CN103116242A - 一种无需对准纳米压印制备异质结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无需对准纳米压印制备异质结构的方法，步骤如下：（1）利用FIB制备不同深度结构的模板；（2）在衬底表面旋涂一层热塑性纳米压印胶，利用热塑性纳米压印技术将结构转移到胶层；（3）ICP刻蚀掉胶层的残余层，然后通过设置气体流量使胶层和衬底达到1：1的刻蚀；（4）二次旋涂热塑性纳米压印胶，并使其表面平整；（5）ICP刻蚀胶层至暴露出较高结构表面而其他位置仍被胶层保护；（6）设置气体流量使刻蚀衬底的速率远大于刻蚀胶层，以胶层作为掩模，将较高结构刻蚀至平面；（7）在表面沉积另外一种材料，并举离得到异质结构。本发明通过利用不同深度模板纳米压印的方法，避开了微加工中小尺度难以解决的对准问题。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料结构制备方法，尤其涉及一种无需对准纳米压印制备异质结构的方法。
背景技术
纳米压印技术最早由Stephen Chou教授在1995年提出，它是一种不同于传统光刻技术的全新图形转移技术。它不使用光线或者辐照使光刻胶感光成形，而是直接在硅衬底或者其它衬底上利用物理学的机理产生纳米尺寸图形。它采用机械模具微复型原理来代替包含光学、化学及光化学反应机理的传统复杂光学光刻，避免了对特殊曝光束源、高精度聚集系统、极短波长透镜系统以及抗蚀剂分辨率受光半波长效应的限制和要求，具有高分辨率、低成本、高生产率的优点。
类似于传统的光刻技术，纳米压印中多层定位和对准也是工艺过程中不可忽视的问题，主要影响准精度的因素有：模板尺寸、对准过程中聚合物的热稳定性和机械稳定性以及模板和基片材料的选择。在多层定位和对准中，一般都用光学对准，其精度也就达到1μm左右，对于更小尺寸的对准，可以利用压电驱动技术，但其对准精度仍然有限，而且往往对模板的尺寸大小存在限制。
对于在电磁领域有着优异表现的异质嵌套结构，如金属-介质间隔光栅，金属-介质圆柱圆环嵌套结构，H形异质材料结构等，其加工方法现在基本上就是步进式的微纳加工流程，可加工的结构将严格受限于加工工艺的对准问题。纳米压印作为一种高分辨率、低成本的生产工艺，如何去除精确对准带来的高成本和设备复杂性，更为轻易地实现纳米压印加工简单异质嵌套结构，具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够以无需对准纳米压印技术低成本制备小周期异质嵌套结构的方法。
本发明的目的是这样实现的：
（1）利用聚焦离子束（FIB）制备具有不同深度结构的模板；
（2）在硅片表面旋涂一层热塑性纳米压印胶，利用热塑性纳米压印技术将步骤（1）模板上的结构转移到胶层，脱去模板；
（3）利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀掉胶层的残余层，然后通过调整CHF3、CF4和O2的流量比使胶层和硅片达到1：1的刻蚀速率，得到不同高度的硅结构，即为步骤（1）聚焦离子束制备的模板结构的反结构；
（4） 在不同高度的硅结构上二次旋涂热塑性纳米压印胶，胶层厚度覆盖住硅结构，并采用无结构的的硅片作为模板进行热塑性纳米压印使胶层表面平整；
（5）利用电感耦合等离子体刻蚀步骤（4）的胶层至暴露出较高硅结构的表面，而其他较低硅结构仍被胶层保护；
（6）利用胶层与硅对气体的刻蚀比，使得刻蚀硅的速率远大于刻蚀胶层，利用胶层作为掩模，将较高硅结构刻蚀至硅平面；
（7）在步骤（6）得到的结构表面沉积除硅以外的材料，并举离得到异质结构。
其中，步骤（1）的聚焦离子束制备的模板邻近深度不同，但整体仍呈周期性，模板经过表面处理降低表面能。步骤（3）中纳米压印胶与硅的刻蚀速率保持基本一致，尽量保持结构原样。步骤（4）的无结构硅片硅片经过降低表面能处理。步骤（6）利用SF6、CF4等高氟气体达到快速刻蚀硅而不刻蚀胶层的目的，以胶层作为掩模将较高的硅结构刻蚀到底。步骤（7）采用方向性较好的沉积方法，如电子束蒸发沉积另一种材料。
本发明基于热塑性纳米压印技术，利用不同深度模板制备邻近不同高度的周期性结构，并利用气氛不同的刻蚀比得到易于进行举离的结构并沉积不同材料举离，避开了传统工艺小尺度对准精度差的问题，制备出了简单的异质嵌套结构。
附图说明
图1是聚焦离子束制备的不同深度模板示意图；
图2是在衬底表面旋涂热塑性纳米压印胶示意图；
