（光学专业论文）厚胶光刻技术研究.pdf

厚胶光刻技术研究 光学专业 研究生刘世杰指导教师杜惊雷教授 近年来，微机电系统( m e m s ) 的迅猛发展和“泛的应用推动了微细加工 技术的不断改进和提高，厚层抗蚀剂光刻技术继承了i c 加工技术的优点，工艺 简单，成本低廉，而且可以直接制作微系统中的一些受力元件，因此该技术受 到愈来愈广泛的重视和应用。 厚层抗蚀剂光刻是一种制作深浮雕结构的技术，所用的抗蚀剂厚度为2 微 米到上百个微米。在这种技术中，其实验工艺与传统的薄胶光刻工艺有所区别， 影响厚胶光刻成像的因素也较为复杂。随着m e m s 的应用发展，高深宽比、结 构愈来愈复杂的新型m e m s 需要被设计和加工，厚胶光刻过程的模拟成为降低 m e m s 研制成本和加快研制速度的必需手段。然而，已有的薄胶光刻模拟软件较 少考虑到厚胶光刻的特殊性，导致厚胶成像模拟结果与实验结果相符得不很好。 因此从理论上建立适于厚抗蚀剂光刻过程模拟新的理论模型对于研究厚胶光刻 图形传递机理，发展厚胶光刻术有重要的意义。 光在胶内的衍射或散射是影响厚胶光刻质量的一个重要原因。本文基于基 尔霍夫标量衍射理论和衍射角谱理论，建立了可较为真实地描述接触式接近式 光刻中厚胶光场分布的有效方法，分析了掩膜的线宽、掩膜到抗蚀剂表面的距 离以及抗蚀剂的厚度对光场分布的影响：曝光过程抗蚀剂内所形成的潜像是影 响最终光刻图形质量的关键，如何确定曝光后厚层光致抗蚀剂内的p a c 浓度， 建立适合计算分析厚胶潜像的物理模型十分重要。基于抗蚀剂的光化学反应动 力学理论，我们深入研究了曝光过程中的非线性因素( 包括工艺及其稳定性) 对厚胶光刻成像的影响。针对厚层抗蚀剂在曝光过程中介质折射率发生变化及 曝光参数随抗蚀剂厚度变化的特点，考虑厚胶内光的衍射或散射，扩展了d i i 。l 模型曝光参数定义范围，提出适合于厚胶曝光过程模拟的增强d i l l 曝光模型； 并开展了厚抗蚀剂曝光参数测量实验，用统计理论中的趋势面分析方法归纳演 绎了曝光参数随抗蚀剂厚度和工艺条件的变化规律：最后，根据新的厚胶曝光 模型和m a c k 显影模型编制了厚胶光刻模拟软件，分析了抗蚀剂曝光后光刻图形 的潜像分布及厚抗蚀剂光刻图形的一些特点，为厚胶光刻实验研究提供指导 性依据。 关键词：厚层光致抗蚀剂，光刻，曝光，非线性，统计方法，模拟 s t u d y o n l i t h o g r a p h yt e c h n i q u e o ft h i c kp h o t o r e s i s t m a j o ro p t i c s p o s t g r a d u a t es h i j i el i us u p e r v i s o rj i n g l e id u r a p i dd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o n so fm i c r o m a c h i n es y s t e m ( m e m s ) d r i v et h e i n c r e a s i n gi m p r o v e m e n to fm i c r o - m a c h i n i n gt e c h n i q u e t h i c kr e s i s t l i t h o g r a p h yt e c h n i q u e i n h e r i t sm a n ym e r i t so fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ( t o ) p r o c e s s t e c h n i q u e ，s u c ha ss i m p l ep r o c e s s ，c h e a pc o s t ，a n ds o m ef o r c e de l e m e n t sc a l l b e f a b r i c a t e dd i r e c t l yw i t ht h et e d m i q u e t h e r e f o r ei ta t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a tp r e s e n t t h i c kr e s i s tl i t h o g r a p h y i sak i n do ft e c h n i q u ef a b r i c a t i n gd e e pr e l i e fs t r u c t u r e s 。 