CN108255013A - 一种增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光栅加工技术领域，提供了一种增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，包括如下步骤：将带有光刻胶光栅掩模的基底放置于加热平台上；在光栅掩模的表面加盖PDMS垫片，并进行预热；用圆棒在PDMS垫片上朝着光栅条的延伸方向单向滚压，直至PDMS垫片与光栅掩模完全接触；在PDMS垫片上依次加盖薄纸片及玻璃基片；从上到下对玻璃基片施加载荷，对光栅基底进行加热；对光栅进行冷却，冷却至光刻胶的玻璃化转变温度以下，依次卸除载荷、玻璃基片及薄纸片；揭开PDMS垫片的一端，缓慢的揭掉整个PDMS垫片，获得占宽比增大的光刻胶光栅掩模。通过上述加工方法获取的光栅掩模占宽比明显增大的同时，光栅掩模线条粗细均匀，且光栅掩模线条表面平整，侧壁陡直。

Description

一种增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法

技术领域

本发明属于光栅微纳米加工技术领域，提供了一种增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法。

背景技术

X射线自支撑闪耀透射光栅因其宽带高效高分辨的优点，在惯性约束聚变等离子体诊断、天文物理和X射线相衬成像等领域有巨大的应用需求。全息光刻-单晶硅各向异性湿法刻蚀是制作X射线自支撑闪耀透射光栅的一种重要方法。大的光栅掩模占宽比可以显著增加单晶硅各向异性湿法刻蚀的工艺宽容度，提高光栅制作成功率。但因为全息光刻技术获得的光栅掩模占宽比较小，就必须在全息光刻后进行光栅掩模占宽比增大的工作。

目前在全息光刻后增大光栅掩模占宽比的方法有两种：

一是Lift-off工艺法，它的原理是对掩模图形的占宽比进行反转，将小占宽比的光刻胶光栅转化为大占宽比的金属光栅。但要求光刻胶光栅线条必须是上宽下窄的结构，这对前一步全息光刻的工艺条件要求非常高。且Lift-off方法涉及镀膜工艺，需要昂贵的镀膜设备，成本较高。

二是倾斜镀膜法，倾斜镀膜法是利用金属原子在光刻胶线条顶部沉积展宽来实现占宽比的增大。此方法金属膜倾斜附着在光栅线条顶部，极易在自身重力和外界干扰下形成坍塌，造成掩模缺陷。为避免金属膜坍塌，需要严格控制倾斜镀膜的工艺条件和样品的保存条件。另外，此方法需要昂贵的镀膜设备，成本较高。

发明内容

本发明实施例提供一种增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，旨在解决现有方法中存在的工艺条件要求较高，成本较高的问题。

本发明是这样实现的，一种增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，该方法包括如下步骤：

S1、将带有光刻胶光栅掩模的基底放置于加热平台上；

S2、在光栅掩模的表面加盖PDMS垫片，并进行预热，预热温度低于光刻胶的玻璃化转变温度；

S3、用圆棒在PDMS垫片上朝着光栅条的延伸方向单向滚压，直至PDMS垫片与光栅掩模完全接触；

S4、在PDMS垫片上依次加盖薄纸片及玻璃基片；

S5、从上到下对玻璃基片施加载荷，对光栅基底进行加热，加热至光刻胶的玻璃化转变温度以上；

S6、对光栅进行冷却，冷却至光刻胶的玻璃化转变温度以下，依次卸除载荷、玻璃基片及薄纸片；

S7、揭开PDMS垫片的一端，缓慢的揭掉整个PDMS垫片，获得占宽比增大的光刻胶光栅掩模。

进一步的，所述步骤S5中的加热温度为：140℃～180℃，加热时间为20～80分钟，对应施加的载荷大小为50kPa～500kPa。

进一步的，所述步骤S2中的预热条件为：加热温度为80℃，预热5分钟。

进一步的，所述PDMS垫片的制作工艺包括如下步骤：

S21、将预聚物SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER及固化剂SYLGARD 184 CURINGAGENT以10:1的体积比例充分混合，形成粘稠的混合液；

