CN103472689A - 增强照明数值孔径超分辨光刻成像设备及光刻成像方法 - Google Patents

Abstract

提供了增强照明数值孔径超分辨光刻成像设备及光刻成像方法。一示例光刻成像设备可以包括照明光束产生装置，配置为产生照明光束，该照明光束具有数值孔径NA>0的照明场。照明光束可以通过掩模和成像层，将掩模图形成像在感光层空间。

Description

增强照明数值孔径超分辨光刻成像设备及光刻成像方法

技术领域

本公开一般地涉及纳米光刻加工技术领域，更具体地，涉及一种利用高数值孔径照明场实现高对比度超分辨成像的光刻成像设备及光刻成像方法。

背景技术

随着现代光学成像技术发展，衍射现象成为限制成像光学系统分辨力的主要障碍。实现亚波长的光学超分辨率成像，将对纳米光刻加工、高分辨显微成像等高科技领域的发展具有重要意义。超透镜(Super lens)成像技术是近年来受到关注较多的一种新型的超高分辨率光学成像技术。它起源于Pendry提出的负折射率完美透镜(Perfect lens)。它的介电常数和磁导率同时为负值，能够将携带有物体亚波长结构信息的倏逝波分量进行放大。这样所有的波矢分量都能到达像面参与成像而没有缺失，从而理论上可以实现没有像差和分辨率限制的完美成像。但是自然界中并没有这种天然存在的具有负折射率的材料。2005年，根据静电近似将介电常数和磁导率分开处理而构建只针对具有横磁偏振态(TM)的入射光产生负折射效果。通过35nm厚的银膜，在实验上得到了1/6入射光波长(λ=365nm)的半周期分辨力。随后，各种使用银膜的超越衍射极限的成像尝试被报道。上述各种方法都是采用传统照明，即照明光源垂直照射到掩模平面。虽然上述方法提高了成像图形的分辨力，但是像强度对比和图形的均匀性还有待进一步提高。此外，空气间隔层(工作间隙)近乎为零，严重影响光刻效率和带来掩模损耗。

发明内容

鉴于上述问题，本公开的目的致力于提供增强照明数值孔径超分辨光刻成像设备及光刻成像方法。

根据本公开的实施例，可以通过提高照明场的数值孔径(NA)，来提高小线宽近场成像中的对比度。这种高NA照明场可以通过将离轴照明和高折射率的棱镜材料相结合而获得。另外，还可以进一步利用超透镜，实现在一定厚度间隔层情况下，近一步提高成像对比度和图形的均匀性。

根据本公开的一个方面，提供了一种光刻成像设备。该设备可以包括：照明光束产生装置，配置为产生照明光束，该照明光束具有NA>0的照明场，其中，照明光束通过掩模和成像层，将掩模图形成像在感光层空间。

根据本公开的实施例，照明光束产生装置可以包括：光源，配置为产生强度分布均匀光束；以及棱镜，其中均匀光束以一定角度倾斜入射到棱镜中。例如，光束可以入射到棱镜的侧表面上，并从棱镜的底面出射。

照明方式和棱镜结构可以根据掩模(纳米)图形的结构形式来确定。例如，针对沿于一维方向排布的线条图形，棱镜可以包括三角柱棱镜，均匀照明光束可以从棱镜两侧面入射，一维图形排布方向可以与棱镜的光出射面平行；对于沿二维正交方向排布的二维图形，棱镜可以包括梯形棱镜或金字塔棱镜，图形排布方向可以与棱镜的光出射面平行；对于其他排布方向例如三角形排布的二维图形，棱镜可以包括六角棱镜，图形排布方向可以与棱镜的光出射面平行。另外，对于复杂分布的图形，棱镜可以包括球棱镜，通过照明光束方向分布整形的光学系统，选择多个不同方向照明入射到球棱镜，照明方向与图形线条分布对应。

可以通过增大入射角度和/或选择棱镜的折射率来提高照明数值孔径。棱镜的材料选择可以根据照明光束的波长λ来确定。例如，可以选择在照明光束的波长下的透明玻璃材料，如照明光束的波长为365nm情况下，棱镜材料可以包括但不限于紫外透光的Al₂O₃、SiO₂等材料。可以根据棱镜的光出射面方向上掩模图形的特征尺寸(中心间距)d确定照明角度范围，例如n×sin(θ)位于0.8λ/(2d)～1.2λ/(2d)区间范围，n为棱镜材料的折射率，θ为照明光束与棱镜底面法线形成的夹角。

掩模可以包括掩模基底、在掩模基底上形成的掩模图形层、填充掩模图形层的填充层。可以通过折射率匹配液或粘合胶将掩模基底固定至棱镜的光出射面。成像层可以设置在填充层上。掩模基底与棱镜材料的折射率可以近似相同。填充层可以包括介质材料，包括但不限于PMMA等。成像层可以由介电常数为负的膜层构成，例如Au、Ag等。

