光刻機的製作方法
2023-05-13 20:13:26 1
專利名稱：光刻機的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體領域，特別涉及一種光刻機。
背景技術：
伴隨著集成電路的關鍵尺寸做的越來越小，集成電路產業面臨越來越多的挑戰， 所面臨的重要挑戰之一是光刻關鍵尺寸已經接近光刻機的極限解析度。半導體產業界一直致力於延長光學光刻平臺的壽命，多種解析度增強技術和光學臨近修正技術已經得到了業界的普遍應用。其中雙重圖形化技術和高折射率浸沒式光刻技術已成為目前業界32納米主流解決方案。半導體業界也著力於研發新架構和新概念的光刻平臺，目前主流的開發方向有極紫外線曝光(EUV)和電子束直寫等。但是新的光刻平臺要達到規模化商用量產都還面領著諸多問題，例如極紫外線曝光技術面臨著高能量的光源供應和低產率等諸多問題等待解決；而電子束直寫機臺的產率過低和穩定性不足等缺陷也使得其距離工業化量產還有很遠的距離。結合以上的舉例可以看出，新一代的光刻平臺的開發方向目前都有自身難以克服的障礙和缺陷。光刻機解析度R = kl*X/NA，其中kl為工藝因子，跟工藝、機臺、掩膜板相關的一個因子，通常在0. 5左右。通過工藝改善和機臺改善可以降低Kl工藝因子，從而增強光刻機解析度。λ為光源波長，NA為數值孔徑，數值孔徑NA由物體與物鏡間媒質的折射率η與物鏡孔徑角的一半(a/2)的正弦值的乘積，其大小由下式決定NA = n*Sin a/2，孔徑角又稱「鏡口角」，是物鏡光軸上的物體點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度。孔徑角越大， 進入物鏡的光通亮就越大，它與物鏡的有效直徑成正比，與焦點的距離成反比。對於光刻機的解析度，光源越小，解析度越好；數值孔徑越大，解析度越好。目前高端光刻機的光源為波長為193nm的氟化氬雷射，更小的波長為157nm雷射已經被證明面臨諸多問題無法克服已經被業界放棄，所以目前光學光刻平臺的光源的雷射波長已經無法突破；而對於數值孔徑， 物鏡的物理尺寸越大，則數值孔徑越大，而局限於目前的鏡頭製造技術和數值孔徑的定義， 數值孔徑已經達到極限，藉助於新型的浸沒式曝光技術，數值孔徑已經能夠大於1，但是也已經接近於極限無法突破。現有技術的光刻機如圖1所示，包括光源101、掩膜板102和物鏡103，所述光源 101透過掩膜板102，由於掩膜板102上關鍵圖形的節距很小，發生狹縫衍射，產生0階光 (zero 0rder)，+/-l階光，+/-2階光等。光階的產生是光的衍射和光的幹涉等多種現象共同作用的結果，在物理學中有詳細的定義，這裡不再贅述。簡單來講，0階光定義光強即能量，與入射光角度一致，而+/-1階光，+/-2階光等定義圖形信息，其與0階光之間有一定夾角。根據光學衍射原理，掩膜板102上圖形節距越小，發生衍射的光與0階光的夾角越大； 光階越高，其與0階光的夾角越大。所以存在一定夾角的衍射光需要足夠大的物鏡103和數值孔徑來收集+/-1階光，+/"2階光等信息，才能夠將掩膜板102上的圖形分辨，至少要獲得0階光和+1階光或者-1階光才能將圖形分辨。在掩膜板102上圖形節距越做越小的情況下，衍射角度越來越大，而局限於物鏡103的數值孔徑已經到達極限，光學光刻機的解析度也已經達到了極限。如何繼續延長現有光學光刻平臺的壽命，繼續突破和延伸現有光學光刻平臺極限解析度是半導體產業界所著力研究的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種光刻機，以提高光刻機的解析度，延長光刻平臺的使用
