專利名稱：一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高深寬 比周期性納米結(jié)構(gòu)的制作方法，尤其涉及一種利用干涉光 刻和三層膠技術(shù)制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
亞波長周期性納米結(jié)構(gòu)由于其特殊的光學(xué)性質(zhì)和物理效應(yīng)受到人們的廣泛關(guān)注。 例如，基于半導(dǎo)體能帶理論的光子晶體可以通過引入缺陷來對光波進(jìn)行操控，使“集成光 路”的實(shí)現(xiàn)成為一種可能；基于表面等離子激元(surface ρlasmon polaritions, SPPs)效 應(yīng)的人工材料可以通過調(diào)制光場的幅度和相位分布實(shí)現(xiàn)光的負(fù)折射，在超分辨成像、SPPs 納米光刻等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。制作光子晶體和可見光波段的人工材料均需要加工出亞波長周期性納米結(jié)構(gòu)，圖 形線寬一般為10 IOOnm范圍。傳統(tǒng)的光刻技術(shù)受光刻波長的限制無法制作亞微米尺度 的結(jié)構(gòu)圖形，而目前IOOnm及以下線寬的加工手段，如電子束或聚焦離子束直寫技術(shù)，因?yàn)?采用逐點(diǎn)掃描的工作方式，其工作效率極低，難以加工大面積圖形。干涉光刻由于具有長焦深、高效率、大面積等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于周期性微納結(jié)構(gòu)的 加工與制作。然而，當(dāng)利用干涉光刻制作IOOnm甚至以下線寬的納米結(jié)構(gòu)時，所用光刻膠的 厚度也必須降至IOOnm左右。這是因?yàn)樵谝话闱闆r下，光刻膠的厚度越薄，其分辨率才能越 高；但值得注意的是，光刻膠的厚度越薄，其抗刻蝕性能也越差。因此，IOOnm厚的光刻膠無 法提供足夠的抗刻蝕層以滿足后期圖形刻蝕轉(zhuǎn)移的需求。三層膠技術(shù)是一種表層成像技術(shù) (Top-Surface Imaging, TSI)，它可在圖形表面輪廓不變的情況下，通過兩次不同氣體的反 應(yīng)離子刻蝕有效提高圖形深度，實(shí)現(xiàn)高深寬比納米圖形的制作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有IOOnm及以下線寬納米加工的限制之處， 提出一種干涉光刻結(jié)合三層膠技術(shù)制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu) 的方法，包括以下步驟(1)選擇拋光基片，將其利用丙酮超聲清洗干凈，用旋涂的方法在其表面涂上一層 厚度> 300nm的聚合物薄膜，并置于熱板或烘箱中進(jìn)行前烘；(2)利用磁控濺射的方法在聚合物薄膜表面沉積一層厚度為20nm-30nm的含硅薄 膜；(3)用旋涂的方法在含硅薄膜表面涂上一層高分辨率光刻膠，并置于熱板或烘箱 中進(jìn)行前烘；(4)利用激光干涉光刻對表層高分辨率光刻膠進(jìn)行曝光顯影，根據(jù)掃描電子顯微 鏡的檢測結(jié)果，包括線條周期、線條寬度、線條邊緣粗糙度以及線條陡直度等指標(biāo)，調(diào)節(jié)并 優(yōu)化入射光的入射角、曝光時間和顯影時間，獲得IOOnm及以下線寬的周期性線條，并將曝光顯影后的樣片置于熱板或烘箱中對表層的光刻膠圖形進(jìn)行堅膜；(5)利用反應(yīng)離子刻蝕，選擇氟基氣體為刻蝕氣體，調(diào)節(jié)刻蝕功率、氣體流量以及 刻蝕時間等參數(shù)，將表層光刻膠圖形傳遞至含硅薄膜；(6)利用反應(yīng)離子刻蝕，選用氧氣為刻蝕氣體，以刻有圖形的含硅薄膜為硬掩模 層，調(diào)節(jié)刻蝕功率、腔體氣壓、氣體流量以及刻蝕時間等參數(shù)，將含硅薄膜的圖形傳遞至底 層較厚的聚合物薄膜，從而獲得高深寬比圖形。所述步驟(1)中的聚合物薄膜可以為PMMA、抗反射涂層或失去感光特性的光刻 膠。所述步驟(2)中的含硅薄膜的材料可以是SiO2或Si。所述步驟(3)中的高分辨率光刻膠的厚度應(yīng)該比含硅薄膜的厚度大，可以為 50nm-100nmo所述步驟(4)中激光的波長范圍可以是193nm 363nm。所述步驟(4)中入射光的入射角范圍是50° 65°。所述步驟(4)中的曝光時間范圍是IOs 30s。所述步驟(4)中的顯影時間范圍是20s 60s。所述步驟(5)中的氟基氣體可以為SF6、CHF3或CF4。所述步驟(5)中將表層光刻膠圖形傳遞至含硅薄膜時，沒受光刻膠保護(hù)部分的含 硅薄膜必須刻蝕完全，不留底膜。