專利名稱：投影式斜坡曝光光刻機裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻領(lǐng)域，尤其涉及投影式斜坡曝光光刻機裝置及方法。
背景技術(shù)：
微電子機械系統(tǒng)(MEMS:Micro-electro-mechanical-system)的三類主流工藝是表面硅加工工藝、體硅加工工藝、以LIGA為代表的三維非硅材料加工工藝。第一， “LIGA”是德語單詞Lithographiejalvanoformung，Abformung的縮寫，它包括同步輻射光亥丨J、微電鑄、微塑鑄三個過程。LIGA技術(shù)是80年代初由德國Karlsruhe原子核研究中心首先提出并發(fā)展起來的。其特點是微結(jié)構(gòu)可做到很大的縱向深度，高深寬比，而且精度高，平行度好。但X射線源的實際利用率低，注塑復(fù)制時的速度受到很大的影響，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，而且其設(shè)備龐大和昂貴，用于光刻的掩模版制備相當(dāng)困難而且制作周期長，導(dǎo)致新產(chǎn)品的開發(fā)要經(jīng)過一個相當(dāng)漫長的過程，在工業(yè)化大生產(chǎn)上受到很大的限制。第二，體硅加工工藝是一種典型的微機械加工方法。為了形成完整的微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)上還用到鍵合或粘結(jié)技術(shù)。將硅的鍵合技術(shù)和體硅加工方法結(jié)合起來，是利用體硅工藝實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的一大特色。它使得可活動的部位加大，MEMS器件分辨率和靈敏度等性能得以提高。但是體硅加工工藝過程比硅表面加工要復(fù)雜，體積大而且成本高。第三，表面硅工藝采用與集成電路工藝相似的表面加工手段，以單晶硅或多晶硅薄膜來制作機械結(jié)構(gòu)。采用的工藝方法包括外延、滲雜、濺射、化學(xué)氣相沉積、光刻、氧化等。該方法缺點是立體結(jié)構(gòu)不如前兩種強。但優(yōu)點是沿用許多IC工藝，工藝成熟，產(chǎn)率高成本低。因此表面硅技術(shù)是最容易產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。采用表面硅工藝時候，典型的一道程序為光刻。為了能夠加工各種復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，工藝上對傳統(tǒng)的IC光刻提出了更多的要求，包括大焦深、斜面曝光、斜坡曝光等等。大焦深方便加工高深寬比的器件，斜面曝光可以加工傾斜的立體結(jié)構(gòu)，斜坡曝光則可以在斜坡上加工器件，節(jié)約面積。對于斜面曝光，采用傳統(tǒng)的Mask Aligner的接觸式或接近式曝光即可，只需要傾斜掩模和基底，或傾斜平行照明光即可實現(xiàn)(如美國專利 US2007/0003839A1中所公開的)(如圖1所示)。對于大焦深，可以在投影光刻機上減小物鏡NA和增大CD實現(xiàn)。但是，對于斜坡曝光(如圖3所示的本發(fā)明涉及的斜坡曝光)，傳統(tǒng)上采用激光在坡度上加工，精度不高，或者采用X射線、電子束或離子束刻蝕(如“激光刻蝕技術(shù)的應(yīng)用”，南開大學(xué)王宏杰等，紅外與激光工程，2004年10月，33卷第5期；“電子束曝光微納加工技術(shù)”，出版社北京工大，ISBN:9787563913008，出版日期:2004-07-01 ；以及“Focused Ion Beam fabricationof large and complex nanopatterns", 0. Wilhelmi, L. Roussel, P. Anzalone,D. J. Stokes,P. Faber,S. Reyntjens, FEI Company,PO Box 80066, 5600 KA Eindhoven, The Netherlands ；等)，或LIGA方法，成本高，產(chǎn)率很低，嚴(yán)重影響產(chǎn)業(yè)化。