CN113173559B - 一种灰度曝光制备2.5d微纳结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种灰度曝光制备2.5D微纳结构的方法，属于半导体学中的微观结构技术领域。包括：将2.5D微纳结构的高度分成2N个等级，建立对应的N张二元曝光版图，其中N＞I；再获取所述N张二元曝光版图的并集，建立一个额外的补偿版图；在硅片上旋涂光刻胶后进行N+1次分层曝光，获取包含2N种高度的光刻胶层；以光刻胶层作掩膜进行干法刻蚀制备纳米压印模板，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即可批量生产。本发明的纳米压印模板图形精度高，具有2N个不同高度，且通过软膜转印、纳米压印、干法刻蚀制备的微纳结构效率高、成品率高、尺寸精确。
Description
技术领域
本发明属于半导体学中的微观结构领域，更具体地，涉及一种灰度曝光制备2.5D微纳结构的方法。
背景技术
随着半导体技术的发展进步，微观结构加工精度已达到纳米尺度。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灰度曝光图形。而2.5D微纳结构(具有不同高度等级的微纳结构)大面积制备仍然存在成本高、制作困难等问题。
以空间光滤波器为例，目前2.5D压印模板一般采用无掩膜激光直写和干法刻蚀技术来制备，但激光直写灰度曝光存在写场拼接误差大、尺寸精度不高等问题。电子束灰度曝光和干法刻蚀相结合的方法也可以制作2.5D压印模板，具有拼接误差小、尺寸精度高的特点。其中，电子束曝光的难点不仅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，还存在高度等级划分呈指数增加时，曝光次数呈指数增加的问题；滤波器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。此外，2.5D压印模板的制备还可以采用紫外光刻套刻技术，但是当高度等级指数增加时，套刻次数呈指数增加，会产生严重的套刻误差。
采用纳米压印和干法刻蚀相结合的方式可以批量制备具有2.5D微纳结构的空间光滤波器，其难点在于压印模板的制备，模板的精度决定了滤波器产品的质量。普通滤波器制作的时候只有一种高度，无法满足编辑具有不同高度模板的要求。综上，如何灵活控制微纳结构的高度等级，调整灰度曝光参数是现阶段的一个难题。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种灰度曝光制备2.5D微纳结构的方法，旨在解决微纳结构高度等级不便于灵活控制的问题，从而使所制备的压印模板具有2N种不同高度，同时套刻次数仅呈线性增加，且成品具有表面光滑和衍射效率高的特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种灰度曝光制备2.5D微纳结构的方法，包括以下步骤：
S1.将2.5D微纳结构的高度分成2N个等级，建立对应的N张二元曝光版图，其中N＞I；再获取所述N张二元曝光版图的并集，建立一个额外的补偿版图；
S2.在硅片上旋涂光刻胶后进行N+1次分层曝光，获取包含2N种高度的光刻胶层；
S3.以光刻胶层作掩膜进行干法刻蚀制备纳米压印模板，将所述纳米压印模板上的2.5D结构转移至热固化透明软膜上，并在衬底上旋涂紫外固化压印胶；
S4.通过纳米压印方法将热固化透明软膜上的2.5D结构转移至紫外固化压印胶上；
S5.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2.5D图形转移至衬底上。
进一步地，步骤S1中，建立对应的N张二元曝光版图包括：
将所述纯相位全息矩阵中每个元素的相位连续N次除以2取相应的余数，从而得到N张二元曝光版图。
进一步地，步骤S2中，第1次曝光的剂量D0为刚好全部未曝光剂量，D0值为2μC/cm2～200μC/cm2；刚好全部曝光的剂量Dt与光刻胶的厚度和类型有关，取值为200μC/cm2～400μC/cm2。
进一步地，步骤S2中，第2～N次电子束曝光的曝光剂量DN分别为刚好全部曝光的剂量减去刚好全部未曝光剂量除以2的N-1次方，即：
进一步地，步骤S2中，第2～N+1次曝光的电流在0.1nA～20nA范围内逐步递增。
进一步地，所述光刻胶为电子束光刻胶或紫外光刻胶，所述分层曝光为电子束曝光或紫外掩膜套刻对准曝光。
进一步地，步骤S2中干法刻蚀的气体包括O2、SF6和C4F8；O2的气流量为0～30sccm，SF6的气流量为5～20sccm，C4F8的气流量为5～50sccm；干法刻蚀的腔内压强为4～25mTorr；射频功率为：5～30W；感应耦合功率为300～1500W。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过快速傅里叶变换计算出物光波的纯相位全息图，并将其分解成N张精确计算的正交版图，在硅片上旋涂光刻胶后进行N+1次曝光，获取2N个不同高度等级的光刻胶层。由于曝光剂量呈指数递增，使得N+1次曝光实现了2N个不同高度等级图案，所制备的微纳结构具有精度高、效率高的特点，同时实现了当高度等级划分呈指数增加时，套刻次数仅呈线性增加；由于补偿版图的存在，使得指数递增曝光剂量处于优选的工作区间。其中，当所述曝光为电子束曝光时，由于电子束束流逐步递增的存在，即保证了曝光精度，又大大缩短了曝光时间，降低了成本。
