基于表面等離子體波照明的光刻成像設備及光刻成像方法

基于表面等離子體波照明的光刻成像設備及光刻成像方法
【專利摘要】本發明提供了基于表面等離子體波照明的光刻成像設備及光刻成像方法。一示例光刻成像設備可以包括：表面等離子體SP波照明場產生裝置，被配置為接收以一定方向入射的遠場照明光束，以產生特定傳輸波長的SP波照明場。SP波照明場可以通過掩模激發待成像的光場。遠場照明光束的入射角度可以被設置為能夠產生特定傳輸波長的SP波照明場，實現SP波通過掩模層的+1級或-1級衍射光與0級衍射光發生干涉。
【專利說明】基于表面等離子體波照明的光刻成像設備及光刻成像方法
【技術領域】
[0001]本公開一般地涉及納米光刻加工【技術領域】，更具體地，涉及一種利用表面等離子體(Surface Plasmon, SP)波照明來提高近場光刻分辨力的光刻成像設備及光刻成像方法。
【背景技術】
[0002]最近幾年，表面等離子體光刻的出現引起了學術界的極大興趣，并且有很大的潛力成為解決超分辨納米圖像光刻技術難題的重要手段之一。為了提高納米圖像光刻的成像質量，許多創新性的技術在理論和實驗上得到的驗證，包括負折射率完美透鏡、負介電常數超透鏡以及放大超透鏡。然而，隨著納米圖像尺寸的進一步降低，運用表面等離子體光刻產生的像質量急劇惡化，導致近場光刻的分辨力下降。同時，由于倏逝波的指數衰減特性，圖形層和感光層必須是緊密接觸(工作距為O)。這些問題限制了超分辨表面等離子體光刻的實際應用。

【發明內容】

[0003]鑒于上述問題，本公開的目的至少在于提供基于表面等離子體波照明的超分辨光刻成像設備及光刻成像方法。
[0004]針對納米圖像光刻技術，當圖形層與感光層之間的工作距拓展時，掩模圖形發出的衍射光除O級次以外的其他級次不能被耦合到成像系統的傳遞頻譜內，從而導致近場光刻的分辨力下降。根據本公開的實施例，采用SP波照明，可以使掩模的衍射光發生空間頻率移動，-1 (或+1)級和O級衍射光可以被耦合到成像系統的傳遞頻譜內發生干涉，從而提高對比度。因此，可以解決納米光刻技術中分辨力下降和工作距短的問題。
[0005]根據本公開的實施例，可以調節SP波照明場橫向波矢，使來自掩模的衍射光發生頻移，入射光強度在各級次衍射光上重新分布，實現-1 (或+1)級次可以與O級次衍射光的干涉，從而可以有效提高納米光刻技術中成像質量和工作距。
[0006]根據本公開的一個方面，提供了一種光刻成像設備。該設備可以包括表面等離子體(SP)波照明場產生裝置，被配置為接收以一定方向入射的遠場照明光束，以產生特定傳輸波長的SP波照明場。SP波照明場可以通過掩模激發待成像的光場。遠場照明光束的入射角度可以被設置為使得能夠產生特定傳輸波長的SP波照明場，從而實現SP波通過掩模層的+1級或-1級衍射光與O級衍射光發生干涉。待成像的光場可以通過成像層，將掩模圖形成像在感光層空間。
[0007]SP波照明場產生裝置可以包括激發層。激發層例如可以是在基底上制備的納米結構層。該激發層可以接收遠場照明光束，以高效激發特定傳輸波長的SP波照明場。激發層中的納米結構圖形可以是一維或二維圖形，圖形結構可以是周期性的光柵或其它形狀，具體形狀可以根據圖形層特征進行優化設計。激發層為可以高效激發特定傳輸波長SP波照明場的材料，包括但不限于金屬Cr、介質Ti02。
[0008]SP波照明場產生裝置還可以包括增強層。增強層例如可以在激發層上制備，以增強SP波照明場強度，減少雜散光場的干擾。增強層可以包括金屬如Al和介質如MgF2交替堆疊的多層膜結構。增強層中金屬和介質多層膜的每層厚度可以在納米量級。
[0009]掩模可以包括圖形層，包括待光刻的納米結構圖形。圖形層中納米圖形結構可以是一維或二維圖形，納米圖形線條方向與激發層納米圖形線條方向可以一致。掩模可以與SP波照明場產生裝置緊鄰，例如圖形層可以形成在SP波照明場產生裝置(例如，其中的增強層)上。
[0010]掩模還可以包括成像層。例如，成像層可以包括在圖形層上制備的實現圖形近場成像的金屬膜層結構。成像層可以包括在入射波長范圍內呈現負介電常數的材料，包括但不限于Ag、Au、Al等。 [0011]掩模還可以包括保護層。例如，保護層可以在成像層上制備，以防止成像層和圖形層物理損傷和化學腐蝕的保護層。保護層厚度可以為5-10nm，材料可以包括但不限于Si02、金剛石等。
