專利名稱：一種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米加工技術領域，涉及一種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表
面等離子體成像光刻的三層膠結(jié)構(gòu)基片及制備方法、用于高深寬比納米圖形加工的反射式 表面等離子體成像光刻的納米圖形掩模和反射式表面等離子體成像光刻方法。
背景技術：
為滿足集成電路對更小線寬的不斷追求，各種新型的納米加工技術被不斷的探 索與研究。相比商業(yè)光刻設備(如193nm浸沒光刻設備)，表面等離子體超分辨成像光刻 具有高分辨率(可達50nm以下)、低成本、高效率等優(yōu)點，因而受到科研人員的廣泛關注 (N. Fang， H丄ee， C. Sun and X. Zhang， "Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens，"Science 308，534-537(2005) ;D. 0. S. Melville and R. J. Blaikie， "Super-resolution imaging through a planar silver layer, ，， Opt. Express13， 2127-2134(2005))。 雖然表面等離子體超分辨成像光刻分辨力高，但存在嚴重技術缺陷，主要問題體 現(xiàn)在光刻膠圖形深度淺、對比度低，因此其圖形加工質(zhì)量無法滿足一般性應用需求。其原因 在于超分辨成像的物理機制來源于金屬薄膜激發(fā)的表面等離子體對攜帶納米圖形結(jié)構(gòu)信 息的倏逝光波的操縱，該倏逝波在光刻膠中呈指數(shù)衰減規(guī)律，曝光圖形在光刻膠中有效作 用距離只有10nm 50nm，因此光刻得到的光刻膠圖形深度淺、對比度差。目前公開報道的 表面等離子體成像光刻、表面等離子體干涉光刻技術，都未能解決該問題，得到的光刻膠圖 形深度和對比度差，難以將表面等離子體光刻技術應用于實際需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有表面等離子體成像光刻技術中存在光刻膠
圖形深度淺、圖形對比度小、圖形深寬比差的問題，提供一種用于高深寬比納米圖形加工的
反射式表面等離子體成像光刻的三層膠結(jié)構(gòu)基片及制備方法、用于高深寬比納米圖形加工
的反射式表面等離子體成像光刻的納米圖形掩模和反射式表面等離子體成像光刻方法。 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種用于高深寬比納米圖形加工的
反射式表面等離子體成像光刻的三層膠結(jié)構(gòu)基片，其特點在于在石英、硅或鍺基片表面
依次加工不具備紫外感光特性的光刻膠膜層、金屬銀膜層、具備紫外感光特性的光刻膠膜
層。與傳統(tǒng)透射式表面等離子體成像結(jié)構(gòu)不同，用于感光的光刻膠不是在金屬銀膜下方，而
是在金屬銀膜之上，利用金屬銀膜對攜帶亞波長尺度掩模圖形信息的倏逝波的反射成像模
式，實現(xiàn)圖形信息在掩模與金屬銀膜之間的光刻膠空間超分辨成像。由于倏逝波在銀膜與
掩模之間的來回反射形成了駐波，大大增加了成像空間在垂直于銀膜方向上的尺度，而且
對比度大大提高。
制備上述的三層膠結(jié)構(gòu)基片的方法，步驟如下
(1)在石英、硅或鍺基片表面旋涂加工厚度為100nm 500nm的光刻膠膜層，命名 該光刻膠膜層為底層光刻膠膜層； (2)將加工有底層光刻膠的基片放置在烘箱中，溫度120度 150度，烘焙2 3 小時，使底層底層光刻膠喪失紫外感光特性； (3)以濺射方法，在步驟(2)的底層底層光刻膠表面加工厚度為30nm lOOnm的 金屬銀膜層； (4)在金屬銀膜層表面旋涂覆厚度20nm 50nm的對紫外感光的光刻膠膜層，命名 該光刻膠膜層為表層光刻膠膜層，并在烘箱中烘焙30 60分鐘，烘焙溫度90 110度。
所述步驟(1)和步驟(4)中的旋涂速度均是3000 5000轉(zhuǎn)/秒。