在感光层背对照明光束的一侧可以形成反射式辅助成像层，在感光层面对照明光束的一侧可以形成透射式辅助成像层。透射式辅助成像层、感光层和反射式辅助成像层的叠层可以形成在适当的基底上。感光层可以包括光刻胶，辅助成像层可以包括介电常数为负的膜层，例如Au、Ag等。反射式辅助成像层与透射式辅助成像层可以包括相同的材料或者介电常数不同的材料。

成像层与透射式辅助成像层之间可以以一定厚度的间隔层进行隔离。该间隔层可以是空气层、真空层、液体层之一。

根据本公开的另一方面，提供了一种光刻成像方法。该方法可以包括：产生照明光束，该照明光束具有数值孔径NA>0的照明场；以及利用该照明光束，通过掩模和成像层将掩模图形成像在感光层空间。例如，可以利用强度分布均匀光束，以一定角度倾斜入射到棱镜中，来产生照明光束。

由于损耗和成像层粗糙度对光刻图形的影响较大，现有技术难以突破成像图形对比度低的限制。通过本技术可以有效提高成像对比度和图形的均匀性。

本技术充分考虑了实际膜层之间存在空气间隙的情况。现有技术在考虑空气间隙的情况下，对比度会急剧下降。而本技术充分考虑了实际光刻过程中膜层之间的间隙，在一定的间隙范围内，本技术仍能保持较高的成像对比度，这对于提高光刻效率、减少掩模磨损和提高寿命是非常有意义的。

与传统倾斜照明提高成像分辨力不同，本公开的技术组合了高数值孔径照明方式与超分辨成像结构。即使在存在纳米间隔层间隙的情况下，也可以实现远小于波长分辨力的成像对比度提高。

附图说明

图1是根据本公开实施例的光刻成像设备的示意图；

图2是根据本公开实施例的高数值孔径照明场对不同线宽一维图形的对比度提升效果；

图3根据本公开实施例的效果图；

图4是根据本公开另一实施例的掩模图形结构图；

图5是根据本公开实施例的相对于传统照明的效果图；

图6是根据图5所示的效果图在掩模图形中间位置的像场截线图。

附图标记

1  棱镜

2  掩模基底

3  掩模图形层

4  掩模图形层的填充层

5  成像层

6  透射式辅助成像层

7  感光层

8  反射式辅助成像层

9  基底

10 照明光束

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本公开。但以下的实施例仅限于解释本公开，本公开的保护范围应由权利要求及其等同物限定。此外，在以下说明中，可以省略对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

实施例1，在掩模图形为一维光栅线条图形时，图形层线宽35nm、周期70nm情况下，利用高数值孔径照明场实现高对比度超分辨成像光刻。

高数值孔径照明场光刻成像设备如说明书附图1(a)所示，具体条件是：1为高折射率的Al₂O₃三角柱棱镜；2为Al₂O₃材料的掩模基底；3为一维线条光栅图形，材料为Cr，光栅深度50nm，周期70nm，占空比为0.5；4为填充图形层的材料PMMA，均匀膜层厚度10nm；5为成像Ag层，厚度15nm；6为透射式辅助成像Ag层，厚度15nm；7为感光层，AR-P3170光刻胶，胶厚30nm；8为反射式辅助成像Ag层，厚度70nm；9为基底，1mm厚的石英；5和6之间为空气间隔层30nm；10为中心波长365nm的入射光，分别照射到三角柱棱镜的两个侧面，入射角度θ为60°(入射光与系统主光轴的夹角，在该示例中，主光轴对应于透镜底面的法线方向，即图中的竖直方向)。

数值仿真表明，高数值孔径照明能够显著提高一维光栅线条图形的成像对比度。在选定的棱镜材料为蓝宝石的情况下，通过增大照明光束相对主光轴的倾斜角，能够不断的增大照明数值孔径，从而实现在高数值孔径照明场下提高小线宽成像图形的对比度。

利用数值仿真，对上述条件下的高数值孔径照明场实现高对比度超分辨成像光刻的成像器件及光刻结果进行了仿真。Cr、Ag、感光层的介电常数分别为-8.55+8.96i、-2.4012+0.2488i、2.59。其仿真成像结果为说明书附图中图3所示，其中图3中给出了传统照明(NA＝0)下的成像结果，以及本公开(NA=1.55)的成像结果。显然，利用本案例设计的结构，在感光层实现了很好的成像质量。

另外，图2示出了对于不同的一维图形线宽，通过提高NA，得到的对比度改善效果。

实施例2，在掩模图形为二维正交方向排布的二维图形时，图形层线宽35nm、相邻两线条间的距离为70nm情况下，利用高数值孔径照明场实现高对比度超分辨成像光刻。

高数值孔径照明场光刻成像设备如说明书附图1(b)所示，具体条件是：1为高折射率的Al₂O₃梯形棱镜或金字塔棱镜；2为Al₂O₃材料的掩模基底；3为二维正交方向排布的二维掩模图形，图形层线宽35nm、相邻两线条间的距离为70nm(说明书附图中图4是掩模图形结构图)；4为填充图形层的材料PMMA，均匀膜层厚度10nm；5为成像Ag层，厚度15nm；6为透射式辅助成像Ag层，厚度15nm；7为感光层，AR-P3170光刻胶，胶厚30nm；8为反射式辅助成像Ag层，厚度70nm；9为基底，1mm厚的石英；5和6之间为空气间隔层30nm；10为入射光为中心波长365nm的四束非相干光照明，分别照射到梯形棱镜或金字塔棱镜的四个侧面；极化入射角60°，方位角0°、90°、180°与270°。

