紫外光刻仿真及掩模优化设计研究

摘要

近年来，微机电系统 (MEMS，Micro Electro Mechanical System) 研究及其应用的快速发展，推动着微细加工技术的不断改进和提高。UV-LIGA技术作为LIGA技术的一种派生技术，由于其光刻工艺中采用传统的紫外光源，与使用X射线的LIGA技术相比，尽管其制成的微结构质量和高宽比不及，但具有工艺简单，成本低廉的优势，因此受到广泛的关注和研究。 由于光刻技术在UV-LIGA技术中的关键的基础地位，对于光刻的理论模拟研究一直都是热点。随着结构复杂，大高宽比结构的MEMS器件越来越多的需求，采用计算机模拟对光刻工艺仿真，对于降低研制成本，缩短研制周期，提高微机电产品质量，具有重要的意义。 UV-LIGA工艺主要采用接近式光刻，曝光时掩模和光刻胶间有一定的间隙以保护昂贵的掩模。在光刻过程中，由于间隙的存在，使得衍射效应明显，造成在光刻图形转移的过程中产生形状误差，这种形状误差随着掩模极限尺寸和光刻深度的不同而不同。 本文就接近式光刻曝光工艺中因衍射效应产生的图形失真的机理开展了研究。结合光刻机的照明机理，根据光在空气和吸收介质中的标量衍射理论和角谱理论，本文提出了一种光刻传播光场分布角谱计算方法。角谱衍射计算中，选择快速傅立叶变换(FFT) 技术进行仿真计算，通过适当选择FFT计算中的相关参数范围，确定较佳的FFT参数，在频域中建立了较为真实的描述接近式曝光过程的光刻数学模型。该仿真方法的特点是能够快速准确地对光刻胶表面及其内部的光场分布进行仿真计算，为光刻的仿真计算的工程实用提供了一种可行的方法。 利用上述仿真模型，对不同线宽、不同形状特征的掩模在光刻胶表面和内部的衍射光场分布做了接近式光刻仿真，对衍射造成的二维图形和深度方向的误差分布和特点做了深入的分析研究。仿真及实验图形验证表明，该快速角谱仿真模型模拟得到的误差现象与实验结论较吻合，包括：在光刻胶表面，图形轮廓出现线宽变窄，拐角圆化等现象。而对于光刻胶深度方向，微结构出现了圆柱化，侧壁陡度变小，底部收缩等现象。实验对比在一定程度上证明了本模型的有效性。 在光刻误差分析的基础上，本文基于可制造性设计(DFM,Design for Manufacture)对接近式光刻的图形进行优化仿真研究。借鉴投影式光刻掩模优化策略，本文对接近式光刻的优化方法是：基于掩模预补偿的思想，在引起衍射的掩模特征处，通过调整其分布，实现光刻胶表面的衍射光场调制。本文根据分段分类思想，运用遗传算法(GA，Genetic Algorithm )，对光刻掩模进行有限区域的搜索，寻找曝光图形最接近于理想图形的预补偿掩模。对得到的最优预补偿掩模仿真表明，优化后图形转移的质量大大提高，为接近式紫外光刻的掩模设计提供了新的思路。对于 SU-8 厚胶的深度光刻中的深度方向误差，运用同样的掩模重新分布的遗传算法搜索策略，针对光刻胶内特定深度截面的轮廓形状进行优化研究。对接近式深度光刻中的掩模进行了补偿优化搜索及其仿真表明，预补偿掩模在一定程度上降低了深度光刻中光刻胶内特定深度截面的图形误差。 本文系统进行了UV-LIGA工艺中接近式紫外光刻的快速角谱仿真研究。对光刻薄胶到厚胶深度光刻，它们的二维和三维的光场分布都做了详细的仿真分析。为降低光刻中的误差，对薄胶和厚胶分别进行了掩模优化研究，对MEMS光刻掩模的设计提供了指导性的依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1. 微机电系统的发展现状及其加工技术

