CN116626996A - 一种基于光纤阵列的深紫外光刻机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及芯片或集成电路制造技术领域，具体公开了一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，包括深紫外激光光源、单模光纤耦合器、光开关、高精度二维光纤阵列、菲涅尔波带片阵列、放有感光基板的工件台、控制系统以及版图处理软件系统，单模光纤耦合器包括透镜和透镜后面的单模光纤，感光基板包括晶圆和设置在晶圆上的光刻胶，晶圆划分为多个曝光场，深紫外激光光源、工件台和版图处理软件系统均与控制系统电连接，深紫外激光光源的光通过透镜被引入到单模光纤中，单模光纤经过光开关后连接高精度二维光纤阵列，高精度二维光纤阵列的端面与菲涅尔波带片阵列对准；本发明提供的基于光纤阵列的深紫外光刻机，曝光线条更为精细，能够适应更多生产需求。
Description
技术领域
本发明涉及芯片或集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤阵列的深紫外光刻机。
背景技术
传统的光刻机都要使用掩模板。随着光刻线条越来越细，掩模板的制造成本越来越高，制造周期也越来越长，这大大限制了中小型科技企业的创新研发活动，以及小批量、多品种的灵活制造，因此以无掩模光刻为特征的光刻机应运而生。
目前的无掩模光刻机主要有两种。一种是基于电子束、单个或少数几个激光束的无掩模光刻机，其效率低，主要用于制造掩模，或者用于高等院校的科研样品制造。一种是基于空间光调制SLM技术的无掩模光刻机，典型的空间光调制器件是美国德州仪器公司的数字微镜器件DMD，其效率比单束的无掩模光刻机提高很多，但受DMD原理的限制而线条粗，只能用于印刷线路板、平板显示器、芯片封装等领域。
与DMD不同，基于光纤阵列的空间光调制技术很早就被用于复杂图形的曝光中。2001年日本东京电机大学的光纤阵列投影曝光装置的专利获得授权（日本专利授权号P2001-313251A），这里的光纤为多模光纤，曝光光斑尺寸大，直径约10μm，该装置用于印刷领域的计算机直接制版。目前该领域从事这类设备制造的企业有日本的网屏、德国的海德堡、美国的柯达等公司，以及国内的科雷、爱思凯等公司。2007年美国3M公司提出了“用于亚微米光学光刻构图的透镜光纤阵列”的中国专利申请（公开号CN101088048A），采用空间光调制器进行无掩模光刻，采用紫外波段405nm的激光器和单模光纤，将曝光尺寸降低到亚微米尺度。2016年中山新诺科技公司提出了“一种新型高功率高速无掩模光刻系统”的专利（申请公布号 CN105974748A），用外调制光开关控制两个透镜间平行光束的通断，其线条较粗，目标是在线路板制造等领域与基于DMD的激光直接成像设备来竞争生产效率。2018年上海光机所提出了“集成化超分辨激光直写装置及直写方法”的专利（申请公布号CN109491214B），中心激发光进入单模光纤，外围的涡旋抑制光进入光子晶体光纤，二者合束后作为空间光进入透镜，照射到基板上进行曝光，该方案是细线条的单光束曝光，效率低。2022年西湖大学提出了“一种光纤阵列光刻机”的专利（申请公布号CN114488715A），采用同轴的两个光束，中心光为短波长的激发光，外围的环形光为长波长的抑制光，通过抑制光的退激发来消除中心光斑外的衍射光环，以此获得超越衍射极限的超分辨光刻，意图通过光纤阵列提高曝光效率。在西湖大学的专利中，存在两个技术难题：1）要用螺旋相位板把退激发光变为环形光，并把空间光形式的激发光与环形光都耦合到光纤中，且要求二者的同轴度达到纳米量级，其中的耦合对准难度极高；2）光刻胶既要对短波长的激发光敏感、又要对长波长的退激发光敏感，这对光刻胶的研制提出了苛刻要求。
无论是传统的投影光刻机，还是基于空间光调制SLM技术的无掩模光刻机，都需要结构复杂的透镜组件。为了实现高分辨率和低失真度，高数值孔径的透镜系统通常由很多透镜组成，透镜尺寸精度要求高、容差小，透镜制作难度大，多个透镜的精准安装、测试调整都非常麻烦，工作时要保障透镜状态的稳定性也是难事。