—種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻的納米圖形掩 模，其特點在于以厚度0. 3mm 1mm的石英玻璃為基底，其上加工有厚度20nm 70nm金 屬膜，金屬膜上加工的線寬為20nm 500nm的圖形，圖形深度大于或等于金屬膜厚度。
—種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻方法，步驟如 下 (1)制備用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻的納米圖形 掩模，制備方法為以厚度0. 3mm 1mm的石英玻璃為基底，其上加工有厚度20nm 70nm 金屬膜，金屬膜上加工的線寬為20nm 500nm的圖形，圖形深度大于或等于金屬膜厚度；金 屬膜層材料為鉻、鎢或鎳； (2)將步驟(1)制備的反射式表面等離子體成像光刻的納米圖形掩模和前述的三 層膠結(jié)構(gòu)基片的表層光刻膠接觸，以汞燈發(fā)出的波長365nm的i線紫外光對反射式表面等 離子體成像光刻的納米圖形掩模曝光，曝光時間為5 20秒，使得所述掩模上的鉻膜圖形 以潛像的形式傳遞到三層膠結(jié)構(gòu)基片的表層光刻膠上； (3)以顯影劑對表層光刻膠顯影，得到表層光刻膠圖形，其中圖形凹陷部分的深度 應當?shù)扔诒韺庸饪棠z膜層厚度，然后放置在烘箱中，溫度90 110度，烘焙20 40分鐘；
(4)利用反應離子刻蝕設備，刻蝕氣體為SF6或者CHF3，以表層光刻膠為遮蔽層， 對基片上圖形區(qū)裸露出的金屬銀膜層刻蝕，將表層光刻膠圖形傳遞到金屬銀膜層，其中金 屬銀膜層中圖形凹陷的深度應當大于或者等于金屬銀膜層厚度； (5)利用反應離子刻蝕設備，刻蝕氣體為氧氣，以金屬銀膜層為遮蔽層，對基片上 圖形區(qū)裸露出的底層光刻膠膜層刻蝕，將金屬銀膜層圖形傳遞到底層光刻膠上，同時刻蝕 掉殘余的表層光刻膠； (6)利用去鉻液清除基片表面的殘余金屬銀膜。 本發(fā)明與現(xiàn)有表面等離子體成像光刻技術相比具有以下優(yōu)點 (1)本發(fā)明解決了傳統(tǒng)表面等離子體光刻技術中光刻圖形分辨力高，但無法得到
深度大的光刻膠圖形，圖形質(zhì)量對比度差、深寬比差的技術問題，采用光刻膠_銀膜_光刻
膠的三層膜層結(jié)構(gòu)基片，納米掩模圖形面與基片表層光刻膠接觸曝光，表層光刻膠曝光顯
影后，通過兩步刻蝕，最終利用氧氣對光刻膠和銀膜層的高選擇性刻蝕速度比，將納米圖形
傳遞到深度大的底層光刻膠上，實現(xiàn)了線寬20nm 500nm，光刻膠深度在100nm 500nm的
高對比度光刻膠圖形。 (2)本發(fā)明的三層膜層結(jié)構(gòu)基片中，金屬銀膜功能是通過紫外照明光，將鉻膜上的線寬尺度在20nm 500nm的圖形以反射成像的模式成像到銀膜與鉻膜之間的光刻膠上，實 現(xiàn)納米圖形成像光刻。由于銀膜對攜帶納米掩模圖形信息的倏逝波增強作用，納米圖形可 以在銀膜與掩模上金屬圖形膜層之間的光刻膠層成像。同時由于掩模的金屬圖形層與金屬 銀膜之間形成波導結(jié)構(gòu)光波模式，其成像光刻對比度也可以得到明顯提高。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖； 圖2為各實施例步驟1，2，3，4完成后的三層膠基片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為各實施例步驟5、6中采用納米圖形掩模與三層膜層結(jié)構(gòu)基片接觸曝光的結(jié)
