專利名稱：光學(xué)曝光方法及其用于制備硅材料豎直中空結(jié)構(gòu)的方法
光學(xué)曝光方法及其用于制備硅材料豎直中空結(jié)構(gòu)的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)曝光方法及其用于制備豎直硅材料中空結(jié)構(gòu)陣列的方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)曝光是最早用于半導(dǎo)體集成電路的微細(xì)加工技術(shù)。目前，光學(xué)曝光技術(shù)主要是投影式曝光技術(shù)，而且主要是面向集成電路大生產(chǎn)的曝光技術(shù)，為了追求越來(lái)越小的電路尺寸和盡可能高的產(chǎn)額，技術(shù)本身的發(fā)展越來(lái)越復(fù)雜，要求投資越來(lái)越大，而且成本也越來(lái)越高，目前最先進(jìn)的單臺(tái)曝光設(shè)備的造價(jià)達(dá)2000萬(wàn)到5000萬(wàn)美元，全世界只有屈指可數(shù)的幾家大公司能夠負(fù)擔(dān)得起購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)行這些曝光設(shè)備的費(fèi)用?，F(xiàn)在超大規(guī)模集成電路加工的曝光設(shè)備是以每小時(shí)100片以上2000mm或3000mm硅片的大規(guī)模生產(chǎn)為目標(biāo)的，盡管這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)100納米以下的圖形分辨率。但對(duì)于大多數(shù)微納米技術(shù)研究人員來(lái)說(shuō)是可望不可及的。
目前，在大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室中常用的是各種低成本曝光技術(shù)，比如近場(chǎng)曝光，干涉曝光技術(shù)等，它們也可以實(shí)現(xiàn)納米尺寸周期形圖形的制備，關(guān)于這兩種技術(shù)可分別參見(jiàn)文獻(xiàn)1 “基于金屬銀超透鏡的突破衍射極限光學(xué)圖像(Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens)，，， 載于《Science》2005, Vol. 308, 5721 ；和文獻(xiàn)2 “光學(xué)干涉曝光納米技術(shù)(Optical and interferometric lithography-nanotechnology enablers)載于〈〈Proceedings of the IEEE)) 2005, Vol. 93 (10)，1704-1721上。這些技術(shù)充分利用了電磁波的干涉原理制備出納米級(jí)尺寸的周期性圖形結(jié)構(gòu)，并且這些技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、曝光成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，以上兩種工藝較復(fù)雜，如近場(chǎng)曝光時(shí)要求光刻膠層要求很薄，而且還存在掩膜制作復(fù)雜和圖形邊緣粗糙度大等缺點(diǎn)，而干涉曝光的不足之處主要是只能形成周期性線條或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
因此，需要一種操作簡(jiǎn)單且成本低的曝光方法。而且，還可以利用該方法制備出納米級(jí)尺寸的周期性圖形結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形如納米尺度環(huán)狀陣列的需求十分強(qiáng)烈(尤其在生物芯片，光學(xué)器件等應(yīng)用中)。制作這種圖形一般通過(guò)電子束曝光或紫外曝光技術(shù)，其中電子束曝光，成本很高，在實(shí)際應(yīng)用受到限制。利用普通的紫外曝光方法，則需要制備相同尺度的掩膜板，但眾所周知，掩膜板的圖形尺度越小，價(jià)格越昂貴， 所以也難于在實(shí)際中使用。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種操作簡(jiǎn)單且成本低的光學(xué)曝光方法。