利用数值仿真，对上述条件下的高数值孔径照明场成像器件及光刻结果进行了仿真。其仿真成像结果为说明书附图中图5和图6所示，图5(a)和图5(b)是高数值孔径照明场纳米成像器件及光刻的示意图，图5(c)和图5(d)是传统正入射光刻示意图和结果图，图6是本公开和传统正入射在图5中在掩模图形中间位置的像场截线图(分别对强度的最大值进行归一)。仿真结果表明，利用高数值孔径照明场，能很好地提高近场成像图形的对比度和光刻分辨力。

尽管上面对本公开说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本公开，但应该清楚，本公开不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，在所附的权利要求限定和确定的本公开的精神和范围内，可以做出各种变化，这些变化在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种光刻成像设备，包括：

照明光束产生装置，配置为产生照明光束，该照明光束具有数值孔径NA>0的照明场，

其中，照明光束通过掩模和成像层，将掩模图形成像在感光层空间。

2.根据权利要求1所述的光刻成像设备，其中，照明光束产生装置包括：

光源，配置为产生强度分布均匀光束；以及

棱镜，其中均匀光束以一定角度倾斜入射到棱镜中。

3.根据权利要求2所述的光刻成像设备，其中，所述照明光束产生装置配置为通过增大入射角度和/或选择棱镜的折射率以提高NA。

4.根据权利要求2所述的光刻成像设备，其中，掩模包括掩模基底、在掩模基底上形成的掩模图形层、以及填充掩模图形层的填充层，其中通过折射率匹配液或粘合胶将掩模基底固定至棱镜的光出射面，成像层设置在填充层上。

5.根据权利要求4所述的光刻成像设备，还包括：在感光层背对照明光束的一侧形成的反射式辅助成像层以及在感光层面对照明光束的一侧形成的透射式辅助成像层。

6.根据权利要求5所述的光刻成像设备，其中，成像层与透射式辅助成像层之间以一定厚度的间隔层进行隔离。

7.根据权利要求2所述的光刻成像设备，其中，根据掩模图形的结构形式确定照明方式和棱镜结构。

8.根据权利要求7所述的光刻成像设备，其中，

掩模图形包括沿一维方向排布的线条图形，棱镜包括三角柱棱镜，均匀光束从棱镜两侧面入射，图形排布方向与棱镜的光出射面平行；和/或

掩模图形包括沿二维正交方向排布的二维图形，棱镜包括梯形棱镜或金字塔棱镜，图形排布方向与棱镜的光出射面平行；和/或

掩模图形包括三角形排布的二维图形，棱镜包括六角棱镜，图形排布方向与棱镜的光出射面平行；和/或

掩模图形包括复杂分布的图形，棱镜包括球棱镜，通过照明光束方向分布整形的光学系统，选择多个不同方向照明入射到球棱镜，照明方向与图形线条分布对应。

9.根据权利要求2所述的光刻成像设备，其中，棱镜包括根据照明光束的波长来选择的材料。

10.根据权利要求9所述的光刻成像设备，其中，棱镜材料包括Al₂O₃、SiO₂中任一种或在照明光束的波长下的透明玻璃材料。

11.根据权利要求2所述的光刻成像设备，其中，nsin(θ)位于0.8λ/(2d)～1.2λ/(2d)区间范围，其中λ为照明光束的波长，d为掩模图形在棱镜的光出射面方向上的特征尺寸或中间间距，n为棱镜材料的折射率，θ为照明光束与棱镜底面法线形成的夹角。

12.根据权利要求4所述的光刻成像设备，其中，掩模基底材料与棱镜材料的折射率近似相同。

13.根据权利要求5所述的光刻成像设备，其中，成像层以及反射式和透射式辅助成像层包括介电常数为负的材料。

14.根据权利要求13所述的光刻成像设备，其中，所述材料包括Ag、Au中任一种或其组合。

15.根据权利要求4所述的光刻成像设备，其中，填充层包括介质材料。

16.根据权利要求15所述的光刻成像设备，其中，该介质材料包括PMMA材料。

17.根据权利要求5所述的光刻成像设备，其中，反射式辅助成像层与透射式辅助成像层包括相同材料和不同介电常数的材料。

18.根据权利要求6所述的光刻成像设备，其中，间隔层包括空气层、真空层、液体层之一。

19.一种光刻成像方法，包括：

产生照明光束，该照明光束具有数值孔径NA>0的照明场；以及

利用该照明光束，通过掩模和成像层将掩模图形成像在感光层空间。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，产生照明光束包括：利用强度分布均匀光束，以一定角度倾斜入射到棱镜中。

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