CN103777473A - 基于受激光发射损耗的激光直写曝光装置 - Google Patents

Abstract

一种基于受激发射光损耗激光直写曝光装置，其特点在于其构成包括激发光源、退激发光源、第一空间光调制器、第二空间光调制器、二分之一波片组、二向色镜、相位型波带片、振幅型波带片、高数值孔径消色差物镜和三维扫描平台。本发明可实现高分辨、长焦深的光学曝光。

Description

基于受激光发射损耗的激光直写曝光装置

技术领域

本发明属于光学曝光领域，特别是一种基于受激光发射损耗的激光直写曝光装置。

背景技术

随着超大规模集成电路集成度的不断提高，作为集成电路制造关键技术的投影光刻技术也因此得到了迅猛发展。不断提高投影光刻系统的分辨率、焦深一直是科研人员研究的重点。光学曝光技术主要是以缩短光刻机的曝光波长和提高光刻物镜的数值孔径作为提高光刻机分辨率的有效手段，但同时会使投影物镜的焦深急剧减小。目前国际主流的深紫外光刻(DUVL)技术采用离轴照明克服上述问题，但是DUV光刻成本昂贵，在深紫外波段上镀膜和光学加工都非常困难。最近几年，极紫外光刻技术（EUVL）的发展能够将加工线宽压缩至22nm以下，但是产生极紫外光源需要等离子放电，难度非常大，尚有许多关键技术需要突破。另外，在光学系统方面采用了离轴反射系统，对加工与装调技术要求非常严格。最重要的是，上述几种技术存在一个无法回避的问题：任何一种成像系统都不能逾越阿贝衍射极限。在显微镜研究领域，为了突破衍射极限，科学家们已经开发出了一系列技术，例如电子显微镜、原子力显微镜、近场扫描显微镜；而在生命科学研究领域，2006年Bietzing等人提出了光敏定位显微镜（PALM），实现了20nm的图像横向分辨率。2009年Zhuang与其合作者则提出随机光重建显微镜（STORM）实现了三维超衍射极限成像。超衍射极限在显微镜与生命科学上的成功应用，促使科研人员致力于将这种成像技术移植到光学曝光上。Scott T.F.等将可见激光发射损耗技术应用在三维显微成像中，可以实现横向分辨100nm，但是对提高焦深未作进一步研究，而在光学曝光技术中不仅要提高分辨率，还需要增大焦深。

中国专利“一种纳米光刻方法及装置”（CN102866580A）提出了一种基于表面等离子激元效应的纳米光刻方法。将波长为800nm的飞秒激光光束经过透镜聚焦后照射到掩模板上，经过10秒的曝光，将涂有光刻胶的基底在SU8显影液和异丙醇中进行浸泡，得到超衍射极限干涉条纹，其条纹宽度在50nm。这种方法虽然可以获得亚波长分辨，但是掩模板制作工艺难度较大，整个的光刻工艺过程较为复杂，无法有效控制。