r e s i s tt h i c k n e s su s e di nt h ep r o c e s su s u a l l yi s b e y o n d2 “m ，e v e nt o h u n d m d m i c r o m e t e r s s oi t s e x p e r i m e n tp r o c e s s i sd i f f e r e n tf r o mt h a t o ft r a d i t i o n a l l i t h o g r a p h yt e c h n i q u ea n d t h e r ea r em a n y c o m p l i c a t e df a c t o r sa f f e c t i n gt h ei m a g i n g q u a l i t yi nt h i c kr e s i s tl i t h o g r a p h y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e m s ，n o v e lm e m s s t r u c t u r e sw i t hh i g h a s p e c t r a t i oa n d c o m p l e xf i g u r e s n e e db e d e s i g n e d a n d f a b r i c a t e d s i m u l a t i o no ft h i c kr e s i s t sl i t h o g r a p h yp r o c e s si si n d i s p e n s a b l et or e d u c e t h ec o s to fm e m sr e s e a r c ha n di m p r o v et h er e s e a r c hs p e e d b u tt h e i rs i m u l a t e d r e s u l t sb ye x i s t e dl i t h o g r a p h ym o d e l sa r en o tc o m p a t i b l ew i t he x p e r i m e n tr e s u l t s b e c a u s et h e s em o d e l sc o n s i d e rf e w s p e c i a lc h a r a c t e r so f t h i c kr e s i s t s od e v e l o p i n g a l l a p p r o p r i a t et h i c kr e s i s te x p o s u r em o d e li si m p o r t a n tt os t u d yt h et r a n s f e r r i n g m e c h a n i s mo ff i g u r e si nt h er e s i s ta n dd e v e l o pt h ew h o l et h i c kr e s i s tl i t h o g r a p h y t e c h n i q u e d i f f r a c t i o no rs c a t t e r i n gi nt h er e s i s ti sc r i t i c a lt oa f f e c tt h el i t h o g r a p h yq u a l i t yo f t h i c kr e s i s t 。i nt h ep a p e r , a l le f f e c t i v ew a y , w h i c hc a r ld e s c r i b et h eo p t i c a lf i e i di n t h i c kr e s i s ti nc o n t a c t p r o x i m i t yl i t h o g r a p h y , w a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ek i r c h h o f f s c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r ya n da n g u l a rs p e c t m mt h e o r y t h ee f f e c to fm a s kl i n e w i d t h ， d i s t a n c eb e t w e e nm a s ka n dr e s i s ts u r f a c ea n dr e s i s tt h i c k n e s so nt h eo p t i c a lf i e l dw a s d i s c u s s e d ；f o r m a t i o no f l a t e n tf i g u r ei nt h ee x p o s u r ep r o c e s si sc r i t i c a lt ot h ef i g u r e q u a l i t yi nt h i c kr e s i s tl i t h o g r a p h y s oi t i si m p o r t a n tt og e tt h ep a cc o n c e n t r a t i o ni n t h er e s i s ta f t e re x p o s u r ea n de s