专利名称：一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法
技术领域：
本发明提供一种进行亚波长干涉光刻的方法，具体涉及一种利用多层金属介质膜结构实 现亚波长干涉光刻的方法。
技术背景关于利用表面等离子体波(surface plasmon，简称SP)短波长特性实现亚波长干涉光刻 已经在Surface Plasmon Interference Nanolithography， NANO LETTERS,2005,Vo1，5， No.5，957-961; Large-area surface-plasmon polariton interference lithography, 2006 / Vol. 31, 17 / OPTICS LETTERS 2613-2615等多篇文献中提到过；然而有两个关键问题没有解决好 表面等离子体波激发和干涉线条的面积和均匀性；由于表面等离子体波干涉波长远小于真空 波长，而现有光学材料折射率有限，用棱镜方式激发表面等离子体波并不能得到很短的表面 等离子体波波长，因而得到干涉图形周期较大；文献NANO LETTERS, 2005，VoI. 5, No. 5，957-961中，利用在干涉区域两侧引入有限长度的光栅或者亚波长狭缝结构激发相向传输的 表面等离子体波，这样可以避免激发光的零级直透分量对干涉场的影响，但带来的问题是， 由于激发的表面等离子体波在干涉区域内传播距离有限，干涉区域非常短，且条纹可见度不 均匀，大大限制了其实用性。 发明内容本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出一种利用周期图形结构的掩模 和多层金属介质薄膜结构激发短波长表面等离子体波，由于掩模结构图形本身具有周期性、 均匀性特点，且同时采用多层金属介质膜结构滤掉低频直透分量光场信息，即可实现均匀、 大面积表面等离子体波干涉光刻，可用于制备特征尺寸远小于波长的周期结构图形。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种利用多层膜结构实现亚波长干涉光刻 的方法，其特点在于包括下列步骤(1) 首先选择基底材料；(2) 在基底表面旋涂抗蚀剂，厚度为d;(3) 在抗蚀剂表面交替蒸镀金属材料和介质材料，形成交替排布的金属层和介质层；(4) 设计掩模结构；(5) 将设计好的掩模放置于步骤(3)获得的结构表面；(6) 对步骤(5)所得的结构进行曝光；(7) 曝光结束后，移开掩模；(8) 去除步骤(7)中所得的结构中的金属材料和介质材料；(9) 将步骤(8)中所得的结构放入与抗蚀剂相匹配的显影液中进行显影；(10) 将显影后的结构进行干法刻蚀，将结构传递到基底上去；(11) 去除步骤(10)中所得结构表面残留的抗蚀剂，获得最终亚波长周期结构； 所述步骤(1)中的基底材料可以为红外波段的硅、锗，也可以为光波段的石英、玻璃。 所述步骤(2)中基底表面的抗蚀剂正性的抗蚀剂，也可以为负性的抗蚀剂，抗蚀剂的厚度d可以为20nm 100nm。所述步骤(3)蒸镀的金属材料可以为金、银、铜或铝；可以蒸镀的介质材料为各种可以 蒸镀成膜的介质材料。所述步骤(3)中蒸镀的金属层的单层厚度可以为10nm到50nm;蒸镀的介质层的单层 厚度也可以为10nm到50nm。所述步骤(3)中蒸镀的金属层的层数可以为5层到50层；蒸镀的介质层的层数也可以 为5层到50层。所述步骤(4)中掩模结构的设计是通过聚焦离子束设备直接在附着k9玻璃基底上的铬 金属薄膜上加工，掩模板上为透光和不透光区域交替形成的周期结构图形，周期大小从100nm 到500nm，单个周期透光区宽度为50nm到300nm。所述步骤(6)中曝光时所采用的曝光光源为相干紫外平行光，且曝光光源要垂直于掩模 表面入射；曝光时间由曝光强度和光刻胶决定，为2秒 60秒。所述步骤(6)在紫外曝光波长下，步骤(3)所采用的金属材料的金属介电常数实部的 绝对值要大于所蒸镀的介质材料的介电常数的实部。所述步骤(8)中的金属材料和介质材料是通过采用湿法腐蚀的方法去除的。所述步骤(9)中采用RIE进行刻蚀，刻蚀气体根据基底材料选择，刻蚀时间根据抗蚀剂 的厚度以及基底来确定，为1分钟到60分钟。