基于表面等离子体波照明的光刻成像设备及光刻成像方法

摘要

本发明提供了基于表面等离子体波照明的光刻成像设备及光刻成像方法。一示例光刻成像设备可以包括：表面等离子体SP波照明场产生装置，被配置为接收以一定方向入射的远场照明光束，以产生特定传输波长的SP波照明场。SP波照明场可以通过掩模激发待成像的光场。远场照明光束的入射角度可以被设置为能够产生特定传输波长的SP波照明场，实现SP波通过掩模层的+1级或-1级衍射光与0级衍射光发生干涉。

说明书

技术领域

本公开一般地涉及纳米光刻加工技术领域，更具体地，涉及一种利 用表面等离子体(Surface Plasmon，SP)波照明来提高近场光刻分辨力的 光刻成像设备及光刻成像方法。

背景技术

最近几年，表面等离子体光刻的出现引起了学术界的极大兴趣，并 且有很大的潜力成为解决超分辨纳米图像光刻技术难题的重要手段之 一。为了提高纳米图像光刻的成像质量，许多创新性的技术在理论和实 验上得到的验证，包括负折射率完美透镜、负介电常数超透镜以及放大 超透镜。然而，随着纳米图像尺寸的进一步降低，运用表面等离子体光 刻产生的像质量急剧恶化，导致近场光刻的分辨力下降。同时，由于倏 逝波的指数衰减特性，图形层和感光层必须是紧密接触(工作距为0)。 这些问题限制了超分辨表面等离子体光刻的实际应用。

发明内容

鉴于上述问题，本公开的目的至少在于提供基于表面等离子体波照 明的超分辨光刻成像设备及光刻成像方法。

针对纳米图像光刻技术，当图形层与感光层之间的工作距拓展时， 掩模图形发出的衍射光除0级次以外的其他级次不能被耦合到成像系统 的传递频谱内，从而导致近场光刻的分辨力下降。根据本公开的实施例， 采用SP波照明，可以使掩模的衍射光发生空间频率移动，-1(或+1)级 和0级衍射光可以被耦合到成像系统的传递频谱内发生干涉，从而提高 对比度。因此，可以解决纳米光刻技术中分辨力下降和工作距短的问题。

根据本公开的实施例，可以调节SP波照明场横向波矢，使来自掩 模的衍射光发生频移，入射光强度在各级次衍射光上重新分布，实现-1 (或+1)级次可以与0级次衍射光的干涉，从而可以有效提高纳米光刻 技术中成像质量和工作距。

根据本公开的一个方面，提供了一种光刻成像设备。该设备可以包 括表面等离子体(SP)波照明场产生装置，被配置为接收以一定方向入 射的远场照明光束，以产生特定传输波长的SP波照明场。SP波照明场 可以通过掩模激发待成像的光场。远场照明光束的入射角度可以被设置 为使得能够产生特定传输波长的SP波照明场，从而实现SP波通过掩模 层的+1级或-1级衍射光与0级衍射光发生干涉。待成像的光场可以通过 成像层，将掩模图形成像在感光层空间。

SP波照明场产生装置可以包括激发层。激发层例如可以是在基底上 制备的纳米结构层。该激发层可以接收远场照明光束，以高效激发特定 传输波长的SP波照明场。激发层中的纳米结构图形可以是一维或二维 图形，图形结构可以是周期性的光栅或其它形状，具体形状可以根据图 形层特征进行优化设计。激发层为可以高效激发特定传输波长SP波照 明场的材料，包括但不限于金属Cr、介质TiO₂。

SP波照明场产生装置还可以包括增强层。增强层例如可以在激发层 上制备，以增强SP波照明场强度，减少杂散光场的干扰。增强层可以 包括金属如Al和介质如MgF₂交替堆叠的多层膜结构。增强层中金属和 介质多层膜的每层厚度可以在纳米量级。

掩模可以包括图形层，包括待光刻的纳米结构图形。图形层中纳米 图形结构可以是一维或二维图形，纳米图形线条方向与激发层纳米图形 线条方向可以一致。掩模可以与SP波照明场产生装置紧邻，例如图形 层可以形成在SP波照明场产生装置(例如，其中的增强层)上。

掩模还可以包括成像层。例如，成像层可以包括在图形层上制备的 实现图形近场成像的金属膜层结构。成像层可以包括在入射波长范围内 呈现负介电常数的材料，包括但不限于Ag、Au、Al等。

