CN110333565A - 金属纳米光栅及其纳米压印制备方法和显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属纳米光栅及其纳米压印制备方法和显示装置。通过干法刻蚀工艺刻蚀压印胶光栅沟槽内的残胶，平整又耐刻蚀的硬掩膜层能够保证压印胶掩膜层中不同厚度的残胶被去除干净，同时对具有不同刻蚀选择比的胶掩膜与硬掩膜之间的多次转移操作，在硬掩膜层耐刻蚀条件下，实现对胶层更高的刻蚀速率，可以较大程度提高纳米光栅图形的图像精细程度，获得较大深宽比的纳米光栅图形结构。本发明可控性好，可重复性操作，尤其适用于制作半导体光栅器件、光子晶体等纳米图形结构。
Description
技术领域
本发明属于纳米图形制备技术领域，尤其涉及一种金属纳米光栅及其纳米压印制备方法和显示装置。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
金属纳米光栅是纳米尺寸的单元呈现周期性变化的一维金属结构，如周期性凹槽阵列、狭缝阵列等。当其金属表面电子受到外界电磁场激发时会发生震荡，在亚波长范围形成高能量密度的特性，表现出强烈的表面等离子体共振现象。金属纳米光栅在表面增强的拉曼散射、荧光增强、信号探测、亚波长范围的聚焦、光波导和偏振器等领域有着广泛的应用，因而引起了越来越多研究者的兴趣。能够应用于可光见光谱范围的金属纳米光栅的周期较小，其加工制作比较困难而且费用较高。在下一代图形转移技术中，电子束直写、X射线曝光和纳米压印技术占有重要地位。其中纳米压印技术具有产量高、成本低和工艺简单的优点，是纳米尺寸电子器件的重要制作技术。随着纳米压印技术等微加工工艺的发展，用于各种波段的金属纳米光栅被制作出来。
纳米压印技术是在纳米尺度获得复制结构的一种成本低而速度快的方法，它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图案结构，而且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。适合于金属纳米光栅朝着大面积、低成本、微纳尺寸和集成化的方向发展。
采用直接机械接触式热压印方式的传统的纳米压印技术，会导致转移图形部分区域因为没有直接接触到压印模板而造成图形不完整，也即压印质量的降低。同时高昂成本的压印模板在采用直接机械接触式的压印后会降低使用寿命。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有技术中，采用直接机械接触式热压印方式的传统的纳米压印技术，会导致转移图形部分区域因为没有直接接触到压印模板而造成图形不完整，也即压印质量的降低。同时高昂成本的压印模板在采用直接机械接触式的压印后由于磨损会降低使用寿命。
解决上述技术带来的意义为：
而采用在压印胶掩模层表面沉积硬掩模层的方法，可以有效保护压印胶掩模层的结构信息，以实现纳米光栅的大面积制备。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种金属纳米光栅及其纳米压印制备方法和显示装置。本发明一实施例提供了金属纳米光栅的纳米压印制备方法，包括：
步骤一，提供具有第一纳米压印图形的第一模板；
步骤二，提供基片、位于所述基片上的金属层和位于所述金属层上的压印胶层；
步骤三，根据所述第一模板对所述压印胶层进行压印，使得所述压印胶层形成与所述第一纳米压印图形相对应的纳米图案；
步骤四，以所述纳米图案为掩模版对所述金属层进行刻蚀，以形成金属纳米光栅，其中包括在所述纳米图案上沉积第一掩膜层，根据所述第一掩膜层对所述金属层进行刻蚀。
在本发明的一实施例中，所述步骤一包括：
步骤a：通过光刻工艺，制作第二模板，使得所述第二模板包括第二纳米压印图形；以及
步骤b：根据所述第二模板对所述第一模板进行压印，使得所述第一模板包括所述第一纳米压印图形，其中，所述第一模板的硬度比所述第二模板低。
在本发明的一实施例中，所述第二模板为硬模版，以及所述第一模板为软模板。
依据本发明的一实施例，在步骤三中，根据所述第一模板对所述压印胶层进行压印的方法包括：紫外光曝光。
依据本发明的一实施例，在步骤四中，以所述纳米图案为掩模版对所述金属层进行刻蚀的方法选自下列至少一者：反应离子刻蚀及感应等离子刻蚀。
依据本发明的一实施例，在步骤四中，在所述纳米图案上沉积第一掩膜层的方法选自下列至少一者：磁控溅射、低温化学气相沉积。
依据本发明的一实施例，在所述步骤四之后，所述方法还包括：利用湿蚀刻的方法去除剩余的所述压印胶层。
依据本发明的一实施例，所述的金属层的厚度在10nm-100nm。
本发明的另一实施例提供一种利用所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属纳米光栅。