S22、去除粘稠混合液中的气泡；

S23、将粘稠的混合液直接倾倒在平整光滑的基片上，混合液在润湿作用下自然摊平至完全覆盖基片；

S24、将表面完全覆盖混合液的基片放置在加热台上加热固化；

S25、将固化好的PDMS垫片从基片的一端揭开，并缓慢的整个揭掉，即得到PDMS垫片。

进一步的，所述步骤S24中固化条件为：

将表面完全覆盖混合液的基片置于75℃的加热台上，加热4小时，之后将加热台升温至180℃，加热1小时。

进一步的，所述步骤S24中的去除粘稠混合液中的气泡包括如下方法：

常压室温静置1个小时以上或室温放入133Pa真空烘箱20分钟以上。

进一步的，所用光刻胶通过加热加压产生不可恢复形变。

本发明实施例提供的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法具有如下有益效果：

1.通过上述加工方法获取的光栅掩模占宽比明显增大的同时，光栅掩模线条粗细均匀，且光栅掩模线条表面平整，侧壁陡直；

2.整个加工过程操作简单，工艺条件要求低，设备简单，成本较低；

3.通过在玻璃基片及PDMS垫片之间设置薄纸片，防止两者在加热加压下粘贴在一起造成脱模困难，避免了因脱模力量太大导致的光栅掩模线条坍塌的问题。

4.通过用圆棒在PDMS垫片上朝着光栅条的延伸方向单向滚压，能够完全赶出气泡使PDMS垫片与光栅掩模完全接触，解决了因载荷传导不均导致的掩模质量问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法流程图；

图2为本发明实施例提供的带有光刻胶光栅掩模的基底置于加热平台上的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光栅掩模上置PDMS垫片的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的圆棒单向滚压PDMS垫片的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的加盖薄纸片及玻璃基片的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的对玻璃基片施加载荷的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的揭掉PDMS垫片的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的PDMS垫片与光栅掩模没有完全接触，加工形成的光栅掩模扫描电镜图；

图9为本发明实施例提供的原始光栅掩模扫描电镜图；

图10为本发明实施例提供的经加工后的光栅掩模扫描电镜图；

图11为本发明实施例提供的PDMS垫片固化不完全加工形成的光栅掩模扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法流程图，该方法包括如下步骤：

S1、将带有光刻胶光栅掩模的基底放置于加热平台上；

如图2所示，1为基底，2为光刻胶光栅掩模，3为加热平台，基底底面与加热平台接触，光栅朝上放置，加热平台为凯美特公司的KW-4AH-350型烤胶机。

S2、在光栅掩模的表面加盖PDMS垫片，并进行预热，预热温度低于光刻胶的玻璃化转变温度；

如图3所示，4为PDMS垫片，垫片尺寸正好或略小于光栅掩模基底，在本发明实施例中，光刻胶的玻璃化转变温度是指光刻胶由固态转变为粘流态对应的温度，光刻胶在低于玻璃化转变温度时，光刻胶呈固态，光刻胶略高于玻璃化转变温度时，光刻胶呈粘流态；

本发明实施例采用的光刻胶型号为苏州瑞红电子化学品有限公司的RZJ-390PG，该种光刻胶的玻璃化转变温度高于120℃，因此，设定加热台温度为80℃，到达80℃后，计时预热5分钟；

在本发明实施例中，在光栅掩模的表面加盖PDMS垫片后进行预热，其作用是加热释放密封的气体，使PDMS垫片与光栅掩模更好的贴合。

S3、用圆棒在PDMS垫片上朝着光栅条的延伸方向单向滚压，直至PDMS垫片与光栅掩模完全接触；

如图4所示，5为圆棒，在本发明实施例中，为了使PDMS垫片与光栅掩模完全接触，即在PDMS垫片与光栅掩模的接触面上不存在气泡，通过圆棒在PDMS垫片上朝着光栅条的延伸方向单向滚压，直至将所有气泡全部赶出，由于PDMS为软的透明弹性体，因此，基于目视即可检测PDMS垫片是否与光栅掩模完全接触。

