CN116224728A - 制备多级台阶微结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备多级台阶微结构的方法，其包括如下步骤：(1)在衬底上制备光刻胶涂层；(2)设计初始曝光版图，所述初始曝光版图为灰度图，且所述灰度图中每个像素点的灰度值为0‑255灰阶；所述初始曝光版图上每个像素点的灰度值与紫外光束对光刻胶涂层上每个点的曝光剂量呈相关性；(3)优化所述初始曝光版图以获得优化曝光版图；(4)将所述优化曝光版图导入紫外光刻系统，利用紫外光刻设备对所述光刻胶涂层进行曝光加工；(5)对曝光后的光刻胶涂层进行显影工序，以在所述光刻胶涂层上产生与所述优化曝光版图对应的光刻胶台阶微结构。本发明的方法可以以高精度制备小尺寸、多台阶阶次、任意高度的台阶微结构。

Description

制备多级台阶微结构的方法
技术领域
本发明属于微加工领域。具体地，本发明涉及制备多级台阶微结构的方法。
背景技术
目前制备台阶微结构的方法大多是采用多次套刻的方式。该方法的制备过程中需要多次对准过程。正是这种多次对准导致该方法误差大，进而影响所制备的台阶微结构的精度。
激光直写技术凭借无需掩膜版、较高的加工精度(亚微米级)以及可加工任意结构等特点，在各种微结构与器件的加工领域中备受关注。目前的激光直写技术也仅限于用于二维图形的制备，这主要是因为受限于激光直写设备系统内部声光调制器的调制范围。
为了满足衍射光学元件、微光学透镜、光通讯等应用领域对高性能三维结构的高精度加工要求，尤其是任意高度的周期或非周期性台阶微结构，需要开发新的工艺，以实现小尺寸、多台阶阶次、任意高度台阶微结构的可控加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的制备多级台阶微结构的方法，该方法精度高，并且可以制备小尺寸、多台阶阶次、任意高度的台阶微结构。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。
在本发明上下文中，术语“台阶微结构的长”是指在平行于光刻胶涂层的平面中台阶微结构的长度。
在本发明上下文中，术语“台阶微结构的宽”是指在平行于光刻胶涂层的平面中台阶微结构的宽度。
在本发明上下文中，术语“台阶微结构的厚度”是指在垂直于光刻胶涂层的维度上台阶微结构的纵向深度。
本发明提供一种制备多级台阶微结构的方法，其包括如下步骤：
(1)在衬底上制备光刻胶涂层；
(2)设计初始曝光版图，所述初始曝光版图为灰度图，且所述灰度图中每个像素点的灰度值为0-255灰阶；所述初始曝光版图上每个像素点的灰度值与紫外光束对光刻胶涂层上每个点的曝光剂量呈相关性；
(3)优化所述初始曝光版图以获得优化曝光版图，其中优化所述初始曝光版图是通过包括如下步骤的方法进行的：
(i)利用光学表征设备测得所用光刻胶的光学参数；
(ii)绘制0-255灰阶的灰度版图；
(iii)将所述灰度版图进行曝光，曝光后得到光刻胶厚度与灰度值的关系曲线，即对比度曲线；
(iv)将所述初始曝光版图、光刻胶的光学参数、对比度曲线以及初始曝光版图中灰度值和对应的期望厚度值关系曲线输入优化软件，即可获得优化曝光版图；
(4)将所述优化曝光版图导入紫外光刻系统，利用紫外光刻设备对所述光刻胶涂层进行曝光加工；
(5)对曝光后的光刻胶涂层进行显影工序，以在所述光刻胶涂层上产生与所述优化曝光版图对应的光刻胶台阶微结构。
本申请的发明人出乎预料地发现，激光直写曝光技术不仅仅可以用于二维图形的制备，其也可以用于制备台阶微结构，并且可以以高精度制备小尺寸、多台阶阶次、任意高度的台阶微结构。不希望受理论束缚，这可能是由于激光直写技术有一定的三维加工潜力，通过相关参数的调控，如曝光剂量、曝光版图的优化，可以实现三维结构的制备，如多台阶、连续位相浮雕微结构等。因此，激光直写技术的应用领域也可进一步扩大至衍射光学元件(DOE)、微透镜等光学领域，甚至可应用于光通讯领域。
本发明提出一种利用激光直写曝光技术，制备多级台阶微结构的方法。本方法通过定义结构单元的灰度值，再经软件计算、迭代优化灰度值分布(灰度值与曝光剂量的关系)，模拟曝光和显影，合理分配给每个单元(像素)的剂量，使曝光得到的台阶微结构高度与设定的结构单元灰度值呈一定相关性，可以是负相关，也可以是正相关。该方法极大地发挥了激光直写技术在制备三维结构方面的潜力，大大提高激光直写设备系统的最大能量控制阶数。