目前基于空间光调制SLM技术的无掩模光刻机的光源都集中在近紫外波段，由于衍射极限的限制，导致曝光线条难以减小，只能应用在粗线条领域。有掩模的投影光刻机的光源早已从近紫外跨越到深紫外和极紫外波段，但这个波段范围内的无掩模光刻机还没有看到。如何用波长更短的光源以获得更小的曝光线条、拓展应用范围，同时通过多光束并行曝光进行高效生产，仍然是无掩模光刻机要面对的挑战。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，曝光线条更为精细，能够适应更多生产需求。
作为本发明的第一个方面，提供一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，包括深紫外激光光源、单模光纤耦合器、光开关、高精度二维光纤阵列、菲涅尔波带片阵列、放有感光基板的工件台、控制系统以及安装在计算机中的版图处理软件系统，所述单模光纤耦合器包括透镜和透镜后面的单模光纤，所述感光基板包括晶圆和设置在所述晶圆上的光刻胶，所述晶圆划分为多个曝光场，所述深紫外激光光源、工件台和版图处理软件系统均与所述控制系统电连接，所述深紫外激光光源的光通过所述透镜被引入到所述单模光纤中，所述单模光纤经过所述光开关后连接所述高精度二维光纤阵列，所述高精度二维光纤阵列的端面与所述菲涅尔波带片阵列对准；
其中，所述版图处理软件系统将获取到的版图格式转换为多个曝光场的点阵曝光格式，所述控制系统根据所述点阵曝光格式控制相应的所述光开关的关断、通光以及延时停止，所述深紫外激光光源的光通过所述透镜被引入到所述单模光纤中，所述光开关控制所述单模光纤的通光和关断，所述光开关处于通光状态时，所述高精度二维光纤阵列端面出来的激光束经过所述菲涅尔波带片阵列后，聚焦在所述感光基板的光刻胶上，完成一个曝光场的曝光后，控制系统控制工件台移动到下一个曝光场，直至所有的曝光场都完成曝光后，感光基板再进行后续的显影、刻蚀工艺，就完成了图形的转移。
进一步地，所述单模光纤耦合器用于通过透镜将所述深紫外激光光源的光耦合到所述单模光纤中。
进一步地，所述光开关中有两个透镜，第一个是准直透镜，用于将所述单模光纤出来的光变为准平行光束，第二个是会聚透镜，用于将开关后的准平行光束会聚进入单模光纤；其中，开关位于两个透镜中间，打开开关时，光束能从第一个透镜传输到第二个透镜，关闭开关时，光束被阻挡，不能从第一个透镜传输到第二个透镜。
进一步地，所述高精度二维光纤阵列用于将所述光开关后的单模光纤进行高精度排列，形成可控的精密激光点阵。
进一步地，所述菲涅尔波带片阵列固定在所述高精度二维光纤阵列的前面，并与所述高精度二维光纤阵列配合，所述菲涅尔波带片阵列中的每个波带片单元对准所述高精度二维光纤阵列中的一根光纤，波带片中心与光纤纤芯同轴，使得光纤出射光经过波带片后能聚焦成很小的光斑。
进一步地，所述工件台具有上下、左右、前后、旋转、俯仰、滚转功能，能实现高速运动，并且具有高精度定位功能，以配合激光点阵实现对整个感光基板的光斑全覆盖。
进一步地，所述控制系统包括MCU、FPGA和DSP构成的混合电路，根据所述版图处理软件系统给出的制版图形要求，控制所述工件台的电机进行运动，使所述感光基板位于所述菲涅尔波带片阵列中波带片的焦点处，并使所述感光基板上的特征图形与版图中的对准标记重合，通过电机的平移和不同光开关的通光与关断，使得所述感光基板上的光斑实现对曝光场的全覆盖。
进一步地，所述版图处理软件系统具有将需要曝光的版图分解成多个曝光场的功能，每个曝光场中亚微米或者纳米级的黑白像素点对应于所述光开关的通光与关断，通过所述工件台的移动，实现曝光场之间的无缝衔接和曝光区域对整个感光基板的全覆盖。
本发明提供的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机具有以下优点：首先，采用深紫外激光光源和单模光纤，显著降低光源的原始光斑大小；其次，采用菲涅尔波带片聚焦以匹配光源的小光斑，感光基片上曝光线条的尺寸能减小到一百纳米及以下；再次，采用高精度二维光纤阵列，能够快速进行大量光斑的并行曝光，提高了光刻效率。与深紫外投影光刻机比，无需制作掩模，尤其是用简单的菲涅尔波带片代替了复杂、昂贵的投影透镜组件，设备制作难度大幅减低。与市场上常见的无掩模光刻相比，采用深紫外激光光源和配套的光学系统，曝光线条更为精细，能够适应更多生产需求。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的基于光纤阵列的深紫外光刻机的系统框图。
