CN101976019A

CN101976019A - 一种异型表面上纳米尺寸的光刻方法和光刻设备

Info

Publication number: CN101976019A
Application number: CN 201010541614
Authority: CN
Inventors: 陆冰睿; 陈宜方; 刘冉
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2011-02-16

Abstract

本发明属于纳米光刻技术领域，具体为一种异型表面上纳米尺寸的光刻方法和光刻设备。本发明将近场光刻和纳米反压印相结合，其步骤包括：在已制作好光刻掩模图形的石英衬底上旋涂紫外光刻胶，使用平行紫外光从掩模板背面曝光后显影，完成对光刻胶的近场光刻，接着利用纳米反压印的方法将曝光后的光刻胶转移到目标衬底上，即达到利用近场光刻和纳米反压印相结合的方法实现在任意衬底上产生光刻胶图形的目的。本发明方法便捷快速，同时成本低廉。

Description

一种异型表面上纳米尺寸的光刻方法和光刻设备

技术领域

本发明属于纳米光刻技术领域，具体涉及一种光刻方法及其设备。

背景技术

近年来，随着电子芯片、微纳电子器件以及光电子器件的快速发展，其尺寸不断减小，光学光刻受到衍射极限的限制，其尺寸能力得到极大的挑战。对于光刻技术，即使有深紫外、极紫外光刻，X射线光刻以及电子束光刻等先进技术将光刻的极限尺寸不断延伸，但是由于设备昂贵，且光刻周期长，其经济成本和时间成本大大增加，导致其无法大范围的推广。为了解决这一难题，多种廉价便捷快速的其他光刻技术便应运而生，例如近场光刻技术和纳米压印技术等。

近场光刻技术，是一种利用近场光场的能量对光刻胶曝光的一种技术。普通光学光刻在远场条件下，由于紫外光透过掩模板图形后在其反面发生衍射，导致掩模板图形不能达到阻光目的。而在近场范围内，由于距离极短，掩模图形附近的一段范围内，光场仍旧不能覆盖，于是这部分范围即可用于近场光学光刻，以实现利用光学光刻获得纳米尺寸。

纳米压印技术是一种用具有深度图形的硬模板利用压力和温度压入光刻胶中，从而将模板上的图形转移到光刻胶中的技术。纳米反压印技术则是一种将已经形成纳米图形的光刻胶通过加热加压的方法转移到其他目标衬底上的技术。纳米（反）压印技术不受衍射极限的限制，因此，也是一项具有广泛前景的纳米尺度光刻技术。

