離子束刻蝕光柵掩模圖形轉移分析

吳 娜

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

離子束刻蝕光柵掩模圖形轉移分析

吳 娜

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

依據特征曲線法推導出非晶體表面的離子束刻蝕模擬方程；結合全息光柵的刻蝕特點開發出離子束刻蝕模擬程序。模擬程序獲得的模擬刻蝕參數可以用于類矩形光柵的刻蝕工藝參數設計，準確地描述不同工藝過程、工藝參數對最終刻蝕結果的影響，進而實現離子束刻蝕過程的可控性和可預知性。

衍射效率； 刻蝕模擬； 全息光柵

0 引 言

離子束刻蝕技術[1-4]作為微納米圖形轉移的重要手段早已廣泛應用于信息存儲、衍射光學元件制作、離子束拋光等眾多的領域，離子束刻蝕光柵也集中了刻劃光柵高衍射效率和全息光柵低雜散光、高信噪比、無鬼線的優點于一身，多種尺寸、多種規模、不同掩模材料和基底材料的離子束刻蝕光柵也逐漸向多領域應用擴展。其不但是微細加工工藝的主要手段，更是制作離子束刻蝕全息光柵的重要工藝步驟，對其仿真和模擬是實現離子束刻蝕全息光柵制作工藝可控性與可預知性的基礎。

離子束刻蝕技術是一種典型的干法體刻蝕技術，很早就已經引入到微納米器件的加工中來。其在傳統的IC工藝及MEMS工藝中都有廣泛的應用，同時它也是離子束刻蝕全息光柵制作的關鍵工藝步驟，直接影響最終獲得光柵的性能參數。

全息光柵掩模進行離子束刻蝕是源自離子源的離子與光刻膠及光柵基底粒子碰撞發生濺射的過程。由于離子束刻蝕的過程涉及物理濺射和化學反應，在制備過程中對工藝條件的控制要求較高，盡管利用在線監控技術可以直接判斷刻蝕終止點，但是，通過建立全息光柵掩模離子束刻蝕圖形轉移理論模型，可以在不進行刻蝕實驗的前提下隨意改變輸入條件進行離子束刻蝕仿真，為具體的刻蝕過程預先選擇和優化工藝參數，利于節約成本。

離子束刻蝕全息光柵[5-6]作為離子束刻蝕技術的典型應用，已在光譜分析儀器行業起到了舉足輕重的作用。對于矩形光柵[7-9]、三角槽形光柵[10]的離子束刻蝕工藝模擬研究正在開展。

文中依據特征曲線法建立了離子束刻蝕非晶體材料模型，并針對光柵離子束刻蝕工藝特點開發了模擬軟件；通過其模擬結果對于離子束刻蝕光柵掩模圖形轉移進行了模擬與分析。

1 理論模型特征曲線方程的建立

本理論模型基于特征曲線方程，以材料的濺射率關系式為基礎，在刻蝕參數數據庫基礎上求解特征點運動軌跡，從而獲得槽形參數運動軌跡。

設固體表面繞y軸旋轉對稱或者沿z軸平移對稱，則只需對xoy平面內的曲線S進行討論。 設密度為J(cm-2·sec-1)的均勻離子束流以y軸方向入射，各向同性的靶源材料的密度為ρ(cm-3)，對非晶材料濺射率只是離子束入射角度θ的函數Y(θ)。離子束刻蝕二維表面形貌如圖1所示。

圖1 離子束刻蝕二維表面形貌示意圖

在靶源表面上法線方向與y軸方向成θ角的某點A在y軸負方向上的刻蝕速率為：

(1)

對x微分得：

(2)

(3)

由圖1可知：

對y微分得：

(4)

(5)

式(3)、式(5)為一階偏微分方程，可用特征曲線法求解。

一般形式的偏微分方程為：

(6)

即

(7)

將式(3)、式(5)、式(6)比較可知特征曲線為：

(8)

(9)

由式(8)和式(9)可知，隨著離子束刻蝕的進行，表面法線方向與離子束入射方向(y軸)夾角為θ的點沿特征曲線的后退速率為：

(10)

過該點的特征曲線與y軸的夾角為：

(11)

(12)

在給定的固體表面xoy平面內對應曲線上取n個點，求出各點的法線方向和y軸夾角θ(如式(12))，由式(10)和式(11)分別求出特征曲線的方向和刻蝕速率ν。

2 數值模擬程序

全息光柵的圖形轉移是以光刻膠為掩模，K9玻璃為基底的物理或化學刻蝕過程。而光刻膠及K9玻璃基底均為各向同性的靶源材料，所以其刻蝕過程可以利用上面的方程進行模擬。在建立模擬模型時，光刻膠與K9玻璃之間存在刻蝕分界面，在界面兩側的兩種不同材料刻蝕性質不同。

