CN109656094B - 待光刻基板、光刻模板、近场扫描光刻方法及装置 - Google Patents

待光刻基板、光刻模板、近场扫描光刻方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种待光刻基板、光刻模板、近场扫描光刻方法及装置，在待光刻基板中设置第一双曲色散材料层，该第一双曲色散材料层位于第一基底与光刻胶之间，可以限制通过光刻胶层的局域光场的发射，在光刻模板中设置第二双曲色散材料层，该第二双曲色散材料层位于光刻胶层的入光侧，可以在局域光场入射光刻胶层前限制局域光场的发散，故采用本发明技术方案所述待光刻基板和所述光刻模板，可以延长近场扫描光刻中的焦深，可以提高光刻胶层的曝光质量，并大大提高近场扫描光刻的有效工作距离。

Description

待光刻基板、光刻模板、近场扫描光刻方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，更具体的说，涉及一种待光刻基板、光刻模板、近场扫描光刻方法及装置。
背景技术
光刻技术一直是半导体领域的核心关键技术，其质量直接影响了后端制程与器件的性能。随着摩尔定律的发展，器件的关键尺寸越来越小，需要更为精密的光刻设备来实现更小线宽的图形定义。想要获得更为细小的线宽，光刻机需要付出巨大的成本，进一步压缩光源的波长，进一步增大器件的数值孔径。尤其是目前极紫外光刻机的问世，单台售价已经突破1.1亿美金。
近年来，纳米功能器件已经成为比较热门的研究课题，尤其是一些器件的结构尺寸小于亚波长量级时，新的物理原理与物理现象催生出一批新的功能器件。例如，微机电系统(MEMS)、纳米超表面材料、纳米仿生材料以及金属柔性网格等等。这些新兴功能器件通常需要比较精密的光刻手段来完成百纳米以下的图形定义，而昂贵的光刻机让这些低成本的器件制备变得困难重重。因此，发展一种低成本的可替代的光刻技术有着巨大的发展空间。
近场扫描光刻是一种利用局域表面等离激元产生的深亚纳米光源，通过模板和第一基底的相对移动，完成单点直写式的曝光技术。但是，现有的近场扫描光刻方法有效工作距离较短。
发明内容
有鉴于此，本发明技术方案提供了一种待光刻基板、光刻模板、近场扫描光刻方法及装置，大大提高了近场扫描光刻的有效工作距离。
为了实现上述目的，本本发明提供如下技术方案：
一种待光刻基板，所述待光刻基板包括：
第一基底；
设置在所述第一基底表面的第一双曲色散材料层；
设置在所述第一双曲色散材料层背离所述第一基底一侧表面的光刻胶层；
其中，对所述待光刻基板进行近场扫描光刻时，所述待光刻基板用于与光刻模板相对设置，所述光刻模板用于提供局域光场照射所述光刻胶层；所述第一双曲色散材料层用于限制所述局域光场的发散。
优选的，在上述待光刻基板中，所述第一双曲色散材料层包括：多层层叠交替设置的第一金属层以及第一绝缘介质层；
其中，所述第一金属层与所述第一绝缘介质层均透光。
优选的，在上述待光刻基板中，所述第一金属层为Ag薄膜层，所述第一绝缘介质层为SiNx薄膜层。
优选的，在上述待光刻基板中，所述第一金属层的层数为4、或5、或6。
本发明还提供了一种光刻模板，所述光刻模板包括：
第二基底，所述第二基底包括光学天线；
设置在所述第二基底表面的第二双曲色散材料层；
其中，所述光学天线用于基于光源形成局域光场，所述第二双曲色散材料层用于限制所述局域光场的发散；所述光刻模板用于为待光刻基板进行近场扫描光刻时，为所述待光刻基板提供所述局域光场。
优选的，在上述光刻模板中，所述第二双曲色散材料层包括：多层层叠交替设置的第二金属层以及第二绝缘介质层；
其中，所述第二金属层与所述第二绝缘介质层均透光。
优选的，在上述光刻模板中，所述第二金属层为Ag薄膜层，所述第二绝缘介质层为SiNx薄膜层。
优选的，在上述光刻模板中，所述第二金属层的层数为4、或5、或6。
本发明还提供了一种近场扫描光刻装置，所述近场扫描光刻装置包括：相对设置的待光刻基板以及光刻模板；
其中，所述待光刻基板为上述任一项所述的待光刻基板；所述光刻模板为上述任一项所述的光刻模板。
本发明还提供了一种近场扫描光刻方法，所述近场扫描光刻方法包括：
提供一待光刻基板，所述待光刻基板包括：第一基底，设置在所述第一基底表面的第一双曲色散材料层，以及设置在所述第一双曲色散材料层背离所述第一基底一侧表面的光刻胶层；
