基于輔助結構實時監測大高寬比納米結構顯影過程的方法研究*

崔煥煥，劉 剛，周 杰，熊 瑛，田揚超

(中國科學技術大學國家同步輻射實驗室，合肥230029)

近年來，隨著納米器件研究的不斷發展，大高寬比納米結構在慣性器件、光學等領域發揮著越來越重要的作用，具有很好的應用前景［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］。高度作為納米結構的一個重要參數，對于器件性能有著至關重要的影響，需要準確測量、精確控制。納米結構的高度一般是通過顯影形成的，因此對顯影過程進行實時監測以準確控制納米結構高度是非常必要的。目前，常規的檢測工具如臺階儀、掃描電子顯微鏡等都只能在顯影結束以后進行測量，不能進行實時監測。因此，要精確掌握顯影過程中納米結構的高度變化，必須要發展合適的實時監測方法。

光學方法由于具有無損等優點最先被用于實時監測［4－7］。光學監測方法的主要研究對象是光柵結構。這主要是由于光柵衍射理論和計算機技術的成熟發展，在光柵結構參數已知的情況下，可精確地計算得出光柵結構的衍射效率。反之，如果光柵衍射效率已知，則可以反推出光柵的結構參數，從而對其結構有一定的了解。近年來，基于光學方法測量光柵結構方面開展了不少的研究工作［8－11］。如趙勁松等［12］提出了一個實時監測矩形光柵槽型深度的光學模型，通過監測光柵的一級衍射效率對顯影過程進行實時監測。該方法依靠衍射曲線的下降沿確認顯影終點，這在實際顯影過程中很難準確把握。Marciante等［13］提出通過使用衍射效率對稱級次比值的方法對光柵進行實時監測。這種方法雖然可以提高測量精度，但要求光柵的衍射效率在占空比為常數時，是高度的單值函數。而隨著光柵高度的增加，衍射效率曲線逐漸復雜多變，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，無法應用于更高的結構。到目前為止，還沒有一種方法可以對大高寬比納米結構的顯影過程進行實時無損的監測。

為了解決這一問題，本文提出了一種新的監測方法，在大高寬比納米結構的制備過程中引入對高度變化具有明顯光學效應的輔助結構，通過模擬分析證實在顯影過程中監測輔助結構的衍射效率的變化，實現對大高寬比納米結構的監測是可行的。輔助結構的引入使得該方法不必局限于周期性結構，具有很好的普適性。

1 原理

常見的大高寬比納米結構一般不具有周期性，即使具有周期性也不一定隨高度的變化產生明顯的光學效應。因此，很難直接對大高寬比納米結構進行光學測量。針對這一問題，我們在大高寬比納米結構的制作過程中引入輔助結構，通過在顯影過程中對輔助結構的實時監測，準確把握納米結構的高度變化。圖1為制作大高寬比納米結構工藝流程示意圖，在制備過程中，輔助結構和納米結構在同一基片上，同時曝光，同時顯影，相同的工藝參數使得他們具有相同的高度參數。因此，通過監測輔助結構的高度變化來把握大高寬比納米結構的高度變化是可行的。

圖1 制作大高寬比納米結構工藝流程示意圖

輔助結構要具備兩個關鍵的特性，一是對高度敏感并表現出相應的光學效應以便于監測;二是易于制備。在眾多微納結構中，光柵結構是典型的周期性結構，隨著槽深的變化具有明顯的光學效應;同時，矩形光柵制備方法簡單。因此，我們選擇矩形光柵作為輔助結構，在顯影過程中以光刻膠不敏感的光束照射輔助結構，通過監測輔助結構衍射效率的變化來把握納米結構的高度變化。

理論上，可以通過光柵衍射效率反推出光柵的結構參數，但實際的顯影過程受很多環境因素影響，衍射效率的理論值和實驗值會有較大差別。同時，實驗參數的稍許偏差也會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，衍射效率曲線越復雜，不再是槽深的單值函數。因此，僅僅通過對光柵效率單一級次的監測是無法得到高度的精確值的。針對這個問題，我們選擇輔助結構的負一級和正一級衍射效率作為監測依據，首先通過觀測正負一級衍射曲線的起伏變化判斷結構大致的高度范圍，然后根據負一級與正一級的比值(R－1/R+1)得到高度的精確值，從而實現對大高寬比納米結構的高度的實時監測。

