一種電子束冰刻工藝的光刻形貌計算方法

1.本發明屬于電子束光刻技術領域，具體涉及一種電子束冰刻工藝的光刻形貌計算方法。


背景技術：

2.隨著信息技術的快速發展，電子束光刻技術（ebl）因其擁有高分辨率、高對準精度和高靈活性等優勢在電子器件、光學器件以及納米科學領域發揮著重要作用，但是對于高密度的密集納米結構、超大高寬比結構以及三維高度變化的納米結構和器件，該技術則面臨巨大挑戰。于是，一種新型的電子束光刻技術，以冰為光刻膠的冰刻工藝（ice lithography technology，il）應運而生，因其具備無顯影、易剝離、綠色環保、高精度原位套刻以及在多類型襯底上靈活制備納米結構等優勢而引起了先進光刻領域的日益關注。雖然目前已經對電子束冰刻工藝進行了實驗研究并取得了一系列進展，但是對于電子束冰刻工藝冰光刻膠形貌的計算方法還沒有任何報道，這一計算方法的缺失會限制這種新興光刻技術的進一步發展與應用。
3.因此，需要建立一種能夠預測電子束冰刻工藝冰光刻膠形貌的計算方法，能夠計算不同光刻條件下冰光刻膠的光刻形貌，從而為實際電子束冰刻工藝實驗制備圖形結構提供理論參考與指導，并有效地縮短實驗周期和降低實驗成本。