構(gòu)示意圖； 圖4為各實施例步驟7對曝光后的表層膠顯影和烘焙后的光刻膠圖形結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖5為各實施例步驟8利用SF6或CHF3氣體反應離子束刻蝕銀膜，圖形轉(zhuǎn)移至銀 膜后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為各實施例步驟9利用氧氣反應離子束刻蝕底層光刻膠，銀膜上的圖形轉(zhuǎn)移 至底層光刻膠層后的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7為各實施例步驟10中采用去鉻液去除金屬銀后的光刻膠圖形的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1為三層光刻膠結(jié)構(gòu)的基底，2為三層光刻膠結(jié)構(gòu)中的底層光刻膠膜層，3為 三層光刻膠結(jié)構(gòu)中的銀膜層，4為三層光刻膠結(jié)構(gòu)中的表層光刻膠，5為掩模上的金屬膜 層，6為掩模石英基底。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā) 明，本發(fā)明的保護范圍應包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例本領域技術人員 即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。
實施例1 本發(fā)明的一個典型實施例，是在石英基底上制作線寬為200nm、周期為400nm的周 期線條結(jié)構(gòu)，深度達到300nm的納米光刻膠圖形，曝光波長為365nm。
該圖形的制作步驟如圖1所示，具體實現(xiàn)如下 (1)將光刻膠AR3120以3000轉(zhuǎn)/秒速度旋涂在石英基片表面，光刻膠薄膜厚度為 400nm ; (2)基片重新放置在烘箱中，烘焙2小時，溫度130度，使基片的光刻膠喪失紫外感 光特性； (3)利用磁控濺射鍍膜設備，在光刻膠表面濺射一層金屬銀膜層，厚度50nm ;
(4)將光刻膠AR3170以4000轉(zhuǎn)/秒的速度旋涂在金屬銀膜層表面，得到表層光 刻膠，厚度40nm，放置在烘箱中，烘焙40分鐘，溫度100度，形成三層膠結(jié)構(gòu)基片，如圖2所 示。 (5)制備表面等離子體成像光刻圖形掩模，具體步驟包括，在厚度0. 5mm的石英基 片上濺射50nm厚度的鉻膜，利用聚焦粒子束設備在鉻膜上加工線寬200nm，周期400nm的周
6期線條結(jié)構(gòu)圖形。 (6)利用加工有線寬200nm，周期400nm的線條圖形的表面等離子體成像納米光刻 圖形掩模，金屬銀膜層與三層膠結(jié)構(gòu)基片上的表層光刻膠接觸，利用汞燈光源發(fā)出的i線 紫外光對掩模曝光，曝光時間10秒；如圖3所示。 (7)利用顯影劑對曝光后的表層光刻膠顯影，得到表層光刻膠上的線寬200nm，周 期400nm，圖形深度40nm的光刻膠圖形，放置在烘箱中，溫度100度，烘焙20分鐘，如圖4所 示； (8)利用反應離子刻蝕設備，SF4為刻蝕氣體，表層光刻膠為遮蔽層，刻蝕金屬銀 膜層，將周期400nm的線條圖形傳遞到金屬銀膜層，該層的圖形深度為50nm，如圖5所示；
(9)利用反應離子刻蝕設備，氧氣為刻蝕氣體，金屬銀膜層為遮蔽層，刻蝕底層光 刻膠，將周期400nm的線條圖形傳遞到底層光刻膠，最終得到圖形深度為400nm，如圖6所 示； (10)采用去鉻液，清除基片表面殘留的金屬銀膜，如圖7所示。
實施例2 本發(fā)明的一個典型實施例，是在硅基底上制作線寬為20nm、周期為40nm的周期線 條結(jié)構(gòu)，深度達到100nm的納米光刻膠圖形，曝光波長為365nm。
該圖形的制作步驟如圖1所示，具體實現(xiàn)如下 (1)光刻膠AR3120以5000轉(zhuǎn)/秒速度旋涂在硅基片表面，光刻膠薄膜厚度為 100nm ; (2)基片重新放置在烘箱中，烘焙2小時，溫度120度，使基片的光刻膠喪失紫外感 光特性； (3)利用磁控濺射鍍膜設備，在光刻膠表面濺射一層金屬銀膜層，厚度30nm ;
