一种基于双层光刻胶的光刻方法与流程

1.本发明涉及半导体微结构加工技术领域，具体涉及一种基于双层光刻胶的光刻方法。


背景技术：

2.集成电路的飞速发展有赖于相关的制造工艺—光刻技术的发展，光刻技术是迄今所能达到的最高精度的加工技术。光刻技术是一种精密的微细加工技术。常规光刻技术是采用波长为的紫外光作为图像信息载体，以光致抗蚀剂为中间或图像记录媒介，实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片，主要指硅片，或介质层上的一种工艺。
3.从原理上，光刻技术是指在光照作用下，借助光致抗蚀剂(又名光刻胶)将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。其主要过程为：首先，紫外光通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学反应；再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶，使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上；最后，利用刻蚀技术将图形转移到基片上。
4.光刻是集成电路最重要的加工工艺，它的作用，如同金工车间中车床的作用。在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施，都离不开光刻的技术。光刻也是制造芯片的最关键技术，它占芯片制造成本的35％以上。
5.光刻技术按曝光光源主要分为光学光刻，常见的光源包括紫外光源(uv)、深紫外光源(duv)、极紫外光源(euv)，以及粒子束光刻，常见的粒子束光刻主要有x射线、电子束和离子束光刻等。
6.通常，在光学光刻中，uv能只能实现一微米左右的图案分辨率。而duv、euv等虽然能实现更高的分辨率，但需要使用到只有业界巨头才有能力入手的昂贵机器。此外，在粒子束光刻中，ebl、fib虽然也能一定程度上提高分别率，但需要耗时长、多次循环的书写制程，大大降低了工作效率。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方法简单、比传统技术具有更小的线宽、可广泛应用于半导体工艺，并具有广泛研究和应用价值的基于双层光刻胶的光刻方法。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.利用正负性光刻胶，即正胶和负胶对光源响应的不同和单次曝光中得到曝光能量的不同，利用相互匹配的正负性光刻胶实际显影后图案大小差异，得到基于原图案的特征的轮廓线图案，实现轮廓线宽小于原图案特征线宽，结合针对基底材料或者沉积材料的刻蚀工艺，可将图案转移至目标材料，具体方案如下：
10.一种基于双层光刻胶的光刻方法，该方法包括以下步骤：
11.(1)在基底材料进行清洗，然后在基底上涂抹一层正性光刻胶，并烘干；再在正性光刻胶上涂抹一层负性光刻胶，并烘干；
12.(2)在曝光光源下，透过载有模板图案的光刻掩膜版或者通过聚焦光源直写，对两层光刻胶进行单次曝光，曝光后，在负性光刻胶和正性光刻胶上分别形成大小不同的曝光图案，然后进行烘干；
13.(3)用负胶显影液对负性光刻胶进行显影；
14.(4)用正胶显影液对正性光刻胶进行可控显影，仅洗去正性光刻胶上曝光图案的边缘部分，并暴露基底材料，从而将模板图案转换成轮廓线型图案；
15.(5)通过材料沉积技术或者刻蚀技术，将轮廓线图案转移到基底材料上；
16.(6)去除光刻胶。
17.进一步地，所述的基底材料包括半导体、金属、绝缘体、聚合物或复合材料。比如硅片或者表面附着一层氧化硅薄膜的硅片。
18.进一步地，对于在硅片基底上进行金纳米线的阵列，具体包括以下步骤：
19.(1)清洗硅片：依次用浓硫酸、用去离子水和乙醇超声清洗后，将硅片基底用氮气吹干，放置于干法刻蚀仪中，用氧等离子体刻蚀清洗；
