CN110174818A - 基板的纳米压印制备方法及其基板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基板的纳米压印制备方法，包括：提供具有纳米压印图形的软模板；提供基板组合，所述基板组合包括所述基板；根据所述软模板对所述基板组合进行压印，使得所述基板组合包括纳米图形，所述纳米图形与所述纳米压印图形相对应，所述纳米图形包括凹槽；在所述纳米图形的顶面上形成第一硬掩膜层，所述顶面不围绕所述凹槽；根据所述第一硬掩膜层对所述基板进行刻蚀，使得所述基板包括纳米结构。通过本发明，可以显著提高底胶掩膜的深宽比、获得高深宽比和高精度的纳米结构图形基板。

Description

基板的纳米压印制备方法及其基板

技术领域

本发明属于纳米图形制备技术领域，尤其涉及一种基板的纳米压印制备方法及应用。

背景技术

业内常见的现有技术如下。

纳米结构是尺寸介于分子和微米尺度间的物体的结构。以纳米尺度的物质单元按一定的规律排列起来可以形成一维、二维、三维阵列的纳米结构材料，由于它具有纳米微粒的特征，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新效应，如量子耦合效应和协同效应等。其次，这种纳米结构材料很容易通过外加的电、磁、光场实现对其性能的控制，实现各种功能化的应用。在下一代图形移转技术中，电子束直写、X射线曝光和纳米压印技术占有重要地位。其中纳米压印技术具有产量高、成本低和工艺简单的优点，是纳米尺寸电子器件的重要制作技术。随着纳米压印技术等微加工工艺的发展，各种纳米结构图形被制作出来。

纳米压印技术是在纳米尺度获得复制结构的一种成本低而速度快的方法，它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图形结构，而且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。适合于纳米结构图形朝着大面积、低成本、微纳尺寸和集成化的方向发展。

采用直接机械接触式热压印方式的传统的纳米压印技术，会导致移转图形部分区域因为没有直接接触到压印模板而造成图形不完整，也即压印质量的降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基板的纳米压印制备方法及应用。

本发明的主要目的在于提供一种基板的纳米压印制备方法，包括：

软模板提供步骤，包括提供具有纳米压印图形的软模板；

基板提供步骤，包括提供基板和位于所述基板上的压印胶层；

压印步骤，包括根据所述软模板对所述压印胶层进行压印，使得所述压印胶层包括纳米图形，所述纳米图形与所述纳米压印图形相对应，所述纳米图形包括贯穿所述压印胶层的顶面的凹槽；

第一硬掩膜层形成步骤，包括在所述纳米图形的顶面上形成第一硬掩膜层；

蚀刻步骤，包括根据所述第一硬掩膜层对所述基板进行刻蚀，使得所述基板包括纳米结构。

在本发明一实施例中，所述软模板提供步骤具体包括：

步骤a，包括通过光刻工艺，制作硬模板，使得所述硬模板包括移转压印图形；

步骤b，包括根据所述硬模板对所述软模板进行压印，使得所述软模板包括所述纳米压印图形，其中，所述软模板的硬度比所述硬模板低。

在本发明一实施例中，所述基板和所述压印胶层之间设有第一刻蚀层和第二刻蚀层，其中，所述第二刻蚀层位于所述第一刻蚀层的靠近所述压印胶的一侧，所述压印步骤具体包括：

步骤(1)，包括采用所述软模板对所述压印胶层进行压印，使得所述压印胶层包括所述纳米图形，所述纳米图形与所述纳米压印图形相对应，所述纳米图形包括所述凹槽；

步骤(2)，包括在所述压印胶层的纳米图形的顶面上形成所述第一硬掩膜层；

步骤(3)，包括通过刻蚀工艺，以所述第一硬掩膜层为刻蚀掩膜，刻蚀第二刻蚀层；

步骤(4)，包括通过刻蚀工艺，以步骤(3)得到的所述第一硬掩膜层、所述压印胶层和所述第二刻蚀层为刻蚀掩膜，刻蚀所述第一刻蚀层，其中，所述第一刻蚀层的刻蚀速率大于所述第二刻蚀层的刻蚀速率；

步骤(5)，包括通过刻蚀工艺，以步骤(4)得到的所述第一硬掩膜层、所述压印胶层、所述第二刻蚀层和所述第一刻蚀层为刻蚀掩膜，刻蚀所述基板，使得所述基板包括所述纳米结构；

步骤(6)，包括去除步骤(5)得到的结构中的所述第一硬掩膜层、所述压印胶层、所述第二刻蚀层和所述第一刻蚀层。

在本发明一实施例中，在所述步骤(2)和所述步骤(5)之间，所述方法还包括：

步骤(2a)，包括通过刻蚀工艺，以第一硬掩膜层为刻蚀掩膜，刻蚀所述压印胶层。

在本发明一实施例中，所述软模板为聚甲基丙烯酸甲酯或者聚二甲基硅氧烷材料制成；所述第二刻蚀层包括二氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳材料；以及所述第一刻蚀层的材料为STU-2或STU-8材料；所述的第一硬掩膜层的材料为二氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳膜，厚度在10nm-100nm。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的基板的纳米压印制备方法制备的高深宽比纳米结构基板。

