基于UV-LIGA光刻技术的曝光及后烘过程仿真研究

摘要

近年来，随着MEMS研究及其应用的快速发展，微细加工技术作为其中的一个重要组成部分，获得了长足的进步。UV-LIGA技术是现代微细加工中的热门技术之一，与使用X射线的LIGA技术相比，其光刻工艺中采用传统紫外光源，故其有着工艺简单，成本低廉的优势，可以进行大规模成批量的生产，因此受到广泛的关注和研究。
　　 光刻技术作为UV-LIGA中的关键一环，对其进行理论仿真研究一直都是热点。随着具有复杂高深宽比结构的MEMS器件获得越来越多的需求，采用计算机模拟的方法对光刻工艺仿真，可以降低研制成本，缩短研制周期，并对于提高微机电产品质量、指导实际加工过程等方面都有着极其重要的意义。
　　 UV-LIGA工艺主要采用接近式光刻，接近式曝光和后烘过程作为接近式光刻中的两个重要组成部分，首先应当考虑。曝光过程的研究主要集中对胶表面曝光图形和胶体深层曝光图形的预测两个方面。后烘过程则主要是对曝光过程的延续，也是胶体发生实质改变的一个重要步骤。而SU-8负性化学放大胶由于其优秀的性质也获得了微细加工领域的广泛关注，是UV-LIGA技术中主要使用的一种胶体。
　　 本文就SU-8胶接近式光刻曝光工艺中的曝光和后烘机理展开研究，以期获得能够完整地反映UV-LIGA工艺中SU-8曝光后烘过程的理论模型。不论是曝光过程还是后烘过程，无法用单一的学科理论进行解释，需要交叉学科知识的支持，这正是MEMS领域研究的特点之一。本文以国家自然科学基金(NO.60473133)“基于准LIGA技术的MEMS制造误差修正方法计算机仿真研究”为基础而展开研究，对接近式紫外光刻工艺的曝光及后烘过程中涉及的理论进行深入研究，克服了光刻技术中交叉学科应用带来的难点，对曝光及后烘工艺实质进行深层分析，提出了能充分反映工艺过程的理论模型。
　　 对于胶表面曝光，本文以纯光学标量衍射理论为基础，结合课题组的研究，提出用模拟退火算法结合波前分割法对光场影响最大掩模范围进行灰阶编码掩模矫正。通过在一定范围内对二元灰阶编码掩模的面元网格进行局部搜索优化，最终得到光学临近矫正后的掩模编码及其矫正光场。
　　 此外，在深度曝光过程仿真方面，以Dill曝光模型为代表的光化学曝光模型更能反映其主要实质。本文以Dill经典曝光模型为基础，对该模型在时间轴和深度轴方向进行扩展，形成了更为完整的曝光仿真理论。在时间轴模型的扩展方面，分析了SU-8光刻胶的组成及其曝光交联化学反应过程，建立了适合于SU-8胶的光交联反应动力学模型。而在深度轴上，以复折射率扩展下的基尔霍夫衍射公式为基础，利用光束传播法的思想分阶段计算某曝光时刻下胶体内部的光场分布。本文在深度轴上建立的光学模型解决了接近式光刻中光束传播路线上折射率跳变问题，且对标量衍射理论在微不均匀介质的应用上进行扩展。最后，通过复折射率分布作为纽带，将两个轴上的模型耦合起来，形成了能够反映SU-8曝光实质的新型光化学曝光模型。
　　 在后烘仿真方面，本文从SU-8后烘反应过程中的光聚合反应入手，分析了SU-8后烘过程中的主要机理，并以Ferguson后烘反应动力学模型为基础，并加入光致酸的扩散模型，形成新的后烘反应-扩散模型。本文着重介绍了Vrentas-Duda渗透剂-高分子聚合物体系自由体积扩散理论，通过对Vrentas-Duda扩散系数公式按SU-8后烘扩散过程的需要进行简化，结合Ferguson后烘反应动力学模型，最终形成了可以描述SU-8后烘过程中光致酸-环氧交联链扩散体系的后烘反应-第二类扩散模型。
　　 实验结果表明，本文建立的曝光后烘耦合模型可以一定程度上反映加工图形轮廓，是完整而有效的微细加工过程模拟理论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1. 微电子机械系统(MEMS)

1.2. 微细加工技术

1.2.1. 硅微加工技术

1.2.2.LIGA技术和UV-LIGA技术

1.2.3. 微细加工技术中的多学科性

1.3. 光刻技术

1.3.1. 光刻胶技术

1.3.2. 光刻工艺的分类

1.3.3. 掩模及其加工

1.4. 光刻仿真技术的发展及其研究意义

1.4.1. 投影式光刻仿真

1.4.2. 接触/接近式及深度光刻仿真

1.4.3. 光刻仿真的研究意义

1.5. 本文的主要工作

本章参考文献

第2章 接近式光刻模拟理论

2.1. 引言

2.2. 接近式曝光模拟理论

2.2.1. 纯光学曝光模拟理论

2.2.2. 光化学曝光模拟理论

2.3. 后烘模拟理论

2.3.1.化学放大胶

2.3.2. 后烘反应动力学模型

2.4. 显影速率模型

本章参考文献

第3章 SU-8接近式深度光刻曝光理论模型的建立与计算

3.1. 基于模拟退火算法的接近式光刻掩模的光学临近效应矫正

3.1.1. 模拟退火算法简介

3.1.2. 掩模平面光场波前对场点的有效影响范围

3.1.3. 在有效影响范围下对二元灰阶编码掩模的模拟退火算法矫正

3.2. 基于Dill模型建立SU-8接近式深度曝光理论模型

3.2 1. 经典Dill曝光模型

3.2.2. 对Dill模型在深度轴上进行扩展

3.2.3. 对Dill模型在时间轴上进行扩展

3.3. 改进深度曝光模型及其计算结果分析

3.3.1. 时间轴和深度轴模型间的联系

3.3.2. 完整深度曝光模型的计算结果及其分析

3.4.本章总结

本章参考文献

第4章 SU-8接近式深度光刻后烘理论模型的建立与计算

4.1. SU-8胶后烘反应过程

4.2. Ferguson后烘反应动力学模型

4.3.后烘反应-扩散模型

4.3.1. 菲克扩散模型

4.3.2. 第二类扩散模型

4.4. 对后烘扩散建模的一些展望

4.5.本章总结

本章参考文献

第5章 总结与展望

5.1.本文的主要工作

5.2.本文的创新之处

5.3.不足之处

5.4. 深度光刻误差矫正方法可行性展望

本章参考文献

附录：发表论文情况

致 谢