专利名称：一种具有反射式光学系统的亚波长光刻方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在器件，例如集成电路(IC)制造时使用的光刻方法和系统。更准确地说，本发明涉及使用反射式光学系统来实现亚波长光刻的方法和系统， 属于微电子、微细加工、光刻技术领域。
背景技术：
光刻为用以在基底表面上建立各个特征的一种处理方法。基底可以在包含 平面显示器、电路板、各种集成电路、打印头、纟敬/纳米流体装置等的制造中使 用。例如，半导体晶片可以作为一种基底，在上面制造集成电路。涉及光刻分辨率的熟知的参数，是临界尺寸CD。当用给定技术制造半导 体装置和集成电路时，CD是能够形成的最小几何特性的大小，临界尺寸的大 小与工艺因子、曝光波长、投影物镜数值孔径有关。本领域技术人员均知，业 界一直是通过缩小曝光波长、增大数值孔径和降低工艺因子这一思路来提高光 刻分辨率，即降低CD。迄今为止，最先进的液浸ArF曝光设备已能生产40nm 器件，但是当图形特征尺寸小于40nm时，光学光刻将面临巨大的挑战，随着 曝光光源波长的不断减短，光学透镜材料的选择变得越来越困难，几乎到了阻 碍新品研发的地步。另外，还会遇到诸如新光源设计制造、新抗蚀剂研制、工 艺难度加大、设备价格昂贵等一系列问题。在进入纳米尺度之后，掩模成本在 整个光刻成本中所占份额也在不断攀升，掩模制作难度加大，成本直线上升， 掩摸的价格为几十万到几百万美元不等。除了上述工业界4吏用的DUV光学光刻以外，其他光刻技术还有极紫外光学 光刻、电子束投影光刻、X射线光刻、离子束投影光刻技术、纳米压印技术等。 但由于设备昂贵、效率低、和现有工艺不兼容等原因，限制了仪器的使用范围。 发明内容本发明需要解决的技术问题是为克服上述光刻方法的不足，提供一种高 分辨率、低成本的具有反射式光学系统的亚波长光刻方法和系统，实现亚波长 光刻。本发明的技术方案是具有反射式光学系统的亚波长光刻方法，其特征在 于步骤如下(1 )将光源发出的光束分为两路；(2) 在步骤(1)所述的两光路中分别放置M、 N个分光镜，形成共计 M+N束光，在每一束光的光路上放置有可调反射镜，该可调反射镜装有调节装 置，通过调整可调反射镜使所有M+N束光实现会聚，调整各束光的参数使M+N 束光在会聚处发生干涉；(3) 在M+N束光的会聚处，放置基底，实现曝光；(4) 曝光之后，通过后续处理得到需要的光刻图形。上述步骤(1 )所述的光分束之前，进行功率控制，以调节光束能量的大小。 通过调整步骤(2 )所述M+N束光的参数，使之满足干涉条件频率相等、 位相差稳定且有相互平行的振动分量。步骤(2)所述参与千涉的光束数目M+N大于或等于8。 步骤(2)所述干涉的花样中心亮斑直径小于所使用光源的波长。 步骤(3)中所述的基底放置在三维运动工件台上，通过控制工件台的运动 或按掩^t上的图案，来实现图形的曝光上述步骤(4)所述的后续处理包括后烘、显影、刻蚀、去胶等步骤。 一种具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特征在于包括激光器、 光分束装置、反射式光学系统、图形发生器或掩模、涂有光敏材料的基片、工 件台，激光器光源发出的光束被光分束装置先被分成两路，第一路光又被分为 M束，第二路光被分为N束，M+N束光进入反射式光学系统，在反射式光学 系统中多次反射后实现汇聚，所有的M+N束光以锥状光束投射到最终聚焦区
域，千涉花样的中心光斑直径小于波长，此时，利用此光斑即可对在工件台焦 面处放置的涂有光敏材料的基片，按图形发生器产生的图形或掩模上的图形进 行光刻。在所述的激光器和光分束器之间加激光能量调节装置，便于调节激光功率。 所述的反射式光学系统包括一组环状分布的反射镜和系列固定反射镜，从 光分束装置来的光先入射到固定反射镜上，继而反射到环状分布中继反射镜组 中的一块中继反射镜上，最后通过另一固定反射镜后，至最终会聚区域。所述的光分束装置包括两部分，第一部分为一半反半透分束镜，用以将从光源来的光分为两路；第二部分包括M+N个分束镜，第一路通过M个分光镜， 得到M束能量均等的光；第二路通过N个分光镜头，得到N束能量均等的光。所述的M+N为偶数，则M=N, M+N为奇数则，M-N=1。所述的中继续反射镜带有调节装置，为可调。所述的工件台是X、 Y、 Z三维精密可调扫描工件台。所述的系统使用掩模时，最终形成的光刻图形与掩模图形相同或相反；使 用图形发生器时，根据图形发生器产生的图形，驱动工件台运动，同时对光敏 材料曝光，形成最终的光刻图形。本发明与现有技术相比的有益效果是本发明的方法利用反射镜阵列汇聚 光束，运用光束相干叠加技术，通过调整多相千光的参数(振幅、相位、偏振 等)实现亚波长的光学聚焦，并利用聚焦光斑进行光刻。目前DUV浸没式光刻 采用的是投影式光学系统，为了消除(减小)像差，其光学系统设计得非常复 杂，且DUV光学透镜材料(如CaF2等)非常昂贵，必然造成成本的急剧上升。 而本发明的系统除分光元件外，全部采用反射式光学元件，省去了目前投影光 学光刻系统中复杂、昂贵的投影光学系统，而且整个光举系统的搭建也不需要 控制在亚波长精度，易于调节，实现过程简单；可实现亚波长分辨率，且分辨 率不受像差影响；同时还具有成本低、性能可靠等优点。