(2)本发明通过以电子束光刻胶层作掩膜，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5sccm～20sccm；C4F8的气流量为5sccm～50sccm；干法刻蚀的腔内压强为4mTorr～25mTorr；射频功率为：5W～30W；感应耦合功率为300W～1500W)制备的纳米压印模板图形精度高，表面光滑。
(3)本发明灰度曝光、干法刻蚀、软膜转印、紫外压印、干法刻蚀制备2.5D微纳结构。采用干法刻蚀可通过调整干法刻蚀的选择比，实现最大刻蚀深度d≈λ/(n-1)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的灰度曝光制备空间光滤波器的方法示意图；
图2(a)是本发明实施例提供的第N次曝光的版图；
图2(b)是本发明实施例提供的对光刻胶进行曝光的示意图；
图2(c)是本发明实施例提供的干法刻蚀制备纳米压印模板的示意图；
图3是本发明实施例提供的将纳米压印模板上的2.5D结构转移至热固化透明软膜上的示意图；
图4(a)是本发明实施例提供的沉积氧化硅的示意图；
图4(b)是本发明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)是本发明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。
本发明的核心工艺是采用N+1次曝光的方法，获得2N个不同高度等级的图案。下面以空间光滤波器为例，对本发明涉及的内容进行说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种电子束灰度曝光制备具有2.5D微纳结构的空间光滤波器的方法，包括以下步骤：
步骤1：对物光波的频谱面做傅里叶变换，通过高斯-赛德尔迭代法，计算出幅值和相位，将幅值赋值为0，保留相位，迭代100次，优化得到纯相位全息图。将全息图每个像素的相位分成2的5次方，即32个等级，依次除以2取余数，建立5张版图，其中1张版图参见图2(a)，然后求这5张版图的并集，建立一个额外的补偿版图。在硅片上旋涂电子束光刻胶后进行6次电子束曝光；
其中，补偿版图的曝光束流为20hA、剂量为164μC/cm2，其余5张版图的电子束曝光的束流分别为0.1nA、0.3hA、0.5nA、1nA和5hA；电子束曝光的剂量分别为2μC/cm2、4μC/cm2、8μC/cm2、16μC/cm2和32μC/cm2；
曝光完成后，用甲基异丁基甲酮(MIBK)显影70s，异丙醇40s，参见图2(b)，获取电子束光刻胶层；
步骤2：以电子束曝光后的电子束光刻胶层做硅片的刻蚀阻挡层，采用ICP干法刻蚀，制备纳米压印模板，参见图2(c)；
其中，干法刻蚀的气体包括O2、SF6和C4F8；O2的气流量为30sccm；SF6的气流量为8sccm；C4F8的气流量为50sccm；干法刻蚀的腔内压强为10mTorr；射频功率为：30W；感应耦合功率为800W；
步骤3：将纳米压印模板上的2.5D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4：在玻璃衬底上采用PECVD沉积1300nm氧化硅(参见图4(a))，在氧化硅上旋涂紫外固化压印胶；利用纳米压印技术，将热固化透明软膜上的2.5D结构转移到紫外固化压印胶上，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5：利用ICP干法刻蚀，将紫外固化压印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。
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，可以添加Ar或者O2。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，制备滤波器的衬底为玻璃或晶圆，其上沉积氧化铟锡(ITO)、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪和磷化铟中的至少一种或几种。
优选地，步骤1中的电子束光刻胶为Zep-520A或SX AR-P6200.09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。刻蚀深度d为空间光滤波器工作波长λ除以滤波器材料折射率n减去1后的差，即
d＝λ/(n-1)。
实施例2
本实施例提供了一种紫外套刻灰度曝光制备具有2.5D微纳结构的空间光滤波器的方法，包括以下步骤：
步骤1：对物光波的频谱面做傅里叶变换，通过高斯-赛德尔迭代法，扔掉幅值，迭代100次，优化得到纯相位全息图。将全息图每个像素的相位分成2的5次方，即32个等级，依次除以2取余数，建立5张版图，然后求这5张版图的并集，建立一个额外的补偿版图。在硅片上旋涂AZ5214紫外光刻胶后进行6次紫外掩膜套刻对准曝光；
其中，补偿版图的曝光剂量为32mJ/cm2，其余5张版图的紫外曝光剂量分别为2mJ/cm2、4mJ/cm2、8mJ/cm2、16mJ/cm2和32mJ/cm2；
曝光完成后，用AZ400K显影20s，参见图2(b)，获取紫外光刻胶层；
