CN101441411A - 表面等离子体共振曝光光刻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电技术领域的表面等离子体共振曝光光刻方法，由不同金属材料图形或者同种金属材料不同厚度图形构成不透光掩模版，利用棱镜耦合激发某些图形对应的表面等离子体进行曝光光刻，步骤为：将棱镜、带有金属薄膜掩模版的基板和带有光刻胶的基片从上到下放置，准直激光入射到棱镜侧面进行曝光。入射光被折射到基板和金属薄膜掩模版的交界面，共振耦合成为和金属薄膜掩模版图形对应的表面等离子体光波，这些光波使光刻胶层曝光，显影得到光刻图形，利用此光刻图形做掩模，刻蚀和去胶，最后在基片上得到和金属薄膜掩模版对应的图形。本发明在干涉情况下能制备带缺陷的光子晶体微腔和波导；在非干涉情况下可以制备非周期的光波导器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电技术领域的曝光光刻方法，具体地说，涉及的是一种表面等离子体共振曝光光刻方法。
背景技术
利用通过透光图形掩模曝光将版图转移到光刻胶上的光刻技术，已十分普遍。由于光波的衍射作用，掩模图形的特征尺寸受到光刻光源波长的限制。为了获得更小特征尺寸的图形，就必须降低光源的等效波长。目前常用的降低等效波长的技术是在透镜和晶片之间加入高折射率的匹配液即浸入式光刻，利用该方法，在193nm的光源下，图形的特征尺寸可以降到45nm以下。但是浸入式光刻存在着设备造价极其昂贵、工艺复杂、需要高折射率的透镜、匹配液和光刻胶等问题。而利用表面等离子体共振曝光技术则可以将曝光光源转换为波长更短的表面等离子体波进行曝光。该技术对设备要求较低，一般只需高折射率的耦合棱镜或者亚微米周期结构的耦合光栅以及厚度为几十到几百纳米的金属镀膜。通过光栅耦合表面等离子体共振干涉曝光技术，在436nm入射光源下，制备特征尺寸为50nm、间隔为100nm的周期性图形，已经有文献报道。
经对现有技术的文献检索发现，目前的表面等离子体共振干涉曝光技术只能够制备一些简单的周期性图形如一维条纹和二维点阵，而无法制作如带缺陷的光子晶体微腔和波导以及非周期的Y型分支、马赫曾德尔干涉仪、环形共振微腔等平面光波导器件。如中国发明专利“一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，申请号为200810104088.6，该专利技术利用周期性耦合光栅和多层膜结构来制作简单的周期性直线条和点阵结构。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种表面等离子体共振曝光光刻方法，由不同金属材料图形或者同种金属材料不同厚度图形构成不透光掩模版，利用棱镜耦合激发某些图形对应的表面等离子体进行曝光光刻：不同材料或者同种材料不同厚度的金属薄膜在相同入射光条件下表面等离子体共振波长不相同，因此可以选择性地激发某些图形对应的表面等离子体波，产生和这些图形对应的光刻胶曝光图形，而其它图形则作为挡光掩模。利用此方法，在干涉情况下可以制备带缺陷的光子晶体微腔和波导；在非干涉情况下可以制备非周期的光波导器件如直波导、Y型分支、马赫曾德尔干涉仪、环形共振微腔等。
本发明是通过以下技术方案实现的，将棱镜、带有金属薄膜掩模版的基板和带有光刻胶的基片按照从上到下的顺序放置，一束或一束以上准直激光入射到棱镜的侧面进行曝光。入射光被折射到基板和金属薄膜掩模版的交界面，共振耦合成为和相应金属薄膜掩模版图形对应的沿着金属薄膜和光刻胶交界面传输的表面等离子体光波，这些沿着界面传输的表面等离子体光波使光刻胶层曝光，对光刻胶进行显影处理，得到光刻图形，利用此光刻图形做掩模，对基片进行刻蚀和去胶，最后在基片上得到和金属薄膜掩模版对应的图形。
