专利名称：在样品上生成周期性和/或准周期性图形的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于利用空间不变的干涉光刻在样品上生成周期性和/或准周期性图形的系统和方法。
周期性和/或准周期性结构在许多微技术或纳米技术领域中得到广泛的使用。光栅、衍射透镜、用于数据存储的图形化磁性介质、集成电子电路、传感器和显示装置是使用周期性结构的一些例子。其它使用周期性结构的应用领域包括亚波长光学元件、用于纳米压印光刻的模板、用于引导自组装的模板、用于结晶的模板、纳米线阵列、纳米点、下一代光刻技术的加工改进、特别是极紫外线光刻(EUVL)、催化和场发射衬底。
因为具有纳米尺度尺寸的材料的新特性在这样的应用或其它还未知的新应用中被采用，所以预期这些使用将显著增长。光刻法通常被用于制造这种周期性结构。然而，当前可用于制造周期小于100nm的图形的方法成本太高而不能被广泛采用。
干涉光刻(IL)是已知的用于产生周期性结构的技术。可见或紫外线区域内的激光器和极紫外线(EUV)范围内的同步加速器被用作IL中的光源。周期性、准周期性[文献1]、弯曲的[文献2]一维和二维图形可以利用IL来生成。
多数IL方法需要具有高的空间和/或时间相干度的光源。在可见和紫外线区域中工作的激光器通常拥有这些特性中的一种或两种并且因此被用于大多数IL应用中。一种对这两种特性要求不严格的消色差IL法已经被描述[文献3]。然而，该技术需要来自源的非常高的功率，因为射束通过两个具有有限效率的连续光栅被衍射。此外，所得到的图形的聚焦深度受源的空间相干度限制。
一种与IL相关的技术是空间频率倍增(SFM)，其中要图形化的衬底被放置在透射光栅(掩模)之后[文献4]。在与光栅平行并且在远离光栅一定距离处的平面内，光强度具有这样的周期，该周期是掩模的周期的倍数。在SFM中，该样品被放置在该平面内，其中存在所希望的强度分布并且该强度分布被记录在感光胶片中。这样，空间频率是原始衍射光栅的倍数的新光栅能够被形成。在所述技术中，强度分布敏感地取决于与光栅的距离。因此，要图形化的样品相对于掩模(窄场)的非常精确的定位和对准是必需的。这种“场深度”限制在掩模的周期被减小时变得更加有约束性。此外，该限制排除用于在形貌特征比场深度更大的衬底上产生图形的技术的使用。
因此本发明的目的在于提供一种以成本有效的方式实现周期在10-100nm范围内的一维和二维周期性和准周期性图形的系统和方法。当然，该系统一般也具有对周期在该范围之外的图形的适用性。
该目的通过本发明来实现，本发明公开了一种用于通过使用干涉光刻技术在样品上产生周期性和/或准周期性图形的系统，该系统包括a)光子源；b)具有与所希望的图形相应的周期性或准周期性图形的掩模；所述掩模被设置在与所述光子源的第一距离处；或被设置在例如瞄准仪、收集器、反射镜、透镜、滤光器和光阑的中间光学元件之后；c)用于保持所述样品的样品保持器在所述光子源的相对侧被设置在与所述掩模的第二距离处，由此所述第二距离被选择成在这样的范围内，在该范围内强度分布基本上是固定的和距离不变的，或第二距离被改变以便在样品表面上得到所希望的平均强度分布。
就方法而言，提供了一种用于通过使用干涉光刻技术在样品(S)上产生周期性和/或准周期性图形的方法，该方法包括下列步骤a)提供光子源；b)提供具有与所希望的图形相应的周期性或准周期性图形的掩模(M)；c)将所述掩模(M)设置在与所述光子源(P)的第一距离处或设置在例如瞄准仪、收集器、反射镜、透镜、滤光器和光阑的中间光学元件之后；d)提供用于保持所述样品(S)的样品保持器；e)在所述光子源(P)的相对侧将所述样品(S)设置在与所述掩模(M)的第二距离处，f)将所述第二距离选择成在这样的范围内，在该范围内强度分布基本上是固定的和距离不变的，或者以连续或离散的方式改变第二距离以便在表面上得到所希望的平均强度分布；以及
g)用源自所述光子源(P)并通过所述掩模(M)的辐射照射所述样品(S)。
