第３１卷第２期光电工程Vol.31, No.2 ２００４年２月 Opto-Electronic Engineering Feb, 2004文章编号：１００３－５０１Ｘ（２００４）０２－０００８－０３
冯伯儒1，张锦1, 2，郭永康2
（１．中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 ６１０２０９；
２． 四川大学物理系， 四川 成都 ６１００６４）
摘要：激光干涉光刻不受传统光学光刻系统光源和数值孔径的限制，其极限尺寸ＣＤ达到曝光波长 的１／４，研究了波前分割双光束、三光束方法及四光束无掩模激光干涉光刻方法，提出了可用于五光束和多种多光束和多次曝光的梯形棱镜波前分割干涉光刻方法。用自行建立的梯形棱镜波前分割系统进行了多光束干涉曝光实验，得到孔尺寸约２２０ｎｍ的阵列图形。
关键词：干涉光刻；激光光刻；无掩模；波前分割
中图分类号：TN305.7 文献标识码：Ａ
Implementation Methods for Wave-Front Division in
Maskless Laser Interference Photolithography
FENG Bo-ru1, ZHANG Jin1,2, GUO Yong-kang2
(1. State Key Laboratory of Optical Technologies for Microfabrication, Institute of Optics
and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;
2. Department of Physics, Sichuan University, Chengdu 610064, China)
Abstract: Laser interference photolithography will not limited by light source and numerical aperture of the traditional optical lithographic system. Its limited size CD has attained 1/4 of the exposure wavelength. Wave-front division maskless laser interference photolithography with double-beam, three-beam and four-beam is studied. A wave-front division interference photolithographic method with trapezoid prism that can be applied to five-beam, a lot of multi-beam and multi-exposure is proposed.
Multi-beam interference exposure experiments have been carried out by a self established wave-front division system with trapezoid prism and array patterns with about 220nm hole size have been obtained.
Key words: Interferometric lithography; Laser lithography ; Maskless ; W avefront division
引言
传统光学光刻一般均采用掩模投影成像分步重复光刻技术产生IC图形。随着高集成度IC器件需求的不断增加，提高光刻分辨力就成为光刻的主要任务。目前采用波前工程光刻技术，如相移掩模(PSM)、离轴照明(OAI)、光学邻近效应校正(OPC)及光瞳滤波等已使光学光刻分辨力达到100nm左右，而且还在不断往更小尺寸推进。但是采用透镜成像的光学光刻的分辨力受到曝光波长和成像系统数值孔径的限制，进一步推进光刻极限更加困难。所谓“下一代”光刻技术，如电子束、离子束、极紫外和X射线光刻等不断出现，但离实用化尚远。无掩模激光干涉光刻技术采用相干光束干涉和多次曝光可方便产生周期图形阵列，对应用于大尺寸光电子器件和微电子器件制造有广阔的应用前景。本文重点讨论用于无掩模激光干涉光刻的波前分割方法和系统。
２００４年２月 冯伯儒 等：波前分割无掩模激光干涉光刻的实现方法 9１ 干涉光刻的基本原理
干涉光刻技术采用两束或多束相干激光束的干涉图形对抗蚀剂曝光，以产生微细图形。可采用一次曝光
和多次曝光产生光栅、孔阵、点阵、柱阵等周期图形，图形周期可通过改变相干光束夹角或多光束曝光实现。对于相对于抗蚀剂基片平面法线成＋θ和－θ角的双光束曝光，得到的光栅周期为
θλsin 2/d = (1)
式中 λ——曝光波长。由式（1）可见，当θ趋于90°时，d 趋于λ/2。对于等线/间图形，则临界尺寸CD 趋于λ/4。这样高的分辨力是传统光刻难以达到的。
几种干涉光刻的光强分布为[1]
双光束单曝光的光强分布 ()[]θsin 2cos 1202b kx I I +=
(2) 双光束双曝光的光强分布 )]si 2cos()sin cos(2[2202b 2b θθn ky kx I I ++=+ (3)
四光束单曝光的光强分布 }
{])sin (2cos[])sin (2cos[)sin cos(2)sin 2cos(2224b θθθθy x k y x k ky kx A I ++−+++= (4)
五光束单曝光的光强分布
1)]}(cos )]cos[sin cos()sin 4[cos()sin )cos(sin cos(8)sin 22cos()si 2cos(25{25b −+++++=θθθθθθθkz ky k
