CN1173230C - 超过传统分辨率极限的光刻方法 - Google Patents

Abstract

用于制作光耦合结构，尤其是弹性光耦合结构的光刻方法。这些光耦合结构包括凸起部分和连接部分。凸起的单元被设计成与待曝光的抗蚀剂共形接触的形式，以将被引导到凸起单元内的光由此直接耦合到抗蚀剂中。凸起单元的横向形状和尺寸限定为与抗蚀剂中待曝光的小细节的横向尺寸和形状1∶1。

Description

超过传统分辨率极限的光刻方法

技术领域

本发明涉及一种新的光刻方法，它可以超过传统的由曝光光波长所致的分辨率极限。具体地说，本发明涉及一种用作对抗蚀剂曝光的掩模的光耦合结构及其制造方法。

发明背景

传统光刻方法的分辨率主要受到用于转移掩模图案到抗蚀剂上用的光的波长的限制。曝光辐射的波长是瑞利公式W＝k₁λ/NA给出的图案分辨率W的一个主要因素，其中λ是曝光光的波长，NA是光刻工具的数值孔径，而k₁是具体光刻处理的常数。换句话说，分辨率W正比于曝光光波长λ。现今，削边生产(cutting edge production)获得了248nm光照射下得到的250nm宽度。目前所用的基于光的方法是试图得到低于200nm的尺寸特征结构时的瓶颈。按照目前工艺现状，制作当前DRAM的光刻系统是相当昂贵的。当人们的注意力移到更小的特征尺寸时，其它方法越来越诱人，但是所需的花费巨大。因此，保持与许多现有方法兼容性的技术是很有价值的。

集成电路和平板显示器制造技术的发展方向，要求在小规模光刻方面进一步提高。在这些和其它领域中，日益要求一种可以生产大面积(用于大约45cm对角线显示器)纳米级结构的成本效益好的光刻工艺。半导体工业的发展道路要求前沿的制造业在2001年达到180nm，且2011年达到70nm。

一种公知的光刻形式是所谓硬接触光刻，其中把掩模移动到与要制作图案的基板直接接触。非常精细的图案中有交替透明和不透明区的掩模，其特征结构按与源图面积1∶1的关系被印制在光致抗蚀剂上。从原理上讲，硬接触光刻可以制造出低于照明波长的尺寸结构。但是将掩模放置在基板上的接触，由于有混淆掩模表面上的材料的可能性，故牺牲了方法的完备性，而且对掩模的损伤大大限制了(与投影光刻相比)能够形成的可用数据的版。尤其是，成本困扰着细节规模的缩小，制作掩模的昂贵价格随着其细部特征密度的加大而急剧提高。而且，接触掩模通常比光投影光刻的掩模贵得多，因为要获得相同的分辨率，前者的临界尺寸必须比可利用通过投影系统缩小系数的后者要小。在硬接触光刻中，当尘埃和其它物理的障碍物离开掩模表面到达基板上而污染图案时，这些基板上的尘埃和障碍物是灾难性的。由于该掩模不能保证其周围的环境，出现这种缺陷的面积比不可见颗粒的大得多；这个问题妨碍了该细节规模的缩小，即使200nm的颗粒也可能是有害的。此外，抗蚀剂可能粘住掩模。因此，硬接触光刻在小规模集成电路的制造中没有发挥出重要作用。

已知有许多种方法可以改进传统的光刻系统，其中采用了滤光片、投影镜头或适当改变的掩模。这些方法随着细节规模的减小而越来越复杂和越来越贵。其中一个例子是所谓光学投影光刻法。基于投影的光刻法无疑是最成功的，并广泛用于制造低至～200nm的细节。这里，当光透过象接触光刻那样的掩模时，即产生远场强度变化图案。光通过空气传播并由透镜聚焦，以在涂覆于基板的抗蚀剂上形成所需图案的图象，通常从掩模的尺寸缩小5-10倍。但是，投影光刻大大限制了细节的尺寸，且大于光波长λ。此外，其随着规模的缩小到甚至低于200nm，该方法的实现越来越困难，其中需要很复杂的镜头系统和材料需要，来实现现行的和建议的方案。突出的问题是在整个区域上必须有均匀的照明。目前，在最好的248nm曝光工具中的最大电流场尺寸仅仅是～20×20mm。原则上通过硅酸盐基质的复杂镜头形成均匀曝光时由于材料和工程方面有困难，有用的曝光区域会继续随着照明波长而显著地缩小。

因此，在努力得到更小的细节尺寸时，这些方法最大的缺点通常是越来越复杂和昂贵。而且，在聚焦光束所用镜头的最大分辨率、焦距深度和可实现的象场之间存在着折中取舍问题。

通过使用控制曝光光的相位而非控制其振幅的掩模(称为相位掩模，相移掩模或PSM)，可提高标准光刻系统的分辨率，降低其细节尺寸。基于相移的方法的两个例子是D.M.Tennant等人在[Microelectronic Engineering]，vol.27，1995，pp.427-434的“E光束写入和干蚀刻法制造集成光路用的相位光栅掩模：商业应用问题”，和J.A.Rogers等人在[Appl.phys.Lett.]，No.70，vol.20，19may，1997，pp.2658-2660的“在光学近场进行亚-100nm光刻时弹性相位掩模的使用”中所描述的。

