（光学专业论文）厚胶光学光刻技术研究.pdf

厚胶光学光刻技术研究 光学专业 研究生唐雄贲指导教师郭永康教授 厚胶光学光刻具有工艺相对简单、与现有i c 工艺流程兼容性好、制作成本 低等优点，是用来制作大深度微光学、微机械、微流道结构元件的一种很重要 的方法和手段，具有广阔的应用前景，因而是微细加工技术研究中十分活跃的 领域。厚胶光刻是一个多参量的动态变化过程，多种非线性畸变因素的存在， 使得对其理论和实验的研究，与薄胶相比要复杂得多。本论文针对国内外厚层 光学光刻研究现状，以研究制作高质量大深度微结构元件的相关理论和技术为 目标，以厚胶光刻过程的物理、化学机理为基础，从理论到实验工艺进行了较 深入的研究。 首先，针对厚胶光刻的特点，基于角谱理论，对抗蚀剂进行分层处理，建 立了衍射光场在厚层光刻胶中传输的标量模型。考虑到各分层频率间隔的变化 和计算量的要求，提出了快速傅立叶的改进算法。对于光刻图形线宽较小、深 宽比较大情形，由于横向上的折射率非均匀分布对光场分布影响不可忽略，利 用傅立叶模方法，建立了描述厚层光刻胶内衍射光场形成过程的矢量模型。厚 层光刻胶内衍射光场传输的物理模型的建立为准确、快速、有效的模拟厚层光 刻胶光刻全过程打下了基础。 然后，编写了模拟厚胶光刻全过程的模拟计算软件，该软件包可以对光刻 胶内部衍射光场、光敏化合物空问分布，光刻胶显影轮廓进行二维以及三维模 拟，这不仅有利于深入理解厚胶光刻过程机理，而且为光刻过程工艺的优化提 供了重要工具。在此基础上，模拟分析了曝光波长、空隙距离及光刻胶吸收系 数对光刻胶面形质量的影响。 接着，以a zp 4 6 2 0 光刻胶为研究对象，理论分析了曝光光强对反应速率的 影响，并实验上考察了曝光光强及前烘与坚膜工艺参数对光刻面形轮廓的影响。 利用s u - 8 制作出了微马达的部分零件一微齿轮和微活塞，为以后进一步深入制 作大深度微结构元件奠定了基础。 最后，对厚胶光刻过程的非线性畸变的成因作了深入分析，为减小或消除 这种非线性畸变对显影后浮雕面形质量的影响，基于模拟退火算法，提出了对 所设计的编码灰阶掩模进行优化预校正的新方法，其校正后显影轮廓面形质量 得到明显改善，这对设计、制作高质量的微结构元件的有十分重要的意义。 关键词：厚层光刻胶；光学光刻技术；非线性畸变校正；大深度微结构元件； 面形质量；模拟退火算法；计算模拟 j l l 大尊坤i 士尊哩嘴，： r e s e a r c h0 1 1o p t i c a ll i t h o g r a p h y o ft h i c kf i l mr e s i s t s m a j o r ：o p t i c s g r a d u a t e ：t a n gx i n n g g u i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg u oy o n g k a n g o p t i c a ll i t h o g r a p h yo f t h i c kf i l mr e s i s t si sa l li m p o r t a n ta p p r o a c hw i t he a s yf o r f a b r i c a t i o n , l o wc o s ta n dc o m p a t i b l ew i t hi n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) p r o c e s s ，w h i l eu s e d f o rf a b r i c a t i o no fm i c r o s t r a c t u r ew i t hl a r g ed e p t hi n 也ef i e l do fm i c r o - o p t i c sa sw e l l a sm i c r o f l u i d i ca n dm i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) w i t ht h er e q u i r e m e n t o fi n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n si nr e c e n ty e a r s ，m o d e l i n ga n dp r o c e s s i n go ft l l i c kf i l m r e s i s t sb e c o m ea l li m p o r t a n tf i e l d w h e nc o m p a r e dw i t ht h i nf i l ml i t h o g r a p h y , h o w e v e r , t 1 1 i c kf i l ml i t h o g r a p h yi sam u c hm o r ec o m p l i c a t e dp r o c e s s ，w h i c hi n v o l v e s q u i t e af e wn o n l i n e a rf a c t o r s m o t i v