光刻胶纳米结构失效现象的光学特性分析*

柏　杨，张晓波，熊　瑛，刘　刚，田扬超

(1.中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230026；2.中国科学技术大学 国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029)



光刻胶纳米结构失效现象的光学特性分析*

柏杨1，2，张晓波2，熊瑛2，刘刚2，田扬超2

(1.中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230026；2.中国科学技术大学 国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029)

具有纳米结构的光刻胶有着独特的光学特性，其纳米结构参数直接决定其光学特性。通过对光栅脊柱倾斜、粘连和倒伏堆叠这3种结构失效现象建模，利用严格耦合波理论数值，计算了各种失效结构对偏振光的反射率影响。结果表明，脊柱倾斜的纳米光栅对于偏振光反射率最小的波长发生红移；当有粘连时纳米光栅的对偏振光的敏感程度减弱，同时产生衍射级次；倒伏堆叠的纳米光栅产生较强的衍射级次。利用偏振改变与失效形式的关系可以对纳米结构的具体失效形式做出判断，这对于实现微纳结构的无损监测有一定的推动意义。

微纳加工；结构失效；严格耦合波分析；偏振

随着对微纳加工研究的深入，大高宽比微纳结构[1-2]在光学器件等领域发挥着越来越重要的作用。微纳结构的失效现象主要出现在周期性、大高宽比和高线密度的结构中，形式主要有纳米光栅脊柱倾斜、粘连、倒伏堆叠、顶端变形和从衬底剥离等[3-4]。对微纳结构的表面形貌信息的测量是非常必要的，近年来，在显影等工艺过程中，通过监测光栅衍射能量随时间的变化情况来控制形貌轮廓的方法被提出[5]；但是，针对纳米结构失效现象而引起光学特性变化还未被明确分析。

具有纳米结构的光刻胶有着独特的光学特性，其纳米结构参数直接决定其光学特性。本文研究材料为光刻胶的纳米光栅结构在发生光栅脊柱倾斜、粘连、倒伏堆叠这3种失效形式下其对偏振光反射率的影响。

1　微纳结构光学特性的理论分析

为了探究微纳结构的光学特性，需要建立待测微纳结构的光学模型，即建立待测微纳结构的表面形貌参数、结构材料的光学参数与微纳结构衍射效率之间的联系。当微纳结构的特征尺寸和光波波长达到相同数量级时，微纳结构的透射、反射和偏振等特性完全不同于常规，此时标量衍射理论便不再适用，必须采用更严格的矢量衍射理论进行分析[6]。

本文利用严格耦合波理论[7](Rigorous Coupled Wave Analysis， RCWA)分析零级反射光的衍射效率[8]与周期、占空比和脊柱高度等纳米光栅结构表面形貌参数的关系。

以TE波入射金基底的PMMA光刻胶矩形光栅为例，用严格耦合波理论分析计算光栅结构。一束平面波以θ角入射到周期为T、脊柱高度为h的光栅平面上(见图1)，光栅将会产生零级反射波，其中反射和透射区域的折射率分别为r1和r2。rs和rg分别为光栅脊柱(spine)和光栅槽型(groove)的折射率；A为光栅脊柱的宽度。

图1　矩形光栅结构的衍射分析示意图

本文定义电场矢量平行于光栅的刻画线方向为TE偏振，由Rayleigh展开式可以得到入射区域和透射区域的电场分布。用傅立叶级数将光栅区域(0

对于周期排列的相同面型且形状任意的沟槽。分析方法和前者类似，区别仅在于应先将截面进行Z方向的分层，再将分得的每一层等效成矩形光栅进行建模分析即可。

2　纳米光栅结构失效现象仿真分析

2.1建立仿真模型

在微纳结构参数的设计中，以实验中普遍采用的PMMA作为光栅脊柱的结构材料进行计算。确定了纳米结构周期、占空比、高度，以及入射光的入射角度这4个参数，设计合适的光栅面型，从而判断纳米结构脊柱直立、粘连、倾斜和倒伏堆叠对纳米结构衍射效率的影响。纳米光栅形貌正常与失效时的电镜照片和模拟面形图如图2所示。

图2　纳米光栅的电镜照片和模拟面形图

所模拟光栅周期为400 nm，光栅脊椎的材料选择为PMMA，占空比为1∶1，高宽比为3.6∶1，光栅结构的基底为氮化硅，在基底之上镀有一层金。在632.8 nm波长入射光下PMMA、氮化硅和金结构的折射率分别为1.490、2.021和0.177。由于存在纳米光栅粘连、堆叠等结构失效现象，往往会引起多个周期的光栅错位现象，为了便于开展模拟，在正方形的光栅面形图中建立连续的2个光栅周期模型。

2.2失效现象分析

纳米光栅的脊柱倾斜、粘连和倒伏堆叠是常见的失效形式。在微纳加工工艺过程中，受纳米结构表面毛细力等因素影响，光栅脊柱发生倾斜，更为严重的失效情况是相邻周期的脊柱粘连和脊柱倒伏堆叠的图形坍塌。

2.2.1脊柱倾斜失效分析

纳米光栅脊柱发生倾斜时，结构周期不变，脊柱高度略微降低，占空比也会随着倾斜角度的增大而增大。纳米光栅脊柱倾斜时模拟结果如图3所示。在建模过程中，选取了纳米光栅脊柱倾斜13°(图3中倾角1)和倾斜22°(图3中倾角2)等2种情况讨论。

图3　　　　纳米光栅脊柱倾斜时反射效率随入射光波长的变化示意图

由图3可以看出，纳米光栅脊柱发生倾斜时反射率变化剧烈。将偏振光反射率最小的波长定义为偏振的敏感波长，可以看出随着倾斜角度的改变，敏感波长会朝向红光区域发生移动。TE模入射时光栅脊柱倾斜对纳米结构的反射率的影响很小，TM模入射时会出现明显的反射率变化。在之后的模拟中选取TM模入射纳米结构的反射率作为研究对象。

