CN111781220A - 一种多功能同步辐射干涉曝光实验平台及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能同步辐射干涉曝光实验平台，沿光路走向依次包括同步辐射光源发生装置、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、孔径光阑、用于测量入射光强度的第一光电二极管、待测透射光栅、级选光阑以及透射图像接收装置，在所述级选光阑和所述透射图像接收装置之间设有多功能样品架，所述多功能样品架包括用于夹持样品的样品夹、第二光电二极管以及镂空观察孔，所述第二光电二极管与所述样品位于同一照射平面，所述透射图像接收装置对准所述镂空观察孔。本发明的多功能同步辐射干涉曝光实验平台及实验方法能够修正曝光时间来补偿曝光过程中光强波动所产生的影响，同时，可以实现衍射效率的快速测量以及极紫外光刻胶灵敏度性能的准确评估。
Description
技术领域
本发明涉及同步辐射软X射线干涉实验设备领域，更具体地涉及一种能够及时修正干涉曝光工艺参数、测量透射光栅衍射效率以及评估极紫外光刻胶灵敏度的多功能同步辐射干涉曝光实验平台及实验方法。
背景技术
同步辐射软X射线干涉光刻是利用两束或多束相干X光束的干涉条纹对光刻胶进行曝光的新型先进微、纳加工技术，可以开展几十甚至十几个纳米周期的纳米结构加工。在干涉曝光实验中，存在入射光强波动的情况，但目前的实验平台无法测量样品照射处的实际光强，因此在曝光过程中，无法及时修改曝光时间来应对照射处光强波动的影响。而在样品的上游和下游位置测得的光强数据没有在照射面获得的光强数据准确，如果能在曝光实验过程中准确评估入射光强变化情况，进而及时对曝光工艺中的曝光时间进行修改，就可以大幅改善曝光工艺的稳定性。
极紫外(EUV)光刻胶性能是EUV光刻技术发展的一项重要因素，准确地评估EUV光刻胶的灵敏度性能，在EUV光刻胶研发过程中发挥着至关重要的作用。在现有的评估EUV光刻胶灵敏度的实验平台中，光电二极管与样品不在同一照射平面，因而获得的实验数据准确性不高。
透射光栅是一种被广泛应用的色散类光学元件，对于透射光栅来说，衍射效率是一个非常重要的性能指标，对其的准确测量能够有效评价光栅的性能，从而改进光栅制作的工艺。此外，在同步辐射软X射线能量谱的定量测试以及干涉光刻、极紫外光刻胶的检测等方面，也需要对软X射线透过透射光栅后的各级衍射效率进行测量分析和研究，因此能够实时、快捷地测试在上述实验条件下透射光栅的衍射效率尤为重要。但现有的测量透射光栅衍射效率的方法是利用探测器在三维空间中扫描测量衍射光强度，该方法耗时长，且无法在同一干涉曝光实验平台中进行。
因此，需要设计一种多功能实验平台，既能够修正曝光时间，又能够准确评估EUV光刻胶灵敏度，同时还能够实时快速地测量透射光栅的衍射效率。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种多功能同步辐射干涉曝光实验平台及实验方法，能够及时修正干涉曝光工艺中的曝光时间，从而提高曝光工艺的稳定性，并能够准确评估极紫外光刻胶灵敏度，以及快速测量透射光栅的衍射效率。
本发明提供的一种多功能同步辐射干涉曝光实验平台，沿光路走向依次包括同步辐射光源发生装置、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、孔径光阑、用于测量入射光强度的第一光电二极管、待测透射光栅、级选光阑以及透射图像接收装置，在所述级选光阑和所述透射图像接收装置之间设有多功能样品架，所述多功能样品架包括用于夹持样品的样品夹、第二光电二极管以及镂空观察孔，所述第二光电二极管与所述样品位于同一照射平面，所述透射图像接收装置对准所述镂空观察孔。
进一步地，所述同步辐射光源发生装置为产生软X射线工作波段的入射光束的同步辐射软X射线发生装置。