该系统和该方法能够以成本有效的方式提供周期性和/或准周期性图形，因为该源不必在时间上是相干的并且该样品可以容易地被定位在固定范围内。
照射掩模的光需要具有某一空间相干度，该空间相干度取决于掩模上的图形和样品与掩模的距离。样品上的图像是由于掩模上的周期性图形所产生的多个衍射束的干涉。所希望的强度图形将需要这些衍射级中的若干衍射级相对于彼此互相相干。因此，照射的空间相干长度必须足够大以确保这些衍射束的相干性。这意味着照射射束不一定必须在整个掩模表面上空间相干。因此，不提供具有高空间相干度的照射的源、例如激光产生的等离子体或气体放电源可以与所述的系统和方法一起被使用。另一方面，完全空间相干的射束、例如可从同步加速器辐射源获得的射束也可以被使用。
为了与多数当前已知的应用一起使用，可以利用主要发射光子的光子源来操作该系统，该光子具有在1-100nm、优选地10-50nm的范围内的波长，这允许产生具有显著较小的周期的图形。本发明中的成本有效的和可用的光子源可以使用例如激光产生的等离子体源(LPP源)的等离子体源、或气体放电源。
为了满足所希望的图形的部分非常复杂的需求，可以使用如下的掩模来操作该系统该掩模具有线性光栅或二维线性光栅或二维部分非线性(弯曲)光栅或二维周期性圆形光栅或二维可变周期圆形光栅。甚至不同掩模的组合也可适用于设计图形的所希望的形状。所述图形的周期可以沿着一个或更多方向被改变。
该系统允许有效地保护掩模不受影响、例如不被污染和不变形以及不会由于过度加热而被损害。这是通过在掩模两侧的、用于例如薄膜的保护元件的安装和冷却气体的足够大的空间而变成可能的。大的距离也保护掩模免于意外接触和所产生的损害。
由于LPP源或气体放电源可以与本发明一起使用的事实，光子源可以具有基本上各向同性的辐射特性，并且多个掩模/样品保持器装置被设置在光子源周围。因此，可从单个源获得的生产量可以通过使用多路复用方案或类似的倍增方法来提高。
在下文中参考附图来描述本发明的实例。在附图中
图1是用于在样品上产生周期性和/或准周期性纳米结构的系统的示意图；图2是由具有线性光栅的掩模所产生的图像的计算；图3是在具有第一二维光栅的掩模之后z不变图像的产生的计算；图4是在具有第二二维光栅的掩模之后z不变图像的产生的计算；图5是在具有第三二维光栅的掩模之后z不变图像的产生的计算；图6是所述方法的空间相干度要求的示意性解释；图7是一种利用在EUV范围内工作的例如激光等离子体或气体放电源之类的宽带光源的、可能的光刻系统的示意性布局图；图8是一种可能的系统的示意性布局图，其中四个曝光系统被一起放在单个源周围；图9是显示在线性光栅之后的强度分布的计算；以及图10是显示在图9中的虚线区域内的平均强度分布和在大z距离处的强度分布的强度分布图。
在本发明中所公开的空间不变系统和方法使用具有周期性或准周期性透射结构的掩模M。以源于光子源P的辐射γ来照射掩模M，该光子源具有有限的空间和时间相干特性(图1)。在大于某一值z0的距离处所得到的图像独立于距离，换句话说，它是空间不变的或者相对于所示的z轴而言它是z不变的。因此，强度图形独立于超过某一值z0的与掩模的距离，该值z0取决于照射射束的光谱带宽和掩模上的图形。所记录的图像具有与掩模M的图形相关的周期。然而，它不一定是掩模M的复制品或该掩模的频率倍增版本。在本实例中，所记录的图形具有掩模M的一半周期。每个掩模设计的图像可以通过光学计算来确定。此外，相同的图像可以被用于通过向设置在样品S上的记录介质(光致抗蚀剂)施加不同的照射剂量来记录不同的形状。