壽命ο本發明的技術解決方案是一種光刻機，用於曝光矽片，所述光刻機從上往下依次包括光源、掩膜板、折射鏡單元和物鏡，所述折射鏡單元用於減小光源通過掩膜板發生衍射後的衍射光的衍射角度，其中所述折射鏡單元由至少一個稜鏡構成，所述折射鏡單元中的稜鏡折射率均大於1，且所述折射鏡單元中最靠近掩模板的稜鏡表面和最靠近物鏡的稜鏡表面均為平面。作為優選所述折射鏡單元包括第一稜鏡和第二稜鏡，其中所述第一稜鏡的上表面和第二稜鏡的下表面均為平面，第一稜鏡的下表面形狀和第二稜鏡的上表面形狀互補。作為優選所述第一稜鏡的截面呈倒三角形，所述第二稜鏡的截面呈V字型開口的矩形，所述倒三角形的頂角角度與V字型開口的角度相等。作為優選所述第一稜鏡的形狀為倒錐體，所述第二稜鏡的形狀為漏鬥柱。作為優選所述第一稜鏡和第二稜鏡都呈柱體。作為優選所述第一稜鏡的材料為CaF2或Si02。作為優選所述第二稜鏡的材料為CaF2或Si02。作為優選所述折射鏡單元包括一第三稜鏡，所述稜鏡的截面呈倒梯形。作為優選所述第三稜鏡的形狀為圓臺柱。作為優選所述第三稜鏡的材料為CaF2或Si02。與現有技術相比，本發明在現有的光刻機的掩膜板和物鏡之間增加一組折射率大於1的折射鏡單元，用於減小光源通過掩膜板發生衍射後的衍射光的衍射角度，在物鏡數值孔徑不變的情況下，提高光刻機的解析度，延長光刻平臺的使用壽命。
圖1是現有技術光刻機的結構示意圖。圖2是光從空氣進入玻璃界面發生折射的示意圖。圖3是本發明光刻機的第一實施例的結構示意圖。圖4是本發明第一實施例中高階光在第一稜鏡中的光線示意圖。圖5是本發明第一實施例中傳統照明方式下0階光在第一稜鏡和第二稜鏡中的光線示意圖。圖6a_6b是本發明第一實施例中兩組第一稜鏡和第二稜鏡的結構示意圖。圖7是本發明光刻機的第二實施例的結構示意圖。圖8是本發明第二實施例中衍射光在折射鏡單元中的光線示意圖。圖9是本發明第二實施例中折射鏡單元的結構示意圖。
具體實施例方式本發明下面將結合附圖作進一步詳述在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。其次，本發明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。一種光刻機，用於曝光矽片206，所述光刻機從上往下依次包括光源201、掩膜板 202、折射鏡單元和物鏡205，所述折射鏡單元用於減小光源201通過掩膜板202發生衍射後的衍射光的衍射角度，其中所述折射鏡單元由至少一個稜鏡構成，所述折射鏡單元中的稜鏡折射率均大於1，且所述折射鏡單元中最靠近掩模板202的稜鏡表面和最靠近物鏡205 的稜鏡表面均為平面。圖3示出了本發明光刻機的第一實施例的結構示意圖。請參閱圖3所示，在本實施例中，所述光刻機的折射鏡單元包括第一稜鏡203和第二稜鏡204，其中所述第一稜鏡203和第二稜鏡204的折射率都大於1，所述第一稜鏡203 的上表面2031和第二稜鏡204的下表面2042為平面，第一稜鏡203的下表面2032的形狀和第二稜鏡204的上表面2042的形狀互補。所述第一稜鏡203的截面呈倒三角形，所述第二稜鏡204的截面呈V字型開口的矩形，所述倒三角形的頂角角度與V字型開口的角度相等。所述第一稜鏡203的材料為CaF2或SiO2,所述第二稜鏡204的材料為CaF2或Si02。如圖6a所示，所述第一稜鏡203的形狀為倒錐體，所述第二稜鏡204配合經過第一稜鏡203的出射光線，所述第二稜鏡204的形狀為漏鬥柱。