进一步地，所述入射光束的能量范围为85～150eV。
进一步地，所述第一柱面反射镜与所述第二柱面反射镜的材质均为Si，且表面均镀有Au层。
进一步地，所述孔径光阑的面积小于入射光斑面积。
进一步地，所述孔径光阑为直径2mm的圆孔。
进一步地，所述级选光阑为正方形镂空窗口，其边长小于所述待测透射光栅最短边的长度。
本发明还提供一种软X射线干涉曝光时间的修正方法，包括：
步骤S11，提供如权利要求1-7任意一项所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，并打开所述同步辐射光源发生装置；
步骤S12，将所述多功能样品架上的镂空观察孔移动到光路位置上，利用所述透射图像接收装置对软X射线中余留的高次谐波进行实时成像；
步骤S13，根据所述透射图像接收装置的高次谐波成像，找到所述待测透射光栅的位置，然后移动所述级选光阑的位置，使所述级选光阑与所述待测透射光栅的中心重合对准；
步骤S14，移动所述多功能样品架，使所述多功能样品架上的第二光电二极管位于光路上，实时检测经过所述待测透射光栅的零级光光强I0；
步骤S15，根据所述测得的零级光光强，按照曝光时间与零级光光强乘积保持恒定的原则，修正相应的曝光时间。
本发明还提供一种软X射线能量段透射光栅衍射效率的测量方法，包括：
步骤S21，提供如权利要求1-7任意一项所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，并打开所述同步辐射光源发生装置；
步骤S22，所述同步辐射光源发生装置产生的软X射线工作波段的入射光束依次经过所述第一柱面反射镜、第二柱面反射镜以及孔径光阑后，直接照射到所述第一光电二极管，测量到软X射线入射光束的光强，然后乘以所述级选光阑面积与所述孔径光阑面积的比值，得到经过所述待测透射光栅的入射光光强Iin；
步骤S23，将所述多功能样品架上的镂空观察孔移动到光路位置上，利用所述透射图像接收装置对软X射线中余留的高次谐波进行实时成像，根据所述透射图像接收装置的高次谐波成像，找到所述待测透射光栅的位置，然后移动所述级选光阑的位置，使所述级选光阑与所述待测透射光栅的中心重合对准；
步骤S24，沿垂直光路方向向左或向右平移所述级选光阑，选取不同级次的衍射光通过，利用所述多功能样品架上的光电二极管测量经过所述待测透射光栅的不同级次的衍射光光强Iout；
步骤S25，计算透射光栅的绝对衍射效率:
本发明还提供一种极紫外光刻胶灵敏度的评估方法，包括：
步骤S31，提供如权利要求1-7任意一项所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，移除所述待测透射光栅，并打开所述同步辐射光源发生装置；
步骤S32，将涂有极紫外光刻胶膜层的晶圆片/衬底固定于所述多功能样品架的样品夹上，并放置于光路位置上进行直接曝光，同时利用所述第二光电二极管测量得到软X射线入射光强度。
步骤S33，利用椭圆偏振仪测量曝光区域中极紫外光刻胶膜层显影后的剩余厚度；
步骤S34，根据所述步骤S33所测得的曝光区域中极紫外光刻胶膜层的剩余厚度所对应的曝光剂量曲线，评估出极紫外光刻胶的灵敏度。
本发明的多功能同步辐射干涉曝光实验平台设计了多功能样品架，其中的镂空观察孔可以使得在样品不用取出的条件下，利用高次谐波成像实现级选光阑与透射光栅的对准，就能准确监测经过透射光栅的零级光强，从而能修正曝光时间来补偿曝光过程中光强波动所产生的影响。同时，在实现级选光阑与透射光栅对准的前提下，可以仅通过移动级选光阑来选取不同级次的光通过透射光栅，从而实现衍射效率的快速测量。另外，多功能样品架将光电二极管放在与样品同一照射平面的设计，可以更准确地评估极紫外光刻胶的灵敏度性能。
附图说明
图1是按照本发明的多功能同步辐射干涉曝光实验平台的光学布局示意图。
