基于輔助結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大高寬比納米結(jié)構(gòu)顯影過(guò)程的方法研究*

崔煥煥，劉 剛，周 杰，熊 瑛，田揚(yáng)超

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，合肥230029)

近年來(lái)，隨著納米器件研究的不斷發(fā)展，大高寬比納米結(jié)構(gòu)在慣性器件、光學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，具有很好的應(yīng)用前景［1－2］。以用于 X射線成像的波帶片為例，具有大高寬比的波帶片才能獲得最佳的成像效果［3］。高度作為納米結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于器件性能有著至關(guān)重要的影響，需要準(zhǔn)確測(cè)量、精確控制。納米結(jié)構(gòu)的高度一般是通過(guò)顯影形成的，因此對(duì)顯影過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以準(zhǔn)確控制納米結(jié)構(gòu)高度是非常必要的。目前，常規(guī)的檢測(cè)工具如臺(tái)階儀、掃描電子顯微鏡等都只能在顯影結(jié)束以后進(jìn)行測(cè)量，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，要精確掌握顯影過(guò)程中納米結(jié)構(gòu)的高度變化，必須要發(fā)展合適的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。

光學(xué)方法由于具有無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)最先被用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4－7］。光學(xué)監(jiān)測(cè)方法的主要研究對(duì)象是光柵結(jié)構(gòu)。這主要是由于光柵衍射理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟發(fā)展，在光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)已知的情況下，可精確地計(jì)算得出光柵結(jié)構(gòu)的衍射效率。反之，如果光柵衍射效率已知，則可以反推出光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)有一定的了解。近年來(lái)，基于光學(xué)方法測(cè)量光柵結(jié)構(gòu)方面開(kāi)展了不少的研究工作［8－11］。如趙勁松等［12］提出了一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)矩形光柵槽型深度的光學(xué)模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)光柵的一級(jí)衍射效率對(duì)顯影過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該方法依靠衍射曲線的下降沿確認(rèn)顯影終點(diǎn)，這在實(shí)際顯影過(guò)程中很難準(zhǔn)確把握。Marciante等［13］提出通過(guò)使用衍射效率對(duì)稱級(jí)次比值的方法對(duì)光柵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種方法雖然可以提高測(cè)量精度，但要求光柵的衍射效率在占空比為常數(shù)時(shí)，是高度的單值函數(shù)。而隨著光柵高度的增加，衍射效率曲線逐漸復(fù)雜多變，不是單值曲線，所以這種方法適用的光柵深度只有1 μm左右，無(wú)法應(yīng)用于更高的結(jié)構(gòu)。到目前為止，還沒(méi)有一種方法可以對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)的顯影過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損的監(jiān)測(cè)。

為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種新的監(jiān)測(cè)方法，在大高寬比納米結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程中引入對(duì)高度變化具有明顯光學(xué)效應(yīng)的輔助結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬分析證實(shí)在顯影過(guò)程中監(jiān)測(cè)輔助結(jié)構(gòu)的衍射效率的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)是可行的。輔助結(jié)構(gòu)的引入使得該方法不必局限于周期性結(jié)構(gòu)，具有很好的普適性。

1 原理

常見(jiàn)的大高寬比納米結(jié)構(gòu)一般不具有周期性，即使具有周期性也不一定隨高度的變化產(chǎn)生明顯的光學(xué)效應(yīng)。因此，很難直接對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。針對(duì)這一問(wèn)題，我們?cè)诖蟾邔挶燃{米結(jié)構(gòu)的制作過(guò)程中引入輔助結(jié)構(gòu)，通過(guò)在顯影過(guò)程中對(duì)輔助結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確把握納米結(jié)構(gòu)的高度變化。圖1為制作大高寬比納米結(jié)構(gòu)工藝流程示意圖，在制備過(guò)程中，輔助結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)在同一基片上，同時(shí)曝光，同時(shí)顯影，相同的工藝參數(shù)使得他們具有相同的高度參數(shù)。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)輔助結(jié)構(gòu)的高度變化來(lái)把握大高寬比納米結(jié)構(gòu)的高度變化是可行的。