步骤2：以紫外光刻胶层做硅片的掩膜，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：O2、SF6和C4F8；O2的气流量为30sccm；SF6的气流量为5sccm；C4F8的气流量为50sccm；干法刻蚀的腔内压强为10mTorr；射频功率为：30W；感应耦合功率为800W；
步骤3：将纳米压印模板上的2.5D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4：在玻璃衬底上采用PECVD沉积1300nm氧化硅(参见图4(a))，在氧化硅上旋涂紫外固化压印胶；利用纳米压印技术，将热固化透明软膜上的2.5D结构转移到紫外固化压印胶上，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5：利用ICP干法刻蚀，将紫外固化压印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：CF4气体流量为100sccm，O2的气体流量为2sccm；腔内压强为10mTorr；射频功率为50W；感应耦合功率为700W。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。
综上所述，本发明具有以下优势：
(1)本发明通过N+1次电子束曝光或掩膜对准紫外套刻曝光，获取具有2N个不同高度的光刻胶层，每一次曝光的剂量呈2的指数递增，第N+1次补偿曝光剂量为特定的剂量，与光刻胶厚度和类型有关；以光刻胶层作掩膜，干法刻蚀制备的纳米压印模板图形精度高，表面光滑，具有2的N次方个不同的高度等级。当高度等级划分呈指数增加时，套刻次数仅呈线性增加，缩短了时间，提高了效率。当采用电子束曝光时，比无掩膜光刻图形精度高、写场拼接误差小；当采用掩膜对准紫外套刻曝光时，与无掩膜光刻相比，无写场拼接误差。
(2)本发明通过软膜转印、纳米压印、干法刻蚀制备的灰度曝光制备空间光滤波器。由于刻蚀气体O2、SF6和C4F8比例优化的存在，使2.5D灰度曝光的具有2的N次方个高度等级的版图通过干法刻蚀的完美地转移到压印模板上，由于第二次干法刻蚀气体比例优化的存在，使2.5D灰度曝光的具有2的N次方个高度等级的纳米压印图案通过干法刻蚀的完美地转移到空间光滤波器上。
(3)本发明采用干法刻蚀可调整气体比例，同时控制刻蚀时间，由于刻蚀时间和气体比例同时进行优化，可以保证刻蚀深度达到目标深度时，光刻胶刚好也被刻蚀完，确保2的N次方个高度等级全部被转移到被刻蚀层。
(4)本发明提供的曝光补偿层，剂量为优化后的结果，图形为其他版图的并集，由于曝光补偿层的存在，使得光刻胶具有精确的2的N次方个不同高度。
(5)本发明提供的干法刻蚀采用的气体组合为SF6、C4F8与O2时，在进行干法刻蚀的过程中可以调控选择比，依此来控制刻蚀深度。在实际应用中，最大刻蚀深度d＝λ/(n-1)时，获取的空间光滤波器效果最佳，其中λ为滤波器工作波长，n为滤波器材料折射率。
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 (3)
1.一种灰度曝光制备2.5D微纳结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将2.5D微纳结构的高度分成2N个等级，建立对应的N张二元曝光版图，其中N>1；再获取所述N张二元曝光版图的并集，建立一个额外的补偿版图；
S2.在硅片上旋涂光刻胶后进行N+1次分层曝光，获取包含2N种高度的光刻胶层，所述光刻胶为电子束光刻胶，所述分层曝光为电子束曝光；
S3.以光刻胶层作掩膜进行干法刻蚀制备纳米压印模板，将所述纳米压印模板上的2.5D结构转移至热固化透明软膜上，并在衬底上旋涂紫外固化压印胶；
S4.通过纳米压印方法将热固化透明软膜上的2.5D结构转移至紫外固化压印胶上；
S5.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2.5D图形转移至衬底上；
其中，步骤S1中，建立对应的N张二元曝光版图包括：
将所述2.5D微纳结构的高度连续N次除以2取相应的余数，从而得到N张二元曝光版图；
其中，步骤S2中，第1次曝光的剂量D0为刚好全部未曝光剂量，第2~N+1次曝光的曝光剂量为刚好全部曝光的剂量Dt减去刚好全部未曝光剂量D0后再除以2的N-1次方，第2~N+1次曝光的电流在0.1nA~20nA范围内逐步递增。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，D0值为2μC/cm2~200μC/cm2；刚好全部曝光的剂量Dt与光刻胶的厚度和类型有关，取值为200μC/cm2~400μC/cm2。
3.如权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，步骤S3中干法刻蚀的气体包括O2、SF6和C4F8；O2的气流量为5~30sccm，SF6的气流量为5~20sccm，C4F8的气流量为5~50sccm；干法刻蚀的腔内压强为4~40mTorr；射频功率为：5~30W；感应耦合功率为300~1500W。
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