CN103186035B - 掩膜板及其制作方法、光刻胶层的曝光方法 - Google Patents

Abstract

一种掩膜板及其制作方法、光刻胶层的曝光方法，掩膜板包括透明基板，所述透明基板的预定区域具有掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成掩膜板上的图形；所述掺杂离子在泵浦光的照射下实现从低能级到高能级的跃迁；实现从低能级到高能级的跃迁后，所述掺杂离子在诱导光的照射下，产生发射光线，所述发射光线的波长、相位、振幅、传播方向均与所述诱导光相同，且所述发射光线的光强大于所述诱导光和泵浦光的光强。本技术方案改变了传统的对光刻胶层进行曝光的方法，就避免了光线经过掩膜板时的衍射现象，无论图形的特征尺寸缩小到何种程度，均可以利用该掩膜板进行光刻胶层的曝光工艺。

Description

掩膜板及其制作方法、光刻胶层的曝光方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及掩膜板及其制作方法、光刻胶层的曝光方法。

背景技术

在半导体制造过程中，光刻工艺处于中心地位，是集成电路生产中最重要的工艺步骤。随着半导体制造技术的发展，特征尺寸越来越小，对光刻工艺中分辨率的要求越来越高。光刻分辨率是指通过光刻机在硅片表面能曝光的最小特征尺寸，是光刻技术中重要的性能指标之一。

图1为现有技术中光线经掩膜板、投影系统后照射到具有光刻胶层的硅片上的示意图，参考图1，在图形的特征尺寸较大时，光源40发出的光线经掩膜板10后，一级衍射光线41和零级衍射光线42可以被投影系统20捕捉到，并经该投影系统20后照射硅片30上的光刻胶层31，对光刻胶层31进行曝光。在图形的特征尺寸较大时，由于投影系统可以捕获到一级衍射光线和零级衍射光线，照射到光刻胶层上的光线轮廓比较清晰，光刻胶层经曝光后，图形的轮廓清晰，因此掩膜板上的图形可以较好的转移到光刻胶层上。

随着半导体工艺的发展，图形的特征尺寸越来越小，在图形的特征尺寸较小时，光源40发出的光线经掩膜板10后，只有零级衍射光线42可以被投影系统20捕捉到，并经该投影系统20后照射硅片30上的光刻胶层31，对光刻胶层31进行曝光。由于投影系统仅可以捕获到零级衍射光线，而零级光线不能形成清晰的图形。因此，在图形的特征尺寸越来越小时，光刻的分辨率非常差不能满足光刻胶层曝光的需求。

光刻分辨率与入射光的波长成正比、与透镜的数值孔径或透镜的折射率成反比。具体来说，对于光刻分辨率R，存在这样的关系：其中，λ为入射光波长，NA为透镜的数值孔径，σ为透镜的折射率。显而易见，减少曝光光源的波长对提高分辨率非常重要。另一个提高分辨率的重要参数是增加投影透镜的数值孔径，然而，增加数值孔径就需要更大的透镜半径，这将导致器件的价格非常昂贵。

现有技术中，提高光刻分辨率的技术包括：利用短波长光源，相移掩膜(phase-shift mask)，沉浸式光刻(immersion lithography)，光学邻近效应校正(OPC，optical proximity correction)，双重光刻(double patterning)，轴外照射(Off-axis illumination)等。然而，由于光线透过掩膜板时衍射现象的存在，以上提高光刻分辨率的技术在图形的特征尺寸越来越小时，均会遇到极限。

现有技术中，有许多关于掩膜板的专利文献，例如2009年4月16日公开的公开号为US2009/0095922A1的美国专利申请公开的“method of repairing apolymer mask(修复聚合物掩膜板的方法)”，然而，均没有解决以上技术问题。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术的曝光工艺，在图形的特征尺寸越来越小时，均会遇到极限。

为解决上述问题，本发明提供一种掩膜板，包括透明基板，所述透明基板的预定区域具有掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成掩膜板上的图形；

所述掺杂离子在泵浦光的照射下实现从低能级到高能级的跃迁；实现从低能级到高能级的跃迁后，所述掺杂离子在诱导光的照射下，产生发射光线，所述发射光线的波长、相位、振幅、传播方向均与所述诱导光相同，且所述发射光线的光强大于所述诱导光和泵浦光的光强。

