CN102163007B - 利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法，该成像系统包括光源、光刻版、物镜，所述光源产生的曝光光源穿过所述光刻版，射入所述物镜；光电效应板，从所述物镜射出的光束入射到所述光电效应板上，发生光电效应逸出电子；偏转磁场，用于改变所述光电效应板发射出的电子的运动方向，使所述光电效应板发射出的电子能被电子收集器收集并最终入射到所述硅片表面的光刻胶上；电子收集器，用于收集所述光电效应板发射出的电子；电子加速限位器，对所述电子收集器内的电子进行加速，以提高所述电子的能量，同时，所述电子在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向等比例逐渐缩小；和工件台，所述硅片放置在工件台上。

Description

利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法。

背景技术

图1所示为现有技术中的光学步进扫描光刻机成像系统，曝光光源11产生的激光照射到放置在掩模台(图1中未示)上的光刻版12上，所述光刻版12上设有图形12a，所述曝光光源11产生的激光穿过所述光刻版12，射入物镜13，从所述物镜13射出的激光照射到工件台14上的硅片15上，将所述光刻版12上的图形复制到硅片15表面的光刻胶上，所述物镜13将所述光刻版12的图形缩小4～5倍，所述曝光光源11多采用紫外光源。

伴随集成电路制造工艺的不断进步，半导体器件的体积和关键尺寸正变得越来越小。随着关键尺寸越来越小，集成电路产业面临越来越多的挑战。所面临的重要挑战之一是由现有技术的光学步进扫描光刻机的曝光光源(紫外光源)所决定，受曝光光源的衍射的影响，现有技术的光学步进扫描光刻机所能达到的光刻关键尺寸已经接近曝光机台的极限分辨率。半导体产业界一直致力于延长光学光刻平台的寿命，多种分辨率增强技术和光学临近修正技术已经得到了业界的普遍应用。

双重图形化、光刻双重曝光、高折射率浸没式光刻技术等光刻分辨率增强技术在实现32纳米技术节点被普遍寄予了厚望。由于光刻机软硬件技术进步导致的生产率的提高，双重图形化技术和光刻双重曝光技术已成为目前业界32纳米主流解决方案。

但是对于32纳米以下节点的光刻工艺中，现有的光刻平台已经没有新的手段和方法来达到目标分辨率。半导体业界都在着力于研发新架构和新概念的光刻平台，目前主流的开发方向有极紫外线曝光(EUV)和电子束直写等。

极紫外线曝光是指使用极紫外的波长的光源进行曝光，其波长目前已经达到13.5纳米。中性的原子或者浓缩的物质不能发射EUV光源，EUV光源只能由跃迁到多电荷的正离子的电子发射出来，多电荷的正离子只可能存在于高温高密度的等离子体中，EUV光刻中用到的氙或锡等离子源是由放电产生或者激光产生。目前，业界对EUV的研发距离量产还有很多障碍：首先，193氟化氩激光提供的光强大约为200W/cm²，而为EUV光刻生产等离子体的激光需要提供的强度则需要高得多，它需要激光或相等的能量来源的输出能量超过10KW/cm²；其次，EUV光刻还与目前深紫外线光刻有许多显著的差别，由于所有的物质都吸收EUV光，因此，EUV光刻需要在真空中进行，尽管如此，所有的光学组件，包括光刻版，都会对EUV光线有很强的吸收，这些组件中的任何一个镜子都会对入射的EUV光吸收约30％，由于所有物质对EUV光的高吸收率，光刻机内部的光学组件很容易被损坏；再次，EUV光刻的低产率相对量产的需求也是一个很大的障碍。

另外一个主流的开发方向是电子束直写(EBL)，电子束直写的操作原理是通过一束可以来回移动的电子束直接照射在硅片表面，从而对硅片表面的光刻胶实现光刻，并通过对来回移动时的电子束的控制，来确定光刻胶表面是曝光还是非曝光。电子束直写的首要优点是高分辨率，由于不受传统光学光源的衍射的影响，电子束可以实现纳米级别的结构的光刻，所以这种无光刻版光刻方式被广泛的运用于光刻版制造、小产量的半导体器件制造及一些研究和开发领域。而电子束直写的最大缺点是低产率问题，极细的电子束通过来回移动扫描的方式曝完整片硅片(非步进曝光方式)，这种方式决定了每完成一片硅片电子束直写的时间需要以小时计；过长的曝光时间影响不仅仅是产率问题，还会连带出其他缺点，比如过长的曝光时间很容易使电子束在曝光工艺过程中发生状态偏移或不稳定，这会大大增加硅片的返工率。

