CN110750030A - 一种基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，该超表面阵列结构包括基底、金属纳米砖阵列和PMMA涂层，金属纳米砖阵列设置在基底上，PMMA涂层覆盖在金属纳米砖阵列上；整个超表面结构为其工作波长起到起偏器的功能，入射线偏光偏振方向沿着金属纳米砖短轴方向时，透过率高，入射线偏光偏振方向沿着金属纳米砖长轴方向时，透过率低。在固定入射线偏光偏振方向时，改变金属纳米砖的转角，实现光刻信息的编写，且根据马吕斯定律，实现了二值光刻掩模信息的复用。本发明解决了现有光刻技术中加工难度大，加工成本高等难题。

Description

一种基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法

技术领域

本发明涉及微纳光学领域和微纳加工领域，尤其涉及一种基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法。

背景技术

超表面材料是近年来新兴的一种光学材料，可以通过调节其几何结构，实现对入射光波振幅、相位、偏振态等光学性质的灵活调节。经过设计后的超表面可以在实现传统光学器件基础功能的基础上，实现高集成度、高效率等传统光学器件不具备的技术优点。

目前，芯片处于快速发展的阶段，光刻技术虽然比较成熟，但是依然存在着成本较高、加工难度大等问题，发展受到了加工工艺的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，实现了光刻掩模成本的降低以及单块掩模板的复用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种超表面阵列结构，该结构包括基底、金属纳米砖阵列和PMMA涂层，金属纳米砖阵列设置在基底上，PMMA涂层覆盖在金属纳米砖阵列上，金属纳米砖阵列包括多个金属纳米砖单元；该超表面阵列结构的金属纳米砖单元的结构参数针对设计波长优化得到，具有起偏器功能；基底和金属纳米砖阵列均为亚波长尺寸，金属纳米砖单元为长方体形，相邻金属纳米砖单元的中心间距相等。

进一步地，本发明的金属纳米砖阵列材料采用金属铝，基底材料采用二氧化硅，PMMA涂层材料为PMMA材料。

进一步地，本发明的金属纳米砖单元的结构参数为：长度为110nm、宽度为80nm、高度为60nm；工作波长为365nm；金属纳米砖单元结构的周期为200nm。

本发明提供一种基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，将每个金属纳米砖单元作为单个像素点，在入射线偏光的偏振方向保持不变的情况下，每个金属纳米砖单元都作为一个二值光刻掩模图案像素点，通过调节每个金属纳米砖单元的转角，使每个像素点显示出亮暗两个灰度之一，实现二值光刻掩模的制备。

进一步地，本发明的该方法中还包括实现掩模图案复用的方法：

调节金属纳米砖单元的转角，使其呈现出明暗对比度高的二值图像，得到设计的掩模图案，且改变入射光偏振方向到特定方向时，呈现出另一块完全不相关的掩模图案，实现掩模图案的复用。

进一步地，本发明的入射光经过超表面阵列结构后的透射光的光强满足以下公式：

I＝I₀ cos²(θ-α)

其中，基底中相互垂直的两边分为x轴和y轴，转角为金属纳米砖长轴和基底x轴的夹角，I为透射光的光强，I₀为入射光强，θ为金属纳米砖转角，α为入射线偏光与基底x轴的夹角。

进一步地，本发明的金属纳米砖单元的转角包括四种：22.5°、67.5°、112.5°和157.5°，对具备四种转角的金属纳米砖进行排布，排布后的超表面阵列具备以下功能：

当入射线偏光为x线偏光时，即α＝0°，四种金属纳米砖对应的二值化灰度等级分别为1、1、0、0，超表面阵列为复用前的第一块二值掩模图案；

当入射线偏光为45°线偏光时，即α＝45°，四种金属纳米砖对应的二值化灰度等级分别为1、1、0、0，超表面阵列为复用后的第二块二值掩模图案；

其中，第一块二值掩模图案和第二块二值掩模图案互不相关，实现了复用功能，扩充了光刻掩模的信息密度。

进一步地，本发明的该方法的具体以下步骤为：

步骤一、采用电磁仿真软件，在紫外波段优化金属纳米砖单元结构，得到优化好的结构参数为：周期CS为200nm，长度L为110nm，宽度W为80nm，高度H为60nm；同时优化金属纳米砖阵列和入射线偏光偏振方向的组合，得到复用型二值化信息的分布；

