CN1945439A - 一种消色差浸没干涉成像光刻系统 - Google Patents

Abstract

一种消色差浸没干涉成像光刻系统，包括激光器(1)、扩束准直空间滤波装置(2)、偏振控制装置(3)、定时快门(4)、分束光栅(5)、0级衍射光控制器件(10)，复合光栅(7)、浸没液体层、抗蚀剂硅片(11)及硅片工作台(12)。分束光栅(5)和复合光栅(7)间为浸没液体层(6)，复合光栅(7)与硅片工作台(12)间为浸没液体层(8)；分束光栅(5)和复合光栅(7)的种类、材料、栅距、结构以及厚度均相同，浸没液体层(6、8)为同种液体且浸没高度相等。本发明采用双液体层来保持两光臂光程相等，得到对称结构实现消色差干涉成像。

Description

一种消色差浸没干涉成像光刻系统

技术领域

本发明涉及高分辨微细图形的浸没干涉光刻成像光刻系统，特别涉及一种消色差浸没干涉成像光刻系统。

背景技术

激光干涉光刻成像技术是利用两束或多束光交叉叠加发生干涉，在涂有抗蚀剂的基片表面产生周期变化的强度分布，并对抗蚀剂曝光产生高分辨周期图形。使叠加光束满足相干性要求是得到高质量成像图形的首要条件。采用消色差干涉成像系统能有效保证叠加光束满足相干要求，使系统成像性能对激光光源的时间相干性和空间相干性的依赖性降低。

为提高干涉光刻成像的分辨率，增大系统的数值孔径是一种有效途径。采用干法成像，系统数值孔径的极限为1。若在涂有抗蚀剂的基片上方填充液体实行浸没光刻，则可较大幅度的增大系统数值孔径，使其值突破1的理论极限。

目前传统的消色差浸没干涉成像方法及相应系统见参考文献：

(1)Anne-Laure Charley，Alexandre Lagrange，Olivier Lartigue，Philippe Bandelier，MarianneDerouard，Patrick Schiavone，Liquid Immersion Lithography at 193nm Using a High-NA，SPIE Vol.6154，61541Z-1，2006

(2)A.L.Charley，A.Lagrange，O.Lagrange，J.Simon，P.Thony，P.Schiavone，Hyper highnumerical aperaure achromatic interferometer for immersion lithography at 193nm，J.Vac.Sci.Technol.B Vol.23(6)，2668-2674，2005

以上文献涉及的消色差浸没干涉成像系统采用单液体层非对称结构，主要器件是分束光栅和复合光栅，其结构示意图如图1所示。依照从上至下的空间顺序，分别安置分束光栅19、0级光挡板24、复合光栅20、浸没液体层21、涂有抗蚀剂的硅片22以及硅片工作台23。分束光栅19和复合光栅20间保留一定空隙。

该系统实现浸没光刻成像的手段是：在复合光栅20与涂有抗蚀剂的硅片22间的空隙填充浸没液体21，而在分束光栅19和复合光栅20间仍然保持真空(或充满空气)。由于两间隙中介质的光学性质不同，为使两光臂光程相等而达到消色差的目的，则采用的两光栅栅距、厚度以及两间隙宽度都不可能保证相等。

这种消色差浸没干涉成像系统由于在两间隙中填充的介质不同，采用的两光栅线条周期、厚度以及两间隙宽度都不相等，是不对称结构，导致系统成像性能对光栅结构、光栅材料性能以及液体光学性能随周围环境因素的改变很敏感。元器件的对准只能在有液体参与情况下进行，为实际系统调准操作带来不便。另外，在两光栅线条周期、厚度和结构都确定的情况下，两空隙宽度不能随意改变，实验操作相对困难。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有消色差浸没干涉成像方案的不足，包括系统成像性能对光栅结构、光栅材料性能以及液体光学性能随周围环境因素的改变很敏感，元器件的对准需要液体参与，两空隙宽度不能随意改变等缺点，提供一种结构简单，便于操作，成像性能稳定的消色差浸没干涉成像方案及相应光刻系统。

本发明所采用的技术方案是：在分束光栅和复合光栅间隙及复合光栅与硅片工作台间隙间填充相同浸没液体，采用双液体层来保持两光臂光程相等，得到对称结构实现消色差干涉成像。

本发明由两个光栅：分束光栅和复合光栅、两层浸没液体、涂抗蚀剂的硅片、电控精密硅片工作台、0级衍射光控制器件、防漏挡板、电控精密调整机构以及悬臂组成。分束光栅和复合光栅的类型、构成材料、栅距、结构以及厚度都完全相同，分束光栅和复合光栅相互平行。两光栅为平面透射光栅，可以是幅值光栅或相位光栅，构成材料可以是熔石英或氟化钙。两层浸没液体为同种液体，可以为去离子水或其它高折射率液体，其光学物理性质完全一致且浸没高度相等。用胶将防漏挡板固定在复合光栅以及硅片台边缘形成填充液体的容器。0级衍射光控制器件可以是挡光板、快门或光衰减片，用来阻挡或衰减0级衍射光。利用0级衍射光控制器件可以控制是否利用0级衍射光参与成像，从而研究背景光对光刻成像的影响。硅片工作台通过密封气管与真空泵相连以吸附硅片。利用电控精密调整机构通过悬臂来调整两光栅的位置。电控精密调整机构和电控精密硅片工作台采用计算机控制。

