專利名稱：一種全息消像差方法及其投影光刻系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及高分辨微細圖形的投影光刻系統，特別涉及一種全息消像差方法及其投 影光刻系統。
背景技術：
投影光刻成像技術是利用包含掩模版調制信息的一束光經投影物鏡倍縮后，在涂有 抗蝕劑的基片表面產生特定的強度分布，對抗蝕劑曝光產生與掩模圖形形狀相同、尺寸 縮小的圖形。實現圖形的高保真度對投影物鏡乃至整體曝光系統都提出了極高的要求。 減小投影物鏡的像差是提高保真度的最直接的手段。現有對投影物鏡像差的控制策略有 兩種， 一是在設計制作和裝配過程中盡量減少像差，這對設計和加工精度提出了極高的 要求。二是利用微量調整功能控制像差。目前傳統的消像差投影光刻成像方法及相應系統見參考文獻[1] Yasuo Shimizu， Tadashi Yamaguchi ， Kousuke Suzuki， et al. Aberration Optimizing System Using Zernike Sensitivity Method [J]. Proc. SPIE. 2003. Vol.5040: 1581-1590.[2] Nakgeuon Seong， Young S. Kang， Hanku Cho， and Joo-Tae Moon. Optimal lens assignment through measured aberrations [J]. Proc. SPIE. 2001, 4346: 1-7.以上文獻涉及的投影光刻曝光系統，其結構示意圖如圖l所示。依照從上至下的空 間順序，分別為照明系統l、掩模版2、投影物鏡3、抗蝕劑硅片4和硅片工作臺5。該 系統實現光刻成像的手段是經過照明系統調制過的激光透過掩模版后將照明信息和掩 模信息載入到光波場中，再經過投影物鏡倍縮成像，最終投影到涂有抗蝕劑的硅片上， 實現曝光。投影物鏡經過像差優化設計，投影物鏡中各光學組件的相對位置可以是固定 不變的，也可以進行微量調整。具有像差微調功能的投影物鏡相當于一個復雜的變焦距 系統，但其設計難度要遠遠大于常規的變焦距系統。通常，在調整一種幾何像差時，會 引起其它幾何像差同時發生變化。因此，在進行像差微量調整時，必須能夠保證當調整一種幾何像差時，其它幾何像差應保持不變，或其變化量限制在允許的范圍內，或者 通過調整物鏡中的其它元件對其進行有效地補償。這種減小像差的方法對投影物鏡各鏡頭設計以及機械調整裝置都提出了極高的要
求。無論是采用以上兩種控制策略中的哪一種，都只是局限在投影物鏡自身，都不可避 免增加投影物鏡系統的復雜程度和成本。全息照相技術是利用干涉方法將自物體發出光的振幅和位相信息同時完全地記錄 在感光材料上，所得的光干涉圖樣在經光化學處理后就成為全息圖，當再現光按照特定 的角度照射此全息圖吋，能使原先記錄的物體光波的波前重現。當照明光與參考光相同 時，再現獲得的光波除振幅大小改變外，具有原始物光波的一切特性，當照明光與參考 光的共軛相同時，再現獲得的光波與原始物光波在位相上互為共軛，即波前完全相同， 傳播方向相反。目前傳統的利用全息器件消成像系統像差的方法見參考文獻-[1]王英利，姚保利，陳懿等，共軛讀出法消除光致變色材料全息記錄中的相位 畸變，光子學報，2004， Vol.33， No.12 (1529—1531)。以上文獻涉及到的成像光學系統較為簡單，為一簡單的凸透鏡，引入的像差除透鏡 自身的像差外還包括透鏡與光軸傾斜放置引入的像差。實驗結果為當利用共軛波照射全 息記錄介質時，由透鏡產生的相位畸變得到完全的補償，原物光波得到了精確的再現， 從而證實了利用全息記錄共軛讀出的方法消像差的可行性。