CN112596347B - 一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法 - Google Patents

一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，包括以下步骤：将目标光刻版图的密集图案拆解为N个低密度稀疏光刻图案；利用空间光调制器对曝光光束进行空间像素化调制，生成N个低密度稀疏数字掩膜图案；衬底上涂覆有光刻胶，N个低密度稀疏数字掩膜图案经过投影物镜成像于光刻胶，并交替曝光N次；进行后处理，最终得到高密度纳米线阵列光刻图案。本发明通过交替曝光N次低密度稀疏图案(最小周期不小于λ/2)，将纳米线条的密度提高N倍，实现密集图案曝光(最小周期可小于λ/2)，显著提高了投影光刻分辨率。另外，由于空间光调制器的组件中像素间距固定不存在对准误差，因此无需实体掩模板的套刻对准的步骤，即可实现一次涂胶的多重曝光工艺。

Description

一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法
技术领域
本发明涉及数字掩模投影光刻领域，更具体地，涉及一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法。
背景技术
光刻技术是半导体产业中不可缺少的关键技术，传统光刻采用光掩模微缩投影光刻的方式来高效制备IC的纳米图形，在光学系统未突破光学衍射极限情况下，通过多重曝光等分辨率增强技术与光刻胶非线性特性之间的配合，提高了纳米图形密集程度，并且突破了7纳米节点的光刻制程。然而，针对高端芯片超高密度晶体管的光刻，需要将密集图案拆分成不同密度稀疏图案，并结合多重曝光技术，有些时候不得不使用四重、五重乃至是六重曝光，这种多次套刻的步骤增加了光刻工艺的复杂度，需要克服纳米级的对准误差问题，不仅会导致光刻掩模板数量和费用急剧增加，还会导致生产流程加长、成本加高，良品率也很难提上来。
基于空间光调制器(SLM)的数字掩模投影光刻技术，如利用数字微反射镜器件(DMD)当作SLM来生成“数字掩模”，不仅能省去掩模板及其制作设备的成本，而且提高了光刻的灵活性和生产效率，是下一代新型光刻技术一个潜在的替代方案。现有的DMD数字掩模投影光刻技术一般通过采用短波长(λ<400nm)相干光源、高密度小面元(d<10μm)DMD芯片、大缩小比大数值孔径投影物镜等手段，来提高光刻的极限分辨率和增加纳米图案的密集程度。然而随着投影物镜缩小比例的增大和DMD像素面元尺寸的减小，由DMD生成的“数字掩模”如常见的密集纳米线图案，在一次涂胶光刻过程中相邻纳米线条在焦面上的间距不小于光学衍射极限λ/2，这意味着一味地减小像元尺寸、增大镜头的缩放比例也无法解决数字掩模投影光刻中周期小于λ/2密集图案的制备问题。
在现有技术中，公开号为CN101470354A的中国发明专利，于2009年07月01日公开了一种提高数字掩模光刻的分辨率的方法，包括使该被曝光元件与该聚焦元件阵列之间沿第一方向和第二方向相对步进移动，依次曝光形成多组像素，其中每次移动的步长小于各聚焦元件所形成的光斑的直径，以使各像素点上由一个以上的光斑相互重叠而形成的光强分布中，光强大于一曝光临界值的曝光像素图案形成一个所述的像素。虽然该方案在聚焦元件的分辨率受限的情况下，能在一定程度上提高数字掩模光刻的分辨率，但是并未能解决上述问题，因此，用户急需一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法。
发明内容
本发明为解决多次套刻纳米级的对准误差问题、数字掩模投影光刻中周期小于λ/2密集图案的制备问题等，提供了一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，包括以下步骤：S1：将目标光刻版图的密集图案拆解为N个结构最小周期不小于λ/2的低密度稀疏光刻图案，其中N≥2；S2：利用计算机控制的空间光调制器对入射的曝光光束进行空间像素化调制，生成与低密度稀疏光刻图案对应的N个低密度稀疏数字掩膜图案；S3：衬底上涂覆有光刻胶，N个低密度稀疏数字掩膜图案经过投影物镜成像于光刻胶上，并控制低密度稀疏数字掩膜图案阵列化像素微镜面元的开关状态，交替曝光N次；S4：曝光结束后进行后处理，最终得到结构周期小于λ/2的高密度纳米线阵列光刻图案。