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用紫外或深紫外激光干涉光刻， 通過三層膠刻蝕技術(shù)，有效提高IOOnm及以下線寬光刻膠圖形的深度、陡度和深寬比，滿足 后序刻蝕工藝中對光刻膠抗蝕性能的要求；本發(fā)明的三層膠技術(shù)中，底層膠一般較厚，對 來自基底反射回來的光具有較強(qiáng)的吸收作用，類似于一層抗反射涂層(Anti-reflective coating, ARC)，可有效減小駐波效應(yīng)對光刻質(zhì)量的影響；本發(fā)明具有低成本、高效率、大面 積和高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，特別適合周期性納米結(jié)構(gòu)的制作，在光子晶體和表面等離子體光學(xué)的 研究中有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明第一步的制作示意圖；圖2是本發(fā)明第二步的制作示意圖；圖3是本發(fā)明第三步的制作示意圖；圖4是本發(fā)明第四步的制作示意圖；圖5是本發(fā)明第五步的制作示意圖；圖6是本發(fā)明第六步的制作示意圖。圖中1為表面拋光的基底；2為旋轉(zhuǎn)涂覆的一層聚合物；3為濺射沉積的一層含 硅薄膜；4為高分辨率光刻膠。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā) 明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實(shí)施例對本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。 實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明第一步的制作示意圖；首先選擇一塊硅基片，并將其表面拋 光，然后在拋光的硅基片表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚度為500nm的光刻膠，并置于烘箱中以140°C 高溫烘烤使其失去感光性能；如圖2所示，本發(fā)明第二步的制作示意圖；利用磁控濺射的方法在聚合物薄膜2表 面沉積一層厚度為30nm的SiO2薄膜；如圖3所示，本發(fā)明第三步的制作示意圖；用旋涂的方法在SiO2薄膜表面涂上一 層厚度為IOOnm高分辨率光刻膠；如圖4所示，本發(fā)明第四步的制作示意圖；利用波長為363nm的氬離子激光干涉光 刻對表層高分辨率光刻膠進(jìn)行曝光顯影，曝光時入射光的入射角為65°，曝光時間為30s， 顯影時間為20s，獲得線寬為IOOnm的周期性線條；如圖5所示，本發(fā)明第五步的制作示意圖，利用反應(yīng)離子刻蝕，選擇CHF3為刻蝕 氣體，將表層光刻膠圖形傳遞至SiO2薄膜，刻蝕完成后，帶有圖形的SiO2薄膜的厚度仍為 30nm，其上的圖形深度也為30nm ；如圖6所示，本發(fā)明第六步的制作示意圖，利用反應(yīng)離子刻蝕，選用氧氣為刻蝕氣 體，以刻有圖形的SiO2薄膜為硬掩模層，將SiO2薄膜上的圖形傳遞至底層光刻膠上，從而線 寬為lOOnm，深度為500nm的高陡度圖形。實(shí)施例2如圖1所示，本發(fā)明第一步的制作示意圖；首先選擇一塊硅基片，并將其表面拋 光，然后在拋光的硅基片表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚度為400nm的PMMA ；如圖2所示，本發(fā)明第二步的制作示意圖；利用磁控濺射的方法在聚合物薄膜2表 面沉積一層厚度為25nm的Si薄膜；如圖3所示，本發(fā)明第三步的制作示意圖；用旋涂的方法在Si薄膜表面涂上一層 厚度為SOnm高分辨率光刻膠；如圖4所示，本發(fā)明第四步的制作示意圖；利用經(jīng)過倍頻后波長為248nm的氬離子 激光干涉光刻對表層高分辨率光刻膠進(jìn)行曝光顯影，曝光時入射光的入射角為50°，曝光 時間為20s，顯影時間為40s，獲得線寬為SOnm的周期性線條；如圖5所示，本發(fā)明第五步的制作示意圖，利用反應(yīng)離子刻蝕，選擇SF6為刻蝕氣 體，將表層光刻膠圖形傳遞至Si薄膜，刻蝕完成后，帶有圖形的Si薄膜的厚度仍為25nm，其 上的圖形深度也為25nm;如圖6所示，本發(fā)明第六步的制作示意圖，利用反應(yīng)離子刻蝕，選用氧氣為刻蝕氣 體，以刻有圖形的Si薄膜為硬掩模層，將Si薄膜上的圖形傳遞至底層憑密碼PMMA上，從而 線寬為80nm，深度為400nm的高陡度圖形。實(shí)施例3如圖1所示，本發(fā)明第一步的制作示意圖；首先選擇一塊硅基片，并將其表面拋 光，然后在拋光的硅基片表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚度為300nm的抗反射涂層ARC ；如圖2所示，本發(fā)明第二步的制作示意圖；利用磁控濺射的方法在聚合物薄膜2表 面沉積一層厚度為20nm的SiO2薄膜；