以上方法只是將物光波進行 簡單的再現，并未為對其進行特定的調制，因而只能應用在有限的幾個領域如全息測量 等。發明內容本發明解決的技術問題是克服現有投影光刻中為保證成像質量要求帶來的投影物 鏡設計加工困難，成本過高的問題，采用全息記錄，共軛再現的方法補償投影物鏡像差， 降低投影物鏡設計要求，提供一種結構簡單，便于操作，成像性能穩定的投影光刻系統。本發明所采用的技術方案如下首先利用全息照明技術在特定條件下進行曝光，將 光刻中照明信息，投影物鏡調制信息以及掩模版位相調制信息同時記錄在全息干板上。 投影物鏡的調制信息中包含了對光束的倍縮信息以及成像過程中的像差信息。利用曝光 后的全息干板替代傳統投影光刻中的掩模版以及照明系統，采用共軛再現方式，令再現 后的共軛光波再次進入投影物鏡，補償了投影物鏡在成像過程中引入的像差。攜帶有掩 模調制信息、投影物鏡倍縮信息和照明信息的光束最終令光刻膠曝光，從而完成了光刻 曝光過程。本發明分全息干板曝光、全息干板顯影定型和投影光刻曝光三個步驟。1、全息干板曝光首先利用全息照明技術對全息干板進行曝光。自激光器發出的
光經光閘門后被分光鏡分成兩路光， 一路光先后經過照明系統、偏振控制系統、'投影物' 鏡和掩模版后照射到全息干板上，此束光為物光束。另一路光經擴束器后照射到全息干 板上，此束光為參考光束。適當選擇擴束器的擴束倍率，以保證物光束與參考光束在全 息干板上具有相同的光斑大小，擴束后的參考光束要求為平行光。2、 全息干板顯影定型t全息干板顯影定型在實時干板架上完成，實時干板架可保 證全息干板在原位置不移動的同時完成顯影定型過程。3、 投影光刻曝光移去除激光光源、光閘門、全息干板、投影物鏡以外其他器件， 用參考光光路中的擴束器對激光光源發出的光擴束，以與參考光相反的方向照射全息干 板，此光束為再現光，再現光與參考光束互為共軛，即波前相同，傳播方向相反。全息 干板經再現后獲得的光再經投影物鏡投射到抗蝕劑硅片上，抗蝕劑的硅片利用真空泵和 與之相連的密封氣管緊密吸附固定在電控精密硅片工作臺上。適當調整硅片工作臺，令 抗蝕劑硅片處于最佳位置，利用光閘門控制曝光時間，最終在抗蝕劑上獲得與掩模圖形 相同的微細圖形。本發明工作原理如下自激光器發出的激光束經分光鏡分成兩束光， 一束經照明系統和偏振控制器調制后 出射光波攜帶了照明系統和偏振控制器的調制信息。反向射入投影物鏡后，出射的光波 又攜帶了投影物鏡的位相調制信息。投影物鏡的調制信息中包含了對光束的倍縮信息以 及成像過程中的像差信息。再經過掩模版后光波再次加載了掩模調制信息。這一束光作 為物光波照射到全息干板上。另一束經擴束裝置擴束后作為參考光波照射到全息干板 上。由于反向使用的投影物鏡和擴束裝置對光束的放大倍率相同，物光波和參考光波的 光束尺寸相當，通過光束干涉曝光將照明系統和偏振控制器的調制信息、投影物鏡的調 制信息以及掩模版的位相調制信息同時記錄在全息干板上。由于全息干板在實時干板架上顯影定型，因此全息干板與投影物鏡的空間相對位置 并未改變。利用曝光后的全息干板替代傳統投影光刻中的掩模版以及照明系統，采用共軛再現 方式，令再現后的共軛光波再次進入投影物鏡。再現光與參考光均為平行光，光束尺寸 相同，在位相上互為共軛，即波前相同，傳播方向相反。全息干板再現所得的光束包含 了全息干板記錄的所有信息，正向入射進投影物鏡，此光束中攜帶的投影物鏡位相調制 信息與正向經過投影物鏡所接受的位相調制互相抵消，補償了投影物鏡在成像過程中引 入的像差，從投影物鏡中出射光波不再受投影物鏡像差的影響。因而投影物鏡的設計只 需滿足縮放倍率即可，對像差不再有嚴格的限制。攜帶有掩模版調制信息、投影物鏡倍
