CN202494863U - 一种通过对高斯光斑检测定位的均匀光刻系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种通过对高斯光斑采用电CCD检测、移相定位的均匀光刻系统。其特征在于在激光干涉光刻中，通过CCD检测两束共轭激光干涉条纹，使平台对其定位，并实时反馈控制一个移相定位系统使光路光程发生精确改变，实现对干涉图形的相位移动及定位。在本系统中，移相定位系统由电压源、位移驱动器和反射镜组成。通过将激光分出两束共轭光干涉于CCD上测出条纹周期，使平台移动N个周期，并控制移相定位系统对平台的运行误差进行补偿。系统将平台的位置误差反馈给芯片，经过运算后给位移驱动器施加不同的电压，使反射镜沿着它的轴向方向相应移动，实现条纹周期的重叠从而达到均匀光刻的需要。

Description

一种通过对高斯光斑检测定位的均匀光刻系统

技术领域

本实用新型涉及一种通过对高斯光斑采用电荷耦合元件(CCD)检测、移相定位的均匀光刻系统，具体涉及一种基于激光干涉光刻系统实现对曝光光斑条纹周期的检测定位。

技术背景

半导体工业始终朝着在更大尺寸基片上生产密集度更高的器件这一目标持续地发展。现行的光刻技术一般是通过缩短曝光波长和增大光刻系统的数值孔径两个手段来提高光刻分辨率。经过过去十几年的努力，再加上相移掩模、离轴照明、邻近效应校正等光刻分辨率增强光刻技术，无论是在分辨率的提高和焦深的增大两方面都取得了很好的成绩。但是，由于投影光学系统固有的光学特性，光刻系统的曝光视场不可能做得很大，加上曝光波长的缩短和数值孔径的增大都使焦深受到了限制。基于粒子聚焦的光刻，无论离子束光刻还是电子束光刻，尽管有足够的分辨率，并且通过平台的移动可以将曝光视场做得相对较大，然而，其缓慢的速度限制了在低成本的大批量生产制造过程中的应用。显然，先进微电子和光电子器件的生产不仅仅需要具有高分辨率的光刻技术，还需要能够很容易地在大视场范围内产生深亚微米精细图形的光刻技术。

激光干涉光刻系统的原理是利用两束或多束激光干涉产生的周期或准周期干涉图形的能量分布和光刻材料相互作用来制造表面微纳米结构。它是一种不需要掩模的制造周期或准周期图形的光刻技术。对这些周期性图形的干涉曝光，在与半导体器件结构平面垂直的方向上，焦深可以认为是无限大的。等强度干涉产生的非常高的对比度，又允许有相当大的曝光量宽容度，与抗蚀剂曝光显影过程的固有的非线性特性相结合，可以制造比波长小得多的结构。该技术不需要昂贵的光学投影系统，一个亚波长的空间周期以及没有复杂曲面光学元件的简单的光学系统。作为等强度两束光干涉的空间像图形非常高对比度的结果，容易获得近于λ/4的临界尺寸。

激光干涉光刻技术用两束或多束相干激光束的干涉图形对光刻材料曝光，以产生纳米结构图形。可采用一次曝光和多次曝光产生光栅、孔阵、点阵、柱阵等周期图形，图形周期可通过改变相干光束夹角或多次曝光实现插补。在激光干涉光刻技术应用中，经常需要均匀微纳米表面结构。因此，为了保证光刻图形的均匀性需要对相移进行精确的控制。

目前的CCD较小的像元大小约为2微米，研究结果表明一个干涉条纹周期至少包含9个以上的像素在CCD上才能够得出图像，所以加入20倍扩束镜就能在结果显示模块中显示纳米级条纹的图像。而现有的移相方法通常在垂直往返的光路中用PZT实现位移，也可用空间光调制器(SLM)或声光调制器(AOM)进行相移操作。但声光调制器对光斑进行调制后，通常光斑质量会发生改变，产生椭圆光斑。而空间光调制器的造价过高，能够产生调制的面积较小。因此，目前使用的方法与系统均都不能直接用于激光干涉光刻系统中实现图形的定位。为了保证两束光的干涉条纹定位的精确性和灵活性，本实用新型涉及一种通过对高斯光斑采用电荷耦合元件(CCD)检测、移相定位的均匀光刻系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种在曝光同时能对曝光图像进行检测，并反馈信号处理模块控制移动平台及压电陶瓷(PZT)实现均匀叠加式移动的系统。