图1为本发明具有反射式光学系统的亚波长光刻系统的结构图； 图2为本发明具有反射式光学系统的亚波长光刻方法的流程图； 图3为图1中的光分束装置分束示意图； 图4为图1中的反射式光学系统图，以其中第i路光为例； 图5为本发明的光束最终聚焦区域和中继反射镜相对位置图； 图6为图1中的涂有光敏材料的基底上的干涉花样示意图。
具体实施方式
如图1、 2所示，本发明的方法及系统实现过程如下(1) 光源要求其发出的光具有良好的相干性和单色性，通常为激光器；(2) 光源发出的光首先经过功率控制，以便测量和调节光的能量；(3) 在功率控制之后，光入射到光分束装置3的一个石英玻璃制成的半反 半透分光镜(如图3所示)上，将光平分为两路；(4) 在两光路中分别放置M、 N个分光镜，总计得到M+N路光。这里IM-NI 小于或等于1，即M、 N相等或相差1，这样做的目的是为了取得高对比度的 干涉花样；(5) 如图4 (图中仅画出第i路)，将M+N个中继反射镜D (M+N>严格地均 匀放置在一个同心圓上。在每一个中继反射镜的外面(相对圓心而言)分别放 置有另外两个固定反射镜。以M+N束光中的其中一路，即第i路为例子，来自 分光镜Ai的光先被反射至反射镜Ci,又被反射至中继反射镜Di，又被反射到反 射镜Ei，最后通过中继反射镜间的狭缝投射到最终聚焦区域F。为了将M+N 路光最终以圆锥光束投射到最终聚焦区域F,对其中的任一路，虽然可以使用 更多的反射镜将来自分光镜的光反射至最终聚焦区域，然而，三个反射镜是能 满足本专利要求的反射镜的最少数目；(6) 调整光路，使M+N路光在最终聚焦区域F处发生干涉。首先调节中 继反射镜，调整M+N路光，使之能实现聚焦；在实现了光束会聚以后，再调整 所有M+N束光的其他参数，如偏振、位相等，使之能实现干涉。鉴于光的相位
不可直接调节，但是聚焦光斑的能量密度是可以测量的，因此采用的方法是才艮.据测得的聚焦光斑的能量分布来间接调节光的相位；(7) M+N束光的干涉条件满足时，在最终聚焦区域F (图5)处可观察到 如图6所示的干涉花样，中心区域G处的光能量密度非常高，外围区域(H、 I 所指区域)相对中心区域，其能量几乎可以忽略。更主要的是，中心区域光斑 的直径小于所使用光的波长，因此可以用此光斑来进行亚波长光刻；(8) 进行光刻曝光时，将涂有光敏材料的基片放置在工件台上。既可使用 掩模，也可以不使用掩模。使用掩模时，所得的光刻图形掩模相似或相反；不 使用掩模时，则使用图形发生器，驱动工件台运动，实现所需的图形；(9) 曝光完成后，进行后续的光刻工艺，包括显影、后烘、刻蚀、离子注 入等，在其中几个或一个步骤之后可以用原子力显微镜或扫描电子显微镜等工 具来观察光刻图形效果。如图1所示，本发明具有反射式光学系统的亚波长光刻系统的一个实施例 由激光器1、激光能量调节装置2、光分束装置3、反射式光学系统4、图形发 生器5、涂有光刻胶的硅片6、三维工件台7组成。激光器选用波长为488nm 的氩离子激光器。激光器1发出的光束经过激光能量调节装置2调节激光功率 后，被光分束装置3先被分成两路，第一路光又被分为8束，第二路光被分为 8束，16束光进入反射式光学系统4，在反射式光学系统4中多次反射后实现 汇聚，所有的16束光以锥状光束投射到最终聚焦区域，千涉花样的中心光斑G 直径(此直径约为200nm左右)小于波长，此时，利用此光斑即可对在工件台 7焦面处放置的涂有光敏材料的基片6,按图形发生器5上产生的图形进行光 刻。图2中工件台是X、 Y、 Z三维精密可调扫描工件台。本实施例不采用掩模， 代之以图形发生器。通过电控系统，按图形发生.器.给出的恩形驱动三维工件台 7运动，从而在基片上获得与图形发生器产生的图形相同的图形。图6所示为光束最终聚焦区域F处的干涉花样，图中G所指区域为千涉花 样的中心光斑，其直径小于波长。H所指区域为干涉花样的次级光斑，l所指为 外围光环。
权利要求
1、具有反射式光学系统的亚波长光刻方法，其特征在于步骤如下(1)将光源发出的光束分为两路；(2)在步骤(1)所述的两光路中分别放置M、N个分光镜，形成共计M+N束光，在每一束光的光路上放置有可调反射镜，该可调反射镜装有调节装置，通过调整可调反射镜使所有M+N束光实现会聚，调整各束光的参数使M+N束光在会聚处发生干涉；(3)在M+N束光的会聚处，放置基底，实现曝光；(4)曝光之后，通过后续处理得到需要的光刻图形。
2、 根据权利要求1所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻方法，其特 征在于步骤(1)所述的光分束之前，进行功率控制，以调节光束能量的大小。