本发明的另一目的在于提供一种光子晶体，包括利用所述基板的纳米压印制备方法制备的基板。

本发明的另一目的在于提供一种半导体器件，包括利用所述基板的纳米压印制备方法制备的基板。

本发明的另一目的在于提供一种显示面板，包括利用所述的基板的纳米压印制备方法制备的基板。

本发明的另一目的在于提供一种显示装置，包括利用所述的基板的纳米压印制备方法制备的基板。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明结合纳米压印方法的优势，通过干法刻蚀工艺刻蚀压印胶掩膜层中的残胶，平整又耐刻蚀的硬掩膜层能够保证压印胶掩膜层不同厚度的残胶被去除干净，同时对具有不同刻蚀率的胶掩膜与硬掩膜之间的多次刻蚀操作，在硬掩膜层耐刻蚀条件下，实现对胶层更高的刻蚀速率，可以较大程度提高纳米结构图形的图像精细程度，获得较大深宽比的纳米结构图形。本发明可控性好，可重复性操作，尤其适用于制作半导体纳米器件、光子晶体等纳米图形结构。

采用本发明提供的方法，用深宽比1:1的硬模板复制的软模板，压印得到与模板相同深宽比的图形，再在经过多次刻蚀掩模，可以制作出深宽比为10、周期小于500nm的纳米图形，对比与传统的机械压印得到的图形的深宽比通常在1-6左右有了进步显著。

附图说明

图1是本发明实施例提供的软模板的制作示意图；

图2是本发明实施例提供的基板上各膜层形成的示意图；

图3a-图3f本发明实施例提供的步骤3a-3f的纳米压印方法的各个工艺步骤的示意图。

图中：100、硬模板；101、软模板；201、基板；2001、纳米结构基板；202、底胶层；2002、底胶掩膜层；203、硬膜层；2003、第二硬掩膜层；204、压印胶层；2004、压印胶掩膜层；205、第一硬掩膜层；2005、减薄的第一硬掩膜层。

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。

现有技术中的软模板技术存在的问题是：易形变弯曲的软模板在压印过程中容易形成深度不等的残胶，影响纳米结构图形的均匀性与大面积移转。同时也容易造成图形弯曲倒塌，严重制约了所加工的纳米级图形深宽比，同时可能引起纳米图形的失真。

针对上述问题，下面结合附图对本发明作详细描述。

请参照图1，图1是本发明基板的纳米压印制备方法中的软模板的制作示意图。

本发明基板的纳米压印制备方法包括：软模板提供步骤、基板提供步骤、压印步骤、第一硬掩膜层形成步骤、以及蚀刻步骤。

所述软模板提供步骤，包括提供具有纳米压印图形的软模板101。

所述软模板提供步骤具体包括步骤a以及步骤b。所述步骤a，包括通过光刻工艺，制作硬模板100，使得所述硬模板100包括移转压印图形。所述步骤b，包括根据所述硬模板100对所述软模板101进行压印，使得所述软模板101包括所述纳米压印图形，其中，所述软模板101的硬度比所述硬模板100低。

所述基板提供步骤，包括提供基板201和位于所述基板201上的压印胶层204。

所述压印步骤，包括根据所述软模板101对所述压印胶层204进行压印，使得所述压印胶层204包括纳米图形，所述纳米图形与所述纳米压印图形相对应，所述纳米图形包括贯穿所述压印胶层204的顶面的凹槽。

所述压印步骤具体包括步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)、以及步骤(6)。所述步骤(1)，包括采用所述软模板101对所述压印胶层204进行压印，使得所述压印胶层204包括所述纳米图形，所述纳米图形与所述纳米压印图形相对应，所述纳米图形包括所述凹槽。所述步骤(2)，包括在所述压印胶层204的纳米图形的顶面上形成所述第一硬掩膜层205。所述步骤(3)，包括通过刻蚀工艺，以所述第一硬掩膜层205为刻蚀掩膜，刻蚀第二刻蚀层。所述步骤(4)，包括通过刻蚀工艺，以步骤(3)得到的所述第一硬掩膜层205、所述压印胶层和所述第二刻蚀层为刻蚀掩膜，刻蚀所述第一刻蚀层，其中，所述第一刻蚀层的刻蚀速率大于所述第二刻蚀层的刻蚀速率。所述步骤(5)，包括通过刻蚀工艺，以步骤(4)得到的所述第一硬掩膜层205、所述压印胶层204、所述第二刻蚀层和所述第一刻蚀层为刻蚀掩膜，刻蚀所述基板201，使得所述基板201包括所述纳米结构。所述步骤(6)，包括去除步骤(5)得到的结构中的所述第一硬掩膜层205、所述压印胶层204、所述第二刻蚀层和所述第一刻蚀层。所述第一硬掩膜层形成步骤，包括在所述纳米图形的顶面上形成第一硬掩膜层205。所述蚀刻步骤，包括根据所述第一硬掩膜层205对所述基板201进行刻蚀，使得所述基板201包括纳米结构。