图2显示在具有线性光栅的掩模之后的计算图像。模拟结果显示z不变图像的形成。部分(a)指示掩模M的透射特性。掩模M由具有大约50％占空比的200nm周期Cr棒构成。Cr厚度为56nm并且照射辐射具有13.4nm的中心波长和2.8％带宽(FWHM)。在该图的所有部分(a)-(d)中，水平轴对应于掩模M的一个周期，该周期是200nm。如部分(b)中所示，直接在掩模M之后的强度分布显示图形对z的周期依赖性。即使在该有限范围内该强度轮廓的一些高频变化在与掩模的短距离之后也渐渐变弱。部分(c)示出在较大z范围内的强度分布。强度轮廓的周期性变化对于大于大约200μm的距离消失。高强度区域通过较亮的灰度色调来指示。部分(d)显示在周期振荡之后所得到的图像轮廓渐渐变弱。该图像具有掩模M中的原始Cr图形的一半周期。该图像的调制足以记录光致抗蚀剂样品S中的明显的线/空间特征。
如在图2b和2c中可以看见的，图2示出图像具有对与掩模平面的距离的强烈的周期依赖性。然而，该依赖性在远离掩模M大约200μm之后渐渐变弱。从该点开始，如图2d中所示，强度轮廓不变。强度的调制和最终轮廓的形状取决于掩模图形。特别地，掩模M中的周期性图形的占空比和被用于制造栅棒的材料的吸收和相移特性影响最终图像轮廓。
二维z不变周期性图形可以利用相同的原理来获得并记录。在图3和4中显示了两个实例。这两个图中的显著不同的图像是通过稍微改变掩模布局而得到的。在这两种情况下，掩模包括矩形栅格上的Cr膜中的孔。在根据图3的第一种情况下，在水平和垂直方向上栅格的周期是相同的。这导致在这两个方向上衍射级的相干总和(以及在其它方向上的混合级)。在根据图4的第二种情况下，两个周期(水平的和垂直的)稍微不同，这定性地改变图像，因为不同衍射级不再能够被相干相加。这指出一种能够被用于在所述消色差干涉技术中控制图像的重要工具。利用所述技术，可以获得许多不同的诸如六边形阵列、准周期性和弯曲图形的二维图像。可以沿着一个或更多方向改变图形的周期。例如可变周期线性光栅、Fresnel区板或可变周期二维点阵可以被获得。在另一种变型方案中，可变周期可以与弯曲结构结合以得到同心的圆形轨道上的点阵。
现在详细地，图3以九个部分a)-i)示出显示二维z不变图像的形成的模拟结果。部分(a)是掩模的透射。该掩模是由200nm周期方形栅格上的100×100nm2尺寸的孔形成的。该方形栅格的一个周期被显示。Cr厚度是56nm。部分(b)是沿着穿过部分(a)中图像的中心的线的掩模透射的横截面。在掩模之后非常近的距离处，图像非常依赖于该距离，如可以从分别针对0.2μm、1μm、2μm和3μm的距离所计算的部分(c)、(d)、(e)和(f)中看出。部分(g)和(h)分别是针对1000μm和1001μm的距离所计算的，并显示在该图像是z不变的或者换句话说是固定的距离处的z不变特性。该图像由在45°倾斜的方形栅格上的强度峰值阵列组成。该图像的周期等于掩模周期除以、即141nm。
图4详细地显示与图3中的掩模图形稍微不同的掩模图形的模拟结果。在这种情况下，在水平和垂直方向上掩模图形的周期是不同的；它们分别是180nm和200nm。该图像是显著地不同的，因为水平和垂直方向上的衍射级不再相干干涉。该图像由具有一半掩模周期的强度峰值方形阵列组成。该配置特别有用，因为它产生较高分辨率图形。此外，不是针对如部分(c)、(d)、(e)和(f)中所示的短距离给出图像的z不变性的，这些部分分别是针对0.2μm、1μm、2μm和3μm的距离所计算的。部分(g)和(h)分别是针对5000μm和5001μm的距离所计算的，并且显示在图像是z不变的或换句话说是固定的距离处的z不变特性。
图5详细地显示与图3和图4中的掩模图形不同的掩模图形的模拟结果。在这种情况下，掩模中的特征的尺寸比周期小得多。该掩模包括1微米周期方形栅格上的80nm直径的孔。在大z上固定的图像包括在45°倾斜的方形栅格上的周期为707nm的明显的强度峰值。此外，这些孔与亮线相连接。该图像可被用于印制周期比结构尺寸大得多的纳米尺寸结构的稀疏阵列。替代地，它可被用于印制具有水平线、垂直线和对角线的网状结构。再次，不是针对如部分(c)、(d)、(e)和(f)中所示的短距离给出图像的z不变性的，这些部分分别是针对0.2μm、1μm、2μm和3μm的距离所计算的。部分(g)和(h)分别是针对5001μm和5002μm的距离所计算的，并且显示在图像是z不变的或换句话说是固定的距离处的z不变特性。
