一种电子束冰刻工艺的光刻形貌计算方法

1.本发明属于电子束光刻技术领域，具体涉及一种电子束冰刻工艺的光刻形貌计算方法。


背景技术：

2.随着信息技术的快速发展，电子束光刻技术（ebl）因其拥有高分辨率、高对准精度和高灵活性等优势在电子器件、光学器件以及纳米科学领域发挥着重要作用，但是对于高密度的密集纳米结构、超大高宽比结构以及三维高度变化的纳米结构和器件，该技术则面临巨大挑战。于是，一种新型的电子束光刻技术，以冰为光刻胶的冰刻工艺（ice lithography technology，il）应运而生，因其具备无显影、易剥离、绿色环保、高精度原位套刻以及在多类型衬底上灵活制备纳米结构等优势而引起了先进光刻领域的日益关注。虽然目前已经对电子束冰刻工艺进行了实验研究并取得了一系列进展，但是对于电子束冰刻工艺冰光刻胶形貌的计算方法还没有任何报道，这一计算方法的缺失会限制这种新兴光刻技术的进一步发展与应用。
3.因此，需要建立一种能够预测电子束冰刻工艺冰光刻胶形貌的计算方法，能够计算不同光刻条件下冰光刻胶的光刻形貌，从而为实际电子束冰刻工艺实验制备图形结构提供理论参考与指导，并有效地缩短实验周期和降低实验成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种预测电子束冰刻工艺的冰光刻胶形貌计算方法，以解决上述电子束冰刻工艺背景技术中计算方法缺失的问题。
5.本发明对于电子束冰刻工艺的光刻形貌计算方法，是由genisys公司提供的基于蒙特卡洛（monte carlo）算法和卷积运算的tracerv2.1.0、beamerv4.8.0和labv4.7.0仿真软件进行的，具体步骤如下：（1）在tracer软件material archive中导入冰光刻胶材料参数；其中：所述冰光刻胶材料参数包括质量密度、化学分子式及平均激发能；（2）在tracer软件中计算每一个电子运动轨迹及所有冰光刻胶厚度层的点/线扩散函数（ea），即单像素线图形的冰刻形貌：设定衬底材料类型和厚度、冰光刻胶材料类型和厚度、初始电子束能量（kev）以及电子数量，运行仿真，可得到电子在冰光刻胶及衬底内部的运动轨迹和所有冰光刻胶厚度层的点/线扩散函数（ea），对ea数据进行绘图可得到电子损失能量密度分布，即单像素线图形（直径为0nm时的理想电子束斑）的电子束冰刻形貌；（3）在beamer软件中结合光刻版图和点/线扩散函数（ea）文件计算冰光刻胶分子吸收电子能量能力空间分布（aea），即冰刻形貌：首先导入待仿真的光刻版图，然后在beamer软件中的e-beam模块导入不同冰光刻胶厚度层的点/线扩散函数（ea）并设定电子束斑尺寸、仿真区域和网格精度，运行仿真并对
数据文件进行绘图，可得到冰光刻胶分子吸收电子能量的空间分布（aea），即冰刻形貌；（4）在lab软件中结合实验数据计算灰度冰刻形貌：（4.1）在beamer软件中将待仿真灰度光刻版图转换为lab软件识别的.ldb文件格式；（4.2）在lab软件中的calibration模块导入冰光刻胶对比度数据和对应的点/线扩散函数（ea），并设定仿真环境，包括光刻胶类型、厚度以及网格精度，以获得特定厚度时的冰光刻胶仿真参数文件，所述参数包括：曝光速率系数（dillc），完全曝光光刻胶的溶解速率（rmax），未曝光光刻胶的溶解速率（rmin），斜率（slope），阈值抑制剂浓度（mth）；（4.3）在lab软件中的e-beam模块导入灰度光刻版图、冰光刻胶仿真参数文件和点/线扩散函数（ea）文件，设定光刻胶厚度、曝光剂量、电子束斑尺寸、网格精度以及仿真区域，运行仿真，并对数据文件进行绘图，可得到冰光刻胶分子吸收电子能量能力空间分布（aea），即冰刻形貌。
6.本发明中，所述的冰光刻胶材料类型是极低温度下（120 k-140 k）的水冰（asw）、苯甲醚、醇类、烷烃类、其他无需溶液显影工艺的冰光刻胶，或在仿真中无需显影工艺的电子束光刻胶。
7.本发明中，所述的衬底类型是所有能进行电子束光刻或冰刻工艺的材料，如si、inp、si3n4、au、碳纳米管等。
8.本发明中，所述的光刻版图是所有能被进行光刻制备的图形结构。
9.与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：第一，本发明拓宽了电子束光刻工艺的仿真范围，提出了电子束冰刻工艺的仿真计算方法，能够用于计算冰刻工艺中电子束光刻胶的光刻形貌，包括极低温度下（120 k-140 k）的水冰（asw）、苯甲醚、醇类、烷烃类、其他无需溶液显影工艺的冰光刻胶和在仿真中无需显影工艺的电子束光刻胶；第二，本发明针对实际的实验光刻版图、初始电子束能量和电子数量、电子束斑尺寸、衬底材料和厚度、光刻胶材料、厚度和对比度实验数据，可以计算不同光刻条件下的光刻胶形貌；第三，本发明提出的计算方法为电子束冰刻工艺的光刻形貌预测提供了参考，在实验制备层面为冰刻工艺提供关键的、必不可少的理论指导，具有针对性强、有效缩短实验周期、降低实验成本的优点。
