CN103376663A - 一种干涉曝光系统及其曝光方法 - Google Patents

Abstract

一种干涉曝光系统，用于对涂有光刻胶的基底曝光，入射光通过分束装置分成至少两束光束，对应形成至少两个干涉臂；每个干涉臂设置有快门，控制所在干涉臂是否参与曝光及曝光时间；至少一个干涉臂设置有相位补偿器，用于改变所在干涉臂的光束相位。一种干涉曝光方法，包括提供一基底，于基底表面涂覆光刻胶；提供入射光，将所述入射光分成两束光束，对应形成两个干涉臂；调节两个干涉臂中的一个干涉臂的光束相位，使所述干涉臂的光束相位改变180°╳N，N为整数；利用两个干涉臂对基底上的光刻胶进行多次曝光，并旋转基底，在基底光刻胶上形成多组干涉条纹相互叠加的干涉图案。本发明的优点在于能够在正负光刻胶上灵活形成孔和柱图形。

Description

一种干涉曝光系统及其曝光方法

 

技术领域

本发明涉及光刻曝光领域，特别涉及干涉曝光技术。

背景技术

干涉光刻技术利用光的干涉和衍射特性，通过特定的光束组合方式，对干涉场内的光强分布进行调制，并用感光材料记录下来，产生光刻图形。

干涉光刻具有高分辨率的优点，即可以相对容易地达到曝光波长的1/4，还具有大焦深的优点，即接近光源的相干波长。因此，干涉光刻可用于几十纳米至几个微米尺寸的周期性图形加工。

美国专利US6285817提出了一种基于球面波的多光束干涉光刻技术方案，使用若干个放置在离待曝光衬底很远处的点光源，产生扩散球面波，以一定传播角度会聚在涂胶衬底之上，形成大面积的干涉图形。美国专利US6882477及参考文献“Immersion microlithography at 193 nm with a Talbot prism interferometer”（Proc. SPIE 5377）中公开了基于平面波的Talbot干涉曝光方案，也能够得到一维或二维的干涉图形。

目前，二维周期性图形阵列在图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate, PSS)、光子晶体、场发射显示器FED（Field Emission Display）等领域有重要的应用价值。在这些应用场景中，都需要在一定大小的衬底上，制造呈正四边形或正六边形均匀密布的二维周期性结构，如图1所示。

参见图2和图3所示，利用多光束干涉形成二维周期性结构时，对应的二维图形(如图1中的圆)位于干涉加强的位置。这就意味着，可以通过干涉曝光的方式，在正光刻胶上形成周期性的密集孔，在负光刻胶上形成周期性的密集柱结构。传统投影光刻可以通过改变掩模图形，在不同的光刻胶上任意生成孔和柱的结构，与此相比，干涉光刻在这方面欠缺灵活性。

对于某些应用场景，如图形化蓝宝石衬底PSS，其一般工艺需要在正光刻胶上形成密集柱的图形，而负光刻胶的分辨率不如正光刻胶，这对干涉光刻的高分辨率是一种限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在正负光刻胶上灵活生成孔或柱图形。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种干涉曝光系统，用于对涂有光刻胶的基底曝光，包括：

分束装置， 入射光通过所述分束装置分成至少两束光束，对应形成至少两个干涉臂；

其特征在于，每个干涉臂设置有快门，控制所在干涉臂是否参与曝光及曝光时间；

至少一个干涉臂设置有相位补偿器，用于改变所在干涉臂的光束相位。

进一步，入射光通过分束装置分成强度相等、偏振态相同，且空间上均匀分布的光束。

进一步，所述入射光通过所述分束装置分成两束光，对应形成两个干涉臂，其中一个干涉臂上设置有相位补偿器，使所述干涉臂的光束相位改变180°╳（2N+1），其中，N为整数，所述干涉曝光系统还包括旋转机构，用于承载所述基底使所述基底实现360°旋转，在对所述基底曝光时，旋转所述基底，在所述基底上形成多数组干涉条纹相互叠加的干涉图案。

优选的，还包括反射装置，设置在各个干涉臂中，使各干涉臂中的光束以相同的入射角入射并汇聚到所述基底上。

进一步，所述入射光通过所述分束装置分成至少三束光束，对应形成至少三个干涉臂，其中，至少两个干涉臂设置有相位补偿器，使至少两个干涉臂的光束相位变化之和为180×(2N+1)，N为整数。

