CN111434438A - 一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，首先，设计飞秒激光光路并搭建飞秒激光微加工系统，然后，根据飞秒激光能量输入的计算模型求出飞秒激光加工区域的能量及加工尺寸，最后根据几何关系和光刻尺寸(即烧蚀尺寸)求出材料的烧蚀阈值。本发明的有益效果是采用飞秒激光来代替传统的光刻的方法对集成电路中的芯片进行光刻，得到高精度，高分辨率的光刻芯片，并且该方法具有高效、步骤简单、易于实现等优点。

Description

一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法
技术领域
本发明涉及集成电路中芯片的光刻技术领域，更具体地说涉及一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法。
背景技术
从第一个晶体管问世算起，半导体技术的发展已有多半个世纪了，现在它仍保持着强劲的发展态势，继续遵循Moore定律即芯片集成度18个月翻一番，每三年器件尺寸缩小0.7倍的速度发展。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC生产，正在对半导体设备带来前所未有的挑战。
集成电路在制造过程中经历了材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、渗杂、化学机械抛光等多个工序，其中尤以光刻工艺最为关键，决定着制造工艺的先进程度。随着集成电路由微米级向钠米级发展，光刻采用的光波波长也从近紫外(NUV)区间的436nm、365nm波长进入到深紫外(DUV)区间的248nm、193nm波长。目前大部分芯片制造工艺采用了248nm和193nm光刻技术。目前对于13.5nm波长的EUV极端远紫外光刻技术研究也在提速前进。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，传统光学光刻受限于投影透镜的传递质量和品质，无法收集光束的较高频率部分，导致图形失真，并且传统光刻技术操作过程复杂，光刻后尺寸较大，提供了一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，采用飞秒激光来代替传统的光刻的方法对集成电路中的芯片进行光刻，得到高精度，高分辨率的光刻芯片，并且该方法具有高效、步骤简单、易于实现等优点。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，按照下述步骤进行：
步骤1，设计飞秒激光光路并搭建飞秒激光微加工系统，其中，飞秒激光微加工系统包括飞秒激光光源系统，成像观测系统和飞秒激光加工定位系统，其中，
飞秒激光经激光器输出后先经过半波片和偏振吸收镜然后是电子快门和倒置远望镜，最后由显微物镜聚焦在基板上，飞秒激光微加工系统的功率由半波片和偏振吸收镜调节，电子快门的作用是控制飞秒激光的曝光时间，
成像观测系统由四部分组成分别是CCD探测器、显微物镜、LED白光和Zoom透镜组，LED发出的白光首先会通过显微物镜照射在样品表面，然后样品反射的光能再次通过显微物镜，然后被Zoom物镜组放大成像，最后在CCD探测器上聚焦，
飞秒激光加工定位系统还包括由计算机控制的三维微位移移动平台，该平台在XYZ三个方向上都能进行高精度的定位和移动，定位系统通过在Z轴方向上的前后移动进行对焦，在X、Y方向上可以移动的最大距离为150mm，极限移动速度为15cm/s，飞秒激光微加工系统包括飞秒激光光源系统，成像观测系统和飞秒激光加工定位系统。
步骤2，根据飞秒激光能量输入的计算模型求出飞秒激光加工区域的能量及加工尺寸，其中，飞秒激光加工能量计算模型如下：
