CN102629073A - 一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法 - Google Patents

一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其步骤为：在基底上制备光栅阵列结构；在光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀基底、去除掩蔽层，然后在光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀基底、去除掩蔽层；使用RIE进行各向同性刻蚀，或用腐蚀液对光栅线条进行各向同性湿法腐蚀，控制RIE刻蚀或湿法腐蚀的深度使光栅线条的宽度缩小至预定值；在宽度缩小的光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀基底、去除掩蔽层，然后在宽度缩小的光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀基底、去除掩蔽层。本发明得到的线条数量为原有光栅的四倍，光栅周期缩小为原有光栅周期的四分之一。

Description

一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法
技术领域
本发明涉及纳米光栅掩模制备的技术领域，尤其涉及一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，该方法能够减小纳米尺度的光栅阵列的周期和线宽。
背景技术
光栅阵列，尤其是周期和线宽处于十纳米量级的光栅阵列，在超分辨光刻、超分辨成像、新型复合材料、微电子、生物检测等领域具有很大的应用价值。现有制作小周期的光栅阵列的方法有光刻、直写和倍频三种类型。光刻主方法要包括光学曝光、电子束曝光、X射线曝光等，光学曝光方法由于光的衍射效应、电子束曝光存在电子散射问题，都很难制备周期60nm以下的光栅；X射线曝光由于小线宽大厚度的掩模制备很困难，也不适合制备周期60nm以下的光栅。直写方法主要有激光直写、电子束直写、聚焦粒子束直写，其中激光直写能制备的光栅最小周期一般不小于100nm，电子束直写、聚焦粒子束直写最小可以制备周期为数十纳米的光栅，但加工效率低难以大面积制备，且价格昂贵。倍频方法有在光栅线条两侧分别进行阴影沉积和刻蚀，这可以使光栅周期缩小一半。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有纳米光栅阵列制造的限制之处，提出用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，该方法只需要采用常规的阴影蒸镀、RIE各向异性刻蚀、RIE各向同性刻蚀或湿法腐蚀，就可以使光栅的线条数量增加为原有光栅的四倍，即光栅周期缩小为原有光栅周期的四分之一。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，步骤如下：
步骤(1)在基底上制备光栅阵列结构；
步骤(2)向光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层，在每条光栅线条该侧得到一条没有掩蔽膜层的窄缝；
步骤(3)各向异性RIE刻蚀基底；
步骤(4)去除掩蔽层，得到一组刻蚀传递到基底上的窄缝线条；
步骤(5)然后向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀基底、去除掩蔽层，在光栅线条另一侧得到第二组刻蚀传递到基底上的窄缝线条；
步骤(6)使用RIE进行各向同性刻蚀，或用腐蚀液对光栅线条进行各向同性腐蚀，控制RIE刻蚀或湿法腐蚀的深度使光栅线条的宽度缩小至预定值；
步骤(7)在宽度缩小的光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第三组窄缝线条，然后在宽度缩小的光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第四组窄缝线条，这样由每一条光栅线条可以得到四条平行的线条，即四倍频。
所述步骤(1)中的基底为硅、锗、石英、银或铝基片，或镀硅、锗或铬的石英、玻璃、硅、铁或银基片，光栅结构为光刻胶光栅、压印胶光栅、PMMA光栅或SiO2光栅。
所述步骤(2)中，阴影蒸镀的掩蔽层为铬、银、铝、铜等金属或硅、石英等非金属材料。
所述步骤(3)中的各向异性RIE刻蚀用于将没有掩蔽膜层的窄缝线条刻蚀传递到基底材料上。
所述步骤(4)中，去除掩蔽层的方法湿法，溶液为去铬液、去铜液、HF腐蚀液等。
所述步骤(5)中，所述的向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，除蒸镀方向与步骤(2)不同外，其他与步骤(2)-(4)中相同。
所述步骤(6)中，所述的RIE刻蚀或湿法腐蚀不损伤基底材料。
所述步骤(7)中，所述由每一条光栅线条可以得到的四条平行线条的间距可以相等也可以不相等，各平行线条的宽度也可以相同或不相同。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明只需要采用常规方法----四次阴影蒸镀、四RIE各向异性刻蚀、一次RIE各向同性刻蚀，就可以使得到的线条数量为原有光栅的四倍，这是其他方法难以实现的；