另一個(gè)目的是提供一種基于該光學(xué)曝光方法，制備硅材料的豎直中空結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于形成微納空穴結(jié)構(gòu)的光學(xué)曝光方法，包括以下步驟
1)選取具有掩膜圖形的掩膜板，所述掩膜圖形為能通過(guò)光照產(chǎn)生泊松亮斑的幾何實(shí)心圖形或其陣列；
2)將掩膜板設(shè)置于待曝光的正光刻膠的上方進(jìn)行曝光，其中圖形陰影部分后的泊松亮斑同樣曝光；
3)顯影，在所述正光刻膠上得到具有與所述泊松亮斑相應(yīng)的空穴的圖形。
在上述光學(xué)曝光方法中，所述曝光采用硬接觸的曝光方式。
在上述光學(xué)曝光方法中，所述顯影采用浸沒(méi)式顯影方式。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種制備硅材料豎直中空結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟
1)選取襯底選取硅片作為襯底；
2)涂膠在硅襯底上涂附一層正光刻膠；
3)前烘將步驟2)得到的涂有正光刻膠的硅襯底進(jìn)行加熱；
4)曝光選取具有掩膜圖形的掩膜板，所述掩膜圖形為能通過(guò)光照產(chǎn)生泊松亮斑的幾何實(shí)心圖形；然后，將掩膜板設(shè)置于所述正光刻膠的上方進(jìn)行曝光，其中圖形陰影部分后的泊松亮斑同樣曝光；
5)顯影在顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影，得到在正光刻膠的與所述泊松亮斑相應(yīng)的區(qū)域形成空穴的圖形；
6)圖形轉(zhuǎn)移將步驟5)顯影得到的圖形刻蝕到硅襯底上得到中空結(jié)構(gòu)。
在上述制備方法中，所述刻蝕采用低溫刻蝕工藝。
在上述制備方法中，所述顯影采用浸沒(méi)式顯影方式。
在上述制備方法中，保持曝光樣品在顯影時(shí)不要晃動(dòng)，待顯影結(jié)束后將其慢慢拉出顯影液，從而得到環(huán)狀圖形。
在上述制備方法中，在顯影液中沿某一方向移動(dòng)曝光樣品，從而得到線對(duì)形狀的圖形。
在以上曝光方法或制備方法中，所述幾何實(shí)心圖形為實(shí)心的橢圓、圓形或多邊形。
在以上曝光方法或制備方法中，所述曝光在紫外曝光機(jī)上進(jìn)行，曝光劑量為 100 500mJ/cm2。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1、本發(fā)明的曝光工藝提高了實(shí)驗(yàn)室掩膜曝光極限尺寸，而且制作成本低，操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好；
2、所獲得的環(huán)形光刻膠圖形的大小和形狀可以通過(guò)曝光顯影參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制， 從而可以制備出環(huán)的厚度為100 300納米的一致性較好的大面積環(huán)形光刻膠圖形。
3.能制備出長(zhǎng)徑比為1 100，壁厚為50 300納米，內(nèi)外表面光滑一致且垂直于平面的硅管狀陣列，適用于徑向p-n結(jié)太陽(yáng)能電池以及場(chǎng)發(fā)射器件的理想陰極，也可作為表面改性結(jié)構(gòu)在生物領(lǐng)域超疏水特性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的制備豎直硅管狀陣列工藝流程圖2為本發(fā)明的原理設(shè)計(jì)圖3a為本發(fā)明示例1制備的厚壁硅管狀陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖北為本發(fā)明示例2制備的薄壁硅管狀陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖北為本發(fā)明示例3制備的V型開(kāi)口薄壁硅管狀陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖3d為本發(fā)明示例4制備的硅線狀陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖；和
圖!Be為本發(fā)明示例5制備的硅雙薄片狀陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖具體實(shí)施方式
