CN106444271B - 微纳米阵列结构、其制备方法和制备其用的掩模阵列 - Google Patents

微纳米阵列结构、其制备方法和制备其用的掩模阵列 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于在基底上制备微纳米阵列结构的掩模阵列，以及用所述掩模阵列制备得到的微纳米阵列结构。所述掩模阵列由掩模单元阵列组成；所述掩模单元包括底面和向上翘起的侧面，所述底面平铺在基底上。本发明提供的掩模阵列，克服了传统掩模在干法蚀刻中易产生变形、缺陷和收缩等掩模损伤，从而导致掩模形状转移到基底时存在边壁效应，如：畸变、侧壁条纹和柱体陡直度减小等不足，本发明的悬空掩模不受材料和形状限制；同时，本发明的陡直的表面光滑柱体也不受材料和形状的限制；本发明工艺流程简单、加工方便，价格相对便宜。

Description

微纳米阵列结构、其制备方法和制备其用的掩模阵列
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种微纳米阵列结构及制备其用的掩模阵列，尤其涉及一种具有高度陡直的微纳米阵列结构及其制备方法，和用于制备其的掩模阵列及其制备方法。
背景技术
传统干法刻蚀技术一般都需要掩模，而掩模的制备通常使用光刻和镀膜的方法。传统的掩模一般为紧贴在基底上的平面掩模，在干法刻蚀过程中掩模的边缘会受到离子刻蚀气体的轰击而产生破损包括缺陷、畸变和收缩，导致掩模形貌转移到基底的过程中会出现边壁效应，如：畸变、侧壁条纹和陡直度下降等。
针对以上问题，人们发展了一些提高干法刻蚀质量的方法，包括在掩模和基底之间添加缓冲层的技术，掩模防护帽的方法，以及掩模修复技术等。但是，这些技术和方法不但耗时耗力而且使得加工成本大大提高，不能满足实际生产加工制备的需要，尤其无法满足大面积快速加工的需求。
因此，本领域亟待开发一种能够制备出畸变和侧壁条纹少，且陡直度高的微纳米阵列结构的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于在基底上制备微纳米阵列结构的悬空掩模阵列，所述掩模阵列由掩模单元阵列而成；所述掩模单元包括底面和向上翘起的侧面，所述底面平铺在基底上。
本发明通过将掩模阵列的掩模单元设置成所述形状，能够克服在干法刻蚀过程中掩模的边缘因受到离子刻蚀气体的轰击而产生破损(包括缺陷、畸变和收缩)，从而导致掩模形貌转移到基底的过程中会出现边壁效应(如：畸变、侧壁条纹和陡直度下降等)的技术缺陷，从而形成上表面和侧表面光滑，没有条纹和畸变，具有高陡直度的微纳米结构。
本发明所述掩模单元上表面与基底之间的距离为200nm～5μm，例如250nm、300nm、400nm、500nm、600nm、800nm、1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5um、4μm、4.5μm或5μm等，优选1～3μm。所述掩模单元表面与基底之间的距离过小加工起来较困难；过大则需要的光刻胶就越厚，曝光时难以曝透。
优选地，所述侧面上翘与基底平面之间的角度为30～90°，例如33°、36°、43°、47°、53°、64°、73°、85°等，优选60～90°。
本发明对于掩模单元上表面和下表面的形状和尺寸不做具体限定，上表面的形状和尺寸可以根据预定的微纳米结构的表面形状确定，例如所述掩模单元的上表面形状为圆形、方形或多边形中的任意1种；所述掩模单元的上表面的最大尺寸(直径或最大边长)≥1μm，优选2-20μm。
优选地，所述掩模阵列的阵列周期≥2μm，例如2.5μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm、100μm、200μm、300μm或400μm等，优选5～100μm。所述掩模阵列的阵列周期过小，超出了紫外光刻的加工极限。
优选地，所述掩模单元与基底接触的形状直径≥1μm，例如2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、15μm、20μm、30μm、50μm、100μm或200μm等，优选2～20μm。所述掩模单元与基底接触的形状尺寸太小，超过紫外光刻加工极限
优选地，所述掩模的材质为Cu、Au、Al、Ni、Cr中的任意1种或至少2种的组合，优选Cu。
本发明目的之二是提供一种如目的之一所述用于在基底上制备微纳米阵列结构的掩模阵列的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)提供一基底；
