CN111308597A - 一种亚微米结构光栅的制备方法 - Google Patents

一种亚微米结构光栅的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亚微米结构光栅的制备方法，属于半导体学中的微观结构技术领域，具体包括：在硅片上旋涂电子束抗蚀剂后进行电子束曝光，获取电子束抗蚀剂层；以电子束抗蚀剂层作掩膜进行干法刻蚀制备纳米压印模板；将纳米压印模板上的亚微米结构转移至热固化透明软膜上；并在制备光栅的衬底上旋涂紫外固化压印胶；通过纳米压印方法将热固化透明软膜上的亚微米结构转移至紫外固化压印胶上；利用干法刻蚀方法，将紫外固化压印胶上的亚微米图形转移至制备光栅的衬底上。本发明通过电子束曝光、干法刻蚀制备的纳米压印模板图形精度高，表面光滑。通过软膜转印、纳米压印、干法刻蚀制备的亚微米结构光栅均匀性好、成品率高、尺寸精确、成本低。

Description

一种亚微米结构光栅的制备方法
技术领域
本发明属于半导体学中的微观结构技术领域，更具体地，涉及一种亚微米结构光栅的制备方法。
背景技术
随着半导体技术的发展进步，微观结构尺度已达到纳米加工精度，其中，激光直写、紫外光刻、电子束曝光和纳米压印都能够制作亚微米的光栅。而亚微米结构大面积制备仍然存在成本高、制作困难等问题。目前，高精度亚微米的光栅压印模板一般采用电子束曝光和干法刻蚀相结合的方法制作，其中，电子束曝光的难点在于曝光参数的控制，如何防止出现过曝光或者曝光不足等导致图形出现缺陷的问题；光栅压印模板的干法刻蚀参数也直接影响着光栅模板的精度以及侧壁的垂直度和粗糙度。现在也有人提出采用纳米压印和干法刻蚀相结合的方式制备亚微米的光栅，主要原因在于纳米压印可以高精度复制模板上的图形，通过软膜热固化纳米压印，再加上紫外固化纳米压印的二次转印的方式，可以快速大批量制备亚微米结构的光栅。其难点在于压印参数的控制，最后衬底的干法刻蚀决定光栅的质量。正如上文提及，如何控制干法刻蚀的形貌(如残胶去除、侧壁形貌)是现阶段的一个难题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种亚微米结构光栅的制备方法，其目的在于使所制备的亚微米结构的光栅压印模板具有表面光滑以及光栅成品具有表面光滑和衍射效率高的特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种亚微米结构光栅的制备方法，包括以下步骤：
(1)在硅片上旋涂电子束抗蚀剂后进行电子束曝光，获取电子束抗蚀剂层；
其中，电子束曝光的束流为1nA～20nA；电子束曝光的剂量为100μC/cm2～300μC/cm2；
(2)以电子束抗蚀剂层作掩膜进行干法刻蚀制备纳米压印模板；
其中，步骤(2)中干法刻蚀的气体包括SF6和C4F8；SF6的气流量为4sccm～20sccm；C4F8的气流量为4sccm～20sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为：10W-50W；感应耦合功率为100W～1500W；
(3)将纳米压印模板上的亚微米结构转移至热固化透明软膜上，并在制备光栅的衬底上旋涂紫外固化压印胶；
(4)通过纳米压印方法将热固化透明软膜上的亚微米结构转移至紫外固化压印胶上；
(5)以紫外固化压印胶为掩膜，利用干法刻蚀方法，将紫外固化压印胶上的亚微米图形转移至制备光栅的衬底上；
其中，步骤(5)中干法刻蚀采用的气体包括SF6、C4F8、CF4或CHF3中的一种或多种气体，可添加或者不添加Ar或者O2。
优选地，制备光栅的衬底为玻璃、氧化铟锡(ITO)、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中至少一种的组合；
优选地，步骤(1)中的电子束抗蚀剂为Zep-520A或SX AR-P 6200.09或SX AR-P6200.13。
优选地，热固化透明软膜为IPS或PDMS。
优选地，紫外固化压印胶为mr-NIL210系列或TU-7系列。
优选地，步骤(2)中的干法刻蚀的设备为ICP刻蚀机。
优选地，步骤(5)中的干法刻蚀的设备为ICP刻蚀机或RIE刻蚀机。