因為坡度高度常常高達(dá)幾百微米，Mask Aligner的衍射效應(yīng)難以消除，所以難以用接近式曝光實現(xiàn)；而對于傳統(tǒng)的投影式光刻機，因為坡度較大( 0. Olrad-Irad)，工件臺掩模臺難以傾斜如此大的角度，所以也難以實現(xiàn)，另外，有US6866976B2的專利采用改變劑量分布和掩模標(biāo)記分布的方法來實現(xiàn)斜坡曝光(如圖2所示)，該方法操作十分困難。針對傳統(tǒng)光刻機難以實現(xiàn)斜坡曝光的缺點，本發(fā)明提出了一種改進型的投影式光刻機，不僅可以進行傳統(tǒng)的平面曝光，還能實現(xiàn)斜坡曝光，從而利用斜坡做一部分結(jié)構(gòu)，節(jié)約基底面積，使得MEMS器件體積更小。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)光刻機的上述缺點，本發(fā)明提出了一種投影式斜坡曝光光刻機，沿光傳播方向依次包括照明系統(tǒng)，用以出射一光束；掩模，該掩模上形成有標(biāo)記圖案，該光束照射該掩模上的標(biāo)記圖案產(chǎn)生包含有該標(biāo)記圖案信息的出射光；傾斜光學(xué)鏡組；物鏡；以及基底，該基底具有斜坡；其中，該出射光經(jīng)該傾斜光學(xué)鏡組、該物鏡在該基底斜坡上方形成斜坡空間像，并利用該斜坡空間像對該基底斜坡進行曝光。其中，傾斜光學(xué)鏡組為楔形玻璃。其中，傾斜光學(xué)鏡組為透鏡或透鏡組。其中，該掩模的標(biāo)記圖案經(jīng)該傾斜光學(xué)組鏡成斜坡空間像，且該斜坡空間像的水平分量或垂向分量存在偏移、縮放。其中，還包括用于承載該掩模的掩模臺。其中，還包括用于承載該基底的工件臺。其中還包括置于該工件臺上的用于工件臺對準(zhǔn)測量的傳感器。其中，該照明系統(tǒng)包括用于限制視場大小的狹縫。其中，該物鏡的放大倍率為1倍。本發(fā)明還提出了一種投影式斜坡曝光光刻機，沿光傳播方向依次包括照明系統(tǒng)，用以出射一光束；掩模，該掩模上形成有標(biāo)記圖案，該光束照射該掩模上的標(biāo)記圖案產(chǎn)生包含有該標(biāo)記圖案信息的出射光；物鏡；傾斜光學(xué)鏡組；以及基底，該基底具有斜坡；其中，該出射光經(jīng)該物鏡、該傾斜光學(xué)鏡組在該基底斜坡上方形成斜坡空間像，并利用該斜坡空間像對該基底斜坡進行曝光。其中，該掩模的標(biāo)記圖案經(jīng)該傾斜光學(xué)組鏡在該基底表面上方成斜坡空間像，且該斜坡空間像的水平分量或垂向分量存在偏移、縮放。其中，傾斜光學(xué)鏡組為楔形玻璃。其中，傾斜光學(xué)鏡組為透鏡或透鏡組。其中，還包括用于承載該掩模的掩模臺。
其中，還包括用于承載該基底的工件臺。其中，還包括置于該工件臺上的用于工件臺對準(zhǔn)測量的傳感器。其中，該照明系統(tǒng)包括用于限制視場大小的狹縫。其中，該物鏡的放大倍率為1倍。利用上述光刻機進行斜坡曝光的方法，包括下述步驟(1)根據(jù)基底上需要曝光的斜坡的位置、范圍、高度和傾斜角度，計算所需要增加的傾斜光學(xué)鏡組的形狀尺寸和安裝位置，以及掩模補償量；(2)根據(jù)計算結(jié)果，制作用于斜坡曝光的具有標(biāo)記圖案的掩模和傾斜光學(xué)鏡組；(3)在投影式光刻機中，掩模面下或基底面上安裝傾斜光學(xué)鏡組，并上載該用于斜坡曝光的掩模；(4)調(diào)整照明狹縫，使得照明視場位置和大小變化，照明該掩模的標(biāo)記圖案；(5)采用工件臺對準(zhǔn)測量傳感器，測量該標(biāo)記圖案的斜坡空間像的三維位置；(6)根據(jù)測量結(jié)果計算該斜坡空間像坡度和該斜坡空間像中各組標(biāo)記圖案之間的距離，然后調(diào)整傾斜光學(xué)鏡組，并重新測量空間像位置，直到該坡度和各組標(biāo)記圖案之間的距離達(dá)到最佳；(7)該基底對準(zhǔn)后，調(diào)整需要斜坡曝光的該基底斜坡到所測量的斜坡空間像位置， 對該基底斜坡進行曝光；(8)下該基底，顯影，并做后續(xù)工藝處理。相比傳統(tǒng)的激光、X射線、電子束、離子束等直寫式方法，本發(fā)明的裝置及相應(yīng)的方法具有產(chǎn)率高，成本低等一系列優(yōu)點。