Figure BDA0001946019710000021
式中，Iab表示的是垂直于飞秒激光光轴方向的平面上(x，y，z)处吸收的能量，ω(z)是光轴上z处的光斑半径，K为常数。
Figure BDA0001946019710000022
式中，Ii是垂直于飞秒激光扫描方向上第i个点的吸收的总能量。
步骤3，先根据步骤2中两组实验结果及上述等式求出常数K的具体值，然后根据上述等式求出垂直于飞秒激光扫描方向的直线上材料吸收的飞秒激光的能量分布曲线，最后根据加工后试样加工区域的尺寸及能量分布曲线可以求出材料的烧蚀阈值。
在步骤1中，飞秒激光的重复频率为40-60MHz，激光脉冲宽度为110-130fs，光斑半径为8-12μm。
在步骤1中，飞秒激光的重复频率为50MHz，激光脉冲宽度为120fs，光斑半径为10μm。
在步骤1中，电子快门选用Vincent Associates公司的Uniblitz LS6型号电子可编程快门。
在步骤1中，飞秒激光器选用昊量光电的Carmel光纤飞秒激光器。
在步骤1中，CCD成像系统选用中微科创。
本发明的有益效果为：本发明采用飞秒激光光刻蚀技术操作简单，所需设备少，成本低，本发明采用的飞秒激光加工后加工区域表面光洁，具有极高的精度，飞秒激光光刻芯片能够实现高精度高分辨率的加工，通过控制飞秒激光的参数能够实现亚微米级别的刻蚀。
附图说明
图1为本发明所使用的飞秒激光发生器，
图2为飞秒激光微加工系统光路图；
图3是利用本发明方法对基板材料进行加工后的扫描电镜图像，其中，(a)扫描速率为100μm/s，(b)扫描速率为200μm/s，(c)扫描速率为300μm/s，(d)扫描速率为400μm/s，(e)扫描速率为500μm/s，
图4为计算飞秒激光能量输入模型及公式；
图5为飞秒激光光斑脉冲行走示意图，其中，(a)为当第一个飞秒激光光斑进入A点到最后一个光斑离开A点的过程中光斑移动的示意图，(b)为在整个加工过程中A点吸收的总能量的分布示意图；
图6是直线MN上材料所吸收的总的能量的分布，其中，(a)扫描速率为100μm/s，(b)扫描速率为200μm/s，(c)扫描速率为300μm/s，(d)扫描速率为400μm/s，(e)扫描速率为500μm/s。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本实施例采用的飞秒激光器的重复频率为50MHz，激光的功率调节范围为0-6W，飞秒激光波长1040nm，脉冲持续时间为120fs。飞秒激光的聚焦方式为消色差透镜聚焦，焦距为20mm，聚焦后光斑半径为10μm。
飞秒激光微加工系统的组成如下：飞秒激光光源系统，成像观测系统和飞秒激光加工定位系统，如图1所示。
飞秒激光经激光器输出后先经过半波片和PBS(偏振吸收镜)然后是电子快门和倒置远望镜，最后由显微物镜聚焦在基板上。飞秒激光微加工系统的功率由半波片和PBS调节。电子快门(Vincent Associates公司的Uniblitz LS6型号电子可编程快门)的作用是控制飞秒激光的曝光时间。
成像观测系统由四部分组成，分别是CCD探测器、显微物镜、LED白光和Zoom透镜组。LED发出的白光首先会通过显微物镜照射在样品表面，然后样品反射的光能再次通过显微物镜，然后被Zoom物镜组放大成像，最后在CCD探测器上聚焦。
飞秒激光加工定位系统是由计算机控制的三维微位移移动平台，该平台在XYZ三个方向上都能进行高精度的定位和移动。定位系统通过在Z轴方向上的前后移动进行对焦，在X、Y方向上可以移动的最大距离为150mm，极限移动速度为15cm/s。
首先使用飞秒激光以一定的参数在基板表面加工一条8mm宽的细线，然后改变飞秒激光参数光斑沿垂直于前一条加工线的方向移动500μm加工下一条线，以此类推直到所研究的参数加工完毕。
