CN105807557A - 一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板及其制备方法,该柔性复合掩模板由柔性高分子聚合物缓冲层(1)、高杨氏模量的高分子聚合物结构层(2)、金属掩蔽层(3)三层结构组成。缓冲层的低杨氏模量可保证复合模板的可弯曲性与高柔性,为柔性复合模板与光刻胶表面紧密贴合提供基础;结构层杨氏模量较高,可保证其上金属掩蔽层的高精度、高分辨率覆盖,且高分子聚合物与金属膜层的结合力强,使用寿命长;金属掩蔽层不透紫外光、延展性好,可保证金属膜层在受力弯曲时不会发生断裂。本发明的显著特点是该柔性复合掩模版在真空吸附的条件下可与光刻胶无间隙紧密贴合,有效地解决了光学曝光中因光刻胶表面不平整或有灰尘颗粒导致的曝光失真问题。
Description
技术领域
本发明属于微电子学与纳米电子学中的微纳加工领域,具体涉及一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板及其制备方法。
背景技术
光学曝光从20世纪60年代初首次被应用到半导体平面工艺开发以来直到今天,光学曝光技术一直作为大规模集成电路生产、微系统制造、微流控芯片制备的主要技术。目前,常用的光学曝光掩模板一般是由玻璃基底及其上的金属图形掩蔽层组成的硬质模板。
但是在光学曝光的过程中,由于涂胶时膜层的不均匀性或膜层上有灰尘颗粒等原因导致光刻胶表面不平整,硬质掩模板只能与光刻胶膜层上表面的最高点发生接触,如图2所示,使得胶膜上其它位置与掩模板仍有一定间隙。间隙的存在使得平行光传播时发生衍射现象,导致光线传播到本不应被曝光的区域,直接影响到显影后图形线宽的尺寸及图形侧壁的陡直性,导致曝光的分辨率与均匀性降低,曝光图形失真。
目前,为了解决因光刻胶表面不平整或表面有杂质颗粒造成的曝光图形失真问题,国内外的研究者付出了很多的努力。有研究者从改善光刻胶膜厚的不均匀性着手:瑞士S.Roth等人提出长时低速-短时高速-长时低速的办法,这种方法只能从一定程度上减小光刻胶表面的不平整性,掩模与光刻胶之间仍然会存在间隙。也有很多研究者从改进曝光技术着手,采用投影式曝光的方法,但投影式曝光成本较高,不适合小批量生产及科研性质的制备。国际上也有采用软模板压印的方式来尽量降低光刻胶表面不平整度或表面有杂质颗粒所带来的影响。软模板压印需要先制作相应的纳米压印模板,再进行软模板的复制,通过复制得来的软模板进行紫外压印从而获得图案的复制。软模板的制作过程过于复杂,且压印获得的结构均匀性差。现在也有许多研究者采用印刷行业中的菲林版作为掩模板使用。虽然菲林版的高柔性可保证掩模板与光刻胶表面紧密贴合,但是其分辨率最高只能做到几十个微米,且由于其上的遮光层由石墨喷涂制成,使用寿命低。
本发明提出了一种由柔性高分子聚合物缓冲层、高杨氏模量的高分子聚合物结构层、金属掩蔽层三层结构组成的用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板及其制备方法。柔性高分子聚合物缓冲层的低杨氏模量可保证复合模板的可弯曲性与高柔性;高杨氏模量高分子聚合物结构层的杨氏模量较高,可保证其上金属掩蔽层的高精度、高分辨率覆盖,且与金属膜层的结合力强,使用寿命长,也不会由于杨氏模量过高而导致可弯曲性和柔型丧失;不透紫外光、延展性好的金属掩蔽层可保证金属膜层在受力弯曲时不会发生断裂。与现有的硬质掩模板相比,如图3所示该柔性复合掩模版在真空吸附条件下与光刻胶无间隙紧密贴合,使用该掩模板有效地解决了光学曝光中因光刻胶表面不平整或表面有灰尘颗粒造成的硬质掩模板和光刻胶之间存在间隙导致的曝光失真问题,可以提高光学曝光的分辨率和模板的使用寿命。
本发明使用的高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺等材料,具有高紫外光透过率;化学性质稳定,在紫外光下长期照射不变性;能可逆和重复变形而不发生永久性破坏,使用寿命长;且价格相对石英模板更便宜等优点。
