專(zhuān)利名稱(chēng)：厚光刻膠背面斜入射光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種用于厚光刻膠(SU-8膠)紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光 強(qiáng)分布模擬方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的SU-8膠紫外光垂直入射光刻工藝只能制造垂直的SU-8膠微結(jié)構(gòu)。SU-8膠 紫外光斜入射光刻工藝可以擺脫這種限制，通過(guò)傾斜掩模版和SU-8膠平臺(tái)，可以制造各種 傾斜的SU-8膠微結(jié)構(gòu)。然而，由于SU-8膠在涂覆過(guò)程中厚度不均勻以及邊珠效應(yīng)等原因， 襯底邊緣的SU-8膠會(huì)比襯底中央的SU-8膠厚。因此，在SU-8膠紫外光斜入射光刻過(guò)程中， 掩模版與SU-8膠之間無(wú)法避免地會(huì)出現(xiàn)空氣間隙。由于空氣間隙產(chǎn)生的衍射效應(yīng)對(duì)光刻 精度影響很大，導(dǎo)致難于加工高深寬比的SU-8膠微結(jié)構(gòu)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者提出 了采用SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝來(lái)制造高深寬比的SU-8膠微結(jié)構(gòu)。這種方法直 接將掩模版作為襯底，將SU-8膠直接涂覆在掩模版上，光刻過(guò)程中，斜入射紫外光直接透 過(guò)掩模版背面曝光SU-8膠。該方法使用的工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，加工成本低，避免了由于SU-8膠 表面不平整產(chǎn)生的衍射效應(yīng)的影響，同時(shí)也避免了襯底反射對(duì)SU-8膠微結(jié)構(gòu)的影響，可以 更有效地加工高深寬比的SU-8膠微結(jié)構(gòu)。SU-8膠光刻過(guò)程中，SU-8膠中的光強(qiáng)分布對(duì)顯影后的最終形貌有著決定性的影 響。實(shí)現(xiàn)SU-8膠中三維光強(qiáng)分布的模擬，可以使得MEMS器件設(shè)計(jì)者或工藝工程師能夠在 實(shí)際的制造過(guò)程前觀(guān)察設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程效果，縮短相關(guān)MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低其開(kāi)發(fā) 成本。目前，光刻工藝中常用的光強(qiáng)分布模擬方法主要有以下兩種基于電磁矢量理論的時(shí) 域有限差分法、有限元法、邊界元法等和基于光學(xué)標(biāo)量衍射理論的菲涅耳一基爾霍夫衍射 積分方法。前者需要對(duì)光刻膠進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，其模擬時(shí)間將大 為增加，因此基于電磁波理論的矢量方法不適用于模擬厚膠內(nèi)部的三維光強(qiáng)分布?；跇?biāo) 量衍射理論的傳統(tǒng)光強(qiáng)分布模擬方法運(yùn)算速度快，可用于模擬傳統(tǒng)的垂直入射光刻工藝的 三維光強(qiáng)分布，但其精度不高，無(wú)法考慮紫外光傳播過(guò)程中在不同介質(zhì)界面的光折射和反 射等物理效應(yīng)，且適用范圍受到菲涅耳近似處理的限制。因此，目前還沒(méi)有適用于SU-8膠 紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種厚光刻膠背面斜入射光刻工藝的三維光強(qiáng)分 布模擬方法，解決目前無(wú)法模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布的問(wèn) 題。采用該光強(qiáng)模擬方法，可以快速、精確地模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝過(guò)程 中SU-8膠內(nèi)部的三維光強(qiáng)分布。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝過(guò)程的三 維模擬具有實(shí)用意義。技術(shù)方案本發(fā)明利用紫外光斜入射的旁軸近似技術(shù)來(lái)處理基于光學(xué)標(biāo)量衍射理論的菲涅耳一基爾霍夫衍射積分方程，以背面斜入射紫外光的傳播方向?yàn)檩S向，將SU-8膠 中的計(jì)算網(wǎng)格到掩?？咨先我恻c(diǎn)的距離近似為該計(jì)算網(wǎng)格到掩模版(襯底)的軸向距離，平 移了菲涅耳積分上下限。