CN103424795B - 一种反射式分光光栅及干涉光刻系统 - Google Patents

Abstract

一种反射式分光光栅及干涉光刻系统，该反射式分光光栅包括位于反射面的光栅槽形区和位于该光栅槽形区外围的阻光区，所述光栅槽形区包括周期性分布的光栅结构，该光栅结构具有槽形反射面和非反射区，所述槽形反射面与光栅基面之间形成一斜角。该反射式分光光栅能够实现对±1级光的最大调制，使得反射出去的分束光具有最高的能量利用率，通过该反射式分光光栅的获得的干涉图形，具有良好的边界质量，能够完成进行精密的拼接图形，使得大幅面干涉光刻技术得到显著的提升。

Description

一种反射式分光光栅及干涉光刻系统

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，特别是一种干涉光刻技术中用到的分光光栅以及利用该分光光栅形成的干涉光刻系统。

背景技术

干涉光刻技术是光刻技术中的重要分支，近年来受到了广泛的重视。干涉光刻的主要优势在于可以获得很高的图形分辨率。在光学系统的波长λ和数值孔径NA一定的情况下，干涉光学系统可获得的最小线宽为λ/(4NA)，是普通投影成像光学系统的1/2。此外，干涉光刻光路简单，制备的图形周期准确，均匀性好。

干涉光刻有两类典型的光路方案。光路方案一是全息拍摄光路。（参考：博士论文Toward Nano-accuracy in Scan Beam Interference Lithography P24-26）典型光路如图1所示，激光束被半透半反分光镜一分为二，然后各自经过滤波和扩束，最后在工件表面形成两光束的干涉。该光路方案的主要局限有以下几点：

第一，光路长，体积大，耐干扰能力差。同时，光路对激光的相干长度要求较高。一般适用于光学实验室内，不适用于光学加工设备中。第二，光刻幅面有限。受扩束镜的孔径的限制，干涉光刻区域一般小于300mm。如果要增加扩束镜的孔径，则制造难度和成本大幅增加。第三，光刻区域的边缘的图形质量较差。首先，由于光束截面上的光强分布成高斯分布，导致光刻区域边缘的光强相对中部明显减弱（请参见图2）。其次，经过扩束镜输出的激光束也不是严格的平行光束，而是一个球面波，由此导致干涉光刻区域的条纹不是严格的平行直线，而是呈双曲线分布，在边缘区域尤其明显（请参见图3）。

由于上述第3点。其曝光区域不易于实现精密拼接曝光，从而限制了该方案用于大幅面光刻。

光路方案二是投影成像光路。该光路方案，相比全息拍摄光路，具有以下明显优势：

光路短、体积小巧、抗干扰内力强，适用于光学加工设备中。由于结合了成像光路，其曝光区域的形状和轮廓易于控制，有利于实现大面积拼接曝光。

在具体的分光方法上可采用多种分光器件，其中基于衍射光栅的分光方法是其中的重要代表，它具有如下优点：

一、对照明光源的相干性要求低。

二、光路结构简单可靠，并且易于与投影成像光路相结合。

三、分束后的多级光具有良好的一致性。

四、核心原件衍射光栅，体积小巧，易于制备。

由于上述优点，基于衍射光栅分光的成像投影干涉光路在干涉光刻中占有重要地位，其光路典型结构如图4所示。

衍射光栅是此类光路系统中核心元件。为了实现理想的双光束干涉，理想的衍射光栅输出的衍射级的复振幅分布如图5所示：‘+1’级和‘-1’级的强度相等，并且集中了光场中的全部能量，其它的衍射级能量为零。

实际上，现有的衍射光栅无法达到上述理想分布。现有的衍射光栅的一般采用几种易于制备的结构，其典型代表为余弦位相光栅和矩形位相光栅。前者通常一般采用全息拍摄的方法制作，而后者通常采用激光直写和掩模曝光等方法制作。

基于这两种衍射光栅所获得的衍射级复振幅分布，与理想分布仍然有较大的差距。即使对其结构参数，包括周期、槽深和占空比等加以调控和优化，仍然只能获得有限的改善。其典型输出衍射级分布如图6所示。

