CN110589756B - 曲面纳米结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种曲面纳米结构的制备方法。上述曲面纳米结构的制备方法包括如下步骤：在衬底上旋涂电子束抗蚀剂，形成抗蚀层；将抗蚀层进行曝光和显影，得到具有图案的抗蚀层；对衬底和具有图案的抗蚀层进行离子刻蚀，以使抗蚀层被刻蚀，并使衬底上形成曲面凹槽，得到曲面纳米结构。上述曲面纳米结构的制备方法工艺简单且能够得到具有光滑曲面的纳米结构。
Description
技术领域
本发明涉及纳米加工技术领域，特别是涉及一种曲面纳米结构的制备方法。
背景技术
纳米结构能够应用于生物探测器、太阳能器件和光学器件等领域中。为了提高器件或者材料的功能，传统的二维垂直刻蚀已经不能满足需求，具有三维曲面纳米结构的需求量很大。目前三维纳米结构的制备方法主要有两种：多次套刻和灰度曝光。多次套刻的工艺复杂，且难以得到纳米尺寸的结构。灰度曝光虽然工艺简单，但是很难适用于加工曲面纳米结构。
发明内容
基于此，有必要提供一种工艺简单且能够得到三维曲面纳米结构的曲面纳米结构的制备方法。
一种曲面纳米结构的制备方法，包括如下步骤：
在衬底上旋涂电子束抗蚀剂，形成抗蚀层；
将所述抗蚀层进行曝光和显影，得到具有图案的抗蚀层；及
对所述衬底和具有图案的所述抗蚀层进行离子刻蚀，以使所述抗蚀层被刻蚀，且使所述衬底上形成曲面凹槽，得到曲面纳米结构。
在其中一个实施例中，所述将所述抗蚀层进行曝光和显影，得到具有图案的所述抗蚀层的步骤中，所述图案的宽度至少为50nm，所述图案的间距至少为10nm。
在其中一个实施例中，所述将所述抗蚀层进行曝光和显影的步骤中，曝光剂量为1C/m2～10C/m2，显影液为体积比为1∶1～3∶1的异丙醇与甲基异丁基甲酮的混合液，显影时间为1分钟～5分钟。
在其中一个实施例中，所述抗蚀层的厚度至少为50nm。
在其中一个实施例中，所述抗蚀层的厚度为50nm～300nm。
在其中一个实施例中，所述电子束抗蚀剂选自聚甲基丙烯酸甲酯、德国Allresist的AR-P 6200及日本zeon的ZEP520中的一种。
在其中一个实施例中，所述对所述衬底和具有图案的所述抗蚀层进行离子刻蚀的步骤中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体，所述SF6的流量为6sccm～16sccm，所述CHF3的流量为60sccm～80sccm，刻蚀功率为100W～1200W。
在其中一个实施例中，所述对所述衬底和具有图案的所述抗蚀层进行离子刻蚀的步骤中，反应室压强为3mTorr～12mTorr。
在其中一个实施例中，所述在衬底上旋涂电子束抗蚀剂的步骤之前，还包括清洗所述衬底的步骤。
在其中一个实施例中，所述清洗所述衬底的步骤包括：先用SC1清洗液清洗所述衬底，再用SC2清洗液清洗所述衬底，其中，所述SC1清洗液包括体积比为1∶1∶(5～10)的NH4OH、H2O2及水，所述SC2清洗液包括体积比为1∶1∶(5～10)的HCl、H2O2及水。
上述曲面纳米结构的制备方法通过先在衬底上旋涂电子束抗蚀剂，并进行曝光和显影，形成具有图案的抗蚀层，然后对衬底和抗蚀层进行离子刻蚀，在离子刻蚀的初期，由于抗蚀层的保护，仅对衬底上未被抗蚀层保护的区域进行刻蚀，得到纳米结构的主体高度，随着离子刻蚀的进行，抗蚀层从边缘到中间逐渐损耗，从而使纳米结构曲面化，得到具有光滑曲面的纳米结构。上述曲面纳米结构的制备方法较传统的多次套刻的方法，工艺简单，且能够得到具有光滑曲面的纳米结构。
附图说明
图1为一实施方式的曲面纳米结构的制备方法的工艺流程图；
图2-a为图1所示的曲面纳米结构的制备方法的工艺流程图中步骤S150前的衬底和抗蚀层的示意图，图2-b、图2-c分别为步骤S150中离子刻蚀过程的初期，衬底和抗蚀层的示意图，图2-d为步骤S150中离子刻蚀过程的中期，衬底和抗蚀层的示意图，图2-e和图2-f为步骤S150中对衬底和具有图案的抗蚀层进行离子刻蚀后，所得到的曲面纳米结构的示意图；
图3-a为图1所示的曲面纳米结构的制备方法的工艺流程图中步骤S150前的衬底和图案宽度不同抗蚀层的示意图，图3-b为图3-a中的衬底和图案宽度不同的抗蚀层经离子刻蚀后所得到的曲面纳米结构的示意图；
图4为实施例1中利用软件绘制得到的曝光版图；
图5为实施例1中得到的曲面纳米结构的SEM图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明中较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用所有的技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
需要说明的是，在本文中，刻蚀功率指刻蚀过程中的射频源功率。
请参阅图1，一实施方式的曲面纳米结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：根据要制备的曲面纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
版图的绘制需要考虑宽度，因为版图的宽度大，也即曝光和显影后的抗蚀层的宽度大，抗蚀剂被完全刻蚀掉的时间就长。因此在相同的刻蚀条件下，宽度小的抗蚀层被完全消耗掉后，如果继续被刻蚀，图形被整体向下移动，所得到的纳米结构的深度较小。利用这个原理，可以设计不同宽度的图案，来形成不同深度的三维曲面纳米结构。
在本实施方式中，版图的宽度最小为50nm。而抗蚀层的最小厚度为50nm，因此形成的曲面纳米结构的最小尺寸为50nm。
