CN111606300A - 一种高深宽比纳米光栅的制作方法 - Google Patents

一种高深宽比纳米光栅的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高深宽比纳米光栅的制作方法。制作原始模具：制作得到带有低深宽比的光栅结构的原始模具；纳米压印，通过纳米压印工艺复制光栅结构制备得到PDMS软模板；在玻璃基片上旋涂纳米压印胶为图形转移层，PDMS软模板覆盖上去，固化后分离脱模；去除压印胶残余层；玻璃基片上镀一层金属，形成金属层；将整个玻璃基片浸泡剥离脱落图形转移层及其上的金属层，形成金属纳米结构掩膜；刻蚀表面，在玻璃基片表面形成高深宽比的纳米光栅结构。本发明能在低深宽比的纳米光栅基片基础上进一步处理获得高深宽比纳米光栅基片，得到高深宽比的纳米级的光栅结构。

Description

一种高深宽比纳米光栅的制作方法
技术领域
本发明涉及微纳器件制作技术领域的一种纳米光栅制作方法，具体涉及一种高深宽比纳米光栅的制作方法。
背景技术
纳米压印技术，最早由Stephen Y Chou教授在1995年率先提出，是微纳米器件制作工艺中的一个重要技术，这是一种不同与传统光刻技术的全新图形转移技术，纳米压印技术不使用光线或者辐照使光刻胶感光成形，它是将预先制备好的模具压入液态的阻蚀剂，使阻蚀剂产生物理变形而实现阻蚀剂图形化，而不是通过改变阻蚀剂的化学特性来实现阻蚀剂的图形化。相较于传统的光刻技术，其具有产量更高，成本更低和工艺更简单的优点。
传统的光栅制作方法通常有两种技术方案：①光刻工艺――刻蚀工艺；②纳米压印工艺或者是纳米压印后刻蚀。在技术方案①中，通过曝光和显影将光栅结构转移基片表面的光刻胶上，然后利用光刻胶作为掩膜，通过刻蚀工艺刻蚀基片从儿将光栅结构转移到基片。在技术方案②中，通过第一次压印将原始模具的光栅结构复制得到PET软模，再进行第二次压印将PET软模的光栅结构复制到基片的纳米压印胶上，固化后的纳米压印胶便可以直接作为光栅结构；或者是将具有光栅结构的纳米压印胶作为掩膜，通过刻蚀工艺刻蚀基片，从而将光栅结构复制到基片上。在上述两种技术方案中，由于光刻胶和纳米压印胶的刻蚀选择比低，不能制作得到高深宽比的光栅结构或者是制作高深宽比的光栅结构时存在很大的困难。另外普通光刻无法加工周期为纳米尺度的光栅，使用电子束直写速度太慢，步进式或EUV等光刻技术设备太昂贵，成本太高。如果只使用纳米压印制作高深宽比的光栅结构，脱模很困难，容易造成缺陷。
因此，需要提供一种新的技术方案，可以实现高深宽比纳米光栅结构的制作。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高深宽比纳米光栅的制作方法，可以实现纳米级的高深宽比光栅结构的制作。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
步骤一，制作原始模具：使用电子束直写和刻蚀技术制作得到带有低深宽比的光栅结构的原始模具；
步骤二，纳米压印：
(1)PDMS软模板制备：通纳米压印工艺将步骤一制备得到的原始模具上的光栅结构进行复制得到PDMS软模板，从而将原始模具的纳米光栅结构复制到PDMS软模板上；
(2)在所需制作高深宽比纳米光栅的玻璃基片上旋涂一层纳米压印胶作为图形转移层，将带有纳米光栅结构的PDMS软模板覆盖到涂好图形转移层的玻璃基片上，PDMS软模板置于图形转移层表面上，然后进行紫外曝光使图形转移层固化，再将PDMS软模板与玻璃基片分离脱模，在玻璃基片上复制得到低深宽比的纳米光栅结构的图形转移层；
步骤三，去除压印胶残余层：
通过ICP刻蚀刻蚀整体减薄图形转移层，将图形转移层纳米光栅结构中处于凹陷部分的压印胶被全部刻蚀干净，图形转移层纳米光栅结构中处于凹陷部分的压印胶为残余层，使得在图形转移层纳米光栅结构中处于凹陷部分的位置处暴露出玻璃基片表面；
步骤四，镀金属层：
通过热蒸镀或金属溅射的方式在整个玻璃基片上镀一层金属，形成金属层；
步骤五，剥离(lift-off)：
将整个玻璃基片放在纳米压印胶清洗液中浸泡，附着在玻璃基片上的所有图形转移层及其上面的金属层一起脱落，而蒸镀在已去除图形转移层、且露出于玻璃基片表面上的金属层形成金属纳米结构掩膜；
步骤六，再次通过ICP刻蚀刻蚀具有金属纳米结构掩膜的玻璃基片的表面，在玻璃基片表面形成高深宽比的纳米光栅结构。
本发明的所述的高深宽比具体是指深宽比在5:1以上，所述的低深宽比具体是指深宽比在5:1以上。
这样形成在的玻璃基片上表面的具有纳米光栅团的金属层，金属和玻璃基片材料具有很高的刻蚀选择比(玻璃基片的刻蚀速率远远高于金属的刻蚀速率)，从而能刻蚀得到深度更深的光栅结构。
所述的原始模具的模具基底为硅片、玻璃或者是其他三五族半导体材料。
所述步骤四中的金属层覆盖在暴露出的玻璃基片表面和图形转移层纳米光栅结构中处于凸起部分的位置表面。
所述的金属层的金属为铬、金等。
