专利名称：投影式斜坡曝光光刻机装置与方法
技术领域：
本发明涉及光刻领域，尤其涉及投影式斜坡曝光光刻机装置及方法。
背景技术：
微电子机械系统(MEMS:Micro-electro-mechanical-system)的三类主流工艺是表面硅加工工艺、体硅加工工艺、以LIGA为代表的三维非硅材料加工工艺。第一， “LIGA”是德语单词Lithographiejalvanoformung，Abformung的缩写，它包括同步辐射光亥丨J、微电铸、微塑铸三个过程。LIGA技术是80年代初由德国Karlsruhe原子核研究中心首先提出并发展起来的。其特点是微结构可做到很大的纵向深度，高深宽比，而且精度高，平行度好。但X射线源的实际利用率低，注塑复制时的速度受到很大的影响，导致生产效率低，而且其设备庞大和昂贵，用于光刻的掩模版制备相当困难而且制作周期长，导致新产品的开发要经过一个相当漫长的过程，在工业化大生产上受到很大的限制。第二，体硅加工工艺是一种典型的微机械加工方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上还用到键合或粘结技术。将硅的键合技术和体硅加工方法结合起来，是利用体硅工艺实现微结构的一大特色。它使得可活动的部位加大，MEMS器件分辨率和灵敏度等性能得以提高。但是体硅加工工艺过程比硅表面加工要复杂，体积大而且成本高。第三，表面硅工艺采用与集成电路工艺相似的表面加工手段，以单晶硅或多晶硅薄膜来制作机械结构。采用的工艺方法包括外延、渗杂、溅射、化学气相沉积、光刻、氧化等。该方法缺点是立体结构不如前两种强。但优点是沿用许多IC工艺，工艺成熟，产率高成本低。因此表面硅技术是最容易产业化的技术。采用表面硅工艺时候，典型的一道程序为光刻。为了能够加工各种复杂的立体结构，工艺上对传统的IC光刻提出了更多的要求，包括大焦深、斜面曝光、斜坡曝光等等。大焦深方便加工高深宽比的器件，斜面曝光可以加工倾斜的立体结构，斜坡曝光则可以在斜坡上加工器件，节约面积。对于斜面曝光，采用传统的Mask Aligner的接触式或接近式曝光即可，只需要倾斜掩模和基底，或倾斜平行照明光即可实现(如美国专利 US2007/0003839A1中所公开的)(如图1所示)。对于大焦深，可以在投影光刻机上减小物镜NA和增大CD实现。但是，对于斜坡曝光(如图3所示的本发明涉及的斜坡曝光)，传统上采用激光在坡度上加工，精度不高，或者采用X射线、电子束或离子束刻蚀(如“激光刻蚀技术的应用”，南开大学王宏杰等，红外与激光工程，2004年10月，33卷第5期；“电子束曝光微纳加工技术”，出版社北京工大，ISBN:9787563913008，出版日期:2004-07-01 ；以及“Focused Ion Beam fabricationof large and complex nanopatterns", 0. Wilhelmi, L. Roussel, P. Anzalone,D. J. Stokes,P. Faber,S. Reyntjens, FEI Company,PO Box 80066, 5600 KA Eindhoven, The Netherlands ；等)，或LIGA方法，成本高，产率很低，严重影响产业化。因为坡度高度常常高达几百微米，Mask Aligner的衍射效应难以消除，所以难以用接近式曝光实现；而对于传统的投影式光刻机，因为坡度较大( 0. Olrad-Irad)，工件台掩模台难以倾斜如此大的角度，所以也难以实现，另外，有US6866976B2的专利采用改变剂量分布和掩模标记分布的方法来实现斜坡曝光(如图2所示)，该方法操作十分困难。针对传统光刻机难以实现斜坡曝光的缺点，本发明提出了一种改进型的投影式光刻机，不仅可以进行传统的平面曝光，还能实现斜坡曝光，从而利用斜坡做一部分结构，节约基底面积，使得MEMS器件体积更小。
发明内容