Tennant等人提出采用硬接触掩模，而Rogers等人倾向于采用用于形成高密度子波长细节17的弹性掩模10(图1)。在这些方法中，通过光致抗蚀剂11与掩模10之间的接触，掩模上的图案使照明光在近场产生干涉。光在各处透过完全透明但带有按规定好的方式变化的表面浮雕图案的掩模10。通过有这种构造掩模10的光，根据其出射的位置而分别经历了或长或短的光路。通过有结构掩模10的有效光路长度的这种变化，对传播光相位(而且只有相位)差有贡献。这些相位差导致抗蚀剂11表面上曝光辐射强度中的子波长节点。如果适当地设计和制造这些掩模10，则在掩模/抗蚀剂界面15处有密度相对最小的节点。

Roger等人表示，使用用弹性掩模的相位法使他们能在光致抗蚀剂层11中制造出子波长细节18，同时避免了图1所示的与脆的接触掩模(Tennant等人的)相关的问题。然后这些细节18可以借助于基板16的干法刻蚀或湿法化学溶解转移到基板16上，如现有技术中公知的那样。形成在基板中的细节17具有大致与形成在光致抗蚀剂11中的细节18相同的横向尺寸。前面所述的基于透过掩模10的光的相移而进行光刻的方法所存在的问题是：在产生小的细节17(子波长)的同时，这些细节17被基板16上的几何尺寸(线)或低密度限制住了。而且，抗蚀剂中结构18的形状是受限制的。在Roger等人的论文中，作者表示，光强度中的相移在抗蚀剂11中提供了结构18，该结构是由相位掩模10中布局导出的，即相位掩模10中表面浮雕14的图案的每个侧壁给出了比抗蚀剂11表面15处要小的光强。这些节点的宽度窄而固定，以致这些细节18和17的横向尺寸仅在很有限的范围内变化。

用这种工艺在单一步骤中显然不可能制作出圆点、方块或任意形状的普通填充结构。而且，为了在各处都有相移，相位掩模10中表面浮雕14的高度必须与曝光光13的波长很好的匹配。相移方法的这种要求意味着相位掩模10的结构受到限制，随着其尺寸的缩小，各向异性逐步增大，这是在弹性材料中形成这类细节的主要问题。这种方法的另一个问题是由于相位掩模10的每个“腿”14在它的边缘产生一对低强度的节点，抗蚀剂中总是有成对的曝过光的结构。

当然上述掩模制造方法的问题以及处理过程对缺陷和损伤的灵敏度依然存在。可以用各种工艺方便地从有机聚合物形成掩模，或许从母板复制掩模最值得注意。许多聚合物掩模可以浇注在单个母板上而后者没有明显的损坏，因为该方法在基板上不施加或很少施加应力。掩模的复制克服了一些与他们形成高密度小结构使用接触光刻的成本有关的问题：复制品可以更便宜地制造，而使其能在废弃之前一次性使用。但是，不是所有这些用途的结构都能采用最适宜的一些聚合物材料，如Rogers等人所用的弹性聚(二甲基硅烷)。Delamarche等人的论文“Stability of Molded Polydimethylsiloxanemicrostructures”(Advanced Materials 1997，9，p.741)显示，普通弹性体中的许多细节倒塌了，分辨率越来越差，而且它们的各向异性大，且其细节规模减小。

提出的其他有关方法和方案可以使光刻系统的分辨率减小到更小特征尺寸。例如H.Fukuda等人的文章“Can synthetic aperturetechniques be applied to optical lithography？”〔公开在J.Vac.Sci.Technol.B，Microelectron.Nanometer Struct.(USA)，Vol.14，No.6，Nov.Dec.1996，p.4162-4166〕给出的。该文章从理论上讨论了光学孔径合成应用于光刻的可行性。它描述了包括在传统投影系统中插入三个相位光栅的技术。然而该方法在近轴区产生具有双空间带宽成象的同时，应该严格限制的光栅所引起的象差却显现了出来。图象同时说明，对于非常精细的图案类型，可达到的理论分辨率低至0.1μm。

如Ch.Xiaolan等人在“Multiple exposure interferometriclithography-a novel approach to nanometer structures”(Conferenceproceedings-lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting 1996，p.390-391)中所描述的，用昂贵的光学系统和现有的激光光源以及光致抗蚀剂，可以使干涉光刻技术推广到大大地超过目前工业化的线路图水平。

也考虑了更多新奇的用于亚200nm光刻的方案。现在，X-射线、远紫外和电子射束都是制造领域中的活跃研究方向。这些技术的难点是：掩模制造，实用化光束成形技术，对于新型的对光束强度敏感而有效的抗蚀剂材料的要求，形成和稳定光束的实际问题已经成本和复杂程度的局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的、能超过传统分辨率极限的光刻方法，它可以使光刻系统的用途推广到比350nm的细节尺寸还低，尤其是用现有光源可达到λ/2至λ/5范围内的细节尺寸。

上述目的通过在配套的光耦合部分和光阻挡部分的基础上，提供平行的光刻系统(称之为光耦合结构)来实现。

本发明提供了一种光耦合结构，用作利用曝光光对抗蚀剂曝光的掩模，该光耦合结构包括凸起部分，用于把曝光光引向其端部，所述曝光光在该凸起部分的端部被直接耦合到抗蚀剂中，所述凸起部分的端部具有将在抗蚀剂中曝光的结构的横截面形状，和连接部分，与所述凸起部分连接，并阻挡曝光光对通过凸起部分而曝光的区域之外的区域的抗蚀剂进行曝光，所述光耦合结构具有阶跃的折射率，使得曝光光可通过内部反射被引向所述凸起部分。