结合以上的举例可以看出，尽管有希望实现对极限分辨率的延伸，但目前的新一代的光刻平台的开发方向都有自身难以克服的障碍和缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法，结合步进扫描技术和电子束直写技术，提高了光刻机成像系统的分辨率和产率。

为了达到上述的目的，本发明提供一种利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，包括光源、光刻版、物镜和工件台，所述光源产生的曝光光源穿过所述光刻版，射入所述物镜，所述光刻版上设有图形，所述工件台上放置有硅片，还包括：光电效应板，从所述物镜射出的光束入射到所述光电效应板上，所述光电效应板在所述光束的照射下发生光电效应，发射出电子；偏转磁场，用于改变所述光电效应板发射出的电子的运动方向，使电子能够被电子收集器所收集；电子收集器，用于收集所述光电效应板发射出的电子，收集的电子垂直入射到所述硅片表面的光刻胶上；电子加速限位器，对所述电子收集器内的电子进行加速，同时使所述电子在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向等比例逐渐缩小。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，所述电子加速限位器集成在所述电子收集器内。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，还包括真空腔，所述光电效应板、偏转磁场、电子收集器、电子加速限位器和工件台设置在该真空腔内。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，所述电子收集器内的电子加速后的能量大于使光刻胶产生光酸的阈值。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，所述光电效应板采用金属材料或除金属材料外的其他光电效应材料制成。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，制成所述光电效应板的金属材料的极限频率小于所述光源产生的曝光光源的频率。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，所述电子加速限位器包括阴极电场和阳极电场，所述阴极电场设置在所述电子收集器的入口附近，所述阳极电场设置在所述电子收集器的出口附近，所述阴极电场的面积大于所述阳极电场的面积，所述阴极电场的电场强度比所述阳极电场的电场强度大。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，所述光电效应板的表面在有光束照射的区域有电子逸出，在无光束照射的区域无电子逸出。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，所述物镜汇聚穿过所述光刻版的光，将所述光刻版上的图形等比例缩小4～5倍。

上述利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其中，所述光刻版与所述硅片同步同向移动或者同步反向移动。

本发明提供的另一技术方案是一种成像方法，包括以下步骤：光源产生的曝光光源穿过光刻版射入物镜，经所述物镜汇聚后射出所述物镜，所述光刻版上设有图形；从所述物镜射出的光束入射到光电效应板上，使所述光电效应板发生光电效应，从所述光电效应板的表面逸出电子；从所述光电效应板表面逸出的电子在偏转磁场的作用下改变运动方向，使其能够被电子收集器所收集；所述电子收集器内的电子在电子加速限位器的作用下被加速，使其能量大于使光刻胶产生光酸的阈值，同时，所述电子在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向等比例逐渐缩小；所述电子收集器收集的电子垂直入射到所述硅片表面的光刻胶上，形成曝光图形，完成所述硅片一个场区的曝光；所述光刻版与所述硅片同步同向移动或者同步反向移动，完成整片所述硅片的曝光。

上述成像方法，其中，曝光成像过程在真空条件下进行。

本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法利用光束照射光电效应板，使光电效应板发生光电效应产生电子，由于光电效应产生的电子不受传统光学光刻的衍射的影响，间距缩小的电子可以实现更小级别的结构的光刻，与现有技术的光学步进扫描光刻机相比，具有更高的分辨率；

本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法在光刻时掩模台和放置硅片的工件台是同步同向移动或同步反向移动的，此结构和运行速率与现有技术的光学步进扫描光刻机相似，因此，可拥有与现有技术的光学步进扫描光刻机一样的高产率。

附图说明

本发明的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法由以下的实施例及附图给出。

图1是现有技术中光刻机成像系统的示意图。

图2是本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统的示意图。

图3是本发明中电子加速限位器的示意图。

具体实施方式

以下将结合图2～图3对本发明的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法作进一步的详细描述。

参见图2，本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统包括：

光源21，产生曝光光源；

光刻版22，放置在掩模台(图2中未示)上，位于所述光源21的下方，所述光刻版22上设有图形22a；

物镜23，位于所述光刻版22的下方，所述光源21产生的曝光光源穿过所述光刻版22，射入所述物镜23，该物镜23用于等比例缩小所述光刻版22上的图形22a；

光电效应板25，位于所述物镜23的下方，从所述物镜23射出的光束24入射到所述光电效应板25上，所述光电效应板25在所述光束24的照射下发生光电效应，发射出电子26；

