CN1406383A - X射线光刻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一利接触式光刻装置，包括：软X射线源(最好是带旋转阳极的X射线管1)；把该源的发散辐射变换成准平行辐射的半透镜2(所述透镜包括一族以全外反射传输辐射的通道，所述通道沿筒形表面基体定向)；用于安置掩膜3和其上涂布抗蚀剂5的衬底4的装置(所述装置位于半透镜2的输出面侧)；和吸收滤光器6，用于平滑半透镜出射辐射从射束中心到外围呈现强度递减的束强度不均匀性。吸收滤光器6位于辐射源1与半透镜2输入面之间，并通过选择半透镜横向尺寸与其离输入侧焦距的相互关系，按下述限制条件提供源辐射捕获角：0.7/E1.5≤ψ≤1.3E1.5其中ψ为辐射捕获角(弧度)，E是所用源的辐射能量(KeV)。制作辐射传输通道反射表面的材料包括原子序数不大于22的元素，所用源的辐射能量为0.6～6KeV。由于扩大了捕获角而且将吸收滤光器安置在半透镜的输入前面，所以提高了源辐射的使用效率，同时扩大了被加工板－衬底的面积，延长了透镜使用寿命。

Description

X射线光刻装置
技术领域
这里提出的本发明涉及用于微电子学的X射线接触光刻装置，即用X射线透镜形成X射线准平行束的光刻装置。
背景技术
有关这类装置最早的信息要联系到二十世纪80年代末。描述X射线透镜应用于光刻装置的某些著作，可在“Book of Abstracts.3rd All-UnionConference on Relativistic Particles Radiation in Crystals.May 25-30，1988”(Nalchik，1988)[1]中找到。若使用发散辐射源，这类装置有一透镜把所述辐射变换成准平行辐射，通过掩膜射到涂在衬底上的抗蚀剂上。所述透镜包括一组沿筒形基体弯曲的辐射传输通道。传输辐射时，利用了通道壁多次全外反射的作用。总之，把发散辐射变换为准平行辐射的透镜呈半筒形，称为半透镜(相对于聚焦发散X射线并呈筒形的全透镜)。
有关X射线光刻装置包括这类装置所有元件的详尽信息，可在“Multiplereflection from surface X-ray optics”(M.A.Kumakhov and F.F.Komarov.PHYSICS REPORTS.A review section of Physics Letters.volume 191，number5，August 1990.North-Holland)[2]，p.345-348)一文中找到。
描述的装置的一个缺点是落在掩膜上的辐射强度不均匀(朝透镜输出面外围递减)。为了吸收透镜出射束中心部分的“额外”辐射，必须使用滤光器。这一方法在资料源[1]中提到过，然而，包括所述滤光器的该装置结构，一般在美国专利No.5,175,755[3](1992年12月29日出版)中作了描述。该专利还描述了在半透镜(掩膜前面或后面)后面安置吸收滤光器的结构。
提到的吸收滤光器安置的第二种方案显然较差，因为按照这种方案，额外强度辐射照射在掩膜的中心部分，而掩膜是昂贵的精密单元，无疑促使其毁坏。此外，在这种方案中，半透镜出射辐射的实际平行度偏差的影响很大。在掩膜后面的距离越大，这种辐射发散性决定了投影图在掩膜后面的扩展更大。把滤光器置于掩膜后面，必然会增大该距离。
第一种方案(滤光器置于半透镜与掩膜之间)较为理想。然而，根据这种方案，额外强度被衰减的辐射同样要通过该装置的另一昂贵的单元，即X射线半透镜，会加速其老化。