t a b l i s hs u i t a b l ep h y s i c a lm o d e lt oa n a l y z et h el a t e n t f i g u r e o ft h i c kr e s i s t b a s e do nt h ep h o t o c h e m i s t r yr e a c t i o nd y n a m i c st h e o r y ，t h e e f f e c to fs o m en o n l i n e a rf a c t o r s ( i n c l u d i n gp r o c e s sa n di t ss t a b i l i t y ) o ni m a g i n go f t h i c kr e s i s tl i t h o g r a p h yw a ss t u d i e d b a s e do nt h ec h a r a c t e ro fv a r y i n gr e s i s ti n d e x d u r i n ge x p o s u r ep r o c e s sa n dv a r 、! r i ge x p o s u r ep a r a m e t e r sw i t hr e s i s tt h i c k n e s s ，a n e n h a n c e dd i l lm o d e ls u i t a b l ef o rt h i c kr e s i s t 。w h i c hc o n s i d e r e dt h ed i f r r a c t i o no r s c a t t e r i n g i nt h er e s i s ta n de x t e n dt h ed e f i n i t i o nr a n g eo fe x p o s u r ep a r a m e t e r si n d i l lm o d e l ，w a sp r o p o s e d ；e x p e r i m e n to fe x t r a c t i n ge x p o s u r ep a r a m e t e r sw a s d e v e l o p e da n dv a r y i n g r u l e so f e x p o s u r ep a r a m e t e r sw i t hr e s i s tt h i c k n e s sa n dp r o c e s s c o n d i t i o nw e r ea n a l y z e db ys u r f a c er e s p o n s et h e o r y ；a tl a s t ，s i m u l a t i o nt o o lf o rt h i c k r e s i s tb a s e do nn e we x p o s u r em o d e lo ft h i c kr e s i s tw a sw o r k e do u t a n dl a t e n t f i g u r e so fl i t h o g r a p h ya f t e re x p o s u r ea n ds o m ec h a r a c t e r so f t h i c kr e s i s tr e l i e fa f t e r d e v e l o p m e n t w e r ea n a l y z e dw i t ht h et 0 0 1 t h e s er e s u l t sw o u l do f f e rs o m ed i r e c t i o n s t oe x p e r i m e n t k e yw o r d s ：t h i c kr e s i s t ，l i t h o g r a p h y , e x p o s u r e ，n o n l i n e a r , s t a t i s t i c a l t h e o r y , s i m u l a t i o n 端一章舸宫 四川大掌磺士学位论文 第一章前言 1 1 厚层抗蚀剂光刻术发展概况 1 1 1 引言 自光刻工麓发明以来，微细加工技术就不断地在发展。光刻图形结构从简单 剥复杂。线条的特征尺寸苁微米级到纳米缀，曝光源跌紫外波段到x 甜线或粒予 粜，成像系统的数值孔径从0 2 到大于l ，光刻工艺从薄胶的表面光刻到厚胶的 深度光刻，现在光刻技术已成为大规模、超大规模集成电路制作过程的一项不 可缺少鹃重要强节。 近年来，微电子技术的巨大成功在许多领域日 发了机电系统微型化( 小型化) 革命，以热工微米、缡采绥聿霉_ 季羹系统为嚣静懿徽米、纳寒按术在茂鬻景下应运 而生【l - 5 l ，一方面，人们利用物理及化学方法将原子和分子组装起来，形成熟有 一定功能的微米、纳米结孛奄；勇一方面，人们瘸雳精缩热工手段加工出徽米， 纳米级结构。