本发明还提供了一种制备光耦合结构的方法，该光耦合结构在对抗蚀剂曝光时用作掩模，该方法包括以下步骤：提供一带有凸起部分的端部横截面形状的负性浮雕的母板；在所述母板上浇注聚合物；固化所述母板上的聚合物以形成固态的、带有凸起部分和连接部分图案的弹性光耦合结构，其中，所述凸起部分的端部的横截面形状与将要在所述抗蚀剂中曝光的结构的横截面形状相同；所述连接部分连接该凸起部分，并阻挡曝光光对通过所述凸起部分的端部被曝光的区域之外的区域的抗蚀剂进行曝光；该光耦合结构具有阶跃的折射率，使得曝光光通过内部反射被引向光耦合部分的凸起部分的端部，以及从所述母板上取下所述固态的弹性光耦合结构。

本发明还提供了一种在基板上形成子波长结构的方法，包括以下步骤：在基板上形成抗蚀剂层；在抗蚀剂上确定光耦合结构的位置，该光耦合结构包括具有横截面形状与待形成的子波长结构相同的凸起部分的端部的凸起部分；和连接部分，用于连接凸起部分并防止曝光光对通过凸起部分的端部而被曝光的区域之外的区域上的抗蚀剂进行曝光；该光耦合结构具有阶跃的折射率，以便通过内部反射将曝光光引向光耦合部分的凸起部分的端部，所述光耦合结构的位置应确保凸起部分和抗蚀剂之间的共形接触；相对于基板对准光耦合结构；将曝光光耦合到光耦合结构中，以将曝光光引导到凸起部分中并进而耦合到抗蚀剂上；取下该光耦合结构；显影抗蚀剂，以形成抗蚀剂图案，通过蚀刻工艺过程将抗蚀剂图案转移到基板上；以及除去抗蚀剂图案。

本发明还提供了一种制备用于形成光耦合结构的母板的方法，该光耦合结构包括具有与待形成的子波长结构横截面形状相同的凸起部分的端部横截面形状的凸起部分；和连接部分，用于连接凸起部分并防止曝光光对通过凸起部分的端部而被曝光的区域之外的区域上的抗蚀剂进行曝光；该光耦合结构具有起伏变化的折射率，以便通过内部反射将曝光光引向光耦合部分的凸起部分的端部，该方法包括如下步骤：用薄膜覆盖基板；在薄膜上形成抗蚀剂；用电子束掩模-书写工具对抗蚀剂曝光，由此限定出待形成光耦合结构凸起部分的负性浮雕，显影抗蚀剂，以显示出负性浮雕；通过蚀刻工艺过程将负性浮雕转移到放在下面基板上的薄膜中；以及除去显现凸起部分负性浮雕的抗蚀剂。

这里将教导如何形成和使用光耦合结构，该光耦合结构把光引导到基板的可以以新的形式进行具有随意形状和高密度的子波长细节并行制备用的接触光刻的表面上。我们依赖于这些通过与有半透明掩模的基板直接接触而形成的光耦合器(本文称为光耦合结构)，它们起着把光引向图案形成表面上的作用。我们采用不需使用参考波的方法(在下文中描述)，于是便没有通常对基于相移光(相移掩模法)的光刻的干涉效应。

本发明方法的重要优点是不需要成象光学系统。用单曝光即可获得大的面积，这是因为本发明的方法本身是并行处理的，其全部细节是在抗蚀剂中同时曝光，具有高的产量。本发明的方案可用于大区域的图象，而且很适于显示器的制作和半导体芯片批量生产，如DRAM等等，也可用于形成高密度小结构。本发明还很适于形成微机械结构。

弹性的光耦合结构可以很容易地从母板复制出来，且每个复制品可以用很多次。

本发明的优点是保持了与现有的抗蚀剂和处理工艺的兼容。

本发明还有一个优点是可以继续利用大量设计处理抗蚀剂的经验，因为这些抗蚀剂被继续沿用了。

本发明的另一个优点是可以用多个波长而不必调整光耦合结构，因为没有镜头系统。

本发明的再一个优点是曝光时间比传统掩模的情况要短，因为没有镜头和其它装置的遮挡、吸收和散射掉光。

本发明的优点还在于所用的光刻方法简单。

附图说明

下文将参考如下附图详细说明本发明：

图1是表示用J.A.Roger等人的相移方法制造纳米级结构的示意图(现有技术)。

图2是表示用本发明方法制造纳米级结构的示意图。

图3是表示位于抗蚀剂上的本发明的光耦合结构示意性截面图。

图4A是根据本发明制作纳米级光耦合结构的示意图。

图4B是根据本发明的光耦合结构的示意性顶视图。

图5A-E是根据本发明的不同光耦合结构的示意性截面图。

图5F是本发明另一个光耦合结构的示意性截面图。

图6A是本发明母板的典型顶视图。

图6B是本发明光耦合结构(复制品)的典型顶视图。

图6C是根据本发明被曝光的抗蚀剂的典型顶视图。

图6D是根据本发明被曝光的抗蚀剂的45°角视图。

图7是根据本发明被曝光的抗蚀剂的典型顶视图。

具体实施方式

在本文中，术语光耦合结构或光耦合器用于描述掩模状的物体，它可以放在发射曝光光的光源与待形成图案的结构(如覆盖有抗蚀剂层的基板)之间。

本发明的方案利用了光耦合结构边沿(交界面)的相互作用。光耦合结构的折射率应该与抗蚀剂的折射率相匹配。对于许多现有的材料而言，折射率在1.4与1.5之间。除了光耦合结构的折射率要适当之外，还应该有图案，以便于曝光光进入光耦合结构进而穿过该耦合器传播，最好通过离开光耦合器边界限定的界面的内部反射来引导曝光光。即，光耦合结构起着波导的作用。足够的光被留下，以在待形成图象的抗蚀剂与光耦合结构之间的界面处提供光强度对比。两种之间的一致性确保最大限度的耦合，并由其界面处折射率的很好匹配而得到最大限度的对比度，因而抑制了无用的散射光。