20.(2)旋涂正性光刻胶：将清洗过后的硅片放置于旋涂仪，真空固定；用滴管滴涂2-4滴正性光刻胶，进行光刻胶的旋涂，然后烘干；
21.(3)旋涂负性光刻胶：将冷却过后的硅片放置于旋涂仪，真空固定；再用滴管滴涂2-4滴负性光刻胶，进行负性光刻胶的旋涂，然后烘干；
22.(4)紫外曝光：将经过以上步骤的硅片基底紧密固定在含有线阵列的掩模板下，抽真空并正置于紫外光光源之下，打开光源进行光刻操作，根据光刻胶配对组的种类和光刻胶层的厚度调整曝光时间；曝光结束后，取下掩膜版，将曝光过的硅片移到加热台上进行烘干；
23.(5)两步显影：
24.后烘结束，待硅片冷却到室温后，进行分别显影，过程为：将光刻后的硅片置于负性光刻胶显影液中，使硅片上未被曝光的负性光刻胶被清洗掉；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干；
25.再将硅片置于正性光刻胶显影液中，使硅片上暴露出来的未被曝光的正性光刻胶被清洗掉，同时不完全去除曝光过的负性光刻胶下面的未被曝光过的负性光刻胶；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干，制备出基于模板图案的轮廓线型图案；
26.(6)材料沉积：将显影之后的硅片置于蒸发镀膜仪内，分别热蒸发5纳米的钛薄膜和50纳米的金薄膜，5纳米的钛薄膜用作金薄膜的粘附层。
27.(7)去除光刻胶：待腔体冷却后，解除真空，将镀膜之后的硅片取出。把硅片浸没在丙酮中，超声清洗直到光刻胶被全部除去，留下线宽约200nm的金纳米线图案。
28.进一步地，对于在表面生长有厚氧化硅薄膜的硅片表面制备氧化硅轮廓化图案，具体包括以下步骤：
29.(1)旋涂正性光刻胶：将氧化硅硅片，进行正性光刻胶的旋涂，然后烘烤；
30.(2)旋涂负性光刻胶：将冷却过后的硅片放置于旋涂仪，真空固定，进行负性光刻胶的旋涂，然后烘烤；
31.(3)紫外曝光：将经过以上步骤的硅片基底紧密固定在正方形图案掩模板下，抽真空并正置于紫外光光源之下，打开光源进行光刻操作。根据光刻胶配对组的种类和光刻胶层的厚度调整曝光时间。曝光结束后，取下掩膜版，将曝光过的硅片移到加热台上，然后烘烤；
32.(4)两步显影：
33.后烘结束，待硅片冷却到室温后，进行分别显影，过程为：将光刻后的硅片置于负性光刻胶显影液中，使硅片上未被曝光的负性光刻胶被清洗掉；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干；
34.再将硅片置于正性光刻胶显影液中，使硅片上暴露出来的未被曝光的正性光刻胶被清洗掉，同时不完全去除曝光过的负性光刻胶下面的未被曝光过的负性光刻胶；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干。制备出基于模板图案的正方形轮廓线图案。
35.(5)干法刻蚀：将硅片置于离子刻蚀机内，通过等离子体气体刻蚀二氧化硅掩膜层，即可在正方形轮廓线型图案处，除掉提前沉积的二氧化硅层，使下面的硅基暴露出来。
36.(6)去除光刻胶：将硅片浸没在丙酮中，超声清洗直到光刻胶被全部除去，从而制备出二氧化硅正方形轮廓线。
37.进一步地，所述的旋涂过程包括在500-8000rpm的转速下旋涂；旋涂后烘干的温度为30℃-300℃。
38.更进一步地，所述的旋涂过程包括在2000-8000rpm的转速下旋涂30-40s；旋涂后烘干的温度为90-100℃，时间为30-90s。
39.进一步地，所述的曝光光源可以是紫外光源、深紫外光源、极紫外光源、离子束、电子束或x射线。
40.进一步地，所述曝光的光源波长为10-400nm，曝光通量为1-1000mj/cm2，曝光后烘干的温度为30-300℃。
41.更进一步地，所述曝光的光源波长为350-400nm，曝光通量为150-200mj/cm2，曝光后烘干的温度为95-105℃，时间为40-90s。