在所述待光刻基板朝向所述光刻胶层的一侧设置光刻模板，所述光刻模板包括：第二基底以及设置在所述第二基底表面的第二双曲色散材料层，所述第二双曲色散材料层与所述光刻胶层相对设置；所述第二基底包括光学天线；
通过光源照射所述光学天线，以形成局域光场，通过所述局域光场对所述光刻胶层进行曝光；
其中，所述第一双曲色散材料层与所述第二双曲色散材料层用于限制所述局域光场的发散。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的待光刻基板、光刻模板、近场扫描光刻方法及装置至少具有如下有益效果：
在待光刻基板中设置第一双曲色散材料层，该第一双曲色散材料层位于第一基底与光刻胶之间，可以限制通过光刻胶层的局域光场的发射，在光刻模板中设置第二双曲色散材料层，该第二双曲色散材料层位于光刻胶层的入光侧，可以在局域光场入射光刻胶层前限制局域光场的发散，故采用本发明技术方案所述待光刻基板和所述光刻模板，可以延长近场扫描光刻中的焦深，可以提高光刻胶层的曝光质量，并大大提高近场扫描光刻的有效工作距离。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种待光刻基板的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光刻模板的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种近场扫描光刻装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的双曲色散材料层的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种色散关系曲线；
图6为本发明实施例提供的一种双曲色散材料层的等效介电常数与波长的曲线图；
图7是本发明技术方案与现有技术方案中近场扫描光刻装置的曝光效果对比示意图；
图8为本发明实施例所述近场扫描光刻装置的SEM(扫描电子显微镜)图；
图9为本发明实施例提供的一种近场扫描光刻方法的流程示意图；
图10为本发明实施例提供的一种近场扫描光刻方法的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
近场扫描光刻的具体实现原理是，通过特殊偏振的局域光场入射到光学天线(如脊型天线或是蝶形天线)的表面，在局域光场极化的作用下，产生电荷振荡，从而形成类电偶极子的局域光场辐射。这种出射局域光场是一种局域场。这种局域场的本征特性是在xy平面产生极小的光斑分布，在z方向则是以一种倏逝场的形式开展传播。这样的局域光场分布给曝光装置带来一定的困扰，即受限的工作距离。一般而言，以脊型天线为例，其产生的局域场的有效工作距离不超过50nm,特别的，当掩膜版与光刻胶的距离越小，产生的局域局域光场尺寸将进一步减小，光刻系统分辨率也将提升。然而当焦深很短且只有十几纳米时，图形的转印刻蚀将变得困难重重。
本发明实施例针对现有近场扫描光刻工艺中存在短焦深，有效共工作距离短的问题，提供了一种结合双曲色散材料层延长焦深的技术方案，以提高近场扫描光刻的有效工作距离，可以实现百纳米焦深的近场扫描光刻。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种待光刻基板的结构示意图，该带待光刻基板包括：第一基底11；设置在所述第一基底11表面的第一双曲色散材料层12；设置在所述第一双曲色散材料层12背离所述第一基底11一侧表面的光刻胶层13。第一基底11可以为石英片。
其中，对所述待光刻基板进行近场扫描光刻时，所述待光刻基板用于与光刻模板相对设置，所述光刻模板用于提供局域光场照射所述光刻胶层；所述第一双曲色散材料层12用于限制所述局域光场的发散。
如图1所示，所述第一双曲色散材料层12包括：多层层叠交替设置的第一金属层121以及第一绝缘介质层122；其中，所述第一金属层121与所述第一绝缘介质层122均透光。
可选的，所述第一金属层121为Ag薄膜层，所述第一绝缘介质层122为SiNx薄膜层。第一金属层121的材料不局限于Ag，第一绝缘介质层122的材料不局限于SiNx，可以根据需求设置第一金属层121和第一绝缘介质层122的材料。在设定的厚度范围内，所述第一金属层121的层数越多越好，其限制局域光场发散的特性越好，但是鉴于现有工艺条件限制以及实际成本考虑，一般设置所述第一金属层121的层数为4、或5、或6，优选可以为4层。
