CN1212652C - 一种基于自组织的纳米颗粒图案的光刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明用气相或液相淀积形成的纳米粒子有序阵列和图案取代传统光刻等工艺中的曝光形成的掩膜，将可制作的纳米结构尺寸发展到10nm以下。而所采用的刻蚀工艺却是与传统工艺兼容的。特别是在本方案中，采用共聚物薄膜作为模板引导纳米粒子的组装，只需获得一套最佳的组装方案，即可运用于将图案转移到各种不同基板材料上获得各种量子点阵列，较之其他纳米结构制作技术有更高的通用性，提供了新途径。

Description

一种基于自组织的纳米颗粒图案的光刻方法

技术领域

本发明属于集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种新的纳米光刻方法。

背景技术

传统的光刻技术，如光、电子束、离子束曝光结合干法或湿法选择性刻蚀的技术已把器件的线宽刻得越来越细，甚至超越了很多原先所谓的极限。但随着线宽的进一步缩小，光刻技术变得越来越困难，成本以指数形式增加，进而可能遇到真正意义上的极限。另一方面，随着新近纳米科技的迅猛发展，新的纳米器件将在不久的将来出现。所以，人们都在努力寻找新的光刻技术，以突破传统复杂的光刻技术来制作纳米图案。其中一种技术是借助于扫描隧道显微镜(STM)的探针，通过直接搬迁表面原子和纳米微簇，或探针辅助的化学组分的分解，来实现纳米结构阵列和畴的制作，但由于其串行操作的模式，使得制作的低效率成为难以克服的问题。另一种实现纳米结构图案的方法是通过原子自组织现象，由单一的工艺过程在大范围内一步实现金属和半导体粒子的有序阵列。例如用分子束外延(MBE)或金属有机化合物气相外延(MOVPE)技术，在由于晶格失配而在表面单层导致的周期性应力网络的约束下可形成高度有序的量子点阵列，这种Stranski-Krastanow生长模式已成功的应用于InGaAs/GaAs量子点阵列制作，并得到较好的发展。通过湿化学的过程也可以获得纳米粒子的三维有序阵列，但这种方法存在与器件工艺较难兼容、难以排除杂质、工艺繁复(步骤多、过程长)等问题。最近还发展起来了一种纳米尺度的硅局域氧化工艺(LOCOS)，即通过在SOI基板上形成SiN微簇阵列以及随后在真空中的刻蚀模式氧化，可以获得高密度的Si量子点阵列。但这种方法只适用于特定的基板和量子点系统，也缺乏通用性。

发明内容

本发明的目的是提出一种能与传统的工艺技术相兼容的，操作简单、方便易行、生产实用的新的纳米光刻方法。

本发明提出的纳米光刻方法，是以控制纳米粒子的阵列图案结构来实现纳米光刻，具体是根据纳米粒子系统的光电性质随粒子间的距离和组装结构而发生显著变化的特性。其要点是通过气相或液相过程形成的纳米粒子自组织阵列构成的图案掩膜取代光刻等传统工艺中的曝光形成的掩膜，再用干法刻蚀技术获得纳米图案。本发明将可制作的纳米结构尺寸发展到10nm以下。这种独创性的方案具有高效、低成本以及与传统工艺兼容性高的特点。是微簇的自组织与传统光刻工艺的结合，是一种过程简单、高效、快速和低成本的方法，所形成的纳米结构具有高纯、稳定、无缺陷等显著优点，并且制作过程可以通过各种精密分析技术实时监控，在技术上与现代器件制作工艺具有很好的兼容性。

本发明方法的具体步骤如下：

(1)选择适当的有机物质(如聚苯乙烯—聚丁二稀、聚二甲硅烷氧等)作为模板衬底材料，通过真空蒸发、旋涂(spin coating)或高真空阴离子聚合技术，在基板表面形成嵌段共聚物薄膜作为有机模板，控制模板的结构类型，获得亚微米(通常指从几百nm到1um)周期性聚集结构。

(2)在有机模板的引导下，通过纳米粒子(如SiO₂、SiN、Au或共聚物纳米粒子)的高定向气相沉积或液相沉积，结合热处理、光照和荷电处理以改变纳米粒子间的作用强度和形式，使得淀积粒子形成均匀的阵列或各种多畴乃至单畴二维图案结构。

(3)以上述纳米粒子阵列或图案作为掩膜，通过反应等离子体刻蚀或考夫曼离子束溅射刻蚀，将图形转移印刷到(如Si、Ge、GaAs、SOI等)基板材料上，清除有机模板和纳米粒子后，获得基板材料上的稠密量子点阵列或图案。

本发明中，纳米粒子可以是SiO₂、SiN、Au或共聚物纳米粒子。基板材料可以是Si、Ge、GaAs、SOI等。

本发明用气相或液相淀积形成的纳米粒子有序阵列和图案取代传统光刻等工艺中的曝光形成的掩膜，而所采用的刻蚀工艺却是与传统工艺兼容的。特别是在本方案中，采用共聚物薄膜作为模板引导纳米粒子的组装，只需获得一套最佳的组装方案，即可运用于将图案转移到各种不同基板材料上获得各种量子点阵列，较之其他纳米结构制作技术有更高的通用性。