受限于激光直写设备系统内部声光调制器的调制范围，激光直写的三维加工能力受限。而且，光刻产生的形貌主要与曝光图形的几何特征、光学邻近效应以及光刻胶和曝光剂量的非线性关系有关，灰度加工的台阶高度也难以控制。通过本发明的方法，可以解决上述技术问题，实现小尺寸、多台阶阶次、任意高度的台阶微结构的制备。
优选地，在本发明所述的方法中，所述光学表征设备为椭偏仪。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(ii)中的绘制0-255灰阶的灰度版图通过以10为步长并且绘制25个灰度值不同的方块进行的。
优选地，在本发明所述的方法中，所述光学参数为折射率n和消光系数k。
优选地，在本发明所述的方法中，所述衬底选自玻璃、石英或者硅。
优选地，在本发明所述的方法中，所述光刻胶为紫外光刻胶。
优选地，在本发明所述的方法中，所述紫外光刻胶对350nm-450nm波段的曝光光束敏感。
优选地，在本发明所述的方法中，所述紫外光刻胶选自AZ 4562、AZ4620和AZ 6130中的一种或几种。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的相关性包括负相关与正相关。
优选地，在本发明所述的方法中，所述紫外光刻设备为激光直写曝光设备，其激光束波长为350nm-450nm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述激光直写曝光设备的离焦量为10μm-60μm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述激光直写曝光设备用于曝光的激光束的光斑尺寸为100nm-1μm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述台阶微结构的长为1μm-10μm，宽为1μm-10μm，纵向厚度为0-15μm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述方法还包括在步骤(5)之后的以下步骤：
对光刻胶层和衬底进行定向刻蚀，以将所述光刻胶台阶微结构转化为衬底台阶微结构；或者
在光刻胶层上共形沉积材料层，使得光刻胶台阶微结构转印至所沉积的材料层。
在本发明的具体实施方案中，制备光刻胶涂层包括：将液态光刻胶旋涂至衬底表面，形成半凝固涂层；烘烤旋涂的光刻胶，得到固态光刻胶涂层。
在本发明的具体实施方案中，设计曝光版图文件包括绘制初始曝光版图与优化初始曝光版图。所述曝光版图包括赋有不同灰度值的像素点，形成灰度图。所述优化曝光版图包括对设计版图灰度值分布的优化。
在本发明的具体实施方案中，对所述光刻胶涂层进行激光直写曝光包括使用所述优化前后的曝光版图对所述光刻胶涂层进行曝光，再执行对曝光后的光刻胶涂层进行显影的步骤。
在本发明的具体实施方案中，光刻胶台阶微结构制备方法的流程图可以参照图1。在步骤1中，制备光刻胶涂层。将清洗干净的衬底，如硅片、石英片或其它表面平整光滑的衬底，置于匀胶机的涂胶台。然后使用一次性滴管将光刻胶(如AZ 6130光刻胶)均匀滴在衬底上，以1000rpm/min的转速均匀甩胶。将初步成型的光刻胶涂层置于100℃的烘胶台上进行干燥。应注意，本申请中描述的参数都是作为示例提供，以使本领域技术人员能够实施在此提供的实施方案。但是，可以根据实际应用，例如所使用的光刻胶的型号，或期望得到的光刻胶的厚度等，而改变这里描述的参数值，并不偏离本发明的教导。
在本发明的具体实施方案中，可能期望获得胶厚的光刻胶涂层，因此还可以重复上述匀胶、烘胶的步骤，获得更大厚度的光刻胶涂层，以实现台阶高度跨度更大的微结构。
在本发明的具体实施方案中，参照图1步骤2，设计曝光所用版图文件为灰度图。在一些实施方案中，可以使用matlab软件或其它绘图软件，绘制期望的曝光灰度版图。以台阶微结构所需版图为例，给期望尺寸的台阶方块对应像素点赋予一定的灰度值。其中，灰度值又与曝光剂量相对应，以256阶(0-255阶)灰度为例，最大灰度值255对应相对最大的曝光剂量，最小灰度值0对应于最小的曝光剂量。当所用光刻胶为正性光刻胶时，曝光剂量较大的部分在显影时更容易被去除，而曝光剂量较小的部分在显影时更容易被保留。