所述步骤(11 )中得到的图形周期远小于曝光波长，为掩模周期的一半，为50nm到250nm, 线条宽度为25nm到125nm。本发明与现有技术相比所具有的优点是本发明利用周期图形结构的掩模和多层金属介 质薄膜结构激发短波长表面等离子体波，由于掩模结构图形本身具有周期性、均匀性特点， 且采用多层金属介质膜结构滤掉低频直透分量光场信息，可以实现大面积、均匀的、周期在波长以下的周期结构图形，解决传统干涉光刻无法实现亚波长图形光刻的问题，克服文献报道的亚波长表面等离子体波干涉光刻中的图形面积小、均匀性差的问题。
图l为所选择的基底示意图；图2为在基底表面旋涂抗蚀剂后的结构示意图；图3为在抗蚀剂表面蒸镀多层金属介质膜后的结构示意图；图4为将掩模放置于多层膜表面并进行曝光的示意图；图5为去除掩模结构和多层膜后的结构示意图；图6为将抗蚀剂进行显影之后形成的结构示意图；图7为干法刻蚀之后形成的结构示意图；图8为去除表面残留的抗蚀剂后所得目标结构示意图。图中l为基底材料石英，2为抗蚀剂AZ3100， 3为金属银，4为氟化镁，5为掩模板上 K9玻璃，6为掩模板上的铬，7为垂直入射的紫外平行光。
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。本发明一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其具体实施步骤如下(1) 选择石英作为基底材料，如图l所示；(2) 在基底表面旋涂一层抗蚀剂AZ3100，其厚度为100nm，如图2所示；(3) 在抗蚀剂表面交替蒸镀金属银薄膜和氟化镁薄膜，银层的厚度为20nm，氟化镁的 厚度为30nm，其中银层和氟化镁层各为35层，获得结构如图3所示；(4) 设计并制作掩模结构，拟得到线宽为32nm，周期64nm的光刻线条，故掩模为周 期性的线条结构，其周期128nm为两倍干涉线条周期，透光部分特征尺寸设为80nm，通过 聚焦离子束设备可以直接在附着k9玻璃基底上的铬金属薄膜上加工周期128nm，透光线条宽 度80nm的周期线条图形,从而得到干涉用掩模结构，在如图4所示；(5) 将掩模放置于步骤(3)中所获得的结构表面；其中有图形的一面紧贴多层膜表面;(6) 采用波长为442nm的相干紫外平行光对步骤(5)中获得的结构进行曝光，光垂直 于掩模版入射，曝光时间为30秒；在波长为442nm的相干紫外平行光作用下，金属银薄膜 中的金属银和氟化镁薄膜中的氟化镁对应的介电常数分别为-5.77+0.2251和2.13，满足条件金 属介电常数实部的绝对值大于所蒸镀的介质材料的介电常数的实部，保证多层金属介质膜结 构对掩模结构低频空间信息的滤波作用，从而实现大周期掩模结构得到小周期的干涉图形。(7) 曝光结束后，移开掩模结构；(8) 采用湿法腐蚀去除多层膜结构，金属银所对应采用的湿法腐蚀溶液为硝酸溶液，氟 化镁所对应的湿法腐蚀溶液为氢氟酸；获得结构如图5所示；(9) 将步骤(8)中获得的结构放入AZ300显影液中进行显影，显影时间为20秒，获 得结构如图6所示；(10) 将显影后的结构吹干，并且采用干法刻蚀将抗蚀剂上的结构传递到基底石英上去， 刻蚀气体为六氟化硫SF6和氧气02，刻蚀时间为3分钟，获得结构如图7所示；(11) 采用丙酮去除石英表面残留的抗蚀剂，得到目标结构，周期64nm，线条宽度32nm， 获得的目标结构如图8所示。
权利要求
1、一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其特征在于包括以下步骤(1)首先选择基底材料；(2)在基底表面旋涂抗蚀剂，厚度为d；(3)在抗蚀剂表面交替蒸镀金属材料和介质材料，形成交替排布的金属层和介质层；(4)设计掩模结构；(5)将设计好的掩模结构放置于步骤(3)获得的结构表面；(6)对步骤(5)所得的结构进行曝光；(7)曝光结束后，去除掩模结构；(8)去除步骤(7)中所得的结构中的交替排布的金属层和介质层；(9)将步骤(8)中所得的结构放入与抗蚀剂相匹配的显影液中进行显影；(10)将显影后的结构进行干法刻蚀，将结构传递到基底上去；(11)去除步骤(10)中所得结构表面残留的抗蚀剂，获得最终亚波长周期结构。