上述方案中，空间光调制器具备透射和反射两种工作模式，能对应调制两种(反射)曝光光束、(折射)曝光光束。另外，低密度稀疏数字掩膜图案经投影物镜成像在光刻胶上，进行交替曝光，由于微镜间距固定，不存在对准误差，因此无需实体掩膜板的套刻对准步骤，实现了一次涂胶的多重曝光工艺，将纳米线条的密度提高N倍，提高了数字掩膜投影光刻分辨率。本方法不仅能够极大提高加工效率，而且降低了生产成本。
优选地，低密度稀疏光刻图案的个数N与曝光光束的波长λ、微镜面元尺寸d和投影物镜的镜头缩放倍率β之间存在判据关系，具体为：N*d*β≥λ/2。
上述方案中，通过遵循该判据关系，保证相邻纳米线图案在焦面上光强分布的峰-峰是光学可分辨的。
优选地，所述空间光调制器包括一个或多个可独立寻址和控制的像素阵列；所述空间像素化调制具体为像素阵列中每个像素可对透射、反射或衍射的光线进行相位、强度或开关状态的调制，可对曝光光束进行m×n个像素的光场分布编码。
优选地，曝光光束进行光场分布编码后得到低密度稀疏数字掩膜图案，其像素点(m,n)上的光场分布为：
其中Am,n(x-md,y-nd)代表像素点(m,n)上光场的振幅，Pm,n(x-md,y-nd)代表像素点(m,n)上光场的相位，d代表像素尺寸。
优选地，每个所述像素点(m,n)的振幅和相位均为独立可调，其阵列分布为正方分布或菱形分布。其中，正方分布如下：
优选地，所述低密度稀疏数字掩膜图案包括像素化的微型光束阵列，其阵列最大值为5000×5000个像素，其阵列间距d为0.5μm-5000μm。
优选地，所述低密度稀疏数字掩膜图案的像素点(m,n)的归一化振幅Am,n和位相Pm,n信息为：
和/>
其中，可根据设计的低密度稀疏数字掩膜图案的需要，在特定像素点(m,n)对微镜进行“ON”或“OFF”控制，选择情况case1或case2，以产生特定设计的低密度稀疏数字掩膜图案。
上述方案中，根据拆解的N个低密度稀疏光刻图案，生成特定的低密度稀疏数字掩膜图案用于后续的曝光工艺。如N＝2时，生成的2块数字掩膜图案,在某些像素点处，Am,n＝0，意味着该像素点为暗像素；在其他像素点处，Am,n＝1，意味着该点为亮像素。通过选择适当的Am,n和Pm,n，使得曝光的像素图案尽量接近所需的设计图案。
优选地，所述投影物镜为高倍率远心镜头，其缩放比为1/5×-1/500×。
优选地，所述衬底为半导体基片；所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。
优选地，所述光刻胶对曝光光束进行非线性多光子吸收。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明将多重曝光的概念引入数字掩膜投影光刻中，通过交替曝光N次低密度稀疏图案(最小周期不小于λ/2)，将纳米线条的密度提高N倍，实现密集图案曝光(最小周期可小于λ/2)，显著提高了投影光刻分辨率。另外，由于本发明方法中空间光调制器像素间距固定不存在对准误差，因此无需实体掩模板的套刻对准的步骤，即可实现一次涂胶的多重曝光工艺。
附图说明
图1为本发明方法步骤图；
图2为本发明方法原理示意图；
图3为本发明方法实施例1双重曝光流程及光刻图案特征尺度示意图；
图4为本发明方法实施例2四重曝光流程及光刻图案特征尺度示意图；
图5为本发明方法实施例3三重曝光流程及光刻图案特征尺度示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，包括以下步骤：S1：将目标光刻版图的密集图案拆解为N个结构最小周期不小于λ/2的低密度稀疏光刻图案，其中N≥2；S2：利用计算机控制的空间光调制器对入射的曝光光束进行空间像素化调制，生成与低密度稀疏光刻图案对应的N个低密度稀疏数字掩膜图案；S3：衬底上涂覆有光刻胶，N个低密度稀疏数字掩膜图案经过投影物镜成像于光刻胶上，并控制低密度稀疏数字掩膜图案阵列化像素微镜面元的开关状态，交替曝光N次；S4：曝光结束后进行后处理，最终得到结构周期小于λ/2的高密度纳米线阵列光刻图案。所述后处理包括显影、烘烤。
