CN1288496C - 亚波长结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在衬底上制造亚波长结构的方法，其中，可变形的光致抗蚀剂布置在所述衬底的顶部上。通过在衬底上压印临界尺寸，接着借助于集成在印模中的光学结构对抗蚀剂曝光，所述临界尺寸可进一步减小。该方法包括步骤：a)形成由具有比所用光致抗蚀剂(12，24)大的折射系数的材料制成的亲水印模(10)，印模(10)具有波导结构(16)；b)通过使印模(10)与衬底(14)紧密接触，将波导结构(16)压印入可变形光致抗蚀剂(12，24)中；c)将光耦合进波导结构(16)内，从而形成损耗波来对光致抗蚀剂(12，24)曝光；以及d)显影光致抗蚀剂(12，24)。

Description

亚波长结构的制造方法
技术领域
本发明总体上涉及一种聚合物光刻工艺。具体地，本发明涉及一种用于制造亚波长结构的工艺。
背景技术
在半导体技术和微电子技术中，结构的尺寸变得越来越小。在当今的存储器制造中，例如，具有小于400nm宽度的结构用光刻结合掩模技术制造。光刻工艺是制造例如半导体器件的重要步骤。在光刻工艺中，采用曝光光线(通常是紫外(UV)光)来通过掩模(在以下被称为光掩模)对被覆光致抗蚀剂的半导体晶片进行曝光。光刻工艺的目的是将代表电路层的一组图案转移到晶片上。光掩模上的图案在晶片上定义出诸如扩散区、金属接触和金属化层的各种电路元件的位置、形状和尺寸。
在光刻技术中，由于衍射效应，极限大约会接近150nm。
但是，对于诸如单电子晶体管或分子电子元件的新应用而言，需要具有更小尺寸的结构。在极高频电路的情形中，在传统电子技术中也是这样。也需要减小例如薄膜磁头中的读写尺寸。此外，将需要具有非常高长径比(aspect ratio)的微结构，该长径比大约为5～30和更高。
传统光刻图形的分辨率主要受限于将掩模图案转移到抗蚀剂上的光线的波长。曝光辐射的波长是图案分辨率W的主要决定因素，其由瑞利公式给出，其中1为曝光光线的波长，NA为光刻设备的数值孔径，以及k1对于特定的光刻工艺为常数。换句话说，分辨率W正比于曝光光线的波长1。现在的切割边生产(cutting-edge production)利用248nm照射形成了130nm宽的部件。当前，当试图获得部件尺寸小于100nm的结构时，基于光的操作方案成为了瓶颈。例如，用于制造当前DRAM的现有技术的光刻系统是非常昂贵的。当需要更小的部件尺寸时，可供选择的工艺变得非常有吸引力，但是所需的投资是巨大的。于是，保持与现有工艺的兼容性的技术当然具有价值。
一种公知的光刻方式是所谓的硬接触光刻，其中掩模放置成与要构图的衬底直接接触。掩模上的部件(由定义好的图案中交替的透明和不透明区构成)以与其掩模上的尺寸成1∶1的关系被转印到光致抗蚀剂上。原则上，硬接触光刻可制造尺寸小于照射波长的结构，但是用来将掩模放置在衬底上的接触危及了工艺的完善性，因为混淆掩模表面上的材料的可能性以及损伤掩模极大地限制了掩模能够使用的有用次数。由于部件尺度缩小，且掩模制造花费随其部件密度的增加而迅速增长，所以成本尤其令人忧虑。接触掩模通常也比光投影式光刻中所用的掩模昂贵得多，因为对于相等的分辨率，因投影系统中所用的缩小系数(reduction factor)，前者的临界尺寸必须小于后者的临界尺寸。在硬接触式光刻中，尘埃颗粒以及对于衬底的其它物理阻挡是灾难性的，因为它们将掩模抬离表面，使图案模糊。由于掩模不能在这些缺陷存在的位置周围保形(conform)，所以这些缺陷出现在比模糊颗粒大得多的区域上；此问题随部件尺度的缩小而增加，使得即使200nm的颗粒也会是有害的。此外，抗蚀剂会粘住掩模。于是，硬接触式光刻还不能在小尺度集成电路的制造中起到重要的作用。
现在有许多公知的方法，该方法因采用了滤色镜、投影透镜或适当改进的掩模而改进了传统光刻系统。随着部件尺度的减小，这些方法变得越来越复杂和昂贵。一个例子是所谓的光投影式光刻。基于投影的光刻技术是制造小至200nm的部件的非常成功和广泛采用的方法。此处，当光通过类似接触式光刻中所用的掩模照射时，获得了远场强度变化的图案。光通过空气传播且由透镜聚焦，以在被覆抗蚀剂的衬底上形成所需图案的图像，该图像通常比其掩模上的尺寸缩小了5-10的因子。投影式光刻基本上被限制在等于或大于光波长1的部件尺寸。随着尺寸向200nm减小并小于200nm，其实施变得愈发困难，此时需要非常复杂的透镜和材料系统来进行现有的和拟用的方案。可获得均匀照射的区域尤其成问题。现在用最好的248nm曝光设备获得的目前最大场尺寸(field size)仅为30×30mm2。