2、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于步骤(1)中的基底材料可以为红外波段的硅、锗，也可以为光波段的石英、玻璃。
3、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于步骤(2)中基底表面的抗蚀剂正性的抗蚀剂，也可以为负性的抗蚀剂，抗蚀剂的 厚度d可以为20nm 100nm。
4、 根据权利要求l所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于步骤(3)蒸镀的金属材料可以为金、银、铜或铝；可以蒸镀的介质材料为各种可 以蒸镀成膜的介质材料。
5、 根据权利要求l所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于步骤(3)中蒸镀的金属层的单层厚度可以为10nm到50nm;蒸镀的介质层的单 层厚度也可以为10nm到50ran。
6、 根据权利要求l所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于步骤(3)中蒸镀的金属层的层数可以为5层到50层；蒸镀的介质层的层数也可 以为5层到50层。
7、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于步骤(4)中掩模结构的设计是通过聚焦离子束设备直接在附着k9玻璃基底上的铬金属薄膜上加工，掩模板上为透光和不透光区域交替形成的周期结构图形，周期大小从 lOOnm到500nm，单个周期透光区宽度为50nrn到300nm。
8、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于步骤(6)中曝光时所采用的曝光光源为相干紫外平行光，且曝光光源要垂直于掩 模表面入射；曝光时间由曝光强度和光刻胶决定，为2秒 60秒。
9、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其 特征在于在步骤(6)的紫外曝光波长下，步骤(3)所釆用的金属材料的金属介电常数实 部的绝对值要大于所蒸镀的介质材料的介电常数的实部。
10、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法， 其特征在于步骤(8)中的金属材料和介质材料是通过采用湿法腐蚀的方法去除的。
11、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法， 其特征在于所述步骤(9)中采用RIE进行刻蚀，刻蚀气体根据基底材料选择，刻蚀时间根 据抗蚀剂的厚度以及基底来确定，为1分钟到60分钟。
12、 根据权利要求1所述的一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法， 其特征在于所述步骤(ll)中得到的图形周期远小于曝光波长，为掩模周期的一半，为50nm 到250nm，线条宽度为25nm到125nm。
全文摘要
一种利用多层金属介质膜结构实现亚波长干涉光刻的方法，其特征在于以下步骤首先选择基底材料；在基底表面旋涂抗蚀剂；在抗蚀剂表面交替蒸镀金属材料薄膜和介质材料薄膜，形成交替排布的金属层和介质层；设计周期结构图形掩模并放置于上步骤获得的结构表面；对所得的结构进行曝光；曝光结束后，去除掩模结构；再去除金属层材料和介质层材料；将所得的结构放入与抗蚀剂相匹配的显影液中进行显影；将显影后的结构进行干法刻蚀，将结构传递到基底上去；去除结构表面残留的抗蚀剂，获得最终亚波长周期结构图形；利用上述方法本发明可以实现大面积、均匀的、周期在波长以下的周期结构图形。
文档编号G03F7/004GK101261454SQ200810104088
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月15日 优先权日2008年4月15日
发明者史立芳, 崔建华, 挺 徐, 杜春雷, 王长涛, 罗先刚, 赵延辉 申请人:中国科学院光电技术研究所