步骤二、使用紫外光源，配合起偏器，得到一束中心波长为365nm的正入射窄带线偏光，入射到超表面结构上，出射到4倍物镜，经物镜缩小聚焦到光刻胶上；当入射线偏光偏振方向与x轴平行时，得到复用前的第一块二值光刻掩模图案；转动起偏器角度，得到入射线偏光偏振方向与x轴45°，其透过超表面阵列得到复用后的第二块二值光刻掩模图案。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，提供的超表面阵列由基底、金属纳米砖阵列及PMMA涂层共同构成，金属纳米砖置于基底上，PMMA材料覆盖在金属纳米砖阵列之上，形成涂层。在工作波长下，金属纳米砖阵列可实现起偏器功能，当入射线偏光偏振方向沿x轴方向时，可以得到设计的光刻掩模；当入射线偏光偏振方向沿45°时，可以得到另一幅设计的光刻掩模，实现光刻掩模的复用。本发明基于超表面结构的集成光路光刻掩模方法成本较低，效率较高，结构简单，加工难度低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中实现光刻掩模功能的超表面阵列单元结构基底及金属纳米砖示意图；

图2为本发明实施例中实现光刻掩模功能的超表面阵列单元结构的俯视图和侧视图；

图3为本发明实施例中实现光刻掩模功能的超表面阵列单元结构的光谱分布；

图4为本发明实施例中实现光刻掩模功能的超表面阵列单元结构的透射光谱与金属纳米砖转角关系示意图；

图5为采用本发明实施例提供的超表面阵列作为光刻掩模加工集成电路的加工示意图；

图6为本发明实施例中一种基于超表面阵列结构的光刻掩模信息复用示意图；

其中，1-金属纳米砖，2-基底，3-PMMA涂层，4-起偏器，5-超表面阵列，6-4倍物镜，7-光刻胶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中提供了一种基于金属纳米砖的超表面阵列结构，并将之应用到集成电路的光刻技术中。超表面阵列结构包括金属纳米砖、基底和PMMA涂层3；金属纳米砖为长方体形，置于基底之上，呈周期分布，相邻纳米砖中心间隔相等；金属纳米砖上覆盖着一层PMMA涂层，用于防止金属纳米砖在空气中氧化；金属纳米砖、基底和PMMA涂层均为亚波长尺度，其中金属纳米砖材料为金属铝，基底材料为二氧化硅。基底被划分为多个周期分布的正方形单元，所述每个单元中心均放置一个所述金属纳米砖。PMMA涂层覆盖在铝纳米砖表面，防止金属铝在空气中氧化。

金属纳米砖的尺寸由电磁仿真软件(FDTD)仿真优化得到，优化后的金属纳米砖结构能够实现起偏器的功能，即在设计的工作波长(365nm)下，入射线偏振光的偏振方向沿着金属纳米砖长轴时，透射率最低；入射线偏振光的偏振方向沿着金属纳米砖短轴时，透射率最高。

本实施例中，优化后的金属纳米砖阵列的结构参数为：周期CS为200nm，长度L为110nm，宽度W为80nm，高度H为60nm，如图1所示。图2为超表面结构的俯视图和左视图。

沿金属纳米砖短轴方向的线偏光入射到金属纳米砖单元上，其透射光谱响应如图3所示；随着入射线偏光的偏振方向发生变化，透射光强也随之变化，如图4所示，符合马吕斯定律：

I＝I₀cos²θ

其中，I为透射光的光强，I₀为入射线偏光的光强，θ为入射线偏光偏振方向与金属纳米砖短轴的夹角。

在入射线偏光偏振方向与金属纳米砖短轴的夹角为θ和180°-θ时，透射光光强相等，利用这个原理，可以通过设计入射线偏光偏振方向和金属纳米砖的转角的组合模式，实现光刻掩模版的信息复用，即单块光刻掩模具有两幅二值图像信息，如图6所示。

下面将提供基于超表面结构的集成电路光刻掩模制备方法的具体实施过程。

本实施例中，将选取一束正入射紫外光作为本光刻掩模制备方法的激励光源，选取紫外光(365nm)作为响应波长。

第一步，采用现有电磁仿真软件(FDTD)，在紫外波段(365nm左右)优化金属纳米砖单元结构，得到优化好的结构参数为：周期CS为200nm，长度L为110nm，宽度W为80nm，高度H为60nm；同时优化金属纳米砖阵列和入射线偏光偏振方向的组合，得到复用型二值化信息的分布，如下表所示：

表1金属纳米砖转角和入射线偏光偏振方向组合复用二值信息分布

当入射线偏光偏振方向与x轴平行时，即α＝0°，所述四种不同转角金属纳米砖(22.5°、67.5°、112.5°和157.5°)对应的二值化灰度等级分别为1、1、0、0，为第一块二值光刻掩模图案；