经过大量的实验得知，在PDMS垫片与光栅掩模的接触面间存在气泡时，在实施步骤S5对光栅掩模加压加热时，由于气泡的阻隔，施加的载荷未作用到光栅掩模上，光栅在加热条件下自然形变，光栅掩模线条表面不平，侧壁不陡直，整个线条出现节状现象，如图8所示。

S4、在PDMS垫片上依次加盖薄纸片及玻璃基片；

如图5所示，6为薄纸片、7为玻璃基片，薄纸片的作用是隔离PDMS垫片与玻璃基片，防止两者在加热加压下粘贴在一起造成脱模困难，选择一般擦镜纸即可，玻璃基片只要表面平整，能承受施加的载荷即可，例如常用的窗户玻璃就可以。在本发明实施例中，薄纸片选择的厚度范围是：小于0.2毫米。

擦镜纸为杭州特种纸业有限公司生产的新星擦镜纸，玻璃基片的厚度为4mm。

S5、从上到下对玻璃基片施加载荷，对光栅基底进行加热，加热至光刻胶的玻璃化转变温度以上；

加热温度过低，光刻胶处于固态，即使加压也难以增大光栅掩模的占宽比，加热温度过高，光刻胶光栅掩模熔化，形变不可控。加热温度可在参考光刻胶说明书的基础上，通过对比实验确定，对于RZJ-390PG光刻胶型号，加热温度处于140℃～180℃之间，光刻胶处于粘流状态，通过加压可产生可控形变；

如图6所示，在加热温度处于140℃～180℃之间时，载荷太小，难以达到增大光栅掩模占宽比的效果，载荷过大，会导致光栅掩模被压平，或是相邻光栅线条接触。经过大量的实验得到，在加热温度处于140～180℃之间时，施加的载荷大小为50kPa～500kPa。载荷可以通过叠加放置标准铅块的方式施加，同时控制加热时间为20～80分钟。

S6、对光栅进行冷却，冷却至光刻胶的玻璃化转变温度以下，依次卸除载荷、玻璃基片及薄纸片；

在本发明实施例中，在步骤S5中光栅掩模在加热至玻璃化转变温度以上后，在载荷的作用下，光栅掩模的占宽比增大，因此，要保持该光栅掩模增大的占宽比，只有先降低光栅掩模的温度，以使光刻胶光栅掩模的温度低于玻璃化转变温度，再卸掉载荷，光栅掩模的占宽比就保持为增大后的占宽比。

S7、揭开PDMS垫片的一端，缓慢的揭掉整个PDMS垫片，获得占宽比增大的光刻胶光栅掩模。

如图7所示，由于PDMS垫片为软的弹性体，因此，可通过揭开PDMS垫片的一端，缓慢的揭掉整个PDMS垫片，以使PDMS垫片与光栅掩模完全脱离，且不会出现由于脱模力量太大导致的光栅掩模线条坍塌的问题；

图9为原始光栅掩模扫描电镜图，图10为经加工后的光栅掩模扫描电镜图，对比图9及图10可知，通过上述工艺加工获得的光栅掩模占宽比明显增大的同时，光栅掩模线条粗细均匀，且光栅掩模线条表面平整，侧壁陡直。

本发明实施例提供的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法具有如下有益效果：

1.通过上述加工方法获取的光栅掩模占宽比明显增大的同时，光栅掩模线条粗细均匀，且光栅掩模线条表面平整，侧壁陡直；

2.整个加工过程操作简单，工艺条件要求低，设备简单，成本较低；

3.通过在玻璃基片及PDMS垫片之间设置薄纸片，防止两者在加热加压下粘贴在一起造成脱模困难，避免了因脱模力量太大导致的光栅掩模线条坍塌的问题。

4.通过用圆棒在PDMS垫片上朝着光栅条的延伸方向单向滚压，能够完全赶出气泡使PDMS垫片与光栅掩模完全接触，解决了因载荷传导不均导致的掩模质量问题。

在本发明实施例中，PDMS垫片的制作工艺包括如下步骤：

S21、将预聚物(SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER)及固化剂(SYLGARD 184CURING AGENT)以10:1的体积比例充分混合，形成粘稠的混合液；