优选地，步骤(5)中干法刻蚀采用的气体组合为：SF6与C4F8，或CF4与O2，或SF6与Ar，或SF6与O2，或CHF3与O2，或CHF3与Ar，或CHF3、O2与Ar。
优选地，步骤(5)中的干法刻蚀中CHF3的气体流量为4sccm～25sccm，Ar的气体流量为4sccm～100sccm；腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为10W-300W；感应耦合功率为0W～2400W。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明通过电子束曝光电子束抗蚀剂获取电子束抗蚀剂层(精度为7nm)，其中，电子束曝光的束流为1nA～20nA，电子束曝光的剂量为100μC/cm2～300μC/cm2；以电子束抗蚀剂层作掩膜，干法刻蚀(工艺参数：干法刻蚀的气体包括SF6和C4F8；SF6的气流量为4sccm～20sccm；C4F8的气流量为4sccm～20sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为：10W-50W；感应耦合功率为100W～1500W)制备的纳米压印模板图形精度高，表面光滑。
(2)本发明通过软膜转印、纳米压印、干法刻蚀制备的亚微米结构光栅，由于Ar的存在，使干法刻蚀的亚微米结构侧面更加垂直，由于O2可使获取的亚微米结构光栅的表面更加光滑，整体获取的光栅均匀性更好，从而可提高光栅的衍射效率。
(3)本发明采用干法刻蚀可获取变化范围较大的深宽比结构，可根据实际对光栅深宽比的需求，调整干法刻蚀的工艺。
(4)本发明提供的热固化透明软膜为IPS时，可复制精度非常高的图形。
(5)本发明提供的干法刻蚀采用的气体组合为C4F8与O2，CHF3与O2或CHF3与Ar时，在进行干法刻蚀的过程中产生的碳基聚合物将保护侧壁，其中的氟元素(F)对氧化硅进行刻蚀，获取的光栅更加光滑且精度更高。在实际应用中，干法刻蚀中CHF3的气体流量为4sccm～25sccm，Ar的气体流量为4sccm～100sccm，干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr，射频功率为10W-300W，感应耦合功率为0W～2400W时，获取的光栅效果最佳。
附图说明
图1是实施例提供的亚微米结构光栅的制备方法示意图；
图2(a)是实施例提供的在硅衬底上旋涂电子束抗蚀剂示意图；
图2(b)是实施例提供的对电子束抗蚀剂进行电子束曝光的示意图；
图2(c)是实施例提供的干法刻蚀制备纳米压印模板的示意图；
图3是实施例提供的将纳米压印模板上的亚微米结构转移至热固化透明软膜上的示意图；
图4(a)是实施例提供的沉积氧化硅的示意图；
图4(b)是实施例提供的将热固化透明软膜上的图案转移至紫外固化压印胶上的示意图；
图4(c)是实施例提供的利用干法刻蚀将紫外固化亚印胶上的图案转移至氧化硅上的示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明核心的发明点是：本发明使用Obducat公司的EITER 3纳米压印机、Oxford公司的Plasma system 100型刻蚀设备和Plasma Pro system 800PECVD。核心工艺是采用干法刻蚀方法，并优化干法刻蚀的工艺，具体为优化气体流量、刻蚀功率和腔室压强，通过优化可以得到很好的刻蚀效果。
本发明提供了一种亚微米结构光栅的制备方法，包括以下步骤：
(1)在硅片上旋涂电子束抗蚀剂后进行电子束曝光，获取电子束抗蚀剂层；
其中，电子束曝光的束流为1nA～20nA；电子束曝光的剂量为100μC/cm2～300μC/cm2；
(2)以电子束抗蚀剂层作掩膜进行干法刻蚀制备纳米压印模板；
其中，步骤(2)中干法刻蚀的气体包括SF6和C4F8；SF6的气流量为4sccm～20sccm；C4F8的气流量为4sccm～20sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为：10W-50W；感应耦合功率为100W～1500W；
(3)将纳米压印模板上的亚微米结构转移至热固化透明软膜上，并在制备光栅的衬底上旋涂紫外固化压印胶；
(4)通过纳米压印方法将热固化透明软膜上的亚微米结构转移至紫外固化压印胶上；
