CN109669323B - 一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，在硅基底或硅膜层上制备包含有介质层和金属层的共振腔结构，在共振腔结构上制备一层特殊感光材料。上层感光材料在一定传统干涉光刻照明条件下透过率或/和折射率发生明显变化，并在第二次照明中作为振幅型掩模光栅使用。硅基底/感光材料/金属层组成的共振腔结构可以激发表面等离子体效应，并在共振腔体内实现上层感光材料形成的振幅型掩模光栅高频横向波矢的干涉，从而实现大面积的超分辨光刻。该方法与传统的干涉光刻相结合，通过共振腔结构的二次干涉效应，可将传统干涉光刻的分辨力至少提高2倍，为百纳米量级以下特征尺寸的硅基功能器件的制备提供了一种廉价的、简单的方法。

Description

一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法
技术领域
本发明属于微纳光刻加工技术及微纳器件加工领域，具体涉及一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法。
背景技术
光的干涉是光波动性的基本特征。当两束光波的频率相同，振动方向相同，并且拥有固定不变的相位差时，就能形成稳定的明暗交替的干涉条纹。这种强度周期性变化的条纹如果记录在感光层上会呈现出厚度周期性变化的图样，从而实现“光刻”，激光干涉技术就是基于此种原理。该技术具有无需掩模，大视场，长焦深等特点，现广泛应用于很多纳米图形及纳米器件加工等领域。激光干涉技术的分辨力d＝λ/(2sinθ)，对比密集(L/S＝1：1)结构，干涉光刻的极限CD为λ/4。显然，想要获得更高的分辨力，只有采用更短的激发波长。
表面等离子体(surface plasmon，SP)是金属中的自由电子受到外界的电磁扰动，在金属和介质的表面产生集体振荡的行为。和自由空间中的光波相比，SP具有短波长特性。利用该特性，罗先刚课题组使用周期300nm，缝宽50nm的Ag光栅，在436nm工作波长下获得了周期100nm的干涉条纹。之后，有研究小组利用金属-介质-金属的共振腔模式增强了干涉条纹的对比度，将激发光源进一步缩小到193nm的时候，模拟仿真上可获得22nm的分辨力。金属-介质-金属的共振腔模式利用底层金属对倏逝波的进一步共振放大可实现高分辨力、高对比度的干涉图形，但是考虑到共振腔的共振作用，中间介质层的厚度一般在50nm及以下，这就为金属图形的传递带来了困难。因为就一般金属材料而言，其和光刻胶的刻蚀比都很低。因此本发明提出了利用硅基材料代替原有共振腔结构中的底层金属，本方法可以利用深硅刻蚀工艺直接制备硅基器件，同时也可以用硅作为中间传递刻蚀的掩蔽层实现其他材料的刻蚀制备。
另一方面，传统用于激发共振腔体中表面等离子体干涉的光栅是用电子束光刻或者聚焦离子束加工的，在大面积加工方面成本昂贵。在本发明中，利用廉价的激光干涉技术获得周期性的光场使特殊感光材料的透过率或/和折射率发生改变，进而用作第二次表面等离子体干涉光刻的激发光栅。最终利用表面等离子体的短波长特性获得分辨力为百纳米及以下的大面积干涉图形，因此本发明也提供了一种百纳米量级以下大面积硅掩模的廉价制备方法。
发明内容
本发明的要解决的技术问题为：
(1)、目前大面积纳米图形掩模加工大都采用电子束加工的方式，本发明提供了一种120nm及以下周期大面积密集掩模加工的替代技术，能解决大面积纳米图形加工昂贵的问题；
(2)、表面等离子体光刻虽能实现较高的分辨力，但大都采用接触的光刻模式，这样会带来掩模的污染和损伤问题，减小掩模的使用寿命；
(3)、表面等离子体光刻中，掩模与光刻基片均为硬质材料，即便在压力作用下接触，二者因面形的差异必然存在厚度不均的间隙分布，从而影响表面等离子体光刻的成像对比度，从而导致大面积图形光刻效果分布差异，甚至严重缺陷。
(4)、表面等离子体光刻中传统的共振腔一般由金属-介质-金属组成的腔体结构构成，在实际应用中需要刻蚀底层金属后才能实现功能材料的传递，这样会带来光刻线条线边缘粗糙度增大，也会带来一定的金属污染问题。