上述方案中，低密度稀疏数字掩膜图案经投影物镜成像在光刻胶上，进行交替曝光，由于微镜间距固定，相比于传统掩膜投影光刻技术，不存在对准误差，因此无需实体掩膜板的套刻对准步骤，实现了一次涂胶的多重曝光工艺，将纳米线条的密度提高N倍，提高了数字掩膜投影光刻分辨率。本方法具有制备工艺简单、制造成本低、工艺稳定性好、制造效率高的优点。
本光刻技术属于无掩膜光刻(即数字光刻)技术，其光刻原理建立在非线性光学基础上，属于非线性光刻技术，不同于目前主流的西方ASML或者尼康的光刻技术(基于传统线性光学的实体掩模投影光刻技术)；而利用多重曝光技术，可以突破衍射极限：假设衍射极限是D＝波长/2，那么进行多重曝光N次，线间距就变为D/N。
如图2所示，空间光调制器具备透射和反射两种工作模式，能对应调制两种(反射)曝光光束、(折射)曝光光束，生成可编程的像素化位相和振幅参数的数字掩膜图案，经过投影物镜投射至光刻胶上，经交替曝光N次后得到高密度纳米线阵列光刻图案。当N＝2时，生成两块低密度稀疏数字掩膜图案：数字掩膜图案1、数字掩膜图案2，当其投射至光刻胶上，光场强度分布分别对应为：光场强度分布1、光场强度分布2；若进行单次曝光，所得到的高密度纳米线阵列光刻图案周期为b，但是若交替曝光两次，则周期为a，其中b＝2a，线密度增加了一倍。
具体地，低密度稀疏光刻图案的个数N与曝光光束的波长λ、微镜面元尺寸d和投影物镜的镜头缩放倍率β之间存在判据关系，具体为：N*d*β≥λ/2。
具体地，所述空间光调制器包括一个或多个可独立寻址和控制的像素阵列；所述空间像素化调制具体为像素阵列中每个像素可对透射、反射或衍射的光线进行相位、强度或开关状态的调制，可对曝光光束进行m×n个像素的光场分布编码。
具体地，曝光光束进行光场分布编码后得到低密度稀疏数字掩膜图案，其像素点(m,n)上的光场分布为：
其中Am,n(x-md,y-nd)代表像素点(m,n)上光场的振幅，Pm,n(x-md,y-nd)代表像素点(m,n)上光场的相位，d代表像素尺寸。
具体地，每个所述像素点(m,n)的振幅和相位均为独立可调，其阵列分布为正方分布或菱形分布。
具体地，所述低密度稀疏数字掩膜图案包括像素化的微型光束阵列，其阵列最大值为5000×5000个像素，其阵列间距d为0.5μm-5000μm。
具体地，所述低密度稀疏数字掩膜图案的像素点(m,n)的归一化振幅Am,n和位相Pm,n信息为：
和/>
其中，可根据设计的低密度稀疏数字掩膜图案的需要，在特定像素点(m,n)对微镜进行“ON”或“OFF”控制，选择情况case1或case2，以产生特定设计的低密度稀疏数字掩膜图案。
具体地，所述投影物镜为高倍率远心镜头，其缩放比为1/5×-1/500×。
具体地，所述衬底为半导体基片；所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。
具体地，所述光刻胶对曝光光束进行非线性多光子吸收。不同于传统光刻的线性吸收效应。
实施例1
在本实施例中，曝光的光源为波长400nm飞秒紫外光，DMD微型反射镜阵列1024×768，DMD单个面元尺寸13.68μm，可形成宽度d＝13.68μm左右的微型光束，而整个阵列所反射的光形成图案化的光束阵列，即“数字掩模”。
在本实施例中，投影物镜系统的投影比例为：1/100×，物镜数值孔径NA＝1.45。目的是为了在保持DMD像素宽度一定的条件下，降低密集线阵列中纳米线的宽度和间距。投影到像面上的单像素强度，单点近似高斯分布，光腰处宽度FW1/e2M＝180nm，可根据衍射极限公式FWHM＝sqrt(ln2/2)×0.61λ/NA)＝104nm，计算FW1/e2M＝FWHM/sqrt(ln2/2)，根据投影缩放比例，可得两个像素点间距为d/100＝13.68μm/100＝137nm，这两个特征参数都小于衍射极限半个波长的200nm,因此两个亮像素，需要相隔2个周期d(即中间设置1个暗像素)才可光学可分辨。
在本实施例中，DMD生成的“数字掩模”为纳米线阵列，其中亮像素点和暗像素点呈线状交替分布,总共产生2个“数字掩模”图案，因此需要采用双重曝光工艺。为便于表达，将中间第512列像素定义为列序号i，将中间第384行像素定义为列序号j。2个DMD生成的“数字掩模”振幅Am,n和位相参数/>阵列分布图分别如下：