本发明还提供了一种干涉曝光方法， 包括：

提供一基底，于所述基底表面涂覆光刻胶；

提供入射光，将所述入射光分成两束光束，对应形成两个干涉臂；

调节两个干涉臂中的一个干涉臂的光束相位，使所述干涉臂的光束相位改变180°╳N，其中，N为整数；以及

利用所述两个干涉臂对所述基底上的光刻胶进行多次曝光，并旋转所述基底，在所述基底光刻胶上形成多组干涉条纹相互叠加的干涉图案。

进一步，所述干涉臂的光束相位改变180°╳2N，所述基底上形成的多组干涉条纹中的明条纹叠加形成多个光强极大点。

进一步，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个孔结构。

进一步，所述干涉臂的光束相位改变180°╳（2N+1），所述基底上形成的多组干涉条纹中的暗条纹叠加形成多个光强极小点。

进一步，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个柱结构。

进一步，每完成一次曝光之后即将所述基底旋转一预定角度，之后进行下一次曝光。

进一步，所述预定角度等于360°除以所述基底的曝光次数。

本发明还提供一种干涉曝光方法，包括：

提供一基底，于所述基底表面涂覆光刻胶；

提供入射光，并将所述入射光分成至少三束光束，以形成至少三个干涉臂；

利用所述至少三个干涉臂对所述基底进行多次曝光以在所述基底表面形成多组干涉条纹相互叠加的干涉图案；

其特征在于，每一次曝光时，仅以两个干涉臂对所述基底进行曝光，且两个干涉臂中一个干涉臂的光束相位改变，多次曝光后，发生相位改变的干涉臂的光束相位改变之和为180°╳N，其中N为整数。

进一步，发生相位改变的干涉臂的光束相位改变之和为180°╳2N，所述基底上形成的多组干涉条纹中的明条纹叠加形成多个光强极大点。

进一步，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个孔结构。

进一步，所述干涉臂的光束相位改变180°╳（2N+1），所述基底上形成的多组干涉条纹中的暗条纹叠加形成多个光强极小点。

进一步，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个柱结构。

本发明一种干涉曝光系统及其曝光方法的优点在于不需要掩模即可灵活的正负光刻胶上形成孔和柱图形，方便高效。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1为现有技术中衬底上二维周期性图形示意图；

图2为现有技术中四光束干涉过程及形成图形的光强分布示意图；

图3为现有技术中三光束干涉过程及形成图形的光强分布示意图；

图4为本发明干涉曝光系统第一实施例的结构示意图；

图5为第一实施例干涉曝光形成的密集孔图形；

图6为第一实施例形成密集孔的原理示意图；

图7为第一实施例干涉曝光形成的密集柱图形；

图8为第一实施例形成密集柱的原理示意图；

图9为本发明干涉曝光系统第二实施例的结构示意图；

图10为本发明干涉曝光系统第三实施例的结构示意图；

图11为第三实施例干涉曝光形成的密集孔图形；

图12为第三实施例干涉曝光形成的密集柱图形；

图13为第三实施例干涉曝光形成密集孔的原理示意图；

图14为第三实施例干涉曝光形成密集柱的原理示意图；

图15为本发明干涉曝光系统第四实施例的原理示意图；

图16为第四实施例干涉曝光形成密集孔的原理示意图；

图17为第四实施例干涉曝光形成密集柱的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

第一实施例

参照图4所示，该干涉曝光系统包括分束装置1，两个快门21、22，两个反射镜31、32，涂胶基底4，旋转机构5和相位补偿器6。入射光10经过所述分束装置1被分成强度相等、偏振态相同，且空间上对称的两束光，即第一光束101和第二光束102。第一光束101和第二光束102各自经过反射镜31、32后以相同的入射角入射并汇聚到所述涂胶基底4表面。两个快门21、22分别设置在所述第一光束101和所述第二光束102所在干涉臂中，所述相位补偿器6设置在所述第一光束101所在的第一干涉臂。所述相位补偿器6可以是波片或液晶相位延迟器，可以使光束101的位相至少改变0(或360)度和180度。快门可控制该路光束是否参与曝光以及曝光时间。所述涂胶基底4附着于所述旋转机构5上，能够实现360度旋转。所述入射光10为准直的单色相干光，一般为波长从深紫外到450nm左右的激光。

若要在正光刻胶上形成如图5所示正六边形分布的密集孔，将所述相位补偿器6的相位延迟设置为0或360度，打开快门21和快门22，使所述涂胶基底4在旋转0度、120度、240度的姿态下，进行三次曝光。将曝光后的基底显影，即可得到如图5所示的图形结构。这种情况等价于在基底上曝光3组一维干涉条纹结构，如图6所示，其中3次干涉的明条纹，即基底旋转0度干涉形成的明条纹71、基底旋转120度干涉形成的明条纹81、基底旋转240度干涉形成的明条纹91叠加，产生能量极大点100，即在正光刻胶上形成密集孔。图6还图示了基底旋转0度干涉形成的暗条纹72、基底旋转120度干涉形成的暗条纹82、基底旋转240度干涉形成的暗条纹92。如果基底上涂的是负光刻胶，完成上述操作，可以形成密集柱。