一般地，衍射效率的理論值和實驗值雖然有一定的偏差，但衍射效率隨高度變化的趨勢是相似的，所以，通過觀測衍射效率的高低變化趨勢，可以判斷結構的大概高度，給出一個高度值的范圍。為了獲得納米結構高度的精確值，我們引入了負正一級的比值R－1/R+1作為高度監測的補充。使用比值方法可以顯著地改善實驗環境對監測精度的影響，這是因為對稱級次衍射效率受環境和工藝誤差的影響幾乎相同，通過比值可以消除這些因素的影響，使得比值的理論曲線與實驗曲線基本一致［14］。同時，只要在通過單一級次給出的高度值的范圍內，比值曲線為高度的單值函數，就可以根據實時給出的R－1/R+1值參照理論曲線給出對應的高度值，即為納米結構的高度。所以，通過引入輔助結構，在顯影過程中對矩形光柵的正負一級衍射效率進行實時監測，即可實現對大高寬比納米結構的高度值的準確測量。

2 輔助結構的設計

上述的實時監測方法對輔助光柵結構的性能有著嚴格的要求:正負一級衍射效率曲線隨結構高度的變化有著便于觀測的起伏;在通過正負一級衍射效率曲線給出的高度值的范圍內，比值曲線為高度的單值函數。只有通過合適的結構參數設計才能使得輔助結構的光學特性滿足監測需求。所以，輔助光柵結構參數的設計非常重要。眾所周知，嚴格耦合波理論被廣泛的應用于分析電磁波在周期性結構中的傳播規律［15－16］。矩形光柵是典型的周期性結構，因此本文使用嚴格耦合波理論來分析計算矩形光柵的衍射效率變化規律。

我們利用基于嚴格耦合波理論的Gsolver軟件模擬了結構高度由0 μm到3 μm的范圍內矩形光柵的衍射效率變化曲線。光柵結構參數的設計中，使用實驗中比較普遍使用的光刻膠瑞紅RZJ390作為結構材料進行計算，監測光為光刻膠不敏感的紅光，波長為632.8 nm，入射角選擇為30°。在該波長下，顯影液、光刻膠和基片的折射率分別為1.336，1.674和3.573。通過模擬計算各種線密度的矩形光柵正負一級衍射效率及其比值的變化規律，發現僅僅使用一種線密度的光柵作為輔助結構無法得到足夠廣(適用于高度在3 μm以內的納米結構)的高度監測范圍，需要增加不同線密度的光柵來獲得所需的監測范圍。通過逐漸增加光柵個數進行組合分析計算，最終我們選擇了兩種線密度的光柵作為輔助結構，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計算重新選擇。

3 結果和討論

圖2 輔助結構衍射效率隨高度變化的理論模擬曲線

圖2為輔助光柵結構的正負一級衍射效率隨高度的變化曲線。從圖2(a)中可以看出，50線/mm光柵的正一級衍射效率在3 μm的高度范圍內有著明顯的起伏變化，便于對高度進行粗略的判斷;而160線/mm光柵的正一級衍射效率變化則不夠明顯且非常復雜，難以用于高度判斷。所以，依靠50線/mm光柵正一級衍射效率的起伏變化即可得到幾個大致的高度范圍。從圖2(b)中可以看出，50線/mm和160線/mm光柵的負一級衍射效率在3 μm的高度范圍內都有著明顯的起伏變化。同時，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明顯的高度數值的范圍。通過結合兩種光柵的負一級衍射效率曲線，可以得到更為細致的高度范圍。所以，實踐中可以選擇觀測50線/mm和160線/mm光柵的負一級衍射效率曲線來判斷結構大致的高度范圍。