本发明采用的技术方案为：一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，利用特殊感光层材料和共振腔结构，经过两次干涉过程，在硅材料上形成大面积超分辨光刻图形。其中，特殊感光材料在第一次传统干涉光场照明中透过率或/和折射率发生变化，并在第二次照明过程中充当振幅型掩模光栅。
本发明两次干涉过程包括，第一次干涉光刻为传统的大面积激光干涉过程，第二次干涉为共振腔结构中形成的表面等离子体干涉过程。
本发明中共振腔结构由入射光方向往下依次由金属，介质，硅材料组成。
本发明中特殊感光层材料和共振腔结构中金属层的粘附性要优于共振腔结构中金属层和介质层的粘附性。
本发明中大面积超分辨光刻图形可以通过刻蚀工艺传递到硅材料上。
本发明中大面积超分辨光刻图形可以是一维也可以是二维，二维图形可以是点或者孔。其二维图形的获得包括但不限于对入射光偏振性的调控。
本发明中大面积超分辨光刻图形可以是周期一定，线宽均匀的图形或/和周期一定线宽变化的图形。线宽的均匀性可以通过包括但不限于调整共振腔内金属和介质的厚度实现。
本发明中共振腔内第二次表面等离子体干涉可以一次性实现二次、四次倍频。具体的由第一次干涉光刻的图形周期决定。
本发明中第一次传统干涉光刻所用的照明光源和第二次激发共振腔中的表面等离子体干涉的照明光源存在差异。该差异对应的特性包括和不限于，照明光源波长、照明光源强度、照明时间、偏振态、照明方向等，其作用在于确保第一次照明条件使特殊感光材料的透过率或/和折射率发生变化，并足以在第二次照明条件下形成正弦振幅型光场，且透过率或/和折射率不再发生变化。而第二次照明条件需使得共振腔中介质的化学或物理性质发生改变，以便记录或/和探测表面等离子体的干涉光场。
本发明共振腔结构中的金属层为在不同照明波长下激发表面等离子体的材料。在紫外可见光波段，可以为银、铝、金等。
本发明共振腔结构中的金属层可以根据设计所需干涉的高频横向波矢替换成金属和介质组成的多层材料。
本发明共振腔结构中的金属层可以替换成金属和介质组成的多层材料，以产生更高的横向波矢用于表面等离子体干涉。
本发明共振腔结构中的金属层的厚度需透过第二次照明光源且足以使共振腔中的介质层发生物理或/和化学反应。
本发明共振腔结构中的介质层为在第二次光照条件下发生化学或物理性质变化，以便记录或/和探测表面等离子体干涉光场的材料，包括但不限于光刻胶材料。同时介质层在第一次传统干涉光刻所用的照明光源下不发生任何原有性质的改变。
本发明共振腔结构中的介质层的厚度为能使共振腔中产生共振现象的厚度。
本发明共振腔结构中的硅材料可以根据需要设计为硅基底或者是硅薄膜。特别的，对硅基底的晶向和掺杂没有要求。
本发明中当共振腔结构中的硅材料为硅薄膜的时候，硅薄膜可以作为硬质掩蔽层传递后续的功能材料层。
本发明一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，具体步骤如下：
步骤1、在体硅材料上涂覆光刻胶；
步骤2、在光刻胶上蒸镀金属材料；
步骤3、在金属表面旋涂特殊感光层材料；
步骤4、利用大面积激光干涉光源照明步骤3获得的结构，使特殊感光层材料感光，形成一定周期图形；
步骤5、将步骤4所得的结构放到第二次照明条件下将共振腔结构中的光刻胶感光以获得表面等离子体干涉图形；
步骤6、将步骤5的结构进行显影获得光刻胶图形。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明利用传统的大面积激光干涉光刻技术结合特殊的感光材料，实现了短波长的表面等离子体波的二次干涉，从而获得了超分辨的光刻图形，在不采用提高数值孔径方法的情况下，可以将激光干涉光刻的分辨力提高至少2倍，为大面积纳米图形掩模加工,特别是120nm及以下周期掩模的加工提供了一种替代技术。
(2)、本发明提供了一种特殊的感光材料可以将大面积激光干涉的光场或者电子束加工的掩模透射光场转化成振幅型掩模光栅图形，提供了一种掩模复制的加工方式，通过二次加工的掩模使用，增加了原始掩模的使用寿命。
