CN110174824A - 一种基于投影式无掩膜光刻设备的对准套刻光路及其方法 - Google Patents

一种基于投影式无掩膜光刻设备的对准套刻光路及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于投影式无掩膜光刻设备的对准套刻光路及其方法，应用于无掩膜光刻技术领域，针对传统的掩模光刻对准系统要在掩模版上构造标记，对于投影式无掩膜光刻设备，传统的对准方式不适用的问题，本发明通过透镜或透镜组准直对准光源产生的光束；通过合束光学元件将光束耦合进投影曝光主光路；对准光束照射到图像生成装置后反射，形成对准图形；对准图形经过微缩透镜组实现图像的微缩投影；调整工件台的垂直距离实现对准图形在待光刻基片的清晰成像；调整工件台的水平坐标和旋转角度，实现对准图形与待光刻基片的位置对准；最后打开曝光光源，完成投影曝光；实现了投影式无掩膜光刻设备的对准套刻。

Description

一种基于投影式无掩膜光刻设备的对准套刻光路及其方法
技术领域
本发明属于无掩膜光刻技术领域，特别涉及一种光刻设备的对准套刻技术。
背景技术
光刻技术是作为微细加工领域的重要手段之一，随着物理、化学、生命科学、材料等领域的快速发展，器件逐步朝着的微型化、轻量化、集成化的方向迅速发展，这对光刻系统的套刻精度提出了更高的要求。而对准的效率，灵活性将直接影响最终器件加工的成功率。
所谓对准，是指建立掩模与光刻基片之间精确的位置对应关系。传统的掩模版光刻技术，是通过在掩模版上加工对准标记，在逐层光刻的过程中，将掩模版上的标记与基片上光刻的标记重合，从而实现对准加工的目的。
传统的掩模光刻对准系统要在掩模版上构造标记。对于投影式无掩膜光刻系统，由于没有掩模版的存在，传统的对准方式显然不适用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于投影式无掩膜光刻设备的对准套刻光路及其方法；适用于无掩膜光刻系统，且能实现准确的光刻位置对准套刻工艺。
本发明采用的技术方案之一为：一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，包括：对准光路与投影曝光主光路；所述对准光路包括：对准光源、第一准直镜、反射镜，对准光源出射的第一光束经第一准直镜对准后，从反射镜射出；
所述从对准光路反射镜射出的第一光束通过第一合束镜耦合进投影曝光主光路；
所述投影曝光主光路至少还包括：光刻曝光光源、匀束元件、准直扩束镜组、图像生成装置、微缩透镜组、工件位移台；经第一合束镜耦合进投影曝光主光路的第一光束照射到图像生成装置后反射，形成对准图形；对准图形经微缩透镜组微缩投影至工件位移台上的待光刻基片；光刻曝光光源出射的光束依次经匀束元件、准直扩束镜组、图像生成装置、微缩透镜组后，进行对准图形在基片上的光刻；
还包括相机校准光路，包括：分束镜、相机，产生对准图形后，光束依次经第一分束镜、镜筒透镜、物镜，到达工件位移台，照射到待光刻基片上；基片的反射光束依次经物镜、镜筒透镜，经第一分束镜分光，到达相机；
还包括照明光路，包括：照明光源、高通滤光片、第二准直镜，从照明光源出射的第二光束通过第二合束镜耦合进投影曝光主光路。
进一步地，对准光源波长范围为500-760nm。
进一步地，所述曝光光源波长范围为350-450nm。
进一步地，所述图像生成装置为：数字微镜或液晶空间光调制器。
进一步地，所述微缩透镜组包括镜筒透镜和微缩物镜，第二合束镜位于镜筒透镜、物镜之间。
进一步地，所述工件位移台为带有XYZ轴位移调整功能以及角度调整功能的手动位移台或电动位移台或手动位移台与电动位移台的组合。
本发明采用的技术方案之二为：一种基于无掩膜光刻设备的简单晶体管结构器件的直接对准套刻方法，包括：
A1、在基片上加工完成待对准的第一层图案得到样品，在样品上旋涂光刻胶；
A2、打开相机，将样品放置在工件位移台上，聚焦观察样品；
A3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为实际曝光图形；
A4、利用工件位移台进行水平，旋转的坐标调整，使对准图形到达目标位置；
A5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行曝光图形的光刻；
A6、取出经步骤A5光刻后的样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案。
本发明采用的技术方案之三为：一种基于无掩膜光刻设备的复杂结构器件的标记对准套刻方法，包括：
B1、在基片上加工完成待对准的第一层图案以及第一对准标记得到样品，然后在样品上旋涂光刻胶；
B2、打开相机，将样品放置在工件位移台上，聚焦观察样品；
B3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为带有第二对准标记的实际曝光图形；
B4、利用工件位移台进行水平，旋转的坐标调整，使第二对准标记与基片上的第一对准标记重合；
B5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行曝光图形的光刻；