试验基板采用的是301不锈钢。飞秒激光重复频率为50MHz。激光波长λ＝1040nm，，脉冲持续时间为120fs，飞秒激光聚焦后光斑半径为10μm。飞秒激光的平均功率为2W，激光扫描速率分别为100μm/s、200μm/s、300μm/s、400μm/s和500μm/s。飞秒激光光路如图2所示。试验在空气氛围中进行，试验过程中无保护气。试验后使用扫描电镜(SEM,S-4800,HitachiLtd.)拍摄试样加工区域表面形貌，并使用Nano Measurer软件分别量取重熔缝和烧蚀坑道的宽度。
在之前的研究中，共有两种计算材料烧的蚀阈值的方式，如式3-1和3-2所示：
Figure BDA0001946019710000041
Fth(N)＝Fth(1)NS-1 (3-2)
式3-1和式3-2均为多脉冲激光打点时，计算材料烧蚀阈值的方式。其中D为飞秒激光打点时烧蚀坑的直径，Fth(N)是当有N个有效脉冲作用材料时材料的烧蚀阈值。ω0是飞秒激光聚焦后的光斑半径，本研究中为10μm。S是孕育系数(孕育效应：多脉冲激光作用材料时，材料烧蚀阈值降低的现象)。F0是飞秒激光的峰值功率。另外，式3-1还给出了烧蚀坑尺寸与材料烧蚀阈值的关系，但是该等式不足以用来计算烧蚀与熔化共存时的尺寸。其中飞秒激光作用时的有效脉冲个数N与峰值功率F0可以等式3-3和等式3-4求出：
Figure BDA0001946019710000042
Figure BDA0001946019710000051
其中f是飞秒激光的重复频率，本研究中为50MHz。υ是飞秒激光的扫描速率。P为飞秒激光的平均功率。
因为飞秒激光属于高斯光束，所以飞秒激光的能量分布服从高斯分布。所以在垂直于飞秒激光传播轴线的平面上，飞秒激光能量分布可以用等式3-5表示：
Figure BDA0001946019710000052
其中I是与光轴垂直的平面上任意一点的飞秒激光能量，C是一个常数。ω是光轴上z点处光斑的半径。并且飞秒激光光轴的方向与z轴方向平行。本研究中，采用5个不同的扫描速率的飞秒激光对301不锈钢基板进行微加工，并且飞秒激光扫描的线在其聚焦平面上，所以其扫描方向垂直于光轴方向。对于单脉冲而言，当飞秒激光辐照区域某一点吸收的能量大于等于材料的烧蚀阈值时，材料将发生烧蚀现象。对于多脉冲飞秒激光辐照而言，当多脉冲作用于某一点时材料吸收的总能量密度达到材料的烧蚀阈值时材料才发生烧蚀。当采用飞秒激光对单点进行微加工时(即飞秒激光的扫描速率为零)，则加工区域内任意一点的受到的总能量为N×I。当飞秒激光以一定的扫描速率对材料进行微加工时，由于高斯光束能量分布的特性，加工区域内任意一点所受到的能量将不能简单地用N×I来表达。本研究针对飞秒激光以一定的扫描速率加工材料时能量输入方式的特点，求出加工区域内任意一点所受到的总的能量。在考虑材料吸收率的情况下，从激光扫过的中心区域向外，必然存在关于其中心对称的两个点，在这两个点处材料吸收的能量等于材料的烧蚀阈值。因此，在飞秒激光扫过的区域中，其中心部分能量高于材料的烧蚀阈值，材料发生烧蚀，外部能量低于材料的烧蚀阈值，只能发生熔化。
有一点需要明确地指出：根据高斯光束能量分布特性求出的是加工区域任意一点所吸收的总能量值，而材料的烧蚀阈值是单位面积上的能量。之所以让两者相等是因为，烧蚀阈值虽然是用单位面积的能量来表示，但是可以理解为其表示的在均匀分布的能量下，材料加工区域内任意一点开始发生烧蚀时所需的能量都等于材料的烧蚀阈值。所以本研究中用加工区域内某点吸收的能量等于材料的烧蚀阈值来表示材料发生烧蚀。