本发明包括如下步骤：
①选取棱镜；
②选取基板；
以上所述的棱镜和基板的折射率要高于光刻胶折射率，越高越好，以利于入射光激发起表面等离子体。
③在基板上面蒸镀具有设定图形的不透光金属薄膜掩模版；
④选择基片，在基片上面旋涂光刻胶；
⑤将棱镜、下表面带有金属薄膜掩模版的基板和上表面带有光刻胶的基片按照从上到下的顺序放置；
⑥将一束或者多束准直相干激光入射到棱镜侧面，在光刻胶形成和金属薄膜掩模版对应的曝光图形：如果只有一束激光入射到棱镜的一个侧面，将形成和相应金属薄膜掩模版图形对应的曝光图案；如果两束激光同时入射到棱镜的两个侧面，则形成和相应金属薄膜掩模版图形对应的干涉条纹；
⑦将曝光后的光刻胶进行显影处理，形成带有图形的光刻胶掩模；
⑧利用反应离子刻蚀(RIE)或者湿法腐蚀刻蚀基片，去掉光刻胶，把图形转移到基片上。
步骤①所述的棱镜材料可以为二氧化钛、铌酸锂、钽酸锂或者氧化碲，其折射率应当大于光刻胶的折射率。
步骤②所述的基板材料可以为二氧化钛、铌酸锂、钽酸锂、氧化碲、玻璃或者石英，其折射率应当大于光刻胶的折射率，并且优选和棱镜1材料相同。
步骤③所述的金属薄膜掩模版材料可以为金、银、铝、铜、钛、铬或者铂。在工作波长下，所选用金属薄膜掩模版的材料应该满足介电常数的实部为负、绝对值大于光刻胶介电常数实部。
步骤③所述的金属薄膜掩模版的蒸镀方法可以为：在基板上先蒸镀一种金属材料a，厚度为5nm-500nm，然后旋涂光刻胶，图形掩模光刻或者电子束直写图形曝光，显影，腐蚀掉未被光刻胶阻挡的金属a，再蒸镀另一种金属b，厚度为5nm-500nm，去胶，形成由材料a和b构成的图形化的金属薄膜掩模版；根据需要，可以重复以上过程再蒸镀不同的金属材料，形成多种金属材料和多种图形构成的金属薄膜掩模版。
步骤③所述的金属薄膜掩模版的蒸镀方法可以为：在基板上先蒸镀一种金属材料a，厚度为5nm-100nm，然后旋涂光刻胶，图形掩模光刻或者电子束直写图形曝光，显影，蒸镀同种金属a，厚度为5nm-400nm，去胶，形成同种金属材料不同厚度的金属薄膜掩模版。
步骤③所述的金属薄膜掩模版的蒸镀方法可以为：为了提高金属薄膜掩模版和基板的粘附性，可以先在基板上面蒸镀单层金属薄膜如钛、铬，薄膜的厚度为1nm-20nm，然后再蒸镀图形化的金属薄膜掩模版。
步骤④所述的在基片上面旋涂光刻胶，光刻胶可以为正胶也可以是负胶，厚度为10nm-1000nm。
步骤⑤所述的将棱镜、下表面带有金属薄膜掩模版的基板和上表面带有光刻胶的基片按照从上到下的顺序放置，可以把上述的棱镜、基板和基片直接放置一起，也可以通过匹配液相连，如棱镜和基板的匹配材料可为1-溴化萘或者Cargille公司的40BN匹配液，金属薄膜掩模版和光刻胶的匹配液可为Cargille公司的50BN匹配液。
步骤⑥所述的曝光根据需要，可在一次曝光之后，通过旋转基片或者改变入射光到另外的棱镜侧面，沿着与上一次曝光条纹具有90度的夹角上再进行一次曝光形成正方形点阵，或者沿着60度和120度夹角方向上再进行两次曝光形成正三角形点阵。曝光时间根据曝光强度和光刻胶厚度决定，为1秒～90秒。
步骤⑧中所述的刻蚀过程，刻蚀气体或者刻蚀液取决于所选的基片的材料，刻蚀的时间依据光刻胶厚度和所需要的图形高度决定。
本发明利用由多种金属材料或者同种金属材料不同厚度组成的具有一定图形的不透光金属薄膜掩模版，通过激发相应金属图形对应的表面等离子体进行光刻曝光，可以制作复杂的带缺陷的亚微米级周期图形，比如光子晶体微腔、光子晶体波导，这些周期性的亚微米结构可以具有三角形、正方形晶格等对称性，也可以制作Y型、S型、环形共振以及马赫曾德尔干涉仪等非周期光波导器件。本发明所涉及的光刻方法无需刻蚀周期性光栅以及沉积多层膜就可以实现光耦合和消除零级入射光干扰，因此具有简便、经济、实用的特点。
