一种X射线曝光间隙控制方法

摘要

一种X射线曝光间隙控制方法，在X射线掩模的非窗口区域上制作台阶，所述台阶的制作工艺为：首先利用旋涂工艺在掩模上涂上所需厚度的光刻胶或其它聚合物，然后采用光刻工艺或刻蚀工艺在掩模上得到所需高度的台阶；将涂有光刻胶的样品放在夹具上，样品上的光刻胶面朝上，然后将有台阶的掩模放在所述样品上，使得掩模有图形的一面与光刻胶面相对；利用等厚干涉原理来判断掩模和样品之间的平行度，同时利用夹具来调节两者之间的平行度。本发明解决了X射线曝光中间隙难以控制、掩模与光刻胶的平行性难以保证的问题，同时实现对掩模的有效保护。

权利要求

1.一种X射线曝光间隙控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1，在X射线掩模的非窗口区域上制作台阶，所述台阶的制作工艺为：首先利用旋涂工艺在掩模上涂上所需厚度的光刻胶或其它聚合物，然后采用光刻工艺或刻蚀工艺在掩模上得到所需高度的台阶；

步骤2，将涂有光刻胶的样品放在夹具上，样品上的光刻胶面朝上，然后将有台阶的掩模放在所述样品上，使得掩模有图形的一面与光刻胶面相对；

步骤3，利用夹具将掩模与样品逐渐夹紧，利用等厚干涉原理来判断掩模和样品之间的平行度，同时利用夹具来调节两者之间的平行度。

2.根据权利要求1所述的一种X射线曝光间隙控制方法，其特征在于：所述步骤1中，光刻胶或其它聚合物的种类和厚度应根据X射线曝光工艺中所需要的间隙以及后续加工工艺来决定，厚度范围为1微米到50微米。

3.根据权利要求1所述的一种X射线曝光间隙控制方法，其特征在于：所述步骤1中，台阶的位置和形状根据掩模窗口的位置和形状来决定，可以在掩模窗口外的任何位置，不过台阶应该均匀地分布在窗口周围。

4.根据权利要求1或3所述的一种X射线曝光间隙控制方法，其特征在于：所述台阶的制作可以在掩模上纳米结构制作完成之后进行，也可以先于纳米结构的制作。

5.根据权利要求1所述的一种X射线曝光间隙控制方法，其特征在于：所述步骤3，利用等厚干涉原理来判断掩模和样品之间的平行度的具体步骤如下：(1)通过掩模窗口观察干涉条纹的个数和方向；

(2)通过衍射公式计算满足X射线曝光需求的掩模和样品之间的夹角，然后根据掩模窗口的大小利用公式来计算满足曝光需求的干涉条纹的个数；

(3)比较通过掩模窗口观察到的干涉条纹的个数和计算得到的条纹个数，如果观察到的条纹个数比计算得到的条纹个数多，则表明掩模和样品之间的夹角不能满足曝光需求，需要通过夹具来调节掩模和样品之间的夹角，同时观察干涉条纹的个数来判断调节终点；

如果观察到的条纹个数比计算得到的条纹个数少，则表明掩模和样品之间的夹角能够满足曝光需求，掩模和样品之间有很好的平行度，到达调节终点。

6.根据权利要求1所述的一种X射线曝光间隙控制方法，其特征在于：所述步骤1中的旋涂速度为1000转/分钟至4000转/分钟，旋涂时间为20秒至40秒。

说明书

一种X射线曝光间隙控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳加工中的曝光工艺，特别是涉及掩模为薄膜的X射线曝光工艺中的间隙控制方法。

背景技术

[0002] 曝光工艺是微纳加工中的关键工艺，微纳加工的精度取决于曝光工艺。曝光工艺中大多采用接近式曝光，即曝光过程中掩模和光刻胶表面保持一定的间隙。由于光的衍射，这个间隙会影响光学成像的质量。对于同样的掩模，不同的间隙会得到不同的图形转移精度，所以间隙控制技术是曝光工艺中至关重要的工艺环节。

[0003] X射线曝光工艺采用X射线作为光源，由于X射线具有波长短、穿透深度大的特点，非常合适制作大高宽比的纳米结构，在半导体器件和纳米光学元件的制作中有着广泛的应用，是一种不可替代的加工技术。考虑到衍射效应，对于波长为1nm的X射线，要获得100nm的曝光分辨率，掩模间隙应小于10μm。同时，由于X射线掩模使用的是薄膜材料，直接接触会导致掩模的破裂，曝光过程中掩模非常容易损坏。可以看出，在纳米结构的加工工艺中，间隙的控制要求更高。对于X射线曝光来说，间隙控制不仅影响到曝光图形的质量，同时还关系到掩模的使用寿命。