附图说明
10.图1为本发明的仿真计算流程图示。
11.图2为实施例1中100 kev初始电子束能量下106个电子在si基（500 μm厚）约480 nm厚的冰胶asw内部的运动轨迹。
12.图3为实施例1中在100 kev初始电子束能量下，由所有冰光刻胶asw厚度层的点/线扩散函数.tpsf文件（ea）得到的电子损失能量密度分布，即单像素线图形（直径为0nm时的理想电子束斑）的电子束冰刻形貌。
13.图4为实施例2中所使用的100 nm
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100 μm单根线光刻版图及软件中基于卷积运算完成光刻过程的示意图。
14.图5为实施例2中在10 kev初始电子束能量和si基（500 μm厚）约380 nm厚的冰胶asw条件下，所获得的对于100 nm
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100 μm单根线光刻版图的冰光刻胶分子吸收电子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。
15.图6为实施例3中（a）金属化工艺后的波带片聚焦透镜（fresnel zone plates）示意图和（b）仿真中使用的具有防倒塌加强筋结构的最外环宽度100 nm的波带片光刻版图。
16.图7为实施例3中在100 kev初始电子束能量和si基（500 μm厚）约4 μm厚的冰胶asw条件下，所获得的对于具有防倒塌加强筋结构的最外环宽度100 nm的波带片光刻版图的冰光刻胶分子吸收电子能量能力分布（aea=0.38，即冰刻形貌）。
17.图8为实施例4中（a）金属化工艺后的kinoform透镜示意图和（b）仿真中使用的kinoform透镜灰度光刻版图。
18.图9为实施例4中在10 kv电子束加速能量、si基的厚度为190 nm冰胶asw的归一化对比度曲线实验数据。
19.图10为实施例4中结合实验数据计算得到的kinoform透镜外环区域的归一化冰光刻胶分子asw吸收电子能量能力分布aea，即冰刻形貌。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明不仅限于实例。凡是对实施例中的仿真材料、条件、光刻版图和计算参数进行了简单的改变，都属于本发明保护范围之内。
21.实施例1：计算100 kev初始电子束能量下106个电子在si基（500 μm厚）约480 nm厚的冰胶水冰（asw）内部的运动轨迹及所有冰光刻胶asw厚度层的点/线扩散函数（ea，即直径为0nm时的理想电子束斑对应的单像素线图形冰刻形貌），具体步骤为：（1）在tracer软件material archive中导入新定义的冰光刻胶水冰asw的材料参数，具体包括asw的质量密度0.93 g/cm3、化学分子式h2o及平均激发能75 ev；（2）在tracer软件中计算电子运动轨迹及所有冰光刻胶厚度层的点/线扩散函数（ea）。设定衬底材料为si和厚度为500 μm、冰光刻胶材料类型为asw和厚度为480 nm、初始电子束能量为100 kev以及电子数量为106，运行仿真可得到图2所示的电子在冰光刻胶asw及si衬底内部的运动轨迹和图3所示的由所有冰光刻胶asw厚度层的点/线扩散函数.tpsf文件（ea）得到的电子损失能量密度分布，由于冰刻工艺无需传统溶液型显影工艺，直接利用电子束与冰的相互作用来完成光刻，因此将不同能量的电子损失能量密度分布轮廓线定义为不同曝光强度下的冰刻形貌，即单像素线图形（直径为0nm时的理想电子束斑）的电子束冰刻形貌。
22.实施例2：针对100 nm
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100 μm单根线光刻版图，计算10 kev初始电子束能量下106个电子在si基（500 μm厚）约380 nm厚的冰胶水冰（asw）的冰刻形貌，具体步骤为：（1）在tracer软件material archive中导入新定义的冰光刻胶水冰asw的材料参数，具体包括asw的质量密度0.93 g/cm3、化学分子式h2o及平均激发能75 ev；（2）在tracer软件中计算所有冰光刻胶厚度层的点/线扩散函数.lpsf文件（ea）。设定衬底材料为si和厚度为500 μm、冰光刻胶材料类型为asw和厚度为380 nm、初始电子束能量为10 kev以及电子数量为106，运行仿真得到不同asw厚度层点/线扩散函数.lpsf文件