绘制版图的时候还需要考虑图形的疏密度。具体地，刻蚀速率与图形疏密度的关系为：在图形密集的区域，反应离子的有效成分消耗得快，造成供给失衡，刻蚀速率下降。因此，图形密集区域刻蚀深度小于图形稀疏区域刻蚀深度。
利用L-Edit软件绘制版图的步骤可以为本领域常用的步骤，在此不再赘述。通过L-Edit软件绘制版图能够模拟得到版图的形状，以利于后续工艺。
步骤S120：清洗衬底。
具体地，步骤S120包括：先用SC1清洗液清洗衬底，再用SC2清洗液清洗衬底。其中，SC1清洗液包括NH4OH、H2O2及水。SC1清洗液中NH4OH、H2O2及水的体积之比为1∶1∶(5～10)。SC2清洗液包括HCl、H2O2及水。SC2清洗液中HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶(5～10)。
SC1清洗液能够去除衬底上的颗粒物质，SC2清洗液能够去除衬底上的重金属，以防止后续对纳米结构的制备造成污染。
在本实施方式中，衬底为硅衬底，在其他实施方式中，衬底还可以根据要制备的纳米结构的用途进行选择。
清洗衬底的步骤之后，将衬底放入BOE(Buffered Oxide Etch缓冲氧化物刻蚀剂)浸泡10s～30s，然后用水清洗衬底并将衬底干燥。最后进行烘烤。将衬底放入BOE中浸泡的作用是去掉衬底上的氧化物。
烘烤衬底的步骤中，烘烤温度为120℃～180℃，烘烤时间为1min～30min。烘烤衬底一方面能够除去清洗衬底过程中的水汽，另一方面还能够增加后续电子束抗蚀剂对衬底的粘附作用，使得到的纳米结构不容易从衬底上脱落。
步骤S130：在衬底上旋涂电子束抗蚀剂，形成抗蚀层。
在一些实施例中，电子束抗蚀剂为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在另一些实施例中，电子束抗蚀剂为AR-P6200或ZEP520。其中，AR-P6200为德国All resist公司生产的电子束抗蚀剂，ZEP520为日本zeon公司生产的电子束抗蚀剂。可以理解，电子束抗蚀剂并不限于上述电子束抗蚀剂。
在一些实施例中，抗蚀层的厚度至少为50nm。进一步地，抗蚀层的厚度为50nm～300nm。抗蚀层的厚度与得到的纳米结构的曲面曲率相关。在相同条件下，抗蚀层的厚度与曲面曲率成正比。抗蚀层的厚度较厚时，相同条件下，得到的纳米结构的曲面曲率较大；抗蚀层的厚度较薄时，相同条件下，得到的纳米结构的曲面曲率较小。
步骤S140：将抗蚀层进行曝光和显影，形成具有图案的抗蚀层。
其中，将衬底进行曝光的过程中，曝光剂量为1C/m2～10C/m2。电子束束流为1nA～15nA。加速电压为80kV。采用上述参数，能够使抗蚀层的图案的宽度为纳米尺度。进一步地，曝光过程中采用的电子束曝光设备为nanobeam NB5。该曝光设备的曝光精度能够达到纳米尺度。
将曝光后的衬底进行显影的步骤中，采用异丙醇(IPA)∶甲基异丁基甲酮(MIBK)＝1∶1～3∶1的显影液进行显影，显影时间为1分钟～5分钟。
通过将衬底上的抗蚀层按照步骤S110中得到的预设版图进行曝光，曝光结束后，加入显影剂显影，从而能够得到纳米图案。
通过步骤S140形成的抗蚀层的图案与步骤S110中绘制的版图的图案相同。图案为具有多个间隔且均匀排列的条纹的图案。图案的宽度指每个条纹的宽度。图案的间距指相邻两个条纹之间的距离。在本实施方式中，图案的宽度至少为50nm。图案的间距至少为10nm。图案的宽度越小，在相同的刻蚀条件、相同的图案的间距及相同的抗蚀层厚度下，所得到的纳米结构的曲面高度越小。图案的间距越大，在相同的刻蚀条件、相同的图案的宽度及相同的抗蚀层厚度下，所得到的纳米结构的曲率越小。
步骤S150：对衬底和具有图案的抗蚀层进行离子刻蚀，以使抗蚀层被刻蚀，且使衬底上形成曲面凹槽，得到曲面纳米结构。
具体地，离子刻蚀的过程中，抗蚀层逐渐发生损耗，以使衬底上形成曲面凹槽。进一步地，离子刻蚀的过程中，抗蚀层从边缘到中间逐渐发生损耗。
具体地，在其中一个实施例中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体，SF6的流量为6sccm～16sccm，CHF3的流量为60sccm～80sccm，刻蚀功率为100W～1200W，反应室压强为3mTorr～12mTorr。此时，衬底可以为硅衬底。可以理解，当衬底为其他衬底或采用的设备不同时，步骤S150中的各参数并不限于上述值。
进一步地，在本实施方式中，离子刻蚀的过程中采用电感耦合等离子体刻蚀系统(ICP)。采用ICP刻蚀具有刻蚀精度高、重复性和均匀性好等优点。
通过调节刻蚀过程中的刻蚀气体流量、刻蚀功率、反应室压强等参数，能够得到不同高度及不同曲率的光滑曲面结构。迄今为止，没有任何一种理论模型能够定量的解释和预测反应离子刻蚀结果，因此反应离子刻蚀技术是一项非常实验性的技术。只能给出每种参数变化可能会引起的刻蚀结果的变化趋势。被刻蚀材料表面的原子与反应气体离子或自由基相互反应生成气体产物是反应离子刻蚀的主导过程，因此刻蚀速率直接与反应气体供给的速率有关。刻蚀功率增加将导致电子能量增加，使电离概率增加，进而增加刻蚀速率。反应离子刻蚀一般都工作在低气压条件下，因为在低气压条件下，气体分子密度降低，电子自由程增加，因此电子在碰撞之间的能量增加，使电离概率增加。低气压的另一个好处是离子之间、离子与原子之间的碰撞减少，离子对材料表面刻蚀的方向性改善，即横向刻蚀降低，使刻蚀的各向异性增强。
