CN110244520A - 用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法 - Google Patents

用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，包括：硅片涂胶步骤：在硅片表面进行涂布电子束光刻胶；电子束曝光显影步骤：对涂布有电子束光刻胶的硅片进行两次直写曝光并显影，得到至少两个相互垂直交叠的矩形图案；热回流步骤：对显影后的硅片进行加热；刻蚀步骤：对热回流后的硅片进行刻蚀。本发明通过使用电子束曝光临近效应以及热回流的方法，将制作纳米柱转化为直写光栅，使直写1mm2图形时间降低到20分钟，降为原来的1/80，极大地提高了图形直写效率。

Description

用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，具体地，涉及用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法。
背景技术
纳米柱作为常见的纳米结构，其广泛应用于各类传感器、太阳能电池、衍射光学原件。小尺寸高密度的半导体硅纳米柱，在特定波段激光的照射下可实现很高的局部电磁增强。
刘静等人在公开号为CN103390657A的专利中公开了通过纳米岛光刻技术和等离子体刻蚀技术，使用氯化铯纳米岛实现硅纳米柱的加工，但是圆柱直径较大(350纳米)，且圆柱边缘质量较差。杨绍光等人在公开号为CN1278024A的专利中公开了通过阳极氧化法制备处直径只有30纳米的铝纳米柱，但圆柱的均匀性较差。
电子束光刻(EBL，electron beam lithography)作为亚10nm图形加工的主要手段，可用于加工小尺寸高精度纳米柱。但其逐点曝光的工作原理使得其加工的时间以及成本居高不下。EBL的工作时间主要由：电子枪移动时间和电子束直写时间两部分组成。使用EBL加工纳米柱可以通过使用正胶和负胶两种途径。正胶曝光纳米柱周围部分，曝光面积较大；负胶直接曝光纳米柱部分，曝光面积较小。但是常用的EBL负胶HSQ的曝光计量是常用正胶PMMA的20倍以上。因此相同加工图形，使用正胶加工成本更低。
相比于线条和方块等直角结构，圆柱结构由于其边缘为曲线，电子枪需要进行多次移动并开关，大大增加了图形的曝光时间。同样面积的圆柱和光栅图形，前者直写时间往往是后者几十或者上百倍。使用EBL制作一块面积为1mm*1mm直径为150nm周期为300nm的圆柱，为保证图形质量，直写时间高达26小时。
因此开发一种可以快速曝光纳米圆柱的方法十分必要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法。
根据本发明提供的一种用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，包括：
硅片涂胶步骤：在硅片表面进行涂布电子束光刻胶；
电子束曝光显影步骤：对涂布有电子束光刻胶的硅片进行两次直写曝光并显影，得到至少两个相互垂直交叠的矩形图案；
热回流步骤：对显影后的硅片进行加热；
刻蚀步骤：对热回流后的硅片进行刻蚀。
优选地，在所述硅片涂胶步骤之前还包括：
硅片清洗步骤：将硅片放入清洗溶液中加热，然后进行超声波清洗。
优选地，所述清洗溶液包括H2SO4:H2O2＝3:1溶液，加热10分钟，超声波清洗采用先丙酮后异丙醇，超声波清洗各5分钟。
优选地，所述硅片涂胶步骤之前还包括：对硅片进行表面改性处理。
优选地，所述硅片涂胶步骤中所涂布的电子束光刻胶的厚度为200nm。
优选地，所述硅片涂胶步骤中，涂布光刻胶时所述硅片的转速为4000rpm，并进行150℃烘烤60s。
优选地，所述电子束曝光显影步骤中每次直写曝光的图形为一个矩形或至少两个矩形组成的光栅图形。
优选地，所述电子束曝光显影步骤中，电子束步长为20nm，曝光剂量220μC/cm2,曝光电流15nA；
所述显影采用先甲基异丁基甲酮显影70s后异丙醇显影60s。
优选地，所述热回流步骤包括：将显影后的硅片放置于150摄氏度的热板，烘烤1至5分钟。