(3)、本发明使用的特殊感光材料是直接涂覆或者沉积在金属膜层上的，因此不存在面形引起的空气间隙缺陷，为大面积均匀的光刻图形的实现奠定了基础。
(4)、本发明提出的共振腔结构由金属-介质-硅组成，能够直接实现硅体材料的刻蚀，减少硅基器件加工的工艺步骤，提高了器件线边缘粗糙度等指标，也避免了金属污染。
附图说明
图1是传统干涉光刻光场照明特殊感光层材料示意图。
图2是特殊感光层材料形成振幅型掩模光栅示意图。
图3是第二次照明共振腔内介质层材料示意图。
图4是共振腔内介质层材料形成第二次倍频图形的示意图。
图5制备硅掩模或传递刻蚀其他功能材料的示意图。
图6实施例一中涉及的结构参数在光刻胶中获得的表面等离子体干涉光刻的COMSOL仿真图。
图7实施例二中以硅膜层和光刻胶掩蔽刻蚀层实现功能材料深刻蚀示意图。
图8实施例三中以硅膜层作为掩蔽层实现功能材料刻蚀示意图。
附图标记
1、体硅材料；
2、介质层；
3、金属层；
4、特殊感光材料；
5、传统干涉光刻照明光场；
6、特殊感光材料发生透过率或/和折射率变化的部分；
7、使共振腔体内介质层发生反应的第二次照明光场；
8、功能性材料；
9、硅膜层；
10、光刻胶掩蔽刻蚀层。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
实施例一：
本发明一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，具体步骤如下：
步骤1、在体硅材料1上涂覆25nm的光刻胶。
步骤2、在光刻胶上蒸镀15nm的铝。
步骤3、在铝表面旋涂50nm厚度的水溶性重氮盐p-diazodiphenylamine chloridezinc chloride(DZS)膜层。经过步骤3后形成的器件结构如图1所示。
步骤4、选择441.6nm波长的He-Cd激光器产生的干涉光源照明步骤3获得的结构，使水溶性重氮盐感光，光强为10mW/cm2，照明时间为250s，形成220nm周期图形，如图2所示。
步骤5、将步骤4所得的结构放到中心波长为365nm，加偏振片后光强为25mW/cm2的紫外LED光源下，曝光时间为100s，将共振腔结构中的PHS光刻胶感光以获得表面等离子体干涉图形，如图3和图4所示。
步骤6、将特殊感光材料和铝层用3M胶带去掉后，用AR300-35显影液对PHS光刻胶显影，从而获得110nm周期的光刻胶图形。光刻效果仿真图如图6所示。
其中，图1是传统干涉光刻光场照明特殊感光层材料示意图。利用传统干涉光刻光场5照明特殊感光材料4；图2是特殊感光层材料形成振幅型掩模光栅示意图。特殊感光材料4在光场强度最大的区域透过率和/或折射率发生改变6。图3是第二次照明共振腔内介质层材料示意图。第二次照明光场7照明特殊感光材料形成的振幅型光栅4，透过金属层3使共振腔结构中的介质层2感光。图4是共振腔内介质层材料形成第二次倍频图形的示意图；图5制备硅掩模或传递刻蚀其他功能材料的示意图。用硅膜层9替代原有共振腔结构中的体硅材料1，以硅膜层9作为硬质掩蔽层，实现其他功能性材料8的传递刻蚀。图6实施例一中涉及的结构参数在光刻胶中获得的表面等离子体干涉光刻的COMSOL仿真图。掩模周期为220nm，在金属-介质-硅的共振腔体中实现了110nm周期的干涉光刻图形。
实施例二：
本发明一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，具体步骤如下：
步骤1、在石英基底上沉积50nm的金膜层。
步骤2、在金膜层上涂覆120nm厚的AR-3170光刻胶。
步骤3、将步骤2获得的结构在烘箱里用100℃烘0.5个小时。
步骤4、烘烤过的步骤2获得的结构放到磁控溅射中，沉积20nm厚的硅膜层。
步骤5、在步骤4获得的结构上涂覆25nm的光刻胶。
步骤6、在光刻胶上蒸镀15nm的铝。
步骤7、在铝表面旋涂50nm厚度的水溶性重氮盐p-diazodiphenylamine chloridezinc chloride(DZS)膜层。
步骤8、选择441.6nm波长的He-Cd激光器产生的干涉光源照明步骤7获得的结构，使水溶性重氮盐感光，光强为10mW/cm2,照明时间为250s，形成220nm周期图形。
