CN102478767A - 无掩膜光刻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无掩膜光刻装置。该无掩膜光刻装置包括：聚焦衍射光学元件，用于将预设的光刻图形转移至衬底；第一莫尔光栅组，位于聚焦衍射光学元件所在的平面上，包括至少两个莫尔光栅，用于利用至少两个莫尔光栅产生的莫尔条纹的移动来调节聚焦衍射光学元件与衬底的距离。本发明的无掩模光刻装置将用于调焦的莫尔光栅组与该聚焦衍射光学元件集成在一起，具有调焦精度高、结构简单，成本低的优点。

Description

无掩膜光刻装置

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种无掩膜光刻装置。

背景技术

衍射光学元件是利用光的衍射现象对光波的波前进行调制，从而实现特定的光学功能的元件的总称。衍射光学元件包括各种光栅、波带片、光子筛等。它们在光谱学、波前整形、光通信、聚焦成像、微细加工等领域获得了广泛的应用。

波带片和光子筛是具有自聚焦能力的衍射光学元件。其中，波带片由透明和不透明圆环交替组成。阻挡菲涅耳半波带中的奇数带或偶数带，在点光源照明下，经它能聚焦获得高强度的像点。波带片的分辨率由其最外环宽度决定。目前的加工工艺可以使其分辨率达到十几纳米，因此它可以应用到微电子光刻领域。光子筛是基于菲涅耳波带片的一种新型的衍射光学元件，它将菲涅耳波带片上亮环对应的区域用大量随机分布的透光小孔来代替，小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.5倍。这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉，从而能够有效地抑制旁瓣效应和高级衍射，并且进一步提高分辨率。利用衍射光学元件进行无掩模光刻，因为其不需要掩模，因此可以大幅度降低光刻的成本，有着广阔的发展前景。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：在利用进行无掩模光刻时，不能实现聚焦衍射光学元件与基板距离的精密调节。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种无掩膜光刻装置，以实现聚焦衍射光学元件焦距的精密调节。

(二)技术方案

本发明公开了一种无掩膜光刻装置，包括：聚焦衍射光学元件，用于将预设的光刻图形转移至衬底；第一莫尔光栅组，位于聚焦衍射光学元件所在的平面上，包括至少两个莫尔光栅，用于利用至少两个莫尔光栅产生的莫尔条纹的移动来调节聚焦衍射光学元件与衬底的距离。

优选地，本技术方案中，第一莫尔光栅组包括周期方向相同的第一莫尔光栅和第二莫尔光栅；当光从第一莫尔光栅入射，调焦组件和聚焦衍射光学元件所在的平面与衬底所在的平面的距离变化为ΔG时，第二莫尔光栅的莫尔条纹移动：

$\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{mor}}=\frac{\mathrm{\ΔG}}{\mathrm{tg\θ}}\·\frac{P_1+P_2}{|P_2-P_1|},$

其中，θ为入射光的入射角；P₁为第一莫尔光栅的周期，P₂为第二莫尔光栅的周期。

优选地，本技术方案中，第一莫尔光栅的周期P₁和第二莫尔光栅的周期P₂接近，均位于1μm至10μm之间。最优地，第一莫尔光栅的周期P₁为2μm，第二莫尔光栅的周期P₂为2.2μm。

优选地，本技术方案中，无掩膜光刻装置还可以包括：第二莫尔光栅组，包括周期方向相同的第三莫尔光栅和第四莫尔光栅，用于从与第一光栅组垂直的方向调节聚焦衍射光学元件与衬底的距离。

(三)有益效果

本发明的无掩模光刻装置将用于调焦的莫尔光栅组与该聚焦衍射光学元件集成在一起，具有调焦精度高、结构简单，成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例无掩膜光刻装置中第一莫尔光栅组的示意图；