本实用新型的目的通过以下技术措施实现：

一种通过对高斯光斑采用CCD检测、移相定位的均匀光刻系统，包括激光干涉及检测模块、微位移模块、信号处理模块、结果显示模块和带有悬臂梁的二维位移平台；激光干涉及检测模块固定于二维位移平台的悬臂梁上，随着悬臂梁在二维位移平台上移动，所述微位移模块一端与PZT连接，控制粘附与PZT上的反射镜改变光程实现光斑微位移，另一端与信号处理模块连接；所述信号处理模块同时还分别与激光干涉及检测模块中的CCD连接获取光斑干涉条纹图，与结果显示模块连接向其传输信号处理结果，与二维位移平台自带的位移检测模块连接获得平台移动误差用于处理。当两束相干激光以15-75度角干涉与基底之上发生干涉刻蚀，系统既能对曝光条纹进行实时检测，并通过光斑检测模块检测与基底上共轭的一组干涉条纹信息，得出当前图像的周期、位相等信息传输给信号处理模块，经过运算之后处理器控制平台移动整数倍周期的距离。但是由于移动平台有一定的重复定位精度误差，通过平台自身所携带的激光干涉检测系统测出目标的期望值与实际值之间的距离，通过控制由电压源、位移驱动器和反射镜组成的移相定位系统使光路光程发生细微改变，弥补光斑位移在单个周期内的误差，控制条纹的波峰与波峰之间的叠加，从而实现干涉图形在整体面积上的相位移动及定位。

激光干涉及检测模块由激光器、光束整形模块、分束模块、反射镜、光斑检测模块组成；所述各个模块均位于同一垂直面上，其中光束整形模块由半波片、偏振片组成的光束调节模块和扩束准直模块构成，位于激光器正前方，所述反射镜将光束入射角控制在45度以内，从而保证了光斑的高斯性；所述分束模块有两组分别将激光分成两束光，一束照射与二维位移平台上的基底之上互相干涉，一束照射在由扩束镜与CCD组成的光斑检测模块上互相干涉；所述光斑检测模块位于分束模块所分出的具有两束较小干涉角的相干光干涉面上，其中CCD可以检测到与基底上的干涉条纹互相共轭的一组条纹信息，其CCD另一端连接信号处理模块。

微位移模块由位移驱动模块、PZT和反射镜组成，所述位移驱动模块一端连接与信号处理模块，另一端连接PZT，控制PZT进行微小位移，所述反射镜粘帖与PZT之上，随着PZT同时进行微移动，改变激光光程，从而实现基底和CCD检测面上的干涉条纹移动。

本实用新型也可以通过以下技术措施实现：以相同的光斑检测系统代替平台可以得到两组相互共轭关系的干涉条纹，通过两者共轭关系可以清晰的得到在基底上所刻蚀的条纹的所有信息。

本实用新型也可以通过以下技术措施实现：在双光束激光干涉光刻系统中，在使用镜片的波长范围内可换用不同波长激光器，从而满足生产所需各种特征尺寸要求。

本实用新型也可以通过以下技术措施实现：通过高斯光干涉所得高斯光斑中条纹呈高斯分布，所以系统每次移动0.9倍的高斯半径，并使移动后每条条纹依然重合来达到大面积表面重叠的统一剂量，从而满足均匀光刻操作要求。本实用新型与现有方法和系统相比有以下优点：