(2)在基底上覆盖光刻胶；
(3)对光刻胶按预定图形进行曝光显影，得到光刻胶阵列；所述光刻胶阵列的单元结构由下向上外形尺寸逐渐变大；
(4)在光刻胶阵列结构上沉积固体材料层；
(5)去除光刻胶，得到位于基底上的如目的之一所述的掩模阵列。
本发明所述基底为能够用于干法刻蚀的基底材料，优选碳化硅、硅、二氧化硅、氮化硅、氮化镓中的任意1种。
优选地，所述基底的厚度为100～500μm，例如120μm、150μm、200μm、220μm、230μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、320μm、340μm、360μm、380μm、400μm、420μm、440μm、460μm、480μm或500μm等，优选200～350μm。
本发明所述在基底上覆盖光刻胶的步骤为：将光刻胶旋涂在基底上，然后烘烤。
优选地，所述光刻胶为紫外光刻胶。
优选地，所述紫外光刻胶厚度为0.2～5μm，例如0.3μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、4μm或4.5μm等，优选为2μm。
优选地，所述烘烤时间为1～8min，例如1.5min、2min、3min、4min、5min、6min、7min或7.5min等，温度为120℃。
优选地，所述光刻胶为紫外光刻胶。
本发明所述曝光为紫外光刻机曝光。
优选地，所述曝光时间为10-100s，例如11s、12s、14s、16s、18s、20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s、55s、60s、65s、70s、75s、80s、85s、90s、95s或98s等，优选为20-60s。
优选地，所述显影为在显影液中浸泡显影。
优选地，所述显影时间为10～100s，例如11s、12s、14s、16s、18s、20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s、55s、60s、65s、70s、75s、80s、85s、90s、95s或98s等，优选为10-50s。
本发明所述金属层材质为Cu、Au、Al、Ni、Cr和Si中的任意1种或至少2种的组合，优选Cu。
优选地，所述金属层厚度为100～600nm，例如可以是105nm、110nm、120nm、150nm、180nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm或580nm等，优选200～500nm。
优选地，所述金属层的沉积方式为电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜。
优选地，所述去除光刻胶为在丙酮中浸泡去除光刻胶。
本发明目的之三是提供一种微纳米阵列结构的制备方法，所述方法采用目的之一所述的用于在基底上制备微纳米阵列结构的掩模阵列进行刻蚀。
本发明目的之三所述方法为在目的之二提供的步骤(1)～(5)之后进行如下步骤：
(6)对步骤(5)得到的位于基底上的如目的之一所述的掩模阵列干法刻蚀，得到柱状的微纳米阵列结构。
图1为本发明提供的制备微纳米阵列结构的工艺流程图。
优选地，所述干法刻蚀为反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。
优选地，所述的干法刻蚀的时间为10s～60min，例如15s、20s、30s、40s、50s、1min、2min、3min、5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或58min等，优选为20s～50min。
本发明目的之四是提供一种由目的之三所述方法制备的微纳米阵列结构，所述微纳米阵列结构上表面和侧表面光滑，没有条纹和畸变，具有85°以上陡直度。
优选地，所述微纳米阵列结构的阵列单元为柱体，所述柱体表面具有与掩模单元表面形态相同的形状；所述柱体表面的直径优选≥1μm；所述柱体的高度≥100nm；例如150nm、200nm、500nm、1μm、2μm、3μm、5μm、7μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、27μm、30μm、40μm或50μm等。
所述陡直的表面光滑柱体阵列结构可以为圆柱，方柱和任意不规则形状柱体。
优选地，所述微纳米阵列结构的阵列周期≥2μm，优选5～100μm。
与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：
