专利名称：一种基于激光干涉光刻在材料表面制作微纳结构的方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，具体涉及利用激光干涉光刻在材料表面制作微纳结构的方法。
背景技术：
在材料表面制 作特定结构的微纳结构一直是微电子及纳米科学领域的研究重点，然而传统光刻方法的尺寸限制以及高昂的成本，无法大批量生产大面积且周期尺度灵活变化的微纳图形，而这些特定的周期性结构制作，在微电子器件制作，生物医疗以及电子探测等领域中属于核心技术，因此低成本批量生产大面积微纳结构具有极高的市场价值。激光干涉光刻的方法对于低成本大批量大面积制造表面微纳结构方面有着无可比拟的优势，尤其在制作从几百纳米到几个微米尺度上的周期性结构时，激光干涉光刻的方法可以非常简便且低成本的完成工作。这些周期性结构包括光栅，点阵以及线阵结构。而后利用微电子领域常用的刻蚀方法，可以将这些微纳结构转移到衬底上面，从而使得激光干涉光刻可以在更多的领域得到应用。我们开发了这种利用激光干涉光刻技术先在光刻胶上制作微纳结构然后通过刻蚀方法转移到衬底上的方法，从而实现在各种衬底上制作表面微纳结构。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在材料表面制作大面积周期性微纳尺度结构的方法，以用于电子、生物医疗等领域。本发明提出的在材料表面制作大面积周期性微纳尺度结构的方法，主要是通过激光干涉光刻的方法在光刻胶上制作微纳结构，进而通过干法或者湿法刻蚀，将在光刻胶上的微纳结构转移到衬底的表面。具体步骤为
(1)在衬底上旋涂光刻胶；
(2)通过激光干涉光刻方法在光刻胶表面制作微纳结构；
(3)将光刻胶上的微纳结构利用刻蚀的方法转移到衬底上。本发明中，在衬底上旋涂的光刻胶可选自g线、i线以及紫外波段的正性光刻胶或负性光刻胶。本发明中，所述的衬底为硅、钼、钌、铱、铬或金，或者为氧化铱、玻璃或石英等。本发明中，所述的微纳结构，包括材料表面的光栅、点阵、线阵以及纳米针尖阵列结构，并且，该阵列结构是周期性的。本发明所述的微纳结构的周期，是指光栅结构相邻两条突起纳米线中心距离，点阵结构相邻两点中心间的距离，以及线阵结构中相邻两纳米线中心间的距离，为一个周期，范围为100纳米到5微米。本发明所述线阵微纳结构，是指周期性纳米线结构，每条纳米线长度一致从100纳米到5微米，周期为相邻两条纳米线中心间距。
本发明中，所述的激光干涉光刻方法，包括双光束干涉光刻或多光束干涉光刻，并可以多次干涉光刻。其中多光束干涉光刻包括从光束到7光束干涉光刻。本发明中，步骤(3)中所述刻蚀为干法刻蚀或湿法刻蚀；所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀，使用氧气、氩气、六氟化硫、三氟甲烷、四负甲烷等气体产生等离子体，从而产生刻蚀效应。所述的湿法刻蚀，使用强碱溶液，氢氟酸等对衬底材料具有腐蚀性的溶液。本发明中，所述的激光干涉光刻所用激光器包括633nm、514nm、355nm或325nm等波长的半导体或气体激光器。本发明所提供激光干涉光刻方法在材料表面制作微纳结构图形的工艺，可以形成面积很大质量很高的二维微纳图形，可以在生物医疗，微纳电子器件制造，电子探测领域得到广泛应用，且成本低廉。
图I-图4为依据本发明方法的实例过程剖面示意图。图5-图6为依据本发明方法实际制作纳米结构的样品实物的电子显微镜照片。图中标号说明100硅衬底，102正性或者负性光刻胶，102-1显影后的正性或者负性光刻胶，104入射相干光，106显影液，108干法刻蚀中氧气、氩气、六氟化硫、三氟甲烷、四负甲烷等气体产生等离子体，110周期在IOOnm到5um周期性的光栅、点阵、纳米针尖阵列以及所有使用干涉光刻制作出的图形结构。
具体实施例方式下文结合图示在参考实施例中更具体地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，在本发明实施例中，均以较复杂的纳米针尖阵列结构表示，其他简单结构，例如光栅、点阵等均包含在本发明之列，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。图I-图4为依据本发明方法应用的实例的制备过程剖面示意图。图I为衬底100与光刻胶102的横截面图。所选择的衬底可以为娃，钼，钌，铱，铬，金以及氧化铱，玻璃。本文中实例选择的是硅。在衬底100上旋涂一层光刻胶102后的横截面图，光刻胶可以是i线正性光刻胶和负性光刻胶。