1.干涉光刻技术价格便宜，并且提供了得到高分辨率、无限焦深、大面积光刻的可能性。干涉光刻作为对现有光刻技术的补充，与传统光学光刻方法相结合，有很好的应用背景。

2.激光器工作范围不受特定波长限制，在光路的任何位置均可改变相移。

3.系统能按人为条件和需求改变干涉角度，达到最低λ/4到几十微米的特征尺寸。

4.基底材料可变，激光光源也可随之改变。若使用为感光材料可使用一般激光光源；若为金属材料等，可使用大功率的激光光源。

5.一个干涉光斑包含几十上百条光栅刻线，比单光束激光直写方法加快数十倍以上，能达到高效率的制作光栅图像。

附图说明

图1为本实用新型涉及一种通过对高斯光斑采用电荷耦合元件(CCD)检测、移相定位的均匀光刻系统总体示意图。

图2为本实用新型实施例一的系统结构示意图。

图3为本实用新型使用两个相同的光斑检测系统，得到的两组成共轭关系的干涉条纹对比图，上图为曝光于基底上的干涉条纹，下图为CCD检测到的干涉条纹，两者相位移动呈比例对应关系。

图4为本实用新型两光束干涉反射镜平行移动的示意图。

图5为本实用新型实施例二的系统结构示意图。

其中：[1]、激光器；[2]、光束调节模块；[3]、扩束准直模块；[4]、反射镜；[5]、反射镜；[6]、分束模块；[7]、反射镜；[8]、反射镜；[9]、反射镜；[10]、PZT；[11]、反射镜；[12]、反射镜；[13]、分束模块；[14]、分束模块；[15]、基底；[16]、二维位移平台；[17]、信号处理模块；[18]、结果显示模块；[19]、光斑检测模块；[20]、扩束镜；[21]、CCD；[22]、位移驱动模块；[23]、光束整形模块；[24]、微位移模块；[25]、激光干涉及检测模块；[26]、扩束镜；[27]、CCD；[28]、光斑检测模块。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型采用的两光束激光干涉光刻技术系统包括激光干涉及检测模块[25]、微位移模块[24]、信号处理模块[17]、结果显示模块[18]、带有悬臂梁的二维位移平台[16]和基底[15]。其中激光干涉及检测模块[25]包括激光器[1]、半波片+偏振片组成的光束调节模块[2]、扩束准直模块[3]、反射镜[4、5、7、8、9、11、12]、分束器件[6、13、14]、PZT[10](3微米/200伏)、扩束镜[20]、光电耦合器件CCD[21]；光束整形模块[23]由半波片+偏振片组成的光束调节模块[2]和扩束准直模块[3]组成；微位移模块[24]由位移驱动模块[22]和PZT[10](3微米/200伏)组成；光斑检测模块[19]由扩束镜[20]和CCD[21]组成。系统通过扩束镜[20]将干涉角度缩小在CCD[21]成像传输给信号处理模块[17]读出周期大小，后控制二维位移平台[16]移动。二维位移平台[16]移动后，其自带的检测系统检测该次运动目的和期望定位误差再次反馈给信号处理模块[17]，经计算之后控制位移驱动模块[22]给位移驱动模块[10]施加不同电压进行微位移，位移驱动器[10]产生形变，沿着它的轴向方向移动，使得与位移驱动器PZT[10]粘贴在一起的反射镜也沿着驱动器的轴向方向移动改变了光程，同时CCD[21]也实时检测干涉条纹的相移，实现对干涉图形的相移及精确定位，从而达到均匀的统一剂量操作。

如图2所示，将基底[15]及二维位移平台[16]换成扩束镜[26]及CCD[27]组成的另一个的光斑检测模块[28]。将曝光干涉角调小后，使用两个CCD[21、27]同时对曝光干涉图案进行观测。曝光光束所用扩束镜[20]为20倍镜，干涉角为7.78°。检测光束所用扩束镜[26]为10倍镜，干涉角为1.564°。当处理器控制电源给PZT上电时，光程差随着PZT的微小移动而进行平移。根据光程差和相移之间的关系，我们可以通过方程

