基于UV-LIGA光刻技術(shù)的曝光及后烘過程仿真研究.pdf

1、近年來，隨著MEMS研究及其應(yīng)用的快速發(fā)展，微細(xì)加工技術(shù)作為其中的一個(gè)重要組成部分，獲得了長足的進(jìn)步。UV-LIGA技術(shù)是現(xiàn)代微細(xì)加工中的熱門技術(shù)之一，與使用X射線的LIGA技術(shù)相比，其光刻工藝中采用傳統(tǒng)紫外光源，故其有著工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行大規(guī)模成批量的生產(chǎn)，因此受到廣泛的關(guān)注和研究。
　　 光刻技術(shù)作為UV-LIGA中的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)其進(jìn)行理論仿真研究一直都是熱點(diǎn)。隨著具有復(fù)雜高深寬比結(jié)構(gòu)的MEMS器件獲得越來越

2、多的需求，采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)光刻工藝仿真，可以降低研制成本，縮短研制周期，并對(duì)于提高微機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量、指導(dǎo)實(shí)際加工過程等方面都有著極其重要的意義。
　　 UV-LIGA工藝主要采用接近式光刻，接近式曝光和后烘過程作為接近式光刻中的兩個(gè)重要組成部分，首先應(yīng)當(dāng)考慮。曝光過程的研究主要集中對(duì)膠表面曝光圖形和膠體深層曝光圖形的預(yù)測(cè)兩個(gè)方面。后烘過程則主要是對(duì)曝光過程的延續(xù)，也是膠體發(fā)生實(shí)質(zhì)改變的一個(gè)重要步驟。而SU-8負(fù)性化學(xué)放大膠由

3、于其優(yōu)秀的性質(zhì)也獲得了微細(xì)加工領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，是UV-LIGA技術(shù)中主要使用的一種膠體。
　　 本文就SU-8膠接近式光刻曝光工藝中的曝光和后烘機(jī)理展開研究，以期獲得能夠完整地反映UV-LIGA工藝中SU-8曝光后烘過程的理論模型。不論是曝光過程還是后烘過程，無法用單一的學(xué)科理論進(jìn)行解釋，需要交叉學(xué)科知識(shí)的支持，這正是MEMS領(lǐng)域研究的特點(diǎn)之一。本文以國家自然科學(xué)基金(NO.60473133)“基于準(zhǔn)LIGA技術(shù)的MEMS制造誤

4、差修正方法計(jì)算機(jī)仿真研究”為基礎(chǔ)而展開研究，對(duì)接近式紫外光刻工藝的曝光及后烘過程中涉及的理論進(jìn)行深入研究，克服了光刻技術(shù)中交叉學(xué)科應(yīng)用帶來的難點(diǎn)，對(duì)曝光及后烘工藝實(shí)質(zhì)進(jìn)行深層分析，提出了能充分反映工藝過程的理論模型。
　　 對(duì)于膠表面曝光，本文以純光學(xué)標(biāo)量衍射理論為基礎(chǔ)，結(jié)合課題組的研究，提出用模擬退火算法結(jié)合波前分割法對(duì)光場(chǎng)影響最大掩模范圍進(jìn)行灰階編碼掩模矯正。通過在一定范圍內(nèi)對(duì)二元灰階編碼掩模的面元網(wǎng)格進(jìn)行局部搜索優(yōu)化，最終

5、得到光學(xué)臨近矯正后的掩模編碼及其矯正光場(chǎng)。
　　 此外，在深度曝光過程仿真方面，以Dill曝光模型為代表的光化學(xué)曝光模型更能反映其主要實(shí)質(zhì)。本文以Dill經(jīng)典曝光模型為基礎(chǔ)，對(duì)該模型在時(shí)間軸和深度軸方向進(jìn)行擴(kuò)展，形成了更為完整的曝光仿真理論。在時(shí)間軸模型的擴(kuò)展方面，分析了SU-8光刻膠的組成及其曝光交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)過程，建立了適合于SU-8膠的光交聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。而在深度軸上，以復(fù)折射率擴(kuò)展下的基爾霍夫衍射公式為基礎(chǔ)，利用光束傳播

6、法的思想分階段計(jì)算某曝光時(shí)刻下膠體內(nèi)部的光場(chǎng)分布。本文在深度軸上建立的光學(xué)模型解決了接近式光刻中光束傳播路線上折射率跳變問題，且對(duì)標(biāo)量衍射理論在微不均勻介質(zhì)的應(yīng)用上進(jìn)行擴(kuò)展。最后，通過復(fù)折射率分布作為紐帶，將兩個(gè)軸上的模型耦合起來，形成了能夠反映SU-8曝光實(shí)質(zhì)的新型光化學(xué)曝光模型。
　　 在后烘仿真方面，本文從SU-8后烘反應(yīng)過程中的光聚合反應(yīng)入手，分析了SU-8后烘過程中的主要機(jī)理，并以Ferguson后烘反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型為基

7、礎(chǔ)，并加入光致酸的擴(kuò)散模型，形成新的后烘反應(yīng)-擴(kuò)散模型。本文著重介紹了Vrentas-Duda滲透劑-高分子聚合物體系自由體積擴(kuò)散理論，通過對(duì)Vrentas-Duda擴(kuò)散系數(shù)公式按SU-8后烘擴(kuò)散過程的需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)合Ferguson后烘反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，最終形成了可以描述SU-8后烘過程中光致酸-環(huán)氧交聯(lián)鏈擴(kuò)散體系的后烘反應(yīng)-第二類擴(kuò)散模型。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)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圖形輪廓，是完整