(4)將光刻膠AR3170以5000轉(zhuǎn)/秒的速度旋涂在金屬銀膜層表面，得到表層光 刻膠，厚度20nm，放置在烘箱中，烘焙30分鐘，溫度100度，形成三層膠結(jié)構(gòu)基片，如圖2所 示。 (5)制備表面等離子體成像光刻圖形掩模，具體步驟包括，在厚度0. 3mm的石英基 片上濺射20nm厚度的鎢膜，利用電子束直寫方法在鉻膜上加工線寬20nm，周期40nm的周期 線條結(jié)構(gòu)圖形。 (6)利用加工有線寬20nm，周期40nm的線條圖形的表面等離子體成像納米光刻圖 形掩模，金屬銀膜層與三層膠結(jié)構(gòu)基片上的表層光刻膠接觸，利用汞燈光源發(fā)出的i線紫 外光對掩模曝光，曝光時間5秒；如圖3所示。 (7)利用顯影劑對曝光后的表層光刻膠顯影，得到表層光刻膠上的線寬20nm，周 期40nm，圖形深度40nm的光刻膠圖形，放置在烘箱中，溫度90度，烘焙20分鐘，如圖4所 示； (8)利用反應離子刻蝕設備，CHF3為刻蝕氣體，表層光刻膠為遮蔽層，刻蝕金屬銀 膜層，將周期40nm的線條圖形傳遞到金屬銀膜層，該層的圖形深度為30nm，如圖5所示；
(9)利用反應離子刻蝕設備，氧氣為刻蝕氣體，金屬銀膜層為遮蔽層，刻蝕底層光 刻膠，將周期40nm的線條圖形傳遞到底層光刻膠，最終得到光刻膠圖形深度為100nm，如圖 6所示；
(10)采用去鉻液，清除基片表面殘留的金屬銀膜，如圖7所示。
實施例3本發(fā)明的一個典型實施例，是在鍺基底上制作線寬為500nm、周期為1000nm的周 期線條結(jié)構(gòu)，深度達到500nm的納米光刻膠圖形，曝光波長為365nm。
該圖形的制作步驟如圖1所示，具體實現(xiàn)如下 (1)將光刻膠AR3120以3000轉(zhuǎn)/秒速度旋涂在鍺基片表面，光刻膠薄膜厚度為 500nm ; (2)基片重新放置在烘箱中，烘焙3小時，溫度150度，使基片的光刻膠喪失紫外感 光特性； (3)利用磁控濺射鍍膜設備，在光刻膠表面濺射一層金屬銀膜層，厚度100nm ;
(4)將光刻膠AR3170以3000轉(zhuǎn)/秒的速度旋涂在金屬銀膜層表面，得到表層光 刻膠，厚度50nm，放置在烘箱中，烘焙60分鐘，溫度110度，形成三層膠結(jié)構(gòu)基片，如圖2所 示。 (5)制備表面等離子體成像光刻圖形掩模，具體步驟包括，在厚度lmm石英基片上 濺射70nm厚度的鎳膜，利用聚焦粒子束設備在鉻膜上加工線寬500nm，周期1000nm的周期 線條結(jié)構(gòu)圖形。 (6)利用加工有線寬500nm，周期1000nm的線條圖形的表面等離子體成像納米光 刻圖形掩模，金屬銀膜層與三層膠結(jié)構(gòu)基片上的表層光刻膠接觸，利用汞燈光源發(fā)出的i 線紫外光對掩模曝光，曝光時間20秒；如圖3所示。 (7)利用顯影劑對曝光后的表層光刻膠顯影，得到表層光刻膠上的線寬500nm，周 期1000nm，圖形深度50nm的光刻膠圖形，放置在烘箱中，溫度100度，烘焙30分鐘，如圖4 所示； (8)利用反應離子刻蝕設備，SF6為刻蝕氣體，表層光刻膠為遮蔽層，刻蝕金屬銀 膜層，將周期1000nm的線條圖形傳遞到金屬銀膜層，該層的圖形深度為100nm，如圖5所 示； (9)利用反應離子刻蝕設備，氧氣為刻蝕氣體，金屬銀膜層為遮蔽層，刻蝕底層光 刻膠，將周期1000nm的線條圖形傳遞到底層光刻膠，最終得到光刻膠圖形深度為500nm，如 圖6所示； (10)采用去鉻液，清除基片表面殘留的金屬銀膜，如圖7所示。
權(quán)利要求
一種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻的三層膠結(jié)構(gòu)基片，其特征在于在石英、硅或鍺基片表面依次加工不具備紫外感光特性的光刻膠膜層、金屬銀膜層、具備紫外感光特性的光刻膠膜層，其中與基片表面相鄰的不具備紫外感光特性的光刻膠膜層厚度為100nm～500nm，中間層金屬銀膜層厚度為30nm～100nm，表層紫外感光光刻膠膜層厚度為20nm～50nm。