若要在正光刻胶上产生图7所示的正六边形密集柱结构，则首先在基底旋转0度时，将相位延迟器的相位延迟量设置为180度或者180度的奇数倍，打开快门进行第一次曝光；接着在基底旋转120度、240度时，均将相位延迟期的延迟量设置为0度或360度，进行第二、第三次曝光。将曝光后的基底显影即可得到如图7所示的图形。这种曝光方式能够将图5中0度旋转基底时的干涉条纹移动半个周期，如图8所示，于是在三次干涉的暗条纹叠加处，即基底旋转0度干涉形成的暗条纹72、基底旋转120度干涉形成的暗条纹82、基底旋转240度干涉形成的暗条纹92叠加，产生能量极小点200，即在正光刻胶上形成密集柱。图8还图示了基底旋转0度干涉形成的明条纹71、基底旋转120度干涉形成的明条纹81、基底旋转240度干涉形成的明条纹91。如果基底上涂的是负光刻胶，完成上述操作，可以形成密集孔。

第二实施例

参照图9所示，本实施例的干涉曝光系统包括分束装置1，三个快门21、22、23，三个反射镜31、32、33，涂胶基底4和相位补偿器6。本实施例同样能够实现在正光刻胶上形成正六边形分布的密集孔和密集柱图形的功能。

入射光20可以为准直的单色相干光，一般为波长从深紫外到450nm左右的激光；入射光经过分束装置1，被分成强度相等、偏振态相同，投影到基底上空间角度互成120度的3束光，即第一光束201、第二光束202和第三光束203。三束光各自经过一个反射镜31、32、33后，以相同的入射角入射并汇聚到涂胶基底表面。三个快门21、22、23分别设置在所述第一光束201、所述第二光束202和所述第三光束203所在干涉臂中，所述相位补偿器6设置在所述第一光束201所在第一干涉臂。所述相位补偿器6可以是波片或液晶相位延迟器，可以使光束201的位相至少改变0(或360)度和180度。快门可控制该路光束是否参与曝光以及曝光时间。涂胶基底上涂覆有正光刻胶。

该干涉曝光系统干涉曝光形成密集孔时，相位补偿器6相位延迟设置为0或360度，打开全部快门，直接曝光基底，显影后可得到如图5所示的图形。如果基底上涂的是负光刻胶，完成上述操作，可以形成密集柱。

形成密集柱时，首先打开快门21和22，并设置相位补偿器6使第一光束201的相位延迟180度或者180度的奇数倍，在基底上进行第一次曝光；接着将相位补偿装置6的相位延迟设置为0或360度，打开快门21和23，在基底上进行第二次曝光；最后打开快门22和23，进行第三次曝光。三次曝光后，将基底显影后即可得到如图7所示的图形。如果基底上涂的是负光刻胶，完成上述操作，可以形成密集孔。

本实施例干涉曝光的原理与实施例1相同，参照图6、图8所示。相位补偿器6的安放位置并不是唯一的，可以安放在第二光束202所在干涉臂上，也可安放在第三光束203所在干涉臂上。

第三实施例

本实施例能够实现在正光刻胶上形成正四边形分布的密集孔和密集柱图形。该干涉曝光系统包括分束装置1，相位补偿器61、62，四个反射镜31、32、33、34和涂胶基底4。与实施例1相比，本实施例省去了旋转机构。

入射光30经过分束装置1，被分成强度相等、偏振态相同，映射到基底后夹角互成90度的四束光，分别为第一光束301、第二光束302、第三光束303和第四光束304。四束光分别经过反射镜31、32、33、34后，以相同的入射角度入射并汇聚到涂胶基底4表面，其中第一光束301和第二光束302、第三光束303和第四光束304两两相对。第一光束301所在的第一干涉臂和第二光束302所在的第二干涉臂各自经过一个相位补偿器6，该相位补偿器6可以是波片或液晶相位延迟器，可以使第一光束301和第二光束302的位相至少改变0(或360)度和180度。每束光所在干涉臂上分别设置有一个快门21、22、23、24，快门可控制该干涉臂的光束是否参与曝光和曝光时间；涂胶基底上涂覆有正光刻胶。入射光30为准直的单色相干光，一般为波长从深紫外到450nm左右的激光。

