CN1412621A - 光学记录器及其记录方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学记录技术，具有将光源发出的光转换成包括一个振幅调制光和一个相位调制光的调制光以及调制光在物体表面成像的特征。

Description

光学记录器及其记录方法
                                技术领域
本发明涉及一种用于半导体集成电路，液晶显示器或类似产品的制造中光刻工艺的光学记录器和记录方法，尤其涉及一种适合形成具有基本上和曝光波长一样大的线宽的曝光图形和类似物的光学记录器和记录方法。
                                背景技术
在利用曝光的光学记录器中，有一种曝光装置通过例如透镜投影或镜面投影的投影光学系统使曝光图形在曝光物体表面成像。然而，如果曝光图形的线宽接近于曝光线的波长，线宽会由于光的衍射的限制而不能被分辩。为了解决这个问题，提供了一种提高分辨率的方法，使用一种带有形成在掩膜基板上的被称为移相器的透明或半透明的相位调制层的相移掩膜作为曝光掩膜，用以调制相位调制层中的光的相位，从而提高分辨率。
还有另外一种曝光装置，即：激光绘图装置，该装置在曝光被曝光物体的同时用一束激光光束根据要被记录的曝光图形在曝光物体表面连续地或间歇地扫描。另外，有一种激光绘图装置，该装置利用一种用来调制光的振幅的空间光调制器在曝光物体上成像形成在空间光调制器中的曝光图形。它能同时由用于振幅调制的空间光调制器在多个位置上记录一个曝光图形，因此，与单光束扫描的例子相比较，这种方法有利于实现绘图速度的提高。
然而，在相移掩膜中，有必要在掩膜基板上形成一个具有高精度厚度的相位调制层。如果相位调制层和已组成图形的铬膜或类似物的振幅调制层组合，有必要高精确度地交迭相位调制层和振幅调制层，因此相移掩膜的制造要比普通曝光掩膜的制造更加困难，而且因此增加制造成本。另外，有必要为每一图形制造相移掩膜。
还有，使用用于振幅调制的空间光调制器的激光绘图装置可用来绘图，但是与用相移掩膜的装置相比较，其分辨率较差。
                                发明内容
本发明的一个目的是提供一种光学记录器及其方法，利用这种装置和方法，即使曝光图形的线宽接近于曝光线的波长，仍可以获得预定的分辨率以及减少曝光所需的时间。
本发明的光学记录器包括有：用以将来自光源的光转换成包括一个振幅调制光和一个相位调制光的调制光的光转换装置，和用于所述调制光在一个物体表面成像的成像装置。
本发明的光学记录方法包括：用于将来自光源的光转换成包括一个振幅调制光和一个相位调制光的调制光的步骤；和用于所述调制光在一个物体表面成像的步骤。
在这样的记录器和记录方法中，包括振幅调制光和相位调制光的调制光在被曝光的物体表面上成像。因此，在用曝光在物体上记录曝光图形时，可同时完成振幅调制和相位调制，从而，像相移掩膜一样很容易实现高分辨率并且减少曝光时间。由于可调制量容易被控制，相位和振幅的调制能容易地设置成最适宜的量。还有，到现在为止，当每次曝光图形改变时，从根本上不需要每次都更换曝光掩膜。
光转换装置最好包括：一个用于从光源引入的至少一部分光的振幅调制的第一空间光调制器；一个用于在第一空间光调制器内调制的光成像的第一成像光学系统；和一个用于由第一成像光学系统成像的至少一部分光的相位调制的第二空间光调制器，以及成像装置包括一个用于在第二空间光调制器内调制的光在物体表面成像的第二成像光学系统。
光转换装置可以包括：一个用于从光源引入的至少一部分光的相位调制的第一空间光调制器；一个用于在第一空间光调制器内调制的光成像的第一成像光学系统；和一个用于由第一成像光学系统成像的至少一部分光的振幅调制的第二空间光调制器，以及成像装置包括一个用于在第二空间光调制器内调制的光在物体表面成像的第二成像光学系统。