依据光路顺序，各器件的由上至下的空间位置顺序为分束光栅、浸没液体层、0级衍射光控制器件、复合光栅、浸没液体层、涂抗蚀剂的硅片、电控精密硅片工作台。两层浸没液体分别充满分束光栅和复合光栅之间的间隙以及复合光栅和涂抗蚀剂的硅片之间的间隙。另外，防漏挡板在复合光栅和硅片工作台四周边缘。电控精密调整机构在系统侧面，通过悬臂与两光栅相连。

本发明工作原理及过程如下：

自激光器发出的激光束经扩束准直和偏振状态调整后，形成平面光波入射到分束光栅上发生衍射。用0级衍射光控制器件对其0级衍射光阻挡或衰减。其±1级衍射光通过第一层液体入射至复合光栅再次衍射。得到的二级衍射光通过第二层液体在涂有抗蚀剂的晶片上叠加成像，对抗蚀剂曝光产生高分辨干涉图形。当光束入射角或光源波长改变时，两光栅衍射角也相应改变，两光臂长度会继续维持相等关系，系统起到自纠正的作用从而达到消色差的目的。由于光束经过的两光栅及两液体层相同而形成对称结构，可以在填充液体前完成系统各器件的对准，方便了操作。

系统器件装调对准后，将表面涂有抗蚀剂的硅片利用真空泵和与之相连的密封气管紧密吸附固定在电控精密硅片工作台上；在两光栅间隙及复合光栅与硅片工作台间隙间填充相同浸没液体；启动定时快门对抗蚀剂曝光得到周期微细图形。

对比现有方法，本发明是一种对称结构消色差浸没干涉成像光刻系统，除了结构简单，主要器件可统一规格制备外，还具备以下优点：

(1)由于分束光栅和复合光栅相同，两液体层为同种液体，且浸没高度相等，得到的微细图形质量对光栅结构、光栅材料性能以及液体光学性能的改变相对不敏感。系统成像性能相对稳定。例如，环境温度会影响浸没液体的折射率，对于传统的单层液体消色差干涉成像方案来说，由于两间隙间是真空和浸没液体，结构不对称，浸没液体折射率的变化必将导致两束光相位差发生变化，消色差条件遭到破坏，成像质量降低。但对于本发明涉及的双液体层消色差干涉成像方案采用的是对称结构，两液体层折射率变化相同，两束光相位差将得到保持。

(2)由于在两光栅间加入了液体，使界面两侧介质折射率更加匹配，有利于界面上折射光的耦合，减小反射损失。同时还放宽了分束光栅最小线条周期极限。为系统实现更高分辨干涉成像提供发展余地。

(3)由于两液体层为同种液体且浸没高度相等，系统的装调与器件的对准无需液体的参与即可完成，方便具体操作。

(4)在保证分束光栅和复合光栅间距离与复合光栅和硅片间距离相等的前提下，两距离值可以改变，从而留下足够空间，可以在液体中放置光束控制器件，如0级衍射光控制器件。

本发明设计方案原理简单，主要元器件分束光栅和复合光栅完全相同，有益于统一规格，从而方便制作。同时，对称结构也为系统的装调和元器件的对准提供了方便。本发明用相对简单的系统结构解决了干涉光刻成像中激光光源，尤其是深紫外激光光源，相干性差的问题，实现高分辨干涉成像。本发明不但可应用于深紫外激光光刻技术中高数值孔径光刻成像性能的研究、浸没式光刻中浸没液体对成像性能影响的研究。还可利用其制造高质量周期微细图形，因而在微电子和光电子领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为现有单液体层非对称结构消色差浸没干涉成像光刻系统示意图；

图2为本发明组成结构示意图。图中：1为激光器，2为扩束准直空间滤波装置，3为偏振装置，4为定时快门，5为分束光栅，6为浸没液体层，7为复合光栅，8为浸没液体层，9为防漏挡板，10为0级衍射光控制器件，11为涂有光敏抗蚀剂的硅片，12为电控精密硅片工作台，13密封气管，14真空泵，17悬臂，18电控精密调整机构；