请注意，本文中我们指的是光耦合器/空气界面上的反射。当用在非空气环境(插入气体，液体等等)中时，可以用有适当折射率的其它材料，以确保能以内部反射的方式正确地引导光。

现在结合图2和3描述本发明的第一实施例。在图2中，示意性地表示用本发明方法制造纳米级的子波长结构27的过程。该图紧靠着传统方法的图，突出地表示出两种方法的基本差异。图3表示抗蚀剂11上的光耦合结构20的示意性截面。该光耦合结构20具有上表面22，曝光光13透过该上表面而耦合到其内部。而且，光耦合结构20具有与空气相交界的连接部分29(也称为光遮挡部分)，和与抗蚀剂11直接接触的光耦合部分24(也称为凸起部分、腿，或印模)。曝光光13传播通过光耦合结构20，并在抬高了的连接部分29的空气界面处发生内部反射，如图3中箭头所示。

根据光耦合结构的这种设计，连接部分可以遮挡住光13，并将其引导到腿部24。这些腿24直接形成耦合器/抗蚀剂界面25，曝光光13在该界面被耦合到抗蚀剂11中。这些界面25正下方的抗蚀剂11内部的区域被曝光光13曝光，如图所示。如果抗蚀剂11是正抗蚀剂(即曝过光区域的抗蚀剂是可溶的)，只有区域28未曝光而在抗蚀剂显影时保持原状，如图2所示。曝光并随后的显影工序之后便显现出小的凹槽30。

请注意，术语“凸起部分”和“连接部分”是用于强调本发明光耦合结构是从母板复制而来的。总是有某些部分连接着凸起部分。这些连接部分机械地连接着凸起部分，并用作光阻挡装置。当作为母板的复制品两者被形成在一起时，连接部分可由与凸起部分相同的材料构成。连接部分的遮挡功能可以通过添加附加装置来提高，因为以后还要对其定位。而且凸起部分的光导和耦合特性可以通过适当的测量而提高，如将要说明的那样。

腿24的横截面形状和尺寸限定了抗蚀剂11中被曝光部分的横截面形状与尺寸，因为在理想的光耦合结构中，光仅仅通过这些腿耦合到抗蚀剂中。光耦合结构20中腿24的宽度W₁例如可以直接限定被曝光抗蚀剂区域和随后形成的槽30的宽度Wr。

重要的是，耦合到光耦合器20中的曝光光13要适于形成抗蚀剂11图案。曝光光可以是偏振的、单色、多色(宽带)光或非相干光，其波长至少在800至200nm之间。宽带光可以由水银灯产生。氩离子激光器、YAG激光器、KrF激光器，以及其它许多种光源均可使用。光源可以是远场非聚焦光源。光源发出的光可以通过任何界面耦合到光耦合结构中，例如图3中最上面的界面22。类似地，光可以通过光波导和光纤从顶部或侧边、或LED或固态激光器的输出端耦合到光耦合结构中。光源的波长可针对具体用途进行优化。如果认为合适，光源可以是脉冲的。此外，光可以在光耦合结构上进行扫描，或在用带有附加掩模的投影系统作光源时将图案投影到该结构上。

本发明的方案利用了光耦合结构界面处的相互作用。与空气的界面要设计成借助于向着光耦合部分(凸起部分)的内部反射而引导光，这些凸起与待曝光的抗蚀剂共形接触。在凸起部分的端部与抗蚀剂之间的界面处，光要正面耦合到抗蚀剂内部，即凸起部分的设计要使光耦合结构与抗蚀剂之间有充分的这种耦合。在实际操作中，与光耦合部分的端部接触的抗蚀剂内外区域之间的两个、甚至更少因素的光强度调制在目前的抗蚀剂中提供了足够的差别，以在对抗蚀剂曝光之后的显影后的抗蚀剂中产生有用的结构。

耦合的效率取决于光耦合结构和抗蚀剂的折射率，以及波长(如果采用多色光，为波长区)等等。优化耦合效率有不同的方式。主要要求是在比波长小很多的规模情况下光耦合部分24与抗蚀剂11之间应没有折射率不连续问题。这种情况通过两者之间的共形而迅速实现，即两表面之间的紧密匹配。理想地，光耦合结构和抗蚀剂的折射率尽可能地一样大，因为这将引起光刻所用照明有效波长的减小。实现这种共形存在着几种可能。首先，如果基板和掩模都是脆而硬的材料，可以将两者夹在一起加压，如在通常的硬接触光刻情况下。第二，抗蚀剂11可以通过控制其组分和处理而使其适用，使其与光耦合结构支柱(光耦合部分)24的表面吻合，确保共形接触。第三，可以将一折射率匹配材料薄层加在支柱上，象粘性的油或聚合物，在两者都是脆硬材料的情况下用于的支柱24与抗蚀剂11之间的光学耦合。在此折射率匹配材料应理解为柔顺，而且必须放在支柱上以保持光耦合结构中相邻结构之间的整个折射率比。第四，光耦合结构中的遮挡部分(光耦合器)20和光耦合部分24可以用诸如弹性材料制成，它可使其与抗蚀剂之间柔顺接触。光耦合部分20和24可以另外沉积在基板上(图2中未示出)，即至少部分地透明且比较硬，以便于光耦合结构的整体定位。