在本发明的具体实施方案中，参照图1步骤3，激光直写曝光设备可以使用步骤2中设计的曝光版图对步骤1中制备的光刻胶涂层进行激光直写曝光。所谓激光直写曝光是指由激光束直接照射光刻胶的方式来进行曝光。激光直写曝光系统可以读取曝光版图中的每个像素的灰度值，根据像素坐标值来确定光刻胶涂层上的曝光点位。同时，激光直写曝光设备也能根据像素点的灰度值来确定与该曝光点位对应的激光能量强度或者曝光时间，使得该曝光点位的曝光剂量与对应像素点的灰度值成一定比例。为了简单起见，也可以将光刻胶上各个曝光点位称为像素点，与曝光版图上的像素点一一对应。激光直写曝光设备可以在驱动装置的控制下在各个像素点之间移动激光光斑，例如逐行扫描移动，以完成对所有像素点的直写曝光。同时，激光束在扫描的过程中，可以根据设计的曝光版图不断调节激光束的能量强度，或者调节激光束的照射时间，来调节每个像素点对应的曝光剂量，使显影后得到的光刻胶厚度与对应像素的灰度值呈相关性。由于激光直写曝光是采用激光束对像素逐一曝光的方式，因此要注意保证相邻像素之间的曝光剂量的变化，减少光束拼接及光学邻近效应产生的影响。所以，在设计曝光版图时，应用Beamer软件迭代优化灰度值分布(灰度值与曝光剂量的关系)，模拟曝光和显影，合理分配给每个单元(像素)的剂量。
在本发明的具体实施方案中，在步骤4中，对曝光后的光刻胶进行显影。显影液的类型可以根据光刻胶的型号来选择或者配制，如AZ 6130光刻胶可以用AZ 300MIF显影液来进行显影。显影时间可以根据需要显影的光刻胶的厚度以及显影液的组分来确定，一般在1min-30min范围内。显影完成后，用去离子水冲洗干净，以去掉表面残留的显影液，并用氮气枪吹干水分。
在一些实施方案中，还可以对光刻胶层和衬底进行定向刻蚀，例如垂直刻蚀，使得光刻胶层的任意高度的台阶立体微结构可以转移至衬底上。在一些实施方案中，也可以在光刻胶层上共形沉积一材料层，如金属膜层，使得光刻胶层的台阶结构转印到所沉积的材料层上。
本发明具有以下有益效果：
本发明的制备方法精度高，并且可以制备小尺寸、多台阶阶次、任意高度的台阶微结构。该方法极大地发挥了激光直写技术在制备三维结构方面的潜力，大大提高激光直写设备系统的最大能量控制阶数。通过本发明的方法，激光直写技术的应用领域可进一步扩大至衍射光学元件(DOE)、微透镜等光学领域，甚至可应用于光通讯领域。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是根据本发明的一个具体实施方案的光刻胶台阶微结构制备方法的流程图；
图2是应用绘图软件绘制的初始曝光版图；
图3是应用Beamer软件将图2进行优化后的优化曝光版图；
图4是使用图2的初始曝光版图制备的光刻胶台阶微结构；
图5是使用图3的优化曝光版图制备的光刻胶台阶微结构；
图6是图5的黑框处的局部放大图；
图7是0-255灰阶的灰度版图；
图8是图7的灰度版图曝光后得到光刻胶厚度与灰度值的关系曲线(即对比度曲线)；
图9是对比例1制备的光刻胶台阶微结构；
图10是对比例2制备的光刻胶台阶微结构。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
(1)在衬底上制备光刻胶涂层：
将清洗干净的石英片衬底，置于匀胶机的涂胶台。然后使用一次性滴管将光刻胶AZ 6130均匀滴在衬底上，以1000rpm/min的转速均匀甩胶。将初步成型的光刻胶涂层置于100℃的烘胶台上进行干燥。
(2)设计初始曝光版图：
使用matlab软件绘制初始曝光灰度版图。所绘制的初始曝光版图如图2所示。
(3)优化初始曝光版图：
优化初始曝光版图是通过包括如下步骤的方法进行的：
(i)利用椭偏仪测得所用光刻胶的光学参数：折射率n和消光系数k；其中，所测得的折射率为1.6，消光系数k为0。
(ii)绘制0-255灰阶的灰度版图，以10为步长，绘制25个灰度值不同的方块，如图7所示；
(iii)将灰度版图进行曝光，曝光后得到光刻胶厚度与灰度值的关系曲线，即对比度曲线，如图8所示；曝光后显影，用台阶仪测量每个小方块剩余光刻胶厚度。
(iv)将初始曝光版图、光刻胶的光学参数、对比度曲线以及初始曝光版图中灰度值和对应的期望厚度关系曲线输入Beamer优化软件，即可获得优化曝光版图，如图3所示。
(4)将优化曝光版图导入紫外光刻系统，利用紫外光刻设备对光刻胶涂层进行曝光加工。
(5)对曝光后的光刻胶涂层进行显影工序，以在光刻胶涂层上产生与优化曝光版图对应的光刻胶台阶微结构，其中显影约1min。