本发明实施例所述待光刻基板中，设置有第一双曲色散材料层12，在进行近场扫描光刻时，可以避免穿过光刻胶层13的局域光场的发散。局域光场的发散是随着传播距离增大的，通过第一双曲色散材料层12限制局域光场的色散性能可以保证局域光场在光刻胶层13下部局域光场具有较好的直线传播特性，提高曝光质量。所述第一双曲色散材料层12具有反射性，如可以设置第一双曲色散材料层12中相邻两层结构的折射率关系满足全反射条件，使得由光刻胶层13向第一双曲色散材料层12传播的光线发生全反射，以提高光线的利用率，提高曝光效率。如采用SiNx薄膜层作为第一绝缘介质层122时，可以通过改变SiNx薄膜层镀膜调节，调节其折射率，以使得满足上述全反射条件。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种光刻模板，所述光刻模板如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种光刻模板的结构示意图，该光刻模板包括：第二基底21，所述第二基底21包括光学天线，图2中未示出所述光学天线的结构；设置在所述第二基底21表面的第二双曲色散材料层22。第二基底21可以为Cr层。第二基底21上具有镂空图形，以形成所述光学天线结构。所述光学天线可以为脊型天线或是蝶形(bowtie)天线
其中，所述光学天线用于基于光源形成局域光场，所述第二双曲色散材料层22用于限制所述局域光场的发散；所述光刻模板用于为待光刻基板进行近场扫描光刻时，为所述待光刻基板提供所述局域光场。
如图2所示，所述第二双曲色散材料层包括：多层层叠交替设置的第二金属层211以及第二绝缘介质层212；其中，所述第二金属层211与所述第二绝缘介质层212均透光。
可选的，所述第二金属层211为Ag薄膜层，所述第二绝缘介质层212为SiNx薄膜层。所述第二金属层211的材料不局限于Ag，所述第二绝缘介质层212的材料不局限于SiNx，可以根据需求设置所述第二金属层211和所述第二绝缘介质层212的材料。在设定的厚度范围内，所述第二金属层212的层数越多越好，其限制局域光场发散的特性越好，但是鉴于现有工艺条件限制以及实际成本考虑，一般设置所述第二金属层212的层数为4、或5、或6，优选可以为4层。
本发明实施例所述光刻模板中，设置有第二双曲色散材料层22，在采用该光刻模板对待光刻基板进行近场扫描光刻时，可以限制局域光场的发散，进而可以大大提高有效工作距离。所述第二双曲色散材料层22具有增透性，如可以通过第二双曲色散材料层22中相邻两层结构的折射率关系满足增透条件，增加局域光场在第二双曲色散材料层22中的透过率，以提高光线线的利用率，提高曝光效率。如采用SiNx薄膜层作为第二绝缘介质层212时，可以通过改变SiNx薄膜层镀膜调节，调节其折射率，以使得满足上述增透条件。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种近场扫描光刻装置，所述近场扫描光刻装置如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种近场扫描光刻装置的结构示意图，所述近场扫描光刻装置包括：相对设置的待光刻基板31以及光刻模板32。
其中，所述待光刻基板31为上述实施例所述的待光刻基板；所述光刻模板32为上述实施例所述的光刻模板。
本发明实施例所述近场扫描光刻装置中，待光刻基板31以及光刻模板32分别设置有双曲色散材料层，可以限制局域光场的发散，提高近场扫描光刻的有效工作距离，增大其焦深。
双曲色散材料层是本发明技术方案实现限制局域光场发散的关键。如图4所示，图4为本发明实施例提供的双曲色散材料层的结构示意图，双曲色散材料层由多层膜层的层叠结构，一般是由周期性的金属层41和绝缘介质层42构成。单层膜层的厚度一般远小于光源波长量级，单层膜层的厚度一般为几十纳米。双曲色散材料层有两个关键参数，一是材料的周期厚度，周期厚度是相邻的一层金属层和绝缘介质层的厚度之和，二是占空比，此处占空比表示金属层的厚度比上周期厚度。
参考图5，图5为本发明实施例提供的一种色散关系曲线，左图是真空的色散关系曲线，右图是双曲色散材料层的色散曲线。双曲色散材料层的色散特性一般由色散关系决定。相比于自然材料的色散特性，双曲色散材料层不存在明显的截止特性，在双曲色散材料层中，对于任意大的空间频率Kx，总存在一个正的Kz分量，使得局域光场在Kz分量的方向上传播，这构成了超长透射能力的基础。本发明技术方案中，曝光平面为XY平面。Z轴正向可以为待光刻基板31中，光刻胶层指向第一基底的方向。
