光刻法中使用的塗敷了氟聚合物的光學掩模的製作方法

2023-09-13 08:36:50 1

專利名稱：光刻法中使用的塗敷了氟聚合物的光學掩模的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用光刻法生產半導體的工藝中使用的光學掩模，特別涉及塗敷了化學惰性多氟烴聚合物薄膜的光學掩模。
背景技術：
半導體器件的生產通常涉及在目標晶片表面上施塗一層光敏物質(光致抗蝕劑)，然後利用光學掩模以選定圖案使光致抗蝕劑受到光輻射，接著使光致抗蝕劑顯影，在晶片上留下曝光的區。隨後將這些區域蝕刻掉，或者對其進行修飾，並除去殘留的光致抗蝕劑。光學掩模的圖案通常包含極為精細的細節，光學掩模上哪怕存在非常細微的顆粒，也會對目標晶片上圖案的精確複製產生影響。
為了儘可能減少掩模版表面的微粒汙染，人們已經開發出保護光學掩模的光學薄膜。光學薄膜是固定在支架上的透明膜，它粘附在光學掩模表面，使得汙染顆粒掉在光學表膜上，而不會是光學掩膜版上。薄膜支架使薄膜以足夠距離保持在掩模版表面之上，這樣，落到薄膜上的任何顆粒都將位於輻照光的焦點平面之外，從而不影響掩模版的投影圖案。在半導體生產中採用光學表膜有助於減少灰塵和其他顆粒引起的汙染，因而在工業上得到廣泛應用。
但是，對更小、更快、功能更強的微處理器的持續要求半導體工業製造出越來越小的半導體電路。相關製造技術已經達到這種程度，即所製造的電路尺寸受到光刻法工藝中所用光的波長的極大限制，因為輻射波長越短，所得電路結構的細節就越精細。因此，採用248nm、193nm和157nm(深紫外線或DUV)光照的光刻法已經非常普及，甚至還有使用13.5nm(遠紫外線或EUV)光照的。
但是，隨著所用輻射波長的減小，所用光照的能量增加。許多存在於空氣中的有機化合物在長波長下性質溫和，但在受到高能紫外線輻射時，就變得具有光活性。例如，波長為248nm的光會與大多數滷化的有機化合物發生反應，而且可能與某些非滷化的有機化合物作用。波長為193nm的光很容易與空氣中相當多的有機汙染物作用，而157nm的光能被空氣中存在的水汽吸收並與之發生反應。這些反應產生的活性分解產物能與掩模圖案作用，結果產生各種缺陷。
不幸的是，這些潛在汙染物中的許多來源就是光學表膜本身。光學表膜、光學表膜上的各種防反射塗層、薄膜支架的陽極化表面，或者用來將光學表膜粘合到支架上或將支架粘合到掩模上的粘合劑，都能釋放各種揮發性成分。這些汙染物基本上聚集在光學表膜下方的空間裡，即便薄膜支架中存在通風口也是如此。這些汙染物反覆受到UV照射後，會產生各種化學活性的物質，並且在光學掩模上產生缺陷。這種活性物質的產生會急劇縮短光學掩模的壽命，因為所產生的任何缺陷都會轉移到光致抗蝕劑上，從而產生存在缺陷的電路圖案。製造商所面臨現實的是，要麼頻繁更換光學掩模，要麼承擔可能產生次品的風險。在任何一種選擇下，生產成本都會增加，質量控制都必須加強。
由於要持續保護光學掩模免受微粒汙染，所以要持續使用光學表膜。現在需要這樣一種方法，它能保護光學掩模及掩模圖案不受光照過程中產生的活性汙染物的影響，而所用光照本身又不會降低光學掩模的使用效果，並且與現有的光學表膜和生產技術相適應。本發明所用光學掩模允許使用高能UV波長輻射，同時能最大程度地減少微粒或活性汙染物與光學掩模表面的作用。
本發明概述本發明涉及用於影印石版工藝中的塗敷的光學掩模。所述光學掩模包括透明基底，其表面帶有圖案，所述圖案確定了透光部分和不透光部，以及光學掩模表面上的一層含有多氟烴的保護膜。本發明還涉及塗敷的光學掩模的製造方法，以及所述經塗敷光學掩模在影印石版工藝中的應用。
附圖簡述

圖1是本發明光學掩模的截面圖。
圖2是本發明光學掩模的截面圖，它包含安裝好的光學表膜。
圖3是使用本發明光學掩模的光刻工藝的示意圖。
圖4是製備本發明光學掩模各步驟的流程圖。
圖5是使用本發明光學掩模的影印石版工藝各步驟的流程圖。
本發明優選實施方式圖1所示為本發明光學掩模10的橫截面圖。所述光學掩模包括透明基底11，掩模圖案12位於基底表面上。所述基底通常是玻璃，尤其是對於影印石版工藝所選用的光照具有透明性的玻璃。如果影印石版工藝要求極高，而且對質量要求也最高時則基底通常是高純石英玻璃。石英玻璃基底在現代影印石版系統中是最為普及的基底，但是，其他任何適合應用光學掩模圖案並能應用於影印石版工藝的基底都是符合本發明目的的合適基底。