图2A至图2B为本发明提供的移动曝光的示意图。
图3A至图3B为本发明提供的深紫外激光光源与单模光纤耦合的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的解释中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，除非是特殊标明。例如，连接可以是固定连接，也可以是通过特殊的接口连接，也可以是中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本实施例中提供了一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，用于将预先设计的版图在感光基板上通过曝光、显影的方式，实现图形的光刻转移功能。如图1所示，所述基于光纤阵列的深紫外光刻机包括深紫外激光光源1、单模光纤耦合器2、光开关3、高精度二维光纤阵列4、菲涅尔波带片阵列5、放有感光基板6的工件台7、控制系统8以及安装在计算机中的版图处理软件系统9，所述单模光纤耦合器2包括透镜和透镜后面的单模光纤，所述感光基板6包括晶圆10和设置在所述晶圆10上的光刻胶17，所述晶圆10划分为多个曝光场，所述深紫外激光光源1、工件台7和版图处理软件系统9均与所述控制系统8电连接，所述深紫外激光光源1的光通过所述透镜被引入到所述单模光纤中，所述单模光纤经过所述光开关3后连接所述高精度二维光纤阵列4，所述高精度二维光纤阵列4的端面与所述菲涅尔波带片阵列5对准。
本发明实施例的基于光纤阵列的深紫外光刻机的原理如下：把通过专用版图设计软件获得的版图设计文件传给计算机，计算机中的版图处理软件系统9将获取到的版图格式转换为多个曝光场的点阵曝光格式，点阵曝光格式图形中的黑代表不曝光、白代表曝光。所述控制系统8根据所述点阵曝光格式控制相应的所述光开关3的关断、通光以及延时停止，所述深紫外激光光源1的光通过所述透镜被引入到所述单模光纤中，所述光开关3控制所述单模光纤的通光和关断，所述光开关3处于通光状态时，所述高精度二维光纤阵列4端面出来的激光束经过所述菲涅尔波带片阵列5后，聚焦在所述感光基板6的光刻胶17上，完成一个曝光场的曝光后，控制系统8控制工件台7移动到下一个曝光场，直至所有的曝光场都完成曝光后，感光基板6再进行后续的显影、刻蚀工艺，就完成了图形的转移。
具体地，所述深紫外激光光源1包括两类，一类是波长为193nm的准分子激光器ArF或者波长为248nm的准分子激光器KrF，一类是固体激光器经过多次倍频后的深紫外全固态激光器DUV-DPL，波长与选择的固体激光器种类和倍频次数有关。
优选地，所述单模光纤耦合器2用于通过透镜将所述深紫外激光光源1的光耦合到所述单模光纤中。深紫外激光光源1后有很多单模光纤耦合器2。这里采用与193nm、248nm等波长相对应的单模光纤，其模场直径为1μm量级，具体数值与波长有关。这种特殊制备的单模光纤在深紫外波段要求具有高透过性。在准分子激光器ArF、KrF的情况下，一个激光器对准一个透镜阵列，每个透镜对准一根光纤。在深紫外全固态激光器DUV-DPL的情况下，有很多个小激光器，每个小激光器通过一个透镜对准一根光纤。由于单模光纤的模场直径小，为了获得高耦合效率，需要进行高精度对准。
优选地，所述光开关3中有两个透镜，第一个是准直透镜，用于将所述单模光纤出来的光变为准平行光束，第二个是会聚透镜，用于将开关后的准平行光束会聚进入单模光纤；其中，开关位于两个透镜中间，打开开关时，光束能从第一个透镜传输到第二个透镜，关闭开关时，光束被阻挡，不能从第一个透镜传输到第二个透镜。所述光开光3位于单模光纤耦合器2后、高精度二维光纤阵列4前，用于控制系统操纵光纤的通光和关断。
优选地，所述高精度二维光纤阵列4用于将所述光开关3后的单模光纤进行高精度排列，形成可控的精密激光点阵。这里采用了深紫外激光光源和相应的单模光纤，以确保光源出射光斑很小。高精度二维光纤阵列中光纤排列周期小、排列精度高，例如对于外径80μm的光纤，排列周期为100μm。高精度二维光纤阵列中的光纤数目很多，例如32X32、64X64、96X96、128X128根。