圖1 制作大高寬比納米結(jié)構(gòu)工藝流程示意圖

輔助結(jié)構(gòu)要具備兩個(gè)關(guān)鍵的特性，一是對(duì)高度敏感并表現(xiàn)出相應(yīng)的光學(xué)效應(yīng)以便于監(jiān)測(cè);二是易于制備。在眾多微納結(jié)構(gòu)中，光柵結(jié)構(gòu)是典型的周期性結(jié)構(gòu)，隨著槽深的變化具有明顯的光學(xué)效應(yīng);同時(shí)，矩形光柵制備方法簡(jiǎn)單。因此，我們選擇矩形光柵作為輔助結(jié)構(gòu)，在顯影過(guò)程中以光刻膠不敏感的光束照射輔助結(jié)構(gòu)，通過(guò)監(jiān)測(cè)輔助結(jié)構(gòu)衍射效率的變化來(lái)把握納米結(jié)構(gòu)的高度變化。

理論上，可以通過(guò)光柵衍射效率反推出光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但實(shí)際的顯影過(guò)程受很多環(huán)境因素影響，衍射效率的理論值和實(shí)驗(yàn)值會(huì)有較大差別。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的稍許偏差也會(huì)造成的衍射效率值的偏離。另外，正如前面提到的，光柵槽深越深，衍射效率曲線越復(fù)雜，不再是槽深的單值函數(shù)。因此，僅僅通過(guò)對(duì)光柵效率單一級(jí)次的監(jiān)測(cè)是無(wú)法得到高度的精確值的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們選擇輔助結(jié)構(gòu)的負(fù)一級(jí)和正一級(jí)衍射效率作為監(jiān)測(cè)依據(jù)，首先通過(guò)觀測(cè)正負(fù)一級(jí)衍射曲線的起伏變化判斷結(jié)構(gòu)大致的高度范圍，然后根據(jù)負(fù)一級(jí)與正一級(jí)的比值(R－1/R+1)得到高度的精確值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)的高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

一般地，衍射效率的理論值和實(shí)驗(yàn)值雖然有一定的偏差，但衍射效率隨高度變化的趨勢(shì)是相似的，所以，通過(guò)觀測(cè)衍射效率的高低變化趨勢(shì)，可以判斷結(jié)構(gòu)的大概高度，給出一個(gè)高度值的范圍。為了獲得納米結(jié)構(gòu)高度的精確值，我們引入了負(fù)正一級(jí)的比值R－1/R+1作為高度監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充。使用比值方法可以顯著地改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響，這是因?yàn)閷?duì)稱級(jí)次衍射效率受環(huán)境和工藝誤差的影響幾乎相同，通過(guò)比值可以消除這些因素的影響，使得比值的理論曲線與實(shí)驗(yàn)曲線基本一致［14］。同時(shí)，只要在通過(guò)單一級(jí)次給出的高度值的范圍內(nèi)，比值曲線為高度的單值函數(shù)，就可以根據(jù)實(shí)時(shí)給出的R－1/R+1值參照理論曲線給出對(duì)應(yīng)的高度值，即為納米結(jié)構(gòu)的高度。所以，通過(guò)引入輔助結(jié)構(gòu)，在顯影過(guò)程中對(duì)矩形光柵的正負(fù)一級(jí)衍射效率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)的高度值的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

上述的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法對(duì)輔助光柵結(jié)構(gòu)的性能有著嚴(yán)格的要求:正負(fù)一級(jí)衍射效率曲線隨結(jié)構(gòu)高度的變化有著便于觀測(cè)的起伏;在通過(guò)正負(fù)一級(jí)衍射效率曲線給出的高度值的范圍內(nèi)，比值曲線為高度的單值函數(shù)。只有通過(guò)合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)才能使得輔助結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性滿足監(jiān)測(cè)需求。所以，輔助光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)非常重要。眾所周知，嚴(yán)格耦合波理論被廣泛的應(yīng)用于分析電磁波在周期性結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律［15－16］。矩形光柵是典型的周期性結(jié)構(gòu)，因此本文使用嚴(yán)格耦合波理論來(lái)分析計(jì)算矩形光柵的衍射效率變化規(guī)律。