a t e d b y f a b r i c a t i o no fh i g h - f i d e l i t y m i c r o s t r u c t u r o , t h et h i c kf i l ml i t h o g r a p h yi ss t u d i e dn o to n l yt h e o r e t i c a l l yb u ta l s o e x p e r i m e n t a l l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , w eh a v ed e v e l o p e das c a l a r m o d e lf o rl i t h o g r a p h yo ft h i c kf i l m p h o t o m s i s tb yu s i n gt h ea n g u l a rs p e c t r u mt h e o r y , i nw h i c ht h et h i c kf i l mp h o t o r e s i s t i sd i v i d e di n t om a n yh o m o g e n e o u sl a y e r s ，a n dt h ed i f f r a c t i v eo p t i c a li m a g i n g d i s t r i b u t i o ni np h o t o r e s i s ti sr e g a r d e da ss u p e r p o s i t i o no fd i f f e r e n ts p e c t r u mp l a n e w a v e s t h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) h a sb e e nc o n v e r t e di n t oac o n v o l u t i o n c a l c u l a t i o nt ok e e pt h ec o m p u t a t i o na c c u r a t ea n dr e d u c ec o m p u t a t i o nc o s t m o r c o v e r av e c t o rm o d e li se s t a b l i s h e di nw h i c hf o u r i e rm o d a lm e t h o d , m o s t l ya p p l i e dt o s t u d yt h ed i f f r a c t i v ep r o p e r t i e so f g r a t i n g i sa d o p t e dt oa n a l y z et h ed i f f r a c t i v ei m a g e f i e l di nt l l i c kf i l mr e s i s t s b o t ho f t h em o d e l sh a v ea d v a n t a g e s 、衍t i ll o wc o m p u t a t i o n c o s ta n dl l i g hc o m p u t a t i o np r e c i s i o n s e c o n d l y , n 塘s o f t w a r ep a c k a g ef o ro p t i c a ll i t h o g r a p h ys i m u l a t i o no ft h ew h o l e p r o c e s si sp r o g r a m m e d ，i nw h i c hd i f f r a c t i v ef i e l d ，d i s t r i b u t i o no fp a ca n ds u r f a c 2 p r o f i l ea f t e rd e v e l o p m e n tc a nb es i m u l a t e d i ti sv e r yu s e f u lt on o to n l yu n d e r s t a n d t h em e c h a n i s mo fl i t h o g r a p h yp r o c e s s ，b u ta l s op r o v i d eaw a yf o rp r o c e s s o p t i m i z a t i o n i na d d i t i o n , t h ee f f e c t so fi l l u m i n a t i o nw a v e l e n g t h , g a pd i s t a n c ea n d a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to nt h ep r o f i l eq u a l i t ya f t e rd e v e l o p m e n ta 托s i m u l a t e