该技术的有限的空间和时间相干性要求使得可以联合上述技术使用在EUV范围内的诸如等离子体和气体放电源的商业独立源。这些源正在被改进以用于未来的EUV光刻系统中并且它们在商业上是可获得的。图7示意性地显示使用这种源的光刻系统的可能的光学布局。来自源的光通过反射光学器件被收集(切线入射或针对近法线入射所涂覆的多层)，并被聚焦以形成图像。光阑可以被引入到像平面中或该像平面附近以便按照光刻工具的要求进一步限定源尺寸。射束的发散也可以这样来调整。其它元件可以被包含在该系统中以防止来自源的污染到达掩模。一个或多个滤光器可以在不同位置中被放置到射束中以消除来自源的发射光谱的不希望有的部分。
EUV源具有足够的功率和空间相干性以便能够通过所述技术实现大批量生产。因为光学元件的数量是有限的并且掩模的所有衍射级都被用于使抗蚀剂曝光，所以来自源的光的非常有效的利用被用于该系统中。这最后一点与其它干涉光刻系统大不相同，其它干涉光刻系统只利用这种周期性图形化的掩模的一个衍射级。从单个源可获得的生产量可以通过使用像图8中所示的方案那样的多路复用方案来进一步增加。示出了多个样品S可以使用单个源来同时曝光。该方案显示如下的可能布局四个曝光系统被一起放置在单个源周围。
该技术引入一种以高生产量在大面积上制造纳米尺度周期性图形的新方法。当前，电子束光刻可以被用于制造这样的图形。但是由于是具有低生产量的串行工艺，所以成本高得惊人以致于不能被商业采用。电子束光刻的其它重要缺点包括必须使用导电衬底以避免充电的必要性以及由于在样品中所产生的长距离的二次电子所导致的邻近效应。
替代地，例如纳米印刷光刻的机械技术可以被用于制造这样的图形。该技术需要具有与最终产品相同的分辨率的模板。这些模板典型地通过电子束光刻来制成。这些模板的寿命由于与每个衬底的物理接触而是有限的。因此纳米印制法依赖于用于足量供给熟练技工的电子束光刻。此外，与衬底的接触可能导致加工中的附加问题。一些敏感的衬底可能由于在印制步骤中所施加的压力而被损坏。此外，衬底的形貌不得不被小心地控制以允许与模板均匀地且紧密地接触。这能够排除具有固有形貌特征的样品。
在本发明中所描述的技术克服了竞争技术的所有上述的难点。因为并行工艺和有效利用可获得的光，所以生产量是高的。通过使用EUV范围内(例如，13nm波长)的光，周期的分辨率极限是大约7nm(波长的一半)。严重影响电子束光刻的邻近效应由于EUV光所产生的短距离的二次电子而实际上不存在。样品的充电对分辨率没有影响，因为光子被用在曝光中。不存在与样品的物理接触，从而不会引起对样品的损害。所得到的图形通常具有比掩模更高的分辨率。这放宽对掩模的制造工艺的要求。一种特别吸引人的可能性是使用激光干涉光刻(LIL)来制造大面积掩模，然后能够使用利用EUV光的所述工艺来缩小该大面积掩模。LIL所产生的掩模可以被直接使用或它们可以被用于制造更高分辨率掩模。
在上面所显示的实例中，在与掩模的距离z0之后空间是不变的，这取决于照射射束的光谱带宽和掩模上的图形。相反地，z0距离与带宽相关，换句话说z0距离随着带宽增大而减小。因此，样品在z方向上的定位不是关键性的。掩模和样品之间的距离可以是好几百微米或毫米的数量级。因此该技术不是邻近印制技术。这种大的工作距离消除由于与衬底或可能已落在样品上的可能微粒的物理接触而导致的对掩模的物理损害的风险。大的场深度也使得可以在拥有真实形貌的衬底上记录图形。如果因为例如掩模的温度稳定化而希望的话，该大距离也可以帮助在掩模和样品之间引入气体。
如上所公开的，宽带射束的使用消除在与掩模的某一距离z0之后的z依赖性。然而，在某些情况下，可能希望使用比z0更短的样品和掩模之间的距离。在该实施例中，明确地描述了如何能够实现具有许多优点的记录图形的方法。在图9中，在周期性掩模之后的所计算的强度分布作为一个实例被示出。模拟结果显示在线性光栅之后的强度分布。该掩模在56nm厚的Cr膜中具有200nm周期的一对一线/空间图形。该照射具有13.4nm的中心波长和7％带宽。强度分布在虚线之间的z范围上被平均以得到图10中所显示的“平均”图。实线显示针对大z(在这种情况下z＞150μm)所得到的固定分布。开圆显示在图9中的虚线之间所得到的强度分布的平均。这两个图基本上同样地表明通过在某一z范围上求平均值来在小得多的z处记录“固定”分布的可能性。