优选地，所述刻蚀步骤包括：采用SPTS反应离子式深硅刻蚀机，刻蚀气体包括SF6，保护气体包括C4F8，刻蚀深度170nm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过使用电子束曝光临近效应以及热回流的方法，将制作纳米柱转化为直写光栅，使直写时间降低到20分钟，降为原来的1/80，极大地提高了图形直写效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的流程图；
图2为电子束曝光时邻近效应示意图；
图3为传统电子束直接曝光圆柱的示意图；
图4为本发明两次直写曝光的示意图；
图5为本发明曝光显影后的扫描电子显微镜图；
图6为本发明热回流1分钟后的扫描电子显微镜图；
图7为本发明热回流3分钟后的扫描电子显微镜图；
图8为本发明热回流5分钟后的扫描电子显微镜图；
图9为本发明实施例1刻蚀后的扫描电子显微镜俯视图；
图10为本发明刻蚀后倾斜45度的扫描电子显微镜俯视图；
图11为本发明化学表面平坦化后的扫描电子显微镜图；
图12为本发明实施例2刻蚀后的扫描电子显微镜俯视图；
图13为本发明实施例3刻蚀后的扫描电子显微镜俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，包括：
硅片涂胶步骤：在硅片2表面进行涂布电子束光刻胶1；
电子束曝光显影步骤：对涂布有电子束光刻胶的硅片进行两次直写曝光并显影，得到至少两个相互垂直交叠的矩形图案；
热回流步骤：对显影后的硅片进行加热；
刻蚀步骤：对热回流后的硅片进行刻蚀。
实施例1：
1.硅片的清洗涂胶：
将硅片放入浓H2SO4:H2O2＝3:1溶液中90℃加热10分钟。之后用丙酮超声5分钟，异丙醇超声5分钟。
涂胶：涂胶前使用氧等离子去胶机处理30s,进行表面改性。使用All resist系列AP 6200.09电子束光刻胶(正胶)，转速4000rpm，烘烤150℃60s，胶最终厚度为200nm左右。
2.EBL曝光：
由于EBL发射的电子会发生前向散射和背向散射，电子会扩散到曝光图形以外的区域，这种效应叫临近效应，如图2所示。在使用相同加速电压、光刻胶的情况下，电子散射的区域主要由曝光电流大小(I)和曝光剂量(Dose)两个参数决定。电流越大曝光剂量越高，电子散射越严重，曝光图形展宽现象越明显。
因此利用EBL这种性质，可以将圆柱的曝光由原来的曝光圆柱周围的多边形，转换为直写两次垂直交叠的光栅图形。现有的EBL曝光图形的时候是将曝光图形分割为多个梯形，图3中，在圆柱曝光区域边缘部分，为了保证圆柱的质量，图形分割相比于其他区域更加精细。在曝光更精细分割的部分，电子枪的开关次数和移动次数成倍增加，导致曝光时间明显增加。本实施例图4是将曝光的圆柱图形转化为曝光两次垂直交叠光栅图形示意图。两个方向的光栅是在同一次制作中分别进行的两次曝光。由于EBL的临近效应与曝光剂量成正比，因此图形重叠的区域电子散射更加严重，曝光区域向外延伸，选择合适的曝光剂量和曝光电流，就可利用图4中的版图曝光出圆柱形。此时由于曝光图形只是两个垂直的矩形，图形分割简单，不存在精细分割的部分，电子枪移动和开关次数降到最低，因此直写时间大大降低。
本实施例中，版图设计圆柱直径为150nm，电子束步长(Beam step size)20nm,曝光剂量220μC/cm2,曝光电流15nA。显影：甲基异丁基甲酮(MIBK)70s,异丙醇(IPA)60s，显影后图形见图5。由于邻近效应，交叠的区域散射严重，原本设计的直角变为圆角。但仍然不是标准的圆柱图形。
3.热回流
将显影后的图形，放置于150℃热板上，分别烘烤1分钟,3分钟，5分钟，观察圆柱形貌。6200.09在150℃下受热熔化，熔化的光刻胶由于表面张力的作用，会在圆柱周围扩散成为一个标准的圆形透镜。烘烤1分钟、3分钟、5分钟的热回流结果分别见图6、7、8。热回流1分钟时，圆柱边缘回流不充分，边缘胶厚度过薄；热回流3分钟图形质量较好；热回流5分钟光刻胶扩散严重，圆柱之间相连。因此下面实验热回流时间均定为3分钟。
4.刻蚀
刻蚀设备：SPTS反应离子式深硅刻蚀机
刻蚀气体：SF6 保护气体：C4F8
刻蚀深度：170nm