(5)以紫外固化压印胶为掩膜，利用干法刻蚀方法，将紫外固化压印胶上的亚微米图形转移至制备光栅的衬底上；
其中，步骤(5)中干法刻蚀采用的气体包括SF6、C4F8、CF4或CHF3中一种或多种气体，可添加或者不添加Ar或者O2。
优选地，制备光栅的衬底为玻璃、氧化铟锡(ITO)、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中至少一种的组合；
优选地，步骤(1)中的电子束抗蚀剂为Zep-520A或SX AR-P 6200.09或SX AR-P6200.13。
优选地，热固化透明软膜为IPS或PDMS。
优选地，紫外固化压印胶为mr-NIL210系列或TU-7系列。
优选地，步骤(2)中的干法刻蚀的设备为ICP刻蚀机；
优选地，步骤(5)中的干法刻蚀的设备为ICP刻蚀机或RIE刻蚀机；
优选地，步骤(5)中干法刻蚀采用的气体组合为：SF6与C4F8，或CF4与O2，或SF6与Ar，或SF6与O2，或CHF3与O2，或CHF3与Ar，或CHF3、O2与Ar。
优选地，步骤(5)中的干法刻蚀中CHF3的气体流量为4sccm～25sccm，Ar的气体流量为4sccm～100sccm；腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为10W-300W；感应耦合功率为0W～2400W。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种亚微米结构光栅的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取一个430微米厚的2英寸p型<100>晶向的硅片，常规湿法清洗后，在硅片上旋涂电子束抗蚀剂ARP6200.09，参见图2(a)，获取电子束抗蚀剂；
步骤2：对电子束抗蚀剂进行电子束曝光，曝光剂量为240μC/cm2，电流为15nA；曝光完成后，用MIBK显影40s，异丙醇定影70s，参见图2(b)，获取电子束抗蚀剂层；
步骤3：以电子束曝光后的电子束抗蚀剂层做硅片的掩膜，采用ICP刻蚀，制备纳米压印模板，参见图2(c)；
其中，刻蚀参数为：SF6流量为12sccm；C4F8流量为12sccm；射频功率为20W；感应耦合功率为850W；腔压为4mTorr；背冷He流量为5sccm；下电极温度为5℃；
步骤4：将纳米压印模板上的亚微米结构转移至热固化透明软膜上，参见图3，纳米压印技术中的最高温度为180℃，压强为40Bar；
步骤5：在玻璃衬底上采用PECVD沉积700nm氧化硅(参见图4(a))，在氧化硅上旋涂紫外固化压印胶TU7-60，转速为1000r/min，时间为30s；
步骤6：利用纳米压印技术，将热固化透明软膜上的亚微米结构转移到紫外固化胶上，参见图4(b)；其中，纳米压印工艺中的压强为25Bar；温度为70℃；紫外曝光时间为60s；
步骤7：利用ICP干法刻蚀，将紫外固化胶上的图案转移到氧化硅衬底上，参见图4(c)；ICP干法刻蚀的参数为：气体CHF3流量为20sccm；Ar气流量为10sccm；射频功率为20W；感应耦合功率为200W；腔体压强为15mTorr；背冷He气流量为5sccm；刻蚀完成后，采用湿法去胶；最后，采用氧等离子去胶机进一步去除残胶。
本发明并不局限于上述实施例。综上所述，本发明具有以下优势：
(1)本发明通过电子束曝光电子束抗蚀剂获取电子束抗蚀剂层(精度为7nm)，其中，电子束曝光的束流为1nA～20nA，电子束曝光的剂量为100μC/cm2～300μC/cm2；以电子束抗蚀剂层作掩膜，干法刻蚀(工艺参数：干法刻蚀的气体包括SF6和C4F8；SF6的气流量为4sccm～20sccm；C4F8的气流量为4sccm～20sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为：10W-50W；感应耦合功率为100W～1500W)制备的纳米压印模板图形精度高，表面光滑。
(2)本发明通过软膜转印、纳米压印、干法刻蚀制备的亚微米结构光栅，由于Ar的存在，使干法刻蚀的亚微米结构侧面更加垂直，由于O2可使获取的亚微米结构光栅的表面更加光滑，整体获取的光栅均匀性更好，从而可提高光栅的衍射效率。