由于硅衬底与形成在衬底上的电子束抗蚀剂的介电特性有较大差异，在反应离子刻蚀过程中，由于这种介电特性差异，带电离子会在抗蚀层的表面积聚，尤其是抗蚀层的边缘，形成一个局域电场，使后续离子产生偏转，从而在硅衬底与抗蚀层的界面形成侧面刻蚀。
具体地，离子刻蚀过程请参阅图2-a～图2-f。
在进行刻蚀前，衬底和抗蚀层的结构示意图如图2-a所示。
在离子刻蚀过程的初期，衬底和抗蚀层的示意图如图2-b和图2-c所示。离子刻蚀初期，由于刻蚀时间短，抗蚀层被刻蚀的厚度不太明显，抗蚀层的不同位置的刻蚀速率相同，衬底上被抗蚀层保护的区域不发生刻蚀，而衬底上未被抗蚀层保护的区域进行垂直方向的刻蚀。因此，在离子刻蚀过程的初期，对衬底未被保护的区域进行垂直刻蚀，形成纳米结构的主体高度。
在离子刻蚀过程的中期，衬底和抗蚀层的示意图如图2-d所示。在离子刻蚀过程的中期，随着刻蚀时间的延长，长时间暴露在刻蚀环境中，抗蚀层的厚度逐渐减小，当抗蚀层减至一定厚度时，如10nm，抗蚀层的边缘和中间的刻蚀速率不同，抗蚀层边缘的刻蚀速率大于中间的刻蚀速率，因此抗蚀层从边缘到中间逐渐发生损耗。抗蚀层的边缘被刻蚀后，该处原被保护的衬底裸露出来，因而衬底的水平方向也会进行刻蚀，从而形成曲面，如图2-d。因此，在离子刻蚀过程的中期，衬底和抗蚀层同时被刻蚀，随着抗蚀层的材料从边缘到中间逐渐损耗，在衬底上形成曲面结构。
在对衬底和具有图案的抗蚀层进行离子刻蚀后，所得到的纳米结构的示意图如图2-e和图2-f所示。从图2-e中可以看出，在离子刻蚀结束后，抗蚀层完全被刻蚀掉，此时无需进行后面的步骤S160。从图2-f中可以看出，在离子刻蚀结束后，抗蚀层未被完全刻蚀掉，此时需通过步骤S160除去剩余的抗蚀层。
当步骤S140形成的具有图案的抗蚀层中，图案的宽度不同时，如图3-a所示，不同宽度的抗蚀层经步骤S150中离子刻蚀后，所得到的纳米结构如图3-b所示。由图中可以看出，抗蚀层的图案的宽度越小，在相同刻蚀条件下，所得到的纳米结构的深度越小。
步骤S160：去除衬底上未被刻蚀的抗蚀层。
在形成光滑曲面后，衬底上的抗蚀层还未被完全刻蚀掉，如图2-f所示，此时需要去除抗蚀层。
具体地，采用去胶剂去除衬底上的抗蚀层。去胶剂选自丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N-乙基吡咯烷酮(NEP)及二价酸酯(NME)中的至少一种。
步骤S160可以在超声条件下进行，也可以在非超声条件下进行。具体地，在非超声条件下，使用去胶试剂去除衬底上的抗蚀层的步骤为：将衬底在去胶剂中浸泡，以使抗蚀层溶解。或者，使用去胶剂去除衬底上的抗蚀层的步骤为：用去胶剂冲淋衬底，以使抗蚀层溶解。
在超声条件下使用去胶剂去除衬底上的抗蚀层的步骤具体为：将衬底浸泡在去胶剂中，然后在超声功率为5W～10W、超声频率为10kHz～40kHz的条件下对衬底进行超声波处理。该功率的超声波不仅不会对纳米结构造成破坏，而且能够加快抗蚀层的溶解，提高制作效率。
可以理解，当刻蚀结束后，形成光滑曲面的同时，衬底上的抗蚀层已经完全被刻蚀，如图2-e所示，步骤S160可以省略。
上述曲面纳米结构的制备方法至少具有以下优点：
(1)上述曲面纳米结构的制备方法首先通过曝光和显影在衬底上形成具有图案的抗蚀层，然后再进行等离子体刻蚀，从而得到具有光滑曲面的三维纳米结构，制备方法较传统的多次套刻的方法简单。
(2)上述曲面纳米结构的制备方法能够得到光滑曲面的三维纳米结构，且通过调整抗蚀层的厚度、离子刻蚀过程中的气体流量、刻蚀功率等参数，能够调节纳米结构的曲面曲率。
以下为具体实施例部分：
需要说明的是，在曲面纳米结构的制备过程中，刻蚀时间也是一个重要参数，为了方便对比，所有的实施例的刻蚀时间以把抗蚀层完全刻蚀的时间为准。
实施例1
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图，如图4所示。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为300nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为5分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中图案的宽度为200nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为10sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为600W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例2
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为200nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为3分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为200nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为10sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为600W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例3