所以本发明基于高分子聚合物材料的优良性质,提出了一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板及其制备方法。该复合掩模板巧妙地结合了柔性高分子聚合物和高杨氏模量的高分子聚合物,使掩模板兼具高柔性和高分辨率两种优点,解决了因光刻胶表面不平整或表面有灰尘颗粒造成的硬质掩模板和光刻胶之间存在间隙导致的曝光失真问题,可以提高光学曝光的分辨率及模板的使用寿命,为光刻掩模板的制备提供了一种简单和高效的技术途径,同时促进了光学曝光技术在微纳结构加工领域的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板及其制备方法,适合用于光学曝光技术。
一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板,该柔性复合掩模板由柔性高分子聚合物缓冲层、高杨氏模量的高分子聚合物结构层、金属掩蔽层三层结构组成。
柔性高分子聚合物缓冲层材料具有紫外光透过率高、表面平整、杨氏模量低(低于100MPa)的特点,如聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚氨基甲酸酯等材料,该缓冲层的低杨氏模量可保证复合模板的可弯曲性与高柔性。
高杨氏模量的高分子聚合物结构层具有紫外光透过率高、表面平整、杨氏模量较高(100-4000MPa)的特点,如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等材料,该结构层由于杨氏模量较高,可保证其上金属掩蔽层的高精度、高分辨率覆盖,且与金属膜层的结合力强,使用寿命长;也不会因为杨氏模量过高导致可弯曲性和柔性丧失。
金属掩蔽层具有不透紫外光(沉积的金属膜层总厚度为50nm-1um时,金属膜层上透过的紫外光照度低于光刻胶的曝光阈值)、延展性好的特点,如铝、金、银及其他金属或某几种金属的多层膜结构,可保证金属膜层在受力弯曲时不会发生断裂。
一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板的制备方法,其可以通过两种工艺流程实现:
第一种工艺流程:首先制作一块具有高紫外光透过率、表面平整、杨氏模量低的柔性高分子聚合物基底,作为缓冲层;其次,在缓冲层上覆盖一层杨氏模量较高、表面平整的高分子聚合物,作为结构层;然后利用薄膜沉积技术将具有一定厚度的不透紫外光、延展性好的金属膜层沉积在结构层上;最后,在金属膜层上旋涂一层光刻胶并通过投影式曝光技术在光刻胶上获得所需图案,经湿法腐蚀将图案传递到金属膜层上,制备获得由三层结构组成的柔性复合掩模板。
第二种工艺流程:首先制作一块具有高紫外光透过率、表面平整、杨氏模量低的柔性高分子聚合物基底,作为缓冲层;其次,在缓冲层上覆盖一层杨氏模量较高、表面平整的高分子聚合物,作为结构层;然后在结构层上旋涂一层光刻胶并通过投影式曝光技术在光刻胶上获得所需图案;最后,利用薄膜沉积技术将具有一定厚度的不透紫外光、延展性好的金属膜层沉积在光刻胶上,洗去光刻胶及其上的金属,制备获得由三层结构组成的柔性复合掩模版。
柔性高分子聚合物缓冲层的低杨氏模量可保证复合模板的可弯曲性与高柔性;高杨氏模量高分子聚合物结构层的杨氏模量较高,可保证其上金属掩蔽层的高精度、高分辨率覆盖,且与金属膜层的结合力强,使用寿命长,也不会由于杨氏模量过高导致可弯曲性和柔性丧失;不透紫外光、延展性好的金属掩蔽层可保证金属膜层在受力弯曲时不会发生断裂。
与现有的硬质掩模板相比,该柔性复合掩模版在真空吸附条件下可与光刻胶无间隙紧密贴合,使用该掩模板有效地解决了光学曝光中因光刻胶表面不平整或表面有灰尘颗粒造成的硬质掩模板和光刻胶之间存在间隙导致的曝光失真问题,可以提高光学曝光的分辨率及模板的使用寿命。
附图说明
图1为高分辨率柔性复合掩模板的结构示意图;
图2为传统硬质掩模板与表面不平整的光刻胶上表面贴合示意图;
图3为新型高分辨率柔性复合掩模板与表面不平整的光刻胶上表面贴合示意图;
图4为第一实施例的工艺流程示意图;其中:1-缓冲层,2-结构层,3-金属膜层,4-光刻胶,5-硬质掩模板,6-紫外光。
