CN109541893A - 一种分辨率可调的浸没式表面等离激元干涉光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分辨率可调的浸没式表面等离激元干涉光刻方法。其步骤为：(1)在玻璃平板表面制作铝掩模板；(2)在铝掩模板上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲(PMMA)；(3)静置步骤(2)中的PMMA至其完全固化；(4)在PMMA表面镀一层附加介质薄膜；(5)在附加介质薄膜表面再镀一层附加铝薄膜；(6)在光刻胶基底上镀一层铝薄膜；(7)在光刻胶基底的铝薄膜表面旋涂一层光刻胶；(8)在光刻胶表面滴上浸没液体；(9)将带有附加薄膜的铝掩模板放置到光刻胶表面上方，让浸没液体将铝掩模板的附加铝薄膜和光刻胶连接在一起；(10)用单色平行光垂直照射掩模板，完成曝光；(11)对光刻胶进行显影，得到光刻图形。本发明可以在照明波长不变的条件下，制作不同周期的纳米线阵列或光栅，并且由于使用了浸没液体，便于大批量地、高效地在不同基底上制作纳米线阵列或光栅。

Description

一种分辨率可调的浸没式表面等离激元干涉光刻方法
技术领域
本发明属于微纳米结构加工技术领域，尤其涉及一种表面等离激元干涉光刻方法。
背景技术
光刻技术是一种加工微纳米结构的常用技术之一。由于光刻技术具有成本低、效率高等优点已经被广泛应用在加工电子芯片和集成光学器件等领域。但是传统的光刻技术受到光的衍射极限的限制，很难继续提高光刻的分辨率。这限制了传统光刻技术在许多领域的应用。
表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的表面电磁波。由于它的波长远远小于照明光的波长，因此将它应用于光刻中能够提高光刻的分辨率。表面等离激元干涉光刻技术是一种利用表面等离激元干涉效应进行曝光的光刻技术，它的分辨率可以达到表面等离激元波长的四分之一。因此，表面等离激元干涉光刻技术在制备大面积、超小特征尺寸的结构中具有非常大的优势。目前，表面等离激元干涉光刻技术主要有两种实现方案：第一种是基于棱镜耦合激发表面等离激元的光刻方案，第二种是光栅耦合激发表面等离激元的光刻方案。第一种方案的缺点是棱镜的折射率无法达到无穷大，从而制约了光刻分辨率的提高。第二种方案使用光栅作为掩模板来激发表面等离激元，正好能够克服第一种方案的缺点。因此，第二种方案在进行超高分辨率光刻领域更有前途。但是目前用光栅作为掩模板的表面等离激元干涉光刻方法都存在需要将掩模板与光刻胶紧密接触的问题，这不利于用一个掩模板高效地对不同基底上的光刻胶进行曝光。此外，如何用在保持照明光的波长不变的条件下制备不同分辨率的微纳结构也是许多现有表面等离激元干涉光刻方法需要解决的问题。
发明内容
本发明针对上述技术的不足，提出了一种分辨率可调的浸没式表面等离激元干涉光刻方法，通过在掩模板与光刻胶之间放置浸没液体，可以使掩模板与光刻胶不直接接触，避免了光刻胶对掩模板的污染和破坏，从而可以高效地更换光刻胶基底进行大批量纳米结构的制造，同时通过调节掩模板上附加铝薄膜的厚度在照明光波长不变的条件下来调节光刻图像的分辨率。
本发明的技术方案：一种分辨率可调的浸没式表面等离激元干涉光刻方法，包括如下步骤：
1)在玻璃平板表面制作铝掩模板；
所述的玻璃平板的材料为石英玻璃或者K9玻璃；
所述的铝掩模板的结构为光栅结构，该光栅结构的周期是目标加工图形的周期的偶数倍；
所述的铝掩模板的厚度大于或等于20nm，且小于或等于400nm；
2)在铝掩模板上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲(PMMA)；
所述的PMMA的厚度大于或等于5nm，且小于或等于50nm；
3)静置步骤2)中的PMMA至其完全固化；
4)在PMMA表面镀一层附加介质薄膜；
所述的附加介质薄膜的材料为SiO2或者MgF2；
所述的加介质薄膜的厚度大于或等于5nm，且小于或等于40nm。
5)在附加介质薄膜表面再镀一层附加铝薄膜；
所述的附加铝薄膜的厚度d控制在5nm至60nm的范围内，并且d满足关系式：