前者促使了纳米生物学、纳米化举等边缘学科的发展，后者则在 小型机械制造领域开始了一场新的革命，导致了微型机器或微机电系统的诞生 o i 。 微电子机械系统f 6 q o l ( m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ，简写m e m s ) 建集 徽鍪凝缀、徽褥感器、徽筑源、徽致魂嚣、徽按潮器、微撬幸了器、信号懿理、 锗能控制于一体的机电装置，微小的几何尺寸或操作尺寸和瀚度集成化、智能 纯是m e m s 的显著特征。从箕尺寸角度，可分为卜l o m m 的微小梳械，ll m l f i l m 的 微机城，l n f i l i “m 的纳米掇狨【1 1 3 。由于m e m s 具有体积小、精度商、性能稳定、 可靠性商、耗能低、炙敏性和工作效率离、多功能和错能化、制造成本低簿优 点，聂受到嚣内外辩鼓爨豹广泛关注，劳成受当今世努番重磺究积投资的热点。 在m e m s $ 作中。有很多微机械结构是用来传递力和产生运动，成作为受力 帮件懿，该类徽结梅鄂要求有是够翡极搬强度，霞j 遨与集箴电路生产中注差尽 爨减小光刻线条特征尺寸以增加集成度不同，制作这燧微系缆时更藏视的是微 结构的高度和随宽眈等参量，瞄满足冀承受的税械强度。在m e m s 的制作技 日川大学硕士学位论文 术中，有超精密机械加工【1 3 】、深反应离子刻蚀、l i g , a 及准l i g a 技术【1 5 1 、分子 装配技术i l 叫等。厚层抗蚀剂光刻技术是以现有的集成电路生产设备为基础发展 起来的，其工艺相对简单，制作成本低。一方面，厚层抗蚀剂光刻技术用0 v 光 源曝光，可以作为l i g a 技术的前工艺i 】7 1 ，从而代替了昂贵的同步辐射源；另一 方面，厚层抗蚀剂可以直接用来制作微机械器件8 1 或对微机械器件进行封装1 1 9 i ， 成本更便宜，因此这种技术受到愈来愈广泛的关注。 工艺条件的多样性和复杂性使厚层抗蚀剂光刻术在其应用领域受到一定的 限制，目前很多研究人员从工艺实验上做了大量的工作1 2 0 。2 “，但只能得到部分 经验性的规律，而且也耗费了大量的人力、物力和财力，因此迫切需要从理论 上深入的开展厚层抗蚀剂光刻术的研究工作，以便指导实验工作的开展，降低 成本消耗。曝光过程作为光刻工艺的一个重要环节，是抗蚀剂潜像形成的关键。 已有的曝光模型 2 3 1 对薄胶的模拟结果与实验符合的较好，但是它没有考虑到厚 层抗蚀剂的一些特殊属性【2 4 - 2 5 ，因而用其取得的厚胶光刻模拟结果与实验结果 存在较大偏差。因此建立厚层抗蚀剂曝光模型对进一步发展厚胶光刻术十分必 要，有重要意义。 1 1 2 厚层光致抗蚀剂光刻术 传统的微电子加工过程中，所使用抗蚀剂的厚度通常在2 微米以内。而厚层 抗蚀剂光刻是一种制作深浮雕结构的技术，通常制作m e m s 和连续微光学结构所 用的抗蚀剂厚度为2 微米到几十上百个微米，有的甚至达到1 毫米左右。因此在 厚胶光刻技术中，所采用的曝光方式、曝光源、抗蚀剂种类及其性质、甩胶工 艺、烘烤工艺和显影工艺都与传统光刻工艺有所区别。 11 2 1 曝光方式 传统光刻工艺中一般有三种曝光方式f 2 6 】：接触式曝光、接近式曝光和投影 曝光。接触式光刻掩膜和抗蚀剂紧密接触进行曝光，掩膜图形基本上是l ：l 的传 递到抗蚀剂上。这种曝光方式的优点是速度快、产量高，缺点是由于掩膜和抗 蚀剂的直接接触，缩短了掩膜板的寿命，而且胶膜面也会受到损伤，针孔密度 川失掌磺士掌位论文 秀离。为了避免蔹簸式曝光豁上述缺点，天们发震了接近式曝光方式，这荨孛方 法降低了胶面形成针孑l 的密度，提离了胶的抗蚀能力和掩膜板的寿命，不过接 近式曝光系统的分辨率和精魔较低。一般萁分辨率公式为牡7 1 r 。三五哆+ f ? ) ( 1 1 ) 其中 为曝光光源波长，g 为掩膜到抗蚀剡表面之间的距离，z 为抗蚀剂的厚 度。为了能避步提商光刻分辩率，研究人员又研发了投影磷光系统，通过对 掩膜图榉投影缀小，可以使抗蚀刘上螅光刻图形线条变褥缀绒。其分洪率公式 和焦深公式为【2 剐 霞：。三( i 2 ) 4 d 0 芦= 是，! ， ( 1 。3 ) 爿2 投影缩小曝光方式极大斡提离了光刻的分洪率，但是由于其焦滚受到定隈制， 而且其结构复杂，价格昂贵，所以这种光刻方式主要用于对特征线条要求比较 耩缀的繁残逛爨热工。 在先前的一些研究工作中表明【2 9 l ，早期厚屡抗蚀剂光刻术大多用于厚度在 几十令徽米以内静徽结梅翻作，霜艇氇较为重撬结构静临赛足寸( c d ，c r i t i c a l d i m e n s i o n ) ，因此这一阶段主要使用的魁投影曝光的方法。随着m e m s 元件的发 展和应用，其商度和深宽诧瑟到重视，因而大多数m e m s 制作现在一般都使阁接 近式、接触式曝光方式，以获褥较大的厚度和例边陡度。 11 ，2 2 曝光源 目前光学光刻系统中的曝光光源主要有汞灯光源和激光光源。接近式、接 触式曝光中主饕刹用汞灯光源产生的3 6 5 4 3 6 n m 的紫外波段。而在投影式光剡中 主要采用豹是滋分子激光器产生鲍深紫乡 2 4 8 n 薅、1 9 3 r i m 帮】5 7 r i m 波段。