如圖3 所示，本發(fā)明第三步的制作示意圖；用旋涂的方法在SiO2薄膜表面涂上一 層厚度為50nm高分辨率光刻膠；如圖4所示，本發(fā)明第四步的制作示意圖；利用波長為193nm的氟化氬準(zhǔn)分子激光 干涉光刻對表層高分辨率光刻膠進(jìn)行曝光顯影，曝光時入射光的入射角為60°，曝光時間 為10s，顯影時間為60s，獲得線寬為55nm的周期性線條；如圖5所示，本發(fā)明第五步的制作示意圖，利用反應(yīng)離子刻蝕，選擇SF6為刻蝕 氣體，將表層光刻膠圖形傳遞至SiO2薄膜，刻蝕完成后，帶有圖形的SiO2薄膜的厚度仍為 20nm，其上的圖形深度也為20nm ；如圖6所示，本發(fā)明第六步的制作示意圖，利用反應(yīng)離子刻蝕，選用氧氣為刻蝕氣 體，以刻有圖形的Si薄膜為硬掩模層，將Si薄膜上的圖形傳遞至底層憑密碼PMMA上，從而 線寬為60nm，深度為300nm的高陡度圖形。
權(quán)利要求
1.一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于包括以下步驟(1)選擇拋光基片，將拋光基片利用丙酮超聲清洗干凈，采用旋涂的方法在拋光基片表 面涂上一層厚度> 300nm的聚合物薄膜，并置于熱板或烘箱中進(jìn)行前烘；(2)利用磁控濺射的方法在聚合物薄膜表面沉積一層厚度為20nm-30nm的含硅薄膜；(3)采用旋涂的方法在含硅薄膜表面涂上一層光刻膠，并置于熱板或烘箱中進(jìn)行前-Ht ./V、 (4)利用激光干涉光刻對表層高分辨率光刻膠進(jìn)行曝光顯影，根據(jù)掃描電子顯微鏡的 檢測結(jié)果，包括線條周期、線條寬度、線條邊緣粗糙度以及線條陡直度指標(biāo)，調(diào)節(jié)并優(yōu)化入 射光的入射角、曝光時間和顯影時間，獲得IOOnm及以下線寬的周期性線條，并將曝光顯影 后的樣片置于熱板或烘箱中對表層的光刻膠圖形進(jìn)行堅膜；(5)利用反應(yīng)離子刻蝕，選擇氟基氣體為刻蝕氣體，調(diào)節(jié)刻蝕功率、氣體流量以及刻蝕 時間等參數(shù)，將表層光刻膠圖形傳遞至含硅薄膜；(6)利用反應(yīng)離子刻蝕，選用氧氣為刻蝕氣體，以刻有圖形的含硅薄膜為硬掩模層，調(diào) 節(jié)刻蝕功率、腔體氣壓、氣體流量以及刻蝕時間等參數(shù)，將含硅薄膜的圖形傳遞至底層較厚 的聚合物薄膜，從而獲得高深寬比圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(1)中的聚合物薄膜為PMMA、抗反射涂層或失去感光特性的光刻膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(2)中的含硅薄膜的材料可以是SiO2或Si。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(3)中光刻膠的厚度大于含硅薄膜的厚度，為50nm lOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(4)中激光的波長范圍是193nm 363nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(4)中入射光的入射角范圍是50° 65°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(4)中的曝光時間范圍是IOs 30s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(4)中的顯影時間范圍是20s 60s。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(5)中的氟基氣體為SF6、CHF3或CF4。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所 述步驟(5)中將表層光刻膠圖形傳遞至含硅薄膜時，沒受光刻膠保護(hù)部分的含硅薄膜必須 刻蝕完全，不留底膜。
全文摘要
一種制作高深寬比周期性納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于選擇拋光基片，用旋涂的方法在其表面涂上一層厚度≥300nm的光刻膠；采用磁控濺射的方法在光刻膠表面沉積一層厚度為20nm的SiO2薄膜；用旋涂的方法在SiO2薄膜表面涂上一層厚度為50nm-100nm的高分辨率光刻膠；利用激光干涉光刻對表層高分辨率光刻膠進(jìn)行曝光顯影；將三層膠結(jié)構(gòu)置于熱板或烘箱中進(jìn)行堅膜；選擇氟基氣體，利用反應(yīng)離子刻蝕將表層光刻膠圖形傳遞至SiO2層；再選用氧氣，以SiO2層為硬掩模層，利用反應(yīng)離子刻蝕將SiO2層的圖形傳遞至底層光刻膠，即可獲得高分辨率、高深寬比光刻膠圖形。本發(fā)明成本低廉、加工圖形區(qū)域面積大，在亞波長光柵和光子晶體的制作及應(yīng)用研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B82Y40/00GK102096317SQ20101061779
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者馮沁, 劉玲, 方亮, 楊歡, 王長濤, 羅先剛, 賴之安 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所