尤其在沿透镜中央通道传输的辐射强度大大超过滤光器后面的辐射强度时，若必须“平滑”出射束截面中心与外围部分的辐射强度之间的重大差异，则上述因素的影响会拒绝应用吸收滤光器。这样就必须用相当“薄”的透镜来减小所述差异，这类透镜对源发出的辐射的捕获角很小。
在X射线光刻术中，促使应用捕获角相当小的“薄”透镜的另一个因素，就是透镜传输系数在辐射旋转角(在使用半透镜时等于捕获角的一半)超过某一极值时会剧降。根据计算(见资料源[2]，p.318的结果)，该值为0.3～0.4弧度。由于该效应众所周知，因此认为，进一步增大捕获角并不会增大出射束的整个强度。在射束中心把辐射强度抑制到与低的外围强度水平“相同”的必要性，似乎是一个极重要的因素，而不主张在光刻术中应用小的捕获角。
如在M.A.Kumakhov.State and perspectives of capillary Roentgenoptics.Proceedings of SPIE-The International Society for OpticalEngineering.Volume 2011，14-16 July 1993，San Diego，California[4]一文中，描述了半透镜捕获角为0.15～0.3弧度的实用光刻装置。这类半透镜捕获的同位素源辐射不超过1～2％。
应用“薄”半透镜的另一个结果是出射束的截面很小，只能照射少部分其上涂有抗蚀剂的衬底区域。为了处理整个区域，必须应用逐步辐射法。为此，尽管使用了高度精密的专用装置，还是无法避免曝光时邻区共轭误差造成的误差。
发明内容
本发明旨在获得某种技术成果，即应用源辐射同时扩大了曝光的板区域，并延长了透镜的使用寿命。这一技术成果是结合了两种手段取得的：将吸收滤光器置于源与半透镜之间，使用捕获角更大的半透镜。对于后者，揭示了存在一优化值，该值远远超过前述的极值，而且取决于所用辐射的能量和半透镜通道反射表面的材料特性(即制作通道的材料，若不用通道，则是原来应用的材料)。在使用的辐射能量范围0.6KeV到至少6KeV内，捕获角的优化值只依赖于辐射能量。从技术观点来看，只要便于制作X射线透镜的通道或便于在只含轻量元素(原子序数不大于22)的条件下应用其内表面，那么制作通道反射表面的材料可以是任一种材料。
提出的该接触光刻装置除了前述更接近于美国专利No.5,175,755已知的装置外，还包括：软X射线源；把该源的发散辐射变换成准平行辐射的半透镜(所述透镜包括一组以全外反射传输辐射的通道，而且所述通道沿筒形表面基体定向)；把掩膜和其上涂有抗蚀剂的衬底安置在半透镜输出面一侧的装置；和平滑半透镜出射辐射束强度不均匀性的吸收滤光器，所述不均匀性表征为强度从中心向束外围递减。
与提出的装置中已知的一种情况相对照，吸收滤光器置于辐射源与半透镜输入面之间，并选择半透镜横向尺寸与离输入侧焦距的相互关系，以便按下列限制条件提供源辐射的捕获角：
0.7/E1.5≤ψ≤1.3/E1.5    (1)
其中ψ为捕获角(弧度)，E是所用源的辐射能(KeV)，这样，辐射传输通道反射表面的材料包括原子序数不大于22的元素，所用源的辐射能为0.6～6KeV。
关系式(1)是经验公式；因此，为得到合理的结果，公式中的值应以前述项目表示。
较佳地，把有旋转阳极的X射线管用作软X射线源。
附图说明
提出的本发明用附图示出：
图1示出光刻装置中各部件的安置；
图2示出该装置使用的半透镜的主要结构尺寸。
具体实施方式