3、 根据权利要求1或2所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻方法， 其特征在于通过调整步骤(2)所述M+N束光的参数，使之满足干涉条件 频率相等、位相差稳定且有相互平行的振动分量。
4、 根据权利要求1或2所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻方法， 其特征在于步骤(2)所述参与干涉的光束数目M+N大于或等于8。
5、 根据权利要求1或2所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻方法， 其特征在于步骤(2)所述干涉的花样中心亮斑直径小于所使用光源的波长。
6、 根据权利要求1或2所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻方法， 其特征在于步骤(3)中所述的基底放置在三维运动工件台上，通过控制工件 台的运动或按掩模上的图案，来实现对图形的曝光。
7、 根据权利要求1或2所述的具有反射式光学泉统的亚波长光刻方法， 其特征在于步骤(4)所述的后续处理包括后烘、显影、刻蚀、去胶等步骤。
8、 一种具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特征在于包括激光器、 光分束装置、反射式光学系统、图形发生器或掩模、涂有光敏材料的基片、工 件台，激光器光源发出的光束被光分束装置先被分成两路，第一路光又被分为M束，第二路光被分为N束，M+N束光进入反射式光学系统，在反射式光学 系统中多次反射后实现汇聚，所有的M+N束光以锥状光束投射到最终聚焦区 域，干涉花样的中心光斑直径小于波长，此时，利用此光斑即可对在工件台焦 面处放置的涂有光敏材料的基片，按图形发生器产生的图形或掩模上的图形进 行曝光。
9、根据权利要求8所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特 征在于在所述的激光器和光分束器之间加激光能量调节装置，便于调节激光 功率。
10、根据权利要求8所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特 征在于所述的反射式光学系统包括一组环状分布的反射镜和系列固定反射镜， 从光分束装置来的光先入射到固定反射镜上，继而反射到环状分布中继反射镜 组中的一块中继反射镜上，最后通过另一固定反射镜后，至最终会聚区域。
11、 权利要求8所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特征在 于所述的光分束装置包括两部分，第一部分为一半反半透分束镜，用以将从 光源来的光分为两路；第二部分包括M+N个分束镜，第一路通过M个分光镜， 得到M束能量均等的光；第二路通过N个分光镜头，得到N束能量均等的光。
12、 权利要求11所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特征 在于所述的M+N为偶数时，则M=N; M+N为奇数，则IM-N一1。
13、 权利要求10所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特征 在于所述的中继续反射镜带有调节装置，为可调。
14、 权利要求8所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特征在 于所述的工件台是X、 丫、 Z三维精密可调扫描工件台。
15、 权利要求8所述的具有反射式光学系统的亚波长光刻系统，其特征在 于系统可使用掩模，也可不使用掩模，使用掩模时，最终形成的光刻图形与 掩模图形相似或相反；不使用掩模时，使用图形发生器，根据图形发生器产生 的图形，驱动工件台运动，同时对光敏材料曝光，形成最终的光刻图形。
全文摘要
本发明提供了一种具有反射式光学系统的亚波长光刻方法和系统，利用反射镜阵列汇聚光束，运用光束相干叠加技术，通过调整多相干光的参数(振幅、相位、偏振等)实现亚波长的光学聚焦，并利用聚焦光斑进行光刻。系统包括激光器、激光能量调节装置、光分束装置、反射式光学系统、图形发生器或掩模、涂有光敏材料的基底、三维工件台等。本发明克服了当前光刻技术存在的低分辨率、高成本等不足，可用于微钠结构制作、MEMS器件制造、半导体芯片制造等领域，另外对光学显微测量、半导体测量、荧光显微、光学捕获等领域也有着重要的意义。
文档编号G03F7/26GK101126904SQ200710120710
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者伟 严, 严佩英, 唐小萍, 张春梅, 王淑蓉, 松 胡, 赵立新, 薇 邢 申请人:中国科学院光电技术研究所