42.进一步地，所述的正性光刻胶包括正性紫外光刻胶、正性深紫外光刻胶、正性极紫外光刻胶、正性电子束光刻胶、正性离子束光刻胶或正性x射线光刻胶，包括microposit s1800系列光刻胶,bci-3511光刻胶，az系列光刻胶(例如az111,az 1500,az 3300,az 4999,az 6600,az 8112,az 3000,az 1075,az 700,az 900),hnr 500系列光刻胶，oir系列光刻胶，tdmr-ar80 hp 6cp，pr1系列光刻胶，ma-p 1200系列光刻胶，spr系列光刻胶(例如spr 220,spr 660,spr3000等)，pmma系列光刻胶等。
43.所述的负性光刻胶，包括负性紫外光刻胶、负性深紫外光刻胶、负性极紫外光刻胶、负性电子束光刻胶、负性离子束光刻胶或正性x射线光刻胶，包括但是不限于nano
tm su-8 series系列，hsq，az系列光刻胶(例如az n4000，az n6000)，hnr系列光刻胶，sc系列光刻胶，ma-n系列光刻胶(例如ma-n 400,ma-n 1400)，2000series，5500photoresis，nr7-py series，nr9-py series，jsr wpr series，nr71 series nr9 series等。
44.进一步地，光刻胶显影液一般为所用光刻胶所对应的显影液。比如，正性光刻胶显影液可以是mf-26a，负性光刻胶显影液可以是su-8developer。
45.进一步地，所述模板图案的特征线宽或者特征尺寸为2nm-1000μm。
46.更进一步地，所述模板图案的特征线宽或者特征尺寸为2nm-1μm。
47.进一步地，所述的材料沉积技术包括电化学沉积、电镀、cvd沉积、激光溅射、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发或原子沉积；
48.所述的刻蚀技术，包括湿法刻蚀或干法刻蚀；所述的湿法刻蚀包括电化学刻蚀或选择性刻蚀液体刻蚀，所述的干法刻蚀包括离子刻蚀或化学反应离子刻蚀。
49.进一步地，所述的聚焦光源直写包括紫外光直写、深紫外光直写、极紫外光直写、离子束直写、电子束直写或x射线直写。
50.进一步地，所述的基底材料包括半导体、金属、绝缘体、聚合物或复合材料。
51.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
52.(1)本发明延续了传统光刻效率高，成本低，操作简单的特点，弥补了传统光刻在亚微米分辨率图案制备方面的局限性；
53.(2)本发明实现了针对原始掩膜图案的尺寸微缩。
附图说明
54.图1为实施例1中的流程示意图；
55.图2为实施例2中的流程示意图；
56.图3为实施例1中制备的金纳米线图案。
具体实施方式
57.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
58.一种基于双层光刻胶的光刻方法，该方法包括以下步骤：
59.(1)在基底上涂抹一层正性光刻胶，并烘干；
60.再在正性光刻胶上涂抹一层负性光刻胶，并烘干；
61.正性光刻胶包括正性紫外光刻胶、正性深紫外光刻胶、正性极紫外光刻胶、正性电子束光刻胶、正性离子束光刻胶或正性x射线光刻胶。负性光刻胶包括负性紫外光刻胶、负性深紫外光刻胶、负性极紫外光刻胶、负性电子束光刻胶、负性离子束光刻胶或正性x射线光刻胶。
62.其实，不同型号的正负光刻胶需要预先确认匹配度，下面给出一个正负光刻胶配对组，正性光刻胶型号为spr 660，负性光刻胶型号为su-8 2；
63.旋涂正性光刻胶spr 660过程为：先在800-1000转/分的转速下旋涂5-10秒(此步骤可以省去)，再在2000-5000转/分的转速下旋涂30-40秒，90-100℃烘烤30-50秒。