眾所周知，不管是掩膜對(duì)準(zhǔn)式曝光還是在投影式曝光中光學(xué)鄰近效應(yīng)一直是影響成像質(zhì)量、圖形尺寸以及密度的負(fù)面因素，所以光學(xué)鄰近效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)需要極力克服的關(guān)鍵問(wèn)題。光學(xué)鄰近效應(yīng)其本質(zhì)就是光的衍射效應(yīng)，如果能把這種衍射效應(yīng)轉(zhuǎn)變成制備納米圖形的手段，就像在干涉曝光技術(shù)又充分利用了光學(xué)干涉效應(yīng)一樣，就可以形成一種基于光衍射效應(yīng)利用普通光學(xué)曝光技術(shù)制備納米圖形的新方法和新途徑，
從原理上說(shuō)，本發(fā)明正是利用泊松衍射效應(yīng)過(guò)曝光技術(shù)，只需對(duì)原有掩模板調(diào)節(jié)曝光方式參數(shù)，將泊松亮斑曝光信息保留下來(lái)，從而形成不同的納米圖形結(jié)構(gòu)。以往這種現(xiàn)象通常是被避免的，因?yàn)檫@種現(xiàn)象使得掩膜板圖形不能被精準(zhǔn)的復(fù)制到光刻膠上。但是，把掩膜曝光技術(shù)和曝光中衍射效應(yīng)相結(jié)合，可以進(jìn)一步突破實(shí)驗(yàn)室普通光學(xué)曝光的極限尺寸以及實(shí)現(xiàn)不同納米圖形結(jié)構(gòu)的制備。利用這種技術(shù)可以在硅基襯底形成不同的納米掩膜圖形，然后利用感耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)的低溫刻蝕工藝可以將上述得到圖形轉(zhuǎn)移到基底上，通過(guò)優(yōu)化刻蝕參數(shù)，得到大面積、均勻、一致的內(nèi)外壁光滑的硅管狀結(jié)構(gòu)陣列以及其它不同的中空結(jié)構(gòu)。下面通過(guò)實(shí)施例具體說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，提供一種制備豎直管狀陣列的微納加工方法，該方法包括以下步驟(參見(jiàn)圖1和圖2)
1)硅片表面處理取一塊硅襯底1，采用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝，即依次在丙酮， 酒精和去離子水中超聲清洗干凈，然后用氮?dú)獯蹈桑?br> 2)涂膠在硅襯底1上旋涂S1813光刻膠2，控制旋涂速度得到800納米厚的光刻膠涂層；
3)前烘將步驟2)得到的涂有光刻膠的硅片在115°C的熱板上烘烤1分鐘；
4)曝光選擇半徑為1微米的實(shí)心圓陣列圖形的掩模板3 ；在MA6型紫外曝光機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程中在掩膜圖形陰影區(qū)中心由于衍射而形成的泊松亮斑同樣對(duì)光刻膠曝光，其中曝光參數(shù)是硬接觸模式，曝光劑量為100 500mJ/cm2 ；
5)顯影在S1813顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影得到環(huán)狀圖形4，顯影時(shí)間為 30 60秒；
6)圖形轉(zhuǎn)移在ICP (電感耦合等離子體)系統(tǒng)上利用低溫刻蝕工藝將步驟5顯影得到的環(huán)狀圖形轉(zhuǎn)移到硅基片上的得到管狀結(jié)構(gòu)5 (經(jīng)檢測(cè)，其密度可達(dá)4X 106/Cm2，高度 5 30微米，壁厚50 500納米，內(nèi)徑100 350納米)。
在上述步驟1)中，清洗的目的是為了硅片表面更干凈，因此本領(lǐng)域已知的其它清洗方法也可以使用，例如依次在甲醇、丙酮、乙醇中清洗等，當(dāng)然，如果表面足夠干凈，上述清洗步驟也不是必需的。
在上述步驟2)中，使用除S1813光刻膠外的其他正膠(正光刻膠)也可以，例如 AR-P3200;而且，將光刻膠涂覆到襯底上的方法，也不限于旋涂，還可采用噴涂方法。
在上述步驟3)中，溫度115°C和時(shí)間1分鐘僅為示意性的，其目的是通過(guò)加熱使部分不穩(wěn)定的光刻膠溶劑蒸發(fā)，因此具體時(shí)間和溫度可不受以上條件限制。
