TW201716875A

TW201716875A - 干涉微影裝置

Info

Publication number: TW201716875A
Application number: TW104136195A
Authority: TW
Inventors: 洪勇智; 林蔚
Original assignee: 國立中山大學; 聯亞光電工業股份有限公司
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-05-16
Also published as: TWI561939B; US20170123325A1; US9904176B2

Abstract

本發明提供一種干涉微影裝置，主要包含：一雷射光源，用以提供一雷射光波；一基座，其上設置有一分光元件，將該雷射光波分成一第一部份光束及一第二部份光束、一擴束元件、一第一反射鏡組、以及一第二反射鏡組；一下反射鏡組；以及一載台，用以承載一基板，其中該第一及第二部分光束分別從該第二反射鏡組反射之後入射至該下反射鏡組，接著分別被該下反射鏡組反射，隨後該第一及第二部分光束共同在該基板上形成一干涉圖案。

Description

干涉微影裝置

本發明係關於一種干涉微影裝置，特別是關於一種具有大曝光面積且可調整週期的雷射干涉微影裝置。

雷射全像干涉微影技術為一製作週期性結構的低成本製造技術，其主要是使用兩道同調光在空間中交疊來產生週期性的干涉條紋，若將感光的材料(如光阻)放置在干涉條紋下，便可將干涉條紋轉移至光阻層，形成週期性的光柵結構，進而將此光柵結構藉由各種蝕刻技術轉移至不同材料上。雷射全像干涉微影技術的優點為低成本與快速，目前廣泛地應用在製作通訊用單波長半導體雷射之光柵結構定義，其所需光柵結構的週期僅為200奈米(nm)，且以晶圓級半導體雷射三五族基板而言所需曝光的範圍至少為2吋。此外，雷射全像干涉微影技術的潛在應用亦包含製作圖案化藍寶石基板以應用於發光二極體產業，以及應用於實現金屬線光柵偏振器，其共同的需求特點皆朝向短週期與大面積曝光的目標邁進。

最常見的雷射全像干涉微影系統使用洛伊鏡(Lloyd's mirror)來達到兩道光干涉的目的，此架構是將一反射鏡與一樣品載台呈直角的方式固定，並將一同調光源擴束後同時照射到此反射鏡與樣品載台，照到反射鏡的光則會被反射打到樣品載台形成兩道光干涉。此架構的優點為架設方便與簡單，以及較不受週遭環境擾動的影響，但其缺點為無法製作大面積且均勻的週期性結構，主要原因為此架構產生的兩道光的能量分布並不均勻，且分別為一高斯分布的左右兩半，當此兩道光在空間中交疊時，靠近反射鏡的樣品區域所照射到的能量較強，而遠離反射鏡的樣品區域所照射到的能量較弱，因此在樣品上產生的光柵結構並不均勻，一般而言僅能達到2吋左右的均勻曝光面積。此外，洛伊鏡架構之全像干涉微影系統受其系統架設方式的限制，無法實現大週期光柵結構(大於400奈米)於大面積的基板上，若要製作週期大於500奈米的光柵結構，可用的曝光面積只有1吋不到，使其應用受到限制。

若欲製作大面積週期性光柵結構，一般使用獨立的兩道光進行干涉，以改善洛伊鏡架構下所造成的光場不均勻與週期限制等問題。也就是利用一光分岐器將一雷射光源一分為二後分別進行擴束，最後再分別利用兩個反射鏡將兩道光束在空間中重疊以產生干涉條紋。此雙光束雷射全像干涉微影的優點為曝光時具有完整的高斯光場分布，且其曝光週期與可用曝光面積無關。惟，此系統的缺點為無法任意變換入射光的角度以改變光柵週期。

2011年W.Mao在美國專利第US8,681,315號中提出一個新型的鏡面可調雙光束全像干涉微影系統，其利用額外的兩個反射鏡來調整兩道擴束光的行進路徑，進而可在不變動其他光學組件的情況下任意調整干涉條紋的週期。然而，此架構仍然不易製作長週期光柵結構，主要的原因為雙光束所搭配的兩個反射鏡之間的距離較遠，在製作長週期光柵結構時樣品載台必須要離反射鏡非常遠才能達到兩道光交疊點。此現象除了造成整體系統所佔面積較大外，兩道擴束光到達載台的能量也會很低，造成曝光時間過長。

