電子束光刻的Monte Carlo模擬及鄰近效應校正技術研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)是具有廣泛應用前景的新興學科，微加工工藝是實現(xiàn)微機電系統(tǒng)的關鍵技術?，F(xiàn)有實用的三維微結構加工工藝存在的主要問題是精度較低，分辨率僅能達到亞微米級。為了滿足微機電系統(tǒng)的快速發(fā)展，需要尋求精度更高的加工手段。 電子束光刻技術是目前公認的最好的高分辨率圖形制作技術，目前主要用于0.l～0.5μm的超微細加工，主要用于精密二維掩膜制造，但還沒有制作三維立體結構的功能。在實驗室條件下已能將電子束聚焦成尺寸小于2nm的束斑，可實現(xiàn)

2、納米級曝光。電子束具有波長短、易于控制、精度高、靈活性大等優(yōu)點。本學位論文圍繞著電子束光刻技術直接在基片上產生高精度的垂直、曲面、微尖等三維結構等問題，借助Monte Carlo模擬方法，對電子束光刻和鄰近效應校正等問題進行了較全面和較深入的研究。論文的主要工作集中于電子束光刻的計算機模擬、工藝優(yōu)化、電子束的入射能量、劑量與刻蝕深度和 分辨率的關系、鄰近效應校正技術的研究以及鄰近效應校正軟件的編制。主要工作概括如下： l.對低

3、能入射電子束與樣本的相互作用采用了比傳統(tǒng)模擬方法更加精確的離散模型，考慮了二次電子的產生和散射對抗蝕劑中能量沉積密度分布的影響，獲得了比傳統(tǒng)模型更加準確的電子的有效穿透深度、電子束曝光分辨率等參數(shù)，不僅為電子束曝光技術提供了可靠的技術參數(shù)，而且得出了優(yōu)化低能電子束光刻的工藝條件： ①低能入射電子束。入射電子能量越低，其能量沉積深度分布的曲線越陡直，這表明在單位深度上的沉積能越大，能量沉積深度范圍越小。在電子束液態(tài)曝光技術中可以選

4、用低能電子束精確地刻蝕薄 ②薄抗蝕劑層?？刮g劑厚度越薄，能量沉積曲線越陡直，橫向分布范圍越小，電子束曝光的分辨率就會越高。 ③低原子序數(shù)材料襯底。在入射束能與抗蝕劑厚度一定的情況下，襯底材料的原子序數(shù)越低，背散射電子在抗蝕劑中的能量沉積密度越小，鄰近效應越弱。 ④當入射電子束的能量低于2 keV時，電子束光刻的分辨率幾乎不受背散射電子的影響，而由電子的前散射范圍所決定。因此低能電子束光刻不需要復雜的鄰近效應

5、校正。 2.對中、高能電子束光刻的Monte Carlo模擬方法中的電子散射模型進行了優(yōu)化，在進行了大量計算和比較的基礎上，提出了在0.1～100keV的能量范圍內進行電子束光刻Monte Carlo模擬分段散射模型的優(yōu)化方案。在該方案中，對所有的彈性散射均采用精確的Mott彈性散射截面。而對非彈性散射，當能量處于E<,0>≤10keV、10keV≤20keV和E<,0>>20keV時，分別采用了Joy修正的Beth

6、e公式、通常的Bethe公式和相對論效應修正的Bethe公式來描述總能量損失率。當E<,0>≤20keV和E<,0>>20keV時，分別采用了Gryzinsky截面和Moller截面計算離散的能量損失率。利用該分段散射模型獲得了電子在抗蝕劑中的能量沉積密度分布和能量沉積輪廓、入射電子束能量與在抗蝕劑中有效穿透深度和分辨率的關系。比采用單一模型得到的模擬結果更加接近實驗數(shù)據(jù)，不僅為重復增量掃描技術提供了較準確的參數(shù)，為更精確地鄰近效應校正

7、提供了數(shù)據(jù)基礎，而且得出了優(yōu)化中高能電子束光刻的工藝條件： ①提高電子束入射能量。在中高能電子束光刻中，當電子束的能量越高時，電子橫向作用范圍越大，但是抗蝕劑吸收的電子散射的能量密度分布曲線越陡峭，能夠有效地減弱鄰近效應。 ②優(yōu)化抗蝕劑結構。采用薄抗蝕劑層、雙層抗蝕劑或多層抗蝕劑。由模擬結果知，采用的單層抗蝕劑厚度越薄，吸收的能量密度分布曲線就越陡峭，能量沉積的橫向分布范圍就越小，鄰近效應越低。而采用多層抗蝕劑技術從電子

8、散射的本質上減小了鄰近效應的影響，減小了抗蝕劑圖形對襯底材料的強烈依賴性，因此多層抗蝕劑技術是獲得高分辨率和高深寬比抗蝕劑圖形的有效手段。 ③優(yōu)化襯底結構。采用低原子序數(shù)材料為襯底或選用薄膜襯底，有效地降低了電子背散射系數(shù)，從而降低了鄰近效應。 3．提出了利用電子束光刻生成微三維結構的重復增量掃描策略。首先利用Monte Carlo模擬結果為微三維結構最深處的深度選擇電子束的入射能量。為了降低鄰近效應的影響，應適量選用高

9、能電子束。選定入射電子束能量后，根據(jù)模擬結果確定靈敏度，然后利用反差公式計算該能量下的曝光劑量和刻蝕深度的關系，根據(jù)關系曲線來確定元件不同位置的曝光劑量，進而確定曝光時電子束的掃描速度。據(jù)此關系，利用自行研制的基于DSP的新型圖形發(fā)生器，采用重復增量掃描策略，通過實際的電子束曝光獲得了與設計一致的圓椎、梯椎等微三維結構。 4．改進了電子在樣本中散射的Monte Carlo模擬過程。即在通常的兩個停止電子跟蹤條件(電子逸出了樣本表

10、面；電子的能量低于某一閾值)的基礎上，新增加了電子穿入襯底中的深度大于其穿透深度時即行停止對電子跟蹤模擬的條件，在不改變模擬精度的情況下，模擬速度提高了2～3倍。 5．研究了鄰近效應的產生機理，提出了鄰近效應軟件校正中有效曝光劑量計算的分級模型，該模型分為三個層次，對關鍵點接收到的有效曝光劑量進行了計算： ①通過CDF累積分布函數(shù)計算圖形自身對關鍵點的有效曝光劑量，其特點是速度快、計算精確； ②通過局部曝光窗口直