发明内容

本发明的目的在于提出一种便捷快速，同时成本低廉的纳米光刻方法，来实现在任意形状和材料的衬底上的纳米光刻；本发明的另一目的在于提出实施上述光刻方法的设备。

本发明提出的纳米光刻方法，是将近场光刻和纳米反压印相结合的纳米光刻的方法。具体步骤如下：

1）在掩模板有图形的一面旋涂光刻胶；

2）对所述光刻胶进行曝光并显影以形成光刻胶图形，其中在曝光过程中所述掩模板有图形的一面背朝曝光光源；

3）通过纳米反压印将所述光刻胶图形转移到衬底上。

本发明中，所述曝光光源为紫外光源。

本发明中，所述曝光步骤还包括利用透镜系统对曝光光源进行平行扩束。

本发明中，曝光光源可透射掩模板的无图形部分。

本发明中，还包括：前烘所述经旋涂的光刻胶。

本发明中，还包括：后烘经曝光的光刻胶。

本发明中，所述纳米反压印的步骤包括：

1）加热带有光刻胶图形的掩模板；

2）将衬底一侧置于光刻胶图形上方，对衬底另一侧施加压力并进行冷却；

3）在保持压力的情况下停止加热掩模板；以及

4）将衬底与掩模板分离。

步骤1）所述加热带有光刻胶图形的掩模板：是将带有光刻胶的掩模板加热至高于光刻胶玻璃化温度。

步骤2）所述在对衬底施加压力并进行冷却的过程中，光刻胶图形朝向掩模板处于熔融状态，而另一侧处于固化状态。

本发明还提供实施上述光刻方法的光刻设备。该光刻设备包括：

用于在掩模板有图形的一面旋涂光刻胶的装置；

用于对所述光刻胶进行曝光并显影以形成光刻胶图形的装置，其中在曝光过程中所述掩模板有图形的一面背朝曝光光源；

用于通过纳米反压印将所述光刻胶图形转移到衬底上的装置。

本发明中，最初的光刻掩模板，可以根据其尺寸要求利用电子束光刻、双光子干涉光刻、深紫外光刻等方法制作。在有了光刻掩模板之后就可以利用本发明的方法进行光学光刻。本发明使用近场光刻和纳米反压印结合的光刻方法，在使用近场光刻的过程中，其特点为直接将光刻胶旋涂在光刻掩模版的图形上方，从掩模板背面进行紫外曝光，从而确保最大限度地利用掩模板图形上方不被曝光的区域范围，获得纳米级特征的光刻胶图形。然后利用纳米反压印技术将已经形成的光刻胶图形转移到目标衬底上。

根据本发明的光刻方法，可进行如下具体操作：

1) 在光刻掩模板图形上方旋涂：

先在光刻掩模板有图形的一面旋涂光刻胶，光刻胶可以选择各种紫外光刻胶，例如正胶：UVIII或者PMMA等，或者负胶：SU-8等。光刻胶的厚度可以适用的选择范围很大，旋涂速度可以一致选为2800--3500 转/秒。为了利于紫外光的透射光刻，掩模板的材料和普通光刻掩模板相同，一般为石英。

2) 对光刻胶进行曝光并显影：

将涂有光刻胶的光刻掩模板背面朝向平行曝光光源（例如紫外光源），确保光刻胶和曝光光源分别在掩模图形的两边。如果光刻掩模板的面积较大，曝光光源的照射范围不足，则需要用平行扩束的透镜系统扩束，该系统为常用光学元件系统，可于市场购得。曝光光源的波长选择由选用的光刻胶决定，例如，UVIII和PMMA均使用波长为250nm的紫外光源，SU-8选用波长为365nm的紫外光源。将样品置于紫外光下曝光30~90秒，取下，使用各光刻胶所需的方法进行显影，获得曝光后的图形。对于正胶如UVIII和PMMA，曝光和显影后所留下的光刻胶图形和原有掩模板图形相同；对于负胶如SU-8，曝光和显影后留下的光刻胶图形与原有掩模板图形成互补图形。

3) 利用纳米反压印将图形转移到目标衬底：

利用纳米反压印的方法可以将光学掩模板上的光刻胶图形转移到目标衬底上。目标衬底的形状和材料选择范围都很广，可有不规则形状，例如，硅片、Pyrex（一种特殊的光学玻璃，在光学中有广泛应用）、玻璃棒侧壁、光纤截面等；也可有各种材料，例如，硅基等半导体材料（导电及非导电材料）、有机聚合物材料、金属材料等。转移时，将带有光刻胶的光学掩模板加热至高于光刻胶玻璃化温度（Tg ），例如UVIII加热温度为160~170℃，PMMA的加热温度为190~200℃，SU-8的加热温度为180~190℃。在加热光学掩模板的同时将目标衬底置于其上方，表面面向光刻胶，对其施加压力并对目标衬底一侧进行冷却。此时光刻胶朝向掩模板一侧温度较高，处于熔融状态，而另一侧温度较低，处于固化状态，因此光刻胶便可转移到温度较低的目标衬底上。保持压力约30~60秒后，在继续保持压力的状态下停止加热直至冷却至室温。此时将目标衬底与光学掩模板分离开，则可以成功将光刻胶图形转移到目标衬底上。