优选地，所述菲涅尔波带片阵列5固定在所述高精度二维光纤阵列4的前面，并与所述高精度二维光纤阵列4配合，所述菲涅尔波带片阵列5中的每个波带片单元对准所述高精度二维光纤阵列4中的一根光纤，波带片中心与光纤纤芯同轴，使得光纤出射光经过波带片后能聚焦成很小的光斑。这里光源的光斑很小，因此选用菲涅尔波带片，采用衍射光学设计可以获得更多自由度，光束质量能达到衍射极限，而且制作简单，避免了大透镜方案时需要结构复杂、价格昂贵的透镜组。
优选地，所述工件台7具有上下、左右、前后、旋转、俯仰、滚转功能，能实现高速运动，并且具有高精度定位功能，以配合激光点阵实现对整个感光基板6的光斑全覆盖。
优选地，所述控制系统8包括MCU、FPGA和DSP构成的混合电路，是有很多功能器件的电子线路板，根据所述版图处理软件系统9给出的制版图形要求，控制所述工件台7的电机进行运动，使所述感光基板6位于所述菲涅尔波带片阵列5中波带片的焦点处，并使所述感光基板6上的特征图形与版图中的对准标记重合，通过电机的平移和不同光开关的通光与关断，使得所述感光基板6上的光斑实现对曝光场的全覆盖。
优选地，所述版图处理软件系统9具有将需要曝光的版图分解成多个曝光场的功能，每个曝光场中亚微米或者纳米级的黑白像素点对应于所述光开关3的通光与关断，通过所述工件台7的移动，实现曝光场之间的无缝衔接和曝光区域对整个感光基板6的全覆盖。
具体地，所述感光基板6是要曝光的晶圆，在晶圆表面涂覆了光刻胶17。光纤的出射光经过波带片后聚焦在晶圆表面，形成精细光斑，使得该处的光刻胶曝光。随后通过显影、刻蚀把光刻图形转移到晶圆上。
如图2A所示，将晶圆10划分为曝光场11、曝光场21、曝光场31等，图2B中，第一根光纤输出的光斑覆盖曝光场11中的区域12，第二根光纤覆盖区域22。由于二维光纤阵列4中光纤与光纤之间有一定间隙，第二根光纤覆盖的区域22与区域12并不毗邻。区域12、区域22完成曝光后，移动工件台7，使第一根光纤输出的光斑覆盖曝光场11中的区域13，第二根光纤覆盖区域23，然后进行曝光。同样移动工件台7，使第一根光纤覆盖区域14，第二根光纤覆盖区域24，然后曝光。再次移动工件台7，使第一根光纤覆盖区域15，第二根光纤覆盖区域25，然后曝光。多次重复后，曝光场11的所有区域都得到曝光。于是移动工件台7，开始下一个曝光场21的曝光。如此反复，直到把晶圆10上所有的区域都曝光完毕。
如图3A所示，准分子激光器101输出的激光束照射在单模光纤耦合器201、单模光纤耦合器202、单模光纤耦合器203、单模光纤耦合器204中的透镜上，这些透镜密集排列构成透镜阵列，以最大程度收集激光束的能量，每个透镜将收集到的激光耦合到其后面的单模光纤中。
如图3B所示，深紫外全固态激光器102、深紫外全固态激光器103、深紫外全固态激光器104、深紫外全固态激光器105出来的激光束分别照射在单模光纤耦合器205、单模光纤耦合器206、单模光纤耦合器207、单模光纤耦合器208中的透镜上，每个透镜将收集到的激光耦合到其后面的单模光纤中。
本发明提供的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，首先，采用深紫外激光光源和单模光纤，显著降低光源的原始光斑大小；其次，采用菲涅尔波带片聚焦以匹配光源的小光斑，感光基片上曝光线条的尺寸能减小到一百纳米及以下；再次，采用高精度二维光纤阵列，能够快速进行大量光斑的并行曝光，提高了光刻效率。与深紫外投影光刻机比，无需制作掩模，尤其是用简单的菲涅尔波带片代替了复杂、昂贵的投影透镜组件，设备制作难度大幅减低。与市场上常见的无掩模光刻相比，采用深紫外激光光源和配套的光学系统，曝光线条更为精细，能够适应更多生产需求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，包括深紫外激光光源（1）、单模光纤耦合器（2）、光开关（3）、高精度二维光纤阵列（4）、菲涅尔波带片阵列（5）、放有感光基板（6）的工件台（7）、控制系统（8）以及安装在计算机中的版图处理软件系统（9），所述单模光纤耦合器（2）包括透镜和透镜后面的单模光纤，所述感光基板（6）包括晶圆（10）和设置在所述晶圆（10）上的光刻胶（17），所述晶圆（10）划分为多个曝光场，所述深紫外激光光源（1）、工件台（7）和版图处理软件系统（9）均与所述控制系统（8）电连接，所述深紫外激光光源（1）的光通过所述透镜被引入到所述单模光纤中，所述单模光纤经过所述光开关（3）后连接所述高精度二维光纤阵列（4），所述高精度二维光纤阵列（4）的端面与所述菲涅尔波带片阵列（5）对准；
