CN1063552C - 一种量子线超微细图形的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子线超微细图线的制作方法，包括利用陡侧壁x光栅制造初始光栅光刻掩模图形，将其转换为刻蚀掩模图形后再转换到所需基片上，其特征在于将初始光栅图形转换到为刻蚀掩模的过程中，先将图形转移到支撑材料薄层上，形成支撑光栅，然后在光栅表面涂金属薄层，得到由依附在支撑光栅垂直侧壁上的量子金属线构成的量子线光刻掩模，去除支撑光即栅成为刻蚀掩模图形。本发明方法具有工艺较为简单，制作面积大，不受材料分辨率限制的优点。

Description

一种量子线超微细图形的制作方法

本发明涉及量子线超微细图形制作方法。

量子线和量子点是一类具有明显量子效应的低维量子结构，其线宽一般为500埃以下，要制作具有量子尺寸精度的超微细图形在工艺上是十分困难的。“半导体量子微结构及其研究进展“(《大自然探索》1993.3)一文对现有技术中已经出现的特殊结构生长法和图形印刷技术方法分别作了描述，日本光子工厂年度报告(1991年)上介绍了另一种方法即相移方法。所述特殊结构生长法是在一定图形的衬底上，利用外延技术生长量子线，这种方法有不受图形分辨率限制的优点，但其初始的量子尺寸图形很难得到。所述图形印刷技术是利用电子束曝光技术形成量子微结构图形，由于使用电子束曝光，不仅曝光时间太长，曝光面积小，而且图形的清晰度受抗蚀剂层分辨率的限制，设备费用也十分昂贵，使其不能大批量生产。相移方法是利用光波在透过相邻的二块不同厚度的材料时，在接触面处形成180°相位差的特性，来制备超微细结构，但这种方法需要极其严格控制材料的厚度，这在工艺操作时是很不方便且较难达到的。

本发明的目的正是为了克服以上不足，提供了一种工艺上较易实施的，并可制作大面积的超微细图形的方法。

本发明的目的由以下方式来实现。

本发明的量子超微细图形的制作方法，包括：

1．制作陡侧壁x光透射光栅作为初始的光栅光刻掩模，例如利用激光全息和离子束刻蚀以及同步辐射光刻制得的陡侧壁x光透射光栅；

2．将初始光栅光刻掩模上的光栅图形转换为刻蚀掩模图形；

3．把刻蚀掩模上的量子超微细图形转换到半导体基片上，其特征在于，将初始光栅光刻掩模上的光栅图形转换为刻蚀掩模图形的步骤为：

(1)在衬底上涂支撑材料薄层；

(2)利用x光光刻方法将初始光刻掩模上的光栅图形转换到支撑材料薄膜层上，即为支撑光栅；

(3)在支撑光栅表面(含两侧壁表面)上均匀镀金属膜薄层；

(4)保留两侧壁上的金属膜，将其余部分金属膜层用干法刻蚀法刻去，即得到由依附在支撑光栅两侧壁上的金属薄层构成的量子线掩模图形；

(5)去除支撑材料，即得到量子线超微细图形。

在以上所述制作初始光刻掩模的过程中，所使用的陡侧壁x光透射光栅是指该光栅侧壁与衬底表面法线之间的夹角小于5°的x光透射光栅，例如由激光全息和离子束刻蚀及同步辐射x光光刻方法产生的x光透射光栅，其光栅密度根据所需图形的密度进行选择，例如每毫米1000线。

在将初始光栅掩模上的光栅图形转换为刻蚀掩模图形的过程中，所述在衬底上涂支撑材料，一般情况下包括涂支撑层和过渡层，所使用的支撑层材料是透x射线的透明材料，例如：聚酰亚胺(PI)或碳化硅(SiC)或氮化硅(SiN)等，所述的涂在支撑层上的过渡层材料是x射线抗蚀剂，如光刻胶(PMMA或PBS)，首先将光栅图形转换到过渡层上，然后再转换到支撑层上，形成支撑光栅。所述在支撑光栅表面上镀金属膜薄层，是指在真空状态下，用溅射或蒸发的方法来金属膜层，其镀层厚度即为所需超微细图形中细线的宽度，通常在500埃以下，所使用的金属是指不透x光的金属材料，例如金、铂等。