在上述步驟4)中，半徑為1微米的實(shí)心圓陣列圖形僅為舉例說(shuō)明，其它尺寸的幾何實(shí)心圖形也可以應(yīng)用到本發(fā)明中，因?yàn)樵撗谀D形主要是為了在光照下能在圖形的陰影部分后形成泊松亮斑，使接下來(lái)的在曝光時(shí)能夠同時(shí)曝光該泊松亮斑，從而在光刻膜的與該泊松亮斑相對(duì)應(yīng)的位置上形成空穴或凹槽，因此，該圖形應(yīng)是能在光找下形成泊松亮斑的圖形，例如圓形、橢圓形，或諸如矩形、五邊形、六邊形等的多邊形?？梢岳斫?，這些圖形在數(shù)量上是不受限制的，可以是一個(gè)或多個(gè)，當(dāng)為多個(gè)時(shí)，可以根據(jù)需要組成無(wú)規(guī)則或有規(guī)則的陣列，那么最終所形成的管狀或其他中空結(jié)構(gòu)也相應(yīng)為陣列形式。
另外，上述步驟4)中的曝光可包括鄰近式曝光、軟接觸式曝光和硬接觸式曝光三種曝光方式，其中用硬接觸式曝光中心曝光效果較好，因此為優(yōu)選。所述曝光劑量與不同曝光機(jī)的參數(shù)有關(guān)，而且與陰影區(qū)光強(qiáng)空間分布有關(guān)，優(yōu)選的曝光劑量控制在lOOmJ/cm2 500mJ/cm2 之間。
在上述步驟幻中，所述顯影方法為浸沒(méi)式顯影，顯影時(shí)間優(yōu)選為30 60秒。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，所謂浸沒(méi)式顯影，是指將曝光樣品浸入到顯影液中，但通過(guò)改變顯影方式或參數(shù)可以調(diào)節(jié)光刻膠圖形的大小或形狀。例如，保持曝光樣品在顯影時(shí)不要晃動(dòng)，待顯影結(jié)束后將其慢慢拉出顯影液，或者在顯影液中沿某一方向移動(dòng)曝光樣品，使顯影劑中的化學(xué)反應(yīng)速率各向異性，從而得到線對(duì)形狀的結(jié)構(gòu)。因此，如果期望獲得管狀陣列， 優(yōu)選選擇前一種顯影方式。
在上述步驟6)中，所述電感耦合等離子體系統(tǒng)(ICP系統(tǒng)，例如PlasmaLab SystemlOOICPlSO型號(hào)的電感耦合等離子體刻蝕系統(tǒng))的低溫刻蝕工藝為本領(lǐng)域已知，即在常溫刻蝕過(guò)程中，SF6氣體與硅反應(yīng)生成SiF4揮發(fā)性化合物并迅速被真空排氣系統(tǒng)抽走。 但是如果被刻蝕樣品表面的溫度低于-100°C，SiF4就會(huì)冷凝在樣品表面，形成10 20納米厚的保護(hù)層，由于這層保護(hù)層，氟自由基與硅反應(yīng)大大減弱，光刻膠或二氧化硅掩膜材料的消耗也大大降低，刻蝕的各向異性與掩膜抗刻蝕比同時(shí)得到改進(jìn)。在本發(fā)明的以下例子中， 低溫刻蝕工藝參數(shù)為溫度為-110°C，刻蝕氣體為SFf^P 02，流量分別為45SCCm和8sCCm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)，腔體壓力為iaiitorr (毫托)，刻蝕時(shí)間4 10分鐘。
盡管本發(fā)明方法描述為通過(guò)紫外曝光機(jī)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還可理解的是，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，諸如深紫外曝光機(jī)、同步輻射光源曝光裝置等其他曝光裝置也可以采用上述方法，因?yàn)椴此闪涟呤且粋€(gè)普適的光學(xué)現(xiàn)象。另外，除以上ICP刻蝕系統(tǒng)外，還可以使用其他常用刻蝕設(shè)備，例如RIE ；并且，所述低溫刻蝕工藝還可以用高溫刻蝕工藝替代，但前者為優(yōu)選，因?yàn)楹笳叩牡蜏丨h(huán)境易使光刻膠的抗刻蝕比顯著提高。
下面通過(guò)幾個(gè)例子對(duì)本發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
示例 1
本示例制備的硅管狀陣列結(jié)構(gòu)參見(jiàn)附圖3(a)，硅管壁厚為200納米，內(nèi)徑為300納米，高為20微米，其具體制備方法如下
1)硅片表面處理取一塊硅襯底1，采用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝，即依次在丙酮， 酒精和去離子水中超聲清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 2)涂膠在硅襯底1上旋涂S1813光刻膠2，控制旋涂速度得到500納米厚的光刻膠涂層；
3)前烘將步驟2)得到的涂有光刻膠的硅片在熱板上150°C烘烤0. 5分鐘；