故，有必要提供一種干涉微影裝置，以解決習用技術中所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種干涉微影裝置，其具有大面積的曝光區域及可調整的干涉週期。該干涉微影裝置的系統整體所佔面積較小，在光柵週期的調整上具有更大的彈性(200至2000奈米)，且曝光面積可達4吋以上。此外，在光柵週期變動時不需重新調整擴束前的光路架構，僅需改變系統後端的反射鏡組的角度即可，在使用上十分便利，省去了重新調整光路的程序及時間。

為達上述之目的，本發明的一實施例提供一種干涉微影裝置，其包含：一雷射光源，用以提供一雷射光波；一基座，其上設置有：一分光元件，將該雷射光波分為一第一部份光束及一第二部分光束；一擴束元件，設置在該分光元件之前方，分別將該第一及第二部分光束的光束直徑擴大；一第一反射鏡組，設置在該分光元件和該擴束元件之間，並包含一第一反射鏡及一第二反射鏡，用以分別反射該第一及第二部份光束，使其通過該擴束元件；以及一第二反射鏡組，其設置在該擴束元件之前方，並包含一第三反射鏡及一第四反射鏡，用以分別反射該第一及第二部分光束；一下反射鏡組，其設置於該基座之下方，並包含一第五反射鏡、一第六反射鏡以及一第一橫向滑軌，該第五及第六反射鏡分別可橫向移動的設置在該第一橫向滑軌上；以及一載台，設置在該基座之下方及該下反射鏡組之前方，用以承載一基板，該載台可橫向移動的設置在一第二橫向滑軌上，而該第二橫向滑軌可縱向移動的設置在一縱向滑軌上；其中該第一及第二部分光束分別從該第二反射鏡組之第三及第四反射鏡反射之後入射至該下反射鏡組，接著分別被該下反射鏡組之第五及第六反射鏡反射，隨後該第一及第二部分光束共同在該基板上形成一干涉圖案。

在本發明之一實施例中，該基座上另設置至少一極化控制元件於該第一反射鏡組和該擴束元件之間，用以調整該第一及第二部份光束的偏振方向在進行干涉時彼此平行。

在本發明之一實施例中，該極化控制元件是一半波片。

在本發明之一實施例中，該下反射鏡組的該第五及第六反射鏡藉由該第一橫向滑軌調整彼此之間的距離。

在本發明之一實施例中，該第二反射鏡組和該下反射鏡組均以可旋轉的方式調整該第一及第二部份光束的反射方向，使該第一及第二部份光束以一預定入射角在該基板上形成該干涉圖案。