x ky kx ky n kx A I (5) ２ 波前分割无掩模激光干涉光刻方法
在无掩模激光干涉光刻中，用光束干涉产生图形，因此需对来自激光器的
光束进行分束。一般采用波前分割和振幅分割[2]方法。这里研究采用前者的干
涉光刻方法和系统。
２．１ 波前分割双光束干涉光刻
双光束与双光束对干涉光刻相对来说较易实现。图1所示为一种波前分割
双光束干涉多曝光系统[3]。一部分光束直接照在可转动的抗蚀剂硅片A 上，另
一部分光则由反射镜M 反射后照在硅片上，两束光产生干涉。当第一次曝光后，
硅片绕其中心法线转动90o 后，再进行第二次曝光，则为双曝光对干涉，可产
生正交光栅，即网格阵列。
２．２ 波前分割三光束干涉光刻
三光束干涉曝光方法可分为两种，一种是三束光的入射平面为同
一平面，即处于同一平面内的三束光，一束垂直于基片入射，另两束
则相对于垂直光束以＋θ 和－θ 角入射。由于有垂直入射光，经分
析光强分布与光轴坐标z 有关，因此放置抗蚀剂基片时，需沿z 移动，
以寻求最佳调焦位置进行曝光；另一种则为光强分布与z 无关的三光
束干涉曝光，此时无垂直入射光束，三光束均射向坐标原点，平行于
基片的平面与三光束的交点构成等边三角形，三光束的入射角相等。
图2示出一种波前分割三光束形成方法。
来自激光器L 的激光束经反射镜M 0，M 反射后由扩束准直空间
吴亦凡被激光笔照射
滤波系统后成为大口径平行光束，经三个反射镜M 1，M 2和M 3反射
向抗蚀剂基片，并在基片上重迭产生干涉。调整M 1，M 2和M 3的位
置和方向，可以实现上述两种三光束干涉光刻。
２．３ 波前分割四光束干涉光刻 四光束一次曝光干涉光刻采用的四束平面波中，两束光的入射面与ｘ轴垂直，另两束光的入射面与ｙ轴垂直。每个入射面内的两光束关于记录面法线成＋θ 和－θ 角。同样可采用振幅分割和波前分割方法分束。图３示出一种ＥＵＶ四光束干涉系统[4]。极紫外（ＥＵＶ）光源为同步辐射源。束线照在掩模上，掩模图形
图1 双光束波前分割多曝光系统 Fig.1 Multi- exposure system with double-beam divided by
wave-front
光电工程 第３１卷第２期 10 含有四组线光栅图形。来自光栅的一级衍射光束重新复合形成两维干涉图形，为一个相对于衍射光栅转动45的正方形网格，其周期等于原始线光
栅周期的1/2倍（即0.707倍）。EUV
透射光栅制作在硅片上的100nm 厚的
Si 3N 4膜上。用热蒸镀方法在Si 3N 4膜上
镀上40－70nm 厚的Cr 膜。然后在样品
上旋转涂上70nm 厚PMMA 抗蚀剂膜。
用电子束曝光制作光栅图形。显影后，
用反应离子刻蚀(RIE)工艺把图形传递
进Cr 层。之所以选用Cr ，是由于Cr 在
EUV 波段，即使用相对薄的膜也能提供
相当好的衍射效率。
干涉图形记录用UV6抗蚀剂。通过选择所用光栅的周期和相对光栅之
间的距离可避免不需要的衍射级的干涉。用λ= 13.4nm ，带宽%.10=∆λλ的
EUV 光源，θ =7.7的干涉光刻可得到50nm 周期图形。
２．４ 波前分割五光束干涉光刻
我们提出的波前分割梯形棱镜多用途干涉光刻系统[5]，如图4。图中采
用五棱镜作为折光元件，棱镜迎光面有一个顶面和四个斜面。用这些面去
分割尺寸较大的光束波前。顶面的入射光束直接透过形成光束①，四侧面
使入射光束偏折为光束②, ③, ④, ⑤。通过采用选择性挡光和转动抗蚀
剂基片的方法，用该系统可实现双光束、双光束对、三光束、三光束对、
四光束和五光束曝光。 ３ 实验及结果
采用我们提出的如图4所示的梯形棱镜波前分割干涉光刻系统进行
了无掩模干涉光刻实验。曝光光源为波长是441.6nm 的He-Cd 激光器，经
过扩束准直和空间滤波形成的大口径平行激光束入射到梯形棱镜上，并挡
掉棱镜顶面的光，故在抗蚀剂基片7上形成四光束干涉图形。所用抗蚀剂
为Shipley S1830型，显影剂为Shipley MF-319型。得到的抗蚀剂孔阵图
形的扫描探针显微镜照片示于图5。图中孔尺寸约为220nm 。
结束语
干涉光刻技术不用掩模，不用昂贵的短波长光源和成像透镜，就可以
产生纳米尺寸图形，虽然可用大量次数的曝光得到任意图形阵列，但相当
困难。因此一般用于周期图形阵列的产生，这在大屏幕显示器，光电子器件、微电子器件等领域有广阔的应用前景。目前正研究的成像干涉光刻技术，则可用于产生高分辨任意图形。
参考文献：
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[4] Solak H H, David C, Gobrecht J,et al. Four-wave EUV interference lithography[J]. Microelectronic Engineering. 2002, 61－62:
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[5] 冯伯儒，张 锦, 等，一种干涉光刻多光束形成系统[P]. 中国专利，ZL00244922.6.
图3 同步辐射源ＥＵＶ 四光束干涉光刻系统 Fig.3 Four-beam EUV interference photolithography formed by synchrotron radiation source
图4 波前分割多用途 梯形棱镜干涉光刻系统 Fig.4 A multi-purpose wave-front division interference photolithographic
system with trapezoid prism
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