针对传统光刻机的上述缺点，本发明提出了一种投影式斜坡曝光光刻机，沿光传播方向依次包括照明系统，用以出射一光束；掩模，该掩模上形成有标记图案，该光束照射该掩模上的标记图案产生包含有该标记图案信息的出射光；倾斜光学镜组；物镜；以及基底，该基底具有斜坡；其中，该出射光经该倾斜光学镜组、该物镜在该基底斜坡上方形成斜坡空间像，并利用该斜坡空间像对该基底斜坡进行曝光。其中，倾斜光学镜组为楔形玻璃。其中，倾斜光学镜组为透镜或透镜组。其中，该掩模的标记图案经该倾斜光学组镜成斜坡空间像，且该斜坡空间像的水平分量或垂向分量存在偏移、缩放。其中，还包括用于承载该掩模的掩模台。其中，还包括用于承载该基底的工件台。其中还包括置于该工件台上的用于工件台对准测量的传感器。其中，该照明系统包括用于限制视场大小的狭缝。其中，该物镜的放大倍率为1倍。本发明还提出了一种投影式斜坡曝光光刻机，沿光传播方向依次包括照明系统，用以出射一光束；掩模，该掩模上形成有标记图案，该光束照射该掩模上的标记图案产生包含有该标记图案信息的出射光；物镜；倾斜光学镜组；以及基底，该基底具有斜坡；其中，该出射光经该物镜、该倾斜光学镜组在该基底斜坡上方形成斜坡空间像，并利用该斜坡空间像对该基底斜坡进行曝光。其中，该掩模的标记图案经该倾斜光学组镜在该基底表面上方成斜坡空间像，且该斜坡空间像的水平分量或垂向分量存在偏移、缩放。其中，倾斜光学镜组为楔形玻璃。其中，倾斜光学镜组为透镜或透镜组。其中，还包括用于承载该掩模的掩模台。
其中，还包括用于承载该基底的工件台。其中，还包括置于该工件台上的用于工件台对准测量的传感器。其中，该照明系统包括用于限制视场大小的狭缝。其中，该物镜的放大倍率为1倍。利用上述光刻机进行斜坡曝光的方法，包括下述步骤(1)根据基底上需要曝光的斜坡的位置、范围、高度和倾斜角度，计算所需要增加的倾斜光学镜组的形状尺寸和安装位置，以及掩模补偿量；(2)根据计算结果，制作用于斜坡曝光的具有标记图案的掩模和倾斜光学镜组；(3)在投影式光刻机中，掩模面下或基底面上安装倾斜光学镜组，并上载该用于斜坡曝光的掩模；(4)调整照明狭缝，使得照明视场位置和大小变化，照明该掩模的标记图案；(5)采用工件台对准测量传感器，测量该标记图案的斜坡空间像的三维位置；(6)根据测量结果计算该斜坡空间像坡度和该斜坡空间像中各组标记图案之间的距离，然后调整倾斜光学镜组，并重新测量空间像位置，直到该坡度和各组标记图案之间的距离达到最佳；(7)该基底对准后，调整需要斜坡曝光的该基底斜坡到所测量的斜坡空间像位置， 对该基底斜坡进行曝光；(8)下该基底，显影，并做后续工艺处理。相比传统的激光、X射线、电子束、离子束等直写式方法，本发明的装置及相应的方法具有产率高，成本低等一系列优点。
图1-2为现有技术的斜坡曝光的示意图；图3所示为本发明所需解决的斜坡曝光示意图；图4所示为根据本发明的第一实施方式的光刻机的结构示意图；图5所示为楔形玻璃的各平面折射成像原理图；图6所示为本发明使用的楔形玻璃的成像示意图；图7所示为根据本发明的第二实施方式的光刻机的结构示意图；图8所示为利用本发明的装置进行斜坡曝光的流程图。
具体实施例方式下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。本发明在掩模后或基底前增加额外的光学镜组，使得基底面的掩模像产生倾斜， 图4和图7是根据本发明的投影式斜坡曝光光刻机的优选实施例。需要注意的是，本发明所指的像是衍射光或其反向延长线汇聚所成的实像或虚像，下同。以下实施例中，所用基底采用硅片为例子进行阐述，且该硅片具有斜坡。第一实施方式图4所示为根据本发明的第一实施例的投影式斜坡曝光光刻机装置的结构示意图，该装置依次包括具有光源1、前照明镜组2、用于限制视场大小的狭缝3、后照明镜组4的照明系统，掩模6，掩模台7，倾斜光学镜组8(本实施例中为楔形玻璃，其典型例子为棱镜)， 物镜9，工件台13和工件台对准测量传感器10。图5所示为透过掩模的光经过楔形玻璃两个表面分别成虚像的原理图。如图 5(a)，光路从光疏介质空气进入光密介质玻璃时候，掩模图案(Object)可分解为平行介质表面的物和垂直介质表面的物分别折射成像，然后垂向像和水平像可组成实际的掩模像。 