[0004] 曝光工艺过程中，常采用的间隙控制方法主要有两种。一种是在掩模和光刻胶之间添加一层薄膜材料作为间隙，使用较多的是聚合物或者弹性体。这种方法非常简单，但存在很多不足。商用薄膜材料大多只有固定的几种厚度，难以满足间隙控制的需要，而特别薄的薄膜由于自身的机械性能较差通常没有商用品；同时，薄膜材料容易卷曲，而且薄膜边缘由于加工会有较大形变难以保证其平整性，因此即使施加较大的压力也难以保证实现确定的间隙。而且，这种方法也无法保证掩模与光刻胶的平行性，可能会带来掩模与光刻胶间间隙各处不同，最终影响曝光图形的质量。另一种方法是采用可以精确控制位移的驱动器来控制间隙。这种方法是将样品与掩模分开装夹，它们接触时间隙为零，然后采用可以精确控制位移的驱动器来驱动样品与掩模分离，达到控制间隙的目的。商用的X射线曝光机中通常都采用这种方法来控制间隙，可以实现对间隙的连续、精确控制，如karl suss和canon等公司的X射线曝光机，可以实现掩模和光刻胶之间间隙(10μm～50μm)的精确控制，适合工业应用，但这种方法也存在着一定的问题。使用驱动器来控制间隙，不仅需要用于驱动的驱动器和控制器，还需要用于进行间隙实时探测的装置，通常采用激光干涉(J.Vac.Sci.Technol.，B11(6)，1993，p2888-2896)或光栅检测(Bulletin of the Japan Society of Precision Engineering，24，1990，p142-147)的方法来测量实际的间隙，整个系统复杂，设备成本高；同时，这种方法对于控制10μm以下的间隙比较困难，也不能保证掩模与光刻胶的平行性。

发明内容

[0005] 本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种X射线曝光间隙控制方法，以解决X射线曝光中间隙难以控制、掩模与光刻胶的平行性难以保证的问题，同时实现对掩模的保护。

[0006] 本发明的技术解决方案：X射线曝光间隙控制的方法，实现步骤如下：

[0007] 步骤1，在X射线掩模的非窗口区域上制作台阶，所述台阶的制作工艺为：首先利用旋涂工艺在掩模上涂上所需厚度的光刻胶或其它聚合物，然后采用光刻工艺或刻蚀工艺在掩模上得到所需高度的台阶；

[0008] 步骤2，将涂有光刻胶的样品放在夹具上，样品上的光刻胶面朝上，然后将有台阶的掩模放在所述样品上，使得掩模有图形的一面与光刻胶面相对；

[0009] 步骤3，利用等厚干涉原理来判断掩模和样品之间的平行度，同时利用夹具来调节两者之间的平行度。

[0010] 简单介绍一下等厚干涉原理：等厚干涉条纹是由同一方向的入射光在厚度不均匀的薄膜上产生的干涉条纹。如图1所示，当一束光入射到相互成一定小角度θ的两个薄膜上时，通过上下薄膜表面依次反射而产生两束光1和2，光束1，2在上薄膜表面产生干涉条纹。当两个薄膜相互平行后，干涉条纹就会消失。通过观测等厚干涉条纹的多少可以很容易来判断两个表面的平行度。

[0011] 工艺中，通过掩模窗口观测干涉条纹，根据窗口的大小和干涉条纹的多少来判断掩模和光刻胶之间的平行度。如果掩模和光刻胶之间的平行度会影响曝光的质量，就通过夹具来调节掩模与光刻胶之间的夹角，同时观测干涉条纹来判断平行度，直到窗口中干涉条纹的个数小于不影响曝光质量的干涉条纹数。掩模与光刻胶之间夹角的大小以及用于判断调节终点的干涉条纹数可以通过等厚干涉公式来计算。

[0012] 利用等厚干涉原理来判断掩模和样品之间的平行度的具体步骤如下：

[0013] (1)通过掩模窗口观察干涉条纹的个数和方向；

[0014] (2)通过衍射公式计算满足X射线曝光需求的掩模和样品之间的夹角，然后根据掩模窗口的大小利用公式来计算满足曝光需求的干涉条纹的个数；

[0015] (3)比较通过掩模窗口观察到的干涉条纹的个数和计算得到的条纹个数。如果观察到的条纹个数比计算得到的条纹个数多，则表明掩模和样品之间的夹角不能满足曝光需求，需要通过夹具来调节掩模和样品之间的夹角，同时观察干涉条纹的个数来判断调节终点；如果观察到的条纹个数比计算得到的条纹个数少，则表明掩模和样品之间的夹角能够满足曝光需求，掩模和样品之间有很好的平行度，到达调节终点。