“数字掩模”图案1：
“数字掩模”图案2：
在本实施例中，光学投影系统将像素化“数字掩模”图案投射到半导体基片上的光刻胶中，缩放“数字掩模”的像场对光刻胶进行曝光。被光束曝光的区域就成了亮像素，而未被曝光的区域即为暗像素。通过对曝光剂量(曝光光强度W×曝光时间T)的控制，当曝光阈值与强度比例为0.95时，可得到光刻图形的线宽为32nm,纳米线周期为2*d/100＝274nm。
在本实施例中，采用双重曝光工艺，通过交替曝光2次低密度稀疏数字掩膜图案，即“数字掩模”图案1和图案2，其每一块“数字掩模”图案在光刻胶中的光场周期274nm不小于λ/2)，相比单次曝光工艺可将纳米线条的密度提高2倍，实现周期137nm小于λ/2的密集图案曝光，显著提高投影光刻分辨率。如图3所示，制备的纳米线线宽32nm，周期137nm，间距105nm。
实施例2
在本实施例中，曝光的光源是波长400nm飞秒紫外光，DMD微型反射镜阵列2560×1600，DMD单个面元尺寸5.4μm，可形成宽度d＝5.4μm左右的微型光束，而整个阵列所反射的光形成图案化的光束阵列，即“数字掩模”。
在本实施例中，投影物镜系统的投影比例为：1/100×，物镜数值孔径NA＝1.45。目的是为了在保持DMD像素宽度一定的条件下，降低密集线阵列中纳米线的宽度和间距。投影到像面上的单像素强度，单点近似高斯分布，光腰处宽度FW1/e2M＝180nm，可根据衍射极限公式FWHM＝sqrt(ln2/2)×0.61λ/NA)＝104nm，计算FW1/e2M＝FWHM/sqrt(ln2/2)，根据投影缩放比例，可得两个像素点间距为d/100＝5.4μm/100＝54nm，这两个特征参数都小于衍射极限半个波长的200nm,因此两个亮像素，需要相隔4个周期d(即中间设置3个暗像素)才可光学可分辨。
在本实施例中，DMD生成的“数字掩模”为纳米线阵列，其中亮像素点和暗像素点呈线状交替分布,总共产生4个“数字掩模”图案，因此需要采用双重曝光工艺。为便于表达，将中间第512列像素定义为列序号i，将中间第384行像素定义为列序号j。4个DMD生成的“数字掩模”振幅Am,n和位相参数/>阵列分布图分别如下：
“数字掩模”图案1：
“数字掩模”图案2：
“数字掩模”图案3：
“数字掩模”图案4：
在本实施例中，光学投影系统将像素化“数字掩模”图案投射到半导体基片上的光刻胶中，缩放“数字掩模”的像场对光刻胶进行曝光。被光束曝光的区域就成了亮像素，而未被曝光的区域即为暗像素。通过对曝光剂量(曝光光强度W×曝光时间T)的控制，当曝光阈值与强度比例为0.95时，可得到光刻图形的线宽为32nm,纳米线周期为4*d/100＝216nm。
在本实施例中，采用四重曝光工艺，通过交替曝光4次低密度稀疏图案，即“数字掩模”图案1、2、3和4，其每一块“数字掩模”图案在光刻胶中的光场周期216nm不小于λ/2)，相比单次曝光工艺可将纳米线条的密度提高4倍，实现周期54nm小于λ/2的密集图案曝光，显著提高投影光刻分辨率。如图4所示，制备的纳米线线宽32nm，周期54nm，间距22nm。
实施例3
在本实施例中，曝光的光源是波长343nm飞秒紫外光，DMD微型反射镜阵列2560×1600，DMD单个面元尺寸5.4μm，可形成宽度d＝5.4μm左右的微型光束，而整个阵列所反射的光形成图案化的光束阵列，即“数字掩模”。
在本实施例中，投影物镜系统的投影比例为：1/100×，物镜数值孔径NA＝1.45。目的是为了在保持DMD像素宽度一定的条件下，降低密集线阵列中纳米线的宽度和间距。投影到像面上的单像素强度，单点近似高斯分布，光腰处宽度FW1/e2M＝180nm，可根据衍射极限公式FWHM＝sqrt(ln2/2)×0.61λ/NA)＝104nm，计算FW1/e2M＝FWHM/sqrt(ln2/2)，根据投影缩放比例，可得两个像素点间距为d/100＝5.4μm/100＝54nm，这两个特征参数都小于衍射极限半个波长的172nm,因此两个亮像素，需要相隔3个周期d(即中间设置2个暗像素)才可光学可分辨。
