一种用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻方法

摘要

一种用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻方法，是采用光刻胶-银膜一光刻胶的三层膜层结构基片，纳米掩模图形面与基片表层光刻胶接触曝光。银膜功能是通过紫外照明光，将铬膜上的线宽尺度在20nm～500nm的图形成像到基片表层光刻胶，实现纳米图形成像光刻。表层光刻胶曝光显影后，通过两步刻蚀，将图形传递到金属银膜和底层光刻胶层，从而实现高深宽比的纳米光刻胶图形。

说明书

技术领域

本发明属于纳米加工技术领域，涉及一种用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻的三层胶结构基片及制备方法、用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻的纳米图形掩模和反射式表面等离子体成像光刻方法。

技术背景

为满足集成电路对更小线宽的不断追求，各种新型的纳米加工技术被不断的探索与研究。相比商业光刻设备(如193nm浸没光刻设备)，表面等离子体超分辨成像光刻具有高分辨率(可达50nm以下)、低成本、高效率等优点，因而受到科研人员的广泛关注(N.Fang，H.Lee，C.Sun and X.Zhang，“Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens，”Science 308，534-537(2005)；D.O.S.Melville and R.J.Blaikie，“Super-resolution imaging through a planar silver layer，”Opt.Express13，2127-2134(2005))。

虽然表面等离子体超分辨成像光刻分辨力高，但存在严重技术缺陷，主要问题体现在光刻胶图形深度浅、对比度低，因此其图形加工质量无法满足一般性应用需求。其原因在于超分辨成像的物理机制来源于金属薄膜激发的表面等离子体对携带纳米图形结构信息的倏逝光波的操纵，该倏逝波在光刻胶中呈指数衰减规律，曝光图形在光刻胶中有效作用距离只有10nm～50nm，因此光刻得到的光刻胶图形深度浅、对比度差。目前公开报道的表面等离子体成像光刻、表面等离子体干涉光刻技术，都未能解决该问题，得到的光刻胶图形深度和对比度差，难以将表面等离子体光刻技术应用于实际需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有表面等离子体成像光刻技术中存在光刻胶图形深度浅、图形对比度小、图形深宽比差的问题，提供一种用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻的三层胶结构基片及制备方法、用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻的纳米图形掩模和反射式表面等离子体成像光刻方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻的三层胶结构基片，其特点在于：在石英、硅或锗基片表面依次加工不具备紫外感光特性的光刻胶膜层、金属银膜层、具备紫外感光特性的光刻胶膜层。与传统透射式表面等离子体成像结构不同，用于感光的光刻胶不是在金属银膜下方，而是在金属银膜之上，利用金属银膜对携带亚波长尺度掩模图形信息的倏逝波的反射成像模式，实现图形信息在掩模与金属银膜之间的光刻胶空间超分辨成像。由于倏逝波在银膜与掩模之间的来回反射形成了驻波，大大增加了成像空间在垂直于银膜方向上的尺度，而且对比度大大提高。

制备上述的三层胶结构基片的方法，步骤如下：

(1)在石英、硅或锗基片表面旋涂加工厚度为100nm～500nm的光刻胶膜层，命名该光刻胶膜层为底层光刻胶膜层；

(2)将加工有底层光刻胶的基片放置在烘箱中，温度120度～150度，烘焙2～3小时，使底层底层光刻胶丧失紫外感光特性；

(3)以溅射方法，在步骤(2)的底层底层光刻胶表面加工厚度为30nm～100nm的金属银膜层；

(4)在金属银膜层表面旋涂覆厚度20nm～50nm的对紫外感光的光刻胶膜层，命名该光刻胶膜层为表层光刻胶膜层，并在烘箱中烘焙30～60分钟，烘焙温度90～110度。

所述步骤(1)和步骤(4)中的旋涂速度均是3000～5000转/秒。

一种用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻的纳米图形掩模，其特点在于：以厚度0.3mm～1mm的石英玻璃为基底，其上加工有厚度20nm～70nm金属膜，金属膜上加工的线宽为20nm～500nm的图形，图形深度大于或等于金属膜厚度。

一种用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻方法，步骤如下：

(1)制备用于高深宽比纳米图形加工的反射式表面等离子体成像光刻的纳米图形掩模，制备方法为：以厚度0.3mm～1mm的石英玻璃为基底，其上加工有厚度20nm～70nm金属膜，金属膜上加工的线宽为20nm～500nm的图形，图形深度大于或等于金属膜厚度；金属膜层材料为铬、钨或镍；

(2)将步骤(1)制备的反射式表面等离子体成像光刻的纳米图形掩模和前述的三层胶结构基片的表层光刻胶接触，以汞灯发出的波长365nm的i线紫外光对反射式表面等离子体成像光刻的纳米图形掩模曝光，曝光时间为5～20秒，使得所述掩模上的铬膜图形以潜像的形式传递到三层胶结构基片的表层光刻胶上；