本实施例所制备的光刻胶台阶微结构如图5-6所示。图5-6示出本发明的台阶微结构精度高、尺寸小(约4-6μm)、台阶阶次多(高达8个台阶阶次)、厚度可调控。
对比例1
该对比例的操作步骤同实施例1，除了将激光直写曝光设备的离焦量调整为8μm。该对比例所制备的光刻胶台阶微结构如图9所示。图9示出了，当激光直写曝光设备的离焦量小于10μm时，台阶边缘模糊不清，台阶陡直度很差。
对比例2
该对比例的操作步骤同实施例1，除了将激光直写曝光设备的离焦量调整为62μm。该对比例所制备的光刻胶台阶微结构如图10所示。图10示出了，当激光直写曝光设备的离焦量大于60μm时，台阶边缘模糊不清，台阶陡直度很差。
对比例3
该对比例的操作步骤同实施例1，除了将激光束的光斑尺寸调整为95nm。该对比例所制备的光刻胶台阶微结构类似于图9，台阶边缘模糊不清，台阶陡直度很差。
对比例4
该对比例的操作步骤同实施例1，除了将激光束的光斑尺寸调整为1.1μm。该对比例所制备的光刻胶台阶微结构类似于图10，台阶边缘模糊不清，台阶陡直度很差。

Claims (10)

1.一种制备多级台阶微结构的方法，其包括如下步骤：
(1)在衬底上制备光刻胶涂层；
(2)设计初始曝光版图，所述初始曝光版图为灰度图，且所述灰度图中每个像素点的灰度值为0-255灰阶；所述初始曝光版图上每个像素点的灰度值与紫外光束对光刻胶涂层上每个点的曝光剂量呈相关性；
(3)优化所述初始曝光版图以获得优化曝光版图，其中优化所述初始曝光版图是通过包括如下步骤的方法进行的：
(i)利用光学表征设备测得所用光刻胶的光学参数；
(ii)绘制0-255灰阶的灰度版图；
(iii)将所述灰度版图进行曝光，曝光后得到光刻胶厚度与灰度值的关系曲线，即对比度曲线；
(iv)将所述初始曝光版图、光刻胶的光学参数、对比度曲线以及初始曝光版图中灰度值和对应的期望厚度值关系曲线输入优化软件，即可获得优化曝光版图；
(4)将所述优化曝光版图导入紫外光刻系统，利用紫外光刻设备对所述光刻胶涂层进行曝光加工；
(5)对曝光后的光刻胶涂层进行显影工序，以在所述光刻胶涂层上产生与所述优化曝光版图对应的光刻胶台阶微结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学表征设备为椭偏仪；
优选地，所述步骤(ii)中的绘制0-255灰阶的灰度版图通过以10为步长并且绘制25个灰度值不同的方块进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学参数为折射率n和消光系数k。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底选自玻璃、石英或者硅；
优选地，所述光刻胶为紫外光刻胶；
更优选地，所述紫外光刻胶对350nm-450nm波段的曝光光束敏感；
更优选地，所述紫外光刻胶选自AZ 4562、AZ 4620和AZ 6130中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(2)中的相关性包括负相关与正相关。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述紫外光刻设备为激光直写曝光设备，其激光束波长为350nm-450nm。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述激光直写曝光设备的离焦量为10μm-60μm。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述激光直写曝光设备用于曝光的激光束的光斑尺寸为100nm-1μm。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述台阶微结构的长为1μm-10μm，宽为1μm-10μm，厚度为0-15μm。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括在步骤(5)之后的以下步骤：
对光刻胶层和衬底进行定向刻蚀，以将所述光刻胶台阶微结构转化为衬底台阶微结构；或者
在光刻胶层上共形沉积材料层，使得光刻胶台阶微结构转印至所沉积的材料层。
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