B6、取出经步骤B5光刻后的样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案。
本发明采用的技术方案之四为：一种基于无掩膜光刻设备的大面积步进拼接光刻的标记对准套刻方法，包括：
C1、在基片上划分若干光刻区域，对每一区域加工完成待对准的第一层图案，并在第一区域加工完成第一对准标记得到样品，然后在样品上旋涂光刻胶；所述每个区域表示单次曝光对应面积；
C2、打开相机，将样品放置在工件位移台上，聚焦观察样品；
C3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为带有第二对准标记的实际曝光图形；
C4、利用工件位移台进行水平，旋转的坐标调整，使第二对准标记与基片上第一区域的第一对准标记重合；
C5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行第一区域曝光图形的光刻；结合工件台的XY位移功能，通过设置XY位移量，依次进行剩下区域曝光图形的光刻；
C6、取出经步骤C5光刻后的样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案。
进一步地，所述第一对准标记至少包括两个。
本发明的有益效果：本发明具备以下优点：
1、本发明提出的基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，构造简单，灵活可调，有利于提高光刻系统的紧凑性，实现小型化构建；
2、基于本发明的对准套刻光路的对准套刻方法，简单高效，减少了对准套刻所用时间，相比于传统的掩模光刻对准套刻方法，减少了对准套刻的成本；
3、基于本发明的对准套刻光路的对准套刻方法，适用于投影式无掩膜光刻设备，并且可实现准确的光刻位置对准套刻工艺。
附图说明
图1是图像生成装置为数字微镜(DMD)时无掩膜光刻设备的整体光路构建示意图，其中虚线框内为对准套刻光路。
图2是图像生成装置为液晶空间光调制器(LC-SLM)时无掩膜光刻设备的整体光路构建示意图，其中虚线框内为对准套刻光路。
图3是本发明对准套刻光路的对准套刻实现原理图。
图4是简单晶体管结构器件的直接对准套刻方法的操作流程图。
图5是复杂结构器件的标记对准套刻方法的操作流程图。
图6是大面积步进拼接光刻的标记对准套刻方法的操作流程图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明的一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，包括：对准光路与投影曝光主光路；所述对准光路包括：对准光源、第一准直镜、反射镜，对准光源出射的第一光束经第一准直镜对准后，从反射镜射出；
所述从对准光路反射镜射出的第一光束通过合束镜耦合进投影曝光主光路；
所述投影曝光主光路至少还包括：光刻曝光光源、匀束元件、准直扩束镜组、图像生成装置、微缩透镜组、工件位移台；经第一合束镜耦合进投影曝光主光路的第一光束照射到图像生成装置后反射，形成对准图形；对准图形经微缩透镜组微缩投影至工件位移台上的待光刻基片；
还包括相机校准光路，包括：分束镜、相机，产生对准图形后，光束依次经第一分束镜、镜筒透镜、物镜，到达工件位移台，照射到待光刻基片上；基片的反射光束依次经物镜、镜筒透镜，经第一分束镜分光，到达相机；
还包括照明光路，包括：照明光源、高通滤光片，第二准直镜；高通滤光片用于滤除照明光源中小于450nm的成分，从照明光源出射的第二光束通过第二合束镜耦合进投影曝光主光路，第二合束镜位于镜筒透镜、物镜之间。
如图1所示，所述的图像生成装置可以为数字微镜(DMD)，虚线框内为对准套刻光路。其中，1为光刻曝光光源，2为匀束元件，3为准直扩束镜组，4为第一合束镜，5为数字微镜器件(DMD)，6为分束镜，7为镜筒透镜，8为第二合束镜，9为物镜，10为工件位移台，11为对准光源，12为准直镜，13为反射镜，14为相机，15为准直镜，16为高通滤光片，用于滤除照明光源中小于450nm的成分，17为照明光源。
如图2所示，所述的图像生成装置为液晶空间光调制器(LC-SLM)，虚线框内为对准套刻光路。其中，1为光刻曝光光源，2为匀束元件，3为准直扩束镜组，4为第一合束镜，6为分束镜，7为镜筒透镜，8为第二合束镜，9为物镜，10为工件位移台，11为对准光源，12为准直镜，13为反射镜，14为相机，15为准直镜，16为高通滤光片，用于滤除照明光源中小于450nm的成分，17为照明光源，18为液晶空间光调制器(LC-SLM)，19为偏振型分束镜。
上述对准套刻光路的准套刻实现原理如图3所示，具体为：
(1)通过透镜或透镜组准直对准光源产生的光束；对准光源应为波长范围在500-760nm内的LED光源或激光光源，即所述对准光源波长应在大于曝光光源波长的可见光范围之内。
(2)通过合束光学元件将光束耦合进投影曝光主光路；
(3)对准光束照射到图像生成装置后反射，形成对准图形；对准图形可以是实际曝光图形，也可以是带有“十”字标记或其他对准标记的曝光图形。
(4)对准图形经过微缩透镜组实现图像的微缩投影；微缩透镜组包括镜筒透镜和微缩物镜。