在双曲色散材料层中，透射场的能流矢量总是与传播方向具有一个对称的夹角，这个夹角将导致放大的倏逝场以一定角度发散，影响系统的分辨率。本发明实施例中，双曲色散材料层为等效介电常数接近于0的材料体系，简称ENZ材料(Epsilon Near to Zero)。设置Ag与SiNx构成双曲色散材料层，在固定占空比，不同的波长下，计算不同的等效介电常数与能流矢量的夹角，通过计算表面，在420nm波长的光源照射下，固定占空比为4/9时，可以得到最小的能流矢量发散角。故本发明技术方案中，可以设置双曲色散材料层中占空比为4/9，采用光源波长为420nm，以实现最小的能流矢量发散角。
参考图6，图6为本发明实施例提供的一种双曲色散材料层的等效介电常数与波长的曲线图，图6中横轴为波长，单位是μm。在横轴方向上被分为三个区域，在区域AA的左右两个区域均构成了双曲色散关系。能流矢量的发散角度也在图6中计算图示。其中，θ是指传输过程中电磁场能流的横向分量与切向分量的夹角，εx是双曲色散材料的横向(X方向)等效介电常数的实数部分，εz是双曲色散材料的切向(Z方向)等效介电常数的实数部分，左边纵轴代表的是等效介电常数的实数部分的大小，右边纵轴代表的是夹角的大小。
参考图7，图7是本发明技术方案与现有技术方案中近场扫描光刻装置的曝光效果对比示意图。
图(a)为现有近场扫描光刻装置的结构，硅基底上设置有光刻胶层，采用具有光学天线的Cr作为光刻模板，光源照射光线天线形成局域光场，局域光场在Cr层表面极化，对光刻胶层进行曝光，图(b)为对应图(a)结构的曝光效果。
图(c)为本发明实施例提供的近场扫描光刻装置的结构，硅基底上有一双曲色散材料层HMM，该双曲色散材料层HMM表面具有光刻胶层。光刻模板包括Cr层，其朝向光刻胶层的表面具有另一层双曲色散材料层HMM。Cr层具有光学天线结构。双曲色散材料层HMM均为Ag和SiNx的层叠结构，Ag和SiNx均为4层。硅基底为石英片，光学天线为Bowtie天线，通过聚焦离子束工艺从背面(Cr层背离HMM的一侧表面)加工在平坦的Ct层上，用于产生超高精度的场域效应，形成的局域光场为局域场。这种局域场在双曲色散材料层中并不会倏逝，相反地由于材料体系对倏逝波的放大会得到一定的放大。可以采用ENZ材料尽可能限制了局域光场的发散。图(d)为对应图(c)结构的曝光效果，对比图(d)和图(b)可知，本发明技术方案所述近场扫描光刻装置在焦深领域有了重大的突破，大大提高了焦深，提高近场扫描光刻的有效工作距离。
参考图8，图8为本发明实施例所述近场扫描光刻装置的SEM(扫描电子显微镜)图。
本发明实施例所述近场扫描光刻装置最大的优点在于其在于焦深延伸方面，可以将近场扫描光刻的有效工作距离从现有的几个纳米增大到几百纳米，给近场扫描光刻的系统应用带来了极大的便利，扩大了近场扫描光刻的使用范围。
首先现有技术中由于焦深仅有几个纳米，要求光刻模板(现有技术中光刻模板仅是包括设置有光学天线的Cr层)和待光刻基板(现有技术中待光刻基板仅是包括基底及其表面的光刻胶层)紧密贴合。而本发明技术方案中由于可以将焦深增大到几百纳米，故可以允许本发明实施例所述光刻模板与本发明实施例所述待光刻基板之间具有设定间隙，降低了对位贴合精度要求，其他方式中也可以设置二者紧密贴合。
其次，现有的近场扫描光刻仅有几个纳米的焦深，给光刻图形的转移带来了巨大的麻烦，不便于光刻图形的转移，而本发明技术方案具有几百纳米的焦深，可以兼容现有光刻胶转移工艺，实现较好的系统应用。
基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种近场扫描光刻方法，所述近场扫描光刻方法如图9所示，图9为本发明实施例提供的一种近场扫描光刻方法的流程示意图，所述近场扫描光刻方法包括：
步骤S11：提供一待光刻基板。
所述待光刻基板为上述实施例所述的待光刻基板，包括：第一基底，设置在所述第一基底表面的第一双曲色散材料层，以及设置在所述第一双曲色散材料层背离所述第一基底一侧表面的光刻胶层。
步骤S12：在所述待光刻基板朝向所述光刻胶层的一侧设置光刻模板。
所述光刻模板为上述实施例所述的光刻模板，包括：第二基底以及设置在所述第二基底表面的第二双曲色散材料层，所述第二双曲色散材料层与所述光刻胶层相对设置；所述第二基底包括光学天线。