当入射线偏光偏振方向与x轴呈45°时，即α＝45°，所述四种不同转角金属纳米砖(22.5°、67.5°、112.5°和157.5°)对应的二值化灰度等级分别为1、1、0、0，为第二块二值光刻掩模图案；

其中，根据设计的集成电路，调整每个单元金属纳米砖转角，实现了光刻掩模信息的复用功能，扩充了光刻掩模的信息密度。

第二步，如图5所示，使用紫外光源，配合起偏器，得到一束中心波长为365nm的正入射窄带线偏光，入射到超表面结构上，出射到4倍物镜，经物镜缩小聚焦到光刻胶上。当入射线偏光偏振方向与x轴平行时，得到第一块二值光刻掩模图案；转动起偏器角度，得到入射线偏光偏振方向与x轴45°，其透过超表面阵列得到第二块二值光刻掩模图案。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种超表面阵列结构，其特征在于，该结构包括基底、金属纳米砖阵列和PMMA涂层，金属纳米砖阵列设置在基底上，PMMA涂层覆盖在金属纳米砖阵列上，金属纳米砖阵列包括多个金属纳米砖单元；该超表面阵列结构的金属纳米砖单元的结构参数针对设计波长优化得到，具有起偏器功能；基底和金属纳米砖阵列均为亚波长尺寸，金属纳米砖单元为长方体形，相邻金属纳米砖单元的中心间距相等。

2.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，金属纳米砖阵列材料采用金属铝，基底材料采用二氧化硅，PMMA涂层材料为PMMA材料。

3.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，金属纳米砖单元的结构参数为：长度为110nm、宽度为80nm、高度为60nm；工作波长为365nm；金属纳米砖单元结构的周期为200nm。

4.一种基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，其特征在于，将每个金属纳米砖单元作为单个像素点，在入射线偏光的偏振方向保持不变的情况下，每个金属纳米砖单元都作为一个二值光刻掩模图案像素点，通过调节每个金属纳米砖单元的转角，使每个像素点显示出亮暗两个灰度之一，实现二值光刻掩模的制备。

5.根据权利要求4所述的基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，其特征在于，该方法中还包括实现掩模图案复用的方法：

调节金属纳米砖单元的转角，使其呈现出明暗对比度高的二值图像，得到设计的掩模图案，且改变入射光偏振方向到特定方向时，呈现出另一块完全不相关的掩模图案，实现掩模图案的复用。

6.根据权利要求5所述的基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，其特征在于，入射光经过超表面阵列结构后的透射光的光强满足以下公式：

I＝I₀cos²(θ-α)

其中，基底中相互垂直的两边分为x轴和y轴，转角为金属纳米砖长轴和基底x轴的夹角，I为透射光的光强，I₀为入射光强，θ为金属纳米砖转角，α为入射线偏光与基底x轴的夹角。

7.根据权利要求5所述的基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，其特征在于，金属纳米砖单元的转角包括四种：22.5°、67.5°、112.5°和157.5°，对具备四种转角的金属纳米砖进行排布，排布后的超表面阵列具备以下功能：

当入射线偏光为x线偏光时，即α＝0°，四种金属纳米砖对应的二值化灰度等级分别为1、1、0、0，超表面阵列为复用前的第一块二值掩模图案；

当入射线偏光为45°线偏光时，即α＝45°，四种金属纳米砖对应的二值化灰度等级分别为1、1、0、0，超表面阵列为复用后的第二块二值掩模图案；

其中，第一块二值掩模图案和第二块二值掩模图案互不相关，实现了复用功能，扩充了光刻掩模的信息密度。

8.根据权利要求7所述的基于超表面阵列结构的集成电路光刻掩模制备方法，其特征在于，该方法的具体以下步骤为：

步骤一、采用电磁仿真软件，在紫外波段优化金属纳米砖单元结构，得到优化好的结构参数为：周期CS为200nm，长度L为110nm，宽度W为80nm，高度H为60nm；同时优化金属纳米砖阵列和入射线偏光偏振方向的组合，得到复用型二值化信息的分布；

步骤二、使用紫外光源，配合起偏器，得到一束中心波长为365nm的正入射窄带线偏光，入射到超表面结构上，出射到4倍物镜，经物镜缩小聚焦到光刻胶上；当入射线偏光偏振方向与x轴平行时，得到复用前的第一块二值光刻掩模图案；转动起偏器角度，得到入射线偏光偏振方向与x轴45°，其透过超表面阵列得到复用后的第二块二值光刻掩模图案。

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