计算出相位差。在电源移动的同时CCD不断的接收数据，传输给处理器，经过运算后调节电压，减小PZT的蠕动和爬行。

如图4所示，系统调节其中反射镜[11]的位置，来改变光程，实现干涉图形的相移。入射光束以一定入射的角度照射在反射镜[11]上，经过反射进行干涉曝光。当给PZT[10]施加电压时，反射镜[11]沿PZT[10]的轴向方向移动，经过反射镜[11]反射后的入射光束的光程发生了改变，从而实现了干涉条纹的位移调节。同时分束模块[13]将曝光激光以1∶9的比例分出10％的激光照射与光斑检测模块[19]上，当基底[15]上的干涉条纹发生改变进行相移的同时，光斑检测系统也能实时的检测到与基底[15]上的干涉条纹共轭的一组条纹，并将信息传输给信号检测模块进行处理。

如图5所示，本实用新型采用的两光束激光干涉光刻技术系统实例二为检测系统的简化图，所用光学器件更少。系统包括激光器[1]，半波片+偏振片组成的光束调节模块[2]，扩束准直模块[3]，反射镜[11、12]，分束器件[6、13、14]，PZT[10](3微米/200伏)，扩束镜[20]，光电耦合器件CCD[21]，位移驱动模块[22]，二维位移平台[16]，信号处理模块[17]和结果显示模块[18]。本实例中光路的运动更少，使得激光在空气和器件中的损耗较少，且分光镜[13，14]为1∶9分光镜，得以让大部分的能量进行光刻。此系统的光程差可调节在10mm以内，能用于绝大多数相干长度不长的激光器。

Claims (3)

1.一种通过对高斯光斑检测定位的均匀光刻系统，其特征在于：系统包括激光干涉及检测模块[25]、微位移模块[24]、信号处理模块[17]、结果显示模块[18]、带有悬臂梁的二维位移平台[16]和基底[15]；激光干涉及检测模块[25]固定于二维位移平台[16]的悬臂梁上，所述微位移模块[24]一端与PZT[10]连接，另一端与信号处理模块[17]连接；所述信号处理模块[17]的一端与激光干涉及检测模块[25]连接获取光斑干涉条纹图，同时还与二维位移平台[16]自带的位移检测模块连接获得平台移动误差；信号处理模块[17]的另一端与结果显示模块[18]连接向其传输信号处理结果；基底[15]固定于二维位移平台[16]之上。

2.根据权利要求1所述的一种通过对高斯光斑检测定位的均匀光刻系统，其特征在于：激光干涉及检测模块[25]由激光器[1]、光束整形模块[23]、分束模块[6、13、14]、反射镜[4、5、7、8、9、11、12]、光斑检测模块[19]组成；所述各个模块均位于同一垂直面上，其中光束整形模块[23]位于激光器[1]正前方，所述分束模块[13]将一束入射激光分成两束，其中一束照射于基底[15]的表面，另一束照射在光斑检测模块[19]上，分束模块[14]将打在其上的另一束入射激光分成两束，其中一束照射于基底[15]的表面，另一束照射在光斑检测模块[19]上，照射于基底[15]表面的两束光互相干涉，照射于光斑检测模块[19]上的两束光互相干涉；所述光斑检测模块[19]包括扩束镜[20]和CCD[21]，扩束镜[20]位于CCD[21]之前；所述光束整形模块[23]包括光束调节模块[2]和扩束准直模块[3]，两者与激光同轴，激光通过光束整形模块[23]进行扩束准直与滤波。

3.根据权利要求1所述的一种通过对高斯光斑检测定位的均匀光刻系统，其特征在于：微位移模块[24]由位移驱动模块[22]、PZT[10]和反射镜[11]组成，所述位移驱动模块[22]一端与信号处理模块[17]连接，另一端与PZT[10]连接，所述反射镜[11]固定于PZT[10]之上。

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