光转换装置可以包括：用于将从光源引入的光在光学上分离成第一光和第二光的光分离装置；一个用于至少一部分第一光的振幅调制的第一空间光调制器；一个用于至少一部分第二光的相位调制的第二空间光调制器；和用于在光学上联合被第一空间光调制器调制的光和被第二空间光调制器调制的光的光联合装置，以及成像装置包括一个用于被光联合装置组成的光在物体表面成像的成像光学系统。
用于振幅调制的空间光调制器最好能包括一个偏振板和一个液晶空间光调制装置。同样，用于相位调制的空间调制器最好能包括一个液晶空间光调制元件。
用于在物体表面成像的成像光学系统最好能是一个缩减光学系统。
转换步骤最好能包括：一个使来自光源的光进入一个用于至少一部分来自光源的光的振幅调制的第一空间光调制器的步骤；一个由第一成像光学装置将在第一空间光调制器中调制的光成像的步骤；和一个使由第一成像光学系统成像的光进入用于至少一部分成像的光的相位调制的第二空间光调制器的步骤，以及所述成像步骤包括一个用于在第二空间光调制器中调制的光在物体表面成像的步骤。
转换步骤可以包括：一个使来自光源的光进入一个用于至少一部分来自光源的所述光的相位调制的第一空间光调制器的步骤；一个由第一成像光学系统将在第一空间光调制器中调制的光成像的步骤；一个使由第一成像光学系统成像的光进入用于至少一部分成像的光的振幅调制的第二空间光调制器的步骤，以及成像步骤包括一个用于在第二空间光调制器中调制的光在物体表面成像的步骤。
转换步骤可以包括：一个在光学上由光分离装置将来自光源的光分离成第一光与第二光的步骤；一个使第一光进入一个用于至少一部分第一光的振幅调制的第一空间光调制器的步骤；一个使第二光进入一个用于至少一部分第二光的相位调制的第二空间光调制器步骤；和一个由光联合装置在光学上联合在第一空间光调制器中调制的光和在第二空间光调制器中调制的光的步骤，以及成像步骤包括一个用于被光联合装置组成的光在物体表面成像的步骤。
在本发明的记录方法中，当调制光被连续地或间歇地扫描，伴随着改变由光转换形成的曝光图形和物体表面被曝光的位置时，最后的曝光图形通过调制光在物体表面上成像而形成。
                             附图简要说明
图1是显示根据本发明的光学记录器的一个实施例的视图；
图2是显示了根据本发明的光学记录器的另一个实施例的视图；
图3是显示了根据本发明的光学记录器的一个实施例的视图；
图4(a)和4(b)是显示图形的视图，图4(a)是显示测试图形的视图；图4(b)是显示用于比较的测试图形的视图。
                              具体实施方式
首先，下面解释一个在光学上串连地组合一个用于振幅调制的空间光调制器和一个用于相位调制的空间光调制器的乘法型的光学记录器及其记录方法。
参考图1，光学记录器10包括：一个用于从光源(未显示)引入的至少一部分光12的振幅调制的空间光调制器14(下文中被称为“SLM”)；一个用以穿过空间光调制器14的光16成像的成像透镜18；一个用于由成像透镜18成像的至少一部分光20的相位调制的空间光调制器22；以及一个用于穿过空间光调制器22的光24在曝光的物体26的表面28上成像的成像透镜30。
作为用于曝光的光源，如果是普通的投影曝光装置，可以用超高压水银灯或其他激光灯的i线和g线。因此，光学记录器10可被用作曝光装置。
每一个SLM14，22包括具有基础装置的液晶装置，每个基础装置对应于一个排列象素的并且SLM通过应用制造半导体集成电路和液晶显示器的技术来制造。
SLM14和22由支撑装置(未显示)支撑在记录器10中，以便于在光学上串联配置而且在光学上彼此配对地定位。必须做到SLM14和SLM22的相应象素之间的光程长度，也就是相位差在每个象素的附近不应有太大的变化。如果可以忽略成像透镜18的象差，可以通过控制在SLM14和SLM22之间的光学轴向方向上的适当位置上的滞后来获得上面的条件，这种在每个象素附近的滞后与曝光光线的波长相比是充分小的。