S22、去除粘稠混合液中的气泡；

在本发明实施例中，去除混合液中气泡的方法有两种：常压室温静置1个小时以上或室温放入133Pa真空烘箱20分钟以上去除混合液中的气泡；

S23、将粘稠的混合液直接倾倒在基片表面，混合液在润湿作用下自然摊平至完全覆盖基片，该基片为表面平整光滑的玻璃基片或硅基片；

S24、将表面完全覆盖混合液的基片放置在加热台上加热固化。

在本发明实施例中，现有的PDMS垫片的固化条件是说明书推荐的：将表面完全覆盖混合液的基片至于75℃的加热台上，加热1.5小时。基于现有的PDMS垫片加工获取的光栅掩模存在光栅掩模线条表面不平，侧壁不陡直的问题，如图11所示。经过大量的实验发现，是由于PDMS垫片固化不完全引起的，将光刻胶加热到140～180℃时，PDMS垫片仍在继续固化，而此时PDMS垫片的强度不足以将光栅掩模表面压至平整。因此，经过一系列的实验探索，最佳的固化条件为：将表面完全覆盖混合液的基片至于75℃的加热台上，加热4小时，之后将加热台升温至180℃，加热1小时。

为了避免固化过程中，从室温突然加热至高温，导致的应力过大，而引起的PDMS垫片的翘曲，先将表面完全覆盖混合液的基片在较低温度下进行预固化，然后将加热台的温度上升至光刻胶加热的最高温度值180℃，在该温度下进行充分固化。因此当光刻胶加热到140～180℃时，PDMS垫片能保持足够的强度。

S25、将固化好的PDMS垫片从基片的一端揭开，并缓慢的整个揭掉，即得到PDMS垫片。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、将带有光刻胶光栅掩模的基底放置于加热平台上；

S2、在光栅掩模的表面加盖PDMS垫片，并进行预热，预热温度低于光刻胶的玻璃化转变温度；

S3、用圆棒在PDMS垫片上朝着光栅条的延伸方向单向滚压，直至PDMS垫片与光栅掩模完全接触；

S4、在PDMS垫片上依次加盖薄纸片及玻璃基片；

S5、从上到下对玻璃基片施加载荷，对光栅基底进行加热，加热至光刻胶的玻璃化转变温度以上；

S6、对光栅进行冷却，冷却至光刻胶的玻璃化转变温度以下，依次卸除载荷、玻璃基片及薄纸片；

S7、揭开PDMS垫片的一端，缓慢的揭掉整个PDMS垫片，获得占宽比增大的光刻胶光栅掩模。

2.如权利要求1所述的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，其特征在于，所述步骤S5中的加热温度为：140℃～180℃，加热时间为20～80分钟，对应施加的载荷大小为50kPa～500kPa。

3.如权利要求1所述的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中的预热条件为：加热温度为80℃，预热5分钟。

4.如权利要求1所述的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，其特征在于，所述PDMS垫片的制作工艺包括如下步骤：

S21、将预聚物SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER及固化剂SYLGARD 184 CURINGAGENT以10:1的体积比例充分混合，形成粘稠的混合液；

S22、去除粘稠混合液中的气泡；

S23、将粘稠的混合液直接倾倒在平整光滑的基片上，混合液在润湿作用下自然摊平至完全覆盖基片；

S24、将表面完全覆盖混合液的基片放置在加热台上加热固化；

S25、将固化好的PDMS垫片从基片的一端揭开，并缓慢的整个揭掉，即得到PDMS垫片。

5.如权利要求4所述的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，其特征在于，所述步骤S24中固化条件为：

将表面完全覆盖混合液的基片置于75℃的加热台上，加热4小时，之后将加热台升温至180℃，加热1小时。

6.如权利要求4所述的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，其特征在于，所述步骤S24中的去除粘稠混合液中的气泡包括如下方法：

常压室温静置1个小时以上或室温放入133Pa真空烘箱20分钟以上。

7.如权利要求1所述的增大光刻胶光栅掩模占宽比的加工方法，其特征在于，所用光刻胶通过加热加压产生不可恢复形变。