步骤9、将步骤8所得的结构放到中心波长为365nm，加偏振片后光强为25mW/cm2的紫外LED光源下，曝光时间为100s，将共振腔结构中的PHS光刻胶感光以获得表面等离子体干涉图形。
步骤10、将特殊感光材料和铝层用3M胶带去掉后，用AR300-35显影液对PHS光刻胶显影，从而获得110nm周期的光刻胶图形。
步骤11、以110nm周期的光刻胶图形为刻蚀掩蔽层利用反应离子刻蚀(RIE)传递刻蚀硅膜层。
步骤12、再以硅膜层为掩蔽刻蚀传递下层光刻胶AR-3170。
步骤13、以下层光刻胶AR-3170图形为掩蔽层实现功能材料的刻蚀传递，刻蚀示意图如图7所示。
步骤14、利用丙酮去除掉功能图形以上的结构，从而获得可用的功能结构。
图7实施例二中以硅膜层和光刻胶掩蔽刻蚀层实现功能材料深刻蚀示意图。介质层2中的光刻图形传递到硅膜层9上，再以硅膜层为掩蔽实现下层光刻胶10的传递，最后将图形传递到功能材料8上。
实施例三：
本发明一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，具体步骤如下：
步骤1、在石英基底上沉积50nm的银膜层。
步骤2、在银膜层上沉积20nm厚的硅膜层。
步骤3、在步骤2获得的结构上涂覆25nm的光刻胶。
步骤4、在光刻胶上蒸镀15nm的铝。
步骤5、在铝表面旋涂50nm厚度的水溶性重氮盐p-diazodiphenylamine chloridezinc chloride(DZS)膜层。
步骤6、选择441.6nm波长的He-Cd激光器产生的干涉光源照明步骤5获得的结构，使水溶性重氮盐感光，光强为10mW/cm2,照明时间为250s，形成220nm周期图形。
步骤7、将步骤6所得的结构放到中心波长为365nm，加偏振片后光强为25mW/cm2的紫外LED光源下，曝光时间为100s，将共振腔结构中的PHS光刻胶感光以获得表面等离子体干涉图形。
步骤8、将特殊感光材料和铝层用3M胶带去掉后，用AR300-35显影液对PHS光刻胶显影，从而获得110nm周期的光刻胶图形。
步骤9、以110nm周期的光刻胶图形为刻蚀掩蔽层利用反应离子刻蚀(RIE)传递刻蚀硅膜层。
步骤10、再以硅膜层为掩蔽RIE刻蚀传递功能材料，刻蚀示意图如图8所示。
步骤11、利用丙酮去除掉功能图形以上的结构，从而获得可用的功能结构。
图8实施例三中以硅膜层作为掩蔽层实现功能材料刻蚀示意图。介质层2中的光刻图形传递到硅膜层9上，再以硅膜层为掩蔽将图形传递到功能材料8上。

Claims (3)

1.一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：
超分辨光刻结构由入射光方向依次往下的特殊材料感光层和由金属层，感光介质层和硅材料层组成等离子体共振腔结构组成，而非传统的金属-介质-金属共振腔结构，无需传统金属掩模或覆盖有金属薄膜的介质掩模，无需实现掩模与基片间纳米级间隙控制；
光刻过程中需进行两次曝光，第一次曝光使得特殊感光材料层的折射率分布发生变化，从而导致透过率分布出现变化，并在第二次曝光过程中充当振幅型光栅掩模；更换照明条件进行第二次曝光，由第一次曝光得到的感光材料掩模激发下，共振腔结构内激发出表面等离子体模式并相互干涉，得到超分辨干涉光场。
2.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：两次曝光所需的照明光源存在差异，该差异对应的特性包括，照明光源波长、照明光源强度、照明时间、偏振态、照明方向，其作用在于确保第一次曝光时使特殊感光材料层的透过率分布发生变化，并足以在第二次曝光时充当振幅型光栅掩模，且透过率分布不发生明显变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：共振腔结构中的金属层材料可在紫外至可见光波段激发表面等离子体，包括银、铝、金。
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