（ea）；（3）在beamer软件中结合光刻版图和点/线扩散函数.lpsf文件（ea）计算冰光刻胶分子（asw）吸收电子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。首先导入图4中待仿真的100 nm
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100 μm单根线光刻版图，然后在e-beam模块中导入步骤（2）中不同asw厚度层的点/线扩散函数.lpsf文件并设定电子束斑尺寸为10 nm、仿真区域（单根线版图的中心区域）和网格精度（高精度模式：3nm），运行仿真并对数据文件绘图可得到图5所示的冰光刻胶分子吸收电子能量能力分布（aea，即冰刻形貌），aea与电子损失能量密度分布具有相同的意义，即不同aea值定义为不同曝光强度下的冰刻形貌。
23.实施例3：针对具有防倒塌加强筋结构的最外环宽度100 nm的波带片（fresnel zone plates）聚焦透镜光刻版图，计算100kev初始电子束能量下106个电子在si基（500 μm厚）约4 μm厚的冰胶水冰（asw）的冰刻形貌，具体步骤为：（1）在tracer软件material archive中导入新定义的冰光刻胶水冰asw的材料参数，具体包括asw的质量密度0.93 g/cm3、化学分子式h2o及平均激发能75 ev；（2）在tracer软件中计算所有冰光刻胶厚度层的点/线扩散函数.lpsf文件（ea）。设定衬底材料为si和厚度为500 μm、冰光刻胶材料类型为asw和厚度为4 μm、初始电子束能量为100kev以及电子数量为106，运行仿真得到不同asw厚度层点/线扩散函数.lpsf文件（ea）；（3）在beamer软件中结合光刻版图和点/线扩散函数.lpsf文件（ea）计算冰光刻胶分子（asw）吸收电子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。首先导入图6（b）中待仿真的具有防倒塌加强筋结构的最外环宽度100 nm的波带片光刻版图，然后在e-beam模块中导入步骤（2）中不同asw厚度层的点/线扩散函数.lpsf文件并设定电子束斑尺寸为10 nm、仿真区域（外环区域，即图6b的黑色方框区域）和网格精度（高精度模式：3nm），运行仿真并对数据文件绘图可得到图7所示的冰光刻胶分子吸收电子能量能力分布（aea，即冰刻形貌），结果表明当aea为0.38时，冰刻形貌最外环高宽比约18:1，内环高宽比也接近25:1。
24.实施例4：针对kinoform透镜灰度光刻版图，结合对比度曲线实验数据计算10 kev初始电子束能量下106个电子在si基（500 μm厚）约190 nm厚的冰胶asw的冰刻形貌，具体步骤为：（1）在tracer软件material archive中导入新定义的冰光刻胶水冰asw的材料参数，具体包括asw的质量密度0.93 g/cm3、化学分子式h2o及平均激发能75 ev；（2）在tracer软件中计算电子运动轨迹及所有冰光刻胶厚度层的点/线扩散函数。设定衬底材料为si和厚度为500 μm、冰光刻胶材料类型为asw和厚度为190 nm、初始电子束能量为10 kev以及电子数量为106，运行仿真得到不同asw厚度层点/线扩散函数.lpsf文件（ea）；（3）在beamer软件中将图8（b）待仿真的kinoform透镜灰度光刻版图转换为lab软件识别的.ldb文件格式，灰度光刻版图中将每一个圆环分割成9个部分，不同部分的灰度颜色代表不同梯度的归一化曝光剂量；（4）在lab软件中结合冰胶asw实验数据计算灰度冰刻形貌：（4.1）在lab软件中的calibration模块导入图9所示的冰胶asw（厚度为190 nm）对比度实验数据（对比度γ为1.9）和步骤（2）中的点/线扩散函数.lpsf文件并设定光刻胶类
型为正胶、厚度为190 nm以及网格精度（x、y和z方向均为10nm），从而获得厚度为190 nm冰胶asw的仿真参数文件（dillc为0.000196、rmax为0.005、rmin为0.000244、slope为3.726139、mth为0.897078）；（4.2）在lab软件中的e-beam模块导入步骤（3）中.ldb格式的kinoform透镜灰度光刻版图、步骤（4.1）中的冰光刻胶仿真参数文件和步骤（2）中的点/线扩散函数.lpsf文件，设定光刻胶厚度（190 nm）、曝光剂量（0.8 c/cm2）、电子束斑尺寸为10 nm、网格精度（x和y方向为10nm、z方向为5nm）以及仿真区域（最外环区域，即图8b的黑色虚线区域），运行仿真并对数据文件进行绘图可得到图10所示的冰光刻胶分子吸收电子能量能力分布（aea，即冰刻形貌）。