其主要不足表现为：

第一：±1级衍射效率有待提高。第二：对无用的衍射级（0级和2级以上级次）无法实现充分抑制。

对于第一点，目前已知的正弦位相光栅的±1级的衍射效率最大值约为68％；矩形位相光栅，在占空比为1/2，并且位相调制度为π时，可以获得最大±1级衍射效率约81％。但是仍然有待进一步提高。

对于第二点，光场的噪声和干扰较大。0级和2以上级次混入±1级中。即使采用光阑滤波，其滤波准确性难以实现。如果光阑遮挡过少，导致过滤不干净；如果光阑遮挡过多，损伤±1级光。最终使得曝光的干涉条纹中存在畸变和噪声，而且边缘的图形质量欠佳。

由于上述第2点。其曝光区域不易于实现精密拼接曝光，从而限制了该方案用于大幅面光刻。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种反射式分光光栅和干涉光刻系统。采用该分光光栅和干涉光刻系统，加工的图形质量更高，并且易于实现大面积精密拼接曝光。

为了实现上述目的，本发明的反射式分光光栅提供的技术方案如下：

包括位于反射面的光栅槽形区和位于该光栅槽形区外围的阻光区，所述光栅槽形区包括周期性分布的光栅结构，该光栅结构具有槽形反射面和非反射区，所述槽形反射面与光栅基面之间形成一斜角。

优选的，所述槽形反射面与所述光栅结构的占空比为0.6-0.8。

优选的，所述槽形反射面与所述光栅结构的占空比为

优选的，所述非反射区为深沟结构，其深度大于所述槽形反射面的最大深度。

优选的，所述阻光区上设有阻光材料。

优选的，所述周期性分布的光栅结构为一维光栅或二维光栅。

进一步的，本发明提供的一种干涉光刻系统的技术方案如下：

包括光源、分束器件、投影光学镜组和载物平台，所述分束器件为上述的反射式分光光栅，所述光源发射的光线截面大于所述反射式分光光栅的光栅槽形区尺寸。

优选的，所述光源发射的光线入射到所述反射式分光光栅的反射面上，该光线的入射方向与所述光栅基面形成入射角，所述入射角与所述斜角之间满足如下的关系：

[sin(θ)-sin(θ-2γ)]d/λ＝N+1/2，

其中，θ为入射角，γ为斜角，N为自然数。

优选的，所述投影光学镜组包括至少两组透镜组，该些透镜组组成成像光路，所述反射式分光光栅形成该成像光路的物面，所述载物平台上表面形成该成像光路的像面。

优选的，所述反射式分光光栅的±1级光形成在所述投影光学镜组的等效光阑内，其余级次的光形成在该等效光阑外。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下的技术优势：

第一、本发明的干涉光刻系统可实现对干涉光路所需的±1级衍射光的增强，而对其它无用的衍射级次充分抑制。其中，0级光被完全消除，而2级以上的高级次光也被充分的抑制。相比已有的基于余弦位相光栅或者矩形位相光栅的分光干涉光学加工系统和方法，本发明所提出的光栅结构和配套光路，±1级衍射效率更高，最高可达92.3％。

第二、相比已有的干涉光刻系统，本发明的干涉光刻系统获得的干涉图案（条纹或者点阵）的均匀性更佳，获得的曝光光场的光强分布更加接近理想的余弦分布。

第三、本发明的干涉光刻系统获得的曝光光场边缘的图形质量大幅提升，特别适用于精密拼接曝光以实现大面积光刻。

第四、本发明的干涉光刻系统的结构简单可靠，无需设置光阑进行光场滤波。光路中采用成像光路，干涉光场的轮廓和形状由衍射光栅自身的轮廓和形状决定，通过对衍射光栅多个槽面的取舍控制，可以实现干涉光场图案的像素化控制，因而可实现的加工图形并不局限于周期状结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是典型的干涉光路结构示意图；