假设SLM14中一个复数振幅透射率是T1(x，y)，SLM22中一个复数振幅透射率是T2(x，y)，在物体26表面28上一个复数振幅E(x，y)由下面的表达式(1)表示。[公式1]E(x，y)＝T1(x，y)T2(x，y)＝A1(x，y)A2(x，y)exp(iP1(x，y)+iP2(x，y))≡A(x，y)exp(iP(x，y))............(1)
这里，T1(x，y)和T2(x，y)被下面的表达式(2)和(3)定义。[公式2]T1(x，y)≡A1(x，y)exp(iP1(x，y))......(2)[公式3]T2(x，y)≡A2(x，y)exp(iP2(x，y))......(3)
基于上述表达式(1)，(2)和(3)，振幅调制(光的透射率)和相位调制(从相位0到相位2π)在施加给液晶装置的电压上控制，因此上面所说的振幅A(x，y)和相位P(x，y)可以成为曝光物体26的表面28上的最后的振幅A(x，y)和相位P(x，y)。
甚至当用于振幅调制的SLM14有相位调制的作用和/或用于相位调制的SLM22有振幅调制的作用，T1(x，y)和T2(x，y)的值仍可以被选择，因此最后的振幅A(x，y)和相位P(x，y)可以接近理想值。
对于成像透镜30，单位放大率的光学透镜或缩减光学透镜都可以被采用。然而，SLM的象素大小通常和几个微米一样大或大于几个微米，因此，为了获得被称作亚微米级的分辨率，采用缩减光学透镜更好。图1中，成像透镜18，30分别被显示成一个透镜来简化说明，但是为了获得更有利的成像特性，值得使用多元透镜并将它们组合起来。
图1中，将用于振幅调制的SLM放在光源一侧，将用于相位调制的SLM放在曝光物体一侧，但如果将用于相位调制的SLM放在光源一侧，将用于振幅调制的SLM放在曝光物体的一侧也同样适用。另外，也可采用除了液晶装置以外的空间光调制器。
接着，解释加法型的光学记录器及其方法，其中，用于振幅调制的空间光调制器和用于相位调制的空间光调制器在光学上并线连接。
参考图2，光学记录器32包括：一个将来自光源34的穿过聚光透镜38的光44光学性分离成光42和光44的光分离器46；一个用于至少一部分的光42的振幅调制的SLM48；一个用于至少一部分的光44的相位调制的SLM50；一个用于在光学上联合穿过SLM48的光52和穿过SLM50的光的光联合器56；以及一个用于组合光58在物体26表面28上成象的成像透镜60。
还有，这里提供了一面镜子62用于反射和引导从光分离器46中出来的光42通向SLM48和一面镜子64用于反射和引导从光分离器46中出来的光44通向SLM50。
作为用于曝光的光源，就象一个普通的分节器，可以分别应用诸如超高压水银灯的i线和g线的激光光束，或者应用ArF激光(波长＝248毫米)，或者KrF激光(波长＝193毫米)或类似的光束。
每一个SLM48，50包含有具有基础装置的液晶装置，每个基础装置对应于一个排列的象素，并且SLM通过应用制造半导体集成电路和液晶显示器的技术来制造。
SML48和SML50都由一个支撑装置(未显示)在光学上并线地支撑在记录器32中，以便于在从成像光学系统或成像透镜60的角度观察的位置上交叠。由于在SLM14和SLM22之间的光学轴向方向适当位置上引起作为对应其的相位差的滞后，也就是P1(x，y)和P2(x，y)之间的差，与乘法型的光学系统相比具有高度精确的定位。
对于光分离器46和光联合器56，可以利用半透明反射型的光学装置。在光合成中，穿过SLM48的光和穿过SLM50的光被光联合器56干涉。由于偏振的方向应该相同，就不需要采用偏振光束分离器。