掩模还可以包括保护层。例如，保护层可以在成像层上制备，以防 止成像层和图形层物理损伤和化学腐蚀的保护层。保护层厚度可以为 5-10nm，材料可以包括但不限于SiO₂、金刚石等。

在感光层背对入射待成像光场的一侧可以形成反射式辅助成像层， 在感光层面对入射待成像光场的一侧可以形成透射式辅助成像层。例如， 反射式辅助成像层、感光层以及透射式辅助感光层可以设置在基底上。 透射式辅助成像层，可根据实际情况确定其有或无。反射式辅助成像层 可以用来调制成像电场分量比重，进一步提高成像对比度。反射和透射 辅助成像层材料可以包括但不限于是Ag、Al等。

在掩模与感光层之间可以设有间隔层，以控制掩模层与感光层之间 的间隔距离。在SP照明掩模图形层，以及存在成像层且感光层下设有 透射式、反射式辅助成像层的情况下，该间隔层可以设置在成像层与透 射式辅助感光层之间。间隔层距离可以为0～λ₀/2，其中λ₀为远场照明 光束的中心波长，间隔层材料可以是空气、真空或液体。

根据本公开的实施例，光刻成像过程可以如下。在中心波长为λ₀、 特定远场照明光束方向(入射光线中心方向与主光轴例如器件表面法线 夹角为θ)的入射光场下，均匀照明激发层，激发出特定传输波长的SP 波。可以使用增强层使SP波透过强度增强。透过增强层的SP波可以与 掩模中的图形层进行耦合，传输到成像层。通过控制间隔层厚度，在辅 助成像层作用下，实现将携带图形层的成像光场穿透间隔层，并耦合传 递到感光层内。通过曝光、去除辅助成像层及显影等光刻工艺，在感光 层内实现近场光刻分辨力增强的效果。

成像过程，远场照明光束的中心波长为λ₀、入射方向的中心角度θ 可以满足方程(1)与(2)：

2d_i(d_ssinθ+λ₀)＝λ₀d_s       (1)

λ_sp(d_ssinθ+λ₀)＝λ₀d_s     (2)

方程中d_s代表激发层的纳米图形周期，d_i代表掩模(具体地，图形 层)的纳米图形周期，λ₀为远场照明光束的中心波长，λ_sp为激发的SP 波波长

为提高照明功率，远场照明光束可以具有一定的发散角度范围，发 散角可以在±20°范围内。

根据本公开的另一方面，提供了一种光刻成像方法。该方法可以包 括：以一定方向入射的远场照明光束，照射激发层，以激发特定传输波 长的SP波照明场；以及利用该SP波，通过掩模，激发待成像的光场， 其中，远场照明光束的入射角度被设置为使得能够产生特定传输波长的 SP波照明场，从而实现SP波通过掩模层的+1级或-1级衍射光与0级衍 射光发生干涉。

根据本公开的又一方面，提供了一种用于光刻的SP波照明场产生 装置。该装置可以包括：光源，配置为产生均匀远场照明光束；以及激 发层，被配置为接收远场照明光束，以激发特定传输波长的SP波照明 场，其中，该SP波照明场用来通过掩模激发带成像的光场，以及远场 照明光束的入射角度被设置为使得能够产生特定传输波长的SP波照明 场，从而实现SP波通过掩模层的+1级或-1级衍射光与0级衍射光发生 干涉。

根据本公开的实施例，可以增强分辨能力。对于半导体行业对图形 条纹尺寸需求达到纳米量级，采用现在的近场超分辨成像光刻技术得到 的成像结果质量不理想。而采用本公开的技术，能够显著改善纳米量级 图形成像质量。

根据本公开的实施例，可以拓展工作距。实际应用要求图形区与感 光记录区分离，但是现有技术的图形区和感光记录区是紧密接触的。而 采用本公开的技术，能够使图形区与感光记录区之间距离显著拓展。

附图说明

图1是根据本公开实施例的光刻成像设备的示意图；

图2是根据本公开实施例的增强层的OTF曲线；

图3是根据本公开实施例的效果图；

图4是根据本公开另一实施例的效果图。

附图标记

1  基底

2  激发层

3  增强层(介质/金属多层膜)中的金属层

4  增强层(介质/金属多层膜)中的介质层

5  图形层

6  填充图形层的材料

7  成像层

8  保护层

9  感光层基底

10 反射式辅助成像层

11 感光层

12 透射式辅助成像层

13 间隔层

14 入射光

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本公开。但以下的实施例仅 限于解释本公开，本公开的保护范围应由权利要求及其等同物限定。此 外，在以下说明中，可以省略对公知结构和技术的描述，以避免不必要 地混淆本公开的概念。