4)曝光選擇半徑為1微米的實(shí)心圓陣列圖形的掩模板3。在MA6型紫外曝光機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程中在掩膜圖形陰影區(qū)中心由于衍射而形成的泊松亮斑同樣對(duì)光刻膠曝光，其中曝光參數(shù)是硬接觸模式，曝光劑量為200mJ/cm2 ；
5)顯影在S1813顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影得到環(huán)狀圖形4 ；
6)圖形轉(zhuǎn)移在ICP系統(tǒng)上利用低溫刻蝕工藝將步驟幻顯影得到的環(huán)狀圖形4轉(zhuǎn)移到硅基片上的得到管狀結(jié)構(gòu)5，其中低溫刻蝕工藝為溫度為-110°C，刻蝕氣體為SF6和 02，流量分別為45sccm和8sccm，腔體壓力為12mtorr，刻蝕時(shí)間4分鐘。
示例 2
本示例制備的硅管狀陣列結(jié)構(gòu)參見(jiàn)附圖3 (b)，硅管壁厚為100納米，內(nèi)徑為350納米，高為20微米，其具體制備方法如下
1)硅片表面處理取一塊硅襯底1，采用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝，即依次在丙酮， 酒精和去離子水中超聲清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 2)涂膠在硅襯底1上旋涂S1813光刻膠2，控制旋涂速度得到800納米厚的光刻膠涂層；
3)前烘將步驟2)得到的涂有光刻膠的硅片在熱板上115°C烘烤1分鐘；
4)曝光選擇半徑為1微米的實(shí)心圓陣列圖形的掩模板3。在MA6型紫外曝光機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程中在掩膜圖形陰影區(qū)中心由于衍射而形成的泊松亮斑同樣對(duì)光刻膠曝光，其中曝光參數(shù)是硬接觸模式，曝光劑量為200mJ/cm2 ；
5)顯影在S1813顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影得到環(huán)狀圖形4 ；
6)圖形轉(zhuǎn)移在ICP系統(tǒng)上利用低溫刻蝕工藝將步驟5顯影得到的環(huán)狀圖形轉(zhuǎn)移到硅基片上的得到管狀結(jié)構(gòu)5，其中低溫刻蝕工藝為溫度為-110°C，刻蝕氣體為SFf^P 02， 流量分別為45sccm和8sccm，腔體壓力為12mtorr，刻蝕時(shí)間6分鐘。
示例3
本示例的V型口管狀陣列結(jié)構(gòu)參見(jiàn)附圖3(c)，所制備的硅管壁厚100納米，內(nèi)徑為 350納米，高為30微米，其具體制備方法如下
1)硅片表面處理取一塊硅襯底1，采用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝，即依次在丙酮， 酒精和去離子水中超聲清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 2)涂膠在硅襯底1上旋涂S1813光刻膠2，控制旋涂速度得到800納米厚的光刻膠涂層；
3)前烘將步驟2)得到的涂有光刻膠的硅片在熱板上115°C烘烤1分鐘；
4)曝光選擇半徑為1微米的實(shí)心圓陣列圖形的掩模板3，在MA6型紫外曝光機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程中在掩膜圖形陰影區(qū)中心由于衍射而形成的泊松亮斑同樣對(duì)光刻膠曝光，其中曝光參數(shù)是硬接觸模式，曝光劑量為300mJ/cm2 ；
5)顯影在S1813顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影，顯影時(shí)在顯影液中沿反復(fù)一個(gè)方向提拉樣品2，顯影時(shí)間為40秒，得到雙線圖形；
6)圖形轉(zhuǎn)移在ICP系統(tǒng)上利用低溫刻蝕工藝將步驟幻顯影得到的環(huán)狀圖形4轉(zhuǎn)移到硅基片上的得到管狀結(jié)構(gòu)5，其中低溫刻蝕工藝為溫度為-110°C，刻蝕氣體為SF6* 02，流量分別為45sccm和8sccm，腔體壓力為12mtorr，刻蝕時(shí)間7分鐘。
示例 4
本示例的硅線叢狀陣列結(jié)構(gòu)參見(jiàn)附圖3(d)，如圖所示，所制備的硅線直徑為50納米，高為20微米，其具體制備方法如下
