光刻膠納米結構失效現象的光學特性分析*

柏　楊，張曉波，熊　瑛，劉　剛，田揚超

(1.中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學 國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029)

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光刻膠納米結構失效現象的光學特性分析*

柏楊1，2，張曉波2，熊瑛2，劉剛2，田揚超2

(1.中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學 國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029)

具有納米結構的光刻膠有著獨特的光學特性，其納米結構參數直接決定其光學特性。通過對光柵脊柱傾斜、粘連和倒伏堆疊這3種結構失效現象建模，利用嚴格耦合波理論數值，計算了各種失效結構對偏振光的反射率影響。結果表明，脊柱傾斜的納米光柵對于偏振光反射率最小的波長發生紅移；當有粘連時納米光柵的對偏振光的敏感程度減弱，同時產生衍射級次；倒伏堆疊的納米光柵產生較強的衍射級次。利用偏振改變與失效形式的關系可以對納米結構的具體失效形式做出判斷，這對于實現微納結構的無損監測有一定的推動意義。

微納加工；結構失效；嚴格耦合波分析；偏振

隨著對微納加工研究的深入，大高寬比微納結構[1-2]在光學器件等領域發揮著越來越重要的作用。微納結構的失效現象主要出現在周期性、大高寬比和高線密度的結構中，形式主要有納米光柵脊柱傾斜、粘連、倒伏堆疊、頂端變形和從襯底剝離等[3-4]。對微納結構的表面形貌信息的測量是非常必要的，近年來，在顯影等工藝過程中，通過監測光柵衍射能量隨時間的變化情況來控制形貌輪廓的方法被提出[5]；但是，針對納米結構失效現象而引起光學特性變化還未被明確分析。

具有納米結構的光刻膠有著獨特的光學特性，其納米結構參數直接決定其光學特性。本文研究材料為光刻膠的納米光柵結構在發生光柵脊柱傾斜、粘連、倒伏堆疊這3種失效形式下其對偏振光反射率的影響。

1　微納結構光學特性的理論分析

為了探究微納結構的光學特性，需要建立待測微納結構的光學模型，即建立待測微納結構的表面形貌參數、結構材料的光學參數與微納結構衍射效率之間的聯系。當微納結構的特征尺寸和光波波長達到相同數量級時，微納結構的透射、反射和偏振等特性完全不同于常規，此時標量衍射理論便不再適用，必須采用更嚴格的矢量衍射理論進行分析[6]。

本文利用嚴格耦合波理論[7](Rigorous Coupled Wave Analysis， RCWA)分析零級反射光的衍射效率[8]與周期、占空比和脊柱高度等納米光柵結構表面形貌參數的關系。

以TE波入射金基底的PMMA光刻膠矩形光柵為例，用嚴格耦合波理論分析計算光柵結構。一束平面波以θ角入射到周期為T、脊柱高度為h的光柵平面上(見圖1)，光柵將會產生零級反射波，其中反射和透射區域的折射率分別為r1和r2。rs和rg分別為光柵脊柱(spine)和光柵槽型(groove)的折射率；A為光柵脊柱的寬度。

圖1　矩形光柵結構的衍射分析示意圖

本文定義電場矢量平行于光柵的刻畫線方向為TE偏振，由Rayleigh展開式可以得到入射區域和透射區域的電場分布。用傅立葉級數將光柵區域(0

對于周期排列的相同面型且形狀任意的溝槽。分析方法和前者類似，區別僅在于應先將截面進行Z方向的分層，再將分得的每一層等效成矩形光柵進行建模分析即可。

2　納米光柵結構失效現象仿真分析

2.1建立仿真模型

在微納結構參數的設計中，以實驗中普遍采用的PMMA作為光柵脊柱的結構材料進行計算。確定了納米結構周期、占空比、高度，以及入射光的入射角度這4個參數，設計合適的光柵面型，從而判斷納米結構脊柱直立、粘連、傾斜和倒伏堆疊對納米結構衍射效率的影響。納米光柵形貌正常與失效時的電鏡照片和模擬面形圖如圖2所示。

圖2　納米光柵的電鏡照片和模擬面形圖

所模擬光柵周期為400 nm，光柵脊椎的材料選擇為PMMA，占空比為1∶1，高寬比為3.6∶1，光柵結構的基底為氮化硅，在基底之上鍍有一層金。在632.8 nm波長入射光下PMMA、氮化硅和金結構的折射率分別為1.490、2.021和0.177。由于存在納米光柵粘連、堆疊等結構失效現象，往往會引起多個周期的光柵錯位現象，為了便于開展模擬，在正方形的光柵面形圖中建立連續的2個光柵周期模型。

2.2失效現象分析

納米光柵的脊柱傾斜、粘連和倒伏堆疊是常見的失效形式。在微納加工工藝過程中，受納米結構表面毛細力等因素影響，光柵脊柱發生傾斜，更為嚴重的失效情況是相鄰周期的脊柱粘連和脊柱倒伏堆疊的圖形坍塌。

2.2.1脊柱傾斜失效分析

納米光柵脊柱發生傾斜時，結構周期不變，脊柱高度略微降低，占空比也會隨著傾斜角度的增大而增大。納米光柵脊柱傾斜時模擬結果如圖3所示。在建模過程中，選取了納米光柵脊柱傾斜13°(圖3中傾角1)和傾斜22°(圖3中傾角2)等2種情況討論。

圖3　　　　納米光柵脊柱傾斜時反射效率隨入射光波長的變化示意圖

由圖3可以看出，納米光柵脊柱發生傾斜時反射率變化劇烈。將偏振光反射率最小的波長定義為偏振的敏感波長，可以看出隨著傾斜角度的改變，敏感波長會朝向紅光區域發生移動。TE模入射時光柵脊柱傾斜對納米結構的反射率的影響很小，TM模入射時會出現明顯的反射率變化。在之后的模擬中選取TM模入射納米結構的反射率作為研究對象。