2、本发明可大面积制备，降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例1中，镀硅石英基底的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例1中，镀硅石英基底和光刻胶光栅阵列的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例1中，向光栅线条右侧阴影蒸镀掩蔽层后基底的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例1中，各向异性RIE刻蚀硅膜层后基底的剖面结构示意图；
图5是本发明实施例1中，去除掩蔽层后基底的剖面结构示意图；
图6是本发明实施例1中，向光栅线条另一侧进行阴影蒸镀掩蔽层得到窄缝线条后基底的剖面结构示意图；
图7是本发明实施例1中，各向异性RIE刻蚀硅膜层后基底的剖面结构示意图；
图8是本发明实施例1中，去除掩蔽层后基底的剖面结构示意图；
图9是本发明实施例1中，RIE各向同性刻蚀光刻胶线条使其宽度缩小后基底的剖面结构示意图；
图10是本发明实施例1中，在宽度缩小的光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层后，基底的剖面结构示意图；
图11是本发明实施例1中，在宽度缩小的光栅线条另侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层后，基底的剖面结构示意图；
图12是本发明实施例1中，去除光刻胶后，得到的基底的剖面结构示意图；
图中，1代表基底材料石英；2代表硅；3代表光刻胶；4代表铬。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1，以周期200nm的光刻胶光栅制作周期为50nm的硅光栅阵列，制作过程如下：
(1)在石英基底上镀50nm的硅，如图1所示，然后用光源为365nm激光的干涉光刻方法在基底上制备周期200nm、光刻胶线条宽120nm的光栅阵列，如图2所示；
(2)向光栅线条右侧方向进行阴影蒸镀铬作为掩蔽层，在每条光栅线条右侧得到一条宽度为30nm的没有铬掩蔽膜层的窄缝，如图3所示；
(3)使用SF6气体进行各向异性RIE方法刻蚀50nm的硅膜层，刻蚀到石英材料时自停止，如图4所示；
(4)去除铬掩蔽层，得到一组刻蚀传递到硅膜层上的窄缝线条，如图5所示；
(5)然后向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀铬掩蔽层、RIE刻蚀、去除铬掩蔽层，在光栅线条另一侧得到第二组刻蚀传递到硅膜层上的窄缝线条，如图6-8所示；
(6)使用30Pa腔压的O2进行RIE各向同性刻蚀，控制RIE刻蚀的深度使光栅线条的宽度缩小至20nm，如图9所示；
(7)向宽度缩小的光栅线条右侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第三组窄缝线条，如图10所示；然后在宽度缩小的光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第四组窄缝线条，如图11所示；去除光刻胶后，由每一条光栅线条可以得到四条平行的线条，光栅周期由压印胶光栅的200nm缩小为硅光栅阵列的50nm，如图12所示。
实施例2，以周期160nm的光刻胶光栅制作周期为40nm的锗光栅阵列，制作过程如下：
(1)在玻璃基底上镀40nm的锗，然后以257nm激光为光源进行干涉光刻，在基底上制备周期160nm、光刻胶线条宽100nm的光刻胶光栅阵列；
(2)向光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀铜作为掩蔽层，在每条光栅线条该侧得到一条宽度为20nm的没有铜掩蔽膜层的窄缝；
(3)进行各向异性RIE方法刻蚀穿锗膜层，刻蚀到玻璃材料时自停止；
(4)去除铜掩蔽层，得到一组刻蚀传递到锗基底上的窄缝线条；
(5)然后向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀铜掩蔽层、RIE刻蚀、去除铜掩蔽层，在光栅线条另一侧得到第二组刻蚀传递到基底上的窄缝线条；
(6)使用30Pa腔压的O2进行RIE各向同性刻蚀，控制RIE刻蚀的深度使光栅线条的宽度缩小至20nm；
(7)向宽度缩小的光栅线条右侧方向进行阴影蒸镀铜掩蔽层、RIE刻蚀、去除铜掩蔽层，得到第三组窄缝线条；然后在宽度缩小的光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀铜掩蔽层、RIE刻蚀、去除铜掩蔽层，得到第四组窄缝线条；去除光刻胶后，由每一条光栅线条可以得到四条平行的线条，光栅周期由光刻胶光栅的160nm缩小为锗光栅阵列的40nm。
实施例3，以周期120nm的压印胶光栅制作周期为30nm的铝光栅阵列，制作过程如下：
(1)在平整的铜基底上镀30nm的铝，然后用纳米压印方法在基底上制备周期120nm、压印胶线条宽75nm的光栅阵列；
(2)向光栅线条右侧方向进行阴影蒸镀银作为掩蔽层，在每条光栅线条右侧得到一条宽度为15nm的没有银掩蔽膜层的窄缝；
(3)进行各向异性RIE方法刻蚀30nm的铝膜层；
(4)去除银掩蔽层，得到一组刻蚀传递到铝膜层上的窄缝线条；
(5)然后向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀银掩蔽层、RIE刻蚀、去除银掩蔽层，在光栅线条另一侧得到第二组刻蚀传递到铝膜层上的窄缝线条；