图2是干涉区域光强的分布示意图；

图3是典型干涉条纹的畸变示意图；

图4是现有的投影成像的干涉光刻系统结构示意图；

图5是理想分光光栅的衍射光谱；

图6是实际的现有分光光栅的衍射光谱；

图7是本发明的反射式分光光栅的结构示意图；

图8是本发明干涉光刻系统的结构示意图；

图9是本发明的反射式分光光栅的衍射光级复振幅分布；

图10为采用本发明的干涉光刻系统获得的单次曝光干涉图案的光学显微镜图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有的干涉光刻工艺中，使用衍射光栅作为分光器件时，由于衍射光栅存在衍射效率低和无用衍射级无法充分抑制的缺陷，使得曝光时的干涉图像存在条纹不清晰和边缘畸变的问题。

因此本发明的目的在于提出一种应用在干涉光刻工艺中的反射式分光光栅和使用该分光光栅的干涉光刻技术，该反射式分光光栅能够在提高衍射光栅±1级衍射效率的同时，抑制其它级次的衍射光能量，尤其是0级光和±2级光的效率，使得该光栅的±1级衍射效率能够达到92%以上，明显优于现有的分光光栅的衍射效率。

下面，将对本发明的技术方案做详细描述。

请参见图7，图7是本发明的反射式分光光栅的结构。如图所示，该分光光栅1包括位于反射面10的光栅槽形区11和位于该光栅槽形区11外围的阻光区12。一般来说，光栅槽形区11的形状为圆形或正方形，当然将该光栅槽型区11设计成其它形状时，也不违背该分光光栅1的使用。光栅槽型区11的面积不宜过大，应保证扩束光源照射在该分光光栅1上时，光斑的尺寸大于该光栅槽型区11的面积，这样一来，入射光线照射到分光光栅1的反射面10之后，在光栅槽型区11的光斑部分被反射，而位于阻光区12的光斑部分则被吸收，相对于普通的表面全尺光栅结构的衍射光栅而言，本发明通过限定光栅槽区域在整个光栅表面的分布大小，起到一个光阑的作用，使得被反射的光斑具有很好的边界一致性，无需任何对准技术即可实现每次曝光的边界自动对准。同时又可以减少无用的反射光对干涉光路造成不必要的影响。

所述光栅槽形区11包括周期性分布的光栅结构110，该光栅结构具有槽形反射面111和非反射区112，所述槽形反射面111与光栅基面之间形成一斜角γ，这里的光栅基面是指光栅的水平表面。当入射光线入射到该光栅结构上时，在槽型反射面111上的部分被反射，而在非反射区112上的部分则被吸收。槽型反射面111与普通的闪耀光栅原理相似，起到衍射分光的作用。与普通衍射分光光栅不同的是，本发明的分光光栅，在光栅结构中，加入了非反射的区域，该非反射区112和槽型反射面111共同形成了单个的光栅结构，利用非反射区112实现对于槽型反射面111的占空比调控，即当需要槽型反射面111占整个光栅结构的比例大时，则将非反射区112设计的小些，而需要将槽型反射面111所占的占空比小时，则可以加大非反射区112的尺寸。对于上述调节所起到的作用，将在下文中做详细描述。

进一步地，该非反射区112的结构可以是图示中的深沟结构，即该区域的深度大于所述槽型反射面111的最大深度，使得入射光线无法入射到该部分区域中而形成暗区。这种光栅结构可以通过激光直写和离子刻蚀的方法制作得到。或者该非反射区112也可以是由制作在表面的阻光材料形成的光线暗区，以及其它可以使该区域无法反射光线的结构。

进一步地，该周期性分布的光栅结构110可以为一维光栅或二维光栅。对于一维光栅，经过分束光线干涉之后形成的曝光图形为明暗相间的条纹状图形。对而二维光栅，经过分束光线干涉后形成的曝光图形则为明暗相间的点阵图形。

所述阻光区12由制作在分光光栅表面的阻光材料形成，该阻光材料可以为黑色染料、墨水、或其不能引起光反射的材料。

请参见图8，图8是本发明的干涉光刻系统的结构示意图。如图所示，该干涉光刻系统包括光源20、分束器件10、投影光学镜组30和载物平台40。分束器件10即为上述的反射式分光光栅，光源20最好采用相干性能好的激光光源，该激光光源发出的光束，经过适当的准直和扩束光路后，斜入射到分束器件10的反射面上形成反射光。通常，要求该入射光束的光斑截面大小要大于反射式分光光栅的光栅槽形区尺寸。这样一来就能使得反射光的边界被光栅槽形区的边界自然限定，不用考虑对准的问题。