da n d m 一 i 川大掌博士拳位惦文擅l d i s c u s s e d t h i r d l y , t h ee f f e c to fe x p o s u r ei n t e n s i t yo nt h ep h o t o c h e m i c a lr e a c t i o ns p e e do f t h et h i c kd i a z o n a p h t h o q u i n o n e ( d n q ) - n o v o l a kb a s e dp h o t o r e s i s t si si n v e s t i g a t e db y u s i n gk i n e t i cm o d e l ，a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e d ， w h i c hs h o w st h a tt h ef o r m e ra r ei n a g r e e m e n tw i t ht h el a t t e r i na d d i t i o n , t h e m i c r o s t r u c t u r es a m p l eb a s e do hs u - 8p h o t o r e s i s ti sf a b r i c a t e d f i n a l l y , t h en o n l i n e a rf a c t o r ss u c h 嬲l i g h tw a v ep r o p a g a t i o n ，e x p o s u r ea n d d e v e l o p m e n tp r o c e s sa r ea n a l y z e d ，a n dt r a n s m i s s i o nf u n c t i o no fm a s ki so p t i m i z e d t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs u r f a c ep r o f i l ea f t e rd e v e l o p m e n tb yu s i n gt h es i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ( s a a ) t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o w st h a tt h ev o l u m ed e v i a t i o n o fp r o f i l ei so b v i o u s l yd e c r e a s e dw h i l e1 0 r e c o m p e n s a t i n g a sar e s u l t , t h i sm e t h o d d o e si m p r o v et h eq u a l i t yo f p r o f i l e b u tn o tl e a dt 0i n c r e a s ei nd i f f i c u l t yo f t h e d e s i g n a n df a b r i c a f i o nf o rt h em a s k , w h i c hi sv e r yu s e f u lt of a b r i c a t em i c r o s t r u c t u r ew i t h h i 曲f i d e l i t yi nt h e t h i c kf i l ml i t h o g r a p h y k e yw o r d s ：t 1 1 i c kf i l mp h o t o r e s i s t s t e c h n o l o g yf o r o p t i c a ll i t h o g r a p h y , p r e c o m p e n s a t i o na p p r o a c hf o rn o n l i n e a rd i s t o r t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ew i t hl a r g ed e p t h ， p r o f i l eq u a l i t y , t h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o f i t h m ( s a a ) 。n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 第一章绪论 1 1 光刻技术的发展概况 2 0 世纪5 0 年代末，杰克- 基尔比( j a c kk i l b y ) 发明了集成电路，由此获得了 2 0 0 0 年诺贝尔物理学奖i l j 。随之，微电子技术的发展极为迅速，从而导致了计 算机技术与网络技术、移动通讯技术、多媒体等技术的快速发展，它大大改变 了人们的生活、生存方式。