所述的玻璃基片采用硅晶圆、石英、磷化铟等其它的材料。
进一步的，在步骤二中，在旋涂图形转移层前，旋涂在玻璃基片表面预先旋涂一层的增粘层，增粘层为质量分数为2％的香波和聚乙二醇双硬酸脂混合材料组成的水溶液化学试剂，能够增加压印胶和基底的粘附性。
所述的纳米压印胶清洗液为由硫酸和双氧水以特定配比构成的混合溶液。
进一步的，在上述步骤三和步骤六中，根据实际的光栅尺寸来选择刻蚀的技术方案，具体采用ICP刻蚀、RIE刻蚀或者是湿法腐蚀。
所述步骤六在刻蚀具有金属纳米结构掩膜的玻璃基片的表面时，金属纳米结构掩膜的金属层被刻蚀完毕，到露出玻璃基片的表面时刻蚀停止。
本发明的有益效果：
本发明相较于通常制作光栅结构的技术方案，能简单有效地容易制备得到纳米级的高深宽比的纳米光栅结构，得到光学处理效果更好的器件。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做详细的描述，其中：
图1a-图1h为本发明实施列提供高深宽比纳米光栅的制作方法中各步骤的结构示意图。
图1a为脱模后获得的PDMS软模板的工艺结构示意图；
图1b为玻璃基片和图形转移层结合后形成的工艺结构示意图；
图1c为PDMS软模板覆盖到图形转移层上的曝光固化工艺结构示意图；
图1d为玻璃基片上光栅结构的示意图；
图1e为刻蚀去除图形转移层(2)残余层的工艺结构示意图；
图1f为去除图形转移层后的结构示意图；
图1g为热蒸镀的实施工艺结构示意图；
图1h为再ICP刻蚀后获得的纳米光栅结构的结果图；
图中：PDMS软模板(1)、图形转移层(2)、玻璃基片(3)、金属层(4)、金属纳米结构掩膜(5)、UV光(6)。
具体实施方式
为更进一步阐述说明本发明为达到的预定目的所采取的技术及功效，以下将参照附图，对本发明的优选实施列进行详细的描述。
在以下实施例中描述了一种线宽150nm，高5μm的光栅的制备方法，包括以下主要步骤：
步骤一：使用传统的光刻刻蚀技术制作带有线宽150nm、高150nm的光栅结构的硅晶圆，作为原始的硬质模具，是一种硬基质纳米压印模具。
步骤二，纳米压印，如图1a―图1d所示：
(1)软模制备，在通过步骤一制备得到的硬质模具上以3000r/min的转速旋涂得到一层4.5um的聚二甲基硅氧烷胶层，通过热压印工艺将聚二甲基硅氧烷(PDMS)在硬基质纳米压印模具表面翻模，加热固化脱模后得到PDMS软模板1，如图1a所示；
(2)玻璃基片压印，先用由质量分数为2％的香波和聚乙二醇双硬酸脂混合材料组成的水溶液化学试剂对石英玻璃的玻璃基片3表面进行增粘处理，水溶液化学试剂中香波和聚乙二醇双硬酸脂总质量占2％，具体是通过旋涂的工艺方法在石英玻璃表面旋涂一层10nm的增粘层；然后在做过增粘处理的石英玻璃的玻璃基片3表面旋涂制备一层图形转移层2，图形转移层为含主体树脂丙烯酸酯、光引发剂Ir-gacure819和添加剂乙烯基醚等材料所构成的紫外压印胶；获得结果如图1b所示；
(3)将步骤(1)制得的PDMS软模板1覆盖在做过上述处理后得到的石英玻璃的玻璃基片3表面并对其压印成型，如图1c所示，再采用UV光6曝光固化后进行脱模处理，PDMS软模板1上的光栅结构便转移到图形转移层，从而在玻璃基片3上的图形转移层2形成线宽150nm，高150nm的光栅结构，如图1d所示。
步骤三，ICP刻蚀去除图形转移层2残余层，如图1e所示：通过ICP刻蚀，使图形转移层2整体减薄，图形转移层2光栅结构中的凹陷部分的压印胶残余层被全部刻蚀干净，使得暴露出玻璃基片3表面，进而能进行后续的蒸镀工艺和金属光栅掩膜。
步骤四，通过热蒸镀的工艺方式，如图1f所示，在整个硅基片上表面蒸发镀上一层100nm厚的铬的金属层4。
步骤五，去除图形转移层2，如图1g所示：将经过步骤四工艺处理后得整体基片放在清洗液中浸泡，具体是放入硫酸和双氧水以1:1质量配比的混合溶液。
附着在玻璃基片3上的剩余图形转移层2及其上面的铬金属层4一起脱落，而蒸镀在已去除图形转移层2、露出玻璃基片3表面上铬金属层4形成对于玻璃基片3的金属纳米结构掩膜5。
步骤六，再ICP刻蚀，如图1h所示，刻蚀具有金属纳米结构掩膜5的玻璃基片，刻蚀参数如下：ICP源功率2000W，偏压功率200W，刻蚀气体及流量CHF3＝50sccm、Ar＝20sccm，温度20℃，真空度3mTorr。
在以上参数下，铬金属层4几乎没有被刻蚀，而玻璃基片3被刻蚀到5μm的深度，从而得到了比原始模具深度更深的纳米光栅结构。
本发明的制作方法相较于传统的光栅结构制作方法，能够制备得到传统方法难以制作的高深宽比、纳米周期的光栅结构。
以上所述，仅是本发明较佳的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内利用上述揭示的技术内容做出的些许改动和修饰为等同变化的等效实施例。未脱离本发明技术方案内容的，依据本发明的技术实质对上述实施例做出的任何修饰和删改，仍属于本发明技术方案。

