一种基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻方法和装置与流程

本发明涉及近场微纳光刻加工技术领域，更具体地，涉及一种基于白光干涉精密间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻方法和装置，可实现分离式超分辨微纳光刻。

背景技术：

随着ic产业的高速发展，电子产品集成电路小型化以及存储密度越来越高，因此迫切需要研制出具有高效、低成本、大面积、可控性好的加工技术和装备。目前，在传统微细加工技术路线中，以激光直写、接近接触紫外光刻、反应离子束刻蚀等为代表的微米尺度加工设备，已经在研究单位广泛使用，纳米尺度分辨力的电子束直写、聚焦离子束设备，也已进入到科研单位加工平台体系。由于具有复杂和昂贵的光源系统、高数值孔径投影物镜系统，传统纳米尺度分辨力的光刻设备价格高昂，是阻碍其进入实验室的主要原因。因此，针对几百纳米到几十纳米量级结构的加工需求，目前科研人员不得不依赖于电子束直写和聚焦离子束直写设备。二者虽然具有高分辨加工能力，但加工效率极低、加工成本极其高昂。

表面等离子体(surfaceplasmon,sp)共振干涉光刻技术是近年来发展的一种大面积、低成本、应用广泛的微纳加工方法，以突破衍射极限，提高光刻分辨力。但该技术作为近场光刻模式，存在工作距短的不足，在曝光时通常需要通过吹气加压和真空吸紧等方式，以保证工作距。且该工艺模式极易污染基片，破坏掩模图形，甚至损坏掩模，限制了掩膜的重复利用，从而严重影响了曝光质量和效率，增加了曝光成本。通过离轴sp激发照明方式可以使光刻工作距提高到百纳米量级，但是如何精确检测和控制间隙，保证光刻效果的稳定可靠成为了新的技术难题。目前，光学干涉法是测量两个平板之间间隙最有效的方法之一，其具有检测速度快、灵敏度和精度高等特点，可以用于纳米和微米尺度的间隙检测。

本发明是一种近场微纳光刻方法和装置。该装置通过白光干涉光谱测量技术，可实现纳米量级的在线间隙检测和调平，从而实现分离式曝光，有效地保护了掩模版和基片；通过双频激光干涉仪、精密位移台、纳米位移台、对准模块和间隙检测模块进行反馈控制，实现了超精密套刻对准和步进光刻功能。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是：克服现有近场光刻方法中，在接触式曝光模式下，掩模版使用寿命短、掩模版和基片接触后产生的横向位移大、对准精度低等不足之处，提供一种基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻方法和装置，该方法通过双频激光干涉仪、精密位移台、纳米位移台、间隙检测系统和对准模块进行闭环反馈控制，实现了分离式曝光和超精密对准套刻功能。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻装置，该装置包括超精密环控系统、主动隔振平台、大理石平板、支撑框架、主基板、紫外曝光光源、光刻镜头模块、间隙检测系统、对准模块、承片台模块和控制系统，主动隔振平台、大理石平板、支撑框架、主基板、紫外曝光光源、光刻镜头模块、间隙检测系统、对准模块和承片台模块安装在超精密环控系统罩壳内，主动隔振平台安装在减振地基上，大理石平板安装在主动隔振平台上，支撑框架和承片台模块安装在大理石平板上，主基板安装在支撑框架上，紫外曝光光源、光刻镜头模块、间隙检测系统、对准模块安装在主基板上，控制系统安装在超精密环控系统罩壳外；光刻镜头模块安装在主基板的中心沉槽内，光刻镜头模块中安装有掩模版，掩模版上加工有光刻图形区、对准图形区和间隙检测窗口区，其中，光刻图形区位于掩模版上高度为h的凸台上。

进一步地，间隙检测系统包括三套相同的间隙检测模块，每一个间隙检测模块包括光纤探头、准直器、卤素灯光源、光谱仪，其中，光纤探头有3端，分别为进光端、出光端和探头端，其中，进光端连接卤素灯光源，出光端连接光谱仪，探头端与掩模版呈90°安装在主基板的中心沉槽内，准直器安装在探头端前端，卤素灯光源和光谱仪安装在控制系统的机箱内。