2.2.2脊柱粘连失效分析

当纳米光栅脊柱发生粘连时，光栅的周期增大，脊柱高度略微减小。按照粘连的光栅脊柱数目的多少，把粘连的失效形式具体分为双脊柱粘连和多脊柱粘连等2类。双脊柱粘连的模拟结果如图4所示。由图4可以看出，当光栅脊柱发生粘连时，对偏振的敏感程度降低，TM模入射时的敏感波长消失。纳米光栅的脊柱粘连现象会减弱纳米光栅的偏振特性。

图4　　　　双脊柱粘连时纳米光栅反射效率随入射光波长的变化示意图

利用800 nm面型等腰梯形脊柱光栅模拟4个周期光栅脊柱粘连的现象。此时原本特征尺寸在纳米量级的光栅，周期超过可见光波长，因此，不再属于亚波长结构的范围，其反射光出现了多个衍射级次。此时选取-1级和0级反射光的衍射效率进行研究。多脊柱粘连的模拟结果如图5所示。由图5可以看出，发生粘连失效的纳米光栅对偏振的影响小于倾斜光栅，四脊柱粘连情况下的零级反射率总是小于双脊柱粘连的情况。这是因为光栅周期超出亚波长的范围，产生了更多衍射级次。

图5　　　　多脊柱粘连时纳米光栅反射效率随入射光波长的变化示意图

当纳米光栅脊柱刚开始发生粘连时，对偏振的敏感程度降低，敏感波长消失，脊柱发生大规模粘连时，出现更多的衍射级次，反射光亮度变暗。

2.2.3脊柱倒伏堆叠失效分析

把纳米光栅脊柱发生倒伏堆叠视为倾斜角度较大时的情况，光栅的面型更接近于锯齿形的线槽断面，也就是类似于闪耀光栅的结构。在这样形成的类似闪耀光栅中，光滑的平面是引起衍射作用的槽面。尤其是对于脊柱高度远大于脊柱宽度的大高宽比结构，在发生倒伏堆叠的区域一般较大，会产生类似“多米诺骨牌效应”的连环坍塌现象。

对于大高宽比结构而言，纳米光栅发生倒伏堆叠时周期明显增大，光栅的等效脊椎高度明显减小，模拟结果如图6所示。由图6可以看出，当纳米光栅发生倒伏堆叠时，结构的反射率明显减小，与多脊柱粘连的失效形式类似，结构发生了多级衍射，反射光的亮度变暗。与正常光栅相比，光栅发生倒伏堆叠时对偏振光反射率的影响程度最大，衍射级次的产生使零级光的反射率大大降低。

图6　　　　纳米光栅脊柱倒伏堆叠时反射效率随入射光波长的变化示意图

综上所述，纳米光栅脊柱倾斜对偏振的影响很大，TM模入射时反射率最小的波长向红光区域移动。当纳米光栅脊柱刚开始发生粘连时，结构的偏振特性减弱，脊柱发生大规模粘连时产生新的衍射级次，零级反射能量减小，反射光亮度变暗。纳米光栅发生倒伏堆叠时，对偏振几乎不再敏感，更多衍射级次的产生使结构的反射光亮度变暗。当反射光的亮度明显下降时，可以判断出光栅脊柱失效严重，光栅区域内发生了大规模的粘连或者倒伏堆叠现象。各种失效形式对光学特性的影响方式见表1。

表1　纳米光栅失效形式对光学特性的影响

3　结语

针对材料为光刻胶的纳米光栅结构脊柱倾斜、

粘连和倒伏堆叠等3种失效形式，利用严格耦合波理论数值，计算了失效结构对偏振光的反射率影响。纳米光栅发生结构失效时，光栅外形轮廓、周期和占空比等表面的形貌参数会发生改变，从而影响到纳米结构对偏振光反射率这一特性。计算结果表明，脊柱倾斜的纳米光栅对于偏振光反射率最小的波长发生红移；当有粘连时纳米光栅的对偏振光的敏感程度减弱同时产生衍射级次，倒伏堆叠的纳米光栅产生较强的衍射级次。利用偏振改变与失效形式的关系可以对纳米结构的具体失效形式做出判断，这对于实现微纳结构的无损监测有一定的推动意义。

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*国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB825804)

责任编辑马彤

Optical Characteristic Analysis of the Failure Phenomena of Photoresist Nanostructure

BAI Yang1,2， ZHANG Xiaobo2， XIONG Ying2， LIU Gang2， TIAN Yangchao2

(1.Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2.National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)

Photoresist nanostructure owns unique optical property, and the structural parameters directly affect the optical property. Structural failure occurrs in nano-grating with material in photoresist, such as spine tilt, collapse and adhesion, and its influence on the reflectivity of polarized light is researched. Through the modeling of three kinds of structural failure phenomena, the influence of various failure structures on the reflectivity of polarized light is calculated rigorous coupled wave theory. The results show that when nano-grating is tilted, the minimum wavelength to reflectivity of polarized light is shifted to red. When adhesion, the sensitivity of polarized light decreases and the diffraction orders are produced. Collapsed nano-gratings produce strong diffraction orders. The failure mode of nanostructures can be judged according to the relationship between polarization change and failure mode. It is significant to realize the nondestructive monitoring of micro-nanostructures.

micro/nano-fabrication process, structural failure, rigorous coupled wave analysis, polarization

TH 74

A

柏杨(1992-)，男，硕士研究生，主要从事微纳加工技术等方面的研究。

田扬超

2016-05-31