增强照明数值孔径超分辨光刻成像设备及光刻成像方法

摘要

提供了增强照明数值孔径超分辨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照明光束产生装置，配置为产生照明光束，该照明光束具有数值孔径NA>0的照明场。照明光束可以通过掩模和成像层，将掩模图形成像在感光层空间。

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 用高数值孔径照明场实现高对比度超分辨成像的光刻成像设备及光刻成 像方法。

背景技术

随着现代光学成像技术发展，衍射现象成为限制成像光学系统分辨 力的主要障碍。实现亚波长的光学超分辨率成像，将对纳米光刻加工、 高分辨显微成像等高科技领域的发展具有重要意义。超透镜(Super lens) 成像技术是近年来受到关注较多的一种新型的超高分辨率光学成像技 术。它起源于Pendry提出的负折射率完美透镜(Perfect lens)。它的介电 常数和磁导率同时为负值，能够将携带有物体亚波长结构信息的倏逝波 分量进行放大。这样所有的波矢分量都能到达像面参与成像而没有缺失， 从而理论上可以实现没有像差和分辨率限制的完美成像。但是自然界中 并没有这种天然存在的具有负折射率的材料。2005年，根据静电近似将 介电常数和磁导率分开处理而构建只针对具有横磁偏振态(TM)的入射 光产生负折射效果。通过35nm厚的银膜，在实验上得到了1/6入射光 波长(λ=365nm)的半周期分辨力。随后，各种使用银膜的超越衍射极 限的成像尝试被报道。上述各种方法都是采用传统照明，即照明光源垂 直照射到掩模平面。虽然上述方法提高了成像图形的分辨力，但是像强 度对比和图形的均匀性还有待进一步提高。此外，空气间隔层(工作间 隙)近乎为零，严重影响光刻效率和带来掩模损耗。

发明内容

鉴于上述问题，本公开的目的致力于提供增强照明数值孔径超分辨 光刻成像设备及光刻成像方法。

根据本公开的实施例，可以通过提高照明场的数值孔径(NA)，来 提高小线宽近场成像中的对比度。这种高NA照明场可以通过将离轴照 明和高折射率的棱镜材料相结合而获得。另外，还可以进一步利用超透 镜，实现在一定厚度间隔层情况下，近一步提高成像对比度和图形的均 匀性。

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：照明光束产生装置，配置为产生照明光束，该照明光束具有NA>0 的照明场，其中，照明光束通过掩模和成像层，将掩模图形成像在感光 层空间。

根据本公开的实施例，照明光束产生装置可以包括：光源，配置为 产生强度分布均匀光束；以及棱镜，其中均匀光束以一定角度倾斜入射 到棱镜中。例如，光束可以入射到棱镜的侧表面上，并从棱镜的底面出 射。

照明方式和棱镜结构可以根据掩模(纳米)图形的结构形式来确定。 例如，针对沿于一维方向排布的线条图形，棱镜可以包括三角柱棱镜， 均匀照明光束可以从棱镜两侧面入射，一维图形排布方向可以与棱镜的 光出射面平行；对于沿二维正交方向排布的二维图形，棱镜可以包括梯 形棱镜或金字塔棱镜，图形排布方向可以与棱镜的光出射面平行；对于 其他排布方向例如三角形排布的二维图形，棱镜可以包括六角棱镜，图 形排布方向可以与棱镜的光出射面平行。另外，对于复杂分布的图形， 棱镜可以包括球棱镜，通过照明光束方向分布整形的光学系统，选择多 个不同方向照明入射到球棱镜，照明方向与图形线条分布对应。

可以通过增大入射角度和/或选择棱镜的折射率来提高照明数值孔 径。棱镜的材料选择可以根据照明光束的波长λ来确定。例如，可以选 择在照明光束的波长下的透明玻璃材料，如照明光束的波长为365nm情 况下，棱镜材料可以包括但不限于紫外透光的Al₂O₃、SiO₂等材料。可 以根据棱镜的光出射面方向上掩模图形的特征尺寸(中心间距)d确定 照明角度范围，例如n×sin(θ)位于0.8λ/(2d)～1.2λ/(2d)区间范围，n为棱镜 材料的折射率，θ为照明光束与棱镜底面法线形成的夹角。

掩模可以包括掩模基底、在掩模基底上形成的掩模图形层、填充掩 模图形层的填充层。可以通过折射率匹配液或粘合胶将掩模基底固定至 棱镜的光出射面。成像层可以设置在填充层上。掩模基底与棱镜材料的 折射率可以近似相同。填充层可以包括介质材料，包括但不限于PMMA 等。成像层可以由介电常数为负的膜层构成，例如Au、Ag等。

在感光层背对照明光束的一侧可以形成反射式辅助成像层，在感光 层面对照明光束的一侧可以形成透射式辅助成像层。透射式辅助成像层、 感光层和反射式辅助成像层的叠层可以形成在适当的基底上。感光层可 以包括光刻胶，辅助成像层可以包括介电常数为负的膜层，例如Au、 Ag等。反射式辅助成像层与透射式辅助成像层可以包括相同的材料或者 介电常数不同的材料。