中国专利“基于表面等离子体共振腔的超深亚波长可调谐纳米光刻结构与方法”（CN102053491A）提出了一种表面等离子共振腔的纳米光刻结构，实现分辨率可调技术，并且能够通过优化光刻胶厚度，在波长为436nm的光束照射下产生16.5nm的最小条纹宽度。但是该方法对需要制作的薄膜有较高要求，同时在工艺上对光刻胶的精确控制难度很大。另外，上述技术中，都未考虑如何增强分辨率的同时提高焦深，而在光学曝光刻技术中需要同时考虑两方面因素。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供一种基于受激光发射损耗的激光直写曝光装置，该装置可实现高分辨、长焦深的光学曝光。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于受激发射光损耗激光直写曝光装置，其特点在于其构成包括：激发光源、退激发光源、第一空间光调制器、第二空间光调制器、二分之一波片组、二向色镜、相位型波带片、振幅型波带片、高数值孔径消色差物镜和三维扫描平台，该三维扫描平台为x、y、z轴精密平移平台，该三维扫描平台用于置放上表面涂有光刻胶的基片；沿所述的激发光源发出的激发光束传播方向依次是同轴的第一空间光调制器、二向色镜、相位型波带片、振幅型波带片、高数值孔径消色差物镜、光刻胶、基片和三维扫描平台；沿着所述的退激发光源发出的退激发光束的传播方向，依次是同轴的第二空间光调制器、级联二分之一波片组、反射镜、二向色镜、相位型波带片、振幅型波带片、高数值孔径消色差物镜、光刻胶、基片和三维扫描平台。所述的激发光源、第一空间光调制器用于产生双环径向偏振光束；所述的退激发光源、第二空间光调制器和所述的二分之一波片组用于产生双环切向偏振光束；所述的二向色镜将激发光束与退激发光束合为一束；所述的相位型波带片对激发光束与退激发光束的空间相位进行调制；所述的振幅型波带片和高数值孔径消色差物镜将所述的激发光束和退激发光束进行振幅调制和大会聚角聚焦，在高数值孔径消色差物镜焦平面附近得到超分辨、长焦深的三维光场。

所述的第一空间光调制器和第二空间光调制器是该领域科研人员熟知的商业化产品，分别用于将激发光源和退激发光源产生的光束进行位相调控,从而得到该领域科研人员熟知的双环径向偏振光束。

所述的相位型波带片对激发光束和退激发光束的双环径向偏振光的混合光束进行相位调制；所述的相位型波带片的位相分布采用和凸锥镜圆锥面相等效（按照光程差相等的原则）的二元化位相分布，从而提高会聚光束的焦深。

所述的振幅型波带片由同心的环带构成，各个环带的透过率依次为0或者100%间隔。设置每个环带的半径和宽度以实现光场焦深和分辨率的调节。

经过所述的高数值孔径消色差物镜会聚的光斑照射在光刻胶上，所述的光刻胶涂覆于基片表面，所述的基片置于三维扫描平台上，所述的扫描平台可在x、y、z三个方向作精密平移。在曝光过程中，所述的扫描平台带动所述的基片在x-y面内移动获得所需的曝光图形；所述的扫描平台在z向的移动用于调焦，使曝光过程中所述的基片表面的光刻胶始终位于所述的高数值孔径消色差物镜的焦深范围内。

与先技术相比，本发明具有下列的有益效果：

1、本发明采用受激光发射损耗实现具有高分辨、长焦深的三维光场，该方法采用可见激光光源，即可实现百纳米量级的分辨率；

2、本发明采用双环径向偏振光场和受激发射损耗相结合，使得光学曝光分辨率进一步提高到十纳米量级；

3、本发明采用相位型波带片实现长焦深，并利用振幅型波带片的结构参数调节，实现焦深和分辨率的调节。

附图说明

图1为本发明基于受激光发射损耗的激光直写曝光装置光学原理图。

图2为所述的受激光发射损耗激光直写曝光的物理原理示意图。

图3a为所述的激发光经过高数值孔径消色差物镜聚焦后在焦平面上的场分布图。

图3b为所述的退激发光经过高数值孔径消色差物镜聚焦后在焦平面上的场分布图。

图4为未加退激发光与加退激发光的焦平面上的点扩散函数曲线。

图5a为所述的激发光经过高数值孔径消色差物镜聚焦后在焦面附近的场分布图。

图5b为所述的退激发光经过高数值孔径消色差物镜聚焦后在焦面附近的场分布图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点清晰，下面结合附图1和实施例对本发明作详细阐述。由图可见,本发明基于受激发射光损耗激光直写曝光装置，其构成包括：激发光源101、退激发光源201、第一空间光调制器102、第二空间光调制器202、二分之一波片组203、二向色镜103、相位型波带片301、振幅型波带片302、高数值孔径消色差物镜401和三维扫描平台404，该三维扫描平台404为x、y、z轴精密平移平台，该三维扫描平台404用于置放上表面涂有光刻胶402的基片403；