在这短短的几十年的发展过程中，集成电路已经从 6 0 年代的每个芯片上仅几十个元件发展到现在的每个芯片上可达几亿、甚至几 十亿个元件，其集成规模得到了大大提高。根据摩尔定律1 ，每隔1 8 个月， 芯片上晶体管的数目就增加l 倍，每隔3 年时间，芯片的集成度翻两番，即能 够加工的最小线宽降低到原来的二分之一。在过去的近三十年来，半导体产业 的发展速度一直遵循这条规律；目前，电路的特征尺寸即最小线宽已达9 0 r i m 节点，根据国际半导体技术机构制定的发展路线图( i t r s ) 的预计，6 5 r i m ，4 5 n m 、 3 2 r i m 、2 2 r i m 、l g n m 为特征尺寸的技术节点将在2 0 0 7 、2 0 1 0 、2 0 1 3 、2 0 1 6 、2 0 1 8 年开始投入生产】。据专家预测，在未来的十年内摩尔定律将继续有效。 在微电子技术中，以光刻方法为主要手段的微细加工是实现大规模集成电 路( v l s i ) 的一个关键技术，其芯片集成度的突飞猛进依赖于光刻等微细加工 技术的不断发展和进步，因为它直接决定了单个器件的物理尺寸。光刻是指利 用可控制的曝光量将图形转移到光敏光刻胶材料上，并通过蚀刻方法再转移到 基底材料的一个过程，它最早应用于集成电路的加工制造。光刻曝光技术先后 经历了从接触式曝光、接近式曝光到投影曝光系统。虽然接触式曝光容易损伤 胶膜和污染掩模板，以致影响光刻图形质量和缩短掩模的使用寿命，因而人们 通过采用接近式曝光可避免接触式曝光的缺点。最近，人们提出了近场光学光 刻 6 , t l 和表面等离子亚波长光刻f 8 棚；投影曝光系统是目前的主流光刻技术，约占 目前的光刻设备市场份额的7 0 以上由瑞利判据可知，光学分辨率r = k i 九 n a ( 其中k l 为工艺因子，x 为曝光波长，n a 为数值孔径) ，投影光刻分辨率 的提高可以通过缩短曝光波长x 、增大投影数值孔径n a 和降低工艺因子k l 来 使得特征尺寸不断缩小。从上世纪8 0 年代末以来，投影光刻所采用的曝光波长 从g 线( 4 3 6 n m ，汞灯) 发展到i 线( 3 6 5 n m ，汞灯) 、深紫外( 2 4 8 n m ，k r f 准 分子激光) 和真空紫外波段( 1 9 3n l t l 和1 5 7h i l l ，分别对应a r f 准分子激光和 f 2 准分子激光) ；数值孔径n a 已从9 0 年代初的0 5 增加到2 0 0 4 年的0 8 ，据 预测，不久会达到o 9 ；工艺因子k l 已从8 0 年代的0 8 降低到目前的o 4 ，不久 将达o 3 左右【l 们。但是随着光刻技术的进一步发展，数值孔径的继续增大将面 临光学设计和光学加工方面的挑战，像质的变坏将抵消分辨率的提高；继续减 小波长则需要昂贵的未经证实的材料( 如超纯石英和c a f 2 ) 以及与其相配套的 深紫外光刻胶，更不利的是将导致焦深( d o f = k 2 n a 2 ，k 2 为工艺因子) 的 缩短。近年来。为了改善光学光刻的图形质量和进一步提高光刻分辨率，人们 在现有光刻设备的基础上做了大量的工作，提出了许多新的方法，如相移掩模 技术( p s m ) 【l l 】、离轴照明技术( o a f ) 【1 2 1 、光学邻近校正技术( o p c ) 1 3 , 1 4 1 、 空间滤波及分数域滤波技术【1 5 】以及浸入式光刻技术【0 6 1 等，这些技术对现有光学 光刻技术注入了新的活力，进一步提升了光刻系统的整体的分辨本领，延长了 现有光刻系统的使用寿命。 与此同时，人们积极研发下一代光刻技术【1 7 1 ( n g l ，n c x t g e n e r a t i o n l i t h o g r a p h y ) ，如接近式x 射线光刻技术( p x l ) 、极端远紫外光刻技术( e u v l ) 、 电子束投影光刻技术( e p l ) 、电子束直写( e b d w ) 、离子投影光刻技术( i p l ) 等。随着光刻技术的进一步发展，浸入式光刻技术、纳米压印光刻技术【1 8 】 ( n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ) 、软光刻技术、无掩模光刻技术【2 0 ，2 1 l ( m a s k l e s s l i t h o g r a p h y ) ( 包括干涉光刻和波带片阵列光刻等) 以及原子光刻1 2 2 1 已引起人们 的广泛关注和重视。下面，我们将对几种典型光刻技术进行简单介绍。 1 1 1 几种典型光刻技术 紫外、深紫外光刻技术( u v ud u v l ) 4 , 1 7 , z i , 2 4 紫外光刻技术主要以汞灯或氙灯所产生的紫外光为光源，常用的三个波段 为4 3 6 n m ( g 线) 、4 0 5 n m ( h 线) ，3 6 5n m ( i 线) ；深紫外光刻技术主要以k r f 准分子激光和a r f 准分子激光为曝光光源，对应波长2 4 8 n m 和1 9 3 n m 。目前这 些光刻设备已产品商用化，其工艺技术已较为成熟。据报道，a s m l 公司开发 出1 9 3 n m a r f 扫描光刻机并通过结合分辨率增强技术，其最小特征尺寸为9 0 n m 的深亚微米工序已投入工艺生产。