电子束光刻的Monte Carlo模拟及邻近效应校正技术研究

论文摘要

微机电系统是具有广泛应用前景的新兴学科，微加工工艺是实现微机电系统的关键技术。现有实用的三维微结构加工工艺存在的主要问题是精度较低，分辨率仅能达到亚微米级。为了满足微机电系统的快速发展，需要寻求精度更高的加工手段。 电子束光刻技术是目前公认的最好的高分辨率图形制作技术，目前主要用于0.1～0.5μm的超微细加工，主要用于精密二维掩膜制造，但还没有制作三维立体结构的功能。在实验室条件下已能将电子束聚焦成尺寸小于2nm的束斑，可实现纳米级曝光。电子束具有波长短、易于控制、精度高、灵活性大等优点。本学位论文围绕着电子束光刻技术直接在基片上产生高精度的垂直、曲面、微尖等三维结构等问题，借助Monte Carlo模拟方法，对电子束光刻和邻近效应校正等问题进行了较全面和较深入的研究。论文的主要工作集中于电子束光刻的计算机模拟、工艺优化、电子束的入射能量、剂量与刻蚀深度和分辨率的关系、邻近效应校正技术的研究以及邻近效应校正软件的编制。主要工作概括如下： 1．对低能入射电子束与样本的相互作用采用了比传统模拟方法更加精确的离散模型，考虑了二次电子的产生和散射对抗蚀剂中能量沉积密度分布的影响，获得了比传统模型更加准确的电子的有效穿透深度、电子束曝光分辨率等参数，不仅为电子束曝光技术提供了可靠的技术参数，而且得出了优化低能电子束光刻的工艺条件： ①低能入射电子束。入射电子能量越低，其能量沉积深度分布的曲线越陡直，这表明在单位深度上的沉积能越大，能量沉积深度范围越小。在电子束液态曝光技术中可以选用低能电子束精确地刻蚀薄层。 ②薄抗蚀剂层。抗蚀剂厚度越薄，能量沉积曲线越陡直，横向分布范围越小，电子束曝光的分辨率就会越高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词注释表
• 第一章 绪论
• §1.1 微机电系统与微细加工技术
• §1.1.1 微机电系统概述
• §1.1.2 微细加工技术
• §1.2 电子束光刻技术及其邻近效应校正技术
• §1.2.1 邻近效应校正方法
• §1.2.2 电子散射的能量沉积密度分布
• §1.2.3 电子在固体中散射的物理模型
• §1.2.3.1 弹性散射模型
• §1.2.3.2 非弹性散射模型
• §1.2.3.3 能量损失模型
• §1.3 本论文研究内容
• §1.3.1 论文工作的目的和意义
• §1.3.2 论文的主要工作与技术创新点
• §1.4 论文的内容安排
• 第二章 电子在固体中散射物理模型及其优化
• §2.1 常用弹性散射物理模型
• §2.1.1 屏蔽的Rutherford弹性散射截面公式
• §2.1.2 Mott弹性散射截面
• §2.1.3 Pendry弹性散射截面
• §2.1.4 Browning拟合公式
• §2.2 非弹性散射模型
• §2.2.1 与结合紧密的壳层电子的碰撞截面
• §2.2.2 入射电子与结合松散的外层电子的散射截面
• §2.2.3 能量损失模型
• §2.2.3.1 CSDA模型
• §2.2.3.2 离散能量损失模型
• §2.2.3.3 混合模型
• §2.3 电子束对抗蚀剂的曝光过程
• §2.4 散射模型及其优化
• §2.4.1 散射模型的优化
• §2.4.1.1 弹性散射模型的优化
• §2.4.1.2 非弹性散射模型的优化
• §2.4.2 模拟结果
• §2.5 结论
• 第三章 低能电子束光刻的规律研究
• §3.1 电子束微三维光刻
• §3.2 CSDA模型及计算方法
• §3.2.1 电子在固体中的散射过程
• §3.2.2 模拟过程
• §3.2.3 低能电子在固体中散射轨迹及其碰撞的模拟
• §3.2.4 电子在固体中散射的能量沉积分布
• §3.2.4.1 入射束能对电子能量沉积的影响
• §3.2.4.2 衬底材料对电子能量沉积分布的影响
• §3.2.4.3 抗蚀剂厚度对电子能量沉积的影响
• §3.3 离散模型的Monte Carlo模拟
• §3.3.1 离散散射模型
• §3.3.2 离散模型的电子散射过程
• §3.3.3 模拟过程
• §3.3.4 模拟结果及分析
• §3.3.4.1 电子的穿透深度
• §3.3.4.2 能量沉积的横向分布
• §3.4 模拟结果及结论
• §3.4.1 穿透深度
• §3.4.2 能量沉积的横向分布
• §3.4.3 结论
• 第四章 中高能电子束对抗蚀剂曝光的规律研究
• §4.1 中高能电子束光刻Monte Carlo模拟过程的改进
• §4.2 中高能电子束对抗蚀剂曝光的Monte Carlo模拟
• §4.2.1 散射模型
• §4.2.2 计算过程
• §4.2.3 电子背散射系数和透射系数
• §4.2.4 能量沉积分布
• §4.2.5 入射电子束能对能量沉积的影响
• §4.2.6 抗蚀剂厚度对电子能量沉积的影响
• §4.2.7 衬底材料对电子能量沉积分布的影响
• §4.3 电子束的能量、剂量与刻蚀深度关系的研究
• §4.3.1 解析法计算穿透深度和能量吸收密度
• §4.3.2 Monte Carlo模拟法计算穿透深度和能量吸收密度
• §4.3.3 模拟计算和实验结果
• §4.4.3.1 电子束能量与穿透深度之间的关系
• §4.4.3.2 电子束剂量与穿透深度之间的关系
• §4.4 重复增量扫描方式刻蚀三维微结构的研究
• §4.4.1 基于DSP的新型图形发生器
• §4.4.2 重复增量扫描策略
• §4.4.3 曝光剂量的计算
• §4.5 实验结果与结论
• §4.5.1 实验结果
• §4.5.2 结论
• 第五章 电子束光刻中的邻近效应校正
• §5.1 曝光强度分布函数
• §5.2 邻近效应校正的工艺措施
• §5.2.1 优化入射电子束能量减弱邻近效应
• §5.2.2 优化抗蚀剂减弱邻近效应
• §5.2.2.1 优化抗蚀剂厚度减弱邻近效应
• §5.2.2.2 采用多层抗蚀剂技术减弱邻近效应
• §5.2.3 优化衬底材料及结构减弱邻近效应
• §5.2.3.1 选择低原子序数衬底材料减弱邻近效应
• §5.2.3.2 利用薄膜衬底减弱邻近效应
• §5.3 邻近效应的软件校正
• §5.3.1 倒易原理
• §5.3.2 邻近效应软件校正方法
• §5.3.3 有效曝光剂量计算模型
• §5.3.4 数字信号处理模型
• §5.3.5 分级模型
• §5.3.5.1 通过累积分布函数计算有效曝光剂量
• §5.3.5.2 局部曝光窗口与全局曝光窗口
• §5.4 基于形状修正的邻近效应校正
• §5.4.1 内部校正
• §5.4.2 局部校正
• §5.4.3 全局校正
• §5.5 基于形状修正的邻近效应校正方法的实现
• §5.6 抗蚀剂显影图形的计算机模拟
• §5.7 校正精度与参数优化
• §5.8 结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文及参加的科研工作
• 作为主要成员参加的课题研究
• 致谢