在本实施例中，DMD生成的“数字掩模”为纳米线阵列，其中亮像素点和暗像素点呈线状交替分布,总共产生3个“数字掩模”图案，因此需要采用三重曝光工艺。为便于表达，将中间第512列像素定义为列序号i，将中间第384行像素定义为列序号j。3个DMD生成的“数字掩模”振幅Am,n和位相参数/>阵列分布图分别如下：
“数字掩模”图案1：
“数字掩模”图案2：
“数字掩模”图案3：
在本实施例中，光学投影系统将像素化“数字掩模”图案投射到半导体基片上的光刻胶中，缩放“数字掩模”的像场对光刻胶进行曝光。被光束曝光的区域就成了亮像素，而未被曝光的区域即为暗像素。通过对曝光剂量(曝光光强度W×曝光时间T)的控制，当曝光阈值与强度比例为0.95时，可得到光刻图形的线宽为22nm,纳米线周期为3*d/100＝162nm。
在本实施例中，采用三重曝光工艺，通过交替曝光3次低密度稀疏图案，即“数字掩模”图案1、2和3，其每一块“数字掩模”图案在光刻胶中的光场周期162nm不小于λ/2)，相比单次曝光工艺可将纳米线条的密度提高3倍，实现周期54nm小于λ/2的密集图案曝光，显著提高投影光刻分辨率。如图5所示，制备的纳米线线宽22nm，周期54nm，间距32nm。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将目标光刻版图的密集图案拆解为N个结构最小周期不小于λ/2的低密度稀疏光刻图案，其中N≥2；
S2：利用计算机控制的空间光调制器对入射的曝光光束进行空间像素化调制，生成与低密度稀疏光刻图案对应的N个低密度稀疏数字掩膜图案；其中，所述空间光调制器包括一个或多个可独立寻址和控制的像素阵列；所述空间像素化调制具体为像素阵列中每个像素可对透射、反射或衍射的光线进行相位、强度或开关状态的调制，可对曝光光束进行m×n个像素的光场分布编码；
曝光光束进行光场分布编码后得到低密度稀疏数字掩膜图案，其像素点(m,n)上的光场分布为：
E(x,y)＝∑∑Am,n(x-md,y-nd)×Pm,n(x-md,y-nd)；
其中Am,n(x-md,y-nd)代表像素点(m,n)上光场的振幅，Pm,n(x-md,y-nd)代表像素点(m,n)上光场的相位，d代表像素尺寸；
所述低密度稀疏数字掩膜图案的像素点(m,n)的归一化振幅Am,n和位相Pm,n信息为：和/>
其中，根据设计的低密度稀疏数字掩膜图案的需要，在特定像素点(m,n)对微镜进行“ON”或“OFF”控制，选择情况case1或case2，以产生特定设计的低密度稀疏数字掩膜图案；
S3：衬底上涂覆有光刻胶，N个低密度稀疏数字掩膜图案经过投影物镜成像于光刻胶上，并控制低密度稀疏数字掩膜图案阵列化像素微镜面元的开关状态，交替曝光N次；
S4：曝光结束后进行后处理，最终得到结构周期小于λ/2的高密度纳米线阵列光刻图案；
其中，低密度稀疏光刻图案的个数N与曝光光束的波长λ、微镜面元尺寸d和投影物镜的镜头缩放倍率β之间存在判据关系，具体为：N*d*β≥λ/2。
2.根据权利要求1所述的一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，其特征在于，每个所述像素点(m,n)的振幅和相位均为独立可调，其阵列分布为正方分布或菱形分布。
3.根据权利要求1所述的一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，其特征在于，所述低密度稀疏数字掩膜图案包括像素化的微型光束阵列，其阵列最大值为5000×5000个像素，其阵列间距d为0.5μm-5000μm。
4.根据权利要求1所述的一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，其特征在于，所述投影物镜为高倍率远心镜头，其缩放比为1/5×-1/500×。
5.根据权利要求1所述的一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，其特征在于，所述衬底为半导体基片；所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。
6.根据权利要求1所述的一种数字掩膜投影光刻的多重曝光方法，其特征在于，所述光刻胶对曝光光束进行非线性多光子吸收。
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