本发明具有较大的发展前景：纳米粒子自组装图案的形成技术是当前纳米科学领域的研究热点，特定的复杂组装图案制备技术的突破，如最近正日益受到重视的DNA引导的纳米粒子复杂图案的精确控制组装技术，都有可能通过本方法低成本地引入到传统的器件制作工艺流程中，获得其它物理或化学气相沉积方法所难以得到的稠密纳米粒子在空间均匀分布的阵列结构和图案。

附图说明

图1是有机模板形成的示意图；

图2是纳米粒子阵列掩膜的淀积示意图；

图3选择性刻蚀的示意图；

图4清除纳米粒子掩膜及有机模板，获得量子点阵列的示意图；

图中标号：1为硅片、2为有机模板、3为纳米粒子流、4为RIE(反应等离子刻蚀)。

具体实施方式

以Si基板材料为例(Ge、GaAs、SOI等其它基板的工艺基本流程相同)，进一步具体描述本方法。其制作过程如下图1-图4所示：

1.亚微米周期模板的制备(图1)：

(1)选择适当的有机物质，如聚苯乙烯—聚丁二稀或聚二甲硅氧烷作为模板材料。

(2)通过有机物质分子自身自组装或者在外界驱动下(如噪声调控)形成在基板表面的周期有序的空间自组织结构。从工艺兼容性的角度，主要通过真空蒸发、旋涂(spin coating)和高真空阴离子聚合技术，结合衬底诱发、噪声调控等途径，在基板表面形成由嵌段共聚物等模板材料形成的具有微米到亚微米(～500nm)周期的有序畴结构，薄膜厚度为数十到数百纳米。具体地，二维单层球密堆的畴结构可用高速旋涂和有机气相沉积的工艺获得，而高度有序的柱状结构和平行层状相列结构则可由两嵌段或三嵌段共聚物的聚合化技术获得。

(3)结构更为复杂的亚微米周期有序畴有机模板可以通过上述诸工艺的多流程组合，并结合对弹性聚合物如聚二甲硅氧烷薄膜的亚微米模印方法获得。

2.纳米粒子二维有序阵列的获得(图2)

(1)在有机模板的表面，进行均一尺寸(直径为10-100nm，尺寸分布小于15％)的SiO₂纳米粒子流高定向气相沉积或液相沉积，所谓高定向是指纳米粒子沉积到模板表面的入射方向高度一致(离散角小于2°)，通过转动模板则可以获得不同的沉积定向角度。

(2)沉积到有机模板表面的纳米粒子，在模板表面的有限徙动(徙动长度、自由程)受到模板的亚微米畴界的约束，粒子间的长程相互作用也收到畴界的隔离，因此就在畴内有序化。

(3)通过改变纳米粒子流的沉积方向，可使纳米粒子发生在畴内的定向徙动，获得两维定向有序排列。

(4)通过热处理、光照和荷电处理，可以改变纳米粒子间作用的强度和空间取向，从而控制淀积粒子形成特定的多畴乃至单畴二维图案结构。

不同的纳米粒子间及其与模板表面的相互作用形式与强度不同，其组装的形成的定域结构也因此而异。目前较为实用的纳米粒子包括：SiO₂、SiN、Au纳米粒子及某些共聚物纳米粒子。

3.纳米粒子阵列或组装图案的刻蚀转移(图3)

以上述纳米粒子阵列或图案作为掩模，通过反应等离子体刻蚀(RIE)或考夫曼离子束溅射工艺，对有机模板和Si基板依次进行刻蚀，未覆盖纳米粒子的Si基板表面被蚀去一定深度后，就实现了纳米粒子组装的图形到Si基板的转移印刷。

4.有机模板和纳米粒子的清除

通过常规工艺过程，或者控制离子束刻蚀的刻蚀深度，可以将Si基板表面有机模板和纳米粒子干净清除，就获得基板材料上的稠密量子点阵列或图案。

Claims (3)

1、一种纳米光刻方法，其特征在于，根据纳米粒子系统的光电性质随粒子间的距离和组装结构而发生显著变化的特性，通过气相或液相过程形成的纳米粒子自组织阵列构成的图案掩模取代传统光刻等工艺中的曝光形成的掩模，采用干法刻蚀技术获得纳米图案，具体步骤如下：

(1)选择适当的有机物质作为模板衬底材料，通过真空蒸发、旋涂或高真空阴离子聚合技术，在基板表面形成二元共聚物薄膜作为有机模板，控制模板的结构类型，获得亚微米周期性聚集结构；

(2)在有机模板的引导下，通过纳米粒子的高定向气相沉积或液相沉积，结合热处理、光照和荷电处理以改变纳米粒子间的作用强度和空间取向，使得淀积粒子形成均匀的阵列或各种多畴乃至单畴二维图案结构；

(3)以上述纳米粒子阵列或图案作为掩模，通过反应等离子体刻蚀或考夫曼离子束溅射刻蚀，将图形转移印刷到基板材料上，清除有机模板和纳米粒子后，获得基板材料上的稠密量子点阵列或图案。

2、根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于上述的纳米粒子为SiO₂、Au、SiN纳米粒子。

3、根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于上述的基板材料为Si、Ge、GaAs、SOI。

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