可选地，所述透明基板的材料为钠钙玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃或者氧化铝。

可选地，所述掺杂离子为Er³⁺、Eu³⁺或者他们的组合。

可选地，所述泵浦光为具有第一预定波长的激光。

可选地，所述诱导光为具有第二预定波长的激光。

本发明还提供一种掩膜板的制作方法，包括：

提供透明基板；

在所述透明基板的预定区域形成掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成图形，所述掺杂离子在泵浦光的照射下实现从低能级到高能级的跃迁；实现从低能级到高能级的跃迁后，所述掺杂离子在诱导光的照射下，产生发射光线，所述发射光线的波长、相位、振幅、传播方向均与所述诱导光相同，且所述发射光线的光强大于所述诱导光和泵浦光的光强。

可选地，利用离子注入工艺在所述透明基板的预定区域形成掺杂离子。

可选地，所述透明基板的材料为钠钙玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃或者氧化铝。

可选地，所述掺杂离子为Er³⁺、Eu³⁺或者他们的组合。

可选地，所述泵浦光为具有第一预定波长的激光。

可选地，所述诱导光为具有第二预定波长的激光。

本发明还提供一种光刻胶层的曝光方法，包括：

提供光刻胶层和所述的掩膜板；

用泵浦光照射所述掩膜板；

在泵浦光照射掩膜板后，用诱导光照射所述掩膜板，所述掩膜板在所述泵浦光和所述诱导光的照射下产生发射光线，且所述发射光线的光强大于所述诱导光和泵浦光的光强；

所述光刻胶层在所述发射光线以及诱导光、泵浦光透射出掩膜板的透射光线的照射下进行曝光。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本技术方案的掩膜板，包括透明基板以及透明基板上的图形层，其中图形层中预定区域具有掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成了图形层中的图形。在用泵浦光和诱导光照射掩膜板时，掩膜板上的掺杂离子发出与诱导光波长、传播方向、相位均相同的发射光线，该诱导光具有激光的特性，单色性和方向性非常好，因此该发射光线的单色性和方向性也非常好，当诱导光垂直照射掩膜板时，该发射光线也垂直掩膜板传播，而且有掺杂离子区域产生的发射光线的强度比其他区域透射出掩膜板的透射光线的强度大很多，将透射光线和发射光线照射至光刻胶层后，可以在光刻胶层上形成与光强匹配的图形，即经过掩膜板后的光线照射光刻胶层后，在光刻胶层上可以形成与掩膜板的图形层中的图形相同的图形，从而实现将掩膜板上的图形转移至光刻胶层上。由于利用本技术方案的掩膜板进行光刻胶层的曝光时，改变了传统的对光刻胶层进行曝光的方法，相应的也就避免了光线经过掩膜板时的衍射现象，无论图形的特征尺寸缩小到何种程度，均可以利用该掩膜板进行光刻胶层的曝光工艺，克服现有技术的曝光工艺在图形的特征尺寸越来越小时均会遇到极限的问题。

附图说明

图1为现有技术中光线经掩膜板、投影系统后照射到具有光刻胶层的硅片上的示意图；

图2为本发明具体实施例的掩膜板的平面示意图；

图3为图2所示的掩膜板沿A-A方向的剖面结构示意图；

图4为本发明具体实施例的掩膜板的工作原理示意图；

图5为本发明具体实施例的光刻胶层曝光方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

发明人经过研究发现：电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。因此一种物质受到泵浦光的照射后，其外层的电子可以从低能级跃迁到高能级。另外，发明人发现，有些物质中掺杂离子后，该掺杂的离子在诱导光的作用下会产生光放大现象。本发明中，发明人将物质受激从低能级跃迁到高能级与掺杂离子的光放大现象结合，发现当物质中掺杂的离子受激发从低能级跃迁到高能级后，再用具有激光特性的诱导光照射掺杂离子后，掺杂离子产生的发射光线与诱导光具有相同的传播方向、波长、振幅、相位等，而且，发射光线的能量比掺杂离子受激跃迁后自发发射产生光线的能量放大。

需要说明的是，本发明中，泵浦光和诱导光均为激光。泵浦光，用来照射物质使外层的电子可以从低能级跃迁到高能级，用功能命名为泵浦光；诱导光，用来照射受激发后的物质使该物质产生激光，用功能命名为诱导光。

基于以上原理，本发明中提出了一种掩膜板，由掺杂离子形成的区域构成了掩膜板上的图形，经泵浦光和诱导光照射后掺杂离子可以产生具有激光特性的发射光线，由该发射光线照射光刻胶层后对光刻胶层进行曝光，由于泵浦光、诱导光、发射光线具有激光特性，因此光刻胶层上形成的图形和掩膜板上掺杂离子形成的图形相同，避开了传统的对光刻胶层进行曝光的方法，不会产生光线经掩膜板厚的衍射效应，因此光刻的分辨率可以无限缩小。