强度对与掩模的距离的周期依赖性在该距离(z)增大时渐渐变弱。在足够大的距离(该图中未示出)处，该依赖性为了所有实际的目的而被完全消除。能够表明，在大的距离处所得到的固定强度分布相当于在所有距离(包括强度作为z的函数强烈地振荡的区域)处的“平均”强度分布。该平均值必须在强度分布的至少一个周期振荡上被计算。在图10中，平均强度分布被示出，它是在图1中的白虚线之间所计算出的。在位置z＝14.4μm和z＝20.0μm之间进行求平均值。在图10中，也示出了在大距离处所得到的固定强度分布图。在小z处(在位置z＝14.4μm和z＝20.0μm之间)的平均强度分布和在大z处的固定强度分布基本上是相同的。
该观察导致如下结论该技术可以被用于在比得到“固定”图像所需的距离小得多的距离处记录图形。实际上，“求平均值”操作可以通过在多个z位置处记录曝光或通过在曝光期间连续改变样品-掩模距离来完成。本发明的该实施例放宽了对射束的光谱带宽的要求。换句话说，图形可以使用具有高单色性的源来记录。例如，具有高时间相干性(窄带宽)的激光器可以被使用。当这种高度单色的源被使用时，用于实现固定分布的z0距离可以是不切实际地大。
当样品与掩模的距离是小的时，空间相干性要求被降低。这是因为当与样品的距离是小的时干涉束源自掩模上的较小区域。此外，样品和掩模之间的距离不需要被调整或是精确地已知的。此外，该距离不需要对于掩模上的所有点而言都是相同的。然而，多次曝光或缝隙的扫描必须在整数倍周期的z范围上被完成。扫描范围所需的精度应根据试验的要求来计算。这是较容易满足的条件，因为样品(或掩模)相对移位精确的距离比在样品和掩模之间以相同的精度设置绝对缝隙要容易得多。
样品和掩模之间的小距离提供附加的优点。通常，较小的缝隙将掩模上的缺陷和不规则的效应限制在图形化样品的较小区域内。光栅区域的边缘可被看作特殊形式的不规则。通常，在图形化区域的边缘附近由于Fresnel衍射而存在激振效应(强度振荡)。此外，边缘附近的一些区域由于一些衍射级远离边缘朝光栅区域内部行进而丢失。该丢失区域的宽度与样品和掩模之间的距离成比例。这两种边缘效应都可以通过以较小的缝隙工作来减小。这些尤其是对于例如Fresnel区板的需要具有小面积的光栅来说可以是重要的优点。
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3.T.A.Savas，S.N.Shah，M.L.Schattenburg，J.M.Carter，H.I.Smith，Achromatic interferometric lithogtaphy for100-nm-period gratings and grids，J.Vac.Sci.Technol.B13，2732(1995年)。
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权利要求
1.一种用于通过使用干涉光刻技术在样品(S)上产生周期性和/或准周期性图形的系统，该系统包括a)光子源(P)；b)具有与所希望的图形相应的周期性或准周期性图形的掩模(M)；所述掩模(M)被设置在与所述光子源(P)的第一距离处或被设置在例如瞄准仪、收集器、反射镜、透镜、滤光器和光阑的中间光学元件之后；c)用于保持所述样品(S)的样品保持器在所述光子源(P)的相对侧被设置在与所述掩模(M)的第二距离处，由此所述第二距离被选择成在这样的范围内，在该范围内强度分布基本上是固定的和距离不变的，或者所述第二距离被改变以便在样品表面上得到所希望的平均强度分布。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光子源(P)主要发射具有在1-100nm、优选地10-50nm的范围内的波长的光子。