出于光学 光刻受理论分辨极限限制，簧得到高分辨光刻图形只能采用波长更短的粒子柬 滚，舀藏有太颈畜，2 l 毽纪将是粒予寨光剩的毽纪。常凳豹粒子素竞刻主鬟有 同步辐射x 射线【3 0 l 、电子束和离子束北1 。 x 射线光刻技术楚目前国外研究比较热门的一种粒子束光袤技术，同光等；瀑 四川 掌硪士掌位论文 光相比，x 射线有着更短的波长，因此有可能获锝分辨率更高的图形，被认为是 l o o n m 线条以下半导体器件制造的主要工具。它具有以下优点：1 ) 景深容易控 制：2 ) 视场大( 可达5 0 r a m 5 0 哪) ：3 ) x 射线对光刻工艺中的尘埃不敏感，因 此成品率较高。 电子束曝光技术是迄今为止分辨率最高的一一种曝光手段。电子束光刻的优 点是：l ) 分辨率高：2 ) 不需要掩膜：3 ) 不受像场尺寸限制：4 ) 真空内曝光，无 污染：5 ) 由计算机控制，自动化程度高。 离子束光刻和电子柬光刻较类似，也是采用直接写的技术，由于离子的质量 比电子重得多，因此只在很窄的范围内产生很慢的二次电子，邻近效应可以忽略 可以得到更高分辨率的图形( 可达2 0 h m ) 。 对于厚层抗蚀剂，目前主要采用汞灯、激光光源和同步辐射光源作为曝光 源。其中同步辐射x 射线源主要用于l i g a 技术的深度光刻中，由于其透射深度较 大，可以做出深度达5 0 0um 左右的图形，但其系统和光刻成本十分昂贵。紫外 光目前正胶可做到上百微米左右厚度，再厚就很难曝透。负胶灵敏度高，可以做 出6 0 0 “m 厚，5 0 “m 宽的图形，只是曝光时间较长。 1 1 2 3 抗蚀剂 为了适应不同应用的需要，抗蚀剂种类呈现多元化( 如常规的u v 抗蚀剂、深 紫外抗蚀剂、x 射线抗蚀剂、电子束抗蚀剂及用于深度光刻的抗蚀剂p 习等) ， 并有一个共同的发展趋势，即抗蚀荆的分辨率和灵敏度越来越高。抗蚀剂分为 正胶和负胶，一般认为负胶的分辨率相对较差，但现在有一些负胶采用碱性显影 液也可复制出与正胶有相似精度的亚微米图形而不产生胶的膨胀。而通常j f 胶 的分辨率比负胶高，但其灵敏度较低，所需的曝光量是负胶的若干倍。 常见的厚层抗蚀剂有很多种类，j i h c l a r i a n t 公司生产的a z 系列产品， a z p 4 0 0 ，a z 9 2 0 0 ，a zp l p mi o o x t 等，这些抗蚀剂的分辨率较高，可获得很好深 宽比和侧边陡度的光刻图形，可以访问c l a r i a n t 公司的主页查到它们技术参数。 此外，还有一些有很好应用前景的其它类型抗蚀剂，如目前常用的s u 一8 胶。s u 一8 是一种化学放大负胶，对紫外透明，曝完光后会产生一种酸性物质。显影前要 进行烘烤，烘烤过程中，由于酸性物质的催化作用，使得胶层的溶解特性发生 改变，因此该胶具鸯缀赢的灵敏度，鬻用予深燧光刻。 1 ，12 4 甩胶工芝 愿黢工艺就是在攀底上涂鸯蹶嚣零魔黪黢壤，这爨抗镰裁裁貘躺必需道程。 涂获鳃方法8 q 一般簿绩雾涂皴( s p r a y c o a t i n g ) ，渡裁涂胶f l o a t c o a t l a g ) ， 漫润涂睃( d i p - c o a t i n g ) ；滚动涂黢( r o t l - c o a t i n g ) 黎旋转涂黢 ( $ i n n e r e o a t i n g ) 等。黢跑较鬻鲻豹楚旋转涂荻。涂胶瓣厚度般与旋转 的速度、对嘲鞠撬蚀涮魍熬瀣等露素有美。 用予m e m s 的厚艨抗蚀剂，箕厚度般要达裂几。 乃至上疆个徽张，霹单次 涂胶厚发最多只毙选n 2 0 徽洙左右，搿戳般簧爨多次涂簸教方法寐获褥较簿 和均匀性较好的抗蚀剂。 1 2 5 矮烤t 慧 涂露至孑的拣蚀裁膜中，卷含毒缀多涔粼。冀腔膜弱鼗密狡搽及写基片裟嚣 戆粘簸较差，如不袋趱必要敬处理工艺，蒜影过程中会瞧瑰胶熊溶麓速度不稳 定问题，此处谯微纲加工过程中也容易造成物理损伤【3 4 1 。越烘( 即在定激度 下对狡膜避孬烘焙) 盼主要强弱赣楚清躲墩链铷中溶裁，璞强黢膜鸟基冀之闻 的黻跗矬，保谜曝光的莛现性积显影对成像良好。一般皇要露烘籀烘烤，热援 烘烤，红外线烘烤等方法。箕中用红夕 线烘烤厚层抗蚀测因烘烤时间短，产量 裹，可以楚溅其他烘烤方法中的产生豹裂胶、气滤等簸终，蕊盥安辩数浏系统瞰弘i 的在烘烤工艺中的应用，使麒可靠性更强。因此近年来这种方法受到广泛的关 洼。 t ，2 6 霾彩芝慧 显影裁是把经过鼹光静蕊片置予特定姥溶剂中，怒不需要豹获滕舔分溶解 搏的过程。对于负胶，般用有机漆剂把没有曝光部分的抗蚀刹溶鼹搏；愿对 予蔗菠，燕# 耀碱液熬曝光部分的撬蚀裁溶解簿。蘧彩方式一般鸯浸没显影鞠嚷 射驻影。已有的实时盥影系统”1 使人们很方便的观察和分析挽蚀剂的动态显影 1 日j 大学磺士掌位论支 过程。 对于厚度较大厚滕抗蚀剂，在短影过程中显影速率随深度变化较大t ” ，向 且底部的显影液不能姆到及嚣寸豹更颇，为获褥较好深宽比翻铡边陡发的抗蚀剂 阁形，常采用喷射的驻影疗法。此外，对于特别厚的抗蚀剂，由于上面的胶层 对光麓静暖菠较大，巍部茨攥褥不翻充分翡臻竞，繇以一般可采矮反复曝毙帮 鼹影的方法来获得超厚光刻图形。 