为了使本领域技术人员可以更好理解本发明，下面结合附图以及具体实施例详细描述本发明。

图2为本发明具体实施例的掩膜板的平面示意图，图3为图2所示的掩膜板沿A-A方向的剖面结构示意图，结合参考图2和图3，本发明具体实施例的掩膜板包括透明基板51，所述透明基板51的预定区域具有掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成掩膜板的图形52。掺杂离子在泵浦光的照射下实现从低能级到高能级的跃迁；实现从低能级到高能级的跃迁后，所述掺杂离子在诱导光的照射下，产生发射光线，所述发射光线的波长、相位、振幅、传播方向均与所述诱导光相同。

本发明具体实施例中，透明基板51的材料为钠钙玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃或者氧化铝，但不限于这些材料，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

本发明具体实施例中，掺杂离子为Er³⁺、Eu³⁺或者它们的组合。在钠钙玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃或者氧化铝中掺杂了Er³⁺、Eu³⁺或者它们的组合后，Er³⁺、Eu³⁺会产生光放大现象。关于该光放大现象原理详细可以参考论文“王兴军，稀土搀杂氧化铝结构对光致发光特性的影响研究(博士论文)。大连，大连理工大学，2004”。

另外，本发明具体实施例中，在透明基板51中掺杂离子的浓度需要根据实际情况进行调整，关于Er³⁺掺杂的具体工艺可以参考“Erbium implanted thinfilm photonic material，J.App.Phys.82，1(1997)”。Eu³⁺的具体工艺可以参考Er³⁺掺杂的具体工艺进行。本发明中，对Er³⁺、Eu³⁺的浓度不进行具体的限定，本领域技术人员通过有限次的实验可以毫无疑问的获知Er³⁺、Eu³⁺的浓度。

图4为本发明具体实施例的掩膜板的工作原理示意图，参考图4，当用泵浦光61的照射掩膜板时，掩膜板图形52中的掺杂离子实现从低能级到高能级的跃迁。其中，泵浦光61为具有第一预定波长的激光，具有高能量、方向性好、单色性好等优点，由于激光的能量高，因此可以使掺杂离子实现从低能级到高能级的跃迁；而且，在对光刻胶进行曝光工艺时，泵浦光需要垂直掩膜板照射，确保通过透明基板51没有图形区域透出的透射光线63垂直照射光刻胶层。

需要说明的是，本发明中，对泵浦光61的波长不做限定，只要可以使掺杂离子从低能级跃迁到高能级的激光均可以适用。在具体应用中，需要根据实际情况确定第一预定波长的值，也就是确定符合要求的泵浦光61。

继续参考图4，用诱导光62照射掩膜板，在泵浦光61使掺杂离子实现从低能级到高能级的跃迁后，用诱导光62照射掩膜板时，图形中的掺杂离子可以产生与诱导光62的波长、相位、振幅、传播方向均相同的发射光线64，而且，发射光线64的强度大于所述诱导光和泵浦光的强度，即掺杂离子对诱导光进行了光放大。其中，诱导光62为具有第二预定波长的激光，具有高能量、方向性好、单色性好等优点，因此产生的发射光线64也为激光，具有高能量、方向性好、单色性好等优点；而且，在对光刻胶进行曝光工艺时，诱导光62需要垂直掩膜板照射，确保通过透明基板51没有图形区域透出的透射光线63垂直照射光刻胶层。图4中，透射光线63代表诱导光、泵浦光透射出透明基板51的光线。在具体应用中，需要根据实际情况确定第二预定波长的值，也就是确定符合要求的诱导光62。

基于以上的原理，当利用本发明的掩膜板进行光刻胶层的曝光时，利用泵浦光61、诱导光62垂直照射掩膜板，泵浦光61、诱导光62经过掩膜板上没有图形的区域后的透射光线63、经过图形52后的发射光线64之间的光强具有明显区别，当透射光线63和发射光线64照射至光刻胶层后，可以在光刻胶层上形成反映光强变化的曝光图形，从而实现将掩膜板上的图形转移至光刻胶层上。