步骤S13：通过光源照射所述光学天线，以形成局域光场，通过所述局域光场对所述光刻胶层进行曝光。
其中，所述第一双曲色散材料层与所述第二双曲色散材料层用于限制所述局域光场的发散。
参考图10，图10为本发明实施例提供的一种近场扫描光刻方法的系统结构示意图，该系统包括：激光器51、偏光片52、反射器53、分束器54、物镜55以及真空腔室56。激光器51用于出射设定波长的光源，光源经过偏光片52调制为设定偏振态的偏振光，再依次通过反射器53、分束器54以及物镜55入射到真空腔室56，以对真空腔室56内的近场扫描光刻装置进行曝光。真空腔室56内具有弹性支架57以及压电平台58。压电平台58用于放置上述近场扫描光刻装置，弹性支架57用于支撑上述光刻模板。
本发明实施例所述近场扫描光刻方法改善了近场扫描光刻的曝光装置，实现了百纳米深度的光刻胶曝光，可以上述近场扫描光刻系统实现改近场扫描光刻方法，实现纳米量级的图形直写。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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这些实施例，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 (8)

1.一种待光刻基板，其特征在于，所述待光刻基板包括：
第一基底；
设置在所述第一基底表面的第一双曲色散材料层；所述第一双曲色散材料层包括：多层层叠交替设置的第一金属层以及第一绝缘介质层；所述第一金属层与所述第一绝缘介质层均透光；所述第一双曲色散材料层具有反射性；
设置在所述第一双曲色散材料层背离所述第一基底一侧表面的光刻胶层；
其中，对所述待光刻基板进行近场扫描光刻时，所述待光刻基板用于与光刻模板相对设置，所述光刻模板用于提供局域光场照射所述光刻胶层；所述第一双曲色散材料层用于限制所述局域光场的发散。
2.根据权利要求1所述的待光刻基板，其特征在于，所述第一金属层为Ag薄膜层，所述第一绝缘介质层为SiNx薄膜层。
3.根据权利要求1所述的待光刻基板，其特征在于，所述第一金属层的层数为4、或5、或6。
4.一种光刻模板，其特征在于，所述光刻模板包括：
第二基底，所述第二基底包括光学天线；
设置在所述第二基底表面的第二双曲色散材料层；所述第二双曲色散材料层包括：多层层叠交替设置的第二金属层以及第二绝缘介质层；所述第二金属层与所述第二绝缘介质层均透光；所述第二双曲色散材料层具有增透性；
其中，所述光学天线用于基于光源形成局域光场，所述第二双曲色散材料层用于限制所述局域光场的发散；所述光刻模板用于为待光刻基板进行近场扫描光刻时，为所述待光刻基板提供所述局域光场。
5.根据权利要求4所述的光刻模板，其特征在于，所述第二金属层为Ag薄膜层，所述第二绝缘介质层为SiNx薄膜层。
6.根据权利要求4所述的光刻模板，其特征在于，所述第二金属层的层数为4、或5、或6。
7.一种近场扫描光刻装置，其特征在于，所述近场扫描光刻装置包括：相对设置的待光刻基板以及光刻模板；
其中，所述待光刻基板为如权利要求1-3任一项所述的待光刻基板；所述光刻模板为如权利要求4-6任一项所述的光刻模板。
8.一种近场扫描光刻方法，其特征在于，所述近场扫描光刻方法包括：
提供一待光刻基板，所述待光刻基板包括：第一基底，设置在所述第一基底表面的第一双曲色散材料层，以及设置在所述第一双曲色散材料层背离所述第一基底一侧表面的光刻胶层；所述第一双曲色散材料层包括：多层层叠交替设置的第一金属层以及第一绝缘介质层；所述第一金属层与所述第一绝缘介质层均透光；所述第一双曲色散材料层具有反射性；
在所述待光刻基板朝向所述光刻胶层的一侧设置光刻模板，所述光刻模板包括：第二基底以及设置在所述第二基底表面的第二双曲色散材料层，所述第二双曲色散材料层与所述光刻胶层相对设置；所述第二基底包括光学天线；所述第二双曲色散材料层包括：多层层叠交替设置的第二金属层以及第二绝缘介质层；所述第二金属层与所述第二绝缘介质层均透光；所述第二双曲色散材料层具有增透性；
通过光源照射所述光学天线，以形成局域光场，通过所述局域光场对所述光刻胶层进行曝光；
其中，所述第一双曲色散材料层与所述第二双曲色散材料层用于限制所述局域光场的发散。
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