图2为本发明实施例无掩膜光刻装置中采用莫尔光栅组进行调焦的原理图；

图3为本发明实施例无掩膜光刻装置中光子筛的示意图；

图4为根据本发明实施例的无掩膜光刻装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种无掩膜光刻装置，包括聚焦衍射光学元件，用于将预设的光刻图形映射至衬底；第一莫尔光栅组，位于所述聚焦衍射光学元件所在的平面上，包括至少两个莫尔光栅，用于利用所述莫尔光栅产生的莫尔条纹的移动来调节所述聚焦衍射光学元件与所述衬底的距离。所述聚焦衍射光学元件和所述调焦组件通过刻蚀镀不透光金属薄膜的透光衬底形成。优选地，聚焦衍射光学元件和第一莫尔光栅组位于同一块掩膜板上。

本发明中，采用莫尔光栅，利用莫尔条纹的位移来进行调焦。将聚焦衍射光学元件和莫尔光栅进行集成并采用恰当的排列方式，能够有效的进行无掩膜光刻系统的调焦。该无掩模光刻装置简单易行，成本低，并可以满足高精度测量。

在本发明进一步的实施例中，无掩膜光刻系统包括两个莫尔光栅，这两个莫尔光栅在周期方向上相对水平，其周期分别是P₁、P₂。一束以θ角入射的激光照在P₁光栅上，其-1级衍射峰经过衬底所在平面反射后再入射到P₂光栅上，与P₂光栅产生干涉，形成差动莫尔条纹，该条纹再通过探测器加以收集。当衬底面和版图面间隙发生改变时，莫尔条纹也会发生位移，从而通过探测器得以呈现。图1为本发明实施例无掩膜光刻装置中第一莫尔光栅组的示意图。图2为本发明实施例无掩膜光刻装置中采用莫尔光栅组进行调焦的原理图。如图1和图2所示，

当衬底面和版图面之间的间隙变化ΔG时，引起的光程差变化ΔL为：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\ΔG}}{\cos \mathrm{\θ}}+\frac{\mathrm{\ΔG}}{\cos \mathrm{\θ}}\cos 2\mathrm{\θ}=2\mathrm{\Δ}G\cos \mathrm{\θ},$

位相差变化为：

其中， $P_l=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}.$

该位相差导致的莫尔条纹移动为：

$\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{mor}}=\frac{\mathrm{\ΔG}}{\mathrm{tg\θ}}\·\frac{P_1+P_2}{|P_2-P_1|},$

当光栅周期P₁、P₂取值接近时，莫尔条纹得到了较大倍率的放大。对于一个较小的间隙变化ΔG，即可产生较大的莫尔位移。利用此原理即可实现调焦对焦。

对于一组莫尔光栅组，只能调节某一个方向，即只能保证这条线处在焦面上。优选地，在相互垂直的两个方向都设计了莫尔光栅组，同时使版图在X和Y方向都是与衬底面平行，就可以保证整个平面都处在焦面上。

本发明的无掩膜光刻装置中，聚焦衍射光学元件可以为波带片或光子筛。如果聚焦衍射光学元件为波带片，波带片由一系列透明环带组成，每一透明环带的中心半径为r_n，宽度为w_n，其中：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²，n＝1，2，3......，

w_n＝λ/2r_n，其中λ为波长，f为焦距。

如果聚焦衍射光学元件为光子筛，该光子筛由一系列随机分布的透光圆孔组成。图3为本发明实施例无掩膜光刻装置中光子筛的示意图。如图3所示，透光圆孔分布在中心半径为r_n，宽度为w_n的环带上，所述平面式透光圆孔之间不重叠，圆心分布在环带中心半径r_n上，其中：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²，n＝1，2，3，......，