(3)以显影剂对表层光刻胶显影，得到表层光刻胶图形，其中图形凹陷部分的深度应当等于表层光刻胶膜层厚度，然后放置在烘箱中，温度90～110度，烘焙20～40分钟；

(4)利用反应离子刻蚀设备，刻蚀气体为SF6或者CHF3，以表层光刻胶为遮蔽层，对基片上图形区裸露出的金属银膜层刻蚀，将表层光刻胶图形传递到金属银膜层，其中金属银膜层中图形凹陷的深度应当大于或者等于金属银膜层厚度；

(5)利用反应离子刻蚀设备，刻蚀气体为氧气，以金属银膜层为遮蔽层，对基片上图形区裸露出的底层光刻胶膜层刻蚀，将金属银膜层图形传递到底层光刻胶上，同时刻蚀掉残余的表层光刻胶；

(6)利用去铬液清除基片表面的残余金属银膜。

本发明与现有表面等离子体成像光刻技术相比具有以下优点：

(1)本发明解决了传统表面等离子体光刻技术中光刻图形分辨力高，但无法得到深度大的光刻胶图形，图形质量对比度差、深宽比差的技术问题，采用光刻胶-银膜-光刻胶的三层膜层结构基片，纳米掩模图形面与基片表层光刻胶接触曝光，表层光刻胶曝光显影后，通过两步刻蚀，最终利用氧气对光刻胶和银膜层的高选择性刻蚀速度比，将纳米图形传递到深度大的底层光刻胶上，实现了线宽20nm～500nm，光刻胶深度在100nm～500nm的高对比度光刻胶图形。

(2)本发明的三层膜层结构基片中，金属银膜功能是通过紫外照明光，将铬膜上的线宽尺度在20nm～500nm的图形以反射成像的模式成像到银膜与铬膜之间的光刻胶上，实现纳米图形成像光刻。由于银膜对携带纳米掩模图形信息的倏逝波增强作用，纳米图形可以在银膜与掩模上金属图形膜层之间的光刻胶层成像。同时由于掩模的金属图形层与金属银膜之间形成波导结构光波模式，其成像光刻对比度也可以得到明显提高。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为各实施例步骤1，2，3，4完成后的三层胶基片结构示意图；

图3为各实施例步骤5、6中采用纳米图形掩模与三层膜层结构基片接触曝光的结构示意图；

图4为各实施例步骤7对曝光后的表层胶显影和烘焙后的光刻胶图形结构示意图；

图5为各实施例步骤8利用SF6或CHF3气体反应离子束刻蚀银膜，图形转移至银膜后的结构示意图；

图6为各实施例步骤9利用氧气反应离子束刻蚀底层光刻胶，银膜上的图形转移至底层光刻胶层后的结构示意图。

图7为各实施例步骤10中采用去铬液去除金属银后的光刻胶图形的结构示意图。

图中1为三层光刻胶结构的基底，2为三层光刻胶结构中的底层光刻胶膜层，3为三层光刻胶结构中的银膜层，4为三层光刻胶结构中的表层光刻胶，5为掩模上的金属膜层，6为掩模石英基底。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1

本发明的一个典型实施例，是在石英基底上制作线宽为200nm、周期为400nm的周期线条结构，深度达到300nm的纳米光刻胶图形，曝光波长为365nm。

该图形的制作步骤如图1所示，具体实现如下：

(1)将光刻胶AR3120以3000转/秒速度旋涂在石英基片表面，光刻胶薄膜厚度为400nm；

(2)基片重新放置在烘箱中，烘焙2小时，温度130度，使基片的光刻胶丧失紫外感光特性；

(3)利用磁控溅射镀膜设备，在光刻胶表面溅射一层金属银膜层，厚度50nm；

(4)将光刻胶AR3170以4000转/秒的速度旋涂在金属银膜层表面，得到表层光刻胶，厚度40nm，放置在烘箱中，烘焙40分钟，温度100度，形成三层胶结构基片，如图2所示。

(5)制备表面等离子体成像光刻图形掩模，具体步骤包括，在厚度0.5mm的石英基片上溅射50nm厚度的铬膜，利用聚焦粒子束设备在铬膜上加工线宽200nm，周期400nm的周期线条结构图形。

(6)利用加工有线宽200nm，周期400nm的线条图形的表面等离子体成像纳米光刻图形掩模，金属银膜层与三层胶结构基片上的表层光刻胶接触，利用汞灯光源发出的i线紫外光对掩模曝光，曝光时间10秒；如图3所示。

(7)利用显影剂对曝光后的表层光刻胶显影，得到表层光刻胶上的线宽200nm，周期400nm，图形深度40nm的光刻胶图形，放置在烘箱中，温度100度，烘焙20分钟，如图4所示；

(8)利用反应离子刻蚀设备，SF4为刻蚀气体，表层光刻胶为遮蔽层，刻蚀金属银膜层，将周期400nm的线条图形传递到金属银膜层，该层的图形深度为50nm，如图5所示；