进一步地，对准模块包括左对准模块和右对准模块，两者左右对称安装在主基板上的光刻镜头模块两侧，用于实时监测对准图形区的状态。

进一步地，承片台模块包括双频激光干涉仪、六轴精密位移台、六轴纳米位移台、承片台、基片，其中，双频激光干涉仪和六轴精密位移台安装在大理石平板上，六轴纳米位移台安装在六轴精密位移台上，承片台安装在六轴纳米位移台上，基片吸附在承片台上。

进一步地，可实现单场10mm×10mm的分离式近场光刻，其中，要求超精密环控系统中的洁净度达到100级；要求主动隔振平台达到vc-f标准；要求掩模版和基片面型的pv值达到λ/20，其中λ为紫外曝光光源的波长；要求掩模版上的凸台高度h＝(10～80)μm±20nm；要求对掩模版和基片进行洁净度检测和颗粒物去除；要求将掩模版和基片之间的间隙控制在200～300nm。

进一步地，掩模版和基片之间的间隙控制要求在掩模版上的间隙检测窗口区镀厚度5～10nm的铬(cr)膜；要求间隙检测系统的检测精度达到10nm；要求承片台模块的调平精度达到20nm。

进一步地，可实现几十纳米精度对准套刻技术，其中，要求对准模块的检测精度达到纳米量级，要求六轴纳米位移台的定位精度达到纳米量级。

一种基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻方法，利用上述的基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻装置，该方法可实现大面积分离式曝光和超精密对准套刻，通过白光干涉光谱测量技术，可实现纳米量级的在线间隙检测和调平，从而实现分离式曝光；通过莫尔条纹对准技术，可实现超精密对准套刻技术。

本发明与现有的接触式近场微纳光刻方法和装置相比具有的优点是：

1.该装置采用超精密环控系统，保证了良好的光刻环境。

2.该装置采用主动隔振平台和大理石平板，保证了分离式曝光和超精密对准套刻的稳定性和可靠性。

3.该装置采用白光干涉光谱测量技术和莫尔条纹对准技术，可实现纳米量级的在线间隙检测和超精密对准套刻。

4.该装置通过双频激光干涉仪和间隙检测系统提供反馈数据，调节六轴精密位移台和六轴纳米位移台，可实现纳米级精度的主动调平和对准套刻，从而使间隙和横向位移稳定可控，最终实现分离式曝光和超精密对准套刻。

5.该装置可实现分离式光刻，可以有效保护掩模版，提高其使用寿命；可以有效降低掩模版和基片之间的横向位移，提高对准套刻精度。

附图说明

图1是根据本发明的一种基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻装置整体结构示意图；

图2为基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻装置的光刻镜头模块、间隙检测系统和对准模块结构示意图，其中，图2(a)是根据本发明的光刻镜头模块、间隙检测系统和对准模块的俯视图，图2(b)是光刻镜头模块中掩模版的俯视图(图形区和窗口区分布图)和侧视图；

图3是根据本发明的间隙检测系统的结构图；

图4是根据本发明的承片台模块结构示意图，其中，图4(a)是承片台模块的整体结构示意图，图4(b)是六轴精密位移台的结构示意图。

附图标记含义为：

1超精密环控系统

2主动隔振平台

3大理石平板

4支撑框架

5主基板

6紫外曝光光源

7光刻镜头模块

8间隙检测系统

9对准模块

10承片台模块

11控制系统

12掩模版

13光刻图形区

14对准图形区

15间隙检测窗口区

16光纤探头

17准直器

18卤素灯光源

19光谱仪

20进光端

21出光端

22探头端

23双频激光干涉仪

24六轴精密位移台

25六轴纳米位移台

26承片台

27基片

28y轴位移台

29x轴位移台

30rx/ry旋转台

31tz轴电动缸

32tz轴转接板

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和装置等优点更加清楚，以下结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施方式仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施方式，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