在实际制作量子超微细线刻蚀掩模图形的过程中，也可以直接使用所需基片，例如半导体材料，作为衬底，此时只需要在基片上涂x射线抗蚀剂作为支撑材料层，如光刻胶PMMA、PBS等。然后直接将光栅图形转换到光刻胶层上，即得到支撑光栅，再进行镀金属薄层工序的操作，所使用的金属为耐反应离子刻蚀的金属，例如金、铂、铬、镍等，得到量子线光刻掩模后，去除支撑光栅得到刻蚀掩模，这种做法省去了涂过渡层的工序，使操作过程简化。

与现有技术相比，本发明利用适当线密度的陡侧壁x光透射光栅作为初始光刻掩模，利用同步辐射光刻将图形转换到衬底表面的支撑材料上，在其两侧壁上镀具有量子尺寸厚度金属膜的方法，得到超微细图形的量子线光刻掩模，这种光刻掩模图形稳定性好，能重复使用，有利于得到清晰的量子线图形，同时由于是在支撑光栅两侧壁镀膜，使量子线图形的密度倍增。本发明所述的制作方法，不受材料分辨率的限制，而且面积大(厘米量级)，工艺较为简单。可做成多种超微细结构图形，如量子点、量子盒等。

下面结合实施例及附图作进一步描述：

图1是具有陡壁的初始光栅掩模的结构示意图。图中(1)是聚酰亚胺膜层；(2)是铜支承环，(3)陡壁光栅金线。

图2是量子线光刻掩模的结构示意图。图中量子金属线(4)依附在支撑光栅(5)的两个侧壁上，支栅光栅由透明的聚酰亚胺构成。

实施例1.制作初始光栅光刻掩模

(1)以洁净光滑的玻璃为衬底片，利用甩胶均匀地涂一层厚度约为2微米的聚酰亚胺薄层，在远红外烘箱中300℃烘2小时；

(2)在聚酰亚胺薄层表面处利用离子束镀膜镀厚约0.6微米的金膜；

(3)在金膜上均匀地涂上厚0.5微米的AZ-1350光刻胶，在远红外烘箱中90℃烘25分钟；

(4)在氩离子激光(波长为457.9nm)全息光路中曝光，显影后便在AZ-1350光刻胶上形成了光栅图形。光栅线密度为每毫米1000线，曝光量约为200毫焦耳/cm²，显影时间约1分钟，显影液为0.6％的NaOH水溶液，显影温度为20-25℃；

(5)把已做好光栅图形的基片放在离子束刻蚀机中刻蚀，便把光刻胶光栅图形转换到了金膜上。刻蚀条件为：离子能量500电子伏，离子束流密度0.6毫安/cm²，刻蚀时间约10分钟；

(6)最后在有图形的一面用环氧树脂粘上大小合适的铜环作为支承，再用氢氟酸腐蚀掉玻璃基片，得到由透明的聚酰亚胺支撑的金透射光栅图形；

(7)重复上述(1)和(2)的工艺；

(8)在金膜上均匀地涂上厚约1.0微米的PMMA光刻胶，在远红外烘箱中130C烘30分钟；

(9)在合肥国家同步辐射实验室x光光刻站用x光曝光装置将金透射光栅图形转换到PMMA上，曝光波长0.5-0.2nm，曝光量3000毫安分钟，真空度为3.0×10^-6Pa，湿法显影，显影液为4-甲基-戊酮-2：异丙醇=3∶1，显影时间约25秒；

(10)重复(5)和(6)，便得到了光栅侧壁陡直的同步辐射x光刻光栅掩模，即初始光栅光刻掩模。

实施例2.制作量子超微细图形的x射线光刻掩模。

(1)利用甩胶法在光滑洁净的玻璃片上均匀涂一层厚为2微米的聚酰亚胺薄层(支撑材料)，放在远红外烘箱中300℃烘两小时，然后再在其上均匀涂厚为0.25微米的PMMA光刻胶膜，室温25℃，湿度小于50％，远红外烘箱中130℃烘30分钟；