(9)利用反应离子刻蚀设备，氧气为刻蚀气体，金属银膜层为遮蔽层，刻蚀底层光刻胶，将周期400nm的线条图形传递到底层光刻胶，最终得到图形深度为400nm，如图6所示；

(10)采用去铬液，清除基片表面残留的金属银膜，如图7所示。

实施例2

本发明的一个典型实施例，是在硅基底上制作线宽为20nm、周期为40nm的周期线条结构，深度达到100nm的纳米光刻胶图形，曝光波长为365nm。

该图形的制作步骤如图1所示，具体实现如下：

(1)光刻胶AR3120以5000转/秒速度旋涂在硅基片表面，光刻胶薄膜厚度为100nm；

(2)基片重新放置在烘箱中，烘焙2小时，温度120度，使基片的光刻胶丧失紫外感光特性；

(3)利用磁控溅射镀膜设备，在光刻胶表面溅射一层金属银膜层，厚度30nm；

(4)将光刻胶AR3170以5000转/秒的速度旋涂在金属银膜层表面，得到表层光刻胶，厚度20nm，放置在烘箱中，烘焙30分钟，温度100度，形成三层胶结构基片，如图2所示。

(5)制备表面等离子体成像光刻图形掩模，具体步骤包括，在厚度0.3mm的石英基片上溅射20nm厚度的钨膜，利用电子束直写方法在铬膜上加工线宽20nm，周期40nm的周期线条结构图形。

(6)利用加工有线宽20nm，周期40nm的线条图形的表面等离子体成像纳米光刻图形掩模，金属银膜层与三层胶结构基片上的表层光刻胶接触，利用汞灯光源发出的i线紫外光对掩模曝光，曝光时间5秒；如图3所示。

(7)利用显影剂对曝光后的表层光刻胶显影，得到表层光刻胶上的线宽20nm，周期40nm，图形深度40nm的光刻胶图形，放置在烘箱中，温度90度，烘焙20分钟，如图4所示；

(8)利用反应离子刻蚀设备，CHF3为刻蚀气体，表层光刻胶为遮蔽层，刻蚀金属银膜层，将周期40nm的线条图形传递到金属银膜层，该层的图形深度为30nm，如图5所示；

(9)利用反应离子刻蚀设备，氧气为刻蚀气体，金属银膜层为遮蔽层，刻蚀底层光刻胶，将周期40nm的线条图形传递到底层光刻胶，最终得到光刻胶图形深度为100nm，如图6所示；

(10)采用去铬液，清除基片表面残留的金属银膜，如图7所示。

实施例3

本发明的一个典型实施例，是在锗基底上制作线宽为500nm、周期为1000nm的周期线条结构，深度达到500nm的纳米光刻胶图形，曝光波长为365nm。

该图形的制作步骤如图1所示，具体实现如下：

(1)将光刻胶AR3120以3000转/秒速度旋涂在锗基片表面，光刻胶薄膜厚度为500nm；

(2)基片重新放置在烘箱中，烘焙3小时，温度150度，使基片的光刻胶丧失紫外感光特性；

(3)利用磁控溅射镀膜设备，在光刻胶表面溅射一层金属银膜层，厚度100nm；

(4)将光刻胶AR3170以3000转/秒的速度旋涂在金属银膜层表面，得到表层光刻胶，厚度50nm，放置在烘箱中，烘焙60分钟，温度110度，形成三层胶结构基片，如图2所示。

(5)制备表面等离子体成像光刻图形掩模，具体步骤包括，在厚度1mm石英基片上溅射70nm厚度的镍膜，利用聚焦粒子束设备在铬膜上加工线宽500nm，周期1000nm的周期线条结构图形。

(6)利用加工有线宽500nm，周期1000nm的线条图形的表面等离子体成像纳米光刻图形掩模，金属银膜层与三层胶结构基片上的表层光刻胶接触，利用汞灯光源发出的i线紫外光对掩模曝光，曝光时间20秒；如图3所示。

(7)利用显影剂对曝光后的表层光刻胶显影，得到表层光刻胶上的线宽500nm，周期1000nm，图形深度50nm的光刻胶图形，放置在烘箱中，温度100度，烘焙30分钟，如图4所示；

(8)利用反应离子刻蚀设备，SF6为刻蚀气体，表层光刻胶为遮蔽层，刻蚀金属银膜层，将周期1000nm的线条图形传递到金属银膜层，该层的图形深度为100nm，如图5所示；

(9)利用反应离子刻蚀设备，氧气为刻蚀气体，金属银膜层为遮蔽层，刻蚀底层光刻胶，将周期1000nm的线条图形传递到底层光刻胶，最终得到光刻胶图形深度为500nm，如图6所示；

(10)采用去铬液，清除基片表面残留的金属银膜，如图7所示。