圖3為兩個矩形光柵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有明顯的起伏變化，無法給出良好的高度單值區域;而160線/mm的光柵則在高度為1.2 μm到3 μm的范圍內給出了6個高度單值區域，只要確定顯影結束時高度停在哪個單值區域范圍內即可根據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個高度單值區間為: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應的高度范圍:根據50線/mm光柵的負一級衍射效率曲線的第2個上升沿可以判斷結構高度范圍為1.2 μm ～1.6 μm;根據 50 線/mm 光柵的負一級衍射效率曲線的第2個下降沿可以判斷結構高度范圍為1.6 μm ～2.0 μm;結合 50 線/mm 光柵的負一級衍射效率曲線的第3個上升沿和160線/mm光柵的負一級衍射效率曲線的上升沿可以判斷結構高度范圍為2.0 μm ～2.2 μm;結合50 線/mm 光柵的負一級衍射效率曲線的第3個上升沿和160線/mm光柵的負一級衍射效率曲線的下降沿可以判斷結構高度范圍為2.2 μm ～2.4 μm;結合 50 線/mm 光柵的負一級衍射效率曲線的第3個下降沿和160線/mm光柵的負一級衍射效率曲線的上升沿以及他們的明暗交替可以判斷結構高度范圍為 2.4 μm ～2.7 μm;結合 50 線/mm 光柵的負一級衍射效率曲線的第3個下降沿和160線/mm光柵的負一級衍射效率曲線的下降沿可以判斷結構高度范圍為2.7 μm ～3.0 μm。可以看出，結合50 線/mm和160線/mm光柵的負一級衍射效率曲線判斷出的結構的高度范圍與160線/mm光柵的R－1/R+1值的6個高度單值區間相重合。所以，可以利用輔助結構的光柵衍射效率曲線給出的高度范圍，確定顯影結束時高度停在160線/mm光柵的R－1/R+1曲線的哪個單值區域內。然后根據監測給出的比值，對照理論模擬曲線即可得到納米結構顯影終點時高度。

圖3 輔助結構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，在顯影過程中隨著結構高度的不斷變化，兩個光柵的那些具有明顯區分度的光學特性將陸續呈現，使得我們足以清楚地判斷停止顯影時他們大致的高度范圍。同時，根據光柵的R－1/R+1值就可以得到高度的精確值。由此可以看出，輔助結構的設計是合適的，選擇兩個光柵作為輔助結構可以適用于高度在3 μm以內的納米結構的高度監測。

由圖2可以看出，相對于160線/mm的光柵，50線/mm的光柵的一級衍射效率曲線比較簡單、變化也比較明顯，更適合用于判斷結構的高度范圍。因此，在設計輔助結構時，為了便于判斷結構的高度范圍通常會選擇低線密度的光柵。由圖3可以看出，相對于50線/mm的光柵，160線/mm的光柵的一級衍射效率的比值曲線可以在較大的高度范圍內給出多個高度單值區域，并且變化也很明顯，適合用于精確給出結構的高度值。因此，在設計輔助結構時，為了便于在較大的高度范圍內精確給出結構的高度值通常會選擇高線密度的光柵。綜合圖2、圖3可知，在設計輔助結構時，要想在較大的高度范圍內實現對納米結構高度的實時監測，需要選擇低線密度與高線密度兩種光柵，結合他們的光學特性來實現對高度的監測。

實際應用中，需要根據研究目標的不同來設計不同的輔助結構。對于較為常見的情況，如已知納米結構高度的大致范圍時，則可以簡化輔助結構的設計，選擇的光柵R－1/R+1僅僅在預計的高度范圍內有很好的單值性即可。通常設計一種線密度的光柵作為輔助結構就可以滿足監測需求。如果需要監測的高度范圍較寬，設計兩種甚至更多種線密度的光柵組合為輔助結構較為合適。但是，隨著光柵數量的增加會導致監測數據增多，加大了實際應用的難度。

為了獲到大高寬比納米結構，目前普遍使用的是同步輻射X射線光刻技術。同步輻射X射線光刻具有良好的工藝寬容性，大高寬比納米結構可以和微米或亞微米量級的輔助結構在相同的工藝參數下得到［17］。因此，雖然本文設計的輔助結構線密度在微米量級，并不會影響實際的監測效果。

4 結論

本文提出了一種通過引入輔助結構來實現對大高寬比納米結構顯影過程進行實時監測的方法。給出了輔助結構的設計要求，討論了輔助結構相關參數的設計原則。以高度為3 μm的納米結構為例，設計了線密度為50線/mm和160線/mm的矩形光柵作為輔助結構來監測顯影過程中結構高度的變化。模擬結果表明，通過監測光柵衍射效率的變化可以有效地監測納米結構高度的變化，為進一步提高大高寬比納米結構的制備精度提供了有益的參考。

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