在本發明之一實施例中，該第三和第四反射鏡之間的距離不等於該第五和第六反射鏡之間的距離。

在本發明之一實施例中，該載台與該下反射鏡組之間的距離藉由該縱向滑軌調整，使該基板置於該第一及第二部份光束的一重疊範圍內。

在本發明之一實施例中，該第一部份光束和該第二部份光束為彼此平行或不平行。

在本發明之一實施例中，該載台是可旋轉調整的，以使該干涉圖案形成一維或二維的週期性條紋。

在本發明之一實施例中，該第一反射鏡組的一鏡面面積小於該第二反射鏡組的一鏡面面積，且該第二反射鏡組的鏡面面積小於該下反射鏡組的一鏡面面積。

1‧‧‧雷射光源

2‧‧‧基座

3‧‧‧分光元件

4‧‧‧擴束元件

41‧‧‧第一擴束器

42‧‧‧第二擴束器

5‧‧‧第一反射鏡組

51‧‧‧第一反射鏡

52‧‧‧第二反射鏡

6‧‧‧第二反射鏡組

61‧‧‧第三反射鏡

62‧‧‧第四反射鏡

7‧‧‧下反射鏡組

71‧‧‧第五反射鏡

72‧‧‧第六反射鏡

73‧‧‧第一橫向滑軌

8‧‧‧載台

9‧‧‧極化控制元件

10‧‧‧第二橫向滑軌

11‧‧‧縱向滑軌

12‧‧‧光束轉向裝置

L‧‧‧雷射光波

L1‧‧‧第一部份光束

L2‧‧‧第二部份光束

X1‧‧‧縱向距離

100‧‧‧干涉微影裝置

第1圖：本發明一實施例之干涉微影裝置的裝置示意圖。

第2A圖：在固定該下反射組的距離S的情形下，顯示出縱向距離X1隨光柵週期的變化趨勢。

第2B圖：藉由改變該下反射鏡組的距離S來使縱向距離X1固定在特定位置而不受光柵週期變化的影響。

第3A至3E圖：本發明的一實施例之干涉微影裝置在光阻上所形成的一維與二維週期性結構的電子顯微鏡照片，其中第3A、3B、3C、3D、3E圖之週期分別是200nm、400nm、800nm、350nm及800nm。

第4圖：本發明的一實施例之干涉微影裝置在4吋的矽基板上形成干涉圖樣之後以電子顯微鏡觀測的照片。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。此外，本發明所提到的單數形式“一”、“一個”和“所述”包括複數引用，除非上下文另有明確規定。數值範圍(如10%~11%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的B)，則皆指其下限值可能為0(即0%≦B≦0.2%)。上述用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參考第1圖，本發明的一實施例提供一種干涉微影裝置100，其主要包含一雷射光源1；一基座2，其上設置有一分光元件3、一擴束元件4、一第一反射鏡組5、以及一第二反射鏡組6；一下反射鏡組7；以及一載台8，用以承載一基板(未繪示)。該干涉微影裝置100可在該基板上形成一干涉圖案。本發明下文中所述的前、後方是以雷射光源為參考點，在同一平面的光行進路徑上，前方指距離光源較遠處，後方意指距離光源較近處，在此合先述明，例如：A元件在B元件前方，代表A元件與光源距離較遠，B元件位於A元件和光源之間。

如第1圖所示，在本發明一實施例中，該雷射光源1係用以提供一雷射光波L，其波長可為325nm、355nm、365nm、405nm或是其他紫外光發光波長，較佳可例如是一固態雷射光源(diode-pumped solid-state laser)。該固態雷射光源的輸出光功率可達20mW，發光波長為355奈米(nm)，同調長度(coherent length)超過40公尺，且雷射尺寸僅為125 x 70 x 45毫米(mm)。而常見用於全像干涉微影之He-Cd氣體雷射也可以使用於提供該雷射光波L，其具有較高的輸出光功率(可達50mW)，但其同調長度僅為30公分(cm)且裝置體積龐大，雷射使用的壽命亦較短。在本發明一實施例中，該雷射光源1可利用一光束轉向裝置12進行高度的調整，該光束轉向裝置包含兩個45度光束轉向透鏡，此透鏡模組可沿著垂直鋼柱作上下移動，以讓入射光束垂直位移至任意高度，並且維持該雷射光源1的偏振方向。

該基座2可例如是一光學桌，可用以組裝及固定設置於其上的光學元件。該雷射光波L通過該分光元件3可被分成一第一部份光束L1和一第二部份光束L2。該分光元件3可例如是一立方體分束器(cube beam splitter)，用以將一雷射光束分成兩道雷射光束，且兩道光的光能量強度為原始雷射光能量強度的一半。該擴束元件4包含一第一擴束器41及一第二擴束器42，設置在該分光元件3之前方。該第一擴束器41及該第二擴束器42可例如是使用空間濾波器(spatial filter)，其用以放大雷射光場，使該第一部分光束L1及該第二部分光束L2的光束直徑擴大，同時去除雷射本身的雜質紋路。該空間濾波器的結構通常包含一40倍紫外光物鏡(UV objective)以及一針孔孔洞(pinhole)。

該第一反射鏡組5設置在該分光元件3和該擴束元件4之間，包含一第一反射鏡51及一第二反射鏡52，可例如是兩個一吋光學反射鏡，用以分別反射該第一部分光束L1及該第二部份光束L2，使其分別通過該第一濾波器41及第二濾波器42。

該第二反射鏡組6設置在該擴束元件4之前方，包含一第三反射鏡61及一第四反射鏡62，可例如是兩吋光學反射鏡，用以分別將該第一部分光束L1及該第二部分光束L2向該基座2之下方轉折，入射到該下反射鏡組7。較佳的，該第三反射鏡61與該第四反射鏡62之間的距離是固定的。