1.1.1.MEMS加工技术

1.1.2.基于光刻的微细加工技术

1.2. 光学光刻技术

1.2.1.接近式和接触式光刻

1.2.2.投影式光刻系统

1.2.3.光学系统分辨率

1.2.4.光刻胶技术

1.3. 光刻仿真技术的发展

1.3.1.投影式光刻仿真

1.3.2.接近式光刻及深度光刻仿真

1.4. 微细加工误差研究的意义

1.5. 本文内容安排

本章参考文献

第2章 光刻理论及遗传算法基础

2.1. 引言

2.2. 接近式光刻模型

2.3. 接近式光刻 光的标量衍射理论

2.3.1.基尔霍夫公式及瑞利-索末菲公式

2.3.2.介质表面的对光的反射

2.3.3.衍射的角谱理论

2.4. 遗传算法简介

2.4.1.遗传算法起源和特点

2.4.2.遗传算法与自然选择

2.4.3.遗传算法的基本步骤

2.4.4.遗传算法的特点

2.4.5.遗传算法的应用

本章参考文献

第3章 光刻的角谱仿真研究

3.1. 引言

3.2. 紫外光刻机的照明机理

3.3. 接近式曝光的数学模型

3.4. 角谱法计算衍射场

3.4.1.光波在空域的瑞利-索末菲衍射积分

3.4.2.光波的角谱传播公式

3.5. FFT的频谱混叠影响的控制

3.5.1.FFT计算中存在问题

3.5.2.FFT变换采样点数的选择

3.5.3.确定最小空域采样区间长度

3.6. 仿真实验

3.7. 与瑞利-索末菲积分方法的比较

3.8. 接触式曝光间隙的处理

3.9. 线宽光刻曝光的仿真及实验分析

3.9.1.线宽2微米的仿真

3.9.2.线宽5微米仿真

3.9.3.线宽10微米的仿真

3.9.4.直边衍射

3.9.5.仿真结论

3.10. 其它掩模形状的快速角谱仿真模拟

3.11. 本章总结

本章参考文献

第4章 接近式光刻掩模优化

4.1. 引言

4.2. 接近式光刻仿真模型

4.3. 矩形掩模的接近式光刻仿真

4.3.1.2微米方孔仿真

4.3.2.5微米方透光孔仿真

4.3.3.边长10微米透光孔仿真

4.3.4.矩形孔仿真结论

4.4. 掩模的优化方法讨论

4.4.1.投影式光刻的掩模优化技术

4.4.2.投影式光刻掩模修正方法总结

4.4.3.接近式光刻的掩模优化

4.5. 遗传算法设计

4.5.1.编码方式

4.5.2.适应度评价策略

4.5.3.遗传操作和算法流程图

4.6. 仿真实验

4.6.1.矩形掩模的优化

4.6.2.外拐角掩模优化结果

4.6.3.内拐角掩模优化

4.6.4.L型掩模的优化应用仿真

4.7. 本章总结

本章参考文献

第5章 深度光刻分析及优化

5.1. 引言

5.2. SU-8光刻胶介绍

5.2.1.光刻胶的工艺

5.2.2.光刻胶的特性

5.2.3.折射率

5.2.4.胶厚的控制

5.2.5.曝光工艺的控制

5.3. 紫外光在SU-8光刻胶中的传播

5.3.1.光在光刻胶内传播

5.3.2.光的吸收

5.4. 光刻胶深度曝光误差分析

5.4.1.基底反射对光刻的影响

5.4.2.波长对光刻结果的影响

5.4.3.线宽图形的深度光刻仿真与实验结果

5.4.4.微柱的光刻模拟及结果

5.4.5.微齿轮的深度模拟果

5.4.6.深度光刻误差总结

5.5. 深度光刻的优化

5.5.1.优化的方法

5.5.2.外拐角的深度光刻优化

5.5.3.优化前外拐角轮廓

5.5.4.内拐角的深度光刻优化

5.6. 本章总结

本章参考文献

第6章 结束语

6.1. 本文的主要工作

6.1.1.接近式紫外光刻的角谱仿真模型

6.1.2.基于遗传算法的掩模优化

6.1.3.深度光刻的误差分析及掩模优化

6.2. 本文的创新之处

6.2.1.频域FFT快速算法仿真

6.2.2.基于遗传算法的掩模设计优化方法

6.2.3.深度光刻的优化方法研究

6.3. 不足之处与展望

6.3.1.接近式光刻误差的其他影响因素

6.3.2.优化掩模的实验验证

6.3.3.其他掩模特征图形的优化研究

附录

致谢