[0012]在感光層背對入射待成像光場的一側可以形成反射式輔助成像層，在感光層面對入射待成像光場的一側可以形成透射式輔助成像層。例如，反射式輔助成像層、感光層以及透射式輔助感光層可以設置在基底上。透射式輔助成像層，可根據實際情況確定其有或無。反射式輔助成像層可以用來調制成像電場分量比重，進一步提高成像對比度。反射和透射輔助成像層材料可以包括但不限于是Ag、Al等。
[0013]在掩模與感光層之間可以設有間隔層，以控制掩模層與感光層之間的間隔距離。在SP照明掩模圖形層，以及存在成像層且感光層下設有透射式、反射式輔助成像層的情況下，該間隔層可以設置在成像層與透射式輔助感光層之間。間隔層距離可以為O~?其中λ^為遠場照明光束的中心波長，間隔層材料可以是空氣、真空或液體。
[0014]根據本公開的實施例，光刻成像過程可以如下。在中心波長為λ ^、特定遠場照明光束方向(入射光線中心方向與主光軸例如器件表面法線夾角為Θ)的入射光場下，均勻照明激發層，激發出特定傳輸波長的SP波。可以使用增強層使SP波透過強度增強。透過增強層的SP波可以與掩模中的圖形層進行耦合，傳輸到成像層。通過控制間隔層厚度，在輔助成像層作用下，實現將攜帶圖形層的成像光場穿透間隔層，并耦合傳遞到感光層內。通過曝光、去除輔助成像層及顯影等光刻工藝，在感光層內實現近場光刻分辨力增強的效果。
[0015]成像過程，遠場照明光束的中心波長為λ ^、入射方向的中心角度Θ可以滿足方程
(I)與⑵:
[0016]2屯(dssin θ + λ ?) = λ 0ds(I)
[0017]λ sp(dssin θ+λ 0) = λ 0ds (2)
[0018]方程中ds代表激發層的納米圖形周期，Cli代表掩模(具體地，圖形層)的納米圖形周期，λ ^為遠場照明光束的中心波長，Xsp為激發的SP波波長
[0019]為提高照明功率，遠場照明光束可以具有一定的發散角度范圍，發散角可以在±20。范圍內。
[0020]根據本公開的另一方面，提供了一種光刻成像方法。該方法可以包括:以一定方向入射的遠場照明光束，照射激發層，以激發特定傳輸波長的SP波照明場；以及利用該SP波，通過掩模，激發待成像的光場，其中，遠場照明光束的入射角度被設置為使得能夠產生特定傳輸波長的SP波照明場，從而實現SP波通過掩模層的+1級或-1級衍射光與O級衍射光發生干涉。
[0021]根據本公開的又一方面，提供了一種用于光刻的SP波照明場產生裝置。該裝置可以包括:光源，配置為產生均勻遠場照明光束；以及激發層，被配置為接收遠場照明光束，以激發特定傳輸波長的SP波照明場，其中，該SP波照明場用來通過掩模激發帶成像的光場，以及遠場照明光束的入射角度被設置為使得能夠產生特定傳輸波長的SP波照明場，從而實現SP波通過掩模層的+1級或-1級衍射光與O級衍射光發生干涉。
[0022]根據本公開的實施例，可以增強分辨能力。對于半導體行業對圖形條紋尺寸需求達到納米量級，采用現在的近場超分辨成像光刻技術得到的成像結果質量不理想。而采用本公開的技術，能夠顯著改善納米量級圖形成像質量。
[0023]根據本公開的實施例，可以拓展工作距。實際應用要求圖形區與感光記錄區分離，但是現有技術的圖形區和感光記錄區是緊密接觸的。而采用本公開的技術，能夠使圖形區與感光記錄區之間距離顯著拓展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是根據本公開實施例的光刻成像設備的示意圖；
[0025]圖2是根據本公開實施例的增強層的OTF曲線；
[0026]圖3是根據本公開實施例的效果圖；
[0027]圖4是根據本公開另一實施例的效果圖。
[0028]附圖標記
[0029]I 基底
[0030]2激發層
[0031]3增強層(介質/金屬多層膜)中的金屬層
[0032]4增強層(介質/金屬多層膜)中的介質層
[0033]5圖形層
[0034]6填充圖形層的材料
[0035]7成像層
[0036]8保護層
[0037]9感光層基底
[0038]10反射式輔助成像層
[0039]11感光層
[0040]12透射式輔助成像層
[0041]13間隔層