本发明方法的分辨率并不象传统的光刻系统那样严格地与光源的波长成比例。由于用本发明的耦合结构代替传统掩模的事实，可以得到λ/2至λ/5之间的分辨率。如果采用i线光源(λ＝365nm)，可以产生低达73nm(＝λ/5)的尺寸细节。应注意λ/5的限制不是物理极限。从理论的角度看，用本发明的方法甚至可以得到更小的细节，这取决于提供的设备。

传统的市售光致抗蚀剂可用于本发明中。一般地说，适用的是甲酚基质的光致抗蚀剂，例如可以是丙烯酸酯或苯乙烯和其混合物基质的抗蚀剂。正或负色调抗蚀剂都可以用。还可以用放大抗蚀剂，以提高抗蚀剂曝光和显影后的细节比(宽度/深度)。也可以用光导引的抗蚀剂，如SU-8负色调抗蚀剂，它本身在曝光时显示出不同的光导引效应。双层、三层和顶表面成象抗蚀剂的方案都适用，且很适用于本发明的光耦合结构。有关抗蚀剂的详细资料由书籍和其它出版物给出，如“IBM的Journal of Research and Development”Vol.41，No.1/2，Jan/Mar 1997中的“Optical Lithography”。

曝光时间取决于许多公知的参数，如光源波长、光耦合结构的吸收率、抗蚀剂的敏感度、掩模的耦合效率(或是本文中的光耦合结构)、抗蚀剂的厚度、对比度等等。

在下文中，将详细地描述光耦合结构20和制作这种光耦合结构的方法。本发明人发现聚合物尤其适合。形成复制品的理想聚合物有几个共同的特性。首先，该聚合物必须有与目标抗蚀剂相似的折射率。第二，该聚合物必须有能够限定其表面的稳定结构，该结构的纵横比(其厚度与一个面积之比)至少为0.1。第三，该材料应该坚韧并有些柔顺(如前所述)，以使其适合放置在抗蚀剂的表面上，尤其是在除了重力和表面能之外没有其它外力的情况下彼此相互接触。第四，聚合物的表面能最好低一些，以使其与抗蚀剂的接触是可反转的，且其后在抗蚀剂上不留下该聚合物材料或损坏抗蚀剂。第五，为了使光信息通过并透出光耦合结构，该材料应该对照明目标波长是半透明的。第六，该材料在其处理过程中某种程度上应该是流动的，或通过融化它或通过化学反应直接模制成聚合物。第七，适于前文要求的强度改变和应力应该不足以引起母板的破损或复制不完全。第八，该材料应该可以共形接触，如上所述。通过将含交联剂的低分子量硅烷硅氧烷添加到有接枝的和直链的烯类端基的硅氧烷主链混合物中而制成的硅氧烷，尤其可以证明上述优点。在其预聚合物形式时，产生这种混合物的硅氧烷材料的表面能可以为在～25mN/m，强度～10Mpa，且粘度为～1000cSt，并可以形成低至100nm细节尺度的有用的光耦合结构形状，同时保持必要的一致性。全碳弹性体基质的其它材料也很适用，这些材料与石英或含填充物的硅氧烷的组合物同样适用。有机材料与无机材料组合成复合结构可以证明尤其是有利的：如上所述，可选择满足具体光耦合结构单元的所需物理特性的给定材料类型。

一般地说，因本发明方法是真正的1∶1方法，所以形成光耦合结构所用的材料应该是这样的：可以实现低至在抗蚀剂中和下方半导体中待形成的细节尺寸的特征分辨率。换句话说，如果要在半导体基板16上形成90nm宽的柱状物或凸棱27(见图2)，那么光耦合结构20的各个凸起部分24的宽度必须也要是90nm宽(若使用正抗蚀剂11)。

根据本发明，光耦合结构可以通过在具有所需光耦合结构表面负片的母板41上固化一种聚合物而制成(图4A)。这将产生具有凸起部分42、43、44的图案的弹性固体物40。母板41例如可以用电子束分辨(definition)来形成。制作精密高分辨率母板41所花费的大量的时间和金钱，通过制作多个复制品40而分摊开了，而每个复制品都可以用在半导体电路的制造中。每个复制品可以适用几次，而且使用弹性体制作的还不易损坏。

光耦合结构40要设计成这样：由于整个过程依赖于光从光耦合结构到抗蚀剂中的充分耦合，所以凸起的腿42、43和44必须与抗蚀剂共形接触。

光耦合结构40的凸起部分几乎可以是任何形状和尺寸的，如图4B中所示的。在本实例中，光耦合结构40具有三个凸起的腿42、43、44。第一个腿42的横截面是空心的矩形或方形。腿43是一个凸脊，而腿44为圆形横截面。这三个实例表示了本发明的方法是如何地灵活。