縮信息、照明信息和偏振信息的光束最終令抗蝕劑硅片曝光，從而完成了光刻曝光過程。本發明將全息照明技術和投影光刻技術有機結合，利用特殊的再現光(平面波)再 現全息干板，全息干板再現后獲得的光正向經過投影物鏡，有選擇性地補償特定的調制 信息(投影物鏡像差)，不再是全息照相中原始物光波的簡單再現。應用本發明全息消像差方法的投影光刻系統主要由激光器、光閘門、擴束器、全息 干板，投影物鏡、涂抗蝕劑的硅片、硅片工作臺、電控精密調整機構組成，分為全息干 板曝光裝置和投影光刻曝光裝置兩部分。其中全息干板曝光裝置包括激光器、光閘門、 照明系統、偏振控制裝置、投影物鏡、擴束裝置、掩模版、全息干板、分光鏡與反射鏡。 參考光和再現光的擴束裝置放大倍率均與投影物鏡的放大倍率相同。參考光和再現光均 為平行光，且互為共軛，即波前位相相同，傳播方向相反。全息干板置于實時干板架上。 在曝光過程和全息再現投影成像過程中全息干板保持與投影物鏡的相對位置不變，在實 時干板架上完成全息干板的顯影和定型。為保證全息記錄的成功，全息干板曝光裝置的 兩路光光程差應小于光源發出激光的相干長度。依據光路順序，本發明投影光刻曝光裝置各器件的空間位置順序為激光器、光鬧門、 反射鏡、擴束裝置、全息干板、投影物鏡、抗蝕劑硅片和硅片工作臺、反射鏡。全息干 板位于實時干板架上。組成全息干板曝光裝置各器件由激光光束走向空間位置順序為激 光器、光閘門，而后經分光鏡將光束分成兩束， 一束激光經反射鏡、照明系統、偏振控 制裝置.、反射鏡、投影物鏡、掩模版照射到全息干板上，另一束激光經反射鏡、擴束裝 置照射到全息干板上。對比現有技術，本發明投影光刻系統除了整體結構簡單之外，還具備以下優點-(1) 利用記錄有照明信息、偏振信息、投影物鏡位相調制信息以及掩模版位相調制信 息的全息干板代替傳統投影光刻中的掩模版，相當于令光束先后反向和正向通過投影物 鏡，有效地補償了投影物鏡成像在過程中帶來的像差，同時對掩模版對光束的調制也不 會產生影響，可有效提高成像質量。(2) 最終抗蝕劑曝光的光束不再受投影物鏡像差的影響，投影物鏡在整個光刻過程中 只起到倍縮的作用，與傳統的投影光刻相比，投影物鏡的設計要求極大的降低，可極大 地降低投影物鏡的設計和加工成本。(3) 整個光刻過程中，照明系統、偏振控制系統與投影物鏡對光束的調制可完全分開， 對照明系統和偏振控制系統的設計中無需考慮投影物鏡的限制，為投影光刻曝光光束參 數的調整提供了更多的靈活性。本發明原理簡單，既不需要對現有的投影光刻系統做大的改動，又能有效地補償投
影物鏡的像差，降低光刻成本，獲得高的投影成像質量。本發明不但可應用于紫外激光 光刻技術中照明系統，偏振系統對成像性能影響的研究、浸沒式光刻中浸沒液體、光刻 膠、頂層膜和底層膜對成像性能影響的研究，還可利用其制造高質量微細圖形，因而在 微電子和光電子領域具有廣泛的應用前景。
圖l為現有傳統投影光刻系統示意圖。l為照明系統，2為掩模版，3為投影物鏡， 4為抗蝕劑硅片，5為硅片工作臺。圖2為本發明方法工藝流程及結構示意圖對于全息干板曝光裝置，1為激光器，2為光閘門，3為照明系統，4為偏振控制 裝置，5為投影物鏡，6為擴束裝置，7為掩模版，8為全息干板，9為分光鏡，10、 11、 12、 13為反射鏡。對于投影光刻曝光裝置，l為激光器，2為光閘門，6為擴束裝置，8為全息干板， 5為投影物鏡，15為抗蝕劑硅片，16為硅片工作臺，14為反射鏡。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。如圖2所示，本發明投影光刻系統包括全息干板曝光裝置和投影光刻曝光裝置兩部 分。全息干板曝光裝置包括激光器l、光閘門2、照明系統3、偏振控制裝置4、投影物 鏡5、擴束裝置6、掩模版7、全息干板8、分光鏡9與反射鏡10、 11、 12、 13。