大多数这些方法的缺点通常在于，在试图获得更小的部件尺寸时将变得越来越复杂和昂贵。此外，在最大分辨率、景深和可获得的场图像(fieldimage)之间具有折衷，该图像来自用透镜对光进行聚焦。
EP-A-1 001 311提出了一种构图装置，利用该装置，可以将至少部分入射光导向与该构图装置接触的至少一个覆盖元件。该覆盖元件包括光敏材料，并且布置在位于衬底表面上的衬底凸出元件的顶部上，以及/或者其自身构造在衬底上。
虽然已经采取了许多方法来利用传统光刻系统达到临界尺寸，但是仍然需要用于小部件生产的简易且低成本的方法。
另一方面，自图案化的表面到材料薄层上的印刷是印刷工业中的公知技术和完备成文的工艺。
起初，印刷工艺是为适于人视觉的信息交换和储存而开发的。为了高质量的复制，此应用领域要求图案和重叠精度小至20微米。在一些情况中，印刷工艺已被用于技术上的构图，例如，照相凹版胶印(gravure offset printing)被用于在陶瓷衬底上制造50微米宽的导线，且被用于构图低成本显示器用的薄膜晶体管。胶印(offset printing)被用于制造电容器、以及印刷和电镀窄至25微米的金属线路。最后，印刷电路板和集成电路封装是丝网印刷在电子产业中的流行应用。(B.Michel等人在《IBM.J.Res.Develop.》，45，697(2001)中的文章，且在此参考引用。)
在公知为苯胺印刷(flexography)的工艺中，粘性油墨印刷在多孔纸张和可渗透塑料上。苯胺印刷是一种直接旋转印刷方法，其使用弹性浮雕像橡胶板或包括感光聚合物的其它弹性材料，以在通常难以用传统的胶印或影印工艺形成图像的各种类型的材料上印制图像，所述材料例如为纸板、塑料膜、以及事实上任何类型的可吸收性或不吸收性衬底。因此，其在封装工业中有极大的应用和市场前景。通常，粘性油墨防止了印模与衬底的直接接触，因为其在快速印刷操作中不能足够快地位移。厚层油墨的转印在此典型操作模式中是所需的，但是防止了横向小部件的复制，这就是印刷部件尺寸不能小于20微米的主要原因。在金属箔上的印刷在许多应用中得以实施，但是其远比其它工艺困难(H.Kipphan，″Handbuch der Printmedien″，Springer Berlin，2000，以及J.M.Adams，D.D.Faux和J.J.Rieber，″PrintingTechnology 4th Ed.″，Delamare Publishers，Albany，NY)。
微接触印刷采用与苯胺印刷相似的印模，但是通常将单层油墨转印到不可渗透的金属表面上。现在被称为柔性平版印刷(soft lithography)的更为通用的工艺以各种变形被成功应用于在各种表面上印刷硫醇和其它化学物质。通常，化学物质首先作为挥发性溶剂中的溶液或利用接触式印泥被涂覆在图案化的印模表面上。在上墨和干燥后，微粒以团块的形式出现，并以“干燥”的状态出现在印模的表面上，并且通过机械接触转印到表面上。选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为印模材料的原因在于其类似于橡胶的良好弹性、与玻璃相似的化学性质、缓冲油墨分子的潜力、以及其优异的透气性(这是非常重要的)，所具有的透气性使得少量的空气能通过印模基体溶入或逸出。(cf.B.Michel等人″满足光刻的印刷(Printing meetslithography)″，IBM，J.Res.Develop.45(5)，697(2001))
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种制造亚波长结构的方法。
本发明的另一目的是提供具有增大的长径比(aspect ratio)的这种结构。
本发明的再一目的是提供这样的一种工艺，其能进一步缩小已经存在的临界尺寸。