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为50nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为1分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为200nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为10sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为600W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例4
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为300nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为5分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为200nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对衬底和具有图案的抗蚀层进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为6sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为600W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例5
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为300nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为5分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为200nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为16sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为600W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例6
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为200nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为3分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为100nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为10sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为600W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例7
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为200nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为3分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为50nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为10sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为600W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例8
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为200nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为3分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为200nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为10sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为100W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
实施例9
本实施例的曲面纳米结构的制备过程如下：
(1)根据要制备的纳米结构，利用L-Edit软件绘制版图。
(2)先用NH4OH、H2O2及水体积比为1∶1∶5的SC1清洗液清洗衬底10min，再用HCl、H2O2及水的体积之比为1∶1∶5的SC2清洗液清洗衬底10min。然后将衬底放入BOE中浸泡10s，用水清洗衬底，并干燥，最后在180℃下烘烤衬底10min。
(3)在清洗后的衬底的一侧旋涂电子束抗蚀剂PMMA，形成厚度为200nm的抗蚀层。
(4)将衬底置于nanobeam NB5电子束曝光设备中，使抗蚀层进行曝光，曝光剂量为8C/m2，电子束束流为1nA，加速电压为80kV。然后将曝光后的抗蚀层采用异丙醇∶甲基异丁基甲酮＝3∶1(体积比)的显影液进行显影，显影时间为3分钟，得到具有图案的抗蚀层，其中，图案的宽度为200nm，图案的间距为200nm。