(1)本发明提供的掩模阵列，克服了传统掩模在干法蚀刻中易产生变形、缺陷和收缩等掩模损伤，从而导致模式转移到基底时存在边壁效应，如：畸变、侧壁条纹和柱体陡直度减小等不足；且掩模阵列的掩模单元材料可变、形状可变，材料可以为任意适用的固体材料，形状可以是圆形、方形或者其他任意形状；
(2)本发明提供的微纳米阵列结构的制备方法工艺流程简单、加工方便，价格相对便宜，仅仅使用紫外光刻等设备，避免使用电子束光刻和聚焦离子束刻蚀等高值设备，降低了成本，可实现大面积快速加工，为实际生产应用提供了基础研究；且制备出的微纳米阵列结构表面光滑、陡直度高。
附图说明
图1为本发明提供的制备微纳米阵列结构的工艺流程图；
图2为本发明实施例1的圆形悬空掩模和微纳米圆柱阵列示意图，以及对应的扫描电镜图；
其中(a)为圆形掩模阵列示意图；(b)为圆形掩模阵列经过ICP刻蚀之后得到的微纳米阵列结构；(c)为圆形掩模阵列扫描电镜图；(d)为为圆形掩模阵列经过ICP刻蚀之后得到的微纳米阵列结构的扫描电镜图；图中白色实线代表10μm长度。
图3为本发明实施例2的方形掩模阵列和微纳米方柱阵列示意图；
其中(a)为方形掩模阵列示意图；(b)为方形掩模阵列经过ICP刻蚀之后的微纳米方柱示意图；
图4为本发明实施例3的十字形掩模阵列和微纳米十字形柱示意图；
(a)为十字形掩模阵列示意图；(b)十字形掩模阵列经过ICP刻蚀之后的微纳米十字形柱示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。
本发明所使用的实验材料和实验器材如下：
紫外光刻胶：S1813型
紫外光刻机：MA6
电子束蒸发镀膜仪：OHMIKER-50B
电感耦合等离子体刻蚀：SENTECH PTSA ICP-RIE ETCHER SI 500
实施例1
一种微纳米阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供一330μm厚的碳化硅基底；
(2)在碳化硅基底上旋涂2μm厚的紫外光刻胶，然后烘烤5min；
(3)使用紫外光刻机对紫外光刻胶按预定的圆形图形进行曝光40s后，并在显影液中显影40s；
(4)用电子束蒸发镀膜仪镀400nm铜；
(5)放入丙酮溶液中去除紫外光刻胶，得到掩模阵列；
(6)利用反应离子刻蚀10min，将柱状阵列结构转移到碳化硅基底上，精确控制微米柱体的结构高度，得到微纳米阵列结构；
制备得到的圆形掩模阵列的示意图如图2a，扫描电镜图如图2c；微纳米阵列圆柱结构的示意图如图2b，扫描电镜图如图2d；从图2可以看出，掩模阵列的周期为8μm，翘起边缘上表面直径为6μm，高度为2μm；微纳米阵列结构为陡直光滑的圆柱体，周期为8μm，直径为6μm，高度为14.5μm。
实施例2
一种微纳米阵列结构的制备方法，与实施例1的区别仅在于预定图形不同，为方形，按照实施例1的制备方法，制备得到的掩模阵列的周期为8μm，翘起边缘上表面边长为6μm，高度为2μm；微纳米阵列结构为陡直光滑的方柱体，周期为8μm，边长为6μm，高度为14.5μm。
制备得到的方形掩模阵列的示意图如图3a，微纳米阵列方柱结构的示意图如图3b。
实施例3
一种微纳米阵列结构的制备方法，与实施例1的区别仅在于预定图形不同，为正十字形(所述正十字形为十字形结构，具有12条边，各边长均相等)，按照实施例1的制备方法，制备得到的掩模阵列的周期为8μm，翘起边缘上表面边长为6μm，高度为2μm；微纳米阵列结构为陡直光滑的圆柱体，周期为8μm，边长为6μm，高度为14.5μm。
制备得到的十字形掩模阵列的示意图如图4a，微纳米阵列十字形柱结构的示意图如图4b。
综合实施例1～3，本发明的掩模阵列不受形状的限制，可以是圆形、方形和多边形等其它任意形状；同时，经过ICP刻蚀之后的柱体形状也和掩模保持一致，陡直度高；另外，被刻蚀的基底也不仅仅限于碳化硅这一种材料，对于所有合乎垂直刻蚀条件的可用于干法刻蚀的材料都使用。本发明工艺流程简单，价格相对便宜，使用紫外光刻等设备，避免使用电子束光刻，降低了成本，可实现大面积快速加工，为实际生产应用提供了研究基础。
实施例4
一种微纳米阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供一100μm厚的碳化硅基底；
(2)在碳化硅基底上旋涂0.2μm厚的紫外光刻胶，然后烘烤1min；
(3)使用紫外光刻机对紫外光刻胶按预定的圆形图形进行曝光10s后，并在显影液中显影10s；
(4)用电子束蒸发镀膜仪镀100nm铝；
(5)放入丙酮溶液中去除紫外光刻胶，得到掩模阵列；