偏转磁场(图2中未示)，用于改变所述光电效应板25发射出的电子26的运动方向，使所述光电效应板25发射出的电子26能被电子收集器27所收集并最终入射到硅片30表面的光刻胶上；

电子收集器27，用于收集所述光电效应板25发射出的电子26，该电子收集器27可限制电子的运动范围，使电子能够入射到所述硅片30表面的光刻胶上；

电子加速限位器，对所述电子收集器27内的电子28进行加速，以提高所述电子28的能量，同时使所述电子收集器27内的电子28在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向等比例逐渐缩小，优选地，所述电子加速限位器整合在所述电子收集器27内；

工件台29，所述硅片30放置在所述工件台29上，所述电子收集器27内的电子28垂直入射到所述硅片30表面的光刻胶上，形成曝光图形31，将所述光刻版22上的图形22a复制到所述硅片30表面的光刻胶上；

所述光源21产生的曝光光源为紫外光源，该光源21可以采用高压汞灯或者准分子激光器；

所述物镜23可将所述光刻版22上的图形22a等比例缩小4～5倍；

所述光电效应板25可以采用纯度很高的金属材料制成，也可以采用除金属材料外的其他可以发生光电效应的材料制成；

制成所述光电效应板25的金属材料的极限频率(或称为截止频率)小于所述光源21产生的曝光光源的频率，以使得所述光电效应板25在所述光源21产生的曝光光源的照射下，能够发生光电效应，并逸出电子；

所述光刻版22上有图形的区域，所述光源21产生的曝光光源不能穿过，所述光源21产生的曝光光源只能穿过所述光刻版22上无图形的区域，因此，所述光电效应板25上有些区域有光照射，有些区域没有光照射，在没有光照射的区域，不发生光电效应，所述光电效应板25不会逸出电子，只有在有光照射的区域才发生光电效应，所述光电效应板25才会逸出电子；

所述加速器使所述电子收集器27内的电子28沿电子运动方向加速，以提高所述电子28的能量，加速后入射到所述硅片30表面光刻胶上的电子的能量大于使光刻胶产生光酸的阈值；

所述电子加速限位器例如采用电场；

图3所示为本发明实施例的电子加速限位器的示意图，所述电子加速限位器包括阴极电场41和阳极电场42，所述阴极电场41设置在所述电子收集器27的入口附近，所述阳极电场42设置在所述电子收集器27的出口附近，所述阴极电场41的面积大于所述阳极电场42的面积，所述阴极电场41的电场强度比所述阳极电场42的电场强度大；

由于所述阴极电场41的面积大于所述阳极电场42的面积，所述阴极电场41的电场强度比所述阳极电场42的电场强度大，所以所述电子收集器27内的电子28从所述阴极电场41到达所述阳极电场42的过程中会被加速，同时，在该过程中，所述电子28在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向会等比例逐渐缩小，即加速前的电子从所述阴极电场41到达所述阳极电场44后成为加速后的电子，且加速后的电子间的间距缩小；

优选地，所述电子加速器限位器集成在所述电子收集器27内；

优选地，所述光电效应板25、偏转磁场、电子收集器27、电子加速限位器和工件台29设置在真空腔内。

本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统中，所述光源21、光刻版22和物镜23均可采用现有技术的光学步进扫描光刻机中的技术，所述偏转磁场、电子收集器27、电子加速器限位器等技术均可采用现有技术的电子束直写光刻机或电子扫描显微镜等设备中的技术，即本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统利用光电效应，将现有技术的光学步进扫描光刻机中的部分技术与现有技术的电子束直写光刻机中的部分技术结合。

继续参见图2，本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统的成像方法是：

所述光源21产生的曝光光源穿过所述光刻版22，射入所述物镜23，经所述物镜23汇聚后射出所述物镜23；所述光刻版22上设有图形22a，所述光刻版22上有图形的区域能遮蔽所述光源21产生的曝光光源，所述光源21产生的曝光光源只能穿过所述光刻版22上无图形的区域；所述物镜23汇聚穿过所述光刻版22的光，将所述光刻版22上的图形22a等比例缩小4～5倍；

从所述物镜23射出的光束24入射到所述光电效应板25上，使所述光电效应板25发生光电效应，从所述光电效应板25的表面逸出电子26；在有光束24照射的区域，所述光电效应板25的表面有电子26逸出，没有光束24照射的区域，所述光电效应板25的表面没有电子26逸出；

从所述光电效应板25表面逸出的电子26在所述偏转磁场的作用下改变运动方向，使其能被电子收集器27收集并最终能入射到所述硅片30表面的光刻胶上，所述电子收集器27收集所述电子26；