附图说明
图1为棱镜示意图；
图2为基板示意图；
图3为基板蒸镀图形化的金属薄膜掩模版后的示意图；
图4为旋涂有光刻胶的基片的示意图；
图5为将带有金属薄膜掩模版的基板粘连在棱镜底部示意图；
图6为将带有金属薄膜掩模版的棱镜放置在旋涂有光刻胶的基片上干涉曝光示意图；
图7为干涉曝光后经过显影处理的基片结构示意图；
图8为干法刻蚀之后的基片结构示意图；
图9为去除表面光刻胶之后的基片结构示意图；
图10为实施例2将带有金属薄膜掩模版的棱镜放置在旋涂有光刻胶的基片上单束入射光曝光示意图
图11为实施例2曝光后经过显影处理的基片结构示意图；
图12为实施例2干法刻蚀之后的基片结构示意图；
图13为实施例2去除表面光刻胶之后的基片结构示意图；
图14为实施例3基板蒸镀图形化的金属薄膜掩模版后的示意图；
图15为实施例3旋涂有光刻胶的基片的示意图；
图16为实施例3将带有金属薄膜掩模版的基板粘连在棱镜底部示意图；
图17为实施例3将带有金属薄膜掩模版的棱镜放置在旋涂有光刻胶的基片上干涉曝光示意图；
图18为实施例3干涉曝光后经过显影处理的基片结构示意图；
图19为实施例3干法刻蚀之后的基片结构示意图；
图20为实施例3去除表面光刻胶之后的基片结构示意图。
图中：1为TiO2材料的棱镜，2为TiO2材料的基板，3为整个金属薄膜掩模版，4为AR-P3170光刻胶，5为硅基片，6为铬，7为金，8为银，9、10为两束入射的准直激光。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图所示，以下实施例所涉及的表面等离子体共振曝光光刻方法，由不同金属材料图形或者同种金属材料不同厚度图形构成不透光掩模版，利用棱镜耦合激发某些图形对应的表面等离子体进行曝光光刻。具体包括以下几个步骤：
①选取棱镜1；
②选取基板2；
③在基板2上面蒸镀具有设定图形的不透光金属薄膜掩模版3；
④选择基片5，在基片5上面旋涂光刻胶4；
⑤将棱镜1、下表面带有金属薄膜掩模版3的基板2和上表面带有光刻胶4的基片5按照从上到下的顺序放置；
⑥将一束或者多束准直相干激光入射到棱镜1侧面进行曝光，在光刻胶4形成和金属薄膜掩模版3对应的曝光图形：如果只有一束激光9入射到棱镜1的个侧面，将形成和相应金属薄膜掩模版3图形对应的曝光图案；如果两束激光9、10同时入射到棱镜1的两个侧面，则形成和相应金属薄膜掩模版3图形对应的干涉条纹，根据需要，可在一次曝光之后，通过旋转基片5或者改变入射光9、10到另外的棱镜1侧面，沿着与上一次曝光条纹具有90度的夹角上再进行一次曝光形成正方形点阵，或者沿着60度和120度夹角方向上再进行两次曝光形成正三角形点阵；
⑦将曝光后的光刻胶4进行显影处理，形成带有图形的光刻胶4掩模；
⑧利用反应离子刻蚀(RIE)或者湿法腐蚀刻蚀基片5，去掉光刻胶4，把图形转移到基片5上。
实施例1
本实施例的一种表面等离子体共振曝光光刻方法，具体实施步骤如下：
(1)选取棱镜1的材料为金红石(TiO2)，棱镜形状为等腰直角三棱锥，如图1所示；
(2)选取基板2的材料为金红石(TiO2)，如图2所示；
(3)在基板2上面蒸镀一层2nm的铬，然后蒸镀30nm的银，旋涂AR-P5350光刻胶，温度100摄氏度，利用具有0.5μm宽狭缝的光刻掩模板光刻曝光，利用AR300-26显影液显影得到光刻胶掩模，TFS湿法腐蚀去掉未被光刻胶阻挡的银，蒸镀30nm的金，利用AR300-70去除剂去掉掩模的光刻胶得到两种金属组成的图形化金属薄膜掩模版3，如图3所示；