圖1-2為現(xiàn)有技術(shù)的斜坡曝光的示意圖；圖3所示為本發(fā)明所需解決的斜坡曝光示意圖；圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的光刻機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5所示為楔形玻璃的各平面折射成像原理圖；圖6所示為本發(fā)明使用的楔形玻璃的成像示意圖；圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的光刻機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8所示為利用本發(fā)明的裝置進行斜坡曝光的流程圖。
具體實施例方式下面，結(jié)合附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例。為了便于描述和突出顯示本發(fā)明，附圖中省略了現(xiàn)有技術(shù)中已有的相關(guān)部件，并將省略對這些公知部件的描述。本發(fā)明在掩模后或基底前增加額外的光學(xué)鏡組，使得基底面的掩模像產(chǎn)生傾斜， 圖4和圖7是根據(jù)本發(fā)明的投影式斜坡曝光光刻機的優(yōu)選實施例。需要注意的是，本發(fā)明所指的像是衍射光或其反向延長線匯聚所成的實像或虛像，下同。以下實施例中，所用基底采用硅片為例子進行闡述，且該硅片具有斜坡。第一實施方式圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的投影式斜坡曝光光刻機裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置依次包括具有光源1、前照明鏡組2、用于限制視場大小的狹縫3、后照明鏡組4的照明系統(tǒng)，掩模6，掩模臺7，傾斜光學(xué)鏡組8(本實施例中為楔形玻璃，其典型例子為棱鏡)， 物鏡9，工件臺13和工件臺對準(zhǔn)測量傳感器10。圖5所示為透過掩模的光經(jīng)過楔形玻璃兩個表面分別成虛像的原理圖。如圖 5(a)，光路從光疏介質(zhì)空氣進入光密介質(zhì)玻璃時候，掩模圖案(Object)可分解為平行介質(zhì)表面的物和垂直介質(zhì)表面的物分別折射成像，然后垂向像和水平像可組成實際的掩模像。 從圖5(a)中可以看出，水平像像距比物距遠(yuǎn)，但是無縮放和傾斜現(xiàn)象，而垂向像不僅像距比物距遠(yuǎn)，而且成放大像和傾斜像，因此，實際掩模像也為像距比物距遠(yuǎn)的放大像和傾斜像。同理，如圖5(b)，光路從光密介質(zhì)玻璃進入光疏介質(zhì)空氣時候，掩模圖案(Object)可分解為平行介質(zhì)表面的物和垂直介質(zhì)表面的物分別折射成像，然后垂向像和水平像可組成實際的掩模像。從圖5(b)中可以看出，水平像像距比物距近，但是無縮放和傾斜現(xiàn)象，而垂向像不僅像距比物距近，而且成縮小像和傾斜像，因此，實際掩模像也為像距比物距近的縮小像和傾斜像。圖6所示為掩模衍射光經(jīng)過楔形玻璃兩個表面同時成虛像的原理圖，本圖是圖 5(a)和圖5(b)兩個表面折射的合成結(jié)果。如圖6所示，掩模標(biāo)記(Object)經(jīng)過楔形玻璃上表面(Surfacel)，成放大傾斜像Imagel (因為本例中掩模面和上表面近似平行，所以Imagel近似無傾斜的像)，Imagel再經(jīng)過楔形玻璃下表面(SurfaCe2)，成縮小傾斜像Image2.因此，Image2為掩模標(biāo)記經(jīng)過楔形玻璃的像，該像相對于掩模面產(chǎn)生了一定的傾斜、縮放、水平和垂向偏移，設(shè)計時候確定楔形玻璃上下表面的角度，該角度通常在 5-60度范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際需要進行選擇，在本實施例中選取15度， 并且適當(dāng)調(diào)整楔形玻璃的安裝角度，可以使得傾斜角度滿足斜坡曝光的要求，并且縮放最小——如果縮放不能達(dá)到要求，則調(diào)整所設(shè)計用于斜坡曝光掩模標(biāo)記的距離補償該誤差，或如果物鏡可調(diào)整倍率，可調(diào)整物鏡倍率校正該誤差。如圖4，掩模圖案經(jīng)過楔形玻璃成傾斜、水平和垂向偏移、縮放的像5，再經(jīng)過物鏡 (1倍物鏡)，在硅片平面附近也成傾斜、水平和垂向偏移、縮放的像12，其中縮放經(jīng)過合適設(shè)計和補償達(dá)到最小，傾斜角度達(dá)到斜坡曝光的要求，水平和垂向偏移經(jīng)過計算得到初始值并經(jīng)過掩模對準(zhǔn)或曝光校正得到準(zhǔn)確值。