假设在SLM48中的复数振幅透射率是T1(x，y)，在SLM50中的复数振幅的透射率是T2(x，y)，物体26的表面28上的复数振幅E(x，y)通过下面的表达式(4)表示：[公式4]E(x，y)＝T1(x，y)+T2(x，y)＝A1(x，y)exp(iP1(x，y))+A2(x，y)exp(iP2(x，y))≡A(x，y)exp(iP(x，y)).............(4)
这里，T1(x，y)和T2(x，y)被下面的表达式(5)和(6)定义。[公式5]T1(x，y)≡A1(x，y)exp(iP1(x，y)).............(5)[公式6]T2(x，y)≡A2(x，y)exp(iP2(x，y)).............(6)
基于上述表达式(4)，(5)和(6)，振幅调制(光的透射率)和相位调制(从相位0到相位2π)在施加给液晶装置的电压上控制，因此上面所说的振幅A(x，y)和相位P(x，y)可以成为曝光物体26的表面28上的最后的振幅A(x，y)和相位P(x，y)。
即使在用于振幅调制的SLM48有相位调制的作用，用于相位调制的SLM50有振幅调制的作用的地方，T1(x，y)和T2(x，y)的值也足以被选择，因此通过表达式(4)，最后的振幅A(x，y)和相位P(x，y)可以接近理想值。
当振幅调制和相位调制的数量可以取任意值时，作为传统的方法，它们可以被控制成光透射(下文称作“关”)，无透射(下文称作“开”)和半透射中的任何一个。还有，在相位调制中，它们被控制成无滞后的相位(下文称作“相位0”或“关”)或滞后π的相位(下文称作“相位π”或“开”)。
因此，至少有四种情形可以为每一个液晶元件的象素选择作为调制的基本单位，即，“无透射”、“半透射和相位π”、“透射和相位0”以及“透射和相位π”。通过组合这些情形，就能形成一个以任意相移掩膜为基础的波阵面。这里，“无透射”、“透射和相位0”以及“透射和相位π”对应于雷文森型(Levenson-type)的相移掩膜，而“半透射和相位π”以及“透射和相位0”对应于半色调型的相移掩膜。
图2中，为了简化，只显示了一个用于通过联合从两个SLM48和50透过的光使光在物体表面成像的透镜60，但是也可以用多个透镜来去除像差。通过使用一种双远心和远焦点的光学系统，即使焦点没对准，仍有这样的优点，如曝光图形尺寸上的精度仍然可以被保持，除此以外还可以获得均匀的曝光强度。
还有，通过使用凯勒聚光光学系统、蝇眼透镜或类似物作为聚光光学系统，可以获得均匀的聚光，其之所以可取是因为经聚光的主要光线可以在整个平面上垂直于SLM光的入射平面。尤其是通过应用用于SLM的液晶装置，由于液晶元件在依赖入射角度的特性上有极大的变化，一个垂直的聚光就尤其理想。如在采用透射型液晶装置作为空间光调制器的情况下解释的那样，有可能利用除此之外的元件，例如：反射型液晶装置，微镜装置和类似的装置。
图3更具体地显示了乘法型光学系统。记录器66包括：一个光源68；一面用来反射从光源68出来的光70的镜子72；一个包括聚光透镜74，76的聚光光学系统78；一个包括偏振板80，82和液晶装置84的空间光调制器86；一个包括单位放大透镜88，90和光阑板92的等放大光学系统94；一个包括液晶装置96的空间光调制器98；以及一个包括单位放大透镜100、光阑102和缩减透镜104的缩减光学系统106。
Ar激光(364纳米)被用作光源。这个激光束被一个光束扩展器扩展成直径约为50毫米的平线光束。
空间光调制器86是一个用于入射光线的振幅调制的空间光调制器，并且有两个偏振板80，82设置在透射的可转动的直线对准型(TN-对准)的液晶装置84的两个表面上，偏振轴线以直角互相相交。这种空间光调制器通常被称作白型，这种空间光调制器在施加给液晶元件84的电压信号为开时，显示无透射特性。