沿所述的激发光源101发出的激发光束传播方向依次是同轴的第一空间光调制器102、二向色镜103、相位型波带片301、振幅型波带片302、高数值孔径消色差物镜401、光刻胶402、基片403和三维扫描平台404；

沿着所述的退激发光源201发出的退激发光束的传播方向，依次是同轴的第二空间光调制器202、级联二分之一波片组203、反射镜204、二向色镜103、相位型波带片301、振幅型波带片302、高数值孔径消色差物镜401、光刻胶402、基片403和三维扫描平台404。

光刻胶402涂覆于基片403表面，基片403置于三维扫描平台404上，扫描平台404可在x、y、z三个方向作精密平移。在曝光过程中，扫描平台404带动基片403在x-y面内移动可获得所需的曝光图形；扫描平台404在z向的移动用于调焦，使曝光过程中基片403表面的光刻胶始终位于高数值孔径消色差物镜401的焦深范围内。

所述的第一空间光调制器102和第二空间光调制器202是相同的，其中的相位分布也是相同的；

所述的级联二分之一波片组203是用于将径向偏振的退激发光光场转换为切向偏振光场。

所述的相位型波带片301用于对光场的调控，不改变光束的偏振状态。

所述的振幅型波带片302每个环带的透过率依次间隔为0或者100%，用以选择透过的空间频谱分量。根据实验需要可设计两个、四个或更多的环带，透过率依次间隔为0或100%。所述的振幅型波带片302和高数值孔径消色差物镜401组合将入射光场进行会聚而产生高分辨、长焦深的光场。

受激光发射损耗光学曝光的物理原理的示意图如图2所示。图中等号左边的实心圆为激发光源的聚焦光斑，圆环为退激发光源的聚焦光斑。退激发光源辐照在光刻胶上，使得光刻胶吸收饱和，从而无法吸收激发光源。由于退激发光源所产生的环状光束的外径和激发光源的外径相同，激发光源照射的光刻胶的外环将无法吸收激发光源，吸收激发光源的光刻胶尺寸变小，从而提高曝光的分辨率。上述原理是受激光发射损耗光学曝光的基本原理，实际中还不能应用，需要对其进行改进才能用于光学曝光系统，具体的改进措施如下：

1）采用双环径向的激发光源和切向偏振的退激发光源，可以进一步提高曝光的分辨率，具体的公式推导和计算结果见后面的叙述。

2）采用空间相位调制和振幅调制，提高曝光的焦深，并且通过振幅调制的几何参数实现分辨率和焦深的调节，具体的公式推导和计算结果见后面的叙述。

首先，后续理论推导用到的参数定义如下：

1）描述光束相对尺寸参数δ₀

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{D_{\mathrm{IFL}}}{D_o}---\left(1\right)$

式中,D_IFL是所述的高数值孔径消色差物镜的入瞳直径，D₀是所述的双环光束的外环的外直径。

2）经过所述的高数值孔径消色差物镜会聚后，光束的会聚角θ:

$\mathrm{\θ}=\frac{r_{\mathrm{AZP}}}{d_{\mathrm{AZP}}}---\left(2\right)$

式中,r_AZP是所述的振幅型波带片上某一点的半径，d_AZP是所述的振幅型波带片到所述的高数值孔径消色差物镜后焦点的距离。

基于受激光发射损耗的光学曝光装置的曝光场空间分布的公式推导如下：

首先，双环光束的振幅分布可以表示如下

$E_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_0\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{NA}}\exp [-{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_0\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{NA}}\right)}^2]L_1^1\left[2{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_0\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{NA}}\right)}^2\right]---\left(3\right)$

NA为数值孔径，

为广义拉盖尔多项式。

根据理查德沃夫理论(参见Opt.Express7,77(2000))，矢量光束经聚焦后在焦面处的光场分布可以表示为：

其中

其中，A₁(θ),A₂(θ)分别表示为高数值孔径消色差物镜的切趾函数与相位型波带片的相位调制函数，

为入射光的琼斯矩阵。E₀(θ)是入射光场的空间振幅分布。A₁(θ),A₂(θ)的表达式如下：

$A_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{\cos \mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