采用該空間像可對硅片進行斜坡曝光。第二實施方式圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的投影式斜坡曝光光刻機裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置依次包括具有光源21、前照明鏡組22、用于限制視場大小的狹縫23、后照明鏡組 24的照明系統(tǒng)，掩模沈，掩模臺27，物鏡四，傾斜光學(xué)鏡組(本實施例中為楔形玻璃)28, 工件臺213和工件臺對準(zhǔn)測量傳感器210。本實施例中的楔形玻璃玻璃位于工件臺和物鏡之間。根據(jù)光路可逆原理，在掩模面和硅片面之間的光路可逆，因此，與圖4所示實施例類似，本裝置能使得掩模圖案衍射光線經(jīng)過物鏡(1倍物鏡)成無傾斜、無水平和垂向偏移、無縮放的像，再經(jīng)過楔形玻璃，在硅平面211附近也成傾斜、平移、水平和垂向偏移、縮放的像 212。其縮放經(jīng)過合適設(shè)計和掩模補償達(dá)到最小，傾斜角度達(dá)到斜坡曝光的要求，水平和垂向偏移經(jīng)過計算得到初始值并經(jīng)過掩模對準(zhǔn)曝光校正得到準(zhǔn)確值。采用該空間像可對硅片進行斜坡曝光。圖8所示為圖4和圖7兩個裝置的使用方法，具體步驟如下
根據(jù)需要曝光的斜坡的位置、范圍、高度和傾斜角度，計算所需要增加的傾斜光學(xué)鏡組的形狀尺寸和安裝位置，以及掩模補償量等。根據(jù)計算結(jié)果，定做專用于斜坡曝光的具有標(biāo)記圖案的掩模和傾斜光學(xué)鏡組。在投影式光刻機中，掩模面下或硅片面上安裝傾斜光學(xué)鏡組，并上載專用于斜坡曝光的掩模。調(diào)整照明狹縫，使得照明視場位置和大小變化，照明于該掩模的標(biāo)記圖案。采用工件臺對準(zhǔn)測量傳感器，測量該標(biāo)記圖案的斜坡空間像的三維位置。根據(jù)測量結(jié)果計算空間像坡度和空間像中各組標(biāo)記圖案之間的距離，然后適當(dāng)調(diào)整傾斜光學(xué)鏡組，并重新測量空間像位置，直到坡度和各組標(biāo)記圖案之間的距離達(dá)到最佳。硅片對準(zhǔn)后，調(diào)整需要斜坡曝光的硅片區(qū)域到所測量的斜坡空間像位置，對斜坡進行曝光。下硅片，顯影，并做后續(xù)工藝處理。盡管本發(fā)明只給出了楔形玻璃作為傾斜光學(xué)鏡組的實施例，但是包括凹凸透鏡或透鏡組在內(nèi)的其它專門加工或組合用于傾斜掩模像的光學(xué)器件也可被用作本發(fā)明中的傾斜光學(xué)鏡組。本說明書中所述的只是本發(fā)明的幾種較佳具體實施例，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過邏輯分析、 推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種投影式斜坡曝光光刻機，沿光傳播方向依次包括 照明系統(tǒng)，用以出射一光束；掩模，該掩模上形成有標(biāo)記圖案，該光束照射該掩模上的標(biāo)記圖案產(chǎn)生包含有該標(biāo)記圖案信息的出射光； 傾斜光學(xué)鏡組； 物鏡；以及基底，該基底具有斜坡；其中，該出射光經(jīng)該傾斜光學(xué)鏡組、該物鏡在該基底的斜坡上方形成斜坡空間像，并利用該斜坡空間像對該基底的斜坡進行曝光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機，其中，傾斜光學(xué)鏡組為楔形玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機，其中，傾斜光學(xué)鏡組為透鏡或透鏡組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機，其中，該掩模的標(biāo)記圖案經(jīng)該傾斜光學(xué)組鏡成斜坡空間像，且該斜坡空間像的水平分量或垂向分量存在偏移、縮放。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機，還包括用于承載該掩模的掩模臺。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機，還包括用于承載該基底的工件臺。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光刻機，還包括置于該工件臺上的用于工件臺對準(zhǔn)測量的傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機，其中，該照明系統(tǒng)包括用于限制視場大小的狹縫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一個的光刻機，其中，該物鏡的放大倍率為1倍。