技術實現要素：

4.本發明的目的在于提出一種預測電子束冰刻工藝的冰光刻膠形貌計算方法，以解決上述電子束冰刻工藝背景技術中計算方法缺失的問題。
5.本發明對于電子束冰刻工藝的光刻形貌計算方法，是由genisys公司提供的基于蒙特卡洛（monte carlo）算法和卷積運算的tracerv2.1.0、beamerv4.8.0和labv4.7.0仿真軟件進行的，具體步驟如下：（1）在tracer軟件material archive中導入冰光刻膠材料參數；其中：所述冰光刻膠材料參數包括質量密度、化學分子式及平均激發能；（2）在tracer軟件中計算每一個電子運動軌跡及所有冰光刻膠厚度層的點/線擴散函數（ea），即單像素線圖形的冰刻形貌：設定襯底材料類型和厚度、冰光刻膠材料類型和厚度、初始電子束能量（kev）以及電子數量，運行仿真，可得到電子在冰光刻膠及襯底內部的運動軌跡和所有冰光刻膠厚度層的點/線擴散函數（ea），對ea數據進行繪圖可得到電子損失能量密度分布，即單像素線圖形（直徑為0nm時的理想電子束斑）的電子束冰刻形貌；（3）在beamer軟件中結合光刻版圖和點/線擴散函數（ea）文件計算冰光刻膠分子吸收電子能量能力空間分布（aea），即冰刻形貌：首先導入待仿真的光刻版圖，然后在beamer軟件中的e-beam模塊導入不同冰光刻膠厚度層的點/線擴散函數（ea）并設定電子束斑尺寸、仿真區域和網格精度，運行仿真并對
數據文件進行繪圖，可得到冰光刻膠分子吸收電子能量的空間分布（aea），即冰刻形貌；（4）在lab軟件中結合實驗數據計算灰度冰刻形貌：（4.1）在beamer軟件中將待仿真灰度光刻版圖轉換為lab軟件識別的.ldb文件格式；（4.2）在lab軟件中的calibration模塊導入冰光刻膠對比度數據和對應的點/線擴散函數（ea），并設定仿真環境，包括光刻膠類型、厚度以及網格精度，以獲得特定厚度時的冰光刻膠仿真參數文件，所述參數包括：曝光速率系數（dillc），完全曝光光刻膠的溶解速率（rmax），未曝光光刻膠的溶解速率（rmin），斜率（slope），閾值抑制劑濃度（mth）；（4.3）在lab軟件中的e-beam模塊導入灰度光刻版圖、冰光刻膠仿真參數文件和點/線擴散函數（ea）文件，設定光刻膠厚度、曝光劑量、電子束斑尺寸、網格精度以及仿真區域，運行仿真，并對數據文件進行繪圖，可得到冰光刻膠分子吸收電子能量能力空間分布（aea），即冰刻形貌。
6.本發明中，所述的冰光刻膠材料類型是極低溫度下（120 k-140 k）的水冰（asw）、苯甲醚、醇類、烷烴類、其他無需溶液顯影工藝的冰光刻膠，或在仿真中無需顯影工藝的電子束光刻膠。
7.本發明中，所述的襯底類型是所有能進行電子束光刻或冰刻工藝的材料，如si、inp、si3n4、au、碳納米管等。
8.本發明中，所述的光刻版圖是所有能被進行光刻制備的圖形結構。
9.與現有技術相比，本發明方法的有益效果是：第一，本發明拓寬了電子束光刻工藝的仿真范圍，提出了電子束冰刻工藝的仿真計算方法，能夠用于計算冰刻工藝中電子束光刻膠的光刻形貌，包括極低溫度下（120 k-140 k）的水冰（asw）、苯甲醚、醇類、烷烴類、其他無需溶液顯影工藝的冰光刻膠和在仿真中無需顯影工藝的電子束光刻膠；第二，本發明針對實際的實驗光刻版圖、初始電子束能量和電子數量、電子束斑尺寸、襯底材料和厚度、光刻膠材料、厚度和對比度實驗數據，可以計算不同光刻條件下的光刻膠形貌；第三，本發明提出的計算方法為電子束冰刻工藝的光刻形貌預測提供了參考，在實驗制備層面為冰刻工藝提供關鍵的、必不可少的理論指導，具有針對性強、有效縮短實驗周期、降低實驗成本的優點。
附圖說明
10.圖1為本發明的仿真計算流程圖示。
11.圖2為實施例1中100 kev初始電子束能量下106個電子在si基（500 μm厚）約480 nm厚的冰膠asw內部的運動軌跡。
12.圖3為實施例1中在100 kev初始電子束能量下，由所有冰光刻膠asw厚度層的點/線擴散函數.tpsf文件（ea）得到的電子損失能量密度分布，即單像素線圖形（直徑為0nm時的理想電子束斑）的電子束冰刻形貌。
13.圖4為實施例2中所使用的100 nm
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100 μm單根線光刻版圖及軟件中基于卷積運算完成光刻過程的示意圖。
14.圖5為實施例2中在10 kev初始電子束能量和si基（500 μm厚）約380 nm厚的冰膠asw條件下，所獲得的對于100 nm
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100 μm單根線光刻版圖的冰光刻膠分子吸收電子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。
15.圖6為實施例3中（a）金屬化工藝后的波帶片聚焦透鏡（fresnel zone plates）示意圖和（b）仿真中使用的具有防倒塌加強筋結構的最外環寬度100 nm的波帶片光刻版圖。
16.圖7為實施例3中在100 kev初始電子束能量和si基（500 μm厚）約4 μm厚的冰膠asw條件下，所獲得的對于具有防倒塌加強筋結構的最外環寬度100 nm的波帶片光刻版圖的冰光刻膠分子吸收電子能量能力分布（aea=0.38，即冰刻形貌）。
17.圖8為實施例4中（a）金屬化工藝后的kinoform透鏡示意圖和（b）仿真中使用的kinoform透鏡灰度光刻版圖。
18.圖9為實施例4中在10 kv電子束加速能量、si基的厚度為190 nm冰膠asw的歸一化對比度曲線實驗數據。
19.圖10為實施例4中結合實驗數據計算得到的kinoform透鏡外環區域的歸一化冰光刻膠分子asw吸收電子能量能力分布aea，即冰刻形貌。
具體實施方式
20.下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述，但本發明不僅限于實例。凡是對實施例中的仿真材料、條件、光刻版圖和計算參數進行了簡單的改變，都屬于本發明保護范圍之內。