$A_2\left(\mathrm{\θ}\right)=\exp [\mathrm{ik}{\left(\mathrm{\σ}\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^4+\frac{1}{2f}{\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^2]---\left(7\right)$

(7)式中，A₂(θ)代表相位调制板对光场的调控相位(参见Chin.Opt.Lett.,6785-787，(2010))，其中σ与f是相位调控参数。

设双环径向偏振光的琼斯矩阵为:

相应的双环角向偏振光的琼斯矩阵为:

将(8a)和(8b)带入到(4)式中，可以简化得到光场分布

${E^R}_{\mathrm{\ρ}}(\mathrm{\ρ},z)=C\underset{\mathrm{\η}{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}{A}_1\left(\mathrm{\θ}\right)A_2\left(\mathrm{\θ}\right)E_0\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}{J}_1\left(\mathrm{k\ρ}\sin \mathrm{\θ}\right)e^{\mathrm{ikz}\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}---\left(9a\right)$

${E^R}_z(\mathrm{\ρ},z)=C\underset{\mathrm{\η}{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}{A}_1\left(\mathrm{\θ}\right)A_2\left(\mathrm{\θ}\right)E_0\left(\mathrm{\θ}\right){\sin }^2\mathrm{\θ}{J}_0\left(\mathrm{k\ρ}\sin \mathrm{\θ}\right)e^{\mathrm{ikz}\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}---\left(9b\right)$

其中，η是振幅型波带片的中心透光区域的半径和外圆半径的比值，根据所述的（9a）与（9b）可以计算得到激发光经过紧聚焦后的光强分布为:

$I_{\mathrm{exc}}=\frac{{\left|E_{\mathrm{\ρ}}^R\right|}^2+{\left|E_z^R\right|}^2}{{[{\left|E_{\mathrm{\ρ}}^R\right|}^2+{\left|E_z^R\right|}^2]}_{\max }}---\left(10\right)$

根据所述的(9c)计算得到退激发光经过经聚焦后的光强分布

所述的受激光发射损耗光学曝光方法，其分辨率通过下式计算(参见LaserPhotonics Rev.,7,122-44(2013))：

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }\sqrt{1+\mathrm{\ξ}}}---\left(12\right)$

所述的(12)式中，λ表示光波长，ξ是吸收因子，等于激发光源的光强和光刻胶的饱和吸收光强的比值，饱和吸收光强是光刻胶的特有属性。

当选择合适的δ₀、σ、f、η,根据前面的定义，δ₀是光束相对尺寸参数σ与f是相位调控参数，η是振幅型波带片的中心透光区域的半径和振幅型波带片外圆半径的比值。可以通过数值优化算法，得到相位型波带片的相位调控参数σ和f，具体的优化算法可以采用该领域研究人员数值的模拟退火算法或者遗传算法，优化的目标是获得所需要的长焦深、高分辨的光场；由于需要透镜的口径大于入射光束的直径，那么相对尺寸δ₀可以设置为略大于1的数值；振幅型波带片的中心透光区域的半径和外圆半径的比值η根据目标场的要求利用数值优化得到。

方案实施步骤如下：

①把对应的第一空间光调制器102、第二空间光调制器202固定在相应的位置，与相应的激光器光束出口同光轴；

②启动激发光源101，退激发光源201；

③设置第一空间光调制器102和第二空间光调制器202，使其出射光束为双环径向偏振光束；

④调整所述的级联二分之一波片组203的快轴，使得从级联二分之一波片组出射双环光束的径向偏振转为切向偏振；

⑤在光路中加入相位型波带片301、振幅型波带片302、高数值孔径消色差物镜401，根据设计设置好相应的参数和距离。

⑥对光刻胶402进行曝光。在曝光过程中，扫描平台404带动基片403在x-y面内移动可获得所需的曝光图形；扫描平台404在z向的移动用于调焦，使曝光过程中基片403表面的光刻胶始终位于高数值孔径消色差物镜401的焦深范围内。