其中，所述版图处理软件系统（9）将获取到的版图格式转换为多个曝光场的点阵曝光格式，所述控制系统（8）根据所述点阵曝光格式控制相应的所述光开关（3）的关断、通光以及延时停止，所述深紫外激光光源（1）的光通过所述透镜被引入到所述单模光纤中，所述光开关（3）控制所述单模光纤的通光和关断，所述光开关（3）处于通光状态时，所述高精度二维光纤阵列（4）端面出来的激光束经过所述菲涅尔波带片阵列（5）后，聚焦在所述感光基板（6）的光刻胶（17）上，完成一个曝光场的曝光后，控制系统（8）控制工件台（7）移动到下一个曝光场，直至所有的曝光场都完成曝光后，感光基板（6）再进行后续的显影、刻蚀工艺，就完成了图形的转移。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，所述单模光纤耦合器（2）用于通过透镜将所述深紫外激光光源（1）的光耦合到所述单模光纤中。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，所述光开关（3）中有两个透镜，第一个是准直透镜，用于将所述单模光纤出来的光变为准平行光束，第二个是会聚透镜，用于将开关后的准平行光束会聚进入单模光纤；其中，开关位于两个透镜中间，打开开关时，光束能从第一个透镜传输到第二个透镜，关闭开关时，光束被阻挡，不能从第一个透镜传输到第二个透镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，所述高精度二维光纤阵列（4）用于将所述光开关（3）后的单模光纤进行高精度排列，形成可控的精密激光点阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，所述菲涅尔波带片阵列（5）固定在所述高精度二维光纤阵列（4）的前面，并与所述高精度二维光纤阵列（4）配合，所述菲涅尔波带片阵列（5）中的每个波带片单元对准所述高精度二维光纤阵列（4）中的一根光纤，波带片中心与光纤纤芯同轴，使得光纤出射光经过波带片后能聚焦成很小的光斑。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，所述工件台（7）具有上下、左右、前后、旋转、俯仰、滚转功能，能实现高速运动，并且具有高精度定位功能，以配合激光点阵实现对整个感光基板（6）的光斑全覆盖。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，所述控制系统（8）包括MCU、FPGA和DSP构成的混合电路，根据所述版图处理软件系统（9）给出的制版图形要求，控制所述工件台（7）的电机进行运动，使所述感光基板（6）位于所述菲涅尔波带片阵列（5）中波带片的焦点处，并使所述感光基板（6）上的特征图形与版图中的对准标记重合，通过电机的平移和不同光开关的通光与关断，使得所述感光基板（6）上的光斑实现对曝光场的全覆盖。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤阵列的深紫外光刻机，其特征在于，所述版图处理软件系统（9）具有将需要曝光的版图分解成多个曝光场的功能，每个曝光场中亚微米或者纳米级的黑白像素点对应于所述光开关（3）的通光与关断，通过所述工件台（7）的移动，实现曝光场之间的无缝衔接和曝光区域对整个感光基板（6）的全覆盖。
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2023
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