图5为第二实施例的工艺流程示意图;其中:1-缓冲层,2-结构层,3-光刻胶,4-硬质掩模板,5-紫外光,6-金属膜层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细说明本发明。
图4,所述高分辨率柔性复合掩模板的制备方法第一实施例采用第一种工艺流程,包括以下步骤:
(1)如图4-1所示制作一块表面平整的、杨氏模量约为8MPa的聚二甲基硅氧烷缓冲层1,具体过程为:将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂按质量比为10:1混合,搅拌均匀;在真空干燥中抽真空至完全无气泡后,倾倒在模具表面;在80℃的烘箱中烘烤2h后取出,待冷却至室温后,将固化的聚二甲基硅氧烷剥离;
(2)如图4-2所示在缓冲层1上制作一层杨氏模量约为1200MPa、表面平整的聚甲基丙烯酸甲酯,作为结构层2,具体过程为:将溶于有机溶剂的聚甲基丙烯酸甲酯旋涂在缓冲层1上,待溶剂挥发后,形成厚度在1mm左右的膜层;
(3)如图4-3所示利用电阻蒸发沉积技术将100纳米厚的金属铝薄膜沉积在结构层2上,获得金属膜层3;
(4)如图4-4所示将一层AZ3100光刻胶4均匀涂覆在金属膜层3上,并于90℃的热板上前烘5分钟,提高光刻胶与衬底的粘附力;
(5)如图4-5所示取一块传统硬质掩模板5,利用投影式曝光技术在紫外光6的照射下进行光学曝光,将掩模板图形传递到光刻胶上,并于90℃的烘箱中后烘10分钟;
(6)如图4-6所示将曝光后的基片放入特定的显影液中显影,获得所需的光刻胶图案4,去离子水清洗后,于120℃的烘箱中坚膜30分钟,进一步提高胶膜的粘附力和抗腐蚀性能;
(7)如图4-7所示利用湿法腐蚀技术将裸露的金属去除掉,使光刻胶上的图案4传递到金属膜层3上;
(8)如图4-8所示洗去光刻胶,制备获得由聚二甲基硅氧烷缓冲层1、聚甲基丙烯酸甲酯结构层2、铝掩蔽层3三层结构组成的柔性复合掩模板。
图5,所述高分辨率柔性复合掩模板的制备方法第二实施例采用第二种工艺流程,包括以下步骤:
(1)如图5-1所示制作一块表面平整的、杨氏模量约为8MPa的聚二甲基硅氧烷缓冲层1,具体过程为:将单体与固化剂按质量比为10:1混合,搅拌均匀;在真空干燥中抽真空至完全无气泡后,倾倒在模具表面;在80℃的烘箱中烘烤2h后取出,待冷却至室温后,将固化的聚二甲基硅氧烷剥离;
(2)如图5-2所示在缓冲层1上覆盖一层杨氏模量约为1700MPa、表面平整的聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子聚合物,作为结构层2,具体过程为:将厚度在1mm左右的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层覆盖在缓冲层1表面,一起放置在80℃的烘箱中烘烤2h后取出,待冷却至室温后,缓冲层与结构层充分粘合;
(3)如图5-3所示将一层AZ3100光刻胶3均匀涂覆在结构层3上,并于90℃的热板上前烘5分钟,提高光刻胶与衬底的粘附力;
(4)如图5-4所示取一块传统硬质掩模板4,利用投影式曝光技术在紫外光5的照射下进行光学曝光,将掩模板图形传递到光刻胶上,并于90℃的烘箱中后烘10分钟;
(5)如图5-5所示将曝光后的基片放入特定的显影液中显影,获得所需的光刻胶图案3,并于120℃的烘箱中坚膜30分钟,进一步提高胶膜的粘附力;
(6)如图5-6所示利用电阻蒸发沉积技术将100纳米厚的金属金薄膜沉积在结构层2和光刻胶3上,获得金属膜层6;
(7)如图5-7所示洗去光刻胶及其上的金属,制备获得由聚二甲基硅氧烷缓冲层1、聚对苯二甲酸乙二醇酯结构层2、金掩蔽层6三层结构组成的柔性复合掩模板。
Claims (8)
1.一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板,其特征在于:该柔性复合掩模板由柔性高分子聚合物缓冲层(1)、高杨氏模量的高分子聚合物结构层(2)、金属掩蔽层(3)三层结构组成,其中:
