[发明专利]厚光刻胶背面斜入射光刻工艺的三维光强分布模拟方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种用于厚光刻胶（SU-8胶）紫外光斜入射背面光刻工艺的三维光强分布模拟方法，属于微电子机械系统（MEMS）加工工艺过程计算机模拟领域。 

背景技术

传统的SU-8胶紫外光垂直入射光刻工艺只能制造垂直的SU-8胶微结构。SU-8胶紫外光斜入射光刻工艺可以摆脱这种限制，通过倾斜掩模版和SU-8胶平台，可以制造各种倾斜的SU-8胶微结构。然而，由于SU-8胶在涂覆过程中厚度不均匀以及边珠效应等原因，衬底边缘的SU-8胶会比衬底中央的SU-8胶厚。因此，在SU-8胶紫外光斜入射光刻过程中，掩模版与SU-8胶之间无法避免地会出现空气间隙。由于空气间隙产生的衍射效应对光刻精度影响很大，导致难于加工高深宽比的SU-8胶微结构。为了解决这个问题，有学者提出了采用SU-8胶紫外光斜入射背面光刻工艺来制造高深宽比的SU-8胶微结构。这种方法直接将掩模版作为衬底，将SU-8胶直接涂覆在掩模版上，光刻过程中，斜入射紫外光直接透过掩模版背面曝光SU-8胶。该方法使用的工艺设备简单，加工成本低，避免了由于SU-8胶表面不平整产生的衍射效应的影响，同时也避免了衬底反射对SU-8胶微结构的影响，可以更有效地加工高深宽比的SU-8胶微结构。 

SU-8胶光刻过程中，SU-8胶中的光强分布对显影后的最终形貌有着决定性的影响。实现SU-8胶中三维光强分布的模拟，可以使得MEMS器件设计者或工艺工程师能够在实际的制造过程前观察设计及工艺过程效果，缩短相关MEMS产品的设计周期，降低其开发成本。目前，光刻工艺中常用的光强分布模拟方法主要有以下两种：基于电磁矢量理论的时域有限差分法、有限元法、边界元法等和基于光学标量衍射理论的菲涅耳—基尔霍夫衍射积分方法。前者需要对光刻胶进行细致的网格划分，随着网格数量的增加，其模拟时间将大为增加，因此基于电磁波理论的矢量方法不适用于模拟厚胶内部的三维光强分布。基于标量衍射理论的传统光强分布模拟方法运算速度快，可用于模拟传统的垂直入射光刻工艺的三维光强分布，但其精度不高，无法考虑紫外光传播过程中在不同介质界面的光折射和反射等物理效应，且适用范围受到菲涅耳近似处理的限制。因此，目前还没有适用于SU-8胶紫外光斜入射背面光刻工艺的三维光强分布模拟方法。 

  

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种厚光刻胶背面斜入射光刻工艺的三维光强分布模拟方法，解决目前无法模拟SU-8胶紫外光斜入射背面光刻工艺的三维光强分布的问题。采用该光强模拟方法，可以快速、精确地模拟SU-8胶紫外光斜入射背面光刻工艺过程中SU-8胶内部的三维光强分布。这对于实现SU-8胶紫外光斜入射背面光刻工艺过程的三维模拟具有实用意义。 

技术方案：本发明利用紫外光斜入射的旁轴近似技术来处理基于光学标量衍射理论的菲涅耳—基尔霍夫衍射积分方程，以背面斜入射紫外光的传播方向为轴向，将SU-8胶中的计算网格到掩模孔上任意点的距离近似为该计算网格到掩模版（衬底）的轴向距离，平移了菲涅耳积分上下限。同时，在背面斜入射紫外光的三维光强计算模型中，综合考虑了紫外光传播过程中在空气/掩模版、掩模版/SU-8胶界面的反射与折射效应，以及SU-8胶对紫外光的吸收等因素。本方法的基本步骤如下：(1) 根据工艺条件，输入掩模孔四个边界顶点坐标、背面斜入射紫外光在空气中的入射角、斜入射紫外光在空气中的波长、空气相对折射率、掩模版（衬底）材料及其相对折射率、SU-8胶厚度、SU-8胶相对折射率、斜入射紫外光光源的辐射光强值。将需要进行光强分布模拟的SU-8胶区域细分成小正方体（网格）组成的三维阵列，并采用三维矩阵来代表这个三维阵列；(2) 根据背面斜入射紫外光在空气中的入射角度、空气的相对折射率、掩模材料及其相对折射率、SU-8胶相对折射率，确定背面斜入射紫外光进入掩模版和SU-8胶时的入射角度；(3)利用紫外光斜入射的旁轴近似技术来处理菲涅耳—基尔霍夫衍射积分方程，平移菲涅耳积分上下限，得到不考虑背面斜入射紫外光反射以及SU-8胶对紫外光吸收等因素的三维光强值计算模型； (4)   综合考虑背面斜入射紫外光传播过程中在空气/掩模版和掩模版/SU-8胶界面的反射与折射效应、以及SU-8胶对紫外光的吸收作用等因素，得到SU-8胶内部任意一个网格处的三维光强值的计算模型；(5)   重复利用上面的SU-8胶内部任意一个网格处的三维光强值的计算模型得到SU-8胶中每一网格处的光强值，最终得到SU-8胶内部斜入射紫外光的三维光强分布的模拟结果。