電子束光刻的三維加工和鄰近效應校正技術(shù)研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)器件的制造要求微三維加工工藝。當前制作三維微結(jié)構(gòu)的技術(shù)主要有體硅微加工技術(shù)、LIGA(Lithographie，Galvanoformung and Abformung) 技術(shù)、 IH (Integrated Harden Polymer Stereo Lithography)工藝等。體硅微加工技術(shù)和LIGA技術(shù)能夠制作高精度、高深寬比的陡直微細結(jié)構(gòu)，但是難于加工各種微曲面和結(jié)構(gòu)較為復雜的器件：IH三維光刻技術(shù)從理論上能加工出

2、任意曲面和任意高深寬比的復雜結(jié)構(gòu)，但因其工藝中X、Y向的掃描是靠X/Y工作臺的機械移動來完成的，加工精度較低，分辨率目前僅為亞微米級。為了滿足微機電系統(tǒng)的快速發(fā)展，需求精度更高的加工手段。 電子束光刻技術(shù)是目前公認的最好的高分辨率圖形制作技術(shù)，目前主要用于0.1～0.5μm精密二維掩模制造，而難于生產(chǎn)高深寬比的三維結(jié)構(gòu)。本學位論文圍繞著電子束光刻技術(shù)直接在基片上產(chǎn)生高精度的垂直、曲面、微尖等三維結(jié)構(gòu)等問題，對電子束光刻、鄰近效應

3、校正、顯影過程模擬等問題進行了較全面和較深入的研究，提出了多種新的計算方法：根據(jù)抗蝕劑吸收能量密度的計算結(jié)果，對三維結(jié)構(gòu)進行了鄰近效應校正：結(jié)合顯影模型，模擬了三維結(jié)構(gòu)的顯影輪廓。在準確模擬曝光、顯影過程的基礎(chǔ)上，研究了不同曝光、顯影條件對抗蝕劑吸收能量分布、顯影線寬、邊墻陡度的影響。論文的主要工作集中于電子束三維光刻方法、曝光的計算機模擬、工藝優(yōu)化，概括如下： 1、首次提出了電子束重復增量掃描方式，為通用電子束曝光系統(tǒng)提供了一

4、種新的三維加工方法。曝光實驗得到了輪廓清晰的正梯錐1、圓錐、梯錐1的三維結(jié)構(gòu)，驗證了該掃描方式的可行性和正確性。重復增量掃描方式無需改變曝光劑量，通過重復、重疊的多次曝光，使光刻圖形不同的位置得到不同的曝光總劑量，實現(xiàn)對圖形的三維加工：該掃描方式也無需進行復雜的圖形分割，避免了圖形分割帶來的數(shù)據(jù)量過大的問題，降低了數(shù)據(jù)傳輸時間，從而可以降低曝光總時間，提高曝光效率：該掃描方式也不用在光刻過程中改變束斑參數(shù)，克服了系統(tǒng)內(nèi)部掃描頻率的限制，

5、為通用電子束光刻系統(tǒng)進行曲面圖形的加工提供了條件。 2、根據(jù)光刻膠的反差的經(jīng)驗公式，提出了曝光劑量與刻蝕深度關(guān)系的計算方法，減少了實驗次數(shù)和由于測量帶來的誤差，而且為電子束光刻的三維加工提供了重要參數(shù)。 3、提出了抗蝕劑靈敏度、反差的計算方法，為電子束三維加工和曝光劑量與刻蝕深度關(guān)系的計算提供了重要參數(shù)。對不同入射電子束能量、抗蝕劑厚度的反差的計算顯示：隨著入射電子束能量的增加，反差不斷減?。浑S著抗蝕劑厚度的增加，反差不斷增大。

6、 4、提出了鄰近函數(shù)的改進形式，并用于計算抗蝕劑吸收能量密度分布，克服了解析法和Monte Carlo模擬法無法克服的局限性，使吸收能量密度的計算真正用于軟件中。對不同曝光條件下的抗蝕劑吸收能量密度分布的計算獲得了其分布規(guī)律，而且得出了優(yōu)化電子束光刻的工藝條件： (1)隨著入射電子束能量的增加，電子的橫向分布范圍增大，但抗蝕劑的吸收能量密度分布曲線越來越陡峭，即：抗蝕劑單位體積內(nèi)沉積的能量也越大。因而，高入射電子束能量有