本发明的又一目的是提供一种工艺，其能制造不受衍射限制的结构。
这些以及其它目的和优点通过本发明公开的方法获得。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。
本发明提供一种用于在衬底上制造亚波长结构的方法，其中，可变形的光致抗蚀剂布置在所述衬底的顶部上，其特征在于以下步骤：a)形成由具有比所用该光致抗蚀剂大的折射系数的材料制成的亲水印模，所述印模具有波导结构；b)通过使所述印模与所述衬底紧密接触，将所述波导结构压印入所述可变形光致抗蚀剂中；c)将光耦合进波导结构内，从而形成损耗波来对所述光致抗蚀剂曝光；以及d)显影所述光致抗蚀剂。
根据本发明的一方面，所述光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂。另一方面，所述光致抗蚀剂是负性光致抗蚀剂。
所述波导结构通过直接用掩模制造方法或通过用前驱体的复制方法来形成。所述印模由聚二甲基硅氧烷制成。
光的耦合借助光栅或棱镜类结构或经由光纤连接器来进行。
印模在所有水平表面上由金属层覆盖。根据本发明的一方面，所述金属为铬。
通过改变所述印模和/或所述光致抗蚀剂的材料和/或用来对所述光致抗蚀剂进行曝光的光的波长，所述亚波长结构的尺寸可任意调整。亚波长结构的临界尺寸取决于所述损耗波的进入深度。
本发明将可变形的光致抗蚀剂布置在衬底的顶部上，通过在衬底上压印临界尺寸，接着借助于集成在印模中的光学结构对抗蚀剂曝光，可以制造出亚波长结构，减小临界尺寸。
本发明降低了制造印模结构所需的前提条件。这与像离子束微调或减细的工艺类似，并提供小x倍的光结构。于是，长径比增大。
根据本发明的亚波长结构的临界尺寸取决于损耗波的进入深度，该进入深度由印模和光致抗蚀材料之间的折射系数之差、以及光致抗蚀材料的吸收性能和显影特性给出。于是，可以制成不受衍射限制的结构。
附图说明
图1A至1D示意性示出了根据本发明第一实施例的、利用正性光致抗蚀剂时的工艺步骤；以及
图2A至2D示意性示出了根据本发明第二实施例的、利用负性光致抗蚀剂时的工艺步骤。
具体实施方式
拟用的技术是利用波导结构的集成光学和利用弹性体印模的压印技术(imprinting technique)的结合。
对于中等长径比和抗蚀剂厚度，压印法可以获得小于100nm的小型结构。对于通过压制制得的给定结构，通过借助印模集成光学结构对压印的预聚物进行固化或曝光，尺寸可进一步减小，且长径比可增大。
该方法降低了制造印模结构所需的前提条件。这与像离子束微调或调细(Ion Beam Trimming or Slimming)的工艺类似，并提供小x倍的光学结构(photo structure)。于是，长径比增大。
印模通过类似电子束光刻的标准方法制成并被干法蚀刻成能够支持UV光曝光的材料例如石英和SiN，但是具有比所用聚合物(例如交联聚合物或聚二甲基硅氧烷)高的折射系数，以获得支持导引模式所需的全内反射条件。印模以下列方式构造：直接利用像电子束曝光的掩模制造方法并蚀刻成材料，或者使用利用前驱体的复制方法，以形成波导结构。将光线耦合进波导结构中是利用光栅或棱镜类结构或通过光纤连接器来进行的，从而将来自外部光源的光线输入到光纤中，然后输入到印模上的波导结构中。印模在所有水平表面上覆盖有一层金属，例如铬。光被限制在波导结构中，并且根据几何形状和材料成分建立波导模式，该模式主要被限制在波导的芯部，但一定程度地延伸至周围光敏材料中。重要的是，在印模材料之外没有传播波，而只是损耗波(evanescent wave)。光的传播仅在波导芯部发生。
图1A示意性示出了形成在印模10上的预制结构是如何压印到形成于待加工的衬底14上的光致抗蚀材料(光致抗蚀剂)12中的。待压制的衬底材料14被光致抗蚀材料12覆盖，该光致抗蚀材料能通过压制而变形。如图1A所示，印模10和衬底材料14紧密接触，光致抗蚀材料12被移动。因此，光致抗蚀材料12被构造成印模结构的复制品。如可在图1A中看出的那样，形成在印模10上的波导结构16于是浸没入光敏材料即光致抗蚀材料12中，且形成临界尺寸区30。如已经提及的那样，印模在所有水平表面上覆盖有金属层18，例如铬，从而在利用光栅或棱镜类结构进行光耦入(light incoupling)的情况下，不允许对光致抗蚀材料直接曝光。有利的情况还可以是覆盖包括波导结构的整个印模，而仅敞开用光栅或棱镜类结构建立的、专门用于光的耦合进入的区域。