光學掩模圖案12確定了光學掩上不透光部分。光學掩模一般通過選擇沉積掩模材料，或選擇蝕刻預先沉積好的掩模材料來製備。常用的一種掩模材料是有色金屬，但其他掩模材料也適合本發明目的，包括氧化鐵、矽化鉬，或者其他任何能用於影印石版目的形成電路圖的掩模材料。由掩模材料確定的圖案通常是隨後就投印到目標物上的電路，所述目標物通常為半導體晶片，其上已經覆蓋了光致抗蝕劑。
一方面，本發明光學掩模採用了相位移技術。「相位移」是指照射光通過光學掩模以防止投影到目標晶片上的圖案變得模糊時，對照射光的相位進行的選擇性調製。一般情況下，使用相位移技術能提高聚焦解析度和聚焦深度，這樣，即使是光學掩模圖案的細小特徵，也能在目標晶片上精確複製。例如，使用矽化鉬作為掩模材料，可以使某些照射光通過該圖案。但是，通過的那些光太弱，不能使目標晶片上存在的光致抗蝕劑曝光，這些光與通過基底本身的光相差180°相位。當圖案投影到目標上時，圖案邊緣的幹涉能使圖案的邊緣銳化。另一種相位移動技術採用選擇性蝕刻基底上某些區域，在圖案和基底之間的邊緣同樣產生破壞性幹涉，並銳化投影圖案。
本發明的光學掩模塗敷了一層無定形多聚烴薄膜，如圖1中所示13。所述聚(氟碳)膜一般對影印石版工藝中用來照射圖案的這段波長範圍內的光基本上是透明的，通常能完全覆蓋存在於光學掩模表面上的至少掩模圖案部分。任何能在光學掩模上形成保護膜的氟代烴聚合物都是能滿足本發明目的的合適氟代聚合物。優選的聚(氟碳)包括(但不限於)全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯(PDD)、四氟乙烯、三氟氯乙烯、偏二氟乙烯、六氟丙烯和三氟乙烯的均聚物或共聚物。一方面，聚(氟碳)是共聚全氟(烯烴乙烯醚)得到的環化聚合物。或者，聚(氟碳)是全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯(PDD)的均聚物或共聚物，其結構如下。另一方面，無定形聚(氟碳)是PDD與全氟(烷基乙烯基醚)、氟乙烯和(全氟烷基)乙烯中的一種或多種形成的共聚物。本發明再一方面，無定形聚(氟碳)是PDD與全氟(丁烯乙烯醚)及任選的第三種共聚單體形成的共聚物，所述第三種共聚單體是全滷代烯烴或全氟(烷基乙烯醚)。
PDD的化學結構PDD與其他氟代烴的聚合產生各種無定形共聚物，它們一般都有多種優異性質。這些多氟烴聚合物通常具有高玻璃轉化溫度、高模量、高強度，在壓縮載荷下低蠕變。它們一般還具有低折光率、良好的介電性質和良好的耐化學腐蝕性。這些無定形聚合物用溶劑流注法或噴塗法很容易塗敷，因此很適合用來塗敷光學掩模，以便在石印工藝中提供抗汙染能力。聚合物塗層的低介電性可防止細小微粒吸引到或粘附到光學掩模上。此外，聚合物塗層的化學惰性可防止UV照射時產生的高活性物質與掩模圖案本身發生反應。
適用於製備本發明光學掩模的各種無定形氟代聚合物見述於Squire的美國專利4399264(1983)；Squire的4485250(1984)；Squire的4754009(1988)；Squire的4935477(1990)；Resnick的5276121(1994)；Resnick的5326839(1994)；Resnick的5353368(1994)；Resnick的5324889(1994)；Resnick的5338608(1994)；5310838(1994)；Hung等5354910(1994)和Hung等5408020(1995)，各專利均在此引為參考。能滿足本發明目的的合適的無定形聚(氟碳)可以商品名TEFLON AF，具體是氟聚合物AF-1600和AF-2400購於E.I.du Pont de Nemours Company。
特別優選用來製備本發明光學掩模的氟代聚合物可以商品名CYTOP購於Asahi Glass Company。CYTOP聚(氟碳)可通過共聚全氟(烯基乙烯醚)獲得，它具有優良的耐高溫，耐化學性，折光率為1.34，介電常數為2.1，UV和近-IR透光率超過95％，此外，CYTOP聚(氟碳)可溶解於全氟代溶劑，並且容易用常規塗敷技術(旋塗、浸塗等)流注成非常薄的膜。
可用來製備本發明光學掩模的聚(氟碳)易溶於氟代烴溶劑，以利於將無定形聚合物薄膜施塗在光學掩模上。適合用來製備無定形聚(氟碳)溶液的氟代溶劑可選用全氟代環醚或全氟代三丁胺、全氟代辛烷、全氟代萘烷。一般，無定形聚(氟碳)溶解於包含全氟(2-丁基四氫呋喃)的溶劑中。適用於製備無定形聚(氟碳)溶液的氟代溶劑可以商品名FLUORINERT購於Minnesota Mining Manufacturing Company Corporation)。特別有用的溶劑包括FLUORINERTElectronic Liquid FC-43和FLUORINERT Electronic Liquid FC-75。