(5)从衬底形成有抗蚀层的一侧，采用电感耦合等离子体刻蚀系统对具有图案的抗蚀层和衬底进行离子刻蚀，离子刻蚀过程中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体。其中，SF6的流量为10sccm，CHF3的流量为50sccm。反应室的压强为8mTorr，刻蚀功率为1200W。刻蚀结束，得到具有光滑曲面的三维纳米结构。
表1 实施例和对比例中的曲面纳米结构的制备过程中的工艺参数
对比例1
对比例1中的曲面纳米结构的制备过程与实施例1的曲面纳米结构的制备过程相似，区别在于：对比例1的步骤(3)中，电子束抗蚀剂为AR-P6200。
对比例2
对比例2的曲面纳米结构的制备过程与实施例1的曲面纳米结构的制备过程相似，区别在于：对比例2的步骤(3)中，抗蚀层的厚度为20nm。
采用扫描电子显微镜对实施例1～实施例9和对比例1～对比例2中得到的曲面纳米结构进行观测，得到曲面纳米结构的曲面高度和曲面的弦长。然后根据公式
得到曲面半径R，公式中，h表示曲面高度，D表示曲面的弦长。然后根据K＝1/R，得到曲面曲率K。结果如下表2所示。
表2
从上表2中可以看出，相同条件下，抗蚀层的厚度较厚时，曲面高度较高，曲面半径较小，曲面曲率较大；相同条件下，SF6流量较大时，刻蚀速率快，曲面高度更高；相同条件下，图案的宽度较宽时，曲面半径较大，曲面曲率较小；相同条件下，刻蚀功率较大时，刻蚀速率快，曲面高度更高。
实施例1中得到的曲面纳米结构的SEM图如图5所示，从图5中可以看出，实施例1中的纳米结构具有光滑且规整排列的曲面。
需要说明的是，上述实施例中所用到的电子束抗蚀剂均以PMMA为例，其他电子束抗蚀剂，如ZEP520、AR-P6200也可以用于制备曲面纳米结构中，且得到的纳米结构与采用PMMA为电子束抗蚀剂得到的纳米结构类似，在此不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上旋涂电子束抗蚀剂，形成抗蚀层；
将所述抗蚀层进行曝光和显影，得到具有图案的所述抗蚀层，所述图案的宽度为50nm～200nm，所述图案的间距为10nm～200nm；及
对所述衬底和具有图案的所述抗蚀层进行离子刻蚀，以使所述抗蚀层被刻蚀，并使所述衬底上形成曲面凹槽，得到曲面纳米结构；
所述对所述衬底和具有图案的所述抗蚀层进行离子刻蚀的步骤中，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体，所述SF6的流量为6sccm～16sccm，所述CHF3的流量为60sccm～80sccm。
2.根据权利要求1所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述将所述抗蚀层进行曝光和显影，得到具有图案的所述抗蚀层的步骤中，所述图案的宽度为50nm、100nm或200nm，所述图案的间距为200nm。
3.根据权利要求1所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述将所述抗蚀层进行曝光和显影的步骤中，曝光剂量为1C/m2～10C/m2，显影液为体积比为1:1～3:1的异丙醇与甲基异丁基甲酮的混合液，显影时间为1分钟～5分钟。
4.根据权利要求1所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述抗蚀层的厚度至少为50nm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述抗蚀层的厚度为50nm～300nm。
6.根据权利要求1所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述电子束抗蚀剂选自聚甲基丙烯酸甲酯、德国All resist的AR-P6200及日本zeon的ZEP520中的一种。
7.根据权利要求1所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述对所述衬底和具有图案的所述抗蚀层进行离子刻蚀的步骤中，刻蚀功率为100W～1200W。
8.根据权利要求1或7所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述对所述衬底和具有图案的所述抗蚀层进行离子刻蚀的步骤中，反应室压强为3mTorr～12mTorr。
9.根据权利要求1所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述在衬底上旋涂电子束抗蚀剂的步骤之前，还包括清洗所述衬底的步骤。
10.根据权利要求9所述的曲面纳米结构的制备方法，其特征在于，所述清洗所述衬底的步骤包括：先用SC1清洗液清洗所述衬底，再用SC2清洗液清洗所述衬底，其中，所述SC1清洗液包括体积比为1：1：(5～10)的NH4OH、H2O2及水，所述SC2清洗液包括体积比为1：1：(5～10)的HCl、H2O2及水。
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Granted publication date: 20201110 Termination date: 20210802 |
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