本发明方法便捷快速，同时成本低廉。

附图说明

图1－图6描述的是以正胶光刻胶为例，将近场光刻和纳米反压印光刻技术相结合的纳米光学光刻的工艺流程，其中：

图1描述的是一个正面朝上有光刻图形的掩模板的剖面图。

图2描述的是在图1的上方旋涂一层紫外曝光光刻胶后的剖面示意图。

图3描述的是在图2背面进行紫外平行光扩束照射，对图2正面上方的光刻胶进行曝光的示意图。

图4描述的是将图3经过显影步骤之后剩余光刻胶图形的剖面示意图。

图5描述的是将图4在加热加压并同时冷却目标衬底的状态下对光刻胶进行反压印的剖面示意图。

图6描述的是图5完成纳米反压印之后光刻胶图形转移到目标衬底上的剖面图。

图中标号：1为光刻掩模板，2为掩模板上方的金属光刻图形，3为掩模板上方旋涂的光刻胶，4为紫外光源，5为光学扩束系统，6为目标衬底。

具体实施方式

下文结合附图1-图6对本方法进行进一步具体说明。

在该示例性实施例中：使用500nm线宽，1μm周期的光栅，选用UVIII正胶作为转移用胶，Pyrex玻璃为目标衬底。

1、光刻掩模板材料为石英，光栅图形使用电子束光刻直写后淀积金属形成(图1)。首先用光刻胶旋涂机在光刻掩模版1上有金属图形2的一面旋涂(图2)。根据所需光刻胶的厚度，转速可选为3000rpm，所得厚度为500nm。旋涂完后在130℃下前烘90秒以去除光刻胶中有机溶剂。在替换实施例中，如果光刻胶为PMMA，则涂胶之后要在180℃烘箱内前烘60分钟；如果光刻胶为SU-8，则涂胶之后需要在95℃热板上前烘10分钟。

2、将涂有UVIII光刻胶的掩模板1置于紫外平行光源4前，光刻胶远离光源一侧(图3)。对于UVIII光刻胶，它是一种电子束和深紫外光刻胶，需要曝光的能量较大，因此选用的紫外光源的波长不能大于250nm。将UVIII置于250nm波长的紫外灯下曝光30秒后立即进行后烘，促进其光刻胶内部大分子裂解。后烘的温度为130℃，时间为60秒。其后置于CD-26显影液（Shipley公司产品，为一种碱性显影液）中显影90秒，并不停震荡。之后取出，用大量流动的去离子水洗净，并用氮气吹干(图4)。

3、将曝光显影完毕的带有UVIII光刻胶的掩模板1置于170℃下加热，等待约60秒，确保光刻胶被完全加热后，取目标衬底Pyrex6，表面向下置于掩模板光刻胶图形上方，从其背面施加压力，同时进行冷却，保持压力约60秒。此时在保持压力的同时去除加热源，并保持压力直至样品冷却(图5)。在冷却至室温后，将光刻掩模板1和Pyrex 6分离(图6)，完成纳米图形的光学曝光及最终的图形转移。最后的图形与掩模板图形成镜面图像。

说明书中的实施例旨在提供本发明的示例性说明，本发明的实质精神并不限于此。各种采用了等效或惯用技术手段的替换方案也应该落入本发明的范围内。本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims

1.一种光刻方法，其特征在于具体步骤包括：

1)在掩模板有图形的一面旋涂光刻胶；

2)对所述光刻胶进行曝光并显影以形成光刻胶图形，其中在曝光过程中所述掩模板有图形的一面背朝曝光光源；

3)通过纳米反压印将所述光刻胶图形转移到衬底上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝光光源为紫外光源。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝光步骤还包括利用透镜系统对曝光光源进行平行扩束。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，曝光光源可透射掩模板的无图形部分。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：前烘所述经旋涂的光刻胶。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：后烘经曝光的光刻胶。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米反压印步骤包括：

1)加热带有光刻胶图形的掩模板；

2)将衬底一侧置于光刻胶图形上方，对衬底另一侧施加压力并进行冷却；

3)在保持压力的情况下停止加热掩模板；以及

4)将衬底与掩模板分离。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，加热带有光刻胶图形的掩模板，是将带有光刻胶的掩模板加热至高于光刻胶玻璃化温度。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在对衬底施加压力并进行冷却的过程中，光刻胶图形朝向掩模板处于熔融状态，而另一侧处于固化状态。

10.一种光刻设备，其特征在于包括：

1)用于在掩模板有图形的一面旋涂光刻胶的装置；

2)用于对所述光刻胶进行曝光并显影以形成光刻胶图形的装置，其中在曝光过程中所述掩模板有图形的一面背朝曝光光源；

3)用于通过纳米反压印将所述光刻胶图形转移到衬底上的装置。