(4)选取硅为基片5材料，在基片5上旋涂AR-P3170光刻胶4，厚度为100nm，如图4所示；
(5)将带有金属薄膜掩模版3的基板2用1-溴化萘粘连在棱镜1底部，如图5所示；
(6)将带有金属薄膜掩模版3的棱镜1放置在旋涂有光刻胶4的基片5上，两束442nm的准直激光从棱镜1的两个侧面入射，入射角度为26.5度，激发银薄膜对应的表面等离子体进行干涉曝光，曝光时间30秒，而金膜对应的区域则没有等离子体共振，光刻胶不会被曝光，如图6所示；
(7)将曝光后的基片5放到AR300-35显影液中进行显影，时间为60秒，将显影后的基片置于110摄氏度烘干，在入射光为442nm波长下，银的介电常数为-5.729+0.257i，对应的表面等离子体波长是220nm，干涉图形的周期为110nm，获得的图形如图7所示；
(8)反应离子刻蚀未被光刻胶4阻挡的硅基片5，刻蚀气体为SF6，刻蚀时间为10分钟，如图8所示；用AR300-70去掉残余的光刻胶，在基片5上得到具有0.5μm宽线缺陷、周期为110nm、特征尺寸为55nm的一维光子晶体，如图9所示。
实施例2
本实施例的一种表面等离子体共振曝光光刻方法的步骤(1)-(5)与实施例1相同，其余步骤如下：
(6)将带有金属薄膜掩模版3的棱镜1放置在旋涂有光刻胶4的基片5上，一束442nm的准直激光从棱镜1的一个侧面入射，入射角度为26.5度，激发银薄膜对应的表面等离子体进行曝光，曝光时间30秒，而金膜对应的区域则没有等离子体共振，光刻胶不会被曝光，如图10所示；
(7)将曝光后的基片5放到AR300-35显影液中进行显影，时间为60秒，将显影后的基片5置于110摄氏度烘干，获得的图形如图11所示；
(8)反应离子刻蚀未被光刻胶4阻挡的硅基片5，刻蚀气体为SF6，刻蚀时间为10分钟，如图12所示；用AR300-70去掉残余的光刻胶，在基片5上得到宽度为0.5μm的波导结构，如图13所示。
实施例3
本实施例的一种表面等离子体共振曝光光刻方法，步骤(1)-(2)和前两个实施例相同，其余步骤如下：
(3)在基板2上面蒸镀一层2nm的铬，然后蒸镀10nm的银，旋涂AR-P5350光刻胶，温度100摄氏度，利用具有0.5μm宽狭缝的光刻掩模板光刻曝光，利用AR300-26显影得到光刻胶掩模，再蒸镀20nm的银，利用AR300-70去掉掩模的光刻胶，得到由银构成的厚度差20nm的金属薄膜掩模版3，如图14所示；
(4)选取硅为基片5材料，在基片5上旋涂AR-P3170光刻胶4，厚度为100nm，如图15所示；
(5)将带有金属薄膜掩模版3的基板2用1-溴化萘粘连在棱镜1底部，如图16所示；
(6)将带有金属薄膜掩模版3的棱镜1放置在旋涂有光刻胶4的基片5上，一束442nm的准直激光从棱镜1的一个侧面入射，入射角度为26.5度，激发30nm厚的银薄膜对应的表面等离子体进行曝光，曝光时间30秒，而10nm银薄膜所对应的区域则没有等离子体共振，光刻胶不会被曝光，如图17所示；
(7)将曝光后的基片5放到AR300-35显影液中进行显影，时间为60秒，将显影后的基片置于110摄氏度烘干，如图18所示；
(8)反应离子刻蚀未被光刻胶4阻挡的硅基片5，刻蚀气体为SF6，刻蚀时间为10分钟，如图19所示；利用AR300-70去掉残余的光刻胶，在基片5上面得到宽度为0.5μm的沟槽结构，如图20所示。
Claims (10)
1、一种表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征在于，包括如下步骤：
①选取棱镜；