以上各 器件由激光光束走向空間位置順序為激光器l、光閘門2，經分光鏡9將光束分成兩 束， 一束激光經反射鏡IO、照明系統3、偏振控制裝置4、反射鏡ll、投影物鏡5、掩 模版7最終照射到全息干板8上；另一束激光經反射鏡12、反射鏡13、擴束裝置6照 射到全息干板8上。其中，全息干板8經過干涉曝光，記錄有照明信息，偏振信息，投 影物鏡調制信息，掩模版位相信息。投影光刻曝光裝置包括激光器l，光閘門2，擴束裝置6，全息干板8，投影物鏡5， 抗蝕劑硅片15，硅片工作臺16，反射鏡14，各器件沿光路方向的空間位置順序為激光 器l、光閘門2、擴束裝置6、全息干板8、投影物鏡5、抗蝕劑硅片15、硅片工作臺16、 反射鏡14。全息干板8位于實時干板架上。激光器l、光閘門2、投影物鏡5、擴束裝置6和全息干板8在以上全息干板曝光裝 置和投影光刻曝光裝置兩部分為同一裝置。所不同的是在投影光刻曝光裝置中的全息干
板8經過了曝光顯影定型過程，為顯影定型后的全息干板。擴束裝置6在全息干板曝光 過程中為參考光擴束，在投影光刻曝光過程中為再現光擴束。投影光刻曝光裝置中經過 擴束裝置6擴束后的激光光束和全息干板曝光裝置中經過擴束裝置6擴束后的激光光束 互為共軛光束。應用本發明投影光刻系統實現全息消像差的工作步驟如下 .(1) 利用全息照明技術令全息干板曝光。自激光器1發出的光經光閘門2后被分光鏡 9分成兩路光， 一路光先后經過照明系統3、偏振控制系統4、投影物鏡5和掩模版7后 照射到全息干板8上，此束光為物光束。另一路光經擴束器6后照射到全息干板8上， 此束光為參考光束。適當選擇擴束器6的擴束倍率，以保證物光束與參考光束在全息干 板8上具有相同的光斑大小。(2) 全息干板8的顯影定型在實時干板架上完成，實時干板架可保證全息干板在原位 置不移動的同時完成顯影定型過程。(3) 移去除激光光源1、光閘門2、全息干板8、投影物鏡5以外其他器件，用參考 光光路中的擴束器6對激光光源l發出的光擴束，以與參考光相反的方向照射全息干板 8，此光束為再現光，再現光與參考光束互為共軛，即波前相同，傳播方向相反。全息 干板8經再現后獲得的光再經投影物鏡5投射到抗蝕劑硅片15上，抗蝕劑的硅片15利 用真空泵和與之相連的密封氣管緊密吸附固定在電控精密硅片工作臺16上，利用電控 精密硅片工作臺的控制器調整硅片工作臺16進而調整蝕劑硅片15與投影物鏡的相對位 置，令抗蝕劑硅片15與光軸垂直且處于光束匯聚點所在平面，利用光閘門2控制曝光 時間，最終在抗蝕劑上獲得與掩模版7圖形相同的微細圖形。激光器1的選擇視所需解決的具體問題決定。若要利用該系統進行高分辨光刻成像 的研究，或要利用其獲得較小線寬的微細圖形，則應采用波長較短的激光器，如ArF準 分子193nm激光光源。照明系統3、偏振控制系統4、投影物鏡5以及掩模版7根據具 體光刻的需求確定，如照明系統3可選擇科勒照明系統，偏振控制系統4可選擇羅雄棱 鏡，投影物鏡5可選擇1:4的全折射式投影物鏡系統，掩模版7可選擇6%衰減式相移 掩模。全息干板8的選擇由激光波長確定，全息材料的空間分辨率應盡可能大，同時也 應有足夠的環境穩定性，在顯影定型后能承受一定的再現光功率。針對波長為可見光波 段的激光，可選擇具有高分辨率的光聚合物(如Dupont， PMMA等)作為全息干板感 光介質。針對極紫外波長的激光，可選擇氧化鋅薄膜作為全息感光介質。顯影液和定型 液依據全息干板感光材質確定。如采用針對632.8nm激光敏感的三環牌全息I型感光版， 顯影液和定影液可分別選擇D-19和F-5。
權利要求
1、一種全息消像差方法，其特征在于首先利用全息照明技術在特定條件下曝光，將光刻中照明信息，投影物鏡調制信息以及掩模版位相調制信息同時記錄在全息干板上；投影物鏡的調制信息中包含了對光束的倍縮信息以及成像過程中的像差信息；利用曝光后的全息干板替代傳統投影光刻中的掩模版以及照明系統，采用共軛再現方式，令再現后的共軛光波再次進入投影物鏡，補償了投影物鏡在成像過程中引入的像差；攜帶有掩模調制信息、投影物鏡倍縮信息和照明信息的光束最終令光刻膠曝光，從而完成了光刻曝光過程。