据专家预测，1 9 3 n m 光刻可能会继续拓展和 延伸，其使用极限将会超出人们的预料，由于光刻图形的分辨率可以达到使用 波长的三分之一，因而将1 9 3 r t m 光刻设备用于6 5 n m7 - 艺节点是可行的。另外， 随着强移相技术和浸入式光刻以及其它一些技术的应用，1 9 3 r i m 光刻可以维持 到4 5 r i m 技术节点，甚至更远。然而，对于1 5 7 n m f 2 准分子光刻，由于光的大 量吸收，研制用于光刻系统的新型光学材料及掩模基底材料是该波段技术的主 要困难，其研究进展较为缓慢。 极紫外、x 射线光刻技术( e i i x r l ) m 2 4 2 5 , 2 6 , 2 7 】 极紫外光刻工作在1 0 - 1 0 0 n m 波长、一般在1 l 一1 4 n m 波长( 例如1 3 4 r t m 的同步 辐射极紫外光) ，采用反射式投影曝光系统。极紫外光刻具有如下优点：1 ) 分辨 率高，至少可达3 0 n m 以下；2 ) 且具有一定的产量优势及传统光学光刻技术的延 伸性；3 ) 同时具有图形缩小掩模技术使掩模制作难度下降。但是其缺点也十分 明显，如光学系统设计与制造相当复杂、制造无缺陷反射式掩模极具技术挑战、 在设备、掩模、工艺等诸多方面的成本还相当高。因此将e u v l 技术应用到u l s i 硅 片生产中还有一些问题亟待解决，例如精密光学系统很难实现e u v l 高质量表面的 严格要求；反射镜的反射率要通过精确的多层膜来优化；反射掩模版图形为特征 尺寸的4 倍，因而1 0 0 n m 关键尺寸的最小掩模版特征尺寸为4 0 0 n m ，短波长和渗透 深度要求使用顶面成像光刻胶或者带有十分薄的上层双面胶；在对准方面，对于 采用0 11 1m 设计规则的c m o s 器件，总套准容差大约是3 5 n m 等等，这些都是今后 需要研究并加以认真解决的课题。 x 射线光刻采用的光源是波长为0 1 1 0 n m 的电磁光谱区域的软x 射线。f l z o 世纪7 0 年代发明x r l 技术以来，该技术一直受到人们的广泛重视。在x 射线光刻研 究中，目前比较普遍应用是同步辐射x 射线源，其造价昂贵是阻碍x 射线光刻进入 实用化的主要因素。另外，难以获得具有良好机械物理特性的掩模衬底也是影响 x 射线光刻的重要因素。虽然x 射线光刻目前还很难动摇光学光刻的地位，但是由 于x 射线的强穿透能力，可用于大深宽比的微结构的制作，因而对制作微机械、 微系统和一些特殊的微电子器件具有广阔的应用前景。 直写技术 2 8 , 2 9 1 直写技术主要包括激光直写和电子束直写，其工作原理是由计算机控制高 精度激光束电子束扫描，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，从而把 设计图形直接转移到掩模或基底材料上。激光直写系统与电子束直写系统相比， 后者具有更高的分辩力，但前者具有性能稳定、价格相对较低、结构相对简单 及使用方便等优点。当制作具有连续表面的微结构时，无需进行套刻，大大简 化了工艺流程，不仅可降低制作成本，而且可消除因套刻所带来的对准误差，因 而器件的衍射效率和制作精度较台阶形器件有较大提高。由于直写设备复杂、 总体成本费用高，并且是串行、单点的写入工作方式，因此曝光时间长，直写 一个元件一般为数十小时，元件制作费用较高，不易进行批量生产，通常用于 掩模的加工制作。 灰阶掩模技术 3 0 , 3 1 在微光学元件的设计和制作过程中，各种光学系统对具有良好面形和高衍 射效率的微光学元件的需求与曰俱增。为了改善微光学元件的加工质量，人们 采用各种方法制作连续浮雕结构的微光学元件。而制作连续浮雕结构的传统方 法一般是采用多个二元掩模多次套刻，用量化的台阶去逼近理想的轮廓。但是， 这种多次套刻的方法工艺流程复杂，需要大型设备，费用和时间成倍增加；而 且每套刻一次都会产生对准误差，套刻次数愈多，误差愈严重，这种技术限制 了微光学及微系统的发展。后来，人们提出了用高能束敏玻璃( h e b s ) 制作灰 阶掩模，一次曝光可生成连续浮雕结构；但是多灰阶掩模制作困难，每增加一 个灰阶就会大幅度地提高费用，且灰阶数有限。1 9 9 6 年，k r e i m e r 等人提出用 半色调编码产生灰阶的掩模一次曝光制作微光学元件的方法；接着，姚军等人 提出了灰阶掩模多自由度编码的新方法，即在编码过程中增加单元开孔位置和 形状这两个新的自由度，增加了编码灵活性，补偿成像过程及曝光显影过程中 非线性因素引起的偏差。这种方法具有设计比较灵活、制作周期短，工艺简单、 成品率高的优点，能制作各种轮廓连续面形表面的微结构，但其灰阶掩模的制 作需采用电子束直写来完成。 数字光刻技术 3 2 , 3 3 l 数字光刻技术是指利用计算机技术来动态控制图形发生器( 如数字微反镜、 液晶显示器) 所产生的虚掩模以实现对抗蚀剂的曝光过程。该方法具有的全数 字，高效自动化、低成本( 无需掩模加工、检测和修补) 、使用方便灵活、应 用范围广等特点。与其它光刻技术相比，该方法具有广阔的发展潜力。2 0 0 2 年， 彭钦军等人将液晶显示系统与投影光刻系统相结合，利用可编程数字化的液晶 显示的灵活性和投影光刻系统的并行性，提出了一种制作任意三维面型连续微 结构的实时掩膜光刻技术和基于等高面和灰度量化的两种实现方法。