利用激光干涉的方法制備亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底

文/北京景山學(xué)校高三(4班) 陳光旭指導(dǎo)科學(xué)家/陳弘

利用激光干涉的方法制備亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底

文/北京景山學(xué)校高三(4班) 陳光旭指導(dǎo)科學(xué)家/陳弘

納米材料從20世紀(jì)80年代開(kāi)始受到了人們的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)展了納米金屬材料、納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米磁性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。其中納米半導(dǎo)體薄膜材料的研究對(duì)半導(dǎo)體電子學(xué)、光子學(xué)有著非常重要的意義。圖形襯底作為薄膜材料的一個(gè)重要分支，在制造半導(dǎo)體和磁性材料中有多方面的潛在的應(yīng)用價(jià)值，在開(kāi)發(fā)新型器件中有著重要作用。圖形襯底中最基本的就是光柵結(jié)構(gòu)，由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體紫外曝光技術(shù)受到光的衍射作用限制，不適用于制作亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底，所以本人發(fā)明了利用激光干涉的方法制備亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底。

到底什么是亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底呢？它是指在光滑平整的拋光襯底面上刻蝕出具有幾百納米尺寸的周期性結(jié)構(gòu)的襯底(如下圖所示，條紋圖形襯底和孔洞圖形襯底)。亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值，科研上可用于規(guī)則生長(zhǎng)納米尺寸的點(diǎn)、線、柱等，研究半導(dǎo)體材料的量子限制效應(yīng)，光子晶體的制作等；工業(yè)上可作為生長(zhǎng)模板，生產(chǎn)高密度磁記錄材料、光電子材料、電池電極材料、太陽(yáng)能電池材料等。

亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底的制作一般需要使用光刻技術(shù)。作為主要的光刻技術(shù)之一，傳統(tǒng)投影學(xué)光刻一直以來(lái)都是半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的主流技術(shù)，但是諸多因素，如有限的數(shù)值孔徑、掩膜結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜和透鏡光學(xué)材料等，都制約了傳統(tǒng)投影光學(xué)光刻的進(jìn)一步發(fā)展，只能生產(chǎn)周期為微米尺度的圖形。如想進(jìn)一步制備亞微米級(jí)別的材料，需要克服光的衍射問(wèn)題。所以制作亞微米圖形襯底對(duì)微細(xì)加工技術(shù)提出了更高的要求，需要能以高分辨率(百納米級(jí)別)對(duì)周期圖形成像。以離軸照明技術(shù)(OAI)，相移掩膜技術(shù)(PSM)，光學(xué)臨近效應(yīng)校正技術(shù)(OPC)為代表的分辨力增強(qiáng)技術(shù)(RET)在一定程度上提高了分辨力，推進(jìn)了光刻極限，但仍然無(wú)法滿足制作亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底的要求。目前，制作亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底的常用制備方法是電子束曝光和聚焦離子束曝光的方法，但因其直寫(xiě)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備昂貴等原因，僅能滿足科研的需要，無(wú)法應(yīng)用在大規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程中。

無(wú)掩模激光干涉光刻 (Laser Interference Lithography, LIL)的方法采用相干光束干涉，利用容易得到的光源和抗蝕劑，無(wú)需掩模和昂貴的光刻透鏡就可得到亞微米及納米級(jí)的圖形，雖然很難用于任意圖形，但特別適合產(chǎn)生微器件的周期結(jié)構(gòu)，正好符合制作亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底的基本要求。而且這種方法效率高，成本低，適宜大規(guī)模生產(chǎn)制作。因此利用激光干涉的方法制備亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底就成為了最佳選擇。

激光干涉原理為兩束相干激光光束在襯底上相遇形成干涉條紋，要形成穩(wěn)定的干涉圖樣，兩光束需要滿足以下三個(gè)條件：1)相同的頻率；2)固定的光程差；3)相同的偏振方向。本人發(fā)明的利用激光干涉的方法制備亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底是將325nm紫外激光從激光器中射出后經(jīng)光束分束器一分為二，分別經(jīng)過(guò)空間濾波器，最終共同照射在旋涂過(guò)光刻膠的基底上，使基底曝光，得到干涉圖樣。為獲得不同周期的光柵，需要對(duì)光的入射角度進(jìn)行調(diào)整(如下圖所示)，這樣的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，光柵周期可在不改變光路的情況下方便調(diào)節(jié)，只需調(diào)節(jié)反光鏡即可。

襯底的制作共分九個(gè)步驟：首先，進(jìn)行硅片清洗。采用丙酮、酒精、去離子水各5分鐘的超聲波清洗，去除有機(jī)及顆粒雜質(zhì)，并將襯底片置于熱板上，在150℃的溫度條件下脫水烘焙5分鐘。其次，進(jìn)行涂膠。使用國(guó)產(chǎn)正性光刻膠與正膠稀釋劑按1:4稀釋，使得膠厚在第一步達(dá)到1500rpm，第二步達(dá)到7000rpm，30秒的條件下處于70～100nm的范圍(經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此范圍膠厚實(shí)驗(yàn)效果最優(yōu))。第三，前烘。將涂膠后的片子置于熱板上，90℃溫度條件下烘烤2分鐘。第四，曝光。將前烘的片子置于角狀反射器的襯底臺(tái)上曝光，曝光功率0.8mw，時(shí)間60秒，得到光柵圖形。通過(guò)連續(xù)曝光兩次，兩次襯底片的角度互相垂直，可得到孔洞或點(diǎn)狀陣列。第五，后烘。將曝光后的片子置于熱板上110℃烘烤2分鐘。第六，顯影。將經(jīng)過(guò)后烘過(guò)的片子置于稀釋后的顯影液(顯影液：去離子水=2：3)中顯影30秒。第七，堅(jiān)膜。將烘后的片子置于熱板上，130℃烘烤2分鐘。第八，刻蝕。利用硝酸和氫氟酸的混合液刻蝕硅片，深度十幾納米，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。第九，去膠。利用丙酮去除有機(jī)的光刻膠，得到圖形襯底。

經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)、制作與觀察，初步掌握了亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底的制作方法以及制作過(guò)程中的一些變量的控制以及技巧，如光路的控制、入射角度的控制、甩膠轉(zhuǎn)速以及顯影時(shí)間的控制等。在入射角為30.5°時(shí)制備出直徑為210nm的點(diǎn)陣，并在入射角度為15°、24°、33°、40.5°時(shí)成功制成了符合要求的幾百納米的光柵結(jié)構(gòu)襯底。

利用激光干涉的方法制作亞微米光柵結(jié)構(gòu)圖形襯底這一創(chuàng)新方法獲得“明天小小科學(xué)家”一等獎(jiǎng)。

責(zé)編/畢海蛟