(2)在合肥国家同步辐射实验室x光光刻站利用x光曝光装置将初始光刻掩模图形转移到PMMA层上，曝光和显影条件同1.(9)；

(3)利用离子束刻蚀机将PMMA光栅转移到聚酰亚胺层上，得到聚酰亚胺支撑光栅；

(4)利用离子束刻蚀机，在支撑光栅所有表面上镀金，两侧壁膜厚分别为50nm和100nm；

(5)在离子束刻蚀机中垂直刻蚀掉支撑光栅表面和槽底上的金膜，即得到由侧壁金膜层构成的量子线掩模图形；

(6)粘支撑环，并在氢氟酸溶液中腐蚀掉玻璃衬底，即得量子线x光刻掩模，掩模尺寸为0.8em；

实施例3.以所需硅片为衬底，制作量子线超微细图形的反应离子刻蚀掩模

(1)利用甩胶法在光滑洁净的硅片上均匀涂厚为0.25微米的PMMA光刻胶，室温25℃，湿度小于50％，放在远红外烘箱中130℃烘30分钟；

(2)在合肥国家同步辐射实验室x光光刻站利用x光曝光装置将初始光刻掩模图形转换到PMMA上，曝光和显影条件同1.(9)

(3)利用离子束刻蚀机在PMMA光栅所有表面镀金。二侧壁厚分别为50nm和100nm；

(4)在离子束刻蚀机中垂直刻蚀掉PMMA光栅表面和槽底上的金膜，即得到由侧壁金膜层构成的量子线掩模图形；

(5)用等离子氧化法去掉PMMA光栅，去胶条件为：真空度6.7Pa，电压约75v，时间约为1小时，PMMA光栅去完后，在硅片上留下金的超微细图形，即为反应离子刻蚀掩模，掩模尺寸为0.8cm。

实施例4.制作量子点图形

在已经有量子线的硅片上，重复实施例2的全过程，将初始光栅掩模上的光栅方向与已有量子线垂直放置，则最后得到垂直相交于点的量子点图形。

Claims (10)

1．一种量子线超微细图形的制作方法，包括1)制作陡侧壁x光透射光栅作为初始的光栅光刻掩模；2)将初始光栅上的光栅图形转换为量子线刻蚀掩模上的图形；3)把量子线刻蚀掩模上的图形转换到半导体基片上，其特征在于，将光栅光刻掩模上的图形转换为刻蚀掩模图形的步骤为：

(1)．在衬底上涂支撑材料薄层；

(2)．利用X光光刻技术将初始光栅掩模图形转换到上述支撑材料薄层上，即支撑光栅；

(3)．在含两侧壁表面的支撑光栅表面上均匀镀金属膜薄层；

(4)．保留两侧壁上的金属膜，将其余部分金属膜层用干法刻蚀法刻去，即得到由依附在支撑光栅两侧壁上的金属镀层构成的量子线光刻掩模；

(5)．去除支撑光栅，即得到刻蚀掩模。

2．如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述陡侧壁x光透射光栅的光栅侧壁与衬底表面法线之间夹角小于5°。

3．如权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述的支撑材料包括支撑层和过渡层，其中涂着在衬底上的支撑层材料是透x射线透明材料，涂在支撑层上的过渡层材料是x射线抗蚀剂。

4．如权利要求1所述的制作方法，其特征在于在支撑光栅表面上均匀镀金属膜薄层是指在真空状态下，用溅射或蒸发的方法镀金属薄层。

5．如权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述镀金属薄层的厚度等于所需超微细图形中细线的宽度。

6．如权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述镀金属薄层时所用的金属是指不透x光的金属。

7．如权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述衬底能够由半导体基片代替。

8．如权利要求1或7所述的制作方法，其特征在于所述在半导体基片上的支撑材料涂层是x射线抗蚀剂。

9．如权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述以x射线抗蚀剂作的支撑光栅上镀金属膜薄层中用金属是指耐反应离子刻蚀的金属。

10．如权利要求1所述的制作方法中用的量子线光刻掩模，包括有透明衬底和量子金属线图形，其特征在于所述衬底上设有陡侧壁的支撑光栅图形，所述量子金属线图形依附在支撑光栅的两个侧壁上。

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