2、 應用權利要求1所述的全息消像差方法的投影光刻系統，其特征在于包括全息 干板曝光裝置和投影光刻曝光裝置兩部分；全息干板曝光裝置包括激光器[1]、光閘門[2]、 照明系統[3]、偏振控制裝置[4]、投影物鏡[5]、擴束裝置[6]、掩模版[7]、全息干板[8]、 分光鏡[9]與反射鏡[10、 11、 12、 13];以上各器件由激光光束走向空間位置順序為激 光器[l]、光閘門[2]，經分光鏡[9]將光束分成兩束， 一束激光經反射鏡[IO]、照明系統[3]、 偏振控制裝置[4]、反射鏡[ll]、投影物鏡[5]、掩模版[7]最終照射到全息干板[8]上；另 一束激光經反射鏡[12]、反射鏡[13]、擴束裝置[6]照射到全息千板[8]上；其中全息干板][8 經過干涉曝光，記錄有照明信息，偏振信息，投影物鏡調制信息，掩模版位相信息；投影光刻曝光裝置包括激光器[l]，光閘門[2]，擴束裝置[6]，全息干板[8]，投影物 鏡[5]，抗蝕劑硅片[15]，硅片工作臺[16]，反射鏡[14]，以上各器件沿光路方向的空間位 置順序為激光器[l]、光閘門[2]、擴束裝置[6]、全息干板[8]、投影物鏡[5]、抗蝕劑硅片 [15]、硅片工作臺[16]、反射鏡[14];全息干板[8]位于實時干板架上，表面涂有光敏抗蝕 劑的硅片[15]通過真空泵緊密吸附固定在電控精密硅片工作臺[16]上。
3、 按照權利要求2所述的投影光刻系統，其特征在于全息干板曝光裝置的投影 物鏡[5]和擴束裝置[6]對通過的光束具有相同的放大倍率；經過擴束裝置[6]擴束后的激 光光束為平行光；經分光鏡[9]分出的兩束光到達全息干板[8],兩束光光程差小于激光器 [l]發出激光的時間相干長度。
4、 按照權利要求2所述的投影光刻系統，其特征在于全息干板曝光裝置和投影 光刻曝光裝置兩部分的激光器[l]、光閘門[2]、投影物鏡[5]、擴束裝置[6]為同一裝置； 投影光刻系統中全息干板[8]和投影物鏡[5]的空間相對位置和全息干板曝光裝置中全息 干板[8]和投影物鏡[5]的空間相對位置完全相同；投影光刻曝光裝置中的全息干板[8]和 全息干板曝光裝置中的全息干板[8]為同一塊全息干板，裝卡在實時干板架上。
5、按照權利要求2所述的投影光刻系統，其特征在于投影光刻曝光裝置中的全 息干板[8]經過了曝光顯影定型過程，為顯影定型后的全息干板；投影光刻曝光裝置中經 過擴束裝置[6]擴束后的激光光束和全息干板曝光裝置中經過擴束裝置[6]擴束后的激光光束互為共軛光束。
全文摘要
一種全息消像差方法，利用全息照明技術在特定條件下曝光，將光刻中照明信息，投影物鏡調制信息以及掩模版位相調制信息同時記錄在全息干板上。曝光后的全息干板替代現有技術的掩模版以及照明系統，采用共軛再現方式，令再現后的共軛光波再次進入投影物鏡，補償投影物鏡在成像過程中引入的像差。攜帶有掩模調制信息、投影物鏡倍縮信息和照明信息的光束令光刻膠曝光，完成光刻曝光過程。應用本發明方法的投影光刻系統，包括激光器[1]、光閘門[2]、照明系統[3]、偏振控制裝置[4]投影物鏡[5]擴束裝置[6]、掩模版[7]全息干板[8]、分光鏡[9]、抗蝕劑硅片[15]、硅片工作臺[16]與反射鏡[10、11、12、13、14]。
文檔編號G03F1/26GK101126903SQ20071009976
公開日2008年2月20日 申請日期2007年5月30日 優先權日2007年5月30日
發明者遠 周, 強 張, 李艷秋 申請人:中國科學院電工研究所