2. 制備權(quán)利要求1所述的三層膠結(jié)構(gòu)基片的方法，其特征在于步驟如下(1) 在石英、硅或鍺基片表面旋涂加工厚度為100nm 500nm的光刻膠膜層，命名該光 刻膠膜層為底層光刻膠膜層；(2) 將加工有光刻膠的基片放置在烘箱中，溫度120度 150度，烘焙2 3小時，使底 層光刻膠喪失紫外感光特性；(3) 以濺射方法，在步驟(2)的底層光刻膠表面加工厚度為30nm 100nm的金屬銀膜層；(4) 在金屬銀膜層表面旋涂覆厚度20nm 50nm的紫外感光的光刻膠膜層，命名該光刻 膠膜層為表層光刻膠膜層，并在烘箱中烘焙30 60分鐘，烘焙溫度90 110度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備權(quán)利要求1所述的制備三層膠結(jié)構(gòu)基片的方法，其特征 在于所述步驟(1)和步驟(4)中的旋涂速度均是3000 5000轉(zhuǎn)/秒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備權(quán)利要求1所述的制備三層膠結(jié)構(gòu)基片的方法，其特征 在于所述步驟(1)之前，清洗石英、硅或鍺基片，并在烘箱中烘焙30 60分鐘，烘焙溫度 90 110度。
5. —種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻的納米圖形掩模， 其特征在于以厚度0. 3mm lmm的石英玻璃為基底，其上加工有厚度20nm 70nm金屬 膜，金屬膜上加工的線寬為20nm 500nm的圖形，圖形深度大于或等于金屬膜厚度。
6. —種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻方法，其特征在于 步驟如下(1) 制備用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻的納米圖形掩 模，制備方法為以厚度0. 3mm lmm的石英玻璃為基底，其上加工有厚度20nm 70nm金 屬膜，金屬膜上加工的線寬為20nm 500nm的圖形，圖形深度大于或等于金屬膜厚度；(2) 將步驟(1)制備的反射式表面等離子體成像光刻的納米圖形掩模和權(quán)利要求1所 述的三層膠結(jié)構(gòu)基片的表層光刻膠接觸，以汞燈發(fā)出的波長365nm的i線紫外光對反射式 表面等離子體成像光刻的納米圖形掩模曝光，使得所述掩模上的鉻膜圖形以潛像的形式傳 遞到三層膠結(jié)構(gòu)基片的表層光刻膠上；(3) 以顯影劑對表層光刻膠顯影，得到表層光刻膠圖形，其中圖形凹陷部分的深度應當 等于表層光刻膠膜層厚度，然后放置在烘箱中，溫度90 110度，烘焙20 40分鐘；(4) 利用反應離子刻蝕設備，刻蝕氣體為SF6或者CHF3，以表層光刻膠為遮蔽層，對基 片上圖形區(qū)裸露出的金屬銀膜層刻蝕，將表層光刻膠圖形傳遞到金屬銀膜層，其中金屬銀 膜層中圖形凹陷的深度應當大于或者等于金屬銀膜層厚度；(5) 利用反應離子刻蝕設備，刻蝕氣體為氧氣，以金屬銀膜層為遮蔽層，對基片上圖形 區(qū)裸露出的底層光刻膠膜層刻蝕，將金屬銀膜層圖形傳遞到底層光刻膠上，同時刻蝕掉殘 余的表層光刻膠；(6)利用去鉻液清除基片表面的殘余金屬銀膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于高深寬比納米圖形加工的表面等離子體成像光刻方法， 其特征在于所述步驟(2)中的曝光時間為5 20秒。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于高深寬比納米圖形加工的表面等離子體成像光刻方法， 其特征在于所述步驟(1)中的金屬膜材料是鉻、鎢、或鎳。
全文摘要
一種用于高深寬比納米圖形加工的反射式表面等離子體成像光刻方法，是采用光刻膠-銀膜一光刻膠的三層膜層結(jié)構(gòu)基片，納米掩模圖形面與基片表層光刻膠接觸曝光。銀膜功能是通過紫外照明光，將鉻膜上的線寬尺度在20nm～500nm的圖形成像到基片表層光刻膠，實現(xiàn)納米圖形成像光刻。表層光刻膠曝光顯影后，通過兩步刻蝕，將圖形傳遞到金屬銀膜和底層光刻膠層，從而實現(xiàn)高深寬比的納米光刻膠圖形。
文檔編號G03F1/00GK101727007SQ200910243539
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者馮沁, 劉堯, 劉玲, 方亮, 潘麗, 王長濤, 羅先剛, 邢卉 申請人:中國科學院光電技術研究所