所述柔性高分子聚合物缓冲层(1)的材料具有紫外光透过率高、表面平整、杨氏模量低的特点,杨氏模量低于100MPa;
所述高杨氏模量的高分子聚合物结构层(2)具有紫外光透过率高、表面平整、杨氏模量较高的特点,杨氏模量为100-4000MPa;
所述金属掩蔽层(3)具有不透紫外光、延展性好的特点,所述金属掩蔽层(3)当沉积的金属膜层总厚度为50nm-1μm时,金属膜层上透过的紫外光照度低于光刻胶的曝光阈值。
2.如权利要求1所述的用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板,其特征在于:所述柔性高分子聚合物缓冲层(1)为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂或聚氨基甲酸酯材料,该缓冲层具有低杨氏模量,可保证复合模板的可弯曲性与高柔性的特点,为柔性复合模板与光刻胶表面紧密贴合提供基础。
3.如权利要求1所述的用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板,其特征在于:所述高杨氏模量的高分子聚合物结构层(2)为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯材料,该结构层杨氏模量较高,可保证其上金属掩蔽层的高精度、高分辨率覆盖,且高分子聚合物与金属膜层的结合力强,使用寿命长;也不会因为杨氏模量过高,导致可弯曲性和柔性丧失。
4.如权利要求1所述的用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板,其特征在于:所述金属掩蔽层(3)为铝、金、银及其他金属或某几种金属的多层膜结构,可保证金属膜层在受力弯曲时不会发生断裂。
5.如权利要求1所述的用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板,其特征在于:该掩模板在真空吸附的条件下可与光刻胶无间隙紧密贴合,有效地解决了光学曝光中因光刻胶表面不平整或有灰尘颗粒导致的曝光失真问题,可以提高曝光分辨率及模板的使用寿命,从而实现微纳米结构的高精度制作。
6.一种用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板的制备方法,其特征在于:可以通过两种工艺流程实现:
第一种工艺流程:首先制作一块具有高紫外光透过率、表面平整、杨氏模量低的柔性高分子聚合物基底,作为缓冲层;其次,在缓冲层上覆盖一层杨氏模量较高、表面平整的高分子聚合物,作为结构层;然后利用薄膜沉积技术将具有一定厚度的不透紫外光、延展性好的金属膜层沉积在结构层上;最后,在金属膜层上旋涂一层光刻胶并通过投影式曝光技术在光刻胶上获得所需图案,经湿法腐蚀将图案传递到金属膜层上,制备获得由三层结构组成的柔性复合掩模板;
第二种工艺流程:首先制作一块具有高紫外光透过率、表面平整、杨氏模量低的柔性高分子聚合物基底,作为缓冲层;其次,在缓冲层上覆盖一层杨氏模量较高、表面平整的高分子聚合物,作为结构层;然后在结构层上旋涂一层光刻胶并通过投影式曝光技术在光刻胶上获得所需图案;最后,利用薄膜沉积技术将具有一定厚度的不透紫外光、延展性好的金属膜层沉积在光刻胶上,洗去光刻胶及其上的金属,制备获得由三层结构组成的柔性复合掩模版。
7.如权利要求6所述的用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板的制备方法,其特征在于:所述制作高分子聚合物缓冲层和高分子聚合物结构层的方法包括:聚合物热塑成型方法、固化成型方法或溶剂挥发成型方法。
8.如权利要求6所述的用于光学曝光的高分辨率柔性复合掩模板的制备方法,其特征在于:所述将具有一定厚度的不透紫外光、延展性好的金属膜层均匀地沉积在结构层上,由于在金属膜层沉积的过程中衬底温升不能过高,否则会导致结构层高分子聚合物受热变形、表面产生褶皱,因此可选择的薄膜沉积方法包括:热蒸发沉积、等离子体溅射沉积。
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