X射线光刻装置包括发散软X射线源1，其输出孔径置于半透镜2的焦点。掩膜3安置装置(图中未示出)位于半透镜2输出(图1右面)面一侧。把所述装置安置成使掩膜3的平面平行于半透镜2的输出面，即应该垂直于半透镜的纵轴与半透镜形成的出射准平行辐射束的轴线。
带一层涂在其上的抗蚀剂5的衬底4安置装置(图中未示出)位于掩膜安置装置的后面。该衬底安置装置应该定位成使抗蚀剂平面平行于掩膜平面，并与所述掩膜隔开一最小距离。
吸收滤光器6位于源1与半透镜2输入面之间。吸收滤光器6代表一种用吸收X射线的材料制造的制品，它相对于组合了半透镜纵轴的轴呈轴对称体，其厚度在外围部分最小，而约接近其对称轴附近的中心部分就变得越厚。吸收滤光器6的厚度变化规律是与对称轴距离的函数(在安置了滤光器后，所述对称轴组合了透镜2的纵轴)，经选择，可沿透镜输出截面得到均匀的射束强度。作选择时，在制造该装置的同时，运用一个或其它检测装置，沿着准备应用于某一指定光刻装置的专用半透镜出射束的截面，监视辐射强度分布。吸收滤光器的所述厚度变化规律是接近于指数规律的特征。这种滤光器尤其能做成一块用轻金属(如铝)制造的基板，再加一层较重的金属(如铜或铅)，厚度向外围递减。
提出的该X射线光刻装置的工作情况如下。
源1的发散辐射通过吸收滤光器2，后者根据与半透镜2纵轴的偏转角对它衰减，在辐射通过半透镜通道时，偏转角与临近的衰减成反比。半透镜2把辐射发散的输入束变换成准平行束。由于前述的输入辐射衰减特征，出射辐射沿束截面具有接近均匀的强度分布(实际允许非均匀性为5～10％)。该辐射通过掩膜3的透明部分后，到达被照射的加在衬底4表面上的抗蚀剂2。X射线作用于对这种辐射敏感的抗蚀剂后，便出现了“窗口”(衬底表面在照射下无抗蚀剂的部分)，所述窗口形成一图象，并重复掩膜3的该图象。
从成像精密出发，半透镜2出射的准平行辐射的实际发散度和掩膜与抗蚀剂的距离都相当重要，因为图象按下式扩展：
δ＝d·Δθ(2)
其中d是掩膜3与抗蚀剂5的距离，Δθ是半透镜2准平行出射辐射的发散角。
接着，对衬底4蚀刻，其中蚀刻剂作用于通过抗蚀剂5中“窗口”处理下的表面，而不作用于其上保持一层对该蚀刻剂稳定的抗蚀剂的其它部分。总之，这一阶段的技术处理与传统的处理并无不同(如见Encyclopedicdictionary“Electronics”，Moscow，“Soviet encyclopedia”，1991[5]，pp.254-256)。
如上所述，在本发明的描述中，把吸收滤光器6置于源1到透镜2的辐射路径上，可防止透镜额外辐射。在实验中，应用了下述的源1的功率值，在半透镜输入面前面无吸收滤光器时，观察了所述面变软。吸收滤光器的结构不像X射线半透镜那样精细，而且热强度更强。此外，抗蚀剂是种简单而便宜的单元，可定期更换。
提出的吸收滤光器安置方式，能排除所述滤光器中出现的二次散射辐射对抗蚀剂的作用。若将吸收滤光器置于半透镜2的输出上，该辐射会引起比公式(2)规定的扩展大得多的扩展，因为该辐射不是准平行，其发散度不限于小角度ΔQ，可以达到90°。
现在对提出的X射线光刻装置评估计算可能的系数和主要结构参数。
迄今已得到的板-衬底直径为30cm(即面积约为750cm2)。根据每小时10块板的期望处理生产率，要处理的面积将达7500cm2。目前X射线抗蚀剂的灵敏度为20mj/cm2左右。这表明，在1小时内，提供给抗蚀剂的X射线能量将为7500·20＝150000mj＝150j。X射线管消耗的功率到X射线的变换系数由下式定义：
g＝k(U-Uk)1.5    (3)