3.按照权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光子源(P)是等离子体源、例如激光产生的等离子体源、或气体放电源。
4.按照上述权利要求中任一所述的系统，其特征在于，所述掩模(M)具有线性光栅或二维线性光栅或二维部分非线性光栅或二维周期性圆形光栅或二维非周期性圆形光栅。
5.按照上述权利要求中任一所述的系统，其特征在于，所述第一距离至少是1mm。
6.按照上述权利要求中任一所述的系统，其特征在于，所述第二距离大于所述掩模的光栅的周期，优选地在该周期的10-105倍的范围内。
7.按照上述权利要求中任一所述的系统，其特征在于，所述光子源(P)具有基本上各向同性的辐射特性，并且多个掩模/样品保持器装置被设置在所述光子源周围。
8.一种用于通过使用干涉光刻技术在样品(S)上产生周期性和/或准周期性图形的方法，该方法包括a)提供光子源(P)；b)提供具有与所希望的图形相应的周期性或准周期性图形的掩模(M)；c)将所述掩模(M)设置在与所述光子源(P)的第一距离处或设置在例如瞄准仪、收集器、反射镜、透镜、滤光器和光阑的中间光学元件之后；d)提供用于保持所述样品(S)的样品保持器；e)在所述光子源(P)的相对侧将所述样品(S)设置在与所述掩模(M)的第二距离处，f)将所述第二距离选择成在这样的范围内，在该范围内强度分布基本上是固定的和距离不变的，或者以连续或离散的方式改变所述第二距离以便在表面上得到所希望的平均强度分布；以及g)用源自所述光子源(P)并通过所述掩模(M)的辐射照射所述样品(S)。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，从所述源发射的光通过多个光学元件、例如反射镜、透镜、光阑、光栅和滤光器被成形和被滤光。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，辐射源是例如插入装置或弯磁铁的同步加速器辐射源。
11.按照上述权利要求8-10中任一所述的方法，其特征在于，所述掩模和/或所述样品一起或独立地被扫描以在所述样品上形成所希望的剂量分布。
12.按照上述权利要求8-11中任一所述的方法，其特征在于，使照射射束在所述掩模和所述样品上扫描。
13.按照上述权利要求8-12中任一所述的方法，其特征在于，所述样品在多次曝光之间被设置在适当的位置或角度上以在所述样品上形成所希望的剂量分布。
14.按照上述权利要求8-13中任一所述的方法，其特征在于，在所述掩模的一侧或两侧，固定的或流动的气体被引入，以除去热量和/或防止来自所述源或所述样品的污染。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种以成本有效的方式得到具有在5－100nm范围内的周期的周期性和准周期性图形的系统和方法。当然，该系统对周期在该范围之外的图形也具有一般适用性。该目的通过本发明来实现，本发明公开了一种用于通过使用干涉光刻技术在样品上产生周期性和/或准周期性图形的系统，该系统包括a)光子源；b)具有与所希望的图形相应的周期性或准周期性图形的掩模；所述掩模被设置在与光子源的第一距离处或被设置在例如瞄准仪、收集器、反射镜、透镜、滤光器和光阑的中间光学元件之后；c)用于保持样品的样品保持器在光子源的相对侧被设置在与掩模的第二距离处，由此该第二距离被选择成在这样的范围内，在该范围内强度分布基本上是固定的和距离不变的，或者第二距离被改变以便在样品表面上得到所希望的平均强度分布。
文档编号G03F7/20GK101052921SQ200580036281
公开日2007年10月10日 申请日期2005年10月13日 优先权日2004年10月22日
发明者H·H·索拉克 申请人:保罗·谢勒学院