[0042]14入射光
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖及【具體實施方式】詳細介紹本公開。但以下的實施例僅限于解釋本公開，本公開的保護范圍應由權利要求及其等同物限定。此外，在以下說明中，可以省略對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本公開的概念。
[0044]實施例1，在激發層與圖形層均為一維光柵圖形，圖形層線寬32nm、周期64nm情況下，利用表面等離子波照明掩模圖形層和成像結構，提高近場光刻分辨力。成像結構可以包括設置于掩模圖形層上的成像層，并且還可以包括設置于感光層兩側的反射式輔助成像層和/或透射式輔助成像層。
[0045]表面等離子波照明掩模圖形層和成像結構，如說明書附圖1所示，具體條件是:I為填充激發層的石英基底；2為激發層TiO2光柵，TiO2層厚75nm，光柵深度40nm，周期200nm,占空比為0.5 ；3為增強層(MgF2/Al多層膜)中的金屬Al層，厚度15nm ；4為增強層(介質/金屬多層膜)中的介質層MgF2,厚度15nm ；5為圖形層Cr,厚40nm,線寬32nm、周期64nm ；6為填充圖形層的材料PMMA ；7為成像Ag層，厚度15nm ；8為保護層SiO2，厚度5nm ；9為感光層基底，Imm厚的石英；10為反射式輔助成像Ag層，厚度70nm ；11為感光層，材料為AR-P3170光刻膠，膠厚30nm ；12為透射式輔助成像Ag層，厚度15nm ；13為間隔層40nm ;14為中心波長365nm的入射光，入射角度Θ (入射光束與主光軸的夾角，主光軸在該示例中為器件表面的法線方向，即圖中豎直方向)為28°。
[0046]數值仿真表明，增強層MgF2/Al交替多層膜具有較好的增強效果。表面等離子波照明掩模圖形層結構，產生2.表示真空波矢)的表面波照明場，用于提高線寬為32nm密集線條的等離子光刻成像質量。對于Si02、Ti02、MgF2、Al的介電常數分別為2.13、
14.91+1.941、l.932,-19.4238+3.6028i。說明書附圖中圖2中的灰色曲線展示了 5對MgF2/Al交替的介質金屬多層膜的OTF曲線(圖中kx表示照明場橫向波矢)，顯然多層膜的增強空間頻率窗口為1.5k0?31ν而照明場空間頻譜的透過率如圖2中的黑色柱狀圖分布，從圖中可以看到照明場的強度集中在空間頻譜2.51k0上，其他頻率的透過率被有效抑制。
[0047]利用數值仿真，對上述條件下的表面等離子波照明納米成像器件及光刻結果進行了仿真。Cr、Ag、感光層的介電常數分別為-8.57+8.661、-2.4012+0.24881、2.59。其仿真成像結果為說明書附圖中圖3所示，其中圖3(b)是圖3(a)中白色虛線區域的放大。顯然，利用本案例設計的結構，在感光層實現了很好的成像質量。此外，通過進一步的仿真分析，在本案例中空氣距間隔層可以進一步提高。若感光層中像強度對比度為0.4，則空氣距可以拓展到60nm。
[0048]實施例2，在激發層與圖形層均為二維折線光柵圖形，折線圖形層線寬32nm、周期64nm情況下，利用表面等離子波照明掩模圖形層和成像結構，提高近場光刻分辨力。
[0049]表面等離子波表面等離子波照明掩模圖形層和成像結構，如說明書附圖4(a)所示，具體條件:一是激發層圖形為正方形孔陣列，孔邊長為lOOnm，孔的中心間距200nm ;二是圖形層為二維折線，折線夾角90°，折線線寬32nm，周期64nm;三是入射光為中心波長365nm的四束非相干光照明，極化角28°，方位角0°、90°、180°與270°。其它條件與實施例I的相同。
[0050]利用數值仿真，對上述條件下的表面等離子波照明納米成像器件及光刻結果進行了仿真。其仿真成像結果為說明書附圖中圖4所示，圖4(a)是表面等離子波照明納米成像器件及光刻的示意圖，圖4(c)是傳統正入射光刻示意圖，圖4(b)和4(d)分別表示這兩種模式下的仿真結果圖，圖4(b)和4(d)中的插圖是相應白色虛線上的強度分布。仿真結果表明，利用表面等離子波照明納米成像器件及光刻方法，能很好地提高近場光刻分辨力。