对应r_n上的平面式透光小孔的直径为：

d_n＝w_n＝λ/2r_n，其中λ为波长，f为焦距。

以下介绍本发明的一个具体实施例。图4为根据本发明实施例的无掩膜光刻装置的示意图。如图4所示，中间黑色圆形区域为两个作为聚焦衍射光学元件的光子筛，周围6个黑色方形区域为用于调焦的莫尔光栅。在竖直方向，有两组-共4个莫尔光栅；在水平方向，有一组-共2个莫尔光栅，两个方向的莫尔光栅分别在X，Y方向对聚焦衍射光学元件进行调焦。因为聚焦衍射光学元件是一个比较精密的器件，为了避免在制作过程中发生偶尔的损坏，在一块光刻版上制作了2个元件，相应的，在竖直方向做了2组莫尔光栅。

其中，对于其中一组莫尔光栅而言，P₁可以为2μm，P₂可以为2.2μm，各有50个周期，光栅宽度100μm。衬底由石英材料构成，直径为2.5cm，聚焦光子筛直径为5.3μm，波长为355nm，焦距为200μm，最外环圆孔直径200nm。

本发明无掩膜光刻装置中，聚焦衍射光学元件和所述调焦组件通过刻蚀镀不透光金属薄膜的透光衬底形成，透光衬底的材料还可以为普通玻璃或有机玻璃等透光材料，不透光的金属薄膜的材料还可以为金、铝或铜等不透光金属。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无掩膜光刻装置，其特征在于，包括：

聚焦衍射光学元件，用于将预设的光刻图形转移至衬底；

第一莫尔光栅组，位于所述聚焦衍射光学元件所在的平面上，包括至少两个莫尔光栅，用于利用所述至少两个莫尔光栅产生的莫尔条纹的移动来调节所述聚焦衍射光学元件与所述衬底的距离。

2.根据权利要求1所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述第一莫尔光栅组包括周期方向相同的第一莫尔光栅和第二莫尔光栅；

当光从所述第一莫尔光栅入射，所述调焦组件和所述聚焦衍射光学元件所在的平面与衬底所在的平面的距离变化为ΔG时，所述第二莫尔光栅的莫尔条纹移动：

$\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{mor}}=\frac{\mathrm{\ΔG}}{\mathrm{tg\θ}}\·\frac{P_1+P_2}{|P_2-P_1|},$

其中，θ为入射光的入射角；P₁为第一莫尔光栅的周期，P₂为第二莫尔光栅的周期。

3.根据权利要求2所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述第一莫尔光栅的周期P₁和第二莫尔光栅的周期P₂接近，均位于1μm至10μm之间。

4.根据权利要求3所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述第一莫尔光栅的周期P₁为2μm；第二莫尔光栅的周期P₂为2.2μm。

5.根据权利要求2所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，还包括：

第二莫尔光栅组，包括周期方向相同的第三莫尔光栅和第四莫尔光栅，用于从与所述第一光栅组垂直的方向调节所述聚焦衍射光学元件与所述衬底的距离。

6.根据权利要求1所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述的聚焦衍射光学元件为波带片或光子筛。

7.根据权利要求6所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述波带片由一系列透明环带组成，每一透明环带的中心半径为r_n，宽度为w_n，其中：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²，n＝1，2，3......，

w_n＝λ/2r_n，其中λ为波长，f为焦距。

8.根据权利要求6所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述光子筛由一系列随机分布的透光圆孔组成。它们分布在中心半径为r_n，宽度为w_n的环带上，所述透光圆孔之间不重叠，所述透光圆孔的圆心分布在环带中心半径r_n上，其中：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²，n＝1，2，3，......，

对应r_n上的透光圆孔的直径为：d_n＝w_n＝λ/2r_n，其中λ为波长，f为焦距。

9.根据权利要求1至8任一项所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述第一莫尔光栅组位于所述聚焦衍射光学元件的水平或垂直方向的两侧。

10.根据权利要求1至8任一项所述的无掩膜光刻装置，其特征在于，所述聚焦衍射光学元件和所述第一莫尔光栅组通过刻蚀镀不透光金属薄膜的透光衬底形成。

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