64.旋涂负性光刻胶su-8 2过程为：先在800-1000转/分的转速下旋涂5-10秒(此步骤可以省去)，再在4000-8000转/分的转速下旋涂30-40秒，95-100℃烘烤60-90秒。
65.不同的转速决定光刻胶膜厚程度。根据不同的膜厚，调整前烘的温度和时间，以及之后的曝光量，曝光时间，显影时间等。
66.其中，基底材料包括半导体、金属、绝缘体、聚合物或复合材料。
67.(2)在曝光光源下，透过载有模板图案的光刻掩膜版或者通过聚焦光源直写，对两层光刻胶进行单次曝光，曝光后，在负性光刻胶和正性光刻胶上分别形成大小不同的曝光图案，然后进行烘干；其中，曝光光源包括紫外光源、深紫外光源、极紫外光源、离子束、电子束或x射线。聚焦光源直写包括紫外光直写、深紫外光直写、极紫外光直写、离子束直写、电子束直写或x射线直写。模板图案的特征线宽或者特征尺寸为2nm-1000μm。
68.将前烘过的硅片固定在掩模板下，之后置于紫外光光源之下，打开紫外光光源进行光刻，曝光时间根据使用的正负光刻胶配对组调整。以上面提到的配对为例，350-400nm波长下150-200mj/cm2的曝光通量适用于spr 660与su-8 2的光刻胶配对组。uv波长的使用和曝光通量应考虑不同厚度的su-8 2对紫外光的吸收作用，以确保在下层的spr 660能获得足够的曝光通量。因为spr 660与su-8 2的光刻胶配对组对特定波长下的曝光通量响应不同，可以得到基于掩膜版图案的不同尺寸的图案。
69.(3)用负胶显影液对负性光刻胶进行显影；
70.(4)用正胶显影液对正性光刻胶进行可控显影，仅洗去正性光刻胶上曝光图案的边缘部分，并暴露基底材料，从而将模板图案转换成轮廓线型图案；
71.以上面提到的配对为例，曝光结束后，取下掩膜版，将曝光过的硅片移到加热台上，95-105℃烘烤40-90秒。后烘结束，进行分别显影，过程为：将光刻后的硅片置于负性光刻胶显影液(su-8 developer)中，主要成分为丙二醇甲醚醋酸酯，使硅片上未被曝光的负性光刻胶被清洗掉。之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干；再将硅片置于正性光刻胶显影液(mf-26a)中，主要成分为四甲基氢氧化铵，使硅片上暴露出来的未被曝光的正性光刻胶被清洗掉，同时不完全去除曝光过的负性光刻胶下面的未被曝光过的负性光刻胶；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干。制备出基于模板图案的空心线型图案。
72.在选择显影液时，当选取的显影液主要成分不同时，负胶显影液不会作用于正胶上，保证显影的分步进行，以获得最高质量的图案。同时，经研究发现，当使用的负胶显影液会同时对正胶显影时，可以把两步的显影时间叠加在一起，从而在去除未曝光的负胶后，实现对正胶的部分显影，经过扫描电镜的证实，并不会对外轮廓的图案化造成明显影响。综上所述，在实验前，应当对正胶和负胶以及对应的显影液进行交叉实验，从而制定最合适的显影工序。
73.(5)通过材料沉积技术或者刻蚀技术，将轮廓线图案转移到基底材料上；其中，材料沉积技术包括电化学沉积、电镀、cvd沉积、激光溅射、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发或原子沉积。刻蚀技术包括湿法刻蚀或干法刻蚀；所述的湿法刻蚀包括电化学刻蚀或选择性刻蚀液体刻蚀，所述的干法刻蚀包括离子刻蚀或化学反应离子刻蚀。
74.(6)去除光刻胶。
75.实施例1
76.基于正负双层光刻胶光刻技术的金纳米线阵列制备过程如图1所示，具体包括以下步骤：
77.(1)清洗硅片：
78.用浓硫酸超声清洗20-30分钟；
79.用去离子水超声清洗20-30分钟；
80.用乙醇超声清洗20-30分钟；
81.硅片基底用氮气吹干，放置于干法刻蚀仪中，用氧等离子体刻蚀清洗1-2分钟。
82.(2)旋涂正性光刻胶