本发明的另一实施例提供一显示装置，包括利用所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属光栅。
综上所述，本发明实施例的优点及积极效果为：
本发明实施例通过干法刻蚀工艺刻蚀压印胶光栅沟槽内的残胶，平整又耐刻蚀的硬掩膜层能够保证压印胶掩膜层中不同厚度的残胶被去除干净，同时对具有不同刻蚀选择比的胶掩膜与硬掩膜之间的多次转移操作，在硬掩膜层耐刻蚀条件下，实现对胶层更高的刻蚀速率，可以较大程度提高纳米光栅图形的图像精细程度，获得较大深宽比的纳米光栅图形结构。本发明可控性好，可重复性操作，适用于制作半导体光栅器件纳米图形结构。
采用本发明实施例提供的方法，可以将可以压印胶掩膜层的残胶去除干净而不损伤光栅结构，再经过刻蚀可以在基底材料表面制备出线宽50纳米、深度250纳米、面积达到两英寸的金属纳米光栅结构。而传统的纳米压印制备光栅工艺和残胶去除方法会导致压印胶掩膜层结构信息丢失，从而限制光栅结构的面积，制备的光栅结构面积普遍小于1cm2。
附图说明
图1是本发明实施例提供的制作第二模板(软模板)的示意图；
图中：100、第一模板(硬模板)；101、第二模板(软模板)；201、基片；202、金属层；2002、金属光栅层；203、压印胶层；2003、压印胶掩膜层；204、第一掩膜层(硬掩膜层)；2004、减薄的硬掩膜层。
图2是本发明实施例提供的基片上各膜层形成的示意图；
图3A至3E是本发明实施例提供的纳米压印方法的各个工艺步骤的示意图。
图4是依据本发明一实施例的显示设备示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
按照本发明的纳米压印方法通过多层掩膜刻蚀工艺，在多层刻蚀速率快的软掩膜和刻蚀速率慢的硬掩膜作用下，将第一模板(硬模板)上的纳光栅图形转移到金属层上，制备得到大面积、均匀性好的金属纳米光栅结构。这种纳米光栅结构在半导体激光器、高有效折射率差光波导以及光子晶体等器件上有着广泛的应用价值。
据此，参见图1、图2、及图3A至3E，本发明提供一种金属纳米光栅的纳米压印制备方法，包括：
步骤一，提供具有第一纳米压印图形的第一模板101，如图1所示。
继续参见图1，在本发明的一实施例中，步骤一包括：
步骤a：通过光刻工艺，制作第二模板101，使得所述第二模板101包括第二纳米压印图形；以及
步骤b：根据所述第二模板101对所述第一模板101进行压印，使得所述第一模板101包括所述第一纳米压印图形，其中，所述第一模板101的硬度比所述第二模板101低。
参见图1，依据本发明的一具体实施例，在步骤一中，本发明实施例提供的制作第二模板(软模板)中，利用电子束曝光技术直接制备出深宽比在1.2以下的第一模板(硬模板)100，有利于将模板上的图形转移至第二模板(软模板)101和后续压印胶层203上。具体通过控制压印过程中的温度和压力，采用热压印的方式将图形转移至聚合物表面形成第二模板(软模板)101，聚合物可选为聚甲基丙烯酸甲酯或者聚二甲基硅氧烷等材料，之后逐渐撤去压力和降温至室温下得到所需第二模板(软模板)101。在本发明的一实施例中，所述第二模板为硬模版，以及所述第一模板为软模板。
步骤二，提供基片201、位于所述基片201上的金属层202和位于所述金属层202上的压印胶层203，如图2所示。
参见图2，依据本发明的一具体实施例，在所述步骤二中，首先对平整的基片201进行表面清洗和干燥前处理，基片201可选为玻璃、硅片、磷化铟片、砷化镓片等；接着，在其表面上通过电子束蒸镀等工艺镀上一层金属层202，例如镍、铬、铝等材料；然后在金属层202表面旋涂一层压印胶层203，压印胶层203可选为mr-NIL6000等材料，并对其执行紫外压印，该层厚度可根据最终所需底胶掩膜图形深度来确定。最终形成如图2所示的堆叠结构。
步骤三，根据所述第一模板100对所述压印胶层203进行压印，使得所述压印胶层203形成与所述第一纳米压印图形相对应的纳米图案2003；
步骤四，以所述纳米图案2003为掩模版对所述金属层202进行刻蚀，以形成金属纳米光栅2002，其中包括在所述纳米图案2003上沉积第一掩膜层204，根据所述第一掩膜层204对所述金属层202进行刻蚀。
依据本发明的一实施例，在步骤三中，根据所述第一模板100对所述压印胶层203进行压印的方法包括：紫外光曝光。
依据本发明的一实施例，在步骤四中，以所述纳米图案2003为掩模版对所述金属层202进行刻蚀的方法選自下列至少一者：反应离子刻蚀及感应等离子刻蚀。
依据本发明的一实施例，在步骤四中，在所述纳米图案2003上沉积第一掩膜层204的方法選自下列至少一者：磁控溅射、低温化学气相沉积。
依据本发明的一实施例，所述的金属层202的厚度在10nm-100nm。
