電子束光刻三維微結構的模擬仿真

東南大學，江蘇南京 211189

一、引言

隨著微機電系統(MEMS)與微機械系統的發展，納米加工技術的研究已經變得越來越重要，而電子束光刻技術是納米結構圖形加工中非常重要的手段之一。

在MEMS制作中，不僅要加工出二維平面結構，而且還要加工出帶有階梯、斜面及微尖形陣列等形狀的三維微結構，這些三維微結構在MEMS領域有很重要的應用，比如生物醫學，微透鏡傳感器，微通道，光學器件等。目前，二維平面微結構的加工工藝已經非常成熟，因此能加工含有階梯、斜坡等微結構的三維加工工藝必將成為下一步MEMS加工領域的熱點。

電子束光刻技術[1,2]是近十年發展起來的一項新型的微細加工技術，是目前公認的最好的高分辨率圖形制作技術，主要用于0.1～0.5μm的超細加工和精密二維掩膜制造。

盡管電子束光刻在加工微結構中展現很大的優勢，但是入射電子在光阻與基體中的前向散射與背向散射引起的鄰近效應[3,4,5]使得電子束的能量沉積分布變得難以獲得，這種鄰近效應制約了三維微結構的制作。

本文提出的方法是分別通過Monte Carlo方法[6,7]和元胞自動機方法獲得電子束的能量沉積分布，進而找到電子束光刻參數與三維微結構輪廓之間的關系。這種關系一旦確定，就可以設計加工工藝加工三維微結構，利用已經確定的電子束光刻參數與三維微結構的形狀之間的關系來模擬電子束光刻的加工過程。

二、Monte Carlo方法模擬能量沉積模型

能量沉積模型的描述一般有兩種方式，一種是采用隨機事件數學模擬的方法[8]，另一種是應用近似函數方法[9,10]，近似函數方法是一種實驗方法[11]。

采用隨機事件數學模擬能量沉積模型，最常用的方法是采用Monte Carlo方法模擬能量沉積。Monte Carlo的主要思想是在計算機上利用隨機數對物理或數學問題的概率模型進行模擬，然后根據概率與統計中的理論方法對模擬結果進行統計處理，最終得到問題的解答。對于那些需要耗費大量的人力、物力、財力、時間的實驗，Monte Carlo方法就是最簡單、經濟、實用的方法。

本文應用Monte Carlo方法采用不同的參數模型可描述不同的隨機過程。單個電子的運動軌跡是隨機的，但是數量眾多的電子的運動就呈現一定的規律性。因此可以通過Monte Carlo方法模擬電子在抗蝕劑和基體中的散射過程，達到建立能量沉積模型的目的。電子束光刻中的Monte Carlo方法的優點是可以節約實驗成本，減少實驗時間；缺點是沒有考慮烘烤、顯影等工藝步驟帶來的誤差，所以模擬的準確性差。

本文借助Monte Carlo方法模擬高斯分布電子的散射過程，如圖1所示。電子垂直入射到光刻膠表面，會與光刻膠中的原子核發生彈性碰撞和非彈性碰撞，其中彈性碰撞只改變方向不損失能量。非彈性碰撞在散射步長上連續的損失能量，每次碰撞散射終點的能量為：

其中，Εn——第n次散射終點的能量；

Εn-1——第n-1次散射終點的能量；

S——散射步長;

dE——能量損失率。

以此類推就可以模擬電子的散射軌跡，直至其逸出抗蝕劑表面或其能量損失殆盡而沉積在抗蝕劑或基體中。因此，在電子散射過程的Monte Carlo模擬中，每一次散射過程由如下4個參數決定：散射角θ、散射方位角Φ、散射自由程Λ、散射點處的能量Ε。

Monte Carlo模擬電子散射的流程圖如圖2所示，模擬過程如下：

（1）計算電子的初始坐標；

（2）計算電子在固體中散射的平均自由程；

（3）計算散射角；

（4）計算方位角；

（5）計算電子散射的終點坐標；

（6）計算電子在散射終點的剩余能量；

（7）判斷電子是否逸出了光刻膠表面或則能量低于顯影閾值。

三、元胞自動機方法模擬能量沉積模型

模擬能量沉積模型的另一種方法是應用近似函數方法。近似函數的方法是通過實驗方法獲取能量密度曲線，得到能量沉積函數。對能量沉積函數作線性處理，然后用元胞自動機（cellular automaton，CA）[12]的方法模擬三維微結構。

三維微結構空間各點的劑量疊加是一個復雜的過程，需要一種算法來統計和計算空間各點所對應的劑量值，然后轉換成輪廓的高度值。本文采用元胞自動機算法。電子束光刻中的元胞自動機方法的優點是通過實驗獲取能量沉積函數進行模擬，考慮工藝過程中所有參數的影響，模擬精度高，缺點是需要花費大量的實驗成本和時間。

元胞自動機是一種時間和空間都離散的動力系統。散布在規則網格中的每一元胞取有限的離散狀態，遵循同樣的作用規則，依據確定的局部規則作同步更新。大量元胞通過簡單的相互作用而構成動態系統的演化。由元胞、元胞空間、狀態集、鄰居和規則5個基本部分組成,具有齊性、離散性、同步性、確定性等特點。齊性指所有元胞的分布方式相同，遵循的規則相同；同步性指元胞的狀態在離散時間上進行同步更新；確定性指所有的更新規則在時間和空間上是確定性的，并且相同。在元胞自動機中，某一時刻一個元胞的狀態只與前一時刻此元胞的狀態以及前一時刻相鄰元胞的狀態有關。

元胞自動機可用來研究很多現象，其中包括通信、信息傳遞、計算、構造、生長、復制、競爭與進化等。同時。它為動力學系統理論中有關秩序、紊動、混沌、非對稱、分形等系統整體行為與復雜現象的研究，提供了一個有效的模型工具。元胞自動機自產生以來，被廣泛地應用到各個領域，涉及社會學、生物學、生態學、信息科學、計算機科學、數學、物理學、化學、地理、環境、軍事學等。

將空間中的每一個位置都看著是一個元胞，當元胞中的值大于顯影閾值時，元胞的狀態發生改變，所有元胞作同步更新。元胞自動機模擬的流程圖如圖3所示。

四、實驗分析及總結

本文試驗中采用的光刻膠是正膠PMMA A4，光刻膠的厚度是250nm，曝光電壓為50kV，曝光劑量分別為 100μC/cm2、150μC/cm2、200μC/cm2。顯 影 后的實驗圖形如圖4所示。

從圖4中可以看出：

（1）不同的曝光劑量對應的深度是不一樣的；

（2）圖中的側壁不垂直，要得到垂直側壁必須調整曝光參數。

在電子束光刻中，三維微結構的形貌主要受加工參數如電子束束斑直徑、像素點之間的間距、電子束曝光時間、入射電子束的電壓、曝光劑量等的影響。為了獲得精度更高的三維微結構形貌，必須考慮上述參數。

五、結論

綜上所述，本文利用隨機函數方法建立能量沉積模型并借助Monte Carlo和元胞自動機綜合算法模擬電子束光刻的加工過程。實驗結果與模擬結果很好地吻合，說明該模型與算法模擬三維微結構是合理的。可以后續研究提供理論指導。