图2是图1中多功能样品架的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明提供的一较佳实施例的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，沿光路走向依次包括同步辐射光源发生装置1、第一柱面反射镜2、第二柱面反射镜3、孔径光阑4、用于测量入射光强度的第一光电二极管(photo diode，PD)5、待测透射光栅6、级选光阑(order-sortingaperture，OSA)7、多功能样品架8以及透射图像接收装置9。
其中，同步辐射光源发生装置1为同步辐射软X射线发生装置，产生软X射线工作波段的入射光束，其能量范围为85～150eV，包含极紫外光刻胶检测所需的极紫外能量段。
第一柱面反射镜2用于调整软X射线的偏转角度，同时降低下游热负载。第一柱面反射镜2的材质为Si，表面镀有50nm厚的Au层，能够有效抑制高次谐波，同时允许保留微量高次谐波。第二柱面反射镜3可继续调整软X射线的偏转，使软X射线聚焦准直，其材质与第一柱面反射镜2的材质相同。
孔径光阑4用于限定入射光斑面积，并消除杂散光。因而其面积小于入射光斑面积，在本实施例中，孔径光阑4为直径2mm的圆孔。在其他实施例中，可根据实验要求来设计不同的尺寸。
级选光阑7用于入射光的衍射级次选择，其为正方形镂空窗口，边长小于待测透射光栅6最短边的长度，使得在级选光阑完成准直对准后，能够保证镂空窗口区域都能被光完全照射，避免出现部分区域有光照射，部分区域没有光照射的情况，从而确保后续计算光强时，照射面积值即OSA镂空窗口的面积。
多功能样品架8用于样品的精密移动控制以及样品处的光强检测，如图2所示，多功能样品架8包括样品夹81，在样品夹81的上方并排设置有第二光电二极管82和镂空观察孔83，其中，样品夹81用于夹持样品，且样品与第二光电二极管82位于同一照射平面，镂空观察孔83则用于实现OSA与待测透射光栅6的对准。在其他实施例中，样品夹81、第二光电二极管82和镂空观察孔83的位置可以调换或排布在其他任何位置，只需满足样品与第二光电二极管82位于同一照射平面即可，且实验时镂空观察孔83对准透射图像接收装置9。本发明的多功能样品架设计了对准用观测孔83，在样品不用取出的条件下，利用高次谐波成像实现OSA与透射光栅的对准，就能准确监测经过透射光栅的零级光强，从而能修正曝光时间来补偿曝光过程中光强波动所产生的影响。另外，在实现OSA与透射光栅对准的前提下，可以仅通过移动OSA来选取不同级次的光通过透射光栅，从而实现衍射效率的测量。而将光电二极管82放在与样品同一照射平面的设计，使得可以更准确地评估EUV光刻胶的灵敏度性能。前述曝光时间的修正、衍射效率的测量以及EUV光刻胶灵敏度的评估的实验方法将在下文进一步详细说明。
透射图像接收装置9用于待测透射光栅6和级选光阑7间的准直，以及对入射光斑均匀性的评估，其为能够探测软X射线的装置，例如CCD相机，CCD相机的摄像头对准镂空观察孔83。
采用所述的实验平台进行软X射线干涉曝光实验时，可实现曝光时间的及时修正，提升曝光工艺的稳定性，具体包括以下步骤：
步骤S11，提供前述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，并打开同步辐射光源发生装置1。
步骤S12，将多功能样品架8上的镂空观察孔83移动到光路位置上，利用CCD相机对软X射线中余留的高次谐波进行实时成像。
步骤S13，根据CCD相机中的高次谐波成像，寻找到待测透射光栅6的位置，然后移动OSA的位置，实现OSA与待测透射光栅6的中心重合对准。在软X射线干涉曝光实验中，干涉曝光所用的光栅掩膜是由两块或多块透射光栅组合而成，OSA与待测透射光栅的重合对准，一方面是为了能准确计算相应的光强，另外一方面则是避免经过掩膜上除待测透射光栅外的别的透射光栅的光对测试结果所产生的影响，同时可以有效屏蔽经过待测透射光栅的别的衍射级次的光。