具体实施例

本具体实施例中，选取高数值孔径消色差物镜401的数值孔径NA=0.95；相位型波带片301的相位调控参数σ=30^-5，f=12；光束相对尺寸δ₀=1.2；振幅型波带片302的半径比η=0.92，η是振幅型波带片的中心透光区域的半径和外圆半径的比值；吸收因子ξ=100。得到的焦面上的光场见图3，其中图3a是激发光源在焦平面上形成的光场分布，图中坐标轴以波长为单位。所述的图3b是退激发光在焦面上的光场分布，所述的退激发光在焦面上的场的中心位置是暗场。因此，光刻胶被退激发光照射的环形区域因饱和吸收效应而不能继续吸收激发光，同时退激发光停止照射光刻胶后，饱和吸收的光刻胶将恢复本来属性，不会在显影工艺中被清除。上述物理过程保证了光刻分辨率的提高。所述的光刻胶402采用dye KK114，激发光波长为438nm，退激发光波长为780nm（参见：Wurm et al.Optical Nanoscopy2012,1:7）。所述的激发光波长与退激发光波长均由所选光刻胶的光谱性质决定，通常激发光波长比退激发光波长短，光子能量大，激发光波长应是所选光刻胶光谱吸收峰的波长附近，而退激发光的波长应位于所选光刻胶光谱荧光峰的波长附近。当激发光源的波长为438nm，退激发光源的波长为780nm，根据所述的式（12）可以得到在本实施例中的分辨率为25nm。图4中表示的是加入退激发光和未加入退激发光时的，激发光源形成的焦斑的点扩散函数分布曲线。根据所述的图4可以知道，加入退激发光后，点扩散函数明显变小，从而提高了分辨率。

焦面附近的光场分布见图5。图5a表示的是激发光在焦面附近沿光传播方向的光场分布。图5b表示退激发光在焦面附近沿光传播方向的光场分布。图5b描述的光场类似一个光学隧道，从所述的图5a和图5b中可以知道，激发光与退激发光聚焦后的焦深在10个波长左右，从而实现长焦深。

Claims (3)

1.一种基于受激发射光损耗激光直写曝光装置，其特征在于其构成包括：激发光源（101）、退激发光源（201）、第一空间光调制器（102）、第二空间光调制器（202）、二分之一波片组（203）、二向色镜（103）、相位型波带片（301）、振幅型波带片（302）、高数值孔径消色差物镜（401）和三维扫描平台（404），该三维扫描平台（404）为x、y、z轴精密平移平台，该三维扫描平台（404）上用于置放上表面涂有光刻胶（402）的基片（403）；

沿所述的激发光源（101）发出的激发光束传播方向依次是同轴的第一空间光调制器（102）、二向色镜（103）、相位型波带片（301）、振幅型波带片（302）、高数值孔径消色差物镜（401）、光刻胶（402）、基片（403）和三维扫描平台（404）；

沿着所述的退激发光源（201）发出的退激发光束的传播方向，依次是同轴的第二空间光调制器（202）、级联二分之一波片组（203）、反射镜（204）、二向色镜（103）、相位型波带片（301）、振幅型波带片（302）、高数值孔径消色差物镜（401）、光刻胶（402）、基片（403）和三维扫描平台（404）。

2.根据权利要求1所述的基于受激发射光损耗激光直写曝光装置，其特征在于所述的第一空间光调制器（102）和第二空间光调制器（202）是相同的，其中的相位分布也是相同的。

3.根据权利要求1或2所述的基于受激发射光损耗激光直写曝光装置，其特征在于所述的振幅型波带片（302）是透过率0和100%依次间隔的多个同心的环带构成的，所述的环带包括两个环带、四个环带或更多的环带。

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