10.一種投影式斜坡曝光光刻機，沿光傳播方向依次包括 照明系統(tǒng)，用以出射一光束；掩模，該掩模上形成有標(biāo)記圖案，該光束照射該掩模上的標(biāo)記圖案產(chǎn)生包含有該標(biāo)記圖案信息的出射光； 物鏡；傾斜光學(xué)鏡組；以及基底，該基底具有斜坡；其中，該出射光經(jīng)該物鏡、該傾斜光學(xué)鏡組在該基底斜坡上方形成斜坡空間像，并利用該斜坡空間像對該基底斜坡進行曝光。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機，其中，該掩模的標(biāo)記圖案經(jīng)該傾斜光學(xué)組鏡在該基底表面上方成斜坡空間像，且該斜坡空間像的水平分量或垂向分量存在偏移、縮放。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的光刻機，其中，傾斜光學(xué)鏡組為楔形玻璃。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的光刻機，其中，傾斜光學(xué)鏡組為透鏡或透鏡組。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光刻機，還包括用于承載該掩模的掩模臺。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光刻機，還包括用于承載該基底的工件臺。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光刻機，還包括置于該工件臺上的用于工件臺對準(zhǔn)測量的傳感器。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光刻機，其中，該照明系統(tǒng)包括用于限制視場大小的狹縫。
18.根據(jù)權(quán)利要求10-17中任意一個的光刻機，其中，該物鏡的放大倍率為1倍。
19.利用權(quán)利要求1-18所述的光刻機進行斜坡曝光的方法，包括下述步驟(1)根據(jù)基底上需要曝光的斜坡的位置、范圍、高度和傾斜角度，計算所需要增加的傾斜光學(xué)鏡組的形狀尺寸和安裝位置，以及掩模補償量；(2)根據(jù)計算結(jié)果，制作用于斜坡曝光的具有標(biāo)記圖案的掩模和傾斜光學(xué)鏡組；(3)在投影式光刻機中，掩模面下或基底面上安裝傾斜光學(xué)鏡組，并上載該用于斜坡曝光的掩模；(4)調(diào)整照明狹縫，使得照明視場位置和大小變化，照明該掩模的標(biāo)記圖案；(5)采用工件臺對準(zhǔn)測量傳感器，測量該標(biāo)記圖案的斜坡空間像的三維位置；(6)根據(jù)測量結(jié)果計算該斜坡空間像坡度和斜坡空間像中各組標(biāo)記圖案之間的距離， 然后調(diào)整傾斜光學(xué)鏡組，并重新測量空間像位置，直到該坡度和各組標(biāo)記圖案之間的距離達(dá)到最佳；(7)該基底對準(zhǔn)后，調(diào)整需要斜坡曝光的該基底斜坡到所測量的斜坡空間像位置，對該基底斜坡進行曝光；(8)下該基底，顯影，并做后續(xù)工藝處理。
全文摘要
一種投影式斜坡曝光光刻機，依次包括具有用于限制視場大小的狹縫的照明系統(tǒng)，掩模，傾斜光學(xué)鏡組，物鏡，基底，其中，該掩模上的標(biāo)記圖案經(jīng)過傾斜光學(xué)鏡組、該物鏡在基底上方形成斜坡空間像，利用該斜坡空間像對該基底進行斜坡曝光。
文檔編號G03F7/20GK102540748SQ20101060631
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者張俊, 聞人青青, 陳勇輝 申請人:上海微電子裝備有限公司