根据所述第一模板101对所述压印胶层203进行压印，使得所述压印胶层203包括纳米图案，所述纳米图案与所述第一纳米压印图形相对应，所述纳米图案包括贯穿所述压印胶层203的顶面的凹槽，并且在所述纳米图案的顶面上形成第一掩膜层204，其中根据所述第一掩膜层204对所述金属层202进行刻蚀，使得所述金属层202包括金属纳米光栅，如图3A至3D所示。
参见图3A至3D，依据本发明的一具体实施例，在步骤三中，首先利用所制得的纳米图形第二模板(软模板)101，通过紫外曝光的方式在压印胶层203上形成所需的纳米图形，平整的压印胶层203转变成具有纳米光栅结构的压印胶掩膜层2003，此步完成后会在压印胶掩膜层2003的光栅沟槽中留下部分残胶有待去除；然后通过磁控溅射、低温化学气相沉积(PECVD)等工艺在生成的压印胶掩膜层2003表面沉积第一掩膜层(硬掩膜层)204，第一掩膜层(硬掩膜层)204材料可选为二氧化硅、氮化硅、金属铝或金属铬等材料，厚度在10-100nm之间。
接下来是多次的干法刻蚀步骤，首先以第一硬掩膜层204为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀压印胶掩膜层2003中的残胶，平整又耐刻蚀的第一硬掩膜层204能够保证压印胶掩膜层2003中不同厚度的残胶被去除干净，而将刻蚀停止在金属材料层202表面；
然后以第一硬掩膜层204和压印胶掩膜层2003为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀金属层202，金属材料蚀刻出具有纳米光栅结构层2002。刻蚀停止在基片201表面。第一硬掩膜层204存在可避免压印胶掩膜层2003出现底部、侧壁蚀刻现象。刻蚀金属层202的同时也会造成第一硬掩膜层204的刻蚀，从而引起第一硬掩膜层204的变薄并形成减薄的硬掩膜层2004。
如图3E所示，依据本发明的其他实施例，依据本发明的一实施例，在所述步骤四之后，还包括：利用湿刻蚀的方法去除剩余的所述压压印胶掩膜层2003。
最后，利用溶液去除减薄的硬掩膜层2004、压印胶掩膜层2003，形成金属层202转变成具有均匀纳米光栅结构的金属光栅层2002。
在本发明的实施例中，由于磁控溅射、低温化学气相沉积(PECVD)等工艺中的粒子在沉积过程中无法进入到纳米尺寸光栅沟槽内部而停留在其表面，故而获得了形成于压印胶掩膜层2003表面的第一掩膜层(硬掩膜层)204；接下来是多次的干法刻蚀步骤，首先以第一掩膜层(硬掩膜层)204为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀压印胶掩膜层2003中的残胶，平整又耐刻蚀的第一掩膜层(硬掩膜层)204能够保证压印胶掩膜层2003中不同厚度的残胶被去除干净，而将刻蚀停止在金属层202表面；然后以第一掩膜层(硬掩膜层)204和压印胶掩膜层2003为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀金属层202，金属层202转变成具有纳米光栅结构的金属光栅层2002，刻蚀停止在基片201表面，与此同时，刻蚀金属层202的同时也会造成第一掩膜层(硬掩膜层)204的刻蚀，从而引起第一掩膜层(硬掩膜层)204的变薄并形成减薄的第一掩膜层(硬掩膜层)2004。最终金属层202转变成具有均匀纳米光栅结构的金属光栅层2002。
因此，按照本发明的纳米压印方法通过多层掩膜刻蚀工艺，在多层刻蚀速率快的软掩膜和刻蚀速率慢的硬掩膜作用下，将第一模板(硬模板)上的纳光栅图形转移到金属层上，制备得到大面积、均匀性好的金属纳米光栅结构。这种纳米光栅结构在半导体激光器、高有效折射率差光波导以及光子晶体等器件上有着广泛的应用价值。在本发明的一具体实施例中，选用线宽50纳米、深宽比为2:1的纳米光栅硅模板在两英寸玻璃基片的表面制备出线宽50纳米、深度250纳米的铝光栅结构。
在本发明的一实施例中，所述第一模板101的材料可包括下列至少一者：聚甲基丙烯酸甲酯或者聚二甲基硅氧烷材料。
在本发明的一实施例中，所述的金属层202的材料可包括下列至少一者：镍、铬、及铝，厚度在10nm-100nm。
根据上述原则，在本发明一具体实施例中，先采用热压印的方法，将硅模板的图案转移到IPS第二模板(软模板)上，得到线宽50纳米的IPS纳米光栅第二模板(软模板)；接着在目标玻璃片上使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行表面清洗和200度干燥处理，接着采用电子束蒸镀工艺在玻璃基片表面镀上一层金属铝，厚度为250nm，接着在铝膜表面旋涂一层100纳米厚mr-NIL6000.1E热紫外压印胶；然后采用热紫外压印的方法，将经复制的IPS纳米光栅第二模板(软模板)图形转移到mr-NIL6000.1E热紫外压印胶的表面；最后再通过多次感应等离子刻蚀工艺制得大面积纳米光栅结构。首先通过磁控溅射在mr-NIL6000.1E紫外压印胶掩模层的表面溅射一层10纳米金属铬作为硬掩模层，金属铬只会沉积在光栅结构外表面而无法进入孔道结构之中，接下来以最上层的金属铬为掩模板，采用反应离子刻蚀去除压印胶掩模层的残胶，然后以金属铬以及mr-NIL6000.1E压印胶作为掩模板刻蚀下面的铝膜。掩模层可以通过丙酮等有机溶剂去除，最终得到线宽50纳米、深度250纳米的铝光栅结构。