优选实施例的描述

下文将描述优选的实施例

母板的形成：用等离子沉积的100nm厚石英层作为各向同性薄膜覆盖硅圆片。按15％固体的比例溶解于氯苯中的聚甲基丙烯酸甲酯聚合物(980K)被旋涂在圆片上，以在基板上形成100nm厚的聚合物薄膜。通过用e-束掩模书写工具将该聚合物在100KeV电子流中进行图案曝光，有选择地改变该抗蚀剂。曝光后抗蚀剂在丙酮中溶解的差异，在基板上显现出有低至100nm尺寸的周期阵列的特征图案。根据活性离子蚀刻(RIE)化学，用氟将该图案转移到基板上的石英层内，这种方法对硅具有极好的选择性。当到达下面的硅层时停止RIE过程，进而确保石英层与硅界面处形成的正方形层底的细节均匀显影。这种情况有助于保证光耦合结构的光耦合部分中形成结构(凸起部分)24的极好分辨率。在氧等离子体中烧毁基板以除去残留的有机物，且然后用等离子体辅助方法在整个基板上沉积10nm的氟化，聚合物，以便在其上涂上低表面自由能的涂层(15mN/m)。该涂层必须可以在后续的处理步骤中与固化形成复制品脱开。

通过制作母板的复制品制备光耦合结构：用5ppm的铂催化剂，制备6.5g乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物(1000cSt，VDT731Gelest，Karlsruhe，Germany)与2g甲基氢化硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物(30cSt，HMS301，Gelest)和450mg熔融石英颗粒(20nm大小，Gelest)的混合物。将该混合物直接倾注在前述的母板上，并在60°的烘箱中固化24小时。通过用手从母板上剥离下复制品而使其脱模。该复制品具有23mN/m的表面能，10Mpa的强度和大约为玻璃3％的硬度。根据用扫描电子显微镜(SEM)检验的上述过程，母板的所有细节全部复制到其复制品上，其中母板上的凹陷现在是复制品表面上的凸起结构。5nm厚的金层被蒸镀到复制品有结构一侧的顶面上。然后将处理过的复制品与其表面有一层1nm钛且再新蒸镀一层30nm金层的硅圆片相接触；然后通过将该表面上的金暴露在1，10癸烷硫酸醇(Aldrich)蒸气中5分钟而对其进行处理。在复制品表面与硅圆片处理后的金表面之间接触和脱离之后，通过其界面处夹着的硫醇结尾的有机分子的两层之间粘附接触，有选择地除去了复制品凸起表面顶部的金，而留在硅圆片处理后的金表面上。

光耦合结构的使用：600nm厚的Shipley6612(novalac)的光致抗蚀剂旋涂在硅圆片表面上，该圆片事前用起抗蚀剂粘附促进剂作用的六甲基二硅化合物处理过。在90°下对基板进行20分钟的烘烤。用手将前述光耦合结构放置到覆盖有光致抗蚀剂的基板顶上，在两者之间的重力和表面力保持其密切的共形接触。用从KrF激光器(每20纳秒200次，和300毫焦耳)发出的脉冲对抗蚀剂进行曝光。然后根据制造者的要求在Shipley 400k中显影。

图6A-6D给出了进行完上述程序之后，母板、光耦合结构、以及在1×1cm区域(母板尺寸)上形成于光致抗蚀剂层中的结构的说明示意图。

由于光耦合结构通常是半透明的，所以是可以核对和校正对准的情况。在曝光之前，光耦合结构的位置可以在抗蚀剂上反复挪动直至达到最终的满意位置。这种对准显然不可能用于现有的光学投影工艺中，它必须确实地依赖于基板位置的全部信息来实现精确重合。

本发明方法的另一个优点是，基板的布局不必是精确的平面。光耦合结构允许一定的表面粗糙度。光耦合结构可以如图5A-5E所示的那样加大。所示的所有光耦合结构都是共同的特点，即具有特定的机构以便提高在光耦合结构/空气界面上的内部反射。在图5A中表示了最简单的方法。该方法已经在图2和3中描述过。界面上的折射率突变使入射光发生返回的反射。

在图5B中表示了这样的光耦合结构：抬高部分具有倾斜的界面51，以提高内部反射。图5C表示了另一种方法。其中，在抬高部分上沉积有反射层52，如金属(金)层，以提高内部反射，如前述实例所示的。图5D中表示了一种光栅53，其作用类似。

还可以通过在结构的某些界面上涂覆光阻挡层54来改进至此所描述的光耦合结构，如图5E所示。本实例中的光阻挡层54覆盖在面向抗蚀剂的光阻挡部分的界面55和凸起的光耦合部分的侧壁56。

在图5F中，所示的光耦合结构有一个小缝隙或间隙使光束分裂开。

在下文中，我们将描述本发明的光耦合结构如何可以用于生产过程。

首先，将抗蚀剂形成在待构图的基板上。从现有技术可知，不同方法可以使这种抗蚀剂成型。然后，本发明限定的光耦合结构被放在抗蚀剂上。如果光耦合结构是那种柔性的，则可以辊压在抗蚀剂上。用光学方法检查该结构相对于基板的位置。用精确定位装置通过光耦合结构与基板之间的横向相对移动校正位置。然后，再次进行位置检查，并重复整个过程直至达到充分地对准。

现在，可以将光耦合结构按压在抗蚀剂上，以提高其耦合效率。该步骤也可以根据情况省略。然后打开连续或脉冲光源。光源发出的并耦合到光耦合结构中的光束，被自动地引导到凸起端，在该处光被直接耦合到抗蚀剂内。这些凸起端正下方的抗蚀剂被曝光。曝光过程完成之后(如果曝光充分的话)，关闭光源，并除去光耦合结构。当这些结构有不同的尺寸时，用几个光波长有助于抑制这些结构比标定波长小得多情况下光波离开结构时可能发生的干涉效应。如现有技术中所公知的那样，抗反射涂层和其它这类措施可以加到基板或抗蚀剂上，以抑制返回的光反射。