1 + 3 厚瑟抗蚀翔先刻技术的应用 隧麓_ 攀爱抗蚀莽l 光刻技零懿嚣蕊发袋，萁疲楚范溺遣在不叛扩大，铡翻裁 作深刻蚀的牺牲层、电镀【4 0 】、l i g a 技术中的深度光刻工熬4 ”，m e m s 元件制 作 2 】和封装吲等方西鄱有惑要的敝角。 制作深裹0 蚀的牺牲朦 在鬃成亳夔工艺疆，一般璃揍蚀刹释魉牲屡寒制作元传。宠恕搂刳馋艴图 形用光学光刻的方法做在抗蚀剂上，然厝用湿法刻蚀成干法刻蚀的方法去除掉 襟露的藻底谣，然轰褥蘑有梳溶裁去捧撬疆裁，褥妥繇需鲍强形。 用于湿法刻蚀中的牺牲层，特别是极深刻蚀中，般要求有较好的抗腐蚀 畿力和粘附性，这样才能较好的避免保护层受到腐蚀。一般厚屡抗蚀帮经过一 定的硬烘烤工麓后，会形成胶联豹大分予物质，具有较好的抗瘸蚀能力。因此 可适于作为深刻蚀工艺的牺牲层。 l i g a 搜术中的深度光刻 l i g a 技术中的一个重簧步骤赣楚灞孬层抗镶翔裁俸裙缀模板，遴鬻聚掰同 步辐射x 射线进行深度曝光。但是同步辐射源价格昂贵，利用紫外厚胶光刻技 术与l i g a 技术相结合而形成的u v - l i g a 技术，是离深宽眈微枫城加工技术 h a r m s t ( h i 曲一a s p e c t r a t i om i c r o s y s t e m st e c h n o l o g y ) 的关键工艺。采用 厚抗蚀剂作为的初级模板，可以制造具有高深宽比、结构精细、侧壁陡峭、表 瓣光滑瓣三维徽极戳嚣 孛，辩檄鬟l 搬马这。 矗 第一章 智 e a i l 大掌：唆士掌t m 论文 制作m e 洒元件 厚聪抗蚀荆光刻技术的最大优点就是可以煮接用抗蚀剂来制作一些m e x 4 s 受 力元件，罴矮捩蚀裁襄接巷遗m e m s 兹结构，可以实觋结构较麓深宽跣，提蔫定 位的精确度。 1 1 ，4 厚胺光刻技术的发展趋势 厚屡抗蚀剂光刻授术已有了显著的进展，其今后的发展主要集中于深度光 烈技术。基 ； f 髑紫乡 毙瀑竞+ 逶露可曝透粒正黢厚度在上百微米左右，再浮则 很难曝透。负胶因灵敏度离，用这种光源甚至可以做出6 0 0 um 厚，5 0 pm 宽的 鹜形，键是曝光辩闰鞍长。x 射线党亥l 楚深度毙剡发袋懿一个重要方翔，j ；予 深度光刻的x 射线一般需采用0 1 o 4n m 范嗣内的硬x 射线，这个波段的硬 x 射线穿透力较强，w 使深朦的抗蚀莉感光，掰x 射线可光剿出5 0 0i j - m 左右 簿度鲍圈形。 厚屡抗蚀剂的发膜趋势主要是提高分辨率、灵敏度和抗蚀性能。现在新的 光刻工爨提供魏辐爨窦废郝魄抟绫豹走裂王其低，霞鼗对黢熬灵敏发提基了更 高的要求，化学放大抗蚀剂可能是解决该问题的一种选择。此外一魑新的技术 弼菌形爱转、多层胶技术、寝压碡烷亿技术、予法显影技术等氇在罨拜究之中。 对厚层抗蚀剂光刻过程模拟也是厚胶光刻术研究的一个难点，翻前已建立 的厚层抗蚀剂光刻模挺辨4 4 川存在许多不是之处，难阻对实验研究提供精确肖效 救指导，这一问题嘉将予进一步解决。 。2 是劐趱程的模拟 无论是蓐藩抗镪麓或薄瑶菰镰潮毙蘩，蒸光麴过稔都是凌多个参量决定静 复杂过穰，涉及光学、光化学、化学动力学、热动力学等多种物理化学因素的 彩响。光刻实验不仅需要昂贵的设备，丽量需要大量经费和时闻，避过多次曝 光鞠显影实验寒确定最优的实验参数的测试，过程繁杂、费熙增高，有较大竭 限性。随着计算机科学技术的迅速发展，通过使用计算机模拟光刻全过程并指 导实验袋疆供羧进实验工艺祭传参数，辩曝光系绞嚣摭模戆俊佬以及曩= 发蔫牲 四川大掌硕士学位论文 能的抗蚀剂都有着重要的意义 4 7 - 4 8 1 。目前对光刻过程的模拟在集成电路生产中 起着愈来愈重要的作用，国外大力开展此方面的研究，有的大公司建立了虚拟 工厂以指导生产过程和开发新产品。 在光刻模型的建立过程中，最具有代表意义的是抗蚀剂的曝光模型和显影模 型。7 0 年代，美国学者d i l l 根据光化学反应动力学原理和l a m b e r t b e e r 定律 对抗蚀剂的曝光过程进行了深入的分析，建立了经典的d i l l 曝光模型h 9 j 来描 述抗蚀剂在曝光过程中其内部光场分布和光敏混合物( p a c ，p h o t oa c t i v e c o m p o u n d ) 分布另外一位学者m a c k 随后对显影过程也进行了研究，建立 了适用于薄层抗蚀剂显影的m a c k 显影模型【5 ，m a c k 模型描述了显影过程 中，抗蚀剂的显影速率和p a c 浓度的关系。这两个模型的建立奠定了光刻模拟 的基础，在光刻模拟的发展过程中起着重要的作用。 此外，前烘模型【5 i 】( s o f tb a k em o d e l ) ，后烘模型【5 2 j ( p o s tb a k em o d e l ) 的 建立都是对曝光、显影模型的很好补充。这些模型对薄胶实验工艺具有很好的 指导作用，在集成电路工艺中占有重要的地位。 1 3 本课题研究的目的和意义 为了适应微系统发展的需要，国际上许多研究机构纷纷开展厚层光致抗蚀 剂光刻技术的研究。正是在这样的背景之下，受国家自然科学基金资助我们开 展了厚层光致抗蚀剂光刻术研究课题研究，旨在开展厚抗蚀剂的曝光、显 影机理及相应实验工艺研究为发展我国利用厚胶光刻技术制作微系统、微光 学元件提供理论指导依据。 