接着，利用印模中的耦合机构，即光栅或棱镜类结构，向印模10内的波导结构16馈入用于曝光光敏材料12的适当波长。在印模材料和光敏材料12之间的界面上，损耗波将对光敏材料12进行曝光，留下曝光区20(图1B)。
下一步，印模从衬底和光致抗蚀材料移除，留下图1C所示的结构。
在正性光致抗蚀剂12的情形下，曝光区将被显影去除，留下通过将两个相邻波导结构压制入光致抗蚀剂中而去除了光致抗蚀剂的区域之间的抗蚀剂线条22。此抗蚀剂线条比压制抗蚀剂线条(即临界尺寸区30)小了通过建立起的损耗波曝光的距离(图1D)。于是，利用通过波导结构16形成的损耗波，根据本发明，在工艺的起始时出现的结构(图1A)可进一步变窄(图1D)。
图2A至2D示出了利用负性光致抗蚀材料24时的情形。如可见到的那样，最初的步骤(图2A至2C)与利用正性光致抗蚀材料12进行的步骤相同。但是，在负性抗蚀剂24的情形中，在波导16的两侧形成线条26，该些线条26具有根据损耗波(evanescent wave)的进入深度的临界尺寸。该进入深度由印模和光致抗蚀材料之间的折射系数之差、以及光致抗蚀材料的吸收性能和显影特性给出。形成在两个波导16之间的相邻线条22在抗蚀剂结构之间形成一间隔，该间隔可做成任意小。于是，可以制成不受衍射限制的结构。

Claims (11)

1.一种用于在衬底(14)上制造亚波长结构(22，26)的方法，其中，可变形的光致抗蚀剂(12，24)布置在所述衬底(14)的顶部上，其特征在于以下步骤：
a)形成由具有比所用光致抗蚀剂(12，24)大的折射系数的材料制成的亲水印模(10)，所述印模(10)携带波导结构(16)；
b)通过使所述印模(10)与所述衬底(14)紧密接触，将所述波导结构(16)压印入所述可变形光致抗蚀剂(12，24)中；
c)将光耦合进该波导结构(16)内，从而形成损耗波来对所述光致抗蚀剂(12，24)曝光；以及
d)显影所述光致抗蚀剂(12，24)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用正性光致抗蚀剂。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使用负性光致抗蚀剂。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述波导结构通过直接用掩模制造方法或通过用利用前驱体的复制方法来形成。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述印模(10)由聚二甲基硅氧烷制成。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述亚波长结构(22，26)的临界尺寸取决于所述损耗波的进入深度。
7.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述光的耦合借助于光栅或棱镜类结构或经由光纤连接器来进行。
8.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述印模(10)在所有水平表面上由金属层(18)覆盖。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述金属为铬。
10.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，通过改变所述印模(10)和/或所述光致抗蚀剂(12，24)的材料和/或用来对所述光致抗蚀剂(12，24)进行曝光的光的波长，所述亚波长结构(22，26)的尺寸可任意调整。
11.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述亚波长结构(22，26)的临界尺寸取决于所述损耗波的进入深度。
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