所述载物平台40托载加工工件或光学系统，该载物平台40在X、Y两个维度上可动。通过控制载物平台与光学系统的相对移动，可实现大面积的光刻加工。

所述投影光学镜组30包含至少两组透镜31和32，该两组透镜31和32形成成像光路。其中的反射式分光光栅的反射面为物面，载物平台40上放置的工件上表面为像面。入射光束经过分束器件10分光后，再经过投影光学镜组30，最终在置于载物平台40上的加工工件表面形成双光束干涉曝光。

进一步地，反射式分光光栅的±1级光形成在所述投影光学镜组的等效光阑内，其余级次的光形成在该等效光阑外。图中22是投影光学镜组30的等效光阑，并非独立的光学元件。由于投影光学镜组的孔径限制，超出其有效孔径的光场将被遮挡而无法透过。

为了更好地理解本发明的创造性以及技术效果，下面将对上述反射式分光光栅以及利用该分光光栅组成的干涉光刻系统的物理原理做具体分析。需要指出的是，下述的理论分析部分也是本发明创作思想的一部分，而非本领域技术人员的常规推断，本发明的具体实施部分仅是该发明创作的一种具体应用。

根据信息光学理论，以单位振幅的平行光照明，以θ角入射到所述分光光栅12上，在频谱面上获得的衍射级复振幅分布为：

$E\left(\mathrm{\ξ}\right)=\frac{\sin \left(2\mathrm{\πk}(\mathrm{\ξ}-f\sin (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ}))\right)}{\mathrm{\πk}(\mathrm{\ξ}-f\sin (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ}))}\frac{\sin (\mathrm{\πk}(\mathrm{\ξ}-f\sin \mathrm{\θ})\·(2M+1)\·d)}{\sin (\mathrm{\πk}(\mathrm{\ξ}-f\sin )\·d)},k=\frac{1}{\mathrm{\λf}}$

其中λ为入射光的波长，f为投影光学镜组30的焦距，M为分光光栅的槽数，θ为入射光的入射角，γ为槽形反射面111与光栅基面之间形成的斜角，d为单个光栅结构的槽宽即周期，a为槽形反射面111的所占宽度。

复振幅分布E的第一项为单缝衍射因子，它决定了E的包络，其轮廓为sinc函数类型。

复振幅分布E的第二项为多缝干涉因子。

申请人在对该表达式进行数学分析时，得出以下结论：

1、在光源波长λ和光栅参数（斜角γ和槽宽d）一定的情况下，改变入射角θ，可以使得各衍射级次相对sinc包络的左右移动。

根据本结论，特别地，当入射角θ满足下式时：

[sin(θ)-sin(θ-2γ)]d/λ＝N+1/2，N为整数。

可以使得某两个衍射级次位于sinc包络的主峰中，并呈对称分布。由此可以获得对0级光的完全消除，同时±1级光集中了光场的绝大部分能量。

2、改变槽形反射面在整个光栅结构中的占空比a/d，可以实现各衍射级次的间距相对sinc包络的零点间距的增大或减小。

根据本结论，选取合适的占空比a/d，可以实现±2级以上的高级次位于sinc包络的零点的附近，从而被充分抑制。通常，将该占空比a/d选取在0.6-0.8之间时，可以得到一个较高的衍射效率。最优的当占空比时，可得±1级的衍射效率的最大值92.3%，在图9中给出了对应的各个级次复振幅分布。如图所示，通过设置恰当的占空比a/d和入射角，该分光光栅的衍射光谱中，零级光被消除，±2级以上的光被抑制在sinc包络的零点间距附近从而其所占的振幅能量最小，而此时±1级的衍射效率的最大，接近理想的衍射光栅输出效率。