当前，适合于薄层正性抗蚀剂投影光刻成像的模拟理论和方法目趋成熟， 但是，对于厚层抗蚀剂光刻过程的模拟，国外当前的模拟软件都碰到了一些困 难，需要加以改进，进一步的研究工作还在进行中。与国外光刻模拟术发展的 水平相比，国内在这方面的研究还较为落后，就目前的研究论文来看，我国对 抗蚀剂光刻过程的模拟尚处于初级阶段，不够深入，实质性进展不多，有关厚 层抗蚀剂光刻过程的模拟研究尚属空白。 对于厚层抗蚀剂的曝光过程，其曝光特性与薄层抗蚀剂相比较有很大的差 目, i i 大掌硕士掌位论文 别，这主要表现在存在较多的非线性因素，例如曝光前，抗蚀剂内p a c 浓度的 非均匀性：由于抗蚀荆折射率在曝光过程中要发生变化，造成了抗蚀剂各种成 分与相应吸收系数的非线性关系。此外，光在厚层抗蚀剂这种非均匀介质内部 要发生衍射或散射在分界面要发生反射，这些因素都对其内部的光场分钸产 生了很大的影响。已有的d i l l 曝光模型没有考虑到这些非线性因素，直接采 用d i l l 模型获得厚层抗蚀剂曝光过程的模拟结果和实验结果相比会产生较大 的偏差。因此。迫切需要建立适应厚层抗绌剂的曝光模型。此外，厚层抗蚀剂 曝光数值模拟的计算量非常大。且需要对非均匀分布的抗蚀剂进行水平分层和 纵向分层，对曝光时间也要离散化。因此，整个厚胶光刻模拟过程对计算机的 性能和模拟算法的效率都提出了较高的要求。 综上所述，开展厚层抗蚀剂光刻模拟技术研究，特别是进行厚层抗蚀剂曝光 特性和厚层抗蚀剂的曝光新模型的探索和研究，对发展厚层光致抗蚀剂光刻技 术，指导厚胶光刻实验工作有着重要的意义。 1 4 本论文的主要内容 本文重点探索和研究厚层抗蚀剂曝光特性，从理论上分析了抗蚀剂内部的光 场分布，结合厚层抗蚀剂一些特性，改进了原有的d i l l 曝光模型，使之适合厚 层抗蚀剂曝光过程的描述，用此模型分析了厚层抗蚀荆光刻图形的一些特点， 并用实验结果验证了模型的合理性和可靠性。全文共分五章： 第一章前言重点介绍了厚层抗蚀剂光刻术的发展概况，并说明了奉 课题研究的目的和意义。 第二章厚层抗蚀剂曝光场分布采用基尔霍夫标量衍射理论分析了 接近、接触式光刻中掩膜空间像的传递，重点分析了掩膜的线 宽、掩膜到抗蚀剂表面的距离以及平行入射光的入射角度对掩 膜空间像质量的影响，并提出了用角谱法分析了曝光过程中， 抗蚀剂内部的光场分部，考察了抗蚀剂的厚度、折射率、消光 系数以及基底的折射率对厚层抗蚀剂内部光场分布的影响。为 厚胶曝光模拟提供了一种有效方法。 四川大学硪士掌位论文 第三帮 第四章 第五肇 参考文献： 正性厚层抗蚀剂曝光模型介绍了不同的鲋烘工蕊对光剿图 形的影响，并引入了厚获前绥穰鳖：分析了群蘑抗饿帮的曝光 参数随抗 癌剂霉度、工艺条件( 鼢烘温度和时蚓) 的变化规律， 并结会上一灏的光场分析建立了适台模拟厚胶曝光的模型；实 验测爨7 宽穆光源曝光豺浮层抗蚀刻a z 4 5 6 2 豹瀑光参数，溺 统计的方法分析了接变化规律，为厚层抗蚀荆光刻过程的模拟 羹定瑟礁。 厚胶光刻特性模拟分丰厅用厚胶模型分析了厚抗蚀荆曝光后 的图形潜像，并和d i l l 曝光模鼙的模稼结采遴行了眈较，黢证 改进赡曝光模型的w 靠性年适用性，结合m a c k 显影模型分析了 厚抗蚀剂显影轮廓的一些特点，最后用实验缩果给予了验证。 总结封零文数王传进行了恿终，并携基了一些震鬟。 fi 】s a m ps e l ljb t h ed i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c ea n di t sa p p l i c a t i o nt op r o j e c t i o nd i s p t a y s a 】 强c hd i g e s t7 t hi n t , c o n f 鼬l i ds t a t es e n s o r sa n d a c t u a t o r s ( tr a u s d u c e r s 9 3 ) ，y o k o h a m aj a p a n ， 1 9 9 3 。p 2 4 2 7 。 2 】j k n u t f i ，f i n d i n gm a r k e t sf o rm i c r o s t r u c t u r e s ，m i c r o m a c h i n i n ga n df a b r i c a t i o np r o c e s s t e c h n o l o g y i v p r o c e e d i n g s , s p ；e , v o l ，3 5 t l ，1 9 9 8 ，p t 7 - 2 3 。 【3 】pm h a g e l i n ，uk r i s h n a m o o r t h y , jph e r i t a g e ，e ta l s c a l a b l eo p t i c a lc r o s s 2 c o n n e c ts w i t c h u s i n gm i c r o m a c h i n e dm i r r o r i e e e p h o t o n i c st e c h n o l o g y l e t t e r s ，2 0 0 0 ，1 2 ( 7 ) ：p 8 8 2 - 8 8 4 ， 【4 】于殿泓，魏正萸，郭俊杰等，膨扰撼发搿级勿。