Claims (8)

1.一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
步骤一，制作原始模具：制作得到带有低深宽比的光栅结构的原始模具；
步骤二，纳米压印：
(1)PDMS软模板制备：通纳米压印工艺将步骤一制备得到的原始模具上的光栅结构进行复制得到PDMS软模板(1)；
(2)在所需制作高深宽比纳米光栅的玻璃基片(3)上旋涂一层纳米压印胶作为图形转移层(2)，将带有纳米光栅结构的PDMS软模板(1)覆盖到涂好图形转移层(2)的玻璃基片(3)上，然后进行紫外曝光使图形转移层(2)固化，再将PDMS软模板(1)与玻璃基片(3)分离脱模，在玻璃基片(3)上复制得到低深宽比的纳米光栅结构的图形转移层(2)；
步骤三，去除压印胶残余层：
刻蚀整体减薄图形转移层(2)，将图形转移层(2)纳米光栅结构中处于凹陷部分的压印胶被全部刻蚀干净，使得在图形转移层(2)纳米光栅结构中处于凹陷部分的位置处暴露出玻璃基片(3)表面；
步骤四，镀金属层：
在整个玻璃基片(3)上镀一层金属，形成金属层(4)；
步骤五，剥离：
将整个玻璃基片(3)放在纳米压印胶清洗液中浸泡，附着在玻璃基片(3)上的所有图形转移层(2)及其上面的金属层(4)一起脱落，而蒸镀在已去除图形转移层(2)、且露出于玻璃基片(3)表面上的金属层(4)形成金属纳米结构掩膜；
步骤六，刻蚀具有金属纳米结构掩膜(5)的玻璃基片(3)的表面，在玻璃基片(3)表面形成高深宽比的纳米光栅结构。
2.根据权利要求1所述的一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
所述的原始模具的模具基底为硅片、玻璃或者是其他三五族半导体材料。
3.根据权利要求1所述的一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
所述步骤四中的金属层(4)覆盖在暴露出的玻璃基片(3)表面和图形转移层(2)纳米光栅结构中处于凸起部分的位置表面。
4.根据权利要求1所述的一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
所述的金属层(4)的金属为铬、金等。
5.根据权利要求1所述的一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
所述的玻璃基片(3)采用硅晶圆、石英、磷化铟等其它的材料。
6.根据权利要求1所述的一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
在步骤二中，在旋涂图形转移层(2)前，旋涂在玻璃基片(3)表面预先旋涂一层的增粘层，增粘层为质量分数为2％的香波和聚乙二醇双硬酸脂混合材料组成的水溶液化学试剂，能够增加压印胶和基底的粘附性。
7.根据权利要求1所述的一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
所述的纳米压印胶清洗液为由硫酸和双氧水以特定配比构成的混合溶液。
8.根据权利要求1所述的一种高深宽比纳米光栅的制作方法，其特征在于：
在上述步骤三和步骤六中，根据实际的光栅尺寸来选择刻蚀的技术方案，具体采用ICP刻蚀、RIE刻蚀或者是湿法腐蚀。
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