飞秒激光加工区域的形貌如图3所示。如图所示，所有参数下飞秒激光所加工得区域均表现出两个明显不同的区域。这两个区域分别是加工区域中心的烧蚀坑和外部的重熔缝。飞秒激光加工后基板表面存在两个不同的形貌表明加工过程中材料同时发生烧蚀和熔化-再凝固两个过程。并且加工区域的形貌与上文推测出的形貌一致。根据加工形貌的特点，可以推测出烧蚀坑边缘上的点材料吸收的能量等于其自身的烧蚀阈值。在本研究中，不锈钢基板的烧蚀阈值可以根据烧蚀坑的宽度，用式3-1求出，也可以用接下来推导出的烧蚀模型求出。根据加工区域的扫描电镜图像量取的不锈钢基板烧蚀坑、重熔缝的宽度如表1所示。其中Lab表示烧蚀坑宽度，Lre表示重熔缝宽度。表3-1还给出了飞秒激光扫描过程中个点受到的有效脉冲的个数。
表1各扫描速率下烧蚀坑和重熔缝宽度以及有效脉冲个数
Figure BDA0001946019710000061
等式3-5给出垂直于飞秒激光传播方向的平面上激光能量的分布情况。由于飞秒激光辐照材料时，材料并不能吸收其全部的能量。所以在计算材料吸收的能量时需要考虑材料对飞秒激光的吸收率。等式3-6给出了当基板的吸收率为η时，单脉冲激光作用时，加工区域任意一点吸收的能量。
Figure BDA0001946019710000062
由于吸收率η和C这两个值都为常数，所以可以用一个新的常数值K来代替。其中K仅与材料的吸收率(η)和激光自身特性有关(C)。所以单脉冲飞秒激光加工区域任意一点吸收的能量可以用等式3-7表示：
Figure BDA0001946019710000063
在本研究中，由于加工时不锈钢基板表面与飞秒激光焦平面重合，所以等式3-7中的ω(z)的值等于飞秒激光的聚焦半径(ω0)。图4是单脉冲飞秒激光辐照材料吸收的能量分布的三维图形，其中x轴与飞秒激光扫描方向平行。从单脉冲作用下材料吸收的能量分布的三维图中也能直观地发现激光中心的能量远高于周围的能量，这种不均匀的能量分布导致了图3中烧蚀与熔化共存的加工形貌。图5(a)中的y的绝对值表示的是距离扫描中心线的距离。图5(b)是一些给定y值下单脉冲飞秒激光沿x轴方向上吸收的能量分布。在飞秒激光扫描过程中，在加工区域中的任意一点，都将经历一个如图3-2b所示的形式能量分布。例如，图5(b)所表示的即图5(a)中A点在飞秒激光加工过程中所吸收的所有脉冲能量的分布。
图5(a)是飞秒激光扫描不锈钢基板时激光光斑移动的示意图。图中较细的带状区域表示烧蚀坑道。A点为烧蚀与熔化区域边界上的点，所以A点吸收的能量刚好能使其发生烧蚀，即此处的吸收的能量等于材料的烧蚀阈值。图5(a)中左边的大圆表示第一个脉冲激光刚进入A点，右边的大圆表示最后一个脉冲离开A点。图3中基板表面的烧蚀坑道可以看作是一系列连续的烧蚀坑重叠排列而成，其对应的有效脉冲个数N可以用等式3-3求出，所以等式3-1中的D可以用烧蚀坑道的宽度(Lab)来代替。此时材料的烧蚀阈值可以根据等式3-1和等式3-4求出。图5(b)给出了当飞秒激光以一定的速率扫过基板时，加工区域中一点A所受到的所有脉冲的能量分布。其中L1是在脉冲持续时间(t)内飞秒激光所扫过距离，L是飞秒激光在一个脉冲周期(T，即激光重复频率的倒数)扫过的距离，2xA是从第一个脉冲进入A点到最后一个脉冲离开A点时，飞秒激光所扫过的距离。需要说明的是对于飞秒激光加工区域内任意一点，图5所表示的关系都成立，因为本章的研究内容主要是烧蚀宽度和烧蚀阈值的计算，所以本研究中去烧蚀和熔化的边界上点A。
对于给定扫描速率的飞秒激光，其扫描过程中加工区域任意一点所受到的有效脉冲个数N为定值，可以用等式3-3求出。所以，对于当第j(j为整数，1≤j≤N)个脉冲经过A时，A点吸收的能量可以用等式3-8来表示。
Figure BDA0001946019710000071
并且根据图5(b)中的几何关系以及飞秒激光脉冲的占空比，等式3-8中的L1可以用等式(3-9)表达。
Figure BDA0001946019710000072