基于上述原理，在本发明设计的分光光栅中，不仅考虑光栅对于衍射分光的影响参数，即光栅的槽形斜面角度和入射光角度等参数，也考虑了该光栅中对于衍射效率的调制参数，即在光栅结构中加入了非反射的区域，使得槽形反射面占整个光栅结构的占空比可调。这样一来，可以使得由本发明的分光光栅得到的两束分束光的能量利用率最大、且形成的干涉图形的分辨率最高。

下面，在例举一个具体实施例来说明本发明利用上述干涉光刻系统进行干涉光刻的方法。

1、采用半导体激光器作为光源，激光波长为405nm，激光功率200mw，激光束经滤波和扩束准直后，投射到反射式分光光栅的反射面上。

2、投影光学镜组30采用微缩投影光路，微缩倍数根据镜头倍率从5倍到100倍可选。典型的情况下，采用20倍镜头，其数值孔径NA=0.45。

3、分光光栅的材料为硅，参数如下：周期10um，槽形反射面的斜角（近似闪耀角）13度，占空比为0.75。最佳入射角度约为27.4度，在实际光路中可以微调入射角，以使得‘+1’级和‘-1’级的能量对称相等。

4、具体加工时，可以采用飞行曝光方式，即激光器做短脉冲曝光，平台连续运动。将加工工件表面放置在载物平台的加工区域，可以获得极高的加工效率和定位精度。飞行曝光时，可以控制平台和曝光头之间的相对位移速度，将每次的单幅曝光图形进行拼接，由于本发明的单次曝光图形具有很好的边界质量，即不会发生边界畸变和较好的分辨率，所以拼接完成后，相对现有的干涉光刻图形，就有更好的完整性和精密性。

请参见图10，图10为采用本发明的干涉光刻系统获得的单次曝光的干涉图案，从该图中可以看出，在图形边缘处，几乎保持着完整的边界形貌，并且所有的干涉点阵也清晰可见，效果远远好于目前的干涉光刻图案。

综上所述，本发明提出了一种反射式分光光栅和干涉光刻系统，该反射式分光光栅能够实现对±1级光的最大调制，使得反射出去的分束光具有最高的能量利用率，通过该反射式分光光栅的获得的干涉图形，具有良好的边界质量，能够完成进行精密的拼接图形，使得大幅面干涉光刻技术得到显著的提升。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种反射式分光光栅，其特征在于：包括位于反射面的光栅槽形区和位于该光栅槽形区外围的阻光区，所述光栅槽形区包括周期性分布的光栅结构，该光栅结构具有槽形反射面和非反射区，所述槽形反射面与光栅基面之间形成一斜角。

2.如权利要求1所述的反射式分光光栅，其特征在于：所述槽形反射面与所述光栅结构的占空比为0.6-0.8。

3.如权利要求1所述的反射式分光光栅，其特征在于：所述槽形反射面与所述光栅结构的占空比为

4.如权利要求1所述的反射式分光光栅，其特征在于：所述非反射区为深沟结构，其深度大于所述槽形反射面的最大深度。

5.如权利要求1所述的反射式分光光栅，其特征在于：所述阻光区上设有阻光材料。

6.如权利要求1所述的反射式分光光栅，其特征在于：所述周期性分布的光栅结构为一维光栅或二维光栅。

7.一种干涉光刻系统，包括光源、分束器件、投影光学镜组和载物平台，其特征在于：所述分束器件为权利要求1至6任意一项所述的反射式分光光栅，所述光源发射的光线截面大于所述反射式分光光栅的光栅槽形区尺寸。

8.如权利要求7所述的干涉光刻系统，其特征在于：所述光源发射的光线入射到所述反射式分光光栅的反射面上，该光线的入射方向与所述光栅基面形成入射角，所述入射角与所述斜角之间满足如下的关系：

[sin(θ)-sin(θ-2γ)]d/λ＝N+1/2，

其中，θ为入射角，γ为斜角，N为自然数，d为单个光栅结构的槽宽。

9.如权利要求7所述的干涉光刻系统，其特征在于：所述投影光学镜组包括至少两组透镜组，该些透镜组组成成像光路，所述反射式分光光栅形成该成像光路的物面，所述载物平台上放置一工件，该工件表面形成该成像光路的像面。