图3为本发明与现有技术比较两束光相位差变化量随浸没液体折射率变化关系曲线；

图4为本发明与现有技术比较两束光相位差变化量随光栅材料折射率变化的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，组成本发明的各器件由上至下的空间位置顺序为分束光栅5、浸没液体层6、0级衍射光控制器件10、复合光栅7、浸没液体层8、涂有光敏抗蚀剂的硅片11、电控精密硅片工作台12。另外，防漏挡板9在复合光栅7和硅片工作台12四周边缘。电控精密调整机构在系统侧面，通过悬臂与分束光栅5和复合光栅7相连。

由激光器1发出的激光束经过扩束准直空间滤波装置2后，变为平行光束进入偏振控制装置3，依据具体光刻成像需要调整光束的偏振状态，从偏振控制装置3出来的光束经定时快门4垂直入射到分束光栅5。

垂直入射的激光束经分束光栅5而发生衍射。其0级衍射光被0级衍射光控制器件10挡住或衰减，其±1级衍射光15和16在分束光栅5下表面折射后，经浸没液体层6入射到复合光栅7表面。通过复合光栅7的两束光再次衍射，各自的其中一束2级衍射光通过液体层8在涂有抗蚀剂的硅片11表面叠加成像，产生周期微细图形。

防滤挡板9用胶固定在复合光栅7的边缘以防止液体的渗出。分束光栅5和复合光栅7的位置通过悬臂17由电控精密调整装置18来调节。电控精密硅片工作台12的边缘固定有挡板，以便于填充液体。电控精密调整装置18和电控精密硅片工作台12可以实现竖直和水平三个方向的调节，由计算机控制。表面涂有抗蚀剂的硅片11通过真空泵14和与之相连的密封气管13紧密吸附固定在电控精密硅片工作台12上

激光器1的选择视所需解决的具体问题决定。若要利用该系统进行高分辨光刻成像的研究，或要利用其获得较小线宽的微细图形，则应采用波长较小的激光器，如深紫外激光光源。扩束准直空间滤波装置2和偏振控制装置3的设计方案和所用材料根据所选激光光源确定。分束光栅5和复合光栅7是透射光栅，可以采用普通衍射光栅或相光栅，制备材料根据所选激光光源确定。浸没液体6和8可以是水，也可以为高折射率液体。

图3比较了本发明与现有技术两种方案下两束光相位差变化量随浸没液体折射率变化的关系。对于传统的单液体层浸没干涉成像系统，两束光相位差变化量对浸没液体折射率变化很敏感，影响到成像性能的稳定性。对于本发明采用的双液体层对称结构浸没干涉成像系统，两束光相位差变化量不随浸没液体折射率变化而变化，保证了成像性能的稳定性。

图4比较了本发明与现有技术两种方案下两束光相位差变化量随光栅材料折射率变化的关系。对于传统的单液体层浸没干涉成像系统，两束光相位差变化量对光栅材料折射率变化很敏感，影响到成像性能的稳定性。对于本发明采用的双液体层对称结构浸没干涉成像系统，两束光相位差变化量不随光栅材料折射率变化而变化，保证了成像性能的稳定性。

Claims (3)

1、一种消色差浸没干涉成像光刻系统，包括激光器(1)、扩束准直空间滤波装置(2)、偏振控制装置(3)、定时快门(4)、分束光栅(5)、复合光栅(7)、浸没液体层、抗蚀剂硅片(11)及硅片工作台(12)，其特征在于：系统各器件由上至下的空间位置顺序为分束光栅(5)、浸没液体层(6)、0级衍射光控制器件(10)、复合光栅(7)、浸没液体层(8)、涂有光敏抗蚀剂的硅片(11)、电控精密硅片工作台(12)；防漏挡板(9)在复合光栅(7)和硅片工作台(12)四周边缘，电控精密调整机构在系统侧面，通过悬臂与分束光栅(5)和复合光栅(7)相连；分束光栅(5)和复合光栅(7)间的间隙为浸没液体层(6)，复合光栅(7)与硅片工作台(12)间的间隙为浸没液体层(8)；表面涂有光敏抗蚀剂的硅片(11)通过真空泵(14)和与之相连的密封气管(13)紧密吸附固定在电控精密硅片工作台(12)上。

2、按照权利要求1所述的消色差浸没干涉成像光刻系统，其特征在于：分束光栅(5)和复合光栅(7)的种类、材料、栅距、结构以及厚度均相同；浸没液体层(6、8)为同种液体，可以为去离子水或其它高折射率液体；分束光栅(5)和复合光栅(7)间的浸没液体层(6)的浸没高度与复合光栅(7)和涂有光敏抗蚀剂的硅片(11)间的浸没液体层(8)的浸没高度相等。

3、按照权利要求1所述的消色差浸没干涉成像光刻系统，其特征在于：分束光栅(5)和复合光栅(7)相互平行，两光栅均为平面透射光栅，可以是幅值光栅或相位光栅，构成材料可以是熔石英或氟化钙；0级衍射光控制器件(10)可以是挡光板、快门或光衰减片。

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