[0016] 所述步骤1中，光刻胶或其它聚合物的种类和厚度应根据X射线曝光工艺中所需要的间隙以及后续加工工艺来决定。光刻胶和聚合物的种类非常多，相对应可实现的厚度范围很广，从几十纳米到几百微米都可以实现。相对应于X射线曝光的通常要求，为了获得较好的图形质量，间隙一般都不会大于50微米。受光衍射的影响，通常越精细的结构要求越小的间隙，但间隙太小时(比如小于1微米)，由于样品本身的不平整实际上不能真正实现间隙控制，所以通常厚度范围为1微米到50微米。

[0017] 所述步骤1中，台阶的位置和形状根据掩模窗口的位置和形状来决定。台阶的作用是为了避免掩模窗口上的图形与样品相接触，所以台阶可以做在掩模窗口外的任何位置，不过台阶应该均匀地分布在窗口周围；台阶形状也没有要求，只是为了避免对后面的真空过程带来影响，台阶图形最好不是封闭的。

[0018] 所述台阶的制作可以在掩模上纳米结构制作完成之后进行，也可以先于纳米结构的制作。

[0019] 所述步骤1中的旋涂速度为1000转/分钟至4000转/分钟，旋涂时间为20秒至40秒。

[0020] 本发明与现有的间隙控制技术相比优点在于：本发明在掩模上制作台阶，由于旋涂工艺可以保证光刻胶的平整度，所以通过曝光或刻蚀得到的台阶高度一致，最终的间隙与台阶高度比较接近，制作的台阶还可以防止掩模与样品上光刻胶相接触，起到保护掩模的作用；同时，本发明首次采用等厚干涉原理来判断掩模和样品光刻胶之间的平行度，克服了常用的控制方法的不足，可以减少不平行带来的曝光问题。本发明方法工艺简单，有效地解决了掩模和样品光刻胶之间的平行度并实现了固定间隙的控制，同时能够保护掩模，是X射线曝光技术的完善和拓展。

附图说明

[0021] 图1为等厚干涉原理示意图；

[0022] 图2为等厚干涉条纹示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合实例对X射线曝光的间隙控制的具体过程做进一步详细说明：

[0024] 实例1.1μm间隙的控制(聚合物材料、刻蚀工艺)

[0025] (1)1μm台阶的制作

[0026] 取氮化硅掩模一片(7.5mm×7.5mm的氮化硅片，3mm×3mm的薄膜窗口)，将其置于甩胶机上，滴上聚合物溶液PMMA 950，500转/分钟下旋转涂覆10秒，2000转/分钟下旋转涂覆30秒，然后将涂覆有PMMA的氮化硅掩模置于180度的热台上，烘烤90秒，烘干PMMA中的溶剂，得到厚度约为1μm的PMMA；将氮化硅掩模的3mm×3mm的窗口暴露出来，其它地方保护，利用反应离子刻蚀机进行刻蚀，刻蚀功率35瓦，氧流量30升/分钟，刻蚀3min，去除PMMA，在掩模的非窗口区域得到厚度约为1μm的聚合物台阶；

[0027] (2)将涂有光刻胶的样品放在夹具上，光刻胶面朝上；然后将有台阶的掩模放在样品上，使得掩模有图形的一面与光刻胶面相对；

[0028] (3)调节平整度

[0029] 利用夹具将掩模与样品逐渐压紧，观察干涉条纹的方向和个数并判断平整度。通过仔细调节夹具，使干涉条纹个数小于不影响曝光质量的干涉条纹数或消失，判断为掩模与样品平行，两者之间的间距应与聚合物台阶高度接近。

[0030] 实例2.10μm间隙的控制(光刻胶材料、曝光工艺)

[0031] (1)10μm台阶的制作

[0032] 取氮化硅掩模一片(7.5mm×7.5mm的氮化硅片，3mm×3mm的薄膜窗口)，将其置于甩胶机上，滴上光刻胶溶液AZ9260，500转/分钟下旋转涂覆10秒，1500转/分钟下旋转涂覆30秒，然后将涂覆有AZ9260的氮化硅掩模置于100度的热台上，烘烤10分钟，烘干AZ9260中的溶剂，得到厚度约为10μm的AZ9260光刻胶层；利用带有3mm×3mm或更大尺寸窗口的光学掩模对氮化硅掩模进行紫外曝光，使用g线曝光90秒，然后6‰的NaOH显影3分钟，去离子水漂洗1分钟，去除窗口的光刻胶，在掩模的非窗口区域得到厚度约为10μm的光刻胶台阶；。

[0033] (2)将涂有光刻胶的样品放在夹具上，光刻胶面朝上；然后将有台阶的掩模放在样品上，使得掩模有图形的一面与光刻胶面相对；

[0034] (3)调节平整度

[0035] 利用夹具将掩模与样品逐渐压紧，观察干涉条纹的方向和个数并判断平整度。通过仔细调节夹具，使干涉条纹个数小于不影响曝光质量的干涉条纹数或消失，判断为掩模与样品平行，两者之间的间距应与聚合物台阶高度接近。