本发明实施例的目的包括：提供一种利用所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属纳米光栅；提供一种半导体，包括利用所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属光栅；提供一种显示面板，包括利用所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属光栅；以及提供一种显示装置10，如图4所示，图4是依据本发明一实施例的显示设备示意图。所述显示装置可以为笔记本、电脑、电视、或其他携带式显示器等。包括利用所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属光栅20。
本发明实施例通过干法刻蚀工艺刻蚀压印胶光栅沟槽内的残胶，平整又耐刻蚀的硬掩膜层能够保证压印胶掩膜层中不同厚度的残胶被去除干净，同时对具有不同刻蚀选择比的胶掩膜与硬掩膜之间的多次转移操作，在硬掩膜层耐刻蚀条件下，实现对胶层更高的刻蚀速率，可以较大程度提高纳米光栅图形的图像精细程度，获得较大深宽比的纳米光栅图形结构。本发明可控性好，可重复性操作，适用于制作半导体光栅器件纳米图形结构。
采用本发明实施例提供的方法，可以将可以压印胶掩膜层的残胶去除干净而不损伤光栅结构，再经过刻蚀可以在基底材料表面制备出线宽50纳米、深度250纳米、面积达到两英寸的金属纳米光栅结构。而传统的纳米压印制备光栅工艺和残胶去除方法会导致压印胶掩膜层结构信息丢失，从而限制光栅结构的面积，制备的光栅结构面积普遍小于1cm2。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于，所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法包括：
步骤一，提供具有第一纳米压印图形的第一模板；
步骤二，提供基片、位于所述基片上的金属层和位于所述金属层上的压印胶层；以及
步骤三，根据所述第一模板对所述压印胶层进行压印，使得所述压印胶层形成与所述第一纳米压印图形相对应的纳米图案；
步骤四，以所述纳米图案为掩模版对所述金属层进行刻蚀，以形成金属纳米光栅，其中包括在所述纳米图案上沉积第一掩膜层，根据所述第一掩膜层对所述金属层进行刻蚀。
2.如权利要求1所述的金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤a：通过光刻工艺，制作第二模板，使得所述第二模板包括第二纳米压印图形；以及
步骤b：根据所述第二模板对所述第一模板进行压印，使得所述第一模板包括所述第一纳米压印图形，其中，所述第一模板的硬度比所述第二模板低。
3.如权利要求3所述的金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于，所述第二模板为硬模版，以及所述第一模板为软模板。
4.如权利要求1所述的金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于，在步骤三中，根据所述第一模板对所述压印胶层进行压印的方法包括：紫外光曝光。
5.如权利要求1所述的金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于，在步骤四中，以所述纳米图案为掩模版对所述金属层进行刻蚀的方法选自下列至少一者：反应离子刻蚀及感应等离子刻蚀。
6.如权利要求1所述的金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于，在步骤四中，在所述纳米图案上沉积第一掩膜层的方法选自下列至少一者：磁控溅射、低温化学气相沉积。
7.如权利要求1所述的金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于：在所述步骤四之后，所述方法还包括：利用湿蚀刻的方法去除剩余的所述压印胶层。
8.如权利要求1所述的金属纳米光栅的纳米压印制备方法，其特征在于，所述的金属层的厚度在10nm-100nm。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属纳米光栅。
10.一种显示装置，包括利用权利要求1-8任一项所述金属纳米光栅的纳米压印制备方法制备的金属光栅。
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