其中k≈10-4(对量子能量在研究范围内的X射线)；Uk是研究的特征辐射的电离电位(kV)；U为管子两端的电压。
例如，在U-Uk＝30kV时，对于铝的Kα辐射(E≈1.5KeV)：
g＝1.65·10-2
即变换系数为1％量级。当现在为止，已经生产了功耗为200kw或更大的X射线管。准备使用不是最高功率(30kw)的带旋转阳极的管子，这类管子可在10000小时内工作而不用修理，因而根据操作经验，所需的维修是次要特性。它们的总尺寸与重量都很小。按照所述的管子功率，可得到下述X射线功率：
30·1.65·10-2＝0.495kW≈0.5kW
这样可以认为至少有一半能量在旋转阳极中被吸收，另有30％落在辐射硬件上而被滤除(滤除由透镜实现；如参见：M.A.Kumakhov.Channelingparticles radiation in crystals.Moscow，Energoatonmizdat，10986[6]，p.42)。所述0.5kw里总计约100w代表带旋转阳极的X射线管发射的有用功率，然而，该能量是以4π立体角发射的。
半透镜2的辐射传输的通道壁由轻金属或其氧化物、轻质玻璃等材料制成，可提供良好的反射并少量吸收能量范围为1～5KeV的使用的软X射线(若通道内表面涂布了前述指明的涂料)。从技术观点来看，包括原子量不大于22的元素并且适于毛细管透镜制造的任何材料都适用。半透镜2用多毛细管制作或按下述著作描述的技术做成单块透镜：V.M.Andreevsky，M.V.Gubarev，P.I.Zhidkin，M.A.Kumakhov，A.V.Noskin，I.Yu.Ponomarev，Kh.Z.Ustok.X-raywaveguide system with a variable cross-section of the sections.The IV-th All-UnionConference on Interaction of Radiation with Solids.Book of Abstracts(May 15-19，1990，Elbrus settlement，Kabardino-Balkarian ASSR，USSR，pp.177-178)[7].
根据公式(1)，若辐射能E＝1KeV，可算出：
0.7≤ψ≤1.3
取ψ＝60°≈1弧度。若ψ＝60°，半透镜可捕获管子中约10％的同位素发散辐射，即约10w。若辐射旋转角等于30°，对应于透镜外围通道里出现的各个捕获角60°，那么只有约5％的能量传至通道输出端。在辐射进入更靠近半透镜纵轴的通道之前，滤光器6必须吸收掉其余能量。所以必须认识到，只有被半透镜捕获的5％能量到达其输出端，形成沿截面近似均匀的准平行束。
这表明每秒钟落在掩膜上的能量为5·10-2·10j＝0.5j＝500mj。如上所述，每小时必须获得150j，即每秒钟40mj。因此，包括30kw功率的管子和60°捕获角的半透镜的研究的该系统，符合可接受的要求，从光刻加工的能学观点来看，具有安全性。
对于半透镜的主要结构尺寸(图2)，以下列著作的关系式为基础可推导出以下诸公式：V.A.Arkadiev，M.A.Kumakhov.Concentration of synchrotronradiation with capillary focusing systems.Optic of beams，pp.43-50.Institute forRoentgen Optical Systems.Moscow，1993.