生成密集孔时，所有相位补偿器相位延迟设置为0或360度，打开全部快门，直接曝光基底，显影后可得到如图11所示的图形。图形的形成过程如图13所示，图13示出了第一光束和第三光束或者第二光束和第四光束干涉形成的暗条纹311和明条纹312，第二光束和第三光束或者第一光束和第四光束干涉形成的暗条纹321和明条纹322，第一光束和第二光束干涉形成的暗条纹331和明条纹332，第三光束和第四光束干涉形成的暗条纹341和明条纹342。如果基底上涂的是负光刻胶，完成上述操作，可以形成密集柱。此种情况下，相位改变量之和为180度的偶数倍即可。

生成密集柱时，依次进行以下6次曝光：打开快门21和22，两个相位补偿器的相位延迟设置为0或360度，进行第一次曝光；打开快门21和23，第一干涉臂所在的相位补偿器设置相位延迟为180度，进行第二次曝光；打开快门21和24，两个相位补偿器的相位延迟设置为0或360度，进行第三次曝光；打开快门22和23，两个相位补偿器的相位延迟设置为0或360度，进行第四次曝光；打开快门22和24，第二干涉臂所在的相位补偿器设置相位延迟为180度，进行第五次曝光；打开快门23和24，两个相位补偿器的相位延迟设置为0或360度，进行第六次曝光。

完成六次曝光后，将基底显影，即可得到如图12所示的图形。其图形形成过程如图14所示，图14示出了第一光束和第三光束或者第二光束和第四光束干涉形成的暗条纹311和明条纹312，第二光束和第三光束或者第一光束和第四光束干涉形成的暗条纹321和明条纹322，第一光束和第二光束干涉形成的暗条纹331和明条纹332，第三光束和第四光束干涉形成的暗条纹341和明条纹342。需要说明的是，此处相位补偿器的安装位置不是唯一的，也可安放在光束3和光束4。如果基底上涂的是负光刻胶，完成上述操作，可以形成密集孔。此种情况下，相位改变量之和为180度的奇数倍即可。

第四实施例

参见图15所示，本实施例干涉曝光系统包括分束装置1、相位补偿器61、62、调整反射镜31、32、33反射镜和涂胶基底4。

入射光40为准直的单色相干光，一般为波长从深紫外到450nm左右的激光。入射光经过分束装置1，被分成强度相等、偏振态相同，投影到基底面空间角度互成120度的3束光，分别为第一光束401，第二光束402和第三光束403。三束光分别经过反射镜31、32、33，以相同的入射角度入射并汇聚到涂胶基底4表面。第一光束401所在的第一干涉臂和第三光束403所在的第三干涉臂设置有相位补偿器61和相位补偿器62，该相位补偿器可以是波片或液晶相位延迟器，可以使光束的位相0度至180度之间改变。每束光所在的干涉臂分别设置有快门21、22、23，可控制该干涉臂的光束是否参与曝光和曝光时间；涂胶基底4上涂覆有正光刻胶。

如图16所示，生成密集孔时，相位补偿器61、62的相位延迟设置为0或360度，打开全部快门，直接曝光基底，显影后可得到如图5所示的图形。第二光束402和第三光束403干涉形成的明条纹411、第一光束401和第二光束402干涉形成的明条纹421、第一光束401和第三光束403干涉形成的明条纹431叠加，产生光强极大点100，形成密集孔。图16还示出了第二光束402和第三光束403干涉形成的暗条纹412、第一光束401和第二光束402干涉形成的暗条纹422、第一光束401和第三光束403干涉形成的暗条纹432。在此种情况下，相位补偿器调节光束，使相位改变之和为180度的偶数倍。

生成密集柱时，首先打开快门21和22，并设置相位补偿器61使光束401的相位延迟90度，在基底上进行第一次曝光；接着将相位补偿器62的相位延迟设置为90度，相位补偿器61的相位延迟设置为0或360度，打开快门21和23，在基底上进行第二次曝光；最后打开快门22和23，将相位补偿器61、62的相位延迟设置为0度，进行第三次曝光。三次曝光后，将基底显影后即可得到如图7所示的图形。

该过程如图17所示，第二光束402和第三光束403干涉形成的暗条纹412、第一光束401和第二光束402干涉形成的暗条纹422、第一光束401和第三光束403干涉形成的暗条纹432叠加，形成光强极小点200，在正光刻胶上形成密集柱。图17还使出了第二光束402和第三光束403干涉形成的明条纹411、第一光束401和第二光束402干涉形成的明条纹421、第一光束401和第三光束403干涉形成的明条纹431。需要说明的是，相位补偿器的安放位置并不是唯一的，可以安放在光束2的光路上，也可安放在光束3的光路上。只要其效果使三光束两两之间的相干条纹的暗条纹相交即可，即总的相位补偿器相位调节之和等于180度或180度的奇数倍即可。