7、利于鄰近效應的降低。 (2)抗蝕劑厚度對吸收能量密度分布的影響不是很明顯，主要影響前散射電子的能量密度分布?？刮g劑越薄，電子的沉積能量密度分布曲線越陡峭。因而，薄抗蝕劑層有利于鄰近效應的降低。 (3)低原子序數(shù)的襯底產(chǎn)生的背散射電子數(shù)目較少，而且電子在襯底中的能量損失率較高，從而由襯底返回膠中的背散射電子在抗蝕劑中的能量沉積密度較小，有利于鄰近效應的降低。 (4)束斑直徑越小，抗蝕劑吸收能量密度分布曲線越陡峭，越

8、有利于鄰近效應的降低，提高分辨率。 因而，適量的高束能、薄膠層、低原子序數(shù)襯底、小束斑有利于鄰近效應的降低、分辨率的提高。 5、采用了最小二乘非線性曲線擬合的方法確定鄰近函數(shù)參數(shù)，克服了直線擬合帶來的α誤差較大的問題，比單高斯擬合得到的結(jié)果更精確。對不同曝光條件下的參數(shù)(α、β、η)的計算獲得了其分布規(guī)律，不僅能為電子束曝光條件的優(yōu)化、鄰近效應的降低提供理論指導，而且能為鄰近效應校正快速地提供精確的參數(shù)。 (1)隨著入射

9、電子束能量的增加，α不斷減小，β不斷增大，而η幾乎不變，表明提高入射電子束能量有利于鄰近效應的降低。 (2)隨著抗蝕劑厚度的增加，α不斷增大，α、η、變化不明顯，說明薄抗蝕劑有利于分辨率的提高和鄰近效應的降低。 (3)襯底材料對α的影響較小，隨著襯底材料原子序數(shù)的增大，β減小，η增大，說明低原子序數(shù)的襯底材料，有利于鄰近效應的降低。 6、研究了鄰近效應產(chǎn)生的機理，引入累積分布函數(shù)計算各關(guān)鍵點的有效曝光劑量。通過預

10、先建立計算過程中需要的各種規(guī)則表，計算過程中需要的參數(shù)通過查表直接獲得，快速、準確地實現(xiàn)曝光圖形能量分布的計算。 7、提出了水平和深度兩個方向分別對三維結(jié)構(gòu)鄰近效應進行校正的方法。水平方向采用最大矩形法校正，同時考慮了抗蝕劑不同深度處吸收能量密度分布不同。深度方向的校正從吸收能量密度與曝光劑量的關(guān)系上考慮。校正后的曝光過程無需改變曝光劑量，為劑量無法改變的系統(tǒng)提供了三維結(jié)構(gòu)的校正方法。通過預先建立校正過程中需要的各種規(guī)則表，校正

11、過程中需要的參數(shù)直接查表獲得，快速、準確地實現(xiàn)了校正，提高了曝光效率。校正結(jié)果顯示，鄰近效應已大大降低。 8、采用了基于遺傳算法的最小二乘法確定顯影速率參數(shù)，與傳統(tǒng)的Gauss-Newton迭代法比較顯示，基于遺傳算法擬合的殘差平方和較小，擬合效果更好，而且與參數(shù)初始值的選取無關(guān)，具有較強的魯棒性。 9、對光線追跡模型中的射線前進算法進行了改進，采用了遞歸的射線前進算法計算射線軌跡，降低了顯影模擬中射線間的不連續(xù)性，光線

12、追跡算法也更加精確。研究了不同曝光條件、顯影時間對顯影線寬W<,b>、邊墻陡度θ的影響，得出了參數(shù)的分布規(guī)律，不僅為優(yōu)化電子束曝光和顯影工藝提供了參數(shù)，也為改進圖形設計提供了參數(shù)依據(jù)。 (1)在給定的曝光劑量下，隨著加速電壓的增大，W<,b>不斷減小，θ值先減小，后增大。 (2)在給定的加速電壓下，隨著曝光劑量增大，W<,b>、θ不斷增大。 (3)在給定的加速電壓、曝光劑量下，隨著抗蝕劑厚度的增加，W<,b>值不斷減小，