該下反射鏡組7設置於該基座2之下方，包含一第五反射鏡71、一第六反射鏡72以及一第一橫向滑軌73。該第五反射鏡71及該第六反射鏡72可例如是四吋光學反射鏡，且分別可橫向移動的設置在該第一橫向滑軌73上。因此，該第五反射鏡71和該第六反射鏡72之間的距離是可以自由調整的。此外，該第二反射鏡組6和該下反射鏡組7之間在其左右方向上的相對位置並不特別侷限，只要能夠將在基座2上行進的該第一部分光束L1及該第二部分光束L2反射到該下反射鏡組7即可。

該載台8設置在該基座2之下方且位於該下反射鏡組7之前方，並且可橫向移動的設置在一第二橫向滑軌10上。較佳的，該第二橫向滑軌10可縱向移動的設置在一縱向滑軌11上。因此，該載台8和該下反射鏡組7之間的縱向距離X1及橫向相對位置可自由調整，可使該干涉圖案的面積及週期有更多彈性及變化。上述該第一橫向滑軌73、該第二橫向滑軌10以及該縱向滑軌11可例如是使用光學滑軌來達成。

如上所述，該第一反射鏡組5、第二反射鏡組6及下反射鏡組7均可另外裝置在具備旋轉機制的載具上，可藉由電動或手動方式控制每個反射鏡的三個維度的旋轉角度。該載台8也可以裝置在具備旋轉機制的載具上，透過旋轉可使該干涉圖案形成一維或二維的週期性條紋。該基板上一般預先塗佈有感光材料，即該二維週期性條紋可藉由兩次曝光，且在第二次曝光前將以該載台8將該基板旋轉一預定角度來產生。該一維或二維的週期性條紋的週期範圍為200nm到2000nm，且曝光面積可達四吋以上。

較佳的，上述該基座2上所配置的光學元件，相對於該下反射鏡組7及該載台8而言是較為固定的，也就是可以不需常常變動它們彼此之間的相對設置，但不限於此，也可以因應不同需求作微調。

在本發明的一實施例中，位在該基座2上的上層光路的該第一部分光束L1及該第二部分光束L2分別藉由上層的該第二反射鏡組6及下層的該下反射鏡組7被引導到位在該基座2下的下層光路，以準備進行干涉。上層的該第三反射鏡61及第四反射鏡62之間的距離P在此必須維持固定。在實際操作中，此距離P大約是8到25公分。由於下層的該第五反射鏡71及該第六反射鏡72是設置在該第一橫向滑軌73上，彼此間的距離S(未標示)可以藉由該第一橫向滑軌73而任意移動。在特定目標的干涉週期下，該距離S將決定干涉的位置，也就是該載台8和該下反射鏡組7之間的縱向距離X1。因此，當該第二反射鏡組6的距離P(未標示)與該下反射鏡組7的距離S不相等時，則須調整該第二反射鏡組6和該下反射鏡組7的旋轉角度，使該第一部分光束L1與該第二部分光束L2仍能從上層光路來到下層光路進行干涉。

在本發明的一實施例中，當距離S為一固定數值時，交疊干涉的位置X1會隨著光柵週期的增加而增加，如第2A圖所示。當所需製作的光柵週期較大(如大於1μm)時，兩道光束交疊干涉的位置X1將大於1公尺，此時兩道擴束光會因為傳輸距離太遠，使干涉時的能量過低，造成曝光時間過長。此外，過長的X1亦使整體系統的面積過大。因此，在製作長週期的光柵結構時，本發明的該下反射鏡組7之間的距離S可以縮小以讓干涉的位置X1固定在特定位置，而不隨著光柵週期的變化影響X1的位置，因此整體系統面積不會因為週期增加而變大。在實際操作中，製作長週期的光柵結構時，距離S可縮小為8公分，然不限於此。反之，當所需製作的光柵週期較小(如200nm)時，交疊干涉的位置X1將小於10公分，此時兩道擴束光會因為傳輸距離太近，其能量分布仍保持原本的高斯分布，造成兩道光干涉時的能量分布不均勻，無法製作出大面積且均勻的光柵結構。因此，如第2B圖所示，在製作短週期的光柵結構時，可將距離S拉大使交疊干涉的位置X1固定在特定位置，而不隨著光柵週期的變化影響X1的位置。在實際操作中，製作短週期的光柵結構時，距離S可拉大為25公分。由此可知，本發明的該干涉微影裝置100在因應長短週期變化的時候，可在不變動系統所佔面積而僅調整下反射鏡組7的角度或距離，形成大面積且均勻的干涉圖案。