f＝h/2tg(ψ/2)                    (4)
h＝H-2L[1-cos(ψ/2)]/sin(ψ/2)    (5)
R＝L/sin(ψ/2)，                  (6)
式中ψ是辐射捕获角，f为焦距，h为半透镜的输入直径，H为半透镜的输出直径，L是半透镜的长度，R为离半透镜光轴最远的通道的曲率半径。
根据前述提议(即板-衬底的直径为30cm)，半透镜输出直径同样应该接近30cm。可以认为，半透镜长度也是30cm。因此，对上述规定的捕获角ψ＝60°，可用公式(4)～(6)计算其它尺寸值：
透镜输入直径h＝13.8cm，
焦距f＝11.9cm，
离半透镜光轴最远通道的曲率半径R＝60cm。
为了估算抗蚀剂上发射的掩膜图象的模糊情况，要考虑到两个限定半透镜2出射辐射发散度的因数。第一因数是半透镜每条通道输入端的辐射发散度，量级为
Δθ1＝l0/f                           (7)
式中l0为X射线源的孔径尺寸，f是半透镜2的焦距。
第二个因数是原始平行射线从通道弯曲壁反射后的平行度偏差，该因素对最弯曲的外围通道(曲率半径最小)和相互隔开最远的输入射线(即距离等于通道直径d0)的影响最大。输出辐射被该因数造成的发散度等于
Δθ2＝(2d0/R)1/2                     (8)
其中d0为辐射传输通道的直径，R是离半透镜光轴最远的通道的曲率半径。
为了确定最终的发散度，考虑到所述因数影响的随机与独立的特征，要加上公式(7)和(8)定义的二次方发散度：
Δθ＝[(Δθ1)2+(Δθ2)2]1/2＝[(l0/f)2+2d0/R]1/2    (9)
所以，对于上面得到的通道直径d0＝5微米，若焦距f＝11.9cm，典型值l0＝1mm，则发散度Δθ≈10-2弧度量级。
在这样的发散度和掩膜3与抗蚀剂层的典型距离值d＝20微米时，公式(2)限定的图象模糊δ＝0.2微米量级。
得到的结果表明，提出的该装置可实现运用大尺寸(达30cm)不分级的板-衬底的亚微米分辨率，加工效率高达每小时10块板。
应用大于1KeV的辐射能量可以使用达1mm厚的抗蚀剂，根据LIGA技术实现立体结构。
资料来源
1.Book of Abstracts.3rd All-Union Conference on Relativistic ParticlesRadiation in Crystals.May 25-30，1988.(Nalchik，1988).
2.Multiple reflection from surface X-ray optics(M.A.Kumakhov and F.F.Komarov.PHYSICS REPORTS.A Review Section of Physics Letters，volume 191，number 5，August 1990.North-Holland.
3.美国专利No.5,175,755(1992年12月29日出版).
4.M.A.Kumakhov.State and perspectives of capillary Roentgen optics.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering.Volume2011，14-16 July 1993，San Diego，California.
5.Encyclopcdic dictionary＂Electronics＂，Moscow，＂Soviet encyclopedia＂，1991，pp.254-256.
6.M.A.Kumakhov.Channeling particles radiation in crystals.Moscow，Energoatomizdat，1986.
7.V.M.Andreevsky，M.V.Guvarev，P.I.Zhidkin，M.A.Kumakhov，A.V.Noskin，I.Yu.Ponomarcv，Kh.Z.Ustok.X-ray waveguide system with a variablecross-section of the sections.The IV-th All-Union Conference on Interaction ofRadiation with Solids.Book of Abstracts(May 15-19，1990，Elbrus settlement，Kabardino-Balkarian ASSR，USSR，pp.177-178).
8.V.A.Arkadiev，M.A.Kumakhov.Concentration of synchrotron radiationwith capillary focusing systems.Optic of beams，pp.43-50.Institute for RoentgenOptical Systems Moscow，1993.

Claims (2)

1.一种接触式光刻装置，其特征在于包括：软X射线源；把所述源的发散辐射变换成准平行辐射的半透镜，它包括一组用沿筒形表面基体定向的全外反射传输辐射的通道；把掩膜和其上涂布了抗蚀剂的衬底安置成与半透镜输出面一侧间隔开的装置；和一吸收滤光器，用于平滑半透镜出射辐射束强度的不均匀性，该不均匀性表现为从射束中心到外围的强度衰减，其中吸收滤光器位于辐射源与半透镜输入面之间，
选择半透镜截而与其离输入侧焦距的关系，以便按下述限制建立捕获源辐射的条件：
0.7/E1.5≤ψ≤1.3E1.5
其中ψ是辐射捕获角(弧度)，E为所用源的辐射能量(KeV)，这样，辐射传输通道反射表面的材料包括原子序数不大于22的元素，
而且所用源的辐射能量为0.6～6KeV。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一种作为软X射线源的带旋转阳极的X射线管。
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