我們利用基于嚴(yán)格耦合波理論的Gsolver軟件模擬了結(jié)構(gòu)高度由0 μm到3 μm的范圍內(nèi)矩形光柵的衍射效率變化曲線。光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)中，使用實(shí)驗(yàn)中比較普遍使用的光刻膠瑞紅RZJ390作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行計(jì)算，監(jiān)測(cè)光為光刻膠不敏感的紅光，波長(zhǎng)為632.8 nm，入射角選擇為30°。在該波長(zhǎng)下，顯影液、光刻膠和基片的折射率分別為1.336，1.674和3.573。通過(guò)模擬計(jì)算各種線密度的矩形光柵正負(fù)一級(jí)衍射效率及其比值的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)僅僅使用一種線密度的光柵作為輔助結(jié)構(gòu)無(wú)法得到足夠廣(適用于高度在3 μm以內(nèi)的納米結(jié)構(gòu))的高度監(jiān)測(cè)范圍，需要增加不同線密度的光柵來(lái)獲得所需的監(jiān)測(cè)范圍。通過(guò)逐漸增加光柵個(gè)數(shù)進(jìn)行組合分析計(jì)算，最終我們選擇了兩種線密度的光柵作為輔助結(jié)構(gòu)，分別是線密度為50線/mm和160線/mm、占空比均為0.5的矩形光柵。本文中光柵的占空比均為0.5，如果選擇其他的占空比，則光柵的線密度也需要通過(guò)計(jì)算重新選擇。

3 結(jié)果和討論

圖2 輔助結(jié)構(gòu)衍射效率隨高度變化的理論模擬曲線

圖2為輔助光柵結(jié)構(gòu)的正負(fù)一級(jí)衍射效率隨高度的變化曲線。從圖2(a)中可以看出，50線/mm光柵的正一級(jí)衍射效率在3 μm的高度范圍內(nèi)有著明顯的起伏變化，便于對(duì)高度進(jìn)行粗略的判斷;而160線/mm光柵的正一級(jí)衍射效率變化則不夠明顯且非常復(fù)雜，難以用于高度判斷。所以，依靠50線/mm光柵正一級(jí)衍射效率的起伏變化即可得到幾個(gè)大致的高度范圍。從圖2(b)中可以看出，50線/mm和160線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率在3 μm的高度范圍內(nèi)都有著明顯的起伏變化。同時(shí)，兩條衍射曲線多次交替起伏變化，每一段起伏或者交替都可以給出一個(gè)明顯的高度數(shù)值的范圍。通過(guò)結(jié)合兩種光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線，可以得到更為細(xì)致的高度范圍。所以，實(shí)踐中可以選擇觀測(cè)50線/mm和160線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線來(lái)判斷結(jié)構(gòu)大致的高度范圍。

圖3為兩個(gè)矩形光柵R－1/R+1隨高度的變化曲線。由圖3可以看到，50線/mm的光柵R－1/R+1曲線隨著高度的變化沒(méi)有明顯的起伏變化，無(wú)法給出良好的高度單值區(qū)域;而160線/mm的光柵則在高度為1.2 μm到3 μm的范圍內(nèi)給出了6個(gè)高度單值區(qū)域，只要確定顯影結(jié)束時(shí)高度停在哪個(gè)單值區(qū)域范圍內(nèi)即可根據(jù)160線/mm光柵的 R－1/R+1值得到高度的精確值。160線/mm光柵的R－1/R+1值的6個(gè)高度單值區(qū)間為:1.2 μm ～1.6 μm、1.6 μm ～2.0 μm、2.0 μm ～2.2 μm、2.2 μm ～2.4 μm、2.4 μm ～2.7 μm、2.7 μm ～3.0 μm。結(jié)合圖2(b)可以看出，由以下的光柵衍射效率曲線可以判斷出對(duì)應(yīng)的高度范圍:根據(jù)50線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的第2個(gè)上升沿可以判斷結(jié)構(gòu)高度范圍為1.2 μm ～1.6 μm;根據(jù) 50 線/mm 光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的第2個(gè)下降沿可以判斷結(jié)構(gòu)高度范圍為1.6 μm ～2.0 μm;結(jié)合 50 線/mm 光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的第3個(gè)上升沿和160線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的上升沿可以判斷結(jié)構(gòu)高度范圍為2.0 μm ～2.2 μm;結(jié)合50 線/mm 光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的第3個(gè)上升沿和160線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的下降沿可以判斷結(jié)構(gòu)高度范圍為2.2 μm ～2.4 μm;結(jié)合 50 線/mm 光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的第3個(gè)下降沿和160線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的上升沿以及他們的明暗交替可以判斷結(jié)構(gòu)高度范圍為 2.4 μm ～2.7 μm;結(jié)合 50 線/mm 光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的第3個(gè)下降沿和160線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線的下降沿可以判斷結(jié)構(gòu)高度范圍為2.7 μm ～3.0 μm?？梢钥闯?，結(jié)合50 線/mm和160線/mm光柵的負(fù)一級(jí)衍射效率曲線判斷出的結(jié)構(gòu)的高度范圍與160線/mm光柵的R－1/R+1值的6個(gè)高度單值區(qū)間相重合。所以，可以利用輔助結(jié)構(gòu)的光柵衍射效率曲線給出的高度范圍，確定顯影結(jié)束時(shí)高度停在160線/mm光柵的R－1/R+1曲線的哪個(gè)單值區(qū)域內(nèi)。然后根據(jù)監(jiān)測(cè)給出的比值，對(duì)照理論模擬曲線即可得到納米結(jié)構(gòu)顯影終點(diǎn)時(shí)高度。