同時(shí)，在背面斜入射紫外光的三維光強(qiáng)計(jì)算模型中，綜合考慮了紫 外光傳播過(guò)程中在空氣/掩模版、掩模版/SU-8膠界面的反射與折射效應(yīng)，以及SU-8膠對(duì) 紫外光的吸收等因素。本方法的基本步驟如下(1)根據(jù)工藝條件，輸入掩?？姿膫€(gè)邊界頂 點(diǎn)坐標(biāo)、背面斜入射紫外光在空氣中的入射角、斜入射紫外光在空氣中的波長(zhǎng)、空氣相對(duì)折 射率、掩模版(襯底)材料及其相對(duì)折射率、SU-8膠厚度、SU-8膠相對(duì)折射率、斜入射紫外光 光源的輻射光強(qiáng)值。將需要進(jìn)行光強(qiáng)分布模擬的SU-8膠區(qū)域細(xì)分成小正方體(網(wǎng)格)組成 的三維陣列，并采用三維矩陣來(lái)代表這個(gè)三維陣列；(2)根據(jù)背面斜入射紫外光在空氣中 的入射角度、空氣的相對(duì)折射率、掩模材料及其相對(duì)折射率、SU-8膠相對(duì)折射率，確定背面 斜入射紫外光進(jìn)入掩模版和SU-8膠時(shí)的入射角度；(3)利用紫外光斜入射的旁軸近似技術(shù) 來(lái)處理菲涅耳一基爾霍夫衍射積分方程，平移菲涅耳積分上下限，得到不考慮背面斜入射 紫外光反射以及SU-8膠對(duì)紫外光吸收等因素的三維光強(qiáng)值計(jì)算模型；(4) 綜合考慮背 面斜入射紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩模版和掩模版/SU-8膠界面的反射與折射效應(yīng)、以 及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收作用等因素，得到SU-8膠內(nèi)部任意一個(gè)網(wǎng)格處的三維光強(qiáng)值的 計(jì)算模型；(5) 重復(fù)利用上面的SU-8膠內(nèi)部任意一個(gè)網(wǎng)格處的三維光強(qiáng)值的計(jì)算模型 得到SU-8膠中每一網(wǎng)格處的光強(qiáng)值，最終得到SU-8膠內(nèi)部斜入射紫外光的三維光強(qiáng)分布 的模擬結(jié)果?？v觀(guān)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，發(fā)明了一種用于SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工 藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法，可以快速、精確地模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝過(guò) 程中SU-8膠內(nèi)部的三維光強(qiáng)分布。本發(fā)明不同于已有的光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法，解決了目前傳統(tǒng)的基于 標(biāo)量衍射理論的三維光強(qiáng)分布模擬方法無(wú)法模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三 維光強(qiáng)分布的問(wèn)題。同時(shí)，考慮了紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩模版和掩模版/SU-8膠界 面的反射與折射效應(yīng)，以及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收等因素。本發(fā)明提出的SU-8膠紫外光 斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法主要具有以下特征一、利用紫外光斜入射 的旁軸近似技術(shù)來(lái)處理基于光學(xué)標(biāo)量衍射理論的菲涅耳一基爾霍夫衍射積分方程，平移了 菲涅耳積分上下限，推出了適合SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)計(jì)算模型。 二、背面斜入射紫外光的三維光強(qiáng)計(jì)算模型中，綜合考慮了紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩 模版和掩模版/SU-8膠界面的反射與折射效應(yīng)，以及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收等因素，可以 高精度地模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布。由于使用了紫外光斜 入射的旁軸近似處理技術(shù)，平移了菲涅耳積分上下限，避免了復(fù)雜的積分運(yùn)算帶來(lái)的一系 列問(wèn)題，并且綜合考慮了背面斜入射紫外光在傳播過(guò)程中的反射與折射效應(yīng)、以及SU-8膠 對(duì)紫外光的吸收等因素，本發(fā)明具有較高的模擬精度以及較快的模擬速度。滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件的方法即該視為該SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維 光強(qiáng)分布模擬方法。有益效果本發(fā)明解決了目前傳統(tǒng)的基于標(biāo)量衍射理論的光強(qiáng)分布模擬方法無(wú)法 模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布的問(wèn)題。采用紫外光斜入射的旁 軸近似技術(shù)處理并簡(jiǎn)化了菲涅耳一基爾霍夫衍射積分方程，將SU-8膠中的計(jì)算網(wǎng)格到掩?？咨先我恻c(diǎn)的距離近似為該計(jì)算網(wǎng)格到掩模版的軸向距離。同時(shí)，考慮了紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩模版和掩模版/SU-8膠界面的反射與 折射，以及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收等因素。本發(fā)明可以快速、高精度地模擬SU-8膠斜入射 紫外光背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布。在化切！· Core2 CPU 4400/2. OOGHz機(jī)器上模擬了 SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致，可以 用于SU-8膠紫外光斜入射背面光刻過(guò)程的三維模擬?；谝陨咸攸c(diǎn)，本發(fā)明具有運(yùn)算速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)?？梢杂行У赝瓿蒘U-8膠 斜入射紫外光背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬。


圖1是處理背面斜入射紫外光在傳播過(guò)程中產(chǎn)生折射和反射的三維示意圖。其 中L為背面斜入射紫外光，W為掩模版，R為SU-8膠，D為SU-8膠厚度，Φ為背面斜入射紫 外光在空氣中的入射角，β為斜入射紫外光在掩模版中的折射角，θ為斜入射紫外光在 SU-8膠中的折射角，Γι和r2分別為背面斜入射紫外光在空氣/掩模版、掩模版/SU-8膠界 面的反射光，P (X，y, ζ)為SU-8膠內(nèi)任意一個(gè)網(wǎng)格。圖2是利用紫外光斜入射的旁軸近似技術(shù)處理菲涅耳一基爾霍夫衍射積分方程 所得到的SU-8膠內(nèi)三維光強(qiáng)分布模型示意圖。其中L為背面斜入射紫外光，W為掩模版，R 為SU-8膠，D為SU-8膠厚度，A為紫外光斜入射旁軸近似用軸，P (X，y, ζ)為SU-8膠內(nèi)任 意一個(gè)網(wǎng)格，d為菲涅耳積分上下限平移距離。圖3是采用40MfflX 40Mffl正方形窗口，背面斜入射紫外光在空氣中的入射角為30 ° 時(shí)，利用SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法得到的SU-8膠內(nèi)部 紫外光光強(qiáng)度分布模擬結(jié)果的截面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在標(biāo)量衍射理論基礎(chǔ)上，采用紫外光斜入射的旁軸近似技術(shù)處理并簡(jiǎn)化菲 涅耳一基爾霍夫衍射積分方程。同時(shí)，考慮了紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩模版和掩模版 /SU-8膠界面的反射與折射效應(yīng)，以及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收等因素?？梢钥焖?、精確地 模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝過(guò)程中SU-8膠內(nèi)部的三維光強(qiáng)分布。本方法的基 本步驟如下(1)根據(jù)光刻工藝條件和參數(shù)，輸入掩模孔四個(gè)邊界頂點(diǎn)坐標(biāo)A1 (xl,yl,0).A2 (xl, y2,0)> A3 O^yl,C0和A4 Oi2, y2,co，背面斜入射紫外光在空氣中的入射角度φ，斜入射紫外光在空 氣中的波長(zhǎng)λ 0, SU-8膠厚度D，空氣相對(duì)折射率IV掩模版(襯底)材料及其相對(duì)折射率Ii1,
SU-8膠相對(duì)折射率n2、斜入射紫外光的光源的輻射光強(qiáng)值Z0。將需要進(jìn)行光強(qiáng)分布模擬
的SU-8膠區(qū)域細(xì)分成小正方體(網(wǎng)格)組成的三維陣列，并采用三維矩陣來(lái)代表這個(gè)三維陣 列；( 根據(jù)背面斜入射紫外光在空氣中的入射角度Φ、空氣的相對(duì)折射率IV掩模材料及 其相對(duì)折射率Ii1以及SU-8膠的相對(duì)折射率 ，假設(shè)β為斜入射紫外光在掩模版中的折射 角，θ為斜入射紫外光在SU-8膠中的折射角，λ工和λ 2分別為斜入射紫外光在掩模版和 SU-8膠中的波長(zhǎng)，如圖1所示，那么根據(jù)斯涅耳折射定律有
