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电子束重复增量扫描产生三维结构的关键技术研究
中文名称: 电子束重复增量扫描产生三维结构的关键技术研究
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论文编号: 3767253收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Study on Key Technologies of 3D Microfabrication by Overlapped Increment Scanning Manner of Electron Beam
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 控制理论与控制工程
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 电子束曝光 重复增量扫描 辐射降解 PCR微流控芯片 软刻蚀 集成电路 电子束曝光系统
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论文简介:系统的微小型化始终是当代科技发展的重要方向。微机电系统是在此趋势的推动下发展起来的,具有广泛应用前景的涉及多学科的新兴技术领域,微加工技术是实现微机电系统的关键技术。随着微机电系统的深入研究和快速发展,需要能够精确地产生复杂曲面和各种形状的三维微结构的加工技术与之相适应。当前用于三维微结构加工的技术主要有体硅微加工技术、LIGA(Lithographie、Galvanoformung andAbformung)技术和IH(Integrated Harden Polymer Stereo Lithography)三维光刻技术等。体硅微加工技术和LIGA技术能够制作高精度、高深宽比的陡直微细结构,但其缺点是难于加工各种微曲面和结构较为复杂的器件;IH三维光刻技术从理论上能加工出任意曲面和高深宽比的复杂结构,但因其工艺中x、y向的扫描是靠X/Y工作台的机械移动来完成的,加工精度较低,分辨率目前仅为亚微米级。目前这些微三维加工技术都不能很好地适应今后微机电系统的高速发展,因此需要寻求更好的加工手段。 电子束曝光技术是公认的最好的高分辨率图形制作技术,目前主要用于二维精密集成电路掩膜制作。由于电子束理论上可以聚成十几个埃的束斑,易于控制,且其在超大规模集成电路掩膜制造中所起的重要作用到目前为止仍无法用其他方法替代。在实验室条件下,已能将电子束聚焦成尺寸小于2nm的束斑,实现了纳米级曝光。 由于辐射剂量不同,可以得到不同深度的抗蚀剂图形。因此,传统的电子束三维加工多是通过改变剂量来实现,但通用电子束曝光系统在曝光过程中剂量无法改变,因此难于直接进行微三维结构的加工。基于自行研制的DSP控制的新型图形发生器,山东大学电子束研究所提出了一种使用通用电子束曝光系统进行微三维加工的新方法——电子束重复增量扫描曝光方法。该扫描方法无需改变曝光剂量,通过改变扫描次数即图形的设计参数来改变曝光总剂量,提高了曝光效率,弥补了通用电子束曝光系统无法改变剂量的缺陷,为通用电子束曝光系统生成三维结构提供了新的方法。该方法可以直接在基片上产生高精度的垂直、曲面、微尖等三维结构,属于电子束直写技术(Electron Beam Direct Writing,EBDW)。新方法的提出,首先需要对其可行性进行研究;再者,为了使新方法能够满足微系统更高精度以及复杂器件结构加工的要求,需要对曝光参数选定、曝光图形设计及数据处理、新方法的应用范围推广等多方面进行深入的研究。本论文主要围绕着电子束重复增量扫描方式的曝光反应机理,电子束能量、剂量对刻蚀深度的影响,曝光图形数据处理,新方法应用前景等关键问题开展深入细致地研究,具体研究工作及创新点概括如下: 1.从高分子辐射化学角度对电子束重复增量扫描曝光方法作用于正性抗蚀剂PMMA的实际反应机理进行了深入地研究,并根据Charlesby-Pinner理论推导出辐射剂量与辐射降解程度、降解产物平均分子量间的关系,即辐射剂量越大,辐射降解程度越大,降解后的产物的平均分子量越小,则溶解度越大;反之,辐射剂量越小,辐射降解程度越小,降解后的产物的平均分子量越大,则溶解度越小。通过曝光实验进行了验证,从理论和实验上证明了电子束重复增量扫描曝光方法产生三维结构的可行性。 2.采用Monte Carlo模拟和Grun公式两种方法对电子束能量与刻蚀深度间的关系进行深入地研究。研究结果表明:电子束能量越大,在抗蚀剂内的刻蚀深度就越深;电子束能量越大,电子横向作用范围也越大,但抗蚀剂吸收能量密度分布曲线越陡峭,因此,增加入射束能可以减弱邻近效应,有利于提高曝光分辨率。以理论分析结果为参考依据,在SDS-II型电子束曝光机中对抗蚀剂PMMA进行曝光实验,得到的实验结果与理论分析结果基本一致,证明了理论分析方法的正确,对电子束微三维曝光实验加速电压的选取起到了重要的指导作用。 3.采用Monte Carlo模拟和解析法两种方法对电子束曝光剂量与刻蚀深度间的关系进行深入地研究。研究结论为:电子束曝光剂量越大,刻蚀深度越深;曝光剂量越小,刻蚀深度越浅。以PMMA和TMPTA为抗蚀剂在SDS-II型电子束曝光机中进行曝光实验,得到的实验结果与理论分析结果基本一致,验证了该结论的正确性。对液态抗蚀剂TMPTA的分析结果表明上述结论也适用于电子束液态曝光技术。通过Monte Carlo模拟结果,还发现电子的横向扩散范围随曝光剂量的增加而扩大,这会导致各曝光图形之间相互影响,加剧邻近效应,影响曝光图形线宽精度。在电子束微三维曝光实验中,可以根据曝光图形的尺寸及精度要求,以剂量与刻蚀深度间的关系的理论分析结论为指导,合理地选择曝光剂量。 4.利用反差经验公式精确地确定电子束曝光剂量与刻蚀深度间的关系,克服了实验方法的繁琐性。通过Monte Carlo模拟得到吸收能量密度来计算反差的方法,也同样避免了大量的实验任务。将计算结果通过曲线拟合得到关系曲线,与实验结果基本一致,验证了该方法的可行性。在给定曝光图形深度的情况下,可根据该关系来精确选择曝光剂量,节省实验时间,提高曝光效率。 5.引入微流体力学理论对PCR微流控芯片微通道的结构进行优化设计。以往的文献资料中研究的微通道截面以矩形居多,且目前的加工方法得到的微通道绝大多数都为矩形截面。通过比较横截面积相同的微圆形通道与微矩形通道可知,流体在微圆通道中流动时,由摩擦引起的等效水头损失及表面张力均小于微矩形通道,因此,为了克服这些压力并保证流体在微通道中以一定的速度流动,微圆通道所需的驱动力就会比微矩形通道的要小。 6.提出了利用电子束重复增量扫描曝光方式制作。PCR微流控芯片微圆通道的新方法。利用电子束重复增量扫描曝光方法可以进行曲面加工的优势,来制作PCR芯片微圆通道。在圆束矢量扫描电子束曝光机JSM-35CF上进行曝光实验,显影后得到边缘光滑的微通道。 7.进行了利用电子束重复增量扫描曝光方法制作软刻蚀技术用微三维母版的实验研究。弹性印章是软刻蚀技术的核心,要制作弹性印章就需要有相应的母版。通过对曝光量的计算、工艺过程探讨、曝光实验结果等方面的分析研究,证明了用该方法加工微三维母版的可行性。 8.进行了电子束重复增量扫描曝光方式与软刻蚀技术相结合加工微三维器件方法的研究。充分利用电子束重复增量扫描曝光方式与软刻蚀技术的优势,将二者结合起来,有望成为适应微机电系统发展的一种简单、有效、低成本的新微三维加工方法。
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