步骤S14，移动多功能样品架8，使多功能样品架8上的第二光电二极管82位于光路上，实时检测经过待测透射光栅6的零级光光强I0。
步骤S15，根据步骤S14实时所测得的零级光光强，按照曝光时间与零级光光强乘积保持恒定的原则，来修正相应的曝光时间。
采用所述的实验平台进行软X射线能量段透射光栅衍射效率的测量时，具体包括以下步骤：
步骤S21，提供前述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，并打开同步辐射光源发生装置1。
步骤S22，同步辐射光源发生装置1产生的软X射线工作波段的入射光束依次经过第一柱面反射镜2、第二柱面反射镜3以及孔径光阑4后，直接照射到第一光电二极管5，即可测量到软X射线入射光束的光强，然后乘以OSA面积与孔径光阑4面积的比值，得到经过待测透射光栅6的入射光光强Iin。
步骤S23，将多功能样品架8上的镂空观察孔83移动到光路位置上，利用CCD相机对软X射线中余留的高次谐波进行实时成像，根据CCD相机中的高次谐波成像，寻找到待测透射光栅6的位置，然后移动OSA的位置，实现OSA与待测透射光栅6的中心重合对准。OSA与待测透射光栅的重合对准的作用与前述步骤S13中的作用相同，在此不再赘述。
步骤S24，沿垂直光路方向向左或向右平移OSA，来实现选取不同级次的衍射光通过，利用多功能样品架8上的光电二极管82测量经过待测透射光栅6的不同级次的衍射光光强Iout。
步骤S25，计算衍射光光强与入射光光强之比:
得到透射光栅的绝对衍射效率。
相较于已有的利用探测器在三维空间中扫描测量衍射光强度的测量方法，本发明提供的实验方法只需要通过OSA的二维移动，而不再需要移动光电二极管，能够实现透射光栅衍射效率的实时快速测量。
采用所述的实验平台进行极紫外(EUV)光刻胶灵敏度的评估时，具体包括以下步骤：
步骤S31，提供前述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，移除待测透射光栅6，并打开同步辐射光源发生装置1。
步骤S32，将涂有EUV光刻胶膜层的晶圆片/衬底固定于多功能样品架8的样品夹81上，并放置于光路位置上进行直接曝光，曝光区域等于OSA的面积，记为S；同时利用多功能样品架8上的第二光电二极管82测量得到软X射线入射光强度，记为I1。在曝光面积S和入射光强度I1已知的情况，可以根据实际曝光时间，计算出的单位面积上的极紫外光刻胶所受的曝光剂量。
步骤S33，利用椭圆偏振仪测量曝光区域中EUV光刻胶膜层显影后的剩余厚度。
步骤S34，光刻胶灵敏度的定义为保留曝光区域正性光刻胶原始厚度变为零时、负性光刻胶厚度变为原始厚度80％时所需的曝光剂量，因而根据步骤S33所测得的曝光区域中EUV光刻胶膜层的剩余厚度所对应的曝光剂量曲线，可以评估出EUV光刻胶的灵敏度。
本发明提供的评估极紫外光刻胶灵敏度的实验方法，通过实测样品处的入射光强，提高了准确性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种多功能同步辐射干涉曝光实验平台，沿光路走向依次包括同步辐射光源发生装置、第一柱面反射镜、第二柱面反射镜、孔径光阑、用于测量入射光强度的第一光电二极管、待测透射光栅、级选光阑以及透射图像接收装置，其特征在于，在所述级选光阑和所述透射图像接收装置之间设有多功能样品架，所述多功能样品架包括用于夹持样品的样品夹、第二光电二极管以及镂空观察孔，所述第二光电二极管与所述样品位于同一照射平面，所述透射图像接收装置对准所述镂空观察孔。
2.根据权利要求1所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，其特征在于，所述同步辐射光源发生装置为产生软X射线工作波段的入射光束的同步辐射软X射线发生装置。