然后，用适合的显影步骤对抗蚀剂显影。在正色调抗蚀剂的情况下，抗蚀剂曝光过的部分在显影步骤中被除去。如果用负色调的抗蚀剂，则未曝光的部分被除去。

加硬衬垫的步骤可以在下一步之前进行。抗蚀剂的遗留部分现在用作掩模保护基板的某些区域不被刻蚀掉。现在可以用湿或干的蚀刻步骤将抗蚀剂遗留部分的横截面形状和尺寸转移到基板上。然后，除去抗蚀剂(灰化掉)。

我们注意到，基于相移的已知干涉法的简单定标不导致本文描述和要求保护的光刻类型。由Rogers等人提出的相移掩模周期降低，会导致不适于提供有较小值密度分布的并要将细节限定于抗蚀剂中的掩模和方法，如从Rogers等人的图4中可以看出。如果依据Roger的设计准则，得到的刚好与本文所公开和描述的相反。根据本发明，用零级模(m＝0)进行限定好的抗蚀剂曝光。由于Roger等人没有另外获得干涉效应和相移，所以他们沿用更高级的光模式。

还应该注意到，在本发明人工作之前，不可能制作出本发明的适合用作光耦合结构的掩模。如已经看到的，在比较图1和2时，掩模20的凸起部分24必须有带形成在基板16上的细节27的横截面形状和尺寸。即凸起部分24必须比掩模10的凸起部分14小得多。

Claims (43)

1.一种光耦合结构(20，40)，用作利用曝光光(13)对抗蚀剂(11)曝光的掩模，该光耦合结构包括

凸起部分(24，42，43，44)，用于把曝光光(13)引向其端部，所述曝光光(13)在该凸起部分的端部被直接耦合到抗蚀剂(11)中，所述凸起部分的端部具有将在抗蚀剂(11)中曝光的结构的横截面形状，和

连接部分(29)，与所述凸起部分(24，42，43，44)连接，并阻挡曝光光(13)对通过凸起部分(24，42，43，44)而曝光的区域之外的区域的抗蚀剂(11)进行曝光，

所述光耦合结构(20，40)具有阶跃的折射率，使得曝光光(13)可通过内部反射被引向所述凸起部分(24，42，43，44)。

2.如权利要求1的光耦合结构，其中，所述曝光光(13)具有200nm至800nm之间的波长，而且其中至少凸起部分(24，42，43，44)之一的横截面形状具有在曝光光(13)半波长与五分之一波长之间的横向尺寸。

3.如权利要求1的光耦合结构，其中，至少凸起部分(24，42，43，44)之一的横截面形状具有200nm与73nm之间的横向尺寸。

4.如权利要求1的光耦合结构，其特征在于：所述光耦合结构由弹性体材料构成。

5.如权利要求4的光耦合结构，其中，所述弹性体是聚合物。

6.如权利要求1的光耦合结构，其中，所述凸起部分(24，42，43，44)与抗蚀剂(11)的折射率是匹配的，以便将曝光光(13)充分地耦合到抗蚀剂(11)中。

7.如权利要求6的光耦合结构，其中，所述折射率匹配是通过降低凸起部分(24，42，43，44)与抗蚀剂(11)之间的折射率阶跃而实现的。

8.如权利要求6的光耦合结构，其中，所述折射率匹配是通过在凸起部分(24，42，43，44)与抗蚀剂(11)之间设置一折射率匹配材料薄层，以降低凸起部分(24，42，43，44)与抗蚀剂(11)之间的折射率阶跃而实现的。

9.如权利要求6的光耦合结构，其中，所述折射率匹配是通过在凸起部分(24，42，43，44)与抗蚀剂(11)之间设置一粘性的油或聚合物薄层，以降低凸起部分(24，42，43，44)与抗蚀剂(11)之间的折射率阶跃而实现的。

10.如权利要求1的光耦合结构，其中，所述凸起部分(24，42，43，44)被设计成无折射率不连续之处。

11.如权利要求1的光耦合结构，其中，所述凸起部分(24，42，43，44)与抗蚀剂(11)之间存在共形接触。

12.如权利要求1的光耦合结构，其特征在于：可采用负或者正色调的抗蚀剂(11)。

13.如权利要求1的光耦合结构，其中，所述凸起部分(24，42，43，44)的材料的表面能要低到能使其与抗蚀剂(11)的接触是可反转的，并且其后不残留在抗蚀剂(11)上，反之亦然。