(6)利用电感耦合等离子体刻蚀10min，将柱状阵列结构转移到碳化硅基底上，精确控制微米柱体的结构高度，得到微纳米阵列结构。
实施例5
一种微纳米阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供一400μm厚的碳化硅基底；
(2)在碳化硅基底上旋涂5μm厚的紫外光刻胶，然后烘烤8min；
(3)使用紫外光刻机对紫外光刻胶按预定的圆形图形进行曝光100s后，并在显影液中显影100s；
(4)用电子束蒸发镀膜仪镀600nm铝；
(5)放入丙酮溶液中去除紫外光刻胶，得到掩模阵列；
(6)利用电感耦合等离子体刻蚀60min，将柱状阵列结构转移到碳化硅基底上，精确控制微米柱体的结构高度，得到微纳米阵列结构。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (12)

1.一种用于在基底上制备微纳米阵列结构的掩模阵列，其特征在于，所述掩模阵列由掩模单元阵列组成，所述掩模阵列的阵列周期≥2μm；所述掩模单元包括底面和向上翘起的侧面，所述底面平铺在基底上，所述掩模单元结构由下向上外形尺寸逐渐变大，所述侧面上翘与基底平面之间的角度为30～85°，所述掩模单元上表面与基底之间的距离为200nm～5μm，所述掩模单元底面尺度≥1μm；由所述的掩模阵列获得的微纳米阵列结构，上表面和侧表面光滑，没有条纹和畸变，具有85°以上的陡直度。
2.如权利要求1所述的掩模阵列，其特征在于，所述掩模单元的上表面形状为圆形、或多边形中的任意1种，所述掩模单元的材质为Cu、Au、Al、Ni、Cr和Si中的任意1种或至少2种的组合。
3.如权利要求1或2所述掩模阵列的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)提供一基底；
(2)在基底上覆盖光刻胶；
(3)对光刻胶按预定图形进行曝光显影，得到光刻胶阵列；所述光刻胶阵列的单元结构由下向上外形尺寸逐渐变大；
(4)在光刻胶阵列结构上沉积固体材料层；
(5)去除光刻胶，得到位于基底上的如权利要求1或2所述的掩模阵列。
4.如权利要求3所述掩模阵列的制备方法，其特征在于，所述基底材料为碳化硅、硅、二氧化硅、氮化硅、氮化镓中的任意1种，所述基底的厚度为100～500μm。
5.如权利要求3所述掩模阵列的制备方法，其特征在于，所述在基底上覆盖光刻胶的步骤为：将光刻胶旋涂在基底上，然后烘烤；所述光刻胶为紫外光刻胶，所述紫外光刻胶厚度为0.2～5μm，所述烘烤时间为1～8min，烘烤温度为120℃。
6.如权利要求3所述掩模阵列的制备方法，其特征在于，所述曝光为紫外光刻机曝光，所述曝光时间为10-100s，所述显影为在显影液中浸泡显影，所述显影时间为10～100s。
7.如权利要求3所述掩模阵列的制备方法，其特征在于，所述固体材料层材质为Cu、Au、Al、Ni、Cr和Si中的任意1种或至少2种的组合，厚度为100～600nm，沉积方式为电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜。
8.如权利要求3所述掩模阵列的制备方法，其特征在于，所述去除光刻胶为在丙酮中浸泡去除光刻胶。
9.一种微纳米阵列结构的制备方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1或2所述的掩模阵列进行刻蚀。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述方法为在权利要求3提供的步骤(1)～(5)之后进行如下步骤：
(6)对步骤(5)得到的位于基底上的如权利要求1或2所述的掩模阵列干法刻蚀，得到柱状的微纳米阵列结构；
所述干法刻蚀为反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。
11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述的干法刻蚀的时间为10s～60min。
12.一种由权利要求10所述方法制备的微纳米阵列结构，其特征在于，所述微纳米阵列结构上表面和侧表面光滑，没有条纹和畸变，具有85°以上的陡直度；所述微纳米阵列结构的阵列单元为柱体，所述柱体表面具有和掩模单元表面形态相同的形状，所述微纳米阵列结构的阵列周期≥2μm，所述柱体表面的直径≥1μm；所述柱体的高度≥100nm。
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