从图5(a)中可以看出，水平像像距比物距远，但是无缩放和倾斜现象，而垂向像不仅像距比物距远，而且成放大像和倾斜像，因此，实际掩模像也为像距比物距远的放大像和倾斜像。同理，如图5(b)，光路从光密介质玻璃进入光疏介质空气时候，掩模图案(Object)可分解为平行介质表面的物和垂直介质表面的物分别折射成像，然后垂向像和水平像可组成实际的掩模像。从图5(b)中可以看出，水平像像距比物距近，但是无缩放和倾斜现象，而垂向像不仅像距比物距近，而且成缩小像和倾斜像，因此，实际掩模像也为像距比物距近的缩小像和倾斜像。图6所示为掩模衍射光经过楔形玻璃两个表面同时成虚像的原理图，本图是图 5(a)和图5(b)两个表面折射的合成结果。如图6所示，掩模标记(Object)经过楔形玻璃上表面(Surfacel)，成放大倾斜像Imagel (因为本例中掩模面和上表面近似平行，所以Imagel近似无倾斜的像)，Imagel再经过楔形玻璃下表面(SurfaCe2)，成缩小倾斜像Image2.因此，Image2为掩模标记经过楔形玻璃的像，该像相对于掩模面产生了一定的倾斜、缩放、水平和垂向偏移，设计时候确定楔形玻璃上下表面的角度，该角度通常在 5-60度范围内，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，在本实施例中选取15度， 并且适当调整楔形玻璃的安装角度，可以使得倾斜角度满足斜坡曝光的要求，并且缩放最小——如果缩放不能达到要求，则调整所设计用于斜坡曝光掩模标记的距离补偿该误差，或如果物镜可调整倍率，可调整物镜倍率校正该误差。如图4，掩模图案经过楔形玻璃成倾斜、水平和垂向偏移、缩放的像5，再经过物镜 (1倍物镜)，在硅片平面附近也成倾斜、水平和垂向偏移、缩放的像12，其中缩放经过合适设计和补偿达到最小，倾斜角度达到斜坡曝光的要求，水平和垂向偏移经过计算得到初始值并经过掩模对准或曝光校正得到准确值。采用该空间像可对硅片进行斜坡曝光。第二实施方式图7所示为根据本发明的第一实施例的投影式斜坡曝光光刻机装置的结构示意图，该装置依次包括具有光源21、前照明镜组22、用于限制视场大小的狭缝23、后照明镜组 24的照明系统，掩模沈，掩模台27，物镜四，倾斜光学镜组(本实施例中为楔形玻璃)28, 工件台213和工件台对准测量传感器210。本实施例中的楔形玻璃玻璃位于工件台和物镜之间。根据光路可逆原理，在掩模面和硅片面之间的光路可逆，因此，与图4所示实施例类似，本装置能使得掩模图案衍射光线经过物镜(1倍物镜)成无倾斜、无水平和垂向偏移、无缩放的像，再经过楔形玻璃，在硅平面211附近也成倾斜、平移、水平和垂向偏移、缩放的像 212。其缩放经过合适设计和掩模补偿达到最小，倾斜角度达到斜坡曝光的要求，水平和垂向偏移经过计算得到初始值并经过掩模对准曝光校正得到准确值。采用该空间像可对硅片进行斜坡曝光。图8所示为图4和图7两个装置的使用方法，具体步骤如下
根据需要曝光的斜坡的位置、范围、高度和倾斜角度，计算所需要增加的倾斜光学镜组的形状尺寸和安装位置，以及掩模补偿量等。根据计算结果，定做专用于斜坡曝光的具有标记图案的掩模和倾斜光学镜组。在投影式光刻机中，掩模面下或硅片面上安装倾斜光学镜组，并上载专用于斜坡曝光的掩模。调整照明狭缝，使得照明视场位置和大小变化，照明于该掩模的标记图案。采用工件台对准测量传感器，测量该标记图案的斜坡空间像的三维位置。根据测量结果计算空间像坡度和空间像中各组标记图案之间的距离，然后适当调整倾斜光学镜组，并重新测量空间像位置，直到坡度和各组标记图案之间的距离达到最佳。硅片对准后，调整需要斜坡曝光的硅片区域到所测量的斜坡空间像位置，对斜坡进行曝光。下硅片，显影，并做后续工艺处理。尽管本发明只给出了楔形玻璃作为倾斜光学镜组的实施例，但是包括凹凸透镜或透镜组在内的其它专门加工或组合用于倾斜掩模像的光学器件也可被用作本发明中的倾斜光学镜组。