無定形聚(氟碳)通常用半導體製造領域已知的常規塗敷技術施塗在光學掩模上。製造塗敷的光學掩模的通用方法概述於圖4中，它包括提供合適的光學掩模，製備在合適的溶劑中選定的無定形多氟烴聚合物的溶液，將聚合物溶液施塗在光學掩模表面形成塗層，固化塗層形成聚(氟碳)膜。特別合適的塗敷技術包括(但不限於)噴塗、液面塗敷(meniscus coatiy)或旋塗。
噴塗採用噴塗裝置將聚(氟碳)溶液施塗到光學掩模上。在液面施塗方法中，將待施塗的光學掩模倒轉過來，通過聚(氟碳)溶液的層液流。旋塗是特別有用的施塗方法，它一般用一個真空夾盤夾住光學掩模，然後以高轉速旋轉，而聚(氟碳)溶液就施塗在光學掩模的中央了。所得薄膜的厚度通過溶液粘度和光學掩模的轉速來控制。如上所述，旋塗一般使用選定聚合物在碳氟溶劑中的溶液，其固體含量約為1％-5％。特別地，固體含量約為2％的溶液尤其適合光學掩模的旋塗。
雖然多氟烴聚合物塗層必須固化，但固化步驟可在從室溫到約100℃範圍內的任意溫度下進行。在室溫下固化時，通常需要8-12小時。在高溫下固化時，可能只需要10分鐘這麼短的時間就能基本上完成同化。固化溫度和固化時間可任意搭配，只要能形成具有所需膜性質的固化膜，它就是能滿足本發明目的的合適的固化條件組合。
固化之後，所得聚合物薄膜的厚度通常約為100-700，更好為約300-400。一般，膜厚僅需足以保護光學掩模本身的表面即可，而不能厚到妨礙照射光的有效通過。
由無定形聚(氟碳)製備的製品及其製備方法見述於Squire的美國專利4590569(1985)；Squire的4948851(1990)；4975505(1990)；4982056(1991)；5000547(1991)；4977025(1990)；4977026(1990)；4977008(1990)；4977297(1990)；4973142(1990)；4999248(1991)；4985308(1991)；5006382(1991)；Froggatt的5296283(1994)；Froggatt的5308685(1994)；Bekiarian等的5076659(1991)和Nemser等的5051114(1991)，以上各項專利均在此引為參考。
在將本發明的光學掩模用於影印石板工藝中之前，通常要如前面所述裝配一個光學表膜，以保護光學掩模表面免受微粒汙染。圖2所示為配有光學表膜的本發明光學掩模的示意圖，其中所示薄膜支架15支撐著薄膜16，與無定形聚(氟碳)膜13表面有一定距離。
本發明光學掩模一般可用於任何採用光學掩模的影印石版工藝。一方面，本發明的光學掩模可用於接觸印刷，其中光學掩模在受到光照前直接與目標晶片發生物理接觸。但更典型的是使用掃描投影光刻工藝，其中掩模圖案的圖像縮小投影在目標晶片上。光刻工藝簡示於圖3，其中來自光源25的照射光通過聚光鏡系統26投射穿過光學表膜16，掩模圖案12的圖像通過多還原鏡(reduction lens)系統27投射到帶有光致抗蝕劑塗層21的目標晶片20上。
光刻工藝簡示於流程圖5中，它包括提供覆蓋有一層光致抗蝕劑的目標基底，將光學掩模置於光致抗蝕劑層和輻射源之間，其中光學掩模包括基底、位於基底表面的掩模圖案和位於基底表面的無定形聚(氟碳)膜，然後使光致抗蝕劑層受到從光源到光學掩模之間的光輻照。
雖然本發明已經結合前述操作原理和優選實施方式進行了演示和說明，但半導體生產領域的技術人員不難理解，在不背離本發明主旨和範圍的前提下，他們可以改變光學掩模基底的組成、掩模圖案的組成、光照波長、光刻工藝，還可在形式和細節上作出其他各種改變。本發明有意包含所有這些變化、改進和變通，只要它在附屬權利要求範圍之內。
權利要求
1.一種光學掩模，它包括透明基底；所述基底表面上的掩模圖案，它確定了基底上的透光部分和不透光部分；位於所述基底表面上的無定形聚(氟碳)膜，所述膜覆蓋了掩模圖案。
2.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，所述透明基底是玻璃。
3.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，所述透明基底是石英。