由于显示 的掩膜图形可以实时修改和显示任意的形状，因此这种技术可以制作任何特殊 表面形状的微结构，以及可以根据实验情况，通过对掩膜的实时修改来方便地 对空间像的传递、抗蚀剂曝光、显影和刻蚀过程的非线性畸变进行校正，而且 具有费用低廉，制作周期特别短等优点。目前这一技术在国际、国内还处于探 索性研究阶段，在连续面形的精确控制及亚微米光刻等实用化方面还需进一步 深入研究。 1 1 2 微结构元件制作所面临问题【5 ，”5 ，3 6 1 微结构元件是微电子、微光学、微机械、微系统的基本单元，须采用微细 加工方法来制作。最近几十年来，由于市场和研发部门的巨大需求，微细加工 技术得到了快速的发展，并形成了以光刻技术为主要手段的多种制作方法并存 的发展格局。微细加工技术最初是由微电子制造工艺发展起来的，它的发展有 力地促进了集成电路的发展；同时，其作用和影响已远远超出微电子科学的范 围，它的发展壮大极大地推动了包括微光学、微机械、微系统等学科的快速发 展，从某种意义上说，微细加工技术技术的发展水平已经成为制约一个国家信 息化程度的关键因素。 目前，在微结构元件制作方面主要应解决以下几个问题： i ) 在微电子领域，制造具有更高容量和更高运行速度的集成电路是推进微 细加工技术发展的驱动力，因而不断缩小芯片的特征尺寸的线宽是微细加工技 术的直接目标。纵观微电子和微细加工技术的发展历史，其特征尺寸的线宽缩 小一直遵循摩尔定律，并且在未来十年内将继续遵循该定律。下一代光刻技术 ( n g l ) 设备产品化和商用化须依赖光源、材料、物理方法等方面的一系列突 破。 2 ) 在微光学领域，随着计算机辅助设计和集成电路制造技术的逐步成熟， 人们开始在电介质基板、金屑基板或者半导体墓板上制作二元衍射微光学元件。 在最近十几年内，二元光学方法与技术得到了迅速发展和完善，其制作工艺日 益成熟，达到了实用化和广泛应用的阶段。二元光学元件具有衍射效率商、设 计灵活、易于集成的优点，可记录任意复杂的相位函数分布，适用于聚焦、成 像、分束、分波、整形、互连变换等多种用途。但是，随着量化台阶的进一步 增加，工艺上须反复进行套刻，所产生的深度误差和对准误差严重影响二元光 学元件的衍射效率，同时制作成本也大为增加。基于此，人们提出了热熔法、 移动掩模法、灰阶掩模法及激光直写等方法来制作连续面形微结构元件，这些 方法虽然解决了二元光学制作中的不足与缺点，但是还处在实验室研究阶段。 在微光学系统、微光机电系统中，常常需要具有连续表面的微结构元件，因而 设计、优化、制作高质量的连续面形微结构元件是微光学所需解决的重要问题 之一。 3 ) 在i c 加工过程中，其晶圆尺寸不断增大，以提高加工效率、降低成本 费用，从而获得更大的利润。扩大晶圆尺寸是半导体产业链发展的必然规律， 从最初的l o o m m 到目前的3 0 0 m m ，正计划向3 5 0 m m - 4 0 0 m m 过渡。另外，在 世界最大的光学工程n i f 国家点火装置以及大型天文望远镜系统中，需要很多 大面积尺寸的衍射光学元件，例如美国n i f 激光系统的光束口径达3 8 0 x 3 8 0 r a m 2 ，我国神光i 原型装置的光束口径也达3 0 0 x 3 0 0 m m 2 。目前，世界上很 多国家投入大量的人力、物力、财力来研究制作均匀性好、误差满足设计要求 的大面积微光学元件。 4 ) 在微电机系统和微光机电系统( m e m s ，m o e m s ) 中，有很多微机械结 构是用来传递力和产生运动，或作为受力部件等，该类微结构都要求有足够的 机械强度，与集成电路生产中所注重的尽量减小光刻的最小线度不同，制作这 些微机械结构时注重的是结构的较大高度和大的高宽比，因而制作高质量、高 性价比的大深度或大深宽比的微结构元件对微电机系统和微光机电系统的研制 有重要意义。 1 2 厚胶光学光刻研究进展 在大规模集成电路的设计和制作过程中，通常仅需薄层光刻胶作为牺牲层 来传递掩模图形，其设计、加工工艺成熟，并且通过利用波前工程技术，可解 决光刻过程中的线宽偏差、线条长度缩短及边角圆化等畸变问题，能够实现二 维掩模图形的精确传递。随着微电子加工工艺在光学元件制作中的引入，8 0 年 代，人们利用计算机辅助设计。并结合制作集成电路的薄胶光刻工艺技术来制 作微光学及二元光学元件。当然，对于光学元件，不仅需控制其二维图形的线 宽，而且需要控制纵向上的槽深以及台阶陡度，这是由于其槽深及台阶陡度对 其衍射特性的影响较大【3 7 娜, 3 9 j 。目前对于线宽较大、槽深较浅的二元光学元件 的工艺已基本成熟，这些都是通过在薄层光刻胶上进行光刻来实现的。 近年来，以微机械、微光学、微电子器件为核心的微电子机械系统( m e m s ) 、微光学电子机械系统( m o e m s ) 和微流控分析系统发展迅速，开辟了一个全新 的技术领域，并正形成产业【3 5 3 1 。微细加工技术是制作微机电系统的核心技 术和工艺基础，也是微机电系统技术研究中十分活跃的领域。总的来说，当前 制作m e m s 的微细加工领域主要有三大主流技术：硅微机械加工技术、l i g a 技 术以及特种超精密微机械加工技术。