(5)调整工件台的垂直距离实现对准图形在待光刻基片的清晰成像；工件台应为带有XYZ轴位移调整功能以及角度调整功能的手动位移台或电动位移台或手动位移台与电动位移台的组合。
(6)调整工件台的水平坐标和旋转角度，实现对准图形与待光刻基片的位置对准；这里的位置对准包括直接对准与标记图案对准；
直接对准是指对准图形为实际曝光图形，通过相机观察实际曝光图形和待光刻基片的位置关系，通过工件台调整，使实际曝光图形直接移动到目标位置，从而完成对准套刻，此时对准图形(实际曝光图形)不会对待光刻基片上的光刻胶产生影响。
标记图案对准是指对准图形为带有“十”字标记或其他对准标记的实际曝光图形，在待光刻基片上预先已经通过光刻等方法在特定位置制作了带有“十”字标记或其他对准标记的图案，通过相机观察标记图案和待光刻基片上已有标记的位置关系，通过工件台调整，使标记图案与待光刻基片上已有标记重合，从而完成对准套刻，此时对准图形(带有“十”字标记或其他对准标记的实际曝光图形)不会对待光刻基片上的光刻胶产生影响。
(7)打开曝光光源，完成投影曝光。所述的曝光光源应为波长范围在350-450nm内的LED光源或激光光源或汞灯光源。
本发明通过以下三个具体实施例对本发明的工作过程进一步阐述：
实施实例1：基于无掩膜光刻设备的简单晶体管结构器件的直接对准套刻方法，具体实现过程结合图4进行详细说明，包括：
A1、在基片上加工完成待对准的第一层图案，在样品上旋涂光刻胶，如图4中20所示；
A2、打开相机，将样品放置在工件台上，聚焦观察样品；
A3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为实际曝光图形，如图4中21所示；
A4、利用工件台进行水平，旋转的坐标调整，使对准图形到达目标位置，如图4中22所示；
A5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行曝光图形的光刻，如图4中23所示；
A6、取出样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案，如图4中24所示。
实施实例2：基于无掩膜光刻设备的复杂结构器件的标记对准套刻方法，具体实现过程结合图5进行详细说明，包括：
B1、在基片上加工完成待对准的第一层图案以及第一对准标记，然后在样品上旋涂光刻胶，如图5中25所示；
B2、打开相机，将样品放置在工件台上，聚焦观察样品；
B3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为带有第二对准标记的实际曝光图形；本实施实例采用的是“十”字形对准标记，如图5中26所示，其中虚线框为对准标记的放大示意图；
B4、利用工件台进行水平，旋转的坐标调整，使第二对准标记与基片上的第一对准标记重合，如图5中27所示；
B5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行曝光图形的光刻，如图5中28所示；
B6、取出样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案，如图4中29所示。
实施实例3：基于无掩膜光刻设备的大面积步进拼接光刻的标记对准套刻方法，投影式无掩膜光刻设备的单次曝光面积较小，实际应用中会与电动位移台相结合，实现多次步进拼接曝光，从而实现大面积光刻，本实施例的实现过程结合图6进行详细说明，包括：
C1、在基片上划分若干光刻区域，对每一区域加工完成待对准的第一层图案，并在第一区域加工完成第一对准标记，然后在样品上旋涂光刻胶；所述每个区域表示单次曝光对应面积；
如图6所示，本实施例中虚线划分了6个区域，每个区域表示单次曝光对应面积，利用电动位移台，设置合理的XY位移量，从而达到光刻拼接的目的。仅在第一光刻区域光刻加工标记图案，标记图案数量应大于两个，以确保对准后步进拼接过程的旋转偏移误差较小。在样品上旋涂光刻胶，如图6中30所示。
C2、打开相机，将样品放置在工件台上，聚焦观察样品；
C3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为带有第二对准标记的实际曝光图形，本实施实例采用的是“十”字形对准标记，如图5中31所示，其中虚线框为对准标记的放大示意图；
C4、利用工件台进行水平，旋转的坐标调整，使第二对准标记与基片上第一区域的第一对准标记重合，如图6中32所示；
C5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行第一区域曝光图形的光刻；结合工件台的XY位移功能，通过设置XY位移量，依次进行剩下区域曝光图形的光刻；
在本实施例中，关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行第1区域曝光图形的光刻。结合位移台的XY位移功能，设置合理的XY位移量，依次进行后面5个区域的曝光光刻，其中后面5个区域不需要在进行对准，如图6中33所示。
C6、取出样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案，如图6中34所示。