83.将清洗过后的硅片放置于旋涂仪，真空固定。用滴管滴涂2-4滴正性光刻胶spr 660，在800rpm
×
5s 2500rpm
×
30s的条件下，进行光刻胶的旋涂，95℃烘烤40秒。
84.(3)旋涂负性光刻胶
85.将冷却过后的硅片放置于旋涂仪，真空固定。用滴管滴涂2-4滴负性光刻胶su-8 2，在1000rpm
×
5s 4000rpm
×
40s的条件下，进行光刻胶的旋涂，100℃烘烤60秒。
86.(4)紫外曝光
87.将经过以上步骤的硅片基底紧密固定在5微米线阵列的掩模板下，抽真空并正置于紫外光光源之下，打开光源进行光刻操作。根据光刻胶配对组的种类和光刻胶层的厚度调整曝光时间。曝光结束后，取下掩膜版，将曝光过的硅片移到加热台上，100℃烘烤45秒。
88.(5)两步显影
89.后烘结束，待硅片冷却到室温后，进行分别显影，过程为：将光刻后的硅片置于负性光刻胶显影液su-8developer中，使硅片上未被曝光的负性光刻胶被清洗掉；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干；
90.再将硅片置于正性光刻胶显影液mf-26a中，使硅片上暴露出来的未被曝光的正性光刻胶被清洗掉，同时不完全去除曝光过的负性光刻胶下面的未被曝光过的负性光刻胶；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干。制备出基于模板图案的轮廓线型图案。
91.(6)材料沉积
92.将显影之后的硅片置于蒸发镀膜仪内，分子泵抽真空到10-6
pa，用和的速率分别热蒸发5纳米的钛薄膜和50纳米的金薄膜。5纳米的钛薄膜用作金薄膜的粘附层。
93.(7)去除光刻胶
94.待腔体冷却后，解除真空，将镀膜之后的硅片取出。把硅片浸没在丙酮中，超声清洗直到光刻胶被全部除去，留下线宽～200nm的金纳米线图案。如图3所示，利用该方法得到的金属纳米线的扫描电镜照片，其特征线宽小于200nm。
95.实施例2
96.基于正负双层光刻胶光刻技术，在表面生长有100nm厚氧化硅薄膜的硅片表面制备氧化硅轮廓化图案的过程如图2所示，具体包括以下步骤：
97.(1)旋涂正性光刻胶
98.将氧化硅硅片，在2500rpm的条件下，进行正性光刻胶spr 660的旋涂30-40秒，95℃烘烤40秒。
99.(2)旋涂负性光刻胶
100.将冷却过后的硅片放置于旋涂仪，真空固定。在4000rpm的条件下，进行负性光刻胶su-8 2的旋涂30-40秒，100℃烘烤60秒。
101.(3)紫外曝光
102.将经过以上步骤的硅片基底紧密固定在5微米正方形图案掩模板下，抽真空并正置于紫外光光源之下，打开光源进行光刻操作。根据光刻胶配对组的种类和光刻胶层的厚度调整曝光时间。曝光结束后，取下掩膜版，将曝光过的硅片移到加热台上，100℃烘烤45
秒。
103.(4)两步显影
104.后烘结束，待硅片冷却到室温后，进行分别显影，过程为：将光刻后的硅片置于负性光刻胶显影液su-8 developer中，使硅片上未被曝光的负性光刻胶被清洗掉；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干；
105.再将硅片置于正性光刻胶显影液mf-26a中，使硅片上暴露出来的未被曝光的正性光刻胶被清洗掉，同时不完全去除曝光过的负性光刻胶下面的未被曝光过的负性光刻胶；之后将硅片取出并用水清洗，氮气流吹干。制备出基于模板图案的正方形轮廓线图案。
106.(5)干法刻蚀
107.将硅片置于离子刻蚀机内，通过等离子体气体刻蚀二氧化硅掩膜层，即可在正方形轮廓线型图案处，除掉提前沉积的二氧化硅层，使下面的硅基暴露出来。
108.(6)去除光刻胶
109.将硅片浸没在丙酮中，超声清洗直到光刻胶被全部除去，从而制备出二氧化硅正方形轮廓线。
110.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。