所述电子收集器27内的电子28在所述电子加速限位器的作用下沿电子运动方向作加速运动，以提高所述电子28的能量，同时，所述电子28在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向等比例逐渐缩小；

所述电子收集器27收集的电子28入射到所述硅片30表面的光刻胶上，形成曝光图形31，完成所述硅片30一个区域的曝光；

所述光刻版22与所述硅片30同步同向移动或者同步反向移动，完成整个场区和整片所述硅片30的曝光。

在整个曝光成像过程中，所述物镜23、光电效应板25、偏转磁场、电子收集器27、电子加速限位器保持静止不动，所述光刻版22与所述硅片30保持同步同向移动或者同步反向移动，所述光刻版22放置在掩模台上，所述硅片30放置在所述工件台29上，通过同步移动所述掩模台和工件台29实现所述光刻版22和硅片30的同步移动；

优选地，曝光成像过程在真空条件下完成。

本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法利用光电效应产生电子，由于光电效应产生的电子不受传统光学光刻的衍射的影响，间距缩小的电子可以实现更小级别的结构的光刻，与现有技术的光学步进扫描光刻机相比，具有更高的分辨率；

本发明利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统及其成像方法在光刻时掩模台和放置硅片的工件台是同步同向移动或同步反向移动的，此结构和运行速率与现有技术的光学步进扫描光刻机相似，因此，可拥有与现有技术的光学步进扫描光刻机一样的高产率。

Claims (11)

1.一种利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，包括光源、光刻版、物镜和工件台，所述光源产生的曝光光源穿过所述光刻版，射入所述物镜，所述光刻版上设有图形，所述工件台上放置有硅片，其特征在于，还包括：

光电效应板，从所述物镜射出的光束入射到所述光电效应板上，所述光电效应板在所述光束的照射下发生光电效应，发射出电子；

偏转磁场，用于改变所述光电效应板发射出的电子的运动方向，使电子能够被电子收集器所收集；

电子收集器，用于收集所述光电效应板发射出的电子，收集的电子入射到所述硅片表面的光刻胶上；

电子加速限位器，对所述电子收集器内的电子进行加速，同时使所述电子在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向等比例逐渐缩小，

其中，所述电子加速限位器包括阴极电场和阳极电场，所述阴极电场设置在所述电子收集器的入口附近，所述阳极电场设置在所述电子收集器的出口附近，所述阴极电场的面积大于所述阳极电场的面积，所述阴极电场的电场强度比所述阳极电场的电场强度大。

2.如权利要求1所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，所述电子加速限位器集成在所述电子收集器内。

3.如权利要求2所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，还包括真空腔，所述光电效应板、偏转磁场、电子收集器、电子加速限位器和工件台设置在该真空腔内。

4.如权利要求1所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，所述电子收集器内的电子加速后的能量大于使光刻胶产生光酸的阈值。

5.如权利要求1所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，所述光电效应板采用金属材料或除金属材料外的其他光电效应材料制成。

6.如权利要求5所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，制成所述光电效应板的金属材料的极限频率小于所述光源产生的曝光光源的频率。

7.如权利要求1、2或3所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，所述光电效应板的表面在有光束照射的区域有电子逸出，在无光束照射的区域无电子逸出。

8.如权利要求1、2或3所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，所述物镜汇聚穿过所述光刻版的光，将所述光刻版上的图形等比例缩小4～5倍。

9.如权利要求1、2或3所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统，其特征在于，所述光刻版与所述硅片同步同向移动或者同步反向移动。

10.一种如权利要求1所述的利用光电效应提高分辨率的光刻机成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

光源产生的曝光光源穿过光刻版射入物镜，经所述物镜汇聚后射出所述物镜，所述光刻版上设有图形；

从所述物镜射出的光束入射到光电效应板上，使所述光电效应板发生光电效应，从所述光电效应板的表面逸出电子；

从所述光电效应板表面逸出的电子在偏转磁场的作用下改变运动方向，使其能够被电子收集器所收集；

所述电子收集器内的电子在电子加速限位器的作用下被加速，使其能量大于使光刻胶产生光酸的阈值，同时，所述电子在垂直于电子运动方向的平面内的间距，沿电子运动方向等比例逐渐缩小；

所述电子收集器收集的电子入射到所述硅片表面的光刻胶上，形成曝光图形，完成所述硅片一个场区的曝光；

所述光刻版与所述硅片同步同向移动或者同步反向移动，完成整片所述硅片的曝光。

11.如权利要求10所述的成像方法，其特征在于，曝光成像过程在真空条件下进行。