1)硅片表面處理取一塊硅襯底1，采用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝，即依次在丙酮， 酒精和去離子水中超聲清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 2)涂膠在硅襯底1上旋涂S1813光刻膠2，控制旋涂速度得到800納米厚的光刻膠涂層；
3)前烘將步驟2)得到的涂有光刻膠的硅片在115°C熱板上烘烤1分鐘；
4)曝光選擇半徑為1微米的實(shí)心圓陣列圖形的掩模板3，在MA6型紫外曝光機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程中在掩膜圖形陰影區(qū)中心由于衍射而形成的泊松亮斑同樣對(duì)光刻膠曝光，其中曝光參數(shù)是硬接觸模式，曝光劑量為500mJ/cm2。
5)顯影在S1813顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影得到環(huán)狀圖形4，顯影時(shí)間為 40秒；
6)圖形轉(zhuǎn)移在ICP系統(tǒng)上利用低溫刻蝕工藝將步驟幻顯影得到的環(huán)狀圖形轉(zhuǎn)移到硅片上的得到管狀結(jié)構(gòu)5，所述低溫刻蝕工藝為溫度為-110°C，刻蝕氣體為SFf^P 02， 流量分別為45sccm和8sccm，腔體壓力為12mtorr，刻蝕時(shí)間10分鐘。
示例 5
本示例的雙薄片陣列結(jié)構(gòu)參見(jiàn)附圖3(e)，如圖所示，所制備的雙薄片結(jié)構(gòu)壁厚為 100納米，寬為300納米，高為10微米，其具體制備方法如下
1)硅片表面處理取一塊硅襯底1，采用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝，即依次在丙酮， 酒精和去離子水中超聲清洗干凈；用氮?dú)獯蹈桑?br> 2)涂膠在硅襯底1上旋涂S1813光刻膠2，控制旋涂速度得到800納米厚的光刻膠涂層；
3)前烘將步驟2)得到的涂有光刻膠的硅片在115°C熱板上烘烤1分鐘；
4)曝光選擇半徑為1微米的實(shí)心圓陣列圖形的掩模板3，在MA6型紫外曝光機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程中在掩膜圖形陰影區(qū)中心由于衍射而形成的泊松亮斑同樣對(duì)光刻膠曝光，其中曝光參數(shù)是硬接觸模式，曝光劑量為300J/cm2。
5)顯影在S1813顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影，顯影時(shí)在顯影液中沿反復(fù)一個(gè)方向提拉樣品2，顯影時(shí)間為60秒，得到雙線圖形。
6)圖形轉(zhuǎn)移在ICP系統(tǒng)上利用低溫刻蝕工藝將步驟幻顯影得到的環(huán)狀圖形轉(zhuǎn)移到硅基片上的得到管狀結(jié)構(gòu)5，其中刻蝕工藝為溫度為-110°C，刻蝕氣體為SFf^P O2，流量分別為45sccm和8sccm，腔體壓力為12mtorr，刻蝕時(shí)間3分鐘。
通過(guò)以上例子可以看出，本發(fā)明的制備方法是在紫外曝光系統(tǒng)中，采用掩膜曝光和泊松衍射亮斑曝光通過(guò)顯影得到環(huán)狀光刻膠圖形，另外，在電感耦合等離子系統(tǒng)中通過(guò)控制和優(yōu)化刻蝕參數(shù)得到硅管狀陣列，所制備出的硅管狀陣列長(zhǎng)徑比為1 100，壁厚為50 300納米，內(nèi)外表面光滑一致且垂直于平面。這種結(jié)構(gòu)的光子晶體在濾波以及徑向p-n 結(jié)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域均有應(yīng)用潛力。
本發(fā)明的曝光技術(shù)不僅大大提高了實(shí)驗(yàn)室光學(xué)掩膜曝光的極限尺寸，突破了利用干涉曝光只能得到周期型線條和點(diǎn)陣的局限，還大大節(jié)約了成本，此外操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好?；谠摲椒?，還可以對(duì)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)外半徑進(jìn)行很好控制，再進(jìn)一步利用電感耦合等離子體源低溫刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到硅基表面，最終得到大面積且均勻一致的豎直硅管狀陣列。