21.實施例1：計算100 kev初始電子束能量下106個電子在si基（500 μm厚）約480 nm厚的冰膠水冰（asw）內部的運動軌跡及所有冰光刻膠asw厚度層的點/線擴散函數（ea，即直徑為0nm時的理想電子束斑對應的單像素線圖形冰刻形貌），具體步驟為：（1）在tracer軟件material archive中導入新定義的冰光刻膠水冰asw的材料參數，具體包括asw的質量密度0.93 g/cm3、化學分子式h2o及平均激發能75 ev；（2）在tracer軟件中計算電子運動軌跡及所有冰光刻膠厚度層的點/線擴散函數（ea）。設定襯底材料為si和厚度為500 μm、冰光刻膠材料類型為asw和厚度為480 nm、初始電子束能量為100 kev以及電子數量為106，運行仿真可得到圖2所示的電子在冰光刻膠asw及si襯底內部的運動軌跡和圖3所示的由所有冰光刻膠asw厚度層的點/線擴散函數.tpsf文件（ea）得到的電子損失能量密度分布，由于冰刻工藝無需傳統溶液型顯影工藝，直接利用電子束與冰的相互作用來完成光刻，因此將不同能量的電子損失能量密度分布輪廓線定義為不同曝光強度下的冰刻形貌，即單像素線圖形（直徑為0nm時的理想電子束斑）的電子束冰刻形貌。
22.實施例2：針對100 nm
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100 μm單根線光刻版圖，計算10 kev初始電子束能量下106個電子在si基（500 μm厚）約380 nm厚的冰膠水冰（asw）的冰刻形貌，具體步驟為：（1）在tracer軟件material archive中導入新定義的冰光刻膠水冰asw的材料參數，具體包括asw的質量密度0.93 g/cm3、化學分子式h2o及平均激發能75 ev；（2）在tracer軟件中計算所有冰光刻膠厚度層的點/線擴散函數.lpsf文件（ea）。設定襯底材料為si和厚度為500 μm、冰光刻膠材料類型為asw和厚度為380 nm、初始電子束能量為10 kev以及電子數量為106，運行仿真得到不同asw厚度層點/線擴散函數.lpsf文件
（ea）；（3）在beamer軟件中結合光刻版圖和點/線擴散函數.lpsf文件（ea）計算冰光刻膠分子（asw）吸收電子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。首先導入圖4中待仿真的100 nm
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100 μm單根線光刻版圖，然后在e-beam模塊中導入步驟（2）中不同asw厚度層的點/線擴散函數.lpsf文件并設定電子束斑尺寸為10 nm、仿真區域（單根線版圖的中心區域）和網格精度（高精度模式：3nm），運行仿真并對數據文件繪圖可得到圖5所示的冰光刻膠分子吸收電子能量能力分布（aea，即冰刻形貌），aea與電子損失能量密度分布具有相同的意義，即不同aea值定義為不同曝光強度下的冰刻形貌。
23.實施例3：針對具有防倒塌加強筋結構的最外環寬度100 nm的波帶片（fresnel zone plates）聚焦透鏡光刻版圖，計算100kev初始電子束能量下106個電子在si基（500 μm厚）約4 μm厚的冰膠水冰（asw）的冰刻形貌，具體步驟為：（1）在tracer軟件material archive中導入新定義的冰光刻膠水冰asw的材料參數，具體包括asw的質量密度0.93 g/cm3、化學分子式h2o及平均激發能75 ev；（2）在tracer軟件中計算所有冰光刻膠厚度層的點/線擴散函數.lpsf文件（ea）。設定襯底材料為si和厚度為500 μm、冰光刻膠材料類型為asw和厚度為4 μm、初始電子束能量為100kev以及電子數量為106，運行仿真得到不同asw厚度層點/線擴散函數.lpsf文件（ea）；（3）在beamer軟件中結合光刻版圖和點/線擴散函數.lpsf文件（ea）計算冰光刻膠分子（asw）吸收電子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。首先導入圖6（b）中待仿真的具有防倒塌加強筋結構的最外環寬度100 nm的波帶片光刻版圖，然后在e-beam模塊中導入步驟（2）中不同asw厚度層的點/線擴散函數.lpsf文件并設定電子束斑尺寸為10 nm、仿真區域（外環區域，即圖6b的黑色方框區域）和網格精度（高精度模式：3nm），運行仿真并對數據文件繪圖可得到圖7所示的冰光刻膠分子吸收電子能量能力分布（aea，即冰刻形貌），結果表明當aea為0.38時，冰刻形貌最外環高寬比約18:1，內環高寬比也接近25:1。
24.實施例4：針對kinoform透鏡灰度光刻版圖，結合對比度曲線實驗數據計算10 kev初始電子束能量下106個電子在si基（500 μm厚）約190 nm厚的冰膠asw的冰刻形貌，具體步驟為：（1）在tracer軟件material archive中導入新定義的冰光刻膠水冰asw的材料參數，具體包括asw的質量密度0.93 g/cm3、化學分子式h2o及平均激發能75 ev；（2）在tracer軟件中計算電子運動軌跡及所有冰光刻膠厚度層的點/線擴散函數。設定襯底材料為si和厚度為500 μm、冰光刻膠材料類型為asw和厚度為190 nm、初始電子束能量為10 kev以及電子數量為106，運行仿真得到不同asw厚度層點/線擴散函數.lpsf文件（ea）；（3）在beamer軟件中將圖8（b）待仿真的kinoform透鏡灰度光刻版圖轉換為lab軟件識別的.ldb文件格式，灰度光刻版圖中將每一個圓環分割成9個部分，不同部分的灰度顏色代表不同梯度的歸一化曝光劑量；（4）在lab軟件中結合冰膠asw實驗數據計算灰度冰刻形貌：（4.1）在lab軟件中的calibration模塊導入圖9所示的冰膠asw（厚度為190 nm）對比度實驗數據（對比度γ為1.9）和步驟（2）中的點/線擴散函數.lpsf文件并設定光刻膠類
型為正膠、厚度為190 nm以及網格精度（x、y和z方向均為10nm），從而獲得厚度為190 nm冰膠asw的仿真參數文件（dillc為0.000196、rmax為0.005、rmin為0.000244、slope為3.726139、mth為0.897078）；（4.2）在lab軟件中的e-beam模塊導入步驟（3）中.ldb格式的kinoform透鏡灰度光刻版圖、步驟（4.1）中的冰光刻膠仿真參數文件和步驟（2）中的點/線擴散函數.lpsf文件，設定光刻膠厚度（190 nm）、曝光劑量（0.8 c/cm2）、電子束斑尺寸為10 nm、網格精度（x和y方向為10nm、z方向為5nm）以及仿真區域（最外環區域，即圖8b的黑色虛線區域），運行仿真并對數據文件進行繪圖可得到圖10所示的冰光刻膠分子吸收電子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。