其中，ε1是附加介质薄膜的介电常数，ε2是附加铝薄膜的介电常数，λ0是照明光在真空中的波长，λspp是表面等离激元的波长，λspp等于目标加工图形的周期的2倍；
6)在光刻胶基底上镀一层厚度大于10nm的铝薄膜；
7)在光刻胶基底的铝薄膜表面旋涂一层光刻胶，并将光刻胶烘干；
所述的光刻胶可以是各种类型的商用光刻胶；
8)在光刻胶表面滴上浸没液体；
所述的浸没液体为水或者商用光刻浸没液体；
9)将铝掩模板放置到光刻胶表面上方，让铝掩模板的附加铝薄膜一侧朝向光刻胶表面，并让浸没液体将铝掩模板的附加铝薄膜和光刻胶连接在一起；
所述的铝掩模板的附加铝薄膜表面与光刻胶表面的距离为大于或等于5nm，且小于或等于50nm；
10)用单色平行光垂直照射铝掩模板，完成曝光；
所述的曝光过程的曝光时间根据商用光刻胶的说明书的曝光参数确定，优选地，曝光时间控制在5秒至4分钟的范围内；
11)对光刻胶进行显影，得到光刻图形；
所述的显影过程的显影时间根据商用光刻胶显影液的说明书的显影参数确定，优选地，曝光时间控制10秒至90秒的范围内。
本发明所利用的表面等离激元的波长与步骤5)中附加铝薄膜的厚度满足步骤5)中所述的定量关系，因此，可以通过改变附加铝薄膜的厚度来改变表面等离激元的波长。由于光刻图形的特征尺寸是表面等离激元的波长的四分之一，光刻图形的周期是表面等离激元的波长的二分之一，因此，本发明可以通过改变附加铝薄膜的厚度来改变光刻图形的分辨率和周期。当附加铝薄膜的厚度减小时光刻图形的特征尺寸变小，并且光刻图形的周期也变小。当附加铝薄膜的厚度增大时光刻图形的特征尺寸变大，并且光刻图形的周期变大。因此，本发明可以在照明波长不变的条件下，可以调节光刻图形的特征尺寸和周期。这有利于提高表面等离激元干涉光刻技术的加工能力，可以制作不同周期的纳米线阵列或者光栅。另外，本发明由于使用了浸没液体，确保了光刻胶和掩模板之间没有直接接触，避免了光刻胶对掩模板的污染和破坏，也便于快速更换不同的光刻胶基底，从而实现高效地、大批量地在不同基底上制作纳米线阵列或者光栅。
附图说明
图1是本发明实施例中采用传统半导体工艺制作的铝掩模板的结构示意图；
图2是本发明实施例中带有附加薄膜的铝掩模板的结构示意图；
图3是本发明实施例中曝光过程的示意图；
图4是本发明实施例中显影后得到的周期性纳米线阵列的结构示意图。
图中：1代表石英平板；2代表铝掩模板；3代表PMMA；4代表MgF2薄膜或者SiO2薄膜；5代表附加铝薄膜；6代表水或者商用浸没液HIL2001；7代表光刻胶AR237J；8代表光刻胶基底上的铝薄膜；9代表光刻胶基底；10代表波长为193nm的平面光波。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
实施例1，制作一个线宽21nm、周期42nm的纳米线阵列图形。
1)在石英玻璃平板表面用磁控溅射镀一层厚度为40nm的铝膜，再用聚焦离子束光刻技术制作出线宽50nm、周期84nm的光栅，完成铝掩模板的制作，如图1所示；
2)在铝掩模板上旋涂一层厚度为15nm的聚甲基丙烯酸甲(PMMA)；
3)静置步骤2)中的PMMA至其完全固化；
4)在PMMA表面用磁控溅射镀一层厚度为15nm的MgF2薄膜作为附加介质薄膜；
5)在附加介质薄膜表面用磁控溅射再镀一层厚度为20nm的铝薄膜作为附加铝薄膜，得到带有附加薄膜的铝掩模板结构，如图2所示；
6)在光刻胶基底上用磁控溅射镀一层厚度为50nm的铝薄膜；
7)在光刻胶基底的铝薄膜表面旋涂一层厚度为50nm的AR237J光刻胶，并将光刻胶在90摄氏度预烘3分钟；
8)在光刻胶表面滴上水，并使水覆盖整个光刻胶表面；
9)将铝掩模板放置到光刻胶表面上方，将铝掩模板的附加铝薄膜一侧朝向光刻胶表面，并让浸没液体将铝掩模板的附加铝薄膜和光刻胶连接在一起，使附加铝薄膜表面与光刻胶表面的距离为20nm；
10)用波长为193nm的单色平行光垂直照射掩模板，如图3所示，曝光时间为50秒；
11)用AR237J光刻胶的显影液对光刻胶进行显影，得到线宽为21nm、周期为42nm的图形结构，如图4所示。
实施例2，制作一个线宽16nm、周期32nm的纳米线阵列图形。