等式3-9中的t/T表示飞秒激光脉冲的占空比。根据图5(a)中的几何关系，xA可以等式(3-10)求出。
Figure BDA0001946019710000081
综上所述，A点在飞秒激光加工过程中材料所吸收的总能量可以用下式表达：
Figure BDA0001946019710000082
有因为A点处于烧蚀与熔化区域的边界上，此时A点吸收的总能量IA应等于基板的烧蚀阈值，如等式3-12所示：
IA＝Fth(N) (3-12)
因为基板的烧蚀阈值可以用等式3-1求出，所以在等式3-12中只含有一个未知量K。所以联合等式3-1以及等式3-8至3-12可以求出未知常数K。因为K至于激光自身特性与材料的吸收率有关，所以可以用一组实验结果中的烧蚀坑宽度D利用等式3-1求出K的具体数值。则A点在加工过程中吸收的总能量将能够被求出来。此时求出的K值为5×10-5。因为K是与激光扫描速率无关的常数，所以其数值可以用于其他参数的飞秒激光微加工中。根据等式3-11，飞秒激光辐照区域内任意一点在加工过程中所吸收的总能量可以用等式3-13和等式3-14表示：
Figure BDA0001946019710000083
Figure BDA0001946019710000084
其中y0是光斑中心到该点的距离，2x0是从第一个脉冲进入该点到最后一个脉冲离开改点时飞秒激光扫过的距离。当该点吸收的总能量I等于材料的烧蚀阈值(Fth(N))时，点(x0,y0)处刚好发生烧蚀。此时，若求出垂直于飞秒激光扫描线的直线上任意一点吸收的总能量，则能求出烧蚀坑道的宽度2y0。另一方面，飞秒激光加工过材料后，可以通过量取烧蚀坑道的宽度(2y0)，然后根据等式3-13和3-14求出材料的烧蚀阈值。
根据前文所推导的数学模型，任何参数的飞秒激光扫描材料后的烧蚀坑道的尺寸可以用如下步骤进行预测：首先，需要两组实验结果确定所加工材料的K值、孕育系数(S)和单脉冲加工时材料的烧蚀阈值。孕育系数和单脉冲烧蚀阈值确定后，根据等式3-2和3-3求出任意飞秒激光扫描速率下材料的烧蚀阈值。最后根据等式3-13可以求出任一参数下飞秒激光烧蚀坑道的尺寸。
表2通过等式3-1求出的基板的烧蚀阈值(Feq1)、烧蚀坑道宽度预测值(Dp)和实际值(De)以及预测值的误差
Figure BDA0001946019710000091
表2给出了通过等式3-1求出的不锈钢基板在不同扫描速率下的烧蚀阈值(Feq1)。为了计算垂直于飞秒激光扫描方向上基板吸收的总能量的分布，在图5(a)中直线MN上均匀地取21个点，等式3-15表示直线MN上第i个点(-10≤i≤10，i为整数)处吸收的飞秒激光的总能量。
Figure BDA0001946019710000092
可以将等式3-15所求出的直线MN上的21个点所吸收的总能量拟合成一条平滑的曲线来表示垂直于飞秒激光扫描方向上基板吸收总能量的分布。图6给出了不同扫描速率下直线MN上基板吸收的总能量的分布。因为烧蚀坑道边缘基板所吸收的总能量等于其烧蚀阈值，所以用基板在不同扫描速率下的计算出的烧蚀阈值(图中虚线)与基板吸收总能量分布曲线的交点确定烧蚀坑道的边界。最后通过量取两个交点间的距离可以得到预测的烧蚀坑道的宽度。从表2表明预测烧蚀坑道的宽度(Dp)与实验所得的烧蚀坑道的实际宽度(De)之间存在的误差较小。这证明了上文所求出的数学模型是正确的，可以利用该模型来求出基板的烧蚀坑的宽度。
利用等式3-15可以求出基板垂直于飞秒激光扫描方向上任意一点处所吸收总能量。当材料的烧蚀阈值能够求出处时，可以用上文所述的方法在只进行两组实验的情况下求出任一参数下材料的烧蚀阈值。相反的，若是已经进行实验并得到了烧蚀坑道的宽度，同样可以从利用等式3-13和3-14求出材料的烧蚀阈值，该方法虽然比等式3-1所给出的求烧蚀阈值的方法要麻烦，但确实能够准确求出不同参数下飞秒激光作用于材料时的烧蚀阈值。表3给出通过该方法求出的基板在不同参数下的烧蚀阈值(Fc)和利用等式求出的烧蚀阈值(Feq1)，并给出了两者之间的误差。结果表明该方法能够准确地求出基板在任意参数下的烧蚀阈值。