如圖6b所示，所述第一稜鏡 203呈柱體，所述第二稜鏡204配合經過第一稜鏡203的出射光線，所述第二稜鏡204也呈柱體。圖7示出了本發明光刻機的第二實施例的結構示意圖。請參閱圖7所示，所述光刻機的折射鏡單元包括一個橫截面呈倒梯形的第三稜鏡207，所述第三稜鏡207的材料為 CaF2或Si02，如圖9所示，所述第三稜鏡207的形狀為圓臺柱。本發明的折射鏡單元還可以是上下表面為平面且能夠對衍射光線起到收集作用的其它形狀的稜鏡，如多稜鏡或不同稜鏡的組合體等。所述光刻機的工作原理如下光源201通過掩膜板202，由於掩膜板202上的圖形節距和間隙很小，發生狹縫衍射；發生衍射後的衍射光產生0階光、+/-1階光和+/-2階光等高階光，其中高階光與 0階光之間存在一定夾角，物鏡不僅需要收集到0階光，至少還要收集到+/-1階光其中之一。
在第一實施例中，衍射光入射到第一稜鏡203的上表面，並在第一稜鏡203上表面 2031入射時和下表面2032出射時發生兩次折射；由於第一稜鏡203的折射率η大於1，即在第一稜鏡203上表面2031發生第一次折射時，光是從空氣進入第一稜鏡203的，如圖2所示，光從空氣進入玻璃界面發生折射示意圖；當入射光從空氣中射入玻璃界面後，根據折射原理，折射率n = sin α/sin β，由於玻璃的折射率η大於1，所以折射角β小於入射角 α，其中圖中虛線為界面法線。而在第一稜鏡203的下表面2032發生第二次折射時，光是從第一稜鏡203進入空氣，則折射角大於入射角。如圖4和圖5所示，在傳統照明模式下，即光源垂直入射掩膜板，衍射光經過第一稜鏡203的上下表面發生兩次折射後，第一稜鏡203的折射作用減小了透過掩膜板202發生衍射的兩側的高階衍射光的出射角度，即被折射後的高階衍射光與0階光之間的夾角變小；而垂直入射的0階光的光路上由於有相抵消的第二稜鏡204，所述0階光的出射角度不變，依然是垂直入射到物鏡205上。在環形照明模式下(圖中未示)，即光源201斜角度入射進入掩膜板202，穿過掩膜板202發生衍射後，0階光並不垂直入射到第一稜鏡203上表面2031，而是和1階光存在一定夾角並斜射入第一稜鏡203的上表面2031，此時第一稜鏡203的上表面2031邊緣對0 階光和1階光同時產生折射，並將0階光和1階光之間的夾角變小，折射後的0階光因入射角度的關係將不會入射到第二稜鏡204內，因此，在第一稜鏡203的上下表面發生兩次折射後，從第一稜鏡203下表面2032出射的衍射光的衍射角變小，直接入射到第二稜鏡204正下方的物鏡205上表面；衍射光之間的夾角變小，可以使物鏡205在最大數值孔徑不變的情況下捕獲更多的光學信息，從而提高光刻機的解析度。在第二實施例中，衍射光的傳播原理跟第一實施例的相同，如圖8所示，在傳統照明模式下，即光源垂直入射掩膜板，其中透過掩膜板202發生衍射的兩側的高階衍射光經過第三稜鏡207的上表面和側面時發生兩次折射後，第三稜鏡207的折射作用減小了高階衍射光的出射角度，即被折射後的高階衍射光與0階光之間的夾角變小；而垂直入射的0階光的光路上由於第三稜鏡207的上下表面都為平面，所述0階光的出射角度不變，依然是垂直入射到物鏡205上。