本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、 推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种投影式斜坡曝光光刻机，沿光传播方向依次包括 照明系统，用以出射一光束；掩模，该掩模上形成有标记图案，该光束照射该掩模上的标记图案产生包含有该标记图案信息的出射光； 倾斜光学镜组； 物镜；以及基底，该基底具有斜坡；其中，该出射光经该倾斜光学镜组、该物镜在该基底的斜坡上方形成斜坡空间像，并利用该斜坡空间像对该基底的斜坡进行曝光。
2.根据权利要求1所述的光刻机，其中，倾斜光学镜组为楔形玻璃。
3.根据权利要求1所述的光刻机，其中，倾斜光学镜组为透镜或透镜组。
4.根据权利要求1所述的光刻机，其中，该掩模的标记图案经该倾斜光学组镜成斜坡空间像，且该斜坡空间像的水平分量或垂向分量存在偏移、缩放。
5.根据权利要求1所述的光刻机，还包括用于承载该掩模的掩模台。
6.根据权利要求1所述的光刻机，还包括用于承载该基底的工件台。
7.根据权利要求6所述的光刻机，还包括置于该工件台上的用于工件台对准测量的传感器。
8.根据权利要求1所述的光刻机，其中，该照明系统包括用于限制视场大小的狭缝。
9.根据权利要求1-8中任意一个的光刻机，其中，该物镜的放大倍率为1倍。
10.一种投影式斜坡曝光光刻机，沿光传播方向依次包括 照明系统，用以出射一光束；掩模，该掩模上形成有标记图案，该光束照射该掩模上的标记图案产生包含有该标记图案信息的出射光； 物镜；倾斜光学镜组；以及基底，该基底具有斜坡；其中，该出射光经该物镜、该倾斜光学镜组在该基底斜坡上方形成斜坡空间像，并利用该斜坡空间像对该基底斜坡进行曝光。
11.根据权利要求1所述的光刻机，其中，该掩模的标记图案经该倾斜光学组镜在该基底表面上方成斜坡空间像，且该斜坡空间像的水平分量或垂向分量存在偏移、缩放。
12.根据权利要求10的光刻机，其中，倾斜光学镜组为楔形玻璃。
13.根据权利要求10的光刻机，其中，倾斜光学镜组为透镜或透镜组。
14.根据权利要求10所述的光刻机，还包括用于承载该掩模的掩模台。
15.根据权利要求10所述的光刻机，还包括用于承载该基底的工件台。
16.根据权利要求15所述的光刻机，还包括置于该工件台上的用于工件台对准测量的传感器。
17.根据权利要求10所述的光刻机，其中，该照明系统包括用于限制视场大小的狭缝。
18.根据权利要求10-17中任意一个的光刻机，其中，该物镜的放大倍率为1倍。
19.利用权利要求1-18所述的光刻机进行斜坡曝光的方法，包括下述步骤(1)根据基底上需要曝光的斜坡的位置、范围、高度和倾斜角度，计算所需要增加的倾斜光学镜组的形状尺寸和安装位置，以及掩模补偿量；(2)根据计算结果，制作用于斜坡曝光的具有标记图案的掩模和倾斜光学镜组；(3)在投影式光刻机中，掩模面下或基底面上安装倾斜光学镜组，并上载该用于斜坡曝光的掩模；(4)调整照明狭缝，使得照明视场位置和大小变化，照明该掩模的标记图案；(5)采用工件台对准测量传感器，测量该标记图案的斜坡空间像的三维位置；(6)根据测量结果计算该斜坡空间像坡度和斜坡空间像中各组标记图案之间的距离， 然后调整倾斜光学镜组，并重新测量空间像位置，直到该坡度和各组标记图案之间的距离达到最佳；(7)该基底对准后，调整需要斜坡曝光的该基底斜坡到所测量的斜坡空间像位置，对该基底斜坡进行曝光；(8)下该基底，显影，并做后续工艺处理。
全文摘要
一种投影式斜坡曝光光刻机，依次包括具有用于限制视场大小的狭缝的照明系统，掩模，倾斜光学镜组，物镜，基底，其中，该掩模上的标记图案经过倾斜光学镜组、该物镜在基底上方形成斜坡空间像，利用该斜坡空间像对该基底进行斜坡曝光。
文档编号G03F7/20GK102540748SQ20101060631
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者张俊, 闻人青青, 陈勇辉 申请人:上海微电子装备有限公司