[0051]盡管上面對本公開說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術領的技術人員理解本公開，但應該清楚，本公開不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術領域】的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本公開的精神和范圍內，可以做出各種變化，這些變化在本公開的范圍內。
【權利要求】
1.一種光刻成像設備，包括: 表面等離子體SP波照明場產生裝置，被配置為接收以一定方向入射的遠場照明光束，以產生特定傳輸波長的SP波照明場，其中 SP波照明場通過掩模激發待成像的光場，以及 遠場照明光束的入射角度被設置為使得能夠產生特定傳輸波長的SP波照明場，從而實現SP波通過掩模層的+1級或-1級衍射光與O級衍射光發生干涉。
2.根據權利要求1所述的光刻成像設備，其中SP波照明場產生裝置包括:激發層，被配置為接收遠場照明光束，以激發特定傳輸波長的SP波照明場。
3.根據權利要求2所述的光刻成像設備，其中SP波照明場產生裝置還包括:在激發層上形成的增強層，配置為增強SP波照明場的強度，減少雜散光場的干擾。
4.根據權利要求3所述的光刻成像設備，其中增強層包括金屬和介質交替堆疊的多層膜結構。
5.根據權利要求1所述的光刻成像設備，其中掩模包括:圖形層，包括待光刻的納米結構圖形。
6.根據權利要求5所述的光刻成像設備，其中掩模還包括:在圖形層上形成的成像層，包括實現圖形近場成像的金屬膜層。
7.根據權利要求6所述的光刻成像設備，其中掩模還包括:在成像層上形成的保護層，配置為防止成像層和圖形層物理損傷和化學腐蝕。
8.根據權利要求1所述的光刻成像設備，其中感光層接收待成像的光場，在感光層背對待成像光場的一側形成反射式輔助成像層且在感光層面對待成像光場的一側形成透射式輔助成像層。
9.根據權利要求1所述的光刻成像設備，其中感光層接收待成像的光場，在掩模與感光層之間設有間隔層。
10.根據權利要求2所述的光刻成像設備，其中激發層包括一維或二維的納米圖形。
11.根據權利要求10所述的光刻成像設備，其中所述納米圖形包括周期性的光柵結構。
12.根據權利要求4所述的光刻成像設備，其中增強層中金屬和介質多層膜的每層厚度在納米量級。
13.根據權利要求10所述的光刻成像設備，其中掩模包括一維或二維的納米圖形，掩模的納米圖形線條方向與激發層的納米圖形線條方向一致。
14.根據權利要求6所述的光刻成像設備，其中成像層包括在入射波長范圍內呈現負介電常數的材料。
15.根據權利要求8所述的光刻成像設備，其中反射式輔助成像層材料和透射式輔助成像層材料包括Ag和Al中任一種或其組合。
16.根據權利要求9所述的光刻成像設備，其中間隔層距離為O-入乂〗，其中Xci為遠場照明光束的中心波長，間隔層包括空氣、真空或液體。
17.根據權利要求2所述的光刻成像設備，其中遠場照明光束的中心波長為Xc1、且以相對于主光軸的角度Θ入射，滿足方程(I)與(2):
2di (dssin θ + λ 0) = λ 0ds(I)Asp(dssin θ + λ0) = A0ds (2) 方程中ds代表激發層的納米圖形的周期，屯代表掩模所包括的納米圖形的周期，λ 為遠場照明光束的中心波長，λ sp為激發的SP波波長。
18.根據權利要求1所述的光刻成像設備，其中遠場照明光束發散角度范圍小于±20°。
19.一種光刻成像方法,包括: 以一定方向入射的遠場照明光束，照射激發層，`以激發特定傳輸波長的SP波照明場；以及 利用該SP波照明場，通過掩模，激發待成像的光場， 其中，遠場照明光束的入射角度被設置為使得能夠產生特定傳輸波長的SP波照明場，從而實現SP波通過掩模層的+1級或-1級衍射光與O級衍射光發生干涉。
【文檔編號】G03F7/20GK103454866SQ201310438387
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】羅先剛, 王長濤, 趙澤宇, 王彥欽, 姚納, 胡承剛, 蒲明薄, 王炯, 劉利芹, 楊磊磊 申請人:中國科學院光電技術研究所