微纳加工过程中微纳结构高度的光学测量方法研究

摘要

随着MEMS这一交叉学科领域的兴起，市场对微光学元件、微电路、微机械系统等各种微纳结构的需求也日益增大，微纳加工技术作为获得微机械、微机电系统的必要手段，得到了快速的发展。而如何对微纳结构表面的形貌进行有效的测量也越来越受到人们的密切关注。微纳结构的形貌是在微纳加工工艺过程中逐渐形成的，对工艺过程进行原位监测非常必要。但是目前应用于表面形貌测量的方法多为终点监测方式，不适用于微纳加工工艺过程的监测。直到现在还没有一种比较合适的针对微纳结构、尤其是大高宽比微纳结构的过程监测方法。
　　 因此，本文针对这一需求提出了一种适用于对制作微纳结构的工艺过程进行原位监测方法。高度作为微纳结构表面形貌的关键参数之一，是微纳加工工艺过程中变化最明显的参数，我们就针对这一结构参数，进行原位监测方法研究。本文主要工作如下：
　　 1．通过引入辅助结构作为过程监测的监测对象，提出了一种对大高宽比微纳结构在微纳加工工艺过程中高度的变化进行原位无损监测的方法。随着高度的变化，矩形光栅表现出明显的光学现象，便于进行光学监测，适合用作辅助结构。我们使用矩形光栅负一级和正一级衍射效率两个参数作为监测依据，首先通过观测他们的起伏变化得到微纳结构大致的高度范围，然后观测负一级与正一级的比值得到微纳结构高度的精确值，从而实现对大高宽比微纳结构高度的原位监测。
　　 2．以高度为3μm的微纳结构为例，设计了线密度为50线/mm和160线/mm的矩形光栅作为辅助结构来监测显影过程中微纳结构高度的变化。模拟结果表明，通过监测光栅衍射效率的变化可以有效地监测微纳结构高度的变化，该方法适用于对大高宽比微纳结构的显影过程进行原位监测。
　　 3．为了验证模拟结果的可靠性和监测方法的可行性，我们针对CCD和能量计两种监测工具的特点分别设计了实验进行验证，实验结果证实了我们提出的方法是可行的。另外，对于引起实验结果偏差的因素进行了分析讨论，并提出了进一步的改进方法。
　　 4．对用于更高的监测高度的辅助结构进行了分析设计，通过模拟设计了线密度为40线/mm和100线/mm的矩形光栅作为高度为15μm的微纳结构高度监测的辅助结构。通过选择不同光栅相同级次的衍射效率比值来判断微纳结构高度的精确值，这样可以减少监测级次，简化实验过程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 微纳加工基本工艺介绍

1．2 微纳加工工艺过程监测的意义

1．3 微纳加工工艺过程监测的研究进展

1．4 本论文完成的主要工作及内容安排

第2章 原位监测方法及相关因素分析

2．1 引入辅助结构进行显影过程原位监测设计

2．2 辅助结构衍射效率计算方法

2．3 辅助结构类型及监测级次的选择

2．3．1 辅助结构类型的选择

2．3．2 监测级次的设计

2．4 辅助结构的参数设计及其衍射效率模拟

2．4．1 线密度的设计

2．4．2 占空比设计

2．4．3 入射角度设计

2．4．4 辅助结构衍射效率模拟结果

2．5 辅助结构对各误差的宽容度分析

2．5．1 占空比偏差的影响

2．5．2 侧壁陡直度带来的影响

2．5．3 入射角偏差的影晌

2．6 本章小结

第3章 原位监测方法的实验验证

3．1 验证性实验设计

3．2 实验结果

3．2．1 基于能量计的监测实验

3．2．2 基于CCD的监测实验

3．3 辅助结构适用性分析

3．4 不同适用范围的辅助结构设计

3．5 本章小结

第4章 总结与展望

参考文献

附录 实验中使用的仪器及药品规格型号

仪器

药品

致谢

在读期间发表的学术论文和取得的研究成果