作为液晶元件84，采用一种对角线长为1.2英寸，1024×768的象素数和25微米平方的象素尺寸的元件。这种液晶元件制成具有3.1微米厚度的液晶厚度，当施加的电压信号是开/关时，相位差为0。
然而，很难将相位差完全控制到0，会产生一些相位差。如后面所提到的，这个相位差被用于一个相位调制的空间光调制器补偿。
对于空间光调制器98，其是一个调制入射光线相位的空间光调制器，一个均匀的对准型液晶装置被用作液晶96。相位调制器的原理为，当具有各向异性折射率的液晶通过电场改变其方向时，折射率相对于特殊偏振方向的光线而改变，因此在透过一个具有特定厚度的液晶后改变相位。
液晶装置96被制成具有0.08的液晶折射率各向异性Δn和3.1微米厚度。假设一个导向器在被施加的电压信号的开和关之间被完全改变90°，相位调制被下面的表达式(7)表示，在这种情况下可以设置一个任意的相位量。[公式7](最大相位调制)＝2π×(折射率各向异性Δn)×(液晶厚度)/(波长/折射率)＝2π×0.08×3.1微米/(0.364微米/1.5)＝2π.................(7)
在用于相位调制的空间光调制器98中，没有采用偏振板。而且液晶的对准被做到均匀的对准。还有，液晶也被制成3.1微米厚。假设完全垂直对准，当施加的电压为开时，相位差变为2π。施加的电压和相位调制数量之间的关系可以预先获得，以进线所施加电压的开/关控制。
作为成像光学系统，采用缩减比是1/100，数值孔径是0.18的远焦点和远心光学系统。曝光物体表面上的象素尺寸为0.25微米平方。
作为由曝光记录的曝光图形，采用1.0微米的Shibuya-Levenson型线宽和间隔(下文称为“L和S”)来曝光一个曝光物体。作为用来作比较的曝光图形，采用只有振幅调制的1.0微米的L和S测试图形来曝光一个曝光物体。每一个图形在图4(a)和图4(b)中显示。每一单元方块代表SLM的一个象素。尺寸是像平面上的值。
在振幅调制中，“关”显示光线的透射，“开”显示无透射。在相位调制中，“关”显示相位一致(相位0)，“开”显示相位滞后π(相位π)。振幅无透射部分的相位调制可以是开或关中的一个。相位π中“开”显示施加了在相位调制为π时所施加的电压。在相位0和相位π中的开和关的位置可以是相反的。
硅片用作被曝光物体的基片，东京Oka Kogyo生产的光致抗蚀剂THMR-ip5700被涂覆在硅片上，厚度为1.0微米。因此，在这个实例中，光致抗蚀剂被当作曝光物体。
光致抗蚀剂表面被40兆焦/平方厘米的曝光密度曝光。
曝光的光致抗蚀剂被显影后用来观察光致抗蚀剂上形成的图形。在用于比较的测试图形(只有振幅调制的L和S测试图形)中，那些已被分辩的图形的线宽中有不均匀性，然而，在Shibuya-Levenson型L和S测试图形中，可以获得一致的线宽和理想的分辨率。
本发明不被上述的实施例所限制，但是在不违背本发明精神的情况下可以作各种修改。虽然在实施例中用“Shibuya-Levenson型”作为相移掩膜的实例，总体上仍可以采用相移掩膜的任何类型。例如：可以采用“辅助移动型”、“边缘增强型”、“移动边缘利用型”、“多级移动型”和“半色调型”。

Claims (12)

1.一种光学记录器，其特征在于，该装置包括：用于将来自光源的光转换成一种包括振幅调制光和相位调制光的调制光的光转换装置；以及用于所述调制光在物体表面成像的成像装置。
2.如权利要求1所述的光学记录器，其特征在于，其中所述光转换装置包括：一个用于至少一部分来自所述光源的光的振幅调制的第一空间光调制器；一个用于在所述第一空间光调制器中调制的光成像的第一成像光学系统；和一个用于至少一部分由所述第一成像光学系统成像的光的相位调制的第二空间光调制器；以及其中所述成像装置包括一个用于在所述第二光调制器中调制的光在所述物体表面成像的第二成像光学系统。