表3等式3-1求出的烧蚀阈值(Feq1)和本研究提出的模型求出的烧蚀阈值(Fc)
Figure BDA0001946019710000101
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，设计飞秒激光光路并搭建飞秒激光微加工系统，其中，飞秒激光微加工系统包括飞秒激光光源系统，成像观测系统和飞秒激光加工定位系统，其中，
飞秒激光经激光器输出后先经过半波片和偏振吸收镜然后是电子快门和倒置远望镜，最后由显微物镜聚焦在基板上，飞秒激光微加工系统的功率由半波片和偏振吸收镜调节，电子快门的作用是控制飞秒激光的曝光时间，
成像观测系统由四部分组成分别是CCD探测器、显微物镜、LED白光和Zoom透镜组，LED发出的白光首先会通过显微物镜照射在样品表面，然后样品反射的光能再次通过显微物镜，然后被Zoom物镜组放大成像，最后在CCD探测器上聚焦，
飞秒激光加工定位系统还包括由计算机控制的三维微位移移动平台，该平台在XYZ三个方向上都能进行高精度的定位和移动，定位系统通过在Z轴方向上的前后移动进行对焦，在X、Y方向上可以移动的最大距离为150mm，极限移动速度为15cm/s，飞秒激光微加工系统包括飞秒激光光源系统，成像观测系统和飞秒激光加工定位系统。
步骤2，根据飞秒激光能量输入的计算模型求出飞秒激光加工区域的能量及加工尺寸，其中，飞秒激光加工能量计算模型如下：
Figure FDA0001946019700000011
式中，Iab表示的是垂直于飞秒激光光轴方向的平面上(x，y，z)处吸收的能量，ω(z)是光轴上z处的光斑半径，K为常数。
Figure FDA0001946019700000012
式中，Ii是垂直于飞秒激光扫描方向上第i个点的吸收的总能量。
步骤3，先根据步骤2中两组实验结果及上述等式求出常数K的具体值，然后根据上述等式求出垂直于飞秒激光扫描方向的直线上材料吸收的飞秒激光的能量分布曲线，最后根据加工后试样加工区域的尺寸及能量分布曲线可以求出材料的烧蚀阈值。
2.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，其特征在于：在步骤1中，飞秒激光的重复频率为40-60MHz，激光脉冲宽度为110-130fs，光斑半径为8-12μm。
3.根据权利要求2所述的一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，其特征在于：在步骤1中，飞秒激光的重复频率为50MHz，激光脉冲宽度为120fs，光斑半径为10μm。
4.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，其特征在于：在步骤1中，电子快门选用Vincent Associates公司的Uniblitz LS6型号电子可编程快门。
5.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，其特征在于：在步骤1中，飞秒激光器选用昊量光电的Carmel光纤飞秒激光器。
6.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光进行芯片光刻的方法，其特征在于：在步骤1中，CCD成像系统选用中微科创。
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