如第3A至3E圖所示，本發明之干涉微影裝置100可在一具光阻材料的基板上形成均勻的一維或二維干涉圖案，其中第3A至3C圖顯示一維週期性條紋，而第3D至3E圖則是顯示二維週期性條紋。該二維週期性條紋可藉由兩次曝光，且在第二次曝光前將該基板旋轉一預定角度來產生。由第3A至3E圖可見，本發明之干涉微影裝置可以成功製作週期為200奈米至800奈米的週期性結構。

為了觀察本發明之干涉微影裝置應用在矽基板上形成的光柵結構的均勻度，如第4圖所示，將已形成光柵結構的一矽基板，分別以電子顯微鏡觀察其上、下、左、右側及中心部份的週期性結構，可看出光柵結構在矽基板各區域皆有很好的均勻度。

在本發明一實施例中，若欲產生短週期光柵結構，除了增加該下反射鏡組7的距離S之外，也可以調整該下反射鏡組7使該第一部分光束L1和該第二部分光束L2有較大的反射角度，也就是該下反射鏡組7可以具有較大的旋轉角度。但旋轉角度過大將會造成原本具有圓形高斯光場分布的擴束光，經轉折後變成橢圓形高斯光場分布，對該干涉圖案有不利影響。因此，依照本發明的一實施例中，可以調整該第一反射鏡組5的角度使該第一部分光束L1及該第二部分光束L2反射之後即具有一預定夾角，亦即兩者之間彼此呈不平行。舉例而言，當所需製作的光柵週期為200奈米時，即干涉的夾角約為62.5度，因此可預先調整該第一反射鏡組5，使該第一部分光束L1和該第二部分光束L2在入射到該第二反射鏡組6之前即具有夾角為125度，如此該下反射鏡組7就可以不需要太大的旋轉角度，可避免該下反射鏡組7的旋轉角度過大而造成圓形高斯光場分布變形的情形發生。

在本發明的一實施例中，該雷射光源1可產生一單一線性極化方向的雷射光波L，其極化方向垂直於光束行進方向。經由該光束轉向裝置12、該分光元件3、該第一反射鏡組5、該擴束元件4之後，其極化方向仍然為垂直於光束行進方向。但當該第一部份光束L1及該第二部份光束L2到達該第二反射鏡組6和該下反射鏡組7時，由於光束的線性偏振方向會隨著光學反射鏡的角度變化而改變，但仍然維持線性偏振的特性，此極化方向的偏移可藉由設置一極化控制元件9於該第一反射鏡組5和該擴束元件4之間來補償。較佳的，該極化控制元件9可為一半波片，其主要功用為調整雷射光束的線性偏振方向。藉由控制該半波片的旋轉角度，可使該第一部份光束L1及該第二部份光束L2在下層光路時仍能維持其極化方向垂直於光束行進方向，且該第一部份光束L1及該第二部份光束L2的偏振方向彼此平行，以產生高對比度的干涉條紋。

相較於習知技術，本發明所提供之干涉微影裝置在不用重新調整光路的情況下，能夠彈性地調整兩道光干涉產生的干涉條紋週期，以及兩道光交疊的位置。此外，相較於現有背向反射式雙光束干涉微影架構(干涉圖案面背向光源)，本發明提出的是正向光束傳播的系統架構，除了可以讓整體系統更小之外，亦可讓可製作的光柵週期不受到干涉系統其他光學組件的影響，以低成本的方式實現具有任意週期之一維與二維光柵結構於大面積基板，潛在可應用的技術領域例如包含半導體單波長DFB雷射的光柵製作、發光二極體圖案化基板的製作及太陽能電池表面粗化的製作等。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。