面应朝向步骤(10)所得结构中涂敷有光刻材料E的一面放置；
(12)对步骤(11)所得结构进行曝光；
(13)曝光结束后，去除掩模图形结构，将光刻所得的结构放入与光刻材料E相匹配的显影液中进行显影；
(14)去除步骤(13)中所得结构表面残留的显影液，后烘以获得最终超衍射光刻图形结构。
2.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(2)中光刻材料B厚度为Db＝500nm～20um。
3.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(3)中经设计的镂空岛型结构中，岛的形状可为任意结构，岛的直径为100um～15mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(7)中使用的刻蚀设备可以是反应离子束刻蚀设备(R.I.E)、离子束刻蚀设备(I.B.E)、感应耦合等离子刻蚀设备(I.C.P)、湿法腐蚀设备。
5.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(8)中使用的清洁方式采用去离子水清洗、气流吹洗、氧气刻蚀清洗；所述步骤(8)中用于遮蔽曝光照明光的膜层材料C材料为金、铬、晶体硅或非晶硅，制备方法采用蒸镀、溅射等物理沉积法或化学沉积法。
6.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(9)中聚焦离子束设备所加工的经过设计的掩模图形为任意结构，加工区域选择在岛型结构的突起部分上。
7.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(2)和(10)中正性光刻材料是以光分解剂即苯醌双叠氮化物或萘醌双叠氮化物等和碱性可溶线型酚醛树脂为主要成分的一类材料；负性光刻材料为聚肉桂酸系光致抗蚀剂或环化橡胶系抗蚀剂，包括KPR、OMR-81或KMR-747。
8.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(4)和步骤(12)中曝光时所采用的照明光为由汞灯激发的i-line平面光，曝光时照明光垂直于掩模表面入射；曝光时间为15秒～300秒。
9.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(5)和步骤(13)中的显影采用浸没或喷淋方式。
10.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(6)和步骤(14)中清洁所得结构表面残留的显影液采用去离子水喷淋和高纯气流冲洗方式。
11.根据权利要求1所述的一种利用岛型结构掩模实现提高超衍射光刻分辨力和光刻质量的方法，其特征在于：所述步骤(6)和步骤(14)中采用热板或烘箱进行后烘，后烘时间和温度由光刻材料B与后续工艺决定，后烘温度可为80℃～180℃，后烘时间为1分钟～150分钟。
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