本发明不需要掩模即可灵活的正负光刻胶上形成密集孔和密集柱图形，方便高效。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (17)

1.一种干涉曝光系统，用于对涂有光刻胶的基底曝光，包括：

分束装置， 入射光通过所述分束装置分成至少两束光束，对应形成至少两个干涉臂；

其特征在于，每个干涉臂设置有快门，控制所在干涉臂是否参与曝光及曝光时间；

至少一个干涉臂设置有相位补偿器，用于改变所在干涉臂的光束相位。

2.根据权利要求1所述的曝光系统，其特征在于，入射光通过分束装置分成强度相等、偏振态相同，且空间上均匀分布的光束。

3.根据权利要求1所述的曝光系统，其特征在于，所述入射光通过所述分束装置分成两束光，对应形成两个干涉臂，其中一个干涉臂上设置有相位补偿器，使所述干涉臂的光束相位改变180°╳（2N+1），其中，N为整数，所述干涉曝光系统还包括旋转机构，用于承载所述基底使所述基底实现360°旋转，在对所述基底曝光时，旋转所述基底，在所述基底上形成多组干涉条纹相互叠加的干涉图案。

4.根据权利要求1所述的曝光系统，其特征在于，还包括反射装置，设置在各个干涉臂中，使各干涉臂中的光束以相同的入射角入射并汇聚到所述基底上。

5.如权利要求1所述的曝光系统，其特征在于，所述入射光通过所述分束装置分成至少三束光束，对应形成至少三个干涉臂，其中，至少两个干涉臂设置有相位补偿器，使至少两个干涉臂的光束相位变化之和为180×(2N+1)，N为整数。

6.一种干涉曝光方法， 包括：

提供一基底，于所述基底表面涂覆光刻胶；

提供入射光，将所述入射光分成两束光束，对应形成两个干涉臂；

调节两个干涉臂中的一个干涉臂的光束相位，使所述干涉臂的光束相位改变180°╳N，其中，N为整数；以及

利用所述两个干涉臂对所述基底上的光刻胶进行多次曝光，并旋转所述基底，在所述基底光刻胶上形成多组干涉条纹相互叠加的干涉图案。

7.根据权利要求6所述的干涉曝光方法，其特征在于，所述干涉臂的光束相位改变180°╳2N，所述基底上形成的多组干涉条纹中的明条纹叠加形成多个光强极大点。

8.根据权利要求7所述的曝光方法，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个孔结构。

9.根据权利要求6所述的干涉曝光方法，其特征在于，所述干涉臂的光束相位改变180°╳（2N+1），所述基底上形成的多数组干涉条纹中的暗条纹叠加形成多数光强极小点。

10.根据权利要求9所述的干涉曝光方法，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个柱结构。

11.根据权利要求6所述的干涉曝光方法，其特征在于，每完成一次曝光之后即将所述基底旋转一预定角度，之后进行下一次曝光。

12.如权利要求11所述的干涉曝光方法，其特征在于，所述预定角度等于360°除以所述基底的曝光次数。

13.一种干涉曝光方法，包括：

提供一基底，于所述基底表面涂覆光刻胶；

提供入射光，并将所述入射光分成至少三束光束，以形成至少三个干涉臂；

利用所述至少三个干涉臂对所述基底进行多次曝光以在所述基底表面形成多组干涉条纹相互叠加的干涉图案；

其特征在于，每一次曝光时，仅以两个干涉臂对所述基底进行曝光，且两个干涉臂中一个干涉臂的光束相位改变，多次曝光后，发生相位改变的干涉臂的光束相位改变之和为180°╳N，其中N为整数。

14.如权利要求13所述的干涉曝光方法，其特征在于，发生相位改变的干涉臂的光束相位改变之和为180°╳2N，所述基底上形成的多组干涉条纹中的明条纹叠加形成多个光强极大点。

15.如权利要求14所述的干涉曝光方法，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个孔结构。

16.根据权利要求13所述的干涉曝光方法，其特征在于，所述干涉臂的光束相位改变180°╳（2N+1），所述基底上形成的多组干涉条纹中的暗条纹叠加形成多个光强极小点。

17.根据权利要求16所述的干涉曝光方法，还包括对所述基底进行显影，以在所述基底表面形成多个柱结构。

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