上述实施例1-3中的微细加工工艺包括但不限于蒸镀。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，其特征在于，包括：对准光路与投影曝光主光路；所述对准光路包括：对准光源、第一准直镜、反射镜，对准光源出射的第一光束经第一准直镜对准后，从反射镜射出；
所述从对准光路反射镜射出的第一光束通过第一合束镜耦合进投影曝光主光路；
所述投影曝光主光路至少还包括：光刻曝光光源、匀束元件、准直扩束镜组、图像生成装置、微缩透镜组、工件位移台；经第一合束镜耦合进投影曝光主光路的第一光束照射到图像生成装置后反射，形成对准图形；对准图形经微缩透镜组微缩投影至工件位移台上的待光刻基片；光刻曝光光源出射的光束依次经匀束元件、准直扩束镜组、图像生成装置、微缩透镜组后，进行对准图形在基片上的光刻；
还包括相机校准光路，包括：分束镜、相机，产生对准图形后，光束依次经第一分束镜、镜筒透镜、物镜，到达工件位移台，照射到待光刻基片上；基片的反射光束依次经物镜、镜筒透镜，经第一分束镜分光，到达相机；
还包括照明光路，包括：照明光源、高通滤光片、第二准直镜，从照明光源出射的第二光束通过第二合束镜耦合进投影曝光主光路。
2.根据权利要求1所述的一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，其特征在于，对准光源波长范围为500-760nm。
3.根据权利要求2所述的一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，其特征在于，所述曝光光源波长范围为350-450nm。
4.根据权利要求3所述的一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，其特征在于，所述图像生成装置为：数字微镜或液晶空间光调制器。
5.根据权利要求4所述的一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，其特征在于，所述微缩透镜组包括镜筒透镜和微缩物镜，第二合束镜位于镜筒透镜、物镜之间。
6.根据权利要求5所述的一种基于投影式无掩膜光刻的对准套刻光路，其特征在于，所述工件位移台为带有XYZ轴位移调整功能以及角度调整功能的手动位移台或电动位移台或手动位移台与电动位移台的组合。
7.一种基于无掩膜光刻设备的简单晶体管结构器件的直接对准套刻方法，其特征在于，包括：
A1、在基片上加工完成待对准的第一层图案得到样品，在样品上旋涂光刻胶；
A2、打开相机，将样品放置在工件位移台上，聚焦观察样品；
A3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为实际曝光图形；
A4、利用工件位移台进行水平，旋转的坐标调整，使对准图形到达目标位置；
A5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行曝光图形的光刻；
A6、取出经步骤A5光刻后的样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案。
8.一种基于无掩膜光刻设备的复杂结构器件的标记对准套刻方法，其特征在于，包括：
B1、在基片上加工完成待对准的第一层图案以及第一对准标记得到样品，然后在样品上旋涂光刻胶；
B2、打开相机，将样品放置在工件位移台上，聚焦观察样品；
B3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为带有第二对准标记的实际曝光图形；
B4、利用工件位移台进行水平，旋转的坐标调整，使第二对准标记与基片上的第一对准标记重合；
B5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行曝光图形的光刻；
B6、取出经步骤B5光刻的样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案。
9.一种基于无掩膜光刻设备的大面积步进拼接光刻的标记对准套刻方法，其特征在于，包括：
C1、在基片上划分若干光刻区域，对每一区域加工完成待对准的第一层图案，并在第一区域加工完成第一对准标记得到样品，然后在样品上旋涂光刻胶；所述每个区域表示单次曝光对应面积；
C2、打开相机，将样品放置在工件位移台上，聚焦观察样品；
C3、打开对准光源，控制图像生成装置，产生对准图形；所述对准图形为带有第二对准标记的实际曝光图形；
C4、利用工件位移台进行水平，旋转的坐标调整，使第二对准标记与基片上第一区域的第一对准标记重合；
C5、关闭对准光源，打开曝光光源，控制曝光时间，进行第一区域曝光图形的光刻；结合工件台的XY位移功能，通过设置XY位移量，依次进行剩下区域曝光图形的光刻；
C6、取出经步骤C5光刻后的样品，使用对应显影液对光刻胶进行显影，形成镂空图案，通过微细加工工艺对基片进行加工，形成第二层图案。
10.根据权利要求9所述的一种基于无掩膜光刻设备的大面积步进拼接光刻的标记对准套刻方法，其特征在于，所述第一对准标记至少包括两个。
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