4.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，掩模圖案或透明基底包含相位移物質。
5.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，掩模圖案確定了電路。
6.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，所述無定形聚(氟碳)膜對紫外光基本上是透明的。
7.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，所述聚(氟碳)膜包含全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯或全氟(烯基乙烯醚)的均聚物或共聚物。
8.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，所述聚(氟碳)膜包含全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯、四氟乙烯、三氟氯乙烯、偏二氟乙烯、六氟丙烯和三氟乙烯的均聚物或共聚物。
9.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，所述聚(氟碳)膜包含全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯與全氟(烷基乙烯基醚)、氟乙烯和(全氟烷基)乙烯中的一種或多種形成的共聚物。
10.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，所述聚(氟碳)膜的厚度約為300-400。
11.權利要求1所述光學掩模，其特徵在於，它還可包含置於基底表面上的光學表膜，所述光學表膜包含一個膜框，它上面裝有光學膜，這樣，將聚(氟碳)膜夾在圖案和光學表膜之間。
12.將聚(氟碳)膜施塗到光學掩模上的方法，它包含以下步驟提供包括透明基底和位於所述基底上的掩模圖案的光學掩模，所述圖案確定了基底上的透光部分和不透光部分；製備在合適溶劑中的無定形多氟烴聚合物溶液；將無定形多氟烴聚合物溶液施塗在光學掩模表面，形成塗層；固化塗層形成聚(氟碳)膜。
13.權利要求12所述方法，其特徵在於，所述聚(氟碳)膜包含全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯、四氟乙烯、三氟氯乙烯、偏二氟乙烯、六氟丙烯和三氟乙烯中的一種或多種均聚物或共聚物。
14.權利要求12所述方法，其特徵在於，所述無定形多氟烴聚合物溶液含有約1％-5％的固體。
15.權利要求12所述方法，其特徵在於，所述溶劑是全氟代烴。
16.權利要求12所述方法，其特徵在於，所述溶劑是全氟代三丁胺、全氟代辛烷、全氟代萘烷或全氟代環醚。
17.權利要求12所述方法，其特徵在於，所述溶劑是全氟(2-丁基四氫呋喃)。
18.權利要求12所述方法，其特徵在於，所述固化步驟包括在約室溫至約100℃的溫度下乾燥塗敷的光學掩模。
19.權利要求12所述方法，其特徵在於，將無定形多氟烴聚合物溶液施塗到光學掩模表面的步驟包括旋塗、噴塗或液面塗敷。
20.進行影印石版印刷的方法，它包含以下步驟提供具有一層光致抗蝕劑的基底；將光學掩模置於光致抗蝕劑層和輻射源之間，所述光學掩模包括透明基底、位於所述基底上的掩模圖案和位於所述基底表面的無定形聚(氟碳)膜，和所述基底表面上的無定形多氟烴膜，其中所述掩模圖案確定了基底上的透光部分和不透光部分；使光致抗蝕劑層受到從光源到光學掩模之間的光輻照。
21.權利要求20所述方法，其特徵在於，所述輻射光的波長為248nm、193nm、157nm或13.5nm。
22.權利要求20所述方法，其特徵在於，所述光學掩模還包括光學表膜，所述光學表膜包含一個膜框和安裝在模框上面的光學膜，所述光學表膜位於基底表面上，這樣，聚(氟碳)膜就夾在圖案和光學表膜之間，來自光源的輻射在通過光學掩模之前就通過光學表膜。
全文摘要
介紹了用於光刻工藝的光學掩模，它在表面上含有保護性無定形聚(氟碳)膜，還描述了經塗敷光掩模版的製備方法，以及它們在光刻工藝中的應用。
文檔編號H01L21/027GK1549954SQ02817136
公開日2004年11月24日 申請日期2002年7月24日 優先權日2001年7月26日
發明者C·-B·王, C -B 王 申請人:微相科技股份有限公司