場(chǎng) sin ￠=^ sin β=M2 sin θ(1)
權(quán)利要求
1. 一種厚光刻膠背面斜入射光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法，其特征在于a、利用紫外光斜入射的旁軸近似技術(shù)來(lái)處理基于光學(xué)標(biāo)量衍射理論的菲涅耳-基爾 霍夫衍射積分方程，平移菲涅耳積分上下限，推出適合SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝 的三維光強(qiáng)計(jì)算模型；b、背面斜入射紫外光的三維光強(qiáng)計(jì)算模型中，綜合考慮紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩 模版和掩模版/SU-8膠界面的反射與折射效應(yīng)，以及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收因素，高精度 地模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布；滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件的方法即該視為該SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng) 分布模擬方法；本方法的步驟具體如下1).根據(jù)工藝條件，輸入掩模孔四個(gè)邊界頂點(diǎn)坐標(biāo)、背面斜入射紫外光在空氣中的入射 角、斜入射紫外光在空氣中的波長(zhǎng)、空氣相對(duì)折射率、掩模版即襯底材料及其相對(duì)折射率、 SU-8膠厚度、SU-8膠相對(duì)折射率、斜入射紫外光光源的輻射光強(qiáng)值；將需要進(jìn)行光強(qiáng)分布 模擬的SU-8膠區(qū)域細(xì)分成小正方體網(wǎng)格組成的三維陣列，并采用三維矩陣來(lái)代表這個(gè)三 維陣列；2).根據(jù)背面斜入射紫外光在空氣中的入射角度、空氣的相對(duì)折射率、掩模材料及其相 對(duì)折射率、SU-8膠相對(duì)折射率，確定背面斜入射紫外光進(jìn)入掩模版和SU-8膠時(shí)的入射角 度；3).利用紫外光斜入射的旁軸近似技術(shù)來(lái)處理菲涅耳-基爾霍夫衍射積分方程，平移 菲涅耳積分上下限，得到不考慮背面斜入射紫外光反射以及SU-8膠對(duì)紫外光吸收因素的 三維光強(qiáng)值計(jì)算模型；4).綜合考慮背面斜入射紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩模版和掩模版/SU-8膠界面的 反射與折射效應(yīng)、以及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收作用因素，得到SU-8膠內(nèi)部任意一個(gè)網(wǎng)格處 的三維光強(qiáng)值的計(jì)算模型；5).重復(fù)利用上面的SU-8膠內(nèi)部任意一個(gè)網(wǎng)格處的三維光強(qiáng)值的計(jì)算模型得到SU-8 膠中每一網(wǎng)格處的光強(qiáng)值，最終得到SU-8膠內(nèi)部斜入射紫外光的三維光強(qiáng)分布的模擬結(jié)果。
全文摘要
厚光刻膠背面斜入射光刻工藝的三維光強(qiáng)分布模擬方法，解決目前無(wú)法模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布的問(wèn)題。采用該光強(qiáng)模擬方法，可以快速、精確地模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝過(guò)程中SU-8膠內(nèi)部的三維光強(qiáng)分布。該方法利用紫外光斜入射的旁軸近似技術(shù)來(lái)處理基于光學(xué)標(biāo)量衍射理論的菲涅耳—基爾霍夫衍射積分方程，平移菲涅耳積分上下限，推出適合SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)計(jì)算模型；背面斜入射紫外光的三維光強(qiáng)計(jì)算模型中，綜合考慮紫外光傳播過(guò)程中在空氣/掩模版和掩模版/SU-8膠界面的反射與折射效應(yīng)，以及SU-8膠對(duì)紫外光的吸收因素，高精度地模擬SU-8膠紫外光斜入射背面光刻工藝的三維光強(qiáng)分布。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102081311SQ20101059510
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者周再發(fā), 李偉華, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)