3.根据权利要求2所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，其特征在于，所述入射光束的能量范围为85～150eV。
4.根据权利要求1所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，其特征在于，所述第一柱面反射镜与所述第二柱面反射镜的材质均为Si，且表面均镀有Au层。
5.根据权利要求1所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，其特征在于，所述孔径光阑的面积小于入射光斑面积。
6.根据权利要求5所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，其特征在于，所述孔径光阑为直径2mm的圆孔。
7.根据权利要求1所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，其特征在于，所述级选光阑为正方形镂空窗口，其边长小于所述待测透射光栅最短边的长度。
8.一种软X射线干涉曝光时间的修正方法，其特征在于，包括：
步骤S11，提供如权利要求1-7任意一项所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，并打开所述同步辐射光源发生装置；
步骤S12，将所述多功能样品架上的镂空观察孔移动到光路位置上，利用所述透射图像接收装置对软X射线中余留的高次谐波进行实时成像；
步骤S13，根据所述透射图像接收装置的高次谐波成像，找到所述待测透射光栅的位置，然后移动所述级选光阑的位置，使所述级选光阑与所述待测透射光栅的中心重合对准；
步骤S14，移动所述多功能样品架，使所述多功能样品架上的第二光电二极管位于光路上，实时检测经过所述待测透射光栅的零级光光强I0；
步骤S15，根据所述测得的零级光光强，按照曝光时间与零级光光强乘积保持恒定的原则，修正相应的曝光时间。
9.一种软X射线能量段透射光栅衍射效率的测量方法，其特征在于，包括：
步骤S21，提供如权利要求1-7任意一项所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，并打开所述同步辐射光源发生装置；
步骤S22，所述同步辐射光源发生装置产生的软X射线工作波段的入射光束依次经过所述第一柱面反射镜、第二柱面反射镜以及孔径光阑后，直接照射到所述第一光电二极管，测量到软X射线入射光束的光强，然后乘以所述级选光阑面积与所述孔径光阑面积的比值，得到经过所述待测透射光栅的入射光光强Iin；
步骤S23，将所述多功能样品架上的镂空观察孔移动到光路位置上，利用所述透射图像接收装置对软X射线中余留的高次谐波进行实时成像，根据所述透射图像接收装置的高次谐波成像，找到所述待测透射光栅的位置，然后移动所述级选光阑的位置，使所述级选光阑与所述待测透射光栅的中心重合对准；
步骤S24，沿垂直光路方向向左或向右平移所述级选光阑，选取不同级次的衍射光通过，利用所述多功能样品架上的光电二极管测量经过所述待测透射光栅的不同级次的衍射光光强Iout；
步骤S25，计算透射光栅的绝对衍射效率:
10.一种极紫外光刻胶灵敏度的评估方法，其特征在于，包括：
步骤S31，提供如权利要求1-7任意一项所述的多功能同步辐射干涉曝光实验平台，移除所述待测透射光栅，并打开所述同步辐射光源发生装置；
步骤S32，将涂有极紫外光刻胶膜层的晶圆片/衬底固定于所述多功能样品架的样品夹上，并放置于光路位置上进行直接曝光，同时利用所述第二光电二极管测量得到软X射线入射光强度。
步骤S33，利用椭圆偏振仪测量曝光区域中极紫外光刻胶膜层显影后的剩余厚度；
步骤S34，根据所述步骤S33所测得的曝光区域中极紫外光刻胶膜层的剩余厚度所对应的曝光剂量曲线，评估出极紫外光刻胶的灵敏度。
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