(6)使用20Pa腔压的NF3进行RIE各向同性刻蚀，控制RIE刻蚀的深度使光栅线条的宽度缩小至15nm；
(7)向宽度缩小的光栅线条右侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第三组窄缝线条；然后在宽度缩小的光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第四组窄缝线条；去除光刻胶后，由每一条光栅线条可以得到四条平行的线条，光栅周期由压印胶光栅的120nm缩小为铝光栅阵列的30nm。
实施例4，以周期120nm的光刻胶光栅制作周期为30nm的Si3N4光栅阵列，制作过程如下：
(1)在Si3N4基片上以193nm激光为光源进行干涉光刻，制备周期120nm、光刻胶线条宽70nm的光刻胶光栅阵列；
(2)向光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀铬作为掩蔽层，在每条光栅线条该侧得到一条宽度为20nm的没有铬掩蔽膜层的窄缝；
(3)进行各向异性RIE方法刻蚀Si3N4基底；
(4)去除铬掩蔽层，得到一组刻蚀传递到Si3N4基底上的窄缝线条；
(5)然后向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀铬掩蔽层、RIE刻蚀、去除铬掩蔽层，在光栅线条另一侧得到第二组刻蚀传递到Si3N4基底上的窄缝线条；
(6)使用40Pa腔压的O2进行RIE各向同性刻蚀，控制RIE刻蚀的深度使光栅线条的宽度缩小至10nm；
(7)向宽度缩小的光栅线条右侧方向进行阴影蒸镀铬掩蔽层、RIE刻蚀、去除铬掩蔽层，得到第三组窄缝线条；然后在宽度缩小的光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀铬掩蔽层、RIE刻蚀、去除铬掩蔽层，得到第四组窄缝线条；去除光刻胶后，由每一条光栅线条可以得到四条平行的线条，光栅周期由光刻胶光栅的120nm缩小为Si3N4光栅阵列的30nm。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (8)

1.一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤(1)在基底上制备光栅阵列结构；
步骤(2)向光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层，在每条光栅线条该侧得到一条没有掩蔽膜层的窄缝；
步骤(3)各向异性RIE刻蚀基底；
步骤(4)去除掩蔽层，得到一组刻蚀传递到基底上的窄缝线条；
步骤(5)然后向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀基底、去除掩蔽层，在光栅线条另一侧得到第二组刻蚀传递到基底上的窄缝线条；
步骤(6)使用RIE进行各向同性刻蚀，或用腐蚀液对光栅线条进行各向同性湿法腐蚀，控制RIE刻蚀或湿法腐蚀的深度使光栅线条的宽度缩小至预定值；
步骤(7)在宽度缩小的光栅线条一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第三组窄缝线条，然后在宽度缩小的光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，得到第四组窄缝线条，这样由每一条光栅线条可以得到四条平行的线条，即四倍频。
2.根据权利要求1所述的一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的基底为硅、锗、石英、银或铝基片，或镀硅、锗、铝或铬的石英、玻璃、硅、铁或银基片，光栅结构为光刻胶光栅、压印胶光栅、PMMA光栅或Si02光栅。
3.根据权利要求1所述的一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，阴影蒸镀的掩蔽层为铬、银、铝或铜的金属材料；或者硅、石英的非金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的各向异性RIE刻蚀用于将没有掩蔽膜层的窄缝线条刻蚀传递到基底材料上。
5.根据权利要求1所述的一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，去除掩蔽层的方法湿法，溶液为去铬液、去铜液或HF腐蚀液。
6.根据权利要求1所述的一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述的向光栅线条另一侧方向进行阴影蒸镀掩蔽层、RIE刻蚀、去除掩蔽层，除蒸镀方向与步骤(2)不同外，其他与步骤(2)-(4)中相同。
7.根据权利要求1所述的一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，所述的RIE刻蚀或湿法腐蚀不损伤基底材料。
8.根据权利要求1所述的一种用于表面等离子体光刻的纳米光栅掩模制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中，所述由每一条光栅线条可以得到的四条平行线条的间距可以相等也可以不相等，各平行线条的宽度也可以相同或不相同。
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