参照图1，该基于白光干涉间隙检测和超精密对准套刻技术的分离式近场微纳光刻装置由超精密环控系统1、主动隔振平台2、大理石平板3、支撑框架4、主基板5、紫外曝光光源6、光刻镜头模块7、间隙检测系统8、对准模块9、承片台模块10和控制系统11这11个部分组成，其中超精密环控系统1为整个近场微纳光刻装置提供温度为22±0.1°、湿度为55±5％、洁净度为100级的良好光刻环境；主动隔振平台2和大理石平板3提供vc-f的隔振等级，保证间隙检测、对准套刻和分离式曝光功能的稳定性；大理石平板3、支撑框架4和主基板5具有良好的结构稳定性，在大理石平板3上安装有承片台模块10，在主基板5上安装有紫外曝光光源6、光刻镜头模块7、间隙检测系统8和对准模块9；紫外曝光光源6为整个光刻装置提供紫外曝光光束；控制系统9用于整个光刻系统装置的自动化控制操作。

参照图2，该装置的光刻镜头模块7中安装有掩模版12，掩模版12上加工有光刻图形区13、对准图形区14和间隙检测窗口区15，其中，光刻图形区13位于掩模版12上高度为h的凸台上，间隙检测窗口区15镀厚度5～10nm的铬(cr)膜；间隙检测系统8包含3套相同的间隙检测模块8-1、8-2、8-3；对准模块9包含左右两组对准模块9-1、9-2。

参照图3，该装置的间隙检测系统8包括光纤探头16、准直器17、卤素灯光源18和光谱仪19，其中，光纤探头16有3端，分别为进光端20、出光端21和探头端22，其中，进光端20连接卤素灯光源18，出光端21连接光谱仪19，探头端22与掩模版12呈90°安装在主基板5的中心沉槽内，准直器17安装在探头端22前端。

参照图4(a)，该装置的承片台模块10包括双频激光干涉仪23、六轴精密位移台24、六轴纳米位移台25、承片台26、基片27，其中，两套双频激光干涉仪23-1、23-2和精度为μm/mrad的六轴精密位移台24安装在大理石平板3上，精度为nm/μrad的六轴纳米位移台25安装在六轴精密位移台24上，承片台26安装在六轴纳米位移台25上，基片27吸附在承片台26上。

参照图4(b)，六轴精密位移台24包括y轴位移台28、x轴位移台29、rx/ry旋转台30、tz轴电动缸31和tz轴转接板32，其中，两个y轴位移台28-1、28-2固定在大理石平板3上，x轴位移台29安装在y轴位移台28上，rx/ry旋转台30安装在x轴位移台29上，三个tz轴电动缸31-1、31-2、31-3通过两个tz轴转接板32-1、32-2安装在rx/ry旋转台30上。

参照图2、图3和图4，该装置进行间隙检测和调平时，控制承片台模块10上的基片进入曝光位置，然后同时移动六轴精密位移台24的3个tz轴电动缸31-1、31-2、31-3，通过间隙检测系统8中的光谱仪19来实时监测光纤探头16输出的光谱信号，当光谱仪19检测到有效干涉信号时，通过3套间隙检测系统8-1、8-2、8-3实时反馈的间隙值h(h1、h2、h3)来指导3个tz轴电动缸31-1、31-2、31-3进行主动粗调平，通过六轴纳米位移台25进行主动精调平，并实时地将间隙值反馈到双频激光干涉仪23，实现闭环控制。

参照图1、图2、图3和图4，该近场微纳光刻装置的操作流程如下：

第一步，由控制系统11控制六轴精密位移台24和六轴纳米位移台25各个轴进行复位，然后控制承片台模块10进入装载位，安装基片36，最后设置曝光参数、调平目标间隙、粗调平和精调平精度。

第二步，控制承片台模块10进入曝光位置，确保掩模版12和基片27中心对齐，然后通过3套间隙检测系统8-1、8-2、8-3实时反馈掩模版12和基片27之间的间隙值g(g＝h-h)，同时指导六轴精密位移台24的3个tz轴电动缸31-1、31-2、31-3进行主动粗调平，直到设定的目标间隙和粗调平精度时，停止粗调平。

第三步，粗调平结束后，通过3套间隙检测系统8-1、8-2、8-3实时反馈的间隙值来指导六轴纳米位移台25进行主动精调平和间隙控制，直到设定的调平精度和间隙值。

第四步，将对准模块9移动到检测区域，通过闭环控制保持掩模版12和基片27之间的间隙值及平行状态，通过莫尔条纹标记使掩模版12与基片27对准。

第五步，完成调平和对准后，开始曝光。

第六步，曝光完成后，复位所有模块，关闭控制系统11，关闭电源。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。