本实例使用的是正性光刻胶，以一定转速旋涂在衬底102上，然后在一定温度的热板上对其进行前烘。随后使用干涉光刻技术对准备好的样品进行曝光，两束相干光104以相同的入射角照射在样品表面，一定时间后就可以在光刻胶上形成光栅阵列，若再一次照射后旋转一定角度进行第二次照射，就可以在光刻胶上形成纳米点阵、纳米针尖阵列等复杂的结构。图2为将曝光后的样品浸入工艺中使用的光刻胶相应的显影液106，数秒钟的显影过程后，光刻胶上干涉加强的区域就可以被洗掉102-1，就可以在光刻胶表面形成纳米针尖阵列110结构。用去离子水洗净后，在一定温度的热板上进行坚膜处理，在工艺过程中，坚膜过程亦可不进行，因此，不管是否坚膜，此步工艺均在本发明保护范围。
图3为将显影后的样品置于反应离子刻蚀仪的反应腔内，反应腔中氧气、氩气、六氟化硫、三氟甲烷、四负甲烷等气体产生等离子体108轰击样品表面，对光刻胶以及衬底材料进行刻蚀，并且以一定的刻蚀选择比，将光刻胶表面的图形转移到衬底材料上。在刻蚀的过程中，由于使用不同的混合气体、不同的压强、不同的功率可以对材料表面进行更加复杂的加工，同时由于不同气体的刻蚀各方向速率不同，制作出的图形也有所差异，因此由不同参数而制作不同的表面微纳结构均在本专利的保护范围内。图4为最后纳米针尖阵列110结构转移到在衬底100表面图示。图5为衬底100与显影后光刻胶102-1的横截面电子显微镜照片。此图为在现实工艺中制作出的表面结构的电子显微镜照片，衬底选择的是娃，光刻胶选择的是一种i线正性光刻胶胶，使用二次曝光的工艺，在表面制作出复杂的纳米针尖状结构。图6为经过刻蚀后在衬底100表面制作出的维纳表面结构的电子显微镜照片。此图为现实工艺中使用反应离子刻蚀工艺步骤后，将光刻胶表面的图形转移到硅衬底表面。 这一步骤是调整参数，将光刻胶同衬底的刻蚀选择比率保持在1:1左右。图5以及图6为现实工艺中制作出的样品，充分证明了本发明方法可以用来制作大面积高质量的维纳尺度的表面结构，这些结构在电子、生物医疗等领域有重要前景。在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
权利要求
1.一种基于激光干涉光刻在材料表面制作微纳结构的方法，其特征在于通过激光干涉光刻的方法在光刻胶上制作微纳结构，进而通过干法或者湿法刻蚀，将在光刻胶上的微纳结构转移到衬底的表面，具体步骤为 (1)在衬底上旋涂光刻胶； (2)通过激光干渉光刻方法在光刻胶表面制作微纳结构； (3)将光刻胶上的微纳结构利用刻蚀的方法转移到衬底上。
2.根据权利要求I所述的的方法，其特征在于所述光刻胶为g线、i线或紫外波段的正性光刻胶或负性光刻胶。
3.根据权利要求I所述的的方法，其特征在于所述的衬底为硅、钼、钌、铱、铬或金，或者为氧化铱、玻璃或石英。
4.根据权利要求I所述的的方法，其特征在于所述的微纳结构，包括材料表面的光栅、点阵、线阵或纳米针尖阵列结构，并且，该阵列结构是周期性的；所述的微纳结构的周期，是指光栅结构相邻两条突起纳米线中心距离，点阵结构相邻两点中心间的距离以及线阵结构中相邻两线中心间距，周期范围为100纳米到5微米。
5.根据权利要求4所述的的方法，其特征在于所述线阵微纳结构中，每条纳米线长度一致，为100纳米到5微米，周期为相邻两条纳米线中心间距。
6.根据权利要求I所述的的方法，其特征在于所述的激光干渉光刻方法为双光束干涉光刻或多光束干渉光刻。
7.根据权利要求I所述的的方法，其特征在于步骤(3)中所述刻蚀为干法刻蚀或湿法刻蚀；所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀，使用氧气、氩气、六氟化硫、三氟甲烷或四负甲烷气体产生等离子体，从而产生刻蚀效应；所述的湿法刻蚀，使用强碱溶液，氢氟酸等对衬底材料具有腐蚀性的溶液。
8.根据权利要求I所述的的方法，其特征在于所述的激光干渉光刻所用激光器为633nm、514nm、355nm或325nm波长的半导体或气体激光器。
全文摘要
本发明属于电子技术领域，具体为一种基于激光干涉光刻在材料表面制作微纳结构的方法。它通过产生激光干涉从而在光刻胶上形成微纳结构，进而通过刻蚀的办法，实现光刻胶上的微纳结构转移到衬底材料表面，形成微纳尺度的光栅、点阵、线阵等结构。采用本发明方法可在各种材料表面大面积制作高质量的纳米结构，简便且成本低，具有极大的应用价值。
文档编号G03F7/20GK102838082SQ20121035688
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者于航, 陆冰睿, 刘冉 申请人:复旦大学