基于以上的原理，结合参考图2和图3、图4，本发明还提供一种掩膜板的制作方法，包括：

提供透明基板51；

在所述透明基板51的预定区域形成掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成掩膜板上的图形52，所述掺杂离子在泵浦光61的照射下实现从低能级到高能级的跃迁；实现从低能级到高能级的跃迁后，所述掺杂离子在诱导光62的照射下，产生发射光线64，发射光线64的波长、相位、振幅、传播方向均与所述诱导光相同，且发射光线64的强度大于所述诱导光和泵浦光的强度。

本发明具体实施例中，利用离子注入工艺在所述透明基板51的预定区域形成掺杂离子。关于离子注入工艺可以参考“Erbium implanted thin filmphotonic material，J.App.Phys.82，1(1997)”，在此不做赘述。

根据以上提供的掩膜板，参考图5，本发明还提供一种光刻胶层的曝光方法，包括：提供所述的掩膜板和光刻胶层72，该掩膜板包括透明基板51以及具有掺杂离子的预定区域形成的图形52；用泵浦光61照射所述掩膜板；用诱导光62照射所述掩膜板，所述掩膜板在所述泵浦光和所述诱导光的照射下产生发射光线64；光刻胶层在所述发射光线64以及诱导光、泵浦光透射出掩膜板的透射光线63的照射下进行曝光。

具体为，提供具有光刻胶层72的基底71，提供所述的掩膜板；用泵浦光61照射所述掩膜板；用诱导光62照射所述掩膜板，所述掩膜板在所述泵浦光和所述诱导光的照射下产生发射光线64，由于经图形52中的掺杂离子放大后的发射光线64比诱导光62、泵浦光61透射出掩膜板的透射光线63的光强大，因此在光刻胶层72上形成了反应光强变化的图形73，在图5中以图形73示意光刻胶层72中形成的图形，该图形73与掩膜板上的图形52相同。

在具体操作中，可以根据工艺需求调整诱导光、泵浦光照射掩膜板的时间。并且，诱导光、泵浦光照射掩膜板是最好垂直照射，这样才可以精确的将掩膜板上的图形转移到光刻胶层上。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种应用于光刻工艺的掩膜板，其特征在于，包括：透明基板，利用对透明基板进行掺杂的方式，在所述透明基板的预定区域具有掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成掩膜板上的图形；

所述掺杂离子在泵浦光的照射下实现从低能级到高能级的跃迁；实现从低能级到高能级的跃迁后，所述掺杂离子在诱导光的照射下，产生发射光线，所述发射光线的波长、相位、振幅、传播方向均与所述诱导光相同，且所述发射光线的光强大于所述诱导光和泵浦光的光强。

2.如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述透明基板的材料为钠钙玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃或者氧化铝。

3.如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述掺杂离子为Er³⁺、Eu³⁺或者他们的组合。

4.如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述泵浦光为具有第一预定波长的激光。

5.如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述诱导光为具有第二预定波长的激光。

6.一种应用于光刻工艺的掩膜板的制作方法，其特征在于，包括：

提供透明基板；

在所述透明基板的预定区域形成掺杂离子，具有掺杂离子的预定区域构成图形，所述掺杂离子在泵浦光的照射下实现从低能级到高能级的跃迁；实现从低能级到高能级的跃迁后，所述掺杂离子在诱导光的照射下，产生发射光线，所述发射光线的波长、相位、振幅、传播方向均与所述诱导光相同，且所述发射光线的光强大于所述诱导光和泵浦光的光强。

7.如权利要求6所述的掩膜板的制作方法，其特征在于，利用离子注入工艺在所述透明基板的预定区域形成掺杂离子。

8.如权利要求6所述的掩膜板的制作方法，其特征在于，所述透明基板的材料为钠钙玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃或者氧化铝。

9.如权利要求7所述的掩膜板的制作方法，其特征在于，所述掺杂离子为Er³⁺、Eu³⁺或者他们的组合。

10.如权利要求6所述的掩膜板的制作方法，其特征在于，所述泵浦光为具有第一预定波长的激光。

11.如权利要求6所述的掩膜板的制作方法，其特征在于，所述诱导光为具有第二预定波长的激光。

12.一种光刻胶层的曝光方法，其特征在于，包括：

提供光刻胶层和权利要求1～5任一项所述的掩膜板；

用泵浦光照射所述掩膜板；

在泵浦光照射掩膜板后，用诱导光照射所述掩膜板，所述掩膜板在所述泵浦光和所述诱导光的照射下产生发射光线，且所述发射光线的光强大于所述诱导光和泵浦光的光强；

所述光刻胶层在所述发射光线以及诱导光、泵浦光透射出掩膜板的透射光线的照射下进行曝光。