实施例1，在激发层与图形层均为一维光栅图形，图形层线宽32nm、 周期64nm情况下，利用表面等离子波照明掩模图形层和成像结构，提 高近场光刻分辨力。成像结构可以包括设置于掩模图形层上的成像层， 并且还可以包括设置于感光层两侧的反射式辅助成像层和/或透射式辅 助成像层。

表面等离子波照明掩模图形层和成像结构，如说明书附图1所示， 具体条件是：1为填充激发层的石英基底；2为激发层TiO₂光栅，TiO₂层厚75nm，光栅深度40nm，周期200nm，占空比为0.5；3为增强层 (MgF₂/Al多层膜)中的金属Al层，厚度15nm；4为增强层(介质/金 属多层膜)中的介质层MgF₂，厚度15nm；5为图形层Cr，厚40nm， 线宽32nm、周期64nm；6为填充图形层的材料PMMA；7为成像Ag 层，厚度15nm；8为保护层SiO₂，厚度5nm；9为感光层基底，1mm厚 的石英；10为反射式辅助成像Ag层，厚度70nm；11为感光层，材料 为AR-P3170光刻胶，胶厚30nm；12为透射式辅助成像Ag层，厚度 15nm；13为间隔层40nm；14为中心波长365nm的入射光，入射角度θ (入射光束与主光轴的夹角，主光轴在该示例中为器件表面的法线方向， 即图中竖直方向)为28°。

数值仿真表明，增强层MgF₂/Al交替多层膜具有较好的增强效果。 表面等离子波照明掩模图形层结构，产生2.51k₀(k₀表示真空波矢)的 表面波照明场，用于提高线宽为32nm密集线条的等离子光刻成像质量。 对于SiO₂、TiO₂、MgF₂、Al的介电常数分别为2.13、14.91+1.94i、1.932、 -19.4238+3.6028i。说明书附图中图2中的灰色曲线展示了5对MgF₂/Al 交替的介质金属多层膜的OTF曲线(图中k_x表示照明场横向波矢)，显 然多层膜的增强空间频率窗口为1.5k₀～3k₀。而照明场空间频谱的透过率 如图2中的黑色柱状图分布，从图中可以看到照明场的强度集中在空间 频谱2.51k₀上，其他频率的透过率被有效抑制。

利用数值仿真，对上述条件下的表面等离子波照明纳米成像器件及 光刻结果进行了仿真。Cr、Ag、感光层的介电常数分别为-8.57+8.66i、 -2.4012+0.2488i、2.59。其仿真成像结果为说明书附图中图3所示，其中 图3(b)是图3(a)中白色虚线区域的放大。显然，利用本案例设计的 结构，在感光层实现了很好的成像质量。此外，通过进一步的仿真分析， 在本案例中空气距间隔层可以进一步提高。若感光层中像强度对比度为 0.4，则空气距可以拓展到60nm。

实施例2，在激发层与图形层均为二维折线光栅图形，折线图形层 线宽32nm、周期64nm情况下，利用表面等离子波照明掩模图形层和成 像结构，提高近场光刻分辨力。

表面等离子波表面等离子波照明掩模图形层和成像结构，如说明书 附图4(a)所示，具体条件：一是激发层图形为正方形孔阵列，孔边长为 100nm，孔的中心间距200nm；二是图形层为二维折线，折线夹角90°， 折线线宽32nm，周期64nm；三是入射光为中心波长365nm的四束非相 干光照明，极化角28°，方位角0°、90°、180°与270°。其它条件与实施 例1的相同。

利用数值仿真，对上述条件下的表面等离子波照明纳米成像器件及 光刻结果进行了仿真。其仿真成像结果为说明书附图中图4所示，图4 (a)是表面等离子波照明纳米成像器件及光刻的示意图，图4(c)是 传统正入射光刻示意图，图4(b)和4(d)分别表示这两种模式下的仿 真结果图，图4(b)和4(d)中的插图是相应白色虚线上的强度分布。 仿真结果表明，利用表面等离子波照明纳米成像器件及光刻方法，能很 好地提高近场光刻分辨力。

尽管上面对本公开说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技 术领的技术人员理解本公开，但应该清楚，本公开不限于具体实施方式 的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权 利要求限定和确定的本公开的精神和范围内，可以做出各种变化，这些 变化在本公开的范围内。