(3)本发明采用干法刻蚀可获取变化范围较大的深宽比结构，可根据实际对光栅深宽比的需求，调整干法刻蚀的工艺。
(4)本发明提供的热固化透明软膜为IPS时，可复制精度非常高的图形。
(5)本发明提供的干法刻蚀采用的气体组合为C4F8与O2，CHF3与O2或CHF3与Ar时，在进行干法刻蚀的过程中产生的碳基聚合物将保护侧壁，其中的氟元素(F)对氧化硅进行刻蚀，获取的光栅更加光滑且精度更高。在实际应用中，干法刻蚀中CHF3的气体流量为4sccm～25sccm，Ar的气体流量为4sccm～100sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为10W-300W；感应耦合功率为0W～2400W时，获取的光栅效果最佳。
本领域的技术人员容易理解，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 (9)

1.一种亚微米结构光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在硅片上旋涂电子束抗蚀剂后进行电子束曝光，获取电子束抗蚀剂层；
其中，电子束曝光的束流为1nA～20nA；电子束曝光的剂量为100μC/cm2～300μC/cm2；
(2)以电子束抗蚀剂层作掩膜进行干法刻蚀制备纳米压印模板；
其中，步骤(2)中干法刻蚀的气体包括SF6和C4F8；SF6的气流量为4sccm～20sccm；C4F8的气流量为4sccm～20sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为：10W-50W；感应耦合功率为100W～1500W；
(3)将纳米压印模板上的亚微米结构转移至热固化透明软膜上；并在制备光栅的衬底上旋涂紫外固化压印胶；
(4)通过纳米压印方法将热固化透明软膜上的亚微米结构转移至紫外固化压印胶上；
(5)以紫外固化压印胶为掩膜，利用干法刻蚀方法，将紫外固化压印胶上的亚微米图形转移至制备光栅的衬底上；
其中，步骤(5)中干法刻蚀采用的气体包括SF6、C4F8、CF4或CHF3中一种或多种气体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备光栅的衬底为玻璃、氧化铟锡、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中至少一种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的电子束抗蚀剂为Zep-520A或SX AR-P 6200.09或SX AR-P 6200.13。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热固化透明软膜为IPS或PDMS。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述紫外固化压印胶为mr-NIL210系列或TU-7系列。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的干法刻蚀的设备为ICP刻蚀机。
7.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的干法刻蚀的设备为ICP刻蚀机或RIE刻蚀机。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中干法刻蚀采用的气体组合为：SF6与C4F8，或CF4与O2，或SF6与Ar，或SF6与O2，或CHF3与O2，或CHF3与Ar，或CHF3、O2与Ar。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的干法刻蚀中CHF3的气体流量为4sccm～25sccm，Ar的气体流量为4sccm～100sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为10W-300W；感应耦合功率为0W～2400W。
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