图3是压上不同深度模板，进行热塑性纳米压印示意图；
图4是脱去不同深度模板后胶层结构示意图；
图5是ICP刻蚀残余层并1：1刻蚀胶层和衬底示意图；
图6是二次涂胶并进行表面平坦示意图；
图7是ICP整体刻蚀胶层至暴露出高结构而其他位置仍被胶层保护示意图；
图8是胶层保护下将较高结构刻蚀到底示意图；
图9是沉积异质材料示意图；
图10是得到的邻近异质周期结构示意图；
图11是制备的异质结构（a）光栅、（b）圆柱圆环嵌套、（c）H形的表面形貌示意图。
具体实施方式
以下对本发明无需对准纳米压印制备异质结构的方法进行详细描述。本实施例在硅衬底上制备周期为1μm的异质光栅，光栅线宽为250nm，邻近栅条距离为500nm（中心-中心），材料分别为硅、铬，光栅高度约为100nm。
（1）利用聚焦离子束刻蚀制备邻近不同深度的周期性光栅硅模板1，周期为1μm，线宽250nm，邻近栅条距离为500nm，光栅深度分别为100nm、300nm，并表面处理降低模板表面能；
（2） 取用硅2作为衬底，用匀胶机在硅表面旋涂一层热塑性纳米压印胶3，厚度约为300nm；
（3）将处理好的不同深度模板1压到胶层上，加热加压进行热塑性纳米压印，见图3；
（4）完成后降温去压取出样品，脱去模板1得到固化的不同高度胶层结构；
（5）ICP干法刻蚀整体刻蚀胶层，以去除残余层，刻蚀气体为O2；
（6）利用O2、CHF3、CF4进行ICP刻蚀，控制气流达到胶层和硅的1：1刻蚀，确保刻蚀到硅上的结构4与压印得到的胶层结构一致。1：1刻蚀的目的是为了保证原定设计的高度差，以便于进行最后的举离；
（7）在得到的有不同高度光栅结构的硅上涂覆一层热塑性纳米压印胶5，见图6，胶层厚度大于高硅的高度，以保证结构被覆盖，利用平面无结构的硅片作为模板进行热塑性纳米压印，保证胶层表面的平整度；
（8）用O2整体刻蚀胶层至暴露出高硅6，而低硅7仍然被胶层保护，胶层的厚度约为250nm，为了保证高硅6完全露出，应稍过刻，但是为了后面举离的进行，又要尽量保持胶层的厚度，剩余胶层的厚度应被综合考虑；
（9）以胶层为掩模，SF6、CF4气体刻蚀硅而基本不刻蚀胶层，将高硅6刻蚀到硅平面8；
（10）利用电子束蒸发的方法在样品表面沉积一层100nm的铬9，然后丙酮超声举离去除胶层得到异质光栅结构。为了保证举离的进行，可以适当降低沉积铬的厚度或者提高初始模板的高度差。
通过上述方法制备的异质光栅周期为1μm，光栅线宽为250nm，邻近栅条距离为500nm，材料分别为硅、铬，光栅高度约为100nm。利用不同深度模板制备邻近不同高度的周期性结构，并利用气氛不同的刻蚀比得到易于进行举离的结构并沉积不同材料举离，避开了传统工艺小尺度对准精度差、难度大的问题，制备出了异质嵌套结构。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种无需对准纳米压印制备异质结构的方法，其特征在于：
（1）利用聚焦离子束刻蚀制备具有不同深度结构的模板；
（2）在硅片表面旋涂一层热塑性纳米压印胶，利用热塑性纳米压印技术将步骤（1）模板上的结构转移到胶层，脱去模板；
（3）利用电感耦合等离子体刻蚀掉胶层的残余层，然后通过调整CHF3、CF4和O2的流量比使胶层和硅片达到1：1的刻蚀速率，得到不同高度的硅结构，即为步骤（1）聚焦离子束制备的模板结构的反结构；
（4） 在不同高度的硅结构上二次旋涂热塑性纳米压印胶，胶层厚度覆盖住硅结构，并采用无结构的的硅片作为模板进行热塑性纳米压印使胶层表面平整；
（5）利用电感耦合等离子体刻蚀步骤（4）的胶层至暴露出较高硅结构的表面，而其他较低硅结构仍被胶层保护；
（6）利用胶层与硅对气体的刻蚀比，使得刻蚀硅的速率远大于刻蚀胶层，利用胶层作为掩模，将较高硅结构刻蚀至硅平面；
（7）在步骤（6）得到的结构表面沉积除硅以外的材料，并举离得到异质结构。
2. 根据权利要求1所述的一种无需对准纳米压印制备异质结构的方法，其特征在于：所述步骤（1）中模板具有两种不同深度的结构，其深度分别为100nm和300nm。
3. 根据权利要求1或2所述的一种无需对准纳米压印制备异质结构的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的胶层厚度为300nm，所述步骤（4）中的胶层厚度为250nm。
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