刻蚀结果如图9中可见，热回流刻蚀后圆柱图形较好，优于热回流之前的图形质量。圆柱直径为156nm。但是从图10中可见，圆柱的顶部存在较多毛刺，该毛刺是由于热回流后光刻胶边缘较薄，刻蚀后光刻胶消耗殆尽，刻蚀速度存在差异造成的。毛刺的存在十分不利于纳米压印的脱模，因此接下来的部分采用化学方法对刻蚀后的圆柱表面进行平坦化。
5.化学表面平坦化
对硅圆柱进行化学表面平坦化分为两步，首先将刻蚀后的样品在浓H2SO4:H2O2＝3:1溶液中加热至80℃，氧化10分钟。将氧化后的样品放到稀释的HF溶液(HF：H2O＝1:1)中5分钟，将表面氧化的二氧化硅去除掉。重复上述步骤三次，样品表面平坦化结果见图11。从图中可以看出，表面平坦化后的Si圆柱表面毛刺消失，平坦化效果非常好。样品可以用做纳米压印模板。
实施例2
在实施例1的基础上，将EBL曝光改为：
版图设计圆柱直径为100nm,电子束步长(Beam step size 20nm),曝光剂量220μC/cm2,曝光电流15nA。显影：甲基异丁基甲酮(MIBK)70s,异丙醇(IPA)60s。
刻蚀后的图形见图12，圆柱直径为220nm。
实施例3：
其他步骤与实施例1相同。
2.EBL曝光：
版图设计圆柱直径为120nm,电子束步长(Beam step size)20nm,曝光剂量220μC/cm2,曝光电流15nA。显影：甲基异丁基甲酮(MIBK)70s,异丙醇(IPA)60s.
刻蚀后的图形见图13，圆柱直径为185nm。
所以可以通过调节版图直径来调节最后得到的样品直径。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，包括：
硅片涂胶步骤：在硅片表面进行涂布电子束光刻胶；
电子束曝光显影步骤：对涂布有电子束光刻胶的硅片进行两次直写曝光并显影，得到至少两个相互垂直交叠的矩形图案；
热回流步骤：对显影后的硅片进行加热；
刻蚀步骤：对热回流后的硅片进行刻蚀。
2.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，在所述硅片涂胶步骤之前还包括：
硅片清洗步骤：将硅片放入清洗溶液中加热，然后进行超声波清洗。
3.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述清洗溶液包括H2SO4:H2O2＝3:1溶液，加热10分钟，超声波清洗采用先丙酮后异丙醇，超声波清洗各5分钟。
4.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述硅片涂胶步骤之前还包括：对硅片进行表面改性处理。
5.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述硅片涂胶步骤中所涂布的电子束光刻胶的厚度为200nm。
6.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述硅片涂胶步骤中，涂布光刻胶时所述硅片的转速为4000rpm，并进行150℃烘烤60s。
7.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述电子束曝光显影步骤中每次直写曝光的图形为一个矩形或至少两个矩形组成的光栅图形。
8.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述电子束曝光显影步骤中，电子束步长为20nm，曝光剂量220μC/cm2,曝光电流15nA；
所述显影采用先甲基异丁基甲酮显影70s,后异丙醇显影60s。
9.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述热回流步骤包括：将显影后的硅片放置于150摄氏度的热板，烘烤1至5分钟。
10.根据权利要求1所述的用电子束光刻实现加工硅纳米圆柱的方法，其特征在于，所述刻蚀步骤包括：采用SPTS反应离子式深硅刻蚀机，刻蚀气体包括SF6，保护气体包括C4F8，刻蚀深度170nm。
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