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變型，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于形成微納空穴結(jié)構(gòu)的光學(xué)曝光方法，包括以下步驟1)選取具有掩膜圖形的掩膜板，所述掩膜圖形為能通過(guò)光照產(chǎn)生泊松亮斑的幾何實(shí)心圖形或其陣列；2)將掩膜板設(shè)置于待曝光的正光刻膠的上方進(jìn)行曝光，其中圖形陰影部分后的泊松亮斑同樣曝光；3)顯影，在所述正光刻膠上得到具有與所述泊松亮斑相應(yīng)的空穴的圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)曝光方法，其特征在于，所述曝光采用硬接觸的曝光方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)曝光方法，其特征在于，所述顯影采用浸沒(méi)式顯影方式。
4.一種制備硅材料豎直中空結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟1)選取襯底選取硅片作為襯底；2)涂膠在硅襯底上涂附一層正光刻膠；3)前烘將步驟幻得到的涂有正光刻膠的硅襯底進(jìn)行加熱；4)曝光選取具有掩膜圖形的掩膜板，所述掩膜圖形為能通過(guò)光照產(chǎn)生泊松亮斑的幾何實(shí)心圖形；然后，將掩膜板設(shè)置于所述正光刻膠的上方進(jìn)行曝光，其中圖形陰影部分后的泊松亮斑同樣曝光；5)顯影在顯影液中用浸沒(méi)式顯影方式顯影，得到在正光刻膠的與所述泊松亮斑相應(yīng)的區(qū)域形成空穴的圖形；6)圖形轉(zhuǎn)移將步驟5)顯影得到的圖形刻蝕到硅襯底上得到中空結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述刻蝕采用低溫刻蝕工藝。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述顯影采用浸沒(méi)式顯影方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述浸沒(méi)式顯影方式為保持曝光樣品在顯影時(shí)不要晃動(dòng)，待顯影結(jié)束后將其慢慢拉出顯影液，從而得到環(huán)狀圖形。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述浸沒(méi)式顯影方式為在顯影液中沿某一方向移動(dòng)曝光樣品，從而得到線對(duì)形狀的圖形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述幾何實(shí)心圖形為實(shí)心的橢圓、圓形或多邊形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述曝光在紫外曝光機(jī)上進(jìn)行，曝光劑量為 100 500mJ/cm2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于形成微納空穴結(jié)構(gòu)的光學(xué)曝光方法，包括以下步驟1)選取具有掩膜圖形的掩膜板，所述掩膜圖形為能通過(guò)光照產(chǎn)生泊松亮斑的幾何實(shí)心圖形或其陣列；2)將掩膜板設(shè)置于待曝光的正光刻膠的上方進(jìn)行曝光，其中圖形陰影部分后的泊松亮斑同樣曝光；3)顯影，在所述正光刻膠上得到具有與所述泊松亮斑相應(yīng)的空穴的圖形。通過(guò)該方法可以制備出長(zhǎng)徑比為可控的硅管狀結(jié)構(gòu)陣列，這種曝光技術(shù)不僅大大提高實(shí)驗(yàn)室光學(xué)掩膜曝光的極限尺寸，并突破了利用干涉曝光只能得到周期型線條和點(diǎn)陣的局限，大大節(jié)約了成本以及豐富了試驗(yàn)工藝。這種結(jié)構(gòu)在光子晶體、濾波器件以及徑向p-n結(jié)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102495526SQ20111036318
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者夏曉翔, 李俊杰, 楊海方, 田士兵, 顧長(zhǎng)志 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所