2.2.2脊柱粘連失效分析

當納米光柵脊柱發生粘連時，光柵的周期增大，脊柱高度略微減小。按照粘連的光柵脊柱數目的多少，把粘連的失效形式具體分為雙脊柱粘連和多脊柱粘連等2類。雙脊柱粘連的模擬結果如圖4所示。由圖4可以看出，當光柵脊柱發生粘連時，對偏振的敏感程度降低，TM模入射時的敏感波長消失。納米光柵的脊柱粘連現象會減弱納米光柵的偏振特性。

圖4　　　　雙脊柱粘連時納米光柵反射效率隨入射光波長的變化示意圖

利用800 nm面型等腰梯形脊柱光柵模擬4個周期光柵脊柱粘連的現象。此時原本特征尺寸在納米量級的光柵，周期超過可見光波長，因此，不再屬于亞波長結構的范圍，其反射光出現了多個衍射級次。此時選取-1級和0級反射光的衍射效率進行研究。多脊柱粘連的模擬結果如圖5所示。由圖5可以看出，發生粘連失效的納米光柵對偏振的影響小于傾斜光柵，四脊柱粘連情況下的零級反射率總是小于雙脊柱粘連的情況。這是因為光柵周期超出亞波長的范圍，產生了更多衍射級次。

圖5　　　　多脊柱粘連時納米光柵反射效率隨入射光波長的變化示意圖

當納米光柵脊柱剛開始發生粘連時，對偏振的敏感程度降低，敏感波長消失，脊柱發生大規模粘連時，出現更多的衍射級次，反射光亮度變暗。

2.2.3脊柱倒伏堆疊失效分析

把納米光柵脊柱發生倒伏堆疊視為傾斜角度較大時的情況，光柵的面型更接近于鋸齒形的線槽斷面，也就是類似于閃耀光柵的結構。在這樣形成的類似閃耀光柵中，光滑的平面是引起衍射作用的槽面。尤其是對于脊柱高度遠大于脊柱寬度的大高寬比結構，在發生倒伏堆疊的區域一般較大，會產生類似“多米諾骨牌效應”的連環坍塌現象。

對于大高寬比結構而言，納米光柵發生倒伏堆疊時周期明顯增大，光柵的等效脊椎高度明顯減小，模擬結果如圖6所示。由圖6可以看出，當納米光柵發生倒伏堆疊時，結構的反射率明顯減小，與多脊柱粘連的失效形式類似，結構發生了多級衍射，反射光的亮度變暗。與正常光柵相比，光柵發生倒伏堆疊時對偏振光反射率的影響程度最大，衍射級次的產生使零級光的反射率大大降低。

圖6　　　　納米光柵脊柱倒伏堆疊時反射效率隨入射光波長的變化示意圖

綜上所述，納米光柵脊柱傾斜對偏振的影響很大，TM模入射時反射率最小的波長向紅光區域移動。當納米光柵脊柱剛開始發生粘連時，結構的偏振特性減弱，脊柱發生大規模粘連時產生新的衍射級次，零級反射能量減小，反射光亮度變暗。納米光柵發生倒伏堆疊時，對偏振幾乎不再敏感，更多衍射級次的產生使結構的反射光亮度變暗。當反射光的亮度明顯下降時，可以判斷出光柵脊柱失效嚴重，光柵區域內發生了大規模的粘連或者倒伏堆疊現象。各種失效形式對光學特性的影響方式見表1。

表1　納米光柵失效形式對光學特性的影響

3　結語

針對材料為光刻膠的納米光柵結構脊柱傾斜、

粘連和倒伏堆疊等3種失效形式，利用嚴格耦合波理論數值，計算了失效結構對偏振光的反射率影響。納米光柵發生結構失效時，光柵外形輪廓、周期和占空比等表面的形貌參數會發生改變，從而影響到納米結構對偏振光反射率這一特性。計算結果表明，脊柱傾斜的納米光柵對于偏振光反射率最小的波長發生紅移；當有粘連時納米光柵的對偏振光的敏感程度減弱同時產生衍射級次，倒伏堆疊的納米光柵產生較強的衍射級次。利用偏振改變與失效形式的關系可以對納米結構的具體失效形式做出判斷，這對于實現微納結構的無損監測有一定的推動意義。

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*國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2012CB825804)

責任編輯馬彤

Optical Characteristic Analysis of the Failure Phenomena of Photoresist Nanostructure

BAI Yang1,2， ZHANG Xiaobo2， XIONG Ying2， LIU Gang2， TIAN Yangchao2

(1.Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2.National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)

Photoresist nanostructure owns unique optical property, and the structural parameters directly affect the optical property. Structural failure occurrs in nano-grating with material in photoresist, such as spine tilt, collapse and adhesion, and its influence on the reflectivity of polarized light is researched. Through the modeling of three kinds of structural failure phenomena, the influence of various failure structures on the reflectivity of polarized light is calculated rigorous coupled wave theory. The results show that when nano-grating is tilted, the minimum wavelength to reflectivity of polarized light is shifted to red. When adhesion, the sensitivity of polarized light decreases and the diffraction orders are produced. Collapsed nano-gratings produce strong diffraction orders. The failure mode of nanostructures can be judged according to the relationship between polarization change and failure mode. It is significant to realize the nondestructive monitoring of micro-nanostructures.

micro/nano-fabrication process, structural failure, rigorous coupled wave analysis, polarization

TH 74

A

柏楊(1992-)，男，碩士研究生，主要從事微納加工技術等方面的研究。

田揚超

2016-05-31