r - 方捃膨历移蕾西安醒z ：7 c 学訾援，2 0 0 i ， v 0 1 1 7 n o 1 ：p 7 4 - 7 7 【5 桥川荣二，电火花与激光复合精密微绷加工系统的开发，蔚麟黛黝z 农术2 0 0 4 ，n o 2 p 4 6 5 0 6 】r w e c h s u n g ，n u n a l m a r k e t sa n a l y s i sf o rm i c r o s y s t e m s ：a ni n t e r i mr e p o r tf r o mt h en e x u s t a s kf o r c e m i c r os y s t e mt e c h n o l o g i e s9 8 p r o c e e d i n g s ，d e c e m b e r3 ，1 9 9 8 ，p 2 7 5 7 】d j ，n a g e lm 。e ，z a g h l o u l m e m s ：m i c r ot e c h n o l o g y , m e g ai m p a c t ，i e e ec i r c u i t s & d e v i c e ， 2 0 0 1 ， ( 2 k1 4 - 2 5 。 第一窜前言目川大学硕士掌位论文 【8 张兴，跨世纪的新技术一微机电系统( m e m s ) 曾f 群学导摭1 9 9 9 ( 4 ) ：p 2 6 9 j ly l i n ，elg o l d s t e i n rw t k a c h f r e e 2 s p a c em i c r o m a c h i n e do p t i c a l s w i t c h e sw i t h s u b m i l l i s e c o n ds w i t c h i n gt i m ef o rl a r g e 2 s c a l eo p t i c a lc r o s s c o n n e c t si e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g _ l l e t t e r s ，1 9 9 8 ，】0 1 4 j ：p 5 2 55 2 7 【1 0 杨忠山微细加t 壶长趾生物医学中的应用，尹臼跨铲器捌毵j2 0 0 2 ，v o l2 6 ，n o 5 ： p 3 4 7 3 5 1 【1 1 苑伟政，马炳和微机械与微细加r 技术西安：西北1 业人学山版社，2 0 0 0 【i2 】n c l a b i a n c a , j d o e i o r m e h i g ha s p e c tr a t i or e s i s tf o rt h i c kf i l ma p p l i c a t i o n s ，s p i e , v o l 2 4 3 9 ，l9 9 5 ，p 8 4 6 - 8 5 2 1 3 】孙光山，超精密机械加：r 技术及其发展动向，乒厚祝艘r 摇：7 ( 1 ) ，1 9 9 6 ：p 5 8 6 0 1 4 】朱泳，闰桂珍，王成伟，高深宽比深隔离槽的刻蚀技术研究，缴射曾于旋术n o z 1 2 0 0 3 ： d l l3 - 1 1 5 15 sf a t i k o w ，ur e m b o l d m i c r o s y s t e mt e c h n o l o g ya n dm i c r o - r o b o t i c s s p r i n g e rv e r l a g b e r l i nh e i d e l b e r g ，19 9 7 1 6 】张兴，跨世纪的新技术微机电系统( me ms ) ，鲁于群擎导掘n o 4 ，1 9 9 9 ：p 2 - 6 i7 1h o c h ，c h i nkp ，y a n g cr u l t r a t h i c ks u 2 8m o l df o r m a 2 t i o na n dr e m o 、, ，a l ，a n di t s a p p l i c a t i o n t ot h ef a b r i c a t i o no fl i g a l i k em i c r o m o t o r sw i t he m b e d d e dr o o t ss e n s o r sa n d 4 c t u a t o r s a ，2 0 0 2 ，1 0 2 ：1 3 0 一1 3 8 18 】k a t oy ，m o r ik ，m a s etd e v e l o p m e n t o f 4x 4m e m s o p t i c a ls w i t c h a 】，2 0 0 0i e e e e o si n tc o n f o no p t i c a lm e m sk a u a ih i ，u s a ，2 0 0 0 ：p 9