硅微机械加工技术源于集成电路加工技术， 它将传统的集成电路加工技术由二维的平面加工技术拓展为三维的立体加工技 术，其主要内容有：体硅微机械加工技术，该加工技术主要包括硅的湿法和干 法腐蚀；表面微机械加工，主要包括结构层和牺牲层的制备与腐蚀；键合技术， 主要包括静电键合和热键合。优点是可以充分利用集成电路工艺中大量成熟 的工艺技术，缺点是加工出的微结构深度比较小1 4 l 州。l i g a 技术是l i t h o g r a p h i e o a l v a n o f o r m u n ga b f o r m u n g 的缩写，包括光刻、电铸、注塑三个过程，由德 国卡尔斯鲁厄原子研究所于1 9 8 2 年提出的；它的特点是可以加工出深宽比较大 的微结构，并且使用的材料非常广泛，既可以采用镍、铜、金、铁镍合金等金 属材料，又可以使用陶瓷、塑料等非金属材料；缺点是需要费用十分昂贵的同步 辐射光源和特制的掩模版，以致其加工成本昂贵，与微电子工艺的兼容性差， 限制了该技术的广泛应用“1 。“特种超精微机械加工技术包括能束( 电子束，离 子束、激光束) 加工技术，电化学加工技术，电火花加工技术，超声加工技术， 光成型( 三维快速成型) 加工技术，扫描隧道显微镜加工技术以及各种复合加工 技术其特点是可以加工复杂的三维结构，缺点是加工效率、加工重复性和加 工尺寸的可控制性有待提高“蜘。 厚胶光学光刻技术是以现有的集成电路生产设备为基础发展起来的，因其 工艺相对简单、与现有工艺流程兼容性好、制作成本低等优点得到了人们的广 泛关注和重视，其发展速度较为迅速，正在成为一种愈来愈重要的微细加工手 段。近年来，人们主要在以下方面作了大量的工作，具体如下： 曝光、显影模型 4 7 , 4 s , 4 9 1 为准确、深入理解光刻的曝光、显影物理机理，须建立其相应的物理模型。 对于厚层光刻胶，不仅仅是抗蚀剂的厚度发生了简单的变化，其光刻特性在光 刻过程中也体现出了一些特殊性，其多种非线性畸变因素导致对其光刻过程准 确模拟较为困难，人们继续采用用于薄胶光刻的d i l l 曝光模型m a c k 显影模 型，以致不能反映、体现厚胶光刻物理过程。 厚胶光学光刻模拟 5 0 , 5 1 j i 2 】 在厚胶光刻工艺优化实验中，不仅需要昂贵的设备，而且需要大量经费和 时间，通过多次曝光和显影实验来确定最优的实验参数的测试，过程繁杂、费 用增高，且适用范围具有较大局限性。随着计算机科学技术的迅速发展，通过 使用计算机模拟光刻全过程，对于工艺条件影响刻蚀面形的物理机理、实验工 艺参数优化，对曝光系统和掩模的优化以及抗蚀剂性能的改进都有着重要的意 义。目前，对于厚层光刻胶的模拟，其模拟计算区域的宽度和厚度都较大，因 而其计算时间远远亚微米光刻模拟计算，厚层光刻过程的模拟主要以用于亚微 米光刻的d i l l 曝光模型和m a c k 显影模型为基础，其模拟结果较为粗糙，且模 拟结果均为二维情形，对于三维模拟未见有关报道。 厚层光刻胶特性 5 0 , 5 l 5 4 对于厚层光刻胶，光刻胶内光场分布受光学参数( 折射率、吸收系数) 的 影响较大，以致影响其显影轮廓。近年来，人们做了大量工作，考察了烘焙条 件及曝光对其光学参数的影响。1 9 9 7 年s t a n l e yf i c n e r 等人利用椭偏光谱法考察 了折射率的变化，认为其变化是由光刻胶内有机溶剂和光敏化合物分布变化所 致；德国a e r d m a n n 等人考察了曝光过程中光刻胶折射率的变化对光刻轮廓面 形的影响；2 0 0 0 年s o n g - j oc h u n g 研究了a z a 5 6 2 光刻胶内有机溶剂在烘焙过 程浓度空间与时间分布，认为有机溶剂浓度分布对显影轮廓有较大影响。 工艺条件对厚胶光学光刻影响及其工艺优化1 5 5 5 6 ，5 7 】 光刻工艺程序繁多，且其对光刻影响较为敏感。近年来，人们主要研究了 烘焙方式及其温度与时间、曝光剂量、显影方式及其温度与时间对光刻线宽、 侧墙陡度、蚀刻深度的影响，以及光刻过程中的表面抑制效应、切底效应、深 度效应、驻波效应，并且对工艺参数进行优化，其光刻实验结果比工艺优化前 有一定的改善。 特殊微结构制作【5 弘侧 近年来，人们采用厚胶光学光刻方法制作了一些能满足特定要求的、其他方 法不能或难以制作的微结构元件。1 9 9 7 年，陈波等人提出了基于移动掩模方法来 制作折射型微透镜阵列；1 9 9 9 年，a b e r t s c h 等人巧妙地利用厚胶紫外光刻方法， 并结合微立体光刻技术，成功地制作了形状复杂的三维微结构；2 0 0 0 年姚军等人 利用灰阶掩模方法制作折衍微光学元件；2 0 0 3 年m i k l y a e v 等人利用全息干涉光刻 方法在s u 墙光刻胶上直接制作三维面心立方光子晶体；2 0 0 6 年，r c ny a n g 等人利 用倾斜+ 旋转掩模方法制作了一些特殊的三维结构以用于光纤耦合等等。但是， 其制作的微结构面形质量需有待进一步提高。因此，在厚胶光刻过程应该考虑图 形传递的非线性畸变所产生的影响，采取合适的办法，对其畸变进行校正处理， 从而使光刻面形满足特定系统要求。 1 3 厚胶光学光刻技术应用 由于受到巨大市场需求的驱动和研发需求的牵引，人们作了不少的探索性 工作，近年来厚胶光学光刻技术的发展相当迅速，其应用范围也在不断扩大， 正成为一种愈来愈重要的微细加工手段。