在環形照明模式下(圖中未示)，即光源201斜角度入射進入掩膜板202，穿過掩膜板202發生衍射後，0階光並不垂直入射到第三稜鏡207上表面2071，而是和1階光存在一定夾角並斜射入第三稜鏡207的上表面2071，此時第三稜鏡207的上表面2071邊緣對 0階光和1階光同時產生折射，並將0階光和1階光之間的夾角變小，折射後的0階光因入射角度的關係將不會入射到第三稜鏡207的下表面2073，因此，0階光和1階光在第三稜鏡207的上表面2071和側表面2072發生兩次折射後，衍射光之間的夾角變小，可以使物鏡 205在最大數值孔徑不變的情況下捕獲更多的光學信息，從而提高光刻機的解析度。在光刻機掃描曝光過程中，折射鏡單元的位置保持不變；此過程中固定掩膜板 202的掩模臺(圖中未示)和放置矽片206的工件臺(圖中未示)保持同步移動和掃描，直到整片矽片206完成曝光；再進行後續的烘烤和顯影工藝，將掩膜板202上的圖形最終形成在矽片206上。本發明在現有的光刻機的掩膜板102和物鏡103之間增加一組折射率大於1的折射鏡單元，用於減小光源201通過掩膜板202發生衍射後的衍射光的衍射角度，在物鏡205 數值孔徑不變的情況下，提高光刻機的解析度，延長光刻平臺的使用壽命。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明權利要求的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種光刻機，用於曝光矽片，其特徵在於所述光刻機從上往下依次包括光源、掩膜板、折射鏡單元和物鏡，所述折射鏡單元用於減小光源通過掩膜板發生衍射後的衍射光的衍射角度，其中所述折射鏡單元由至少一個稜鏡構成，所述折射鏡單元中的稜鏡折射率均大於1，且所述折射鏡單元中最靠近掩模板的稜鏡表面和最靠近物鏡的稜鏡表面均為平面。
2.根據權利要求1所述的光刻機，其特徵在於所述折射鏡單元包括第一稜鏡和第二稜鏡，其中所述第一稜鏡的上表面和第二稜鏡的下表面均為平面，第一稜鏡的下表面形狀和第二稜鏡的上表面形狀互補。
3.根據權利要求2所述的光刻機，其特徵在於所述第一稜鏡的截面呈倒三角形，所述第二稜鏡的截面呈V字型開口的矩形，所述倒三角形的頂角角度與V字型開口的角度相等。
4.根據權利要求3所述的光刻機，其特徵在於所述第一稜鏡的形狀為倒錐體，所述第二稜鏡的形狀為漏鬥柱。
5.根據權利要求3所述的光刻機，其特徵在於所述第一稜鏡和第二稜鏡都呈柱體。
6.根據權利要求2所述的光刻機，其特徵在於所述第一稜鏡的材料為CaF2或Si02。
7.根據權利要求2所述的光刻機，其特徵在於所述第二稜鏡的材料為CaF2或Si02。
8.根據權利要求1所述的光刻機，其特徵在於所述折射鏡單元包括一第三稜鏡，所述稜鏡的截面呈倒梯形。
9.根據權利要求8所述的光刻機，其特徵在於所述第三稜鏡的形狀為圓臺柱。
10.根據權利要求8所述的光刻機，其特徵在於所述第三稜鏡的材料為CaF2或Si02。
全文摘要
本發明涉及一種光刻機，所述光刻機從上往下依次包括光源、掩膜板、折射鏡單元和物鏡，所述折射鏡單元用於減小光源通過掩膜板發生衍射後的衍射光的衍射角度，其中所述折射鏡單元由至少一個稜鏡構成，所述折射鏡單元中的稜鏡折射率均大於1，且所述折射鏡單元中最靠近掩模板的稜鏡表面和最靠近物鏡的稜鏡表面均為平面。本發明在現有的光刻機的掩膜板和物鏡之間增加一組折射率大於1的折射鏡單元，用於減小光源通過掩膜板發生衍射後的衍射光的衍射角度，在物鏡數值孔徑不變的情況下，提高光刻機的解析度，延長光刻平臺的使用壽命。
文檔編號G03F7/20GK102495536SQ20111045737
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者袁偉 申請人:上海集成電路研發中心有限公司