圖3 輔助結(jié)構(gòu)R－1/R+1曲線隨高度變化的理論模擬曲線

由以上分析可知，在顯影過(guò)程中隨著結(jié)構(gòu)高度的不斷變化，兩個(gè)光柵的那些具有明顯區(qū)分度的光學(xué)特性將陸續(xù)呈現(xiàn)，使得我們足以清楚地判斷停止顯影時(shí)他們大致的高度范圍。同時(shí)，根據(jù)光柵的R－1/R+1值就可以得到高度的精確值。由此可以看出，輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合適的，選擇兩個(gè)光柵作為輔助結(jié)構(gòu)可以適用于高度在3 μm以內(nèi)的納米結(jié)構(gòu)的高度監(jiān)測(cè)。

由圖2可以看出，相對(duì)于160線/mm的光柵，50線/mm的光柵的一級(jí)衍射效率曲線比較簡(jiǎn)單、變化也比較明顯，更適合用于判斷結(jié)構(gòu)的高度范圍。因此，在設(shè)計(jì)輔助結(jié)構(gòu)時(shí)，為了便于判斷結(jié)構(gòu)的高度范圍通常會(huì)選擇低線密度的光柵。由圖3可以看出，相對(duì)于50線/mm的光柵，160線/mm的光柵的一級(jí)衍射效率的比值曲線可以在較大的高度范圍內(nèi)給出多個(gè)高度單值區(qū)域，并且變化也很明顯，適合用于精確給出結(jié)構(gòu)的高度值。因此，在設(shè)計(jì)輔助結(jié)構(gòu)時(shí)，為了便于在較大的高度范圍內(nèi)精確給出結(jié)構(gòu)的高度值通常會(huì)選擇高線密度的光柵。綜合圖2、圖3可知，在設(shè)計(jì)輔助結(jié)構(gòu)時(shí)，要想在較大的高度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要選擇低線密度與高線密度兩種光柵，結(jié)合他們的光學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的監(jiān)測(cè)。

實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)研究目標(biāo)的不同來(lái)設(shè)計(jì)不同的輔助結(jié)構(gòu)。對(duì)于較為常見(jiàn)的情況，如已知納米結(jié)構(gòu)高度的大致范圍時(shí)，則可以簡(jiǎn)化輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇的光柵R－1/R+1僅僅在預(yù)計(jì)的高度范圍內(nèi)有很好的單值性即可。通常設(shè)計(jì)一種線密度的光柵作為輔助結(jié)構(gòu)就可以滿足監(jiān)測(cè)需求。如果需要監(jiān)測(cè)的高度范圍較寬，設(shè)計(jì)兩種甚至更多種線密度的光柵組合為輔助結(jié)構(gòu)較為合適。但是，隨著光柵數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增多，加大了實(shí)際應(yīng)用的難度。

為了獲到大高寬比納米結(jié)構(gòu)，目前普遍使用的是同步輻射X射線光刻技術(shù)。同步輻射X射線光刻具有良好的工藝寬容性，大高寬比納米結(jié)構(gòu)可以和微米或亞微米量級(jí)的輔助結(jié)構(gòu)在相同的工藝參數(shù)下得到［17］。因此，雖然本文設(shè)計(jì)的輔助結(jié)構(gòu)線密度在微米量級(jí)，并不會(huì)影響實(shí)際的監(jiān)測(cè)效果。

4 結(jié)論

本文提出了一種通過(guò)引入輔助結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)顯影過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法。給出了輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，討論了輔助結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則。以高度為3 μm的納米結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)了線密度為50線/mm和160線/mm的矩形光柵作為輔助結(jié)構(gòu)來(lái)監(jiān)測(cè)顯影過(guò)程中結(jié)構(gòu)高度的變化。模擬結(jié)果表明，通過(guò)監(jiān)測(cè)光柵衍射效率的變化可以有效地監(jiān)測(cè)納米結(jié)構(gòu)高度的變化，為進(jìn)一步提高大高寬比納米結(jié)構(gòu)的制備精度提供了有益的參考。

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