虽然厚胶光学光刻技术离实用化、商 用化还有一段距离，但在很多领域存在潜在应用，主要在以下方面： 第一，将厚胶光学光刻技术用于现有加工方法的改进与改造，形成新的微 细加工方法。在l i g a 技术中，能够制作深度大、深宽比高、陡度好的微结构元 件，但是其成本费用高、生产效率低。近年来，人们开始采用紫外或深紫外光 源代替x 射线同步辐射源【6 7 】，从而降低成本费用以及掩模的制作难度，该技术 被称之谓准l i g a 技术( p o o rm a n sl i g a ) 或u v l i g a 技术，它充分利用了现 有的i c 生产设备及其工艺流程，是一种制作优质高深宽比微结构的很有发展前 途的微细加工方法唧, 6 9 1 ； 第二，利用厚胶光学光刻方法，厚层光刻胶不仅可以作为牺牲层，而且可 以直接作为微机械器件的工作部件、微机械器件封装材料，例如，s u 一8 光刻胶 具有良好的力学特性，可直接作为微齿轮、微活塞等部件的工作材料1 7 0 , 7 1 】； 第三，微细加工和计算机技术的快速发展，刺激了微光学兴起，因而对于 设计与制作高质量的折衍微光学元件有巨大需求。采用厚层光学光刻技术来制 作大深度、连续面形微光学元件以及三维光子晶体是一种费用低廉、很有潜力 的方法1 7 2 , 7 3 , 7 4 | ； 第四，系统微型化、集成化是器件的一种重要发展方向，同时也是人们目前 所关注的重点和研究的难点。由于系统内部有不同功能的微结构元件，以致其材 料的互不兼容以及其制作工艺不同，导致其费用成本急剧增加和稳定可靠性差。 据报道，a r l e e d s 等人利用s u 一8 光刻胶具有良好的光学特性、化学稳定性及力 学特性，采用厚层光刻胶紫外曝光方法，成功地实现了微流道和微光学的集成， 这不仅降低了制作成本，而且提高了系统整体的稳定可靠性能。因而利用已有抗 蚀剂材料和研究开发新的抗蚀剂材料，采用厚较光学光刻方法，一次性制作微光 学、微机械、微流道集成的微系统器件是未来的发展方向之一盯5 “。 1 4 研究目的及意义 微机电系统、微光机电系统、微流控分析系统等微系统具有体积小、重量 轻、性能稳定、功耗低、惯性小、响应时间短等诸多优点，近年来引起人们的 广泛关注和重视，已成为国际研究的热点之一。微系统的研究与开发涉及到半 导体技术、激光技术、微细加工技术、材料科学、光学、化学及计算机科学等 诸多学科，其中微细加工技术是实现微系统的基本单元微结构元件的手段 和前提条件。目前，人们针对微机电系统发展了多种微细加工手段，如硅微机 械加工技术、l i o a 技术以及特种超精密微机械加工技术。其中硅微机械加工 技术不适用加工大深度及连续面形微结构；l i g a 技术主要用于大深度微结构 制作，但费用昂贵：而特种超精密微机械加工技术的加工效率与加工精度不高。 厚胶光学光刻技术因其工艺相对简单、与现有工艺流程兼容性好、制作成本低 等突出优点而引起了人们的极大关注。随着厚胶光学光刻技术的成熟和完善， 该技术不仅可以制作大深度、大深宽比台阶型微结构元件，而且可以制作大深 度连续面形微结构元件；其显影后抗蚀剂浮雕轮廓不仅可以作为牺牲层来传递 图形，而且可以直接作为工作部件。另外，有可能实现不同面形、不同结构、 不同功能的微结构元件的直接单片集成。因而，深入、系统研究厚胶光学光刻 技术有着十分重要的意义。 目前，对于厚胶光学光刻技术的研究，人们虽然已作了初步研究，其主要 局限于部分的实验方面，如工艺条件对厚层光刻胶特性、厚胶光学光刻图形影 响及其工艺优化，特殊微结构的制作，缺乏系统的理论和实验研究，这些都有 待于迸一步的深入；对厚胶光刻中的图形传递过程产生的非线性畸变的机理以 及校正方面的研究还做得很少；所建立的曝光、显影模型不能准确反映、描述 厚层光学光刻过程，这是由于它们均未考虑厚光刻胶的一些特殊属性，如曝光 时厚光刻胶内部折射率将发生变化，以及空气光刻胶基底之间界面的透射和 反射对光刻胶内部光强、光敏化合物的影响等等，多种非线性畸变严重影响光 刻图形的质量，限制了微光学、微机械元件的制作。 实现厚胶光学光刻技术的完全实用化，还有许多问题需深入、系统的研究， 主要包括以下方面：1 ) 需要建立适合于厚层光刻胶的曝光、显影模型，以深入 理解抗蚀剂表面轮廓蚀刻过程的物理机理；2 ) 深入研究光刻过程的非线性畸变 因素，提出有效的校正方法；3 ) 继续深入考察工艺条件对光刻过程的影响，为 工艺优化提供指导；4 ) 建立厚胶光学光刻全过程的一维、二维模拟，直观描述 工艺参数与光刻胶显影轮廓之间的关系，有利于降低实验测试费用，以及对曝 光系统优化、掩模设计、新型光刻胶开发都有十分重要意义；5 ) 研制灵敏度高、 对比度高、光吸收低、抗机械强度性以及热稳定性好的新型光刻胶是制作高质 量微结构元件的一个关键因素。 1 5 论文内容安排 如前所述，厚胶光学光刻技术在很多领域具有广阔的应用前景，但是许多 问题需要深入、系统的研究。本文在国内外的研究基础之上，建立了适合于厚 胶光学光刻的物理模型，编制了一整套厚层光刻全过程的模拟软件，深入研究 了光刻过程中图形传递非线性畸变机理，并提出了校正方法，考察了烘焙条件、 光强变化对光刻浮雕面形的影响，对制作大深度微结构元件进行了初步探索。 本课题