14.如权利要求5的光耦合结构，其中，所述聚合物是通过添加含有交联键的低分子量硅烷制成的硅氧烷。

15.如权利要求4的光耦合结构，其中，所述弹性体是碳弹性体。

16.如权利要求1的光耦合结构，其中，所述连接部分(29)包括提高曝光光(13)遮挡作用的结构。

17.如权利要求16的光耦合结构，其中，所述连接部分(29)的某些界面覆盖有提高曝光光(13)反射的层。

18.如权利要求16的光耦合结构，其中，一薄金属层形成在连接部分(29)的某些界面上，以提高曝光光(13)的反射。

19.如权利要求16的光耦合结构，其中，所述连接部分(29)包括布喇格光栅，以提高曝光光(13)的反射。

20.如权利要求16的光耦合结构，其中，所述连接部分(29)还可用作借助内部反射将曝光光(13)引导到凸起部分(24，42，43，44)中的光波导。

21.如权利要求1的光耦合结构，其中，所述凸起部分(24，42，43，44)的侧壁被增加内部反射的层所覆盖。

22.一种制备光耦合结构(20，40)的方法，该光耦合结构在对抗蚀剂(11)曝光时用作掩模，该方法包括以下步骤：

提供一带有凸起部分的端部横截面形状的负性浮雕的母板(41)；

在所述母板(41)上浇注聚合物；

固化所述母板(41)上的聚合物以形成固态的、带有凸起部分(24，42，43，44)和连接部分(29)图案的弹性光耦合结构(20，40)，其中，所述凸起部分的端部的横截面形状与将要在所述抗蚀剂(11)中曝光的结构的横截面形状相同；所述连接部分连接该凸起部分(24，42，43，44)，并阻挡曝光光(13)对通过所述凸起部分的端部被曝光的区域之外的区域的抗蚀剂(11)进行曝光；该光耦合结构(20，40)具有阶跃的折射率，使得曝光光(13)通过内部反射被引向光耦合部分的凸起部分的端部，以及

从所述母板(41)上取下所述固态的弹性光耦合结构(20，40)。

23.如权利要求22的方法，其中，所述聚合物是通过添加含有交联键的低分子量硅烷制成的硅氧烷。

24.如权利要求22的方法，其中，所述聚合物是碳弹性体。

25.如权利要求22的方法，其中，

在从所述母板(41)上取下光耦合结构(20，40)以后在其上形成一材料层，

该材料层被形成图案以使所述连接部分(29)的某些界面被覆盖，以提高曝光光的反射。

26.如权利要求25的方法，其中，所述材料层是金属层。

27.如权利要求25的方法，其中，所述材料层通过它与另一基板接触使所述材料粘附在该接触处而有选择地从所述光耦合结构(20，40)上除去。

28.如权利要求27的方法，其中，所述另一基板(16)为软聚合物。

29.如权利要求28的方法，其中，所述另一基板(16)通过形成离子键或共价键而具有促使该层粘附的表面化学性质。

30.如权利要求22的方法，其中，所述固化步骤是在烘箱中经过几个小时完成的。

31.一种在基板(16)上形成子波长结构的方法，包括以下步骤：

在基板(16)上形成抗蚀剂(11)层；

在抗蚀剂(11)上确定光耦合结构(20，40)的位置，该光耦合结构(20，40)包括具有横截面形状与待形成的子波长结构相同的凸起部分的端部的凸起部分(24，42，43，44)；和连接部分(29)，用于连接凸起部分(24，42，43，44)并防止曝光光(13)对通过凸起部分的端部而被曝光的区域之外的区域上的抗蚀剂(11)进行曝光；该光耦合结构(20，40)具有阶跃的折射率，以便通过内部反射将曝光光(13)引向光耦合部分的凸起部分的端部，所述光耦合结构(20，40)的位置应确保凸起部分(24，42，43，44)和抗蚀剂(11)之间的共形接触；

相对于基板(16)对准光耦合结构(20，40)；

将曝光光(13)耦合到光耦合结构(20，40)中，以将曝光光(13)引导到凸起部分(24，42，43，44)中并进而耦合到抗蚀剂(11)上；

取下该光耦合结构(20，40)；

显影抗蚀剂，以形成抗蚀剂图案，

通过蚀刻工艺过程将抗蚀剂图案转移到基板(16)上；以及

除去抗蚀剂图案。

32.如权利要求31的方法，其中，所述抗蚀剂(11)是负或正色调的抗蚀剂。

33.如权利要求31的方法，其中，所述光耦合结构(20，40)仅仅是通过重力和表面张力被定位。

34.如权利要求31的方法，其中，所述蚀刻工艺过程是一种干法蚀刻工艺过程。

35.如权利要求34的方法，其中，所述干法蚀刻工艺过程被优化，以确保抗蚀剂的图案精确地转移到基板(16)上。

36.一种制备用于形成光耦合结构(20，40)的母板(41)的方法，该光耦合结构包括具有与待形成的子波长结构横截面形状相同的凸起部分的端部横截面形状的凸起部分(24，42，43，44)；和连接部分(29)，用于连接凸起部分(24，42，43，44)并防止曝光光(13)对通过凸起部分的端部而被曝光的区域之外的区域上的抗蚀剂(11)进行曝光；该光耦合结构(20，40)具有阶跃的折射率，以便通过内部反射将曝光光(13)引向光耦合部分的凸起部分的端部，该方法包括如下步骤：

用薄膜覆盖基板(16)；

在薄膜上形成抗蚀剂(11)；

用电子束掩模-书写工具对抗蚀剂(11)曝光，由此限定出待形成光耦合结构(20，40)凸起部分(24，42，43，44)的负性浮雕，

显影抗蚀剂(11)，以显示出负性浮雕；

通过蚀刻工艺过程将负性浮雕转移到放在下面基板(16)上的薄膜中；以及

除去显现凸起部分(24，42，43，44)负性浮雕的抗蚀剂(11)。

37.如权利要求36的方法，其中，将具有低的表面自由能的涂层施加到凸起部分(24，42，43，44)的负性浮雕上。

38.如权利要求36的方法，其中，所述基板(16)是硅基板。

39.如权利要求36的方法，其中，所述薄膜是石英薄膜。

40.如权利要求36的方法，其中，用聚合物作抗蚀剂(11)。

41.如权利要求36的方法，其中，使用大约100KeV的电子进行电子束光刻。

42.如权利要求36的方法，其中，所述蚀刻工艺过程是活性离子蚀刻工艺过程。

43.如权利要求36的方法，其中，所述母板(41)在氧等离子体中被灰化，以除去残留的有机物。

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