以刻蝕閃耀光柵為例進行建模。光刻膠掩模輪廓的曲線方程為

(13)

其中p為光柵周期。由方程(12)和(13)可以推導出θi。對于非晶體材料，其濺射率與離子束入射角的關系：

Y(θ)=18.738 45cosθ-64.659 96cos2θ+

145.199 02cos3θ-206.044 93cos4θ+

(14)

依據上述方程，通過Matlab變成獲得模擬程序，該模擬程序以閃耀槽形光柵的刻蝕圖形轉移為主要考慮對象，對影響刻蝕最終結果的刻蝕參數進行了優化處理。

3 類矩形槽光柵的圖形轉移算例

光柵槽形參數直接影響光柵的衍射效率，而針對類矩形光柵槽形，其槽深與側壁傾角是決定衍射效率高低至關重要的因素。因此，針對不同光刻膠與基底刻蝕速率比對其槽形演變過程進行模擬。束流入射角90°情況下，不同刻蝕速率比情況下圖形轉移過程和結果分別如圖2和圖3所示。

從圖2的束流90°入射時的圖形轉移過程和圖3的模擬結果可以看出，離子束流的刻蝕速率比影響槽深及側壁傾角。在此基礎上進行了離子束流平行于過柵線光柵法平面情況下的80°入射、70°入射、60°入射、50°入射等多種情況的模擬。

4 結 語

將80°入射、70°入射、60°入射、50°入射等多種情況模擬獲得的同一掩模的圖形轉移結果見表1。

從表1的模擬結果可以看出，刻蝕速率比不但對槽深存在影響，也影響側壁傾角及占空比。在相同的束流入射角情況下，刻蝕速率比越大，側壁傾角越大，刻槽側壁越陡直，同時，占空比也越大；在不同束流入射角情況下，側壁傾角及占空比變化明顯，隨著入射角的減小，占空比減小，而側壁傾角在束流入射角70°左右存在最大值。

上述分析結果表明，模擬程序獲得的模擬刻蝕參數可以用于類矩形光柵的刻蝕工藝參數設計，準確地描述不同工藝過程、工藝參數對最終刻蝕結果的影響，進而實現離子束刻蝕過程的可控性和可預知性。

(a) 正弦光柵刻蝕模擬-刻蝕速率比1∶1.2,刻蝕角度90°

(b) 正弦光柵刻蝕模擬-刻蝕速率比1∶1.4,刻蝕角度90°

(c) 正弦光柵刻蝕模擬-刻蝕速率比1∶1.6,刻蝕角度90°

(d) 正弦光柵刻蝕模擬-刻蝕速率比1∶1.8,刻蝕角度90°

圖2 束流入射角90°情況下，不同刻蝕速率比情況下圖形轉移過程

圖3 束流入射角90°情況下，不同刻蝕速率比情況下圖形轉移結果

表1類矩形光柵圖形轉移模擬結果

束流入射角/(°)項目刻蝕速率比1∶1．21∶1．41∶1．61∶1．890占空比0．94∶10．97∶10．97∶10．99∶1側壁傾角/(°)77．875679．566580．847181．849680占空比0．88∶10．89∶10．91∶10．91∶1側壁傾角/(°)78．823180．387681．570782．49670占空比0．83∶10．84∶10．84∶10．85∶1側壁傾角/(°)79．568981．032982．138883．00360占空比0．72∶10．74∶10．76∶10．78∶1側壁傾角/(°)78．295579．930781．168182．136450占空比0．62∶10．65∶10．68∶10．69∶1側壁傾角/(°)77．264779．062880．402781．4316

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Simulation and analysis of pattern transfer of ion beam etching grating mask

WU Na

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

Ion beam etching equation of amorphous surface is deduced based on characteristic curve method. Holographic grating is used to develop the ion beam etching program. Parameters output form the simulation can be applied to the design of trapezoid rectangle grating, description of etching process and impacts. The itching process, therefore, can be controlled and predicable.

diffraction efficiency; etching simulation; holographic grating.

2014-09-03

國家重大科研裝備開發專項(2011YQ120023)

吳 娜(1983-)，女，蒙古族，吉林長春人，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所助理研究員,博士，主要從事衍射光學元件精密加工方向研究,E-mail:chinagrating_wuna@126.com.

O 438.1

A

1674-1374(2014)06-0628-05