②选取基板；
所述的棱镜和基板的折射率高于光刻胶折射率；
③在基板上面蒸镀具有设定图形的金属薄膜掩模版；
④选择基片，在基片上面旋涂光刻胶；
⑤将棱镜、下表面带有金属薄膜掩模版的基板和上表面带有光刻胶的基片按照从上到下的顺序放置；
⑥将一束或者多束准直相干激光入射到棱镜侧面，在光刻胶形成和金属薄膜掩模版对应的曝光图形：如果只有一束激光入射到棱镜的一个侧面，将形成和相应金属薄膜掩模版图形对应的曝光图案；如果两束激光同时入射到棱镜的两个侧面，则形成和相应金属薄膜掩模版图形对应的干涉条纹；
⑦将曝光后的光刻胶进行显影处理，形成带有图形的光刻胶掩模；
⑧利用反应离子刻蚀或者湿法腐蚀刻蚀基片，去掉光刻胶，把图形转移到基片上。
2、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤①所述的棱镜材料为二氧化钛、铌酸锂、钽酸锂或者氧化碲。
3、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤②所述的基板材料为二氧化钛、铌酸锂、钽酸锂、氧化碲、玻璃或者石英。
4、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤③所述的金属薄膜掩模版材料为金、银、铝、铜、钛、铬或者铂，在工作波长下，材料介电常数的实部为负、绝对值大于光刻胶介电常数实部。
5、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤③所述的金属薄膜掩模版的蒸镀方法为：在基板上先蒸镀一种金属材料a，厚度为5nm-500nm，然后旋涂光刻胶，图形掩模光刻或者电子束直写图形曝光，显影，腐蚀掉未被光刻胶阻挡的金属a，再蒸镀另一种金属b，厚度为5nm-500nm，去胶，形成由材料a和b构成的图形化的金属薄膜掩模版；重复以上过程再蒸镀不同的金属材料，形成多种金属材料和多种图形构成的金属薄膜掩模版。
6、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤③所述的金属薄膜掩模版的蒸镀方法为：在基板上先蒸镀一种金属材料a，厚度为5nm-100nm，然后旋涂光刻胶，图形掩模光刻或者电子束直写图形曝光，显影，蒸镀同种金属a，厚度为5nm-400nm，去胶，形成金属薄膜掩模版。
7、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤③所述的金属薄膜掩模版的蒸镀方法为：先在基板上面蒸镀单层金属薄膜，薄膜的厚度为1nm-20nm，然后再蒸镀图形化的金属薄膜掩模版。
8、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤④所述的在基片上面旋涂光刻胶，光刻胶为正胶或负胶，厚度为10nm-1000nm。
9、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤⑤所述的将棱镜、下表面带有金属薄膜掩模版的基板和上表面带有光刻胶的基片按照从上到下的顺序放置，是指把上述的棱镜、基板和基片直接放置一起，或者通过匹配液相连。
10、如权利要求1所述的表面等离子体共振曝光光刻方法，其特征是，步骤⑥中，在一次曝光之后，通过旋转基片或者改变入射光到另外的棱镜侧面，沿着与上一次曝光条纹具有90度的夹角上再进行一次曝光形成正方形点阵，或者沿着60度和120度夹角方向上再进行两次曝光形成正三角形点阵，曝光时间为1秒～90秒。
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