成像层与透射式辅助成像层之间可以以一定厚度的间隔层进行隔 离。该间隔层可以是空气层、真空层、液体层之一。

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：产生照明光束，该照明光束具有数值孔径NA>0的照明场；以及利 用该照明光束，通过掩模和成像层将掩模图形成像在感光层空间。例如， 可以利用强度分布均匀光束，以一定角度倾斜入射到棱镜中，来产生照 明光束。

由于损耗和成像层粗糙度对光刻图形的影响较大，现有技术难以突 破成像图形对比度低的限制。通过本技术可以有效提高成像对比度和图 形的均匀性。

本技术充分考虑了实际膜层之间存在空气间隙的情况。现有技术在 考虑空气间隙的情况下，对比度会急剧下降。而本技术充分考虑了实际 光刻过程中膜层之间的间隙，在一定的间隙范围内，本技术仍能保持较 高的成像对比度，这对于提高光刻效率、减少掩模磨损和提高寿命是非 常有意义的。

与传统倾斜照明提高成像分辨力不同，本公开的技术组合了高数值 孔径照明方式与超分辨成像结构。即使在存在纳米间隔层间隙的情况下， 也可以实现远小于波长分辨力的成像对比度提高。

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高数值孔径照明场对不同线宽一维图形 的对比度提升效果；

图3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掩模图形结构图；

图5是根据本公开实施例的相对于传统照明的效果图；

图6是根据图5所示的效果图在掩模图形中间位置的像场截线图。

附图标记

1  棱镜

2  掩模基底

3  掩模图形层

4  掩模图形层的填充层

5  成像层

6  透射式辅助成像层

7  感光层

8  反射式辅助成像层

9  基底

10 照明光束

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，在掩模图形为一维光栅线条图形时，图形层线宽35nm、 周期70nm情况下，利用高数值孔径照明场实现高对比度超分辨成像光 刻。

高数值孔径照明场光刻成像设备如说明书附图1(a)所示，具体条件 是：1为高折射率的Al₂O₃三角柱棱镜；2为Al₂O₃材料的掩模基底；3 为一维线条光栅图形，材料为Cr，光栅深度50nm，周期70nm，占空比 为0.5；4为填充图形层的材料PMMA，均匀膜层厚度10nm；5为成像 Ag层，厚度15nm；6为透射式辅助成像Ag层，厚度15nm；7为感光 层，AR-P3170光刻胶，胶厚30nm；8为反射式辅助成像Ag层，厚度 70nm；9为基底，1mm厚的石英；5和6之间为空气间隔层30nm；10 为中心波长365nm的入射光，分别照射到三角柱棱镜的两个侧面，入射 角度θ为60°(入射光与系统主光轴的夹角，在该示例中，主光轴对应 于透镜底面的法线方向，即图中的竖直方向)。

数值仿真表明，高数值孔径照明能够显著提高一维光栅线条图形的 成像对比度。在选定的棱镜材料为蓝宝石的情况下，通过增大照明光束 相对主光轴的倾斜角，能够不断的增大照明数值孔径，从而实现在高数 值孔径照明场下提高小线宽成像图形的对比度。

利用数值仿真，对上述条件下的高数值孔径照明场实现高对比度超 分辨成像光刻的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-8.55+8.96i、-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中给出了传统照明(NA＝0)下的成像结 果，以及本公开(NA=1.55)的成像结果。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。

另外，图2示出了对于不同的一维图形线宽，通过提高NA，得到 的对比度改善效果。

实施例2，在掩模图形为二维正交方向排布的二维图形时，图形层 线宽35nm、相邻两线条间的距离为70nm情况下，利用高数值孔径照明 场实现高对比度超分辨成像光刻。

高数值孔径照明场光刻成像设备如说明书附图1(b)所示，具体条件 是：1为高折射率的Al₂O₃梯形棱镜或金字塔棱镜；2为Al₂O₃材料的掩 模基底；3为二维正交方向排布的二维掩模图形，图形层线宽35nm、相 邻两线条间的距离为70nm(说明书附图中图4是掩模图形结构图)；4 为填充图形层的材料PMMA，均匀膜层厚度10nm；5为成像Ag层，厚 度15nm；6为透射式辅助成像Ag层，厚度15nm；7为感光层，AR-P3170 光刻胶，胶厚30nm；8为反射式辅助成像Ag层，厚度70nm；9为基底， 1mm厚的石英；5和6之间为空气间隔层30nm；10为入射光为中心波 长365nm的四束非相干光照明，分别照射到梯形棱镜或金字塔棱镜的四 个侧面；极化入射角60°，方位角0°、90°、180°与270°。

利用数值仿真，对上述条件下的高数值孔径照明场成像器件及光刻 结果进行了仿真。其仿真成像结果为说明书附图中图5和图6所示，图 5(a)和图5(b)是高数值孔径照明场纳米成像器件及光刻的示意图， 图5(c)和图5(d)是传统正入射光刻示意图和结果图，图6是本公开 和传统正入射在图5中在掩模图形中间位置的像场截线图(分别对强度 的最大值进行归一)。仿真结果表明，利用高数值孔径照明场，能很好地 提高近场成像图形的对比度和光刻分辨力。

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，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。