1)在石英玻璃平板表面用磁控溅射镀一层厚度为30nm的铝膜，再用聚焦离子束光刻技术制作出线宽30nm、周期64nm的光栅，完成铝掩模板的制作，如图1所示；
2)在铝掩模板上旋涂一层厚度为15nm的聚甲基丙烯酸甲(PMMA)；
3)静置步骤2)中的PMMA至其完全固化；
4)在PMMA表面用磁控溅射镀一层厚度为10nm的SiO2薄膜作为附加介质薄膜；
5)在附加介质薄膜表面用磁控溅射再镀一层厚度为15nm的铝薄膜作为附加铝薄膜，得到带有附加薄膜的铝掩模板结构，如图2所示；
6)在光刻胶基底上用磁控溅射镀一层厚度为40nm的铝薄膜；
7)在光刻胶基底的铝薄膜表面旋涂一层厚度为30nm的AR237J光刻胶，并将光刻胶在90摄氏度预烘2分钟；
8)在光刻胶表面滴上商用浸没液HIL2001，并使HIL2001覆盖整个光刻胶表面；
9)将铝掩模板放置到光刻胶表面上方，将铝掩模板的附加铝薄膜一侧朝向光刻胶表面，并让浸没液体将铝掩模板的附加铝薄膜和光刻胶连接在一起，使附加铝薄膜表面与光刻胶表面的距离为15nm；
10)用波长为193nm的单色平行光垂直照射铝掩模板进行曝光，如图3所示，曝光时间为60秒；
11)用AR237J光刻胶的显影液对光刻胶进行显影，得到线宽为16nm、周期为32nm的图形结构，如图4所示。
注意，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种分辨率可调的浸没式表面等离激元干涉光刻方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在玻璃平板表面制作铝掩模板；
2)在铝掩模板上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲(PMMA)；
3)静置步骤2)中的PMMA至其完全固化；
4)在PMMA表面镀一层附加介质薄膜；
5)在介质薄膜表面再镀一层附加铝薄膜；
6)在光刻胶基底上镀一层厚度大于20nm的铝薄膜；
7)在光刻胶基底的铝薄膜表面旋涂一层光刻胶，并将光刻胶烘干；
8)在光刻胶表面滴上浸没液体；
9)将铝掩模板放置到光刻胶表面上方，将铝掩模板的附加铝薄膜一侧朝向光刻胶表面，并让浸没液体将铝掩模板的附加铝薄膜和光刻胶连接在一起；
10)用单色平行光垂直照射铝掩模板，完成曝光。
11)对光刻胶进行显影，得到光刻图形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中玻璃平板的材料为石英玻璃或K9玻璃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中铝掩模板的结构为光栅结构，该光栅结构的周期是目标加工图形的周期的偶数倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中铝掩模板的厚度大于或等于20nm，且小于或等于400nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中PMMA的厚度大于或等于5nm，且小于或等于50nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中附加介质薄膜的材料为SiO2或者MgF2。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中附加介质薄膜的厚度大于或等于5nm，且小于或等于40nm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中附加铝薄膜的厚度大于或等于5nm，且小于或等于60nm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤8)中浸没液体为水或者商用光刻浸没液体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤9)中铝掩模板的附加铝薄膜表面与光刻胶表面的距离为大于或等于5nm，且小于或等于50nm。
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