3.如权利要求1所述的光学记录器，其特征在于，其中所述光转换装置包括：一个用于至少一部分来自所述光源的光的相位调制的第一空间光调制器；一个用于在所述第一空间光调制器中调制的光成像的第一成像光学系统；和一个用于至少一部分由所述第一成像光学系统成像的光的振幅调制的第二空间光调制器；以及其中所述成像装置包括一个用于在所述第二光调制器中调制的光在所述物体表面成像的第二成像光学系统。
4.如权利要求1所述的光学记录器，其特征在于，其中所述光转换装置包括：用于在光学上将所述来自光源的光分离成第一光和第二光的光分离装置；一个用于至少一部分所述第一光的振幅调制的第一空间光调制器；一个用于至少一部分所述第二光的相位调制的第二空间光调制器；以及在光学上联合在所述第一空间光调制器中调制的光和在所述第二空间光调制器中调制的光的光联合装置；以及其中，所述成像装置包括：一个用于由所述光联合装置组合的光在所述物体表面成像的成像光学系统。
5.如权利要求1到权利要求4中任何一个权利要求所述的光学记录器，其特征在于，其中用于振幅调制的所述空间光调制器包括一个偏振板和一个液晶空间光调制元件。
6.如权利要求1到权利要求4中任何一个权利要求所述的光学记录器，其特征在于，其中用于相位调制的所述空间光调制器包括一个液晶空间光调制元件。
7.如权利要求1到权利要求6中任何一个权利要求所述的光学记录器，其特征在于，其中用于在所述物体表面成像的所述成像光学系统是一个缩减光学系统。
8.一种光学记录方法，其特征在于，该方法包括：一个将来自光源的光转换成包括一个振幅调制光和一个相位调制光的调制光的步骤；和一个所述调制光在物体表面成像的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述的转换步骤包括：一个使来自所述光源的光进入用于至少一部分来自所述光源的所述光的振幅调制的第一空间光调制器的步骤；一个在所述第一空间光调制器调制的光通过第一成像光学装置成像的步骤；以及一个使通过所述第一成像光学系统成像的光进入用于至少一部分所述成像光的相位调制的第二空间光调制器的步骤；以及其中，所述成像步骤包括一个在所述第二空间光调制器中调制的光在所述物体表面成像的步骤。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述转换步骤包括：一个使来自所述光源的光进入用于至少一部分来自所述光源的所述光的相位调制的第一空间光调制器的步骤；一个在所述第一空间光调制器中调制的光通过第一成像光学系统成像的步骤；以及一个使通过所述第一成像光学系统成像的光进入用于至少一部分所述成像光的振幅调制的第二空间光调制器的步骤；以及其中，所述成像步骤包括一个在所述第二空间光调制器中调制的光在所述物体表面成像的步骤。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述转换步骤包括：一个在光学上由一个光分离装置将来自所述光源的光分离成一个第一光和一个第二光的步骤；一个使所述第一光进入用于至少一部分所述第一光的振幅调制的第一空间光调制器的步骤；一个使所述第二光进入用于至少一部分所述第二光的相位调制的第二空间光调制器的步骤；以及一个由一个光联合装置在光学上联合在所述第一空间光调制器中调制的光和在所述第二空间光调制器中调制的光的步骤；以及其中，所述成像步骤包括一个由所述光联合装置联合的光在所述物体表面上成像的步骤。
12.如权利要求8到权利要求11中任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，其中最后的曝光图形是通过当所述调制光被连续地或间歇地扫描，伴随着由所述光转换形成的曝光图形的变化以及所述物体表面被曝光处的位置变化时，所述调制光在所述物体表面成像而形成的。
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