此外，在所述步骤(2)和所述步骤(5)之间，所述方法还包括步骤(2a)：通过刻蚀工艺，以第一硬掩膜层205为刻蚀掩膜，刻蚀所述压印胶层204。

此外，所述软模板101为聚甲基丙烯酸甲酯或者聚二甲基硅氧烷材料制成。

此外，第二刻蚀层包括二氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳材料。

此外，第一刻蚀层的材料为STU-2或STU-8材料；所述的第一硬掩膜层的材料为二氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳膜，厚度在10nm-100nm。

在所述压印步骤中，利用电子束曝光技术直接制备出深宽比在1.2以下的硬模板100，有利于将硬模板100上的图形移转至软模板101和后续压印胶层204上。具体通过控制压印过程中的温度和压力，采用热压印的方式将图形移转至聚合物表面形成软模板101，聚合物可选为聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate))或者聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)等材料，之后逐渐撤去压力和降温至室温下得到所需软模板101。

下一步骤如图2所示，是基板201上各膜层形成的示意图。该步骤具体包括以下过程：

首先对平整的基板201进行表面清洗和干燥前处理，基板201可选为玻璃、硅片、磷化铟片、砷化镓片等材料；

接着，在所述基板201表面上旋涂一层底胶层202，所述底胶层202作为第一刻蚀层，且可选为STU-2或STU-8等材料，并对其执行紫外曝光固化，该层厚度可根据最终所需底胶掩膜图形深度来确定；接着在底胶层202上通过电子束蒸镀等工艺镀上一层硬膜层203，硬膜层203作为第二刻蚀层，且可选为二氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳等材料。在基板201表面依次形成了刻蚀速率快的底胶层202和刻蚀速率慢的硬膜层203。从而能够在刻蚀处理的过程中，刻蚀得到更深的掩膜图形的底胶层202，进而利用该高深宽比的掩膜图形来实现高深宽比的纳米结构图形；

最后在硬膜层203表面旋涂一层压印胶层204，并对其采用热压方式固化，最终形成如图2所示的堆叠结构。

下一步骤如图3a-图3f所示，是纳米图形的分步移转步骤。首先利用步骤所制得的纳米图形软模板101，通过紫外曝光的方式在压印胶层204上形成所需的纳米图形，平整的压印胶层204转变成具有纳米结构的压印胶掩膜层2004，此步完成后会在压印胶掩膜层2004的纳米结构中留下部分残胶有待去除；

然后通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition,PECVD)等技术在生成的压印胶掩膜层2004表面沉积第一硬掩膜层205，第一硬掩膜层205材料可选为氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳膜，厚度在10-100nm之间。由于磁控溅射、PECVD等技术中的粒子在沉积过程中无法进入到纳米尺寸结构内部而停留在其表面，故而获得形成于压印胶掩膜层2004表面的第一硬掩膜层205；

接下来是多次的干法刻蚀步骤，首先以第一硬掩膜层205为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀压印胶掩膜层2004中的残胶，平整又耐刻蚀的第一硬掩膜层205能够保证压印胶掩膜层2004中不同厚度的残胶被去除干净，而将刻蚀停止在硬膜层203表面；

然后以第一硬掩膜层205和压印胶掩膜层2004为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀硬膜层203，硬膜层203转变成具有纳米结构的第二硬掩膜层2003，刻蚀停止在底胶层202表面，与此同时，刻蚀硬膜层203的同时也会造成第一硬掩膜层205的刻蚀，从而引起第一硬掩膜层205的减薄并形成减薄的第一硬掩膜层2005；

然后以减薄的第一硬掩膜层2005、压印胶掩膜层2004和第二硬掩膜层2003为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀底胶层202，底胶层202转变成具有均匀纳米结构的底胶掩膜层2002；

然后以之前刻蚀的结构为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应等离子刻蚀等工艺刻蚀基板201，基板201转变成具有均匀分布的纳米结构基板2001。

最后将以上工艺得到的结构中的减薄的第一硬掩膜层205、压印胶掩膜层2004、第二硬掩膜层2003和底胶掩膜层2002去除干净，在基板201表面形成纳米结构图形，最终在多层刻蚀速率快的软掩膜和刻蚀速率慢的硬掩膜作用下，制备得到高深宽比的纳米结构图形。

按照本发明的纳米压印方法通过多层掩膜刻蚀工艺，在多层刻蚀速率快的软掩膜和刻蚀速率慢的硬掩膜作用下，将硬模板上的纳米结构图形移转到基板上，制备得到高深度比的纳米结构基板。这种高深宽比的纳米结构在陶瓷领域、微电子学上、生物工程上、光电领域、化工领域、医学等领域有着广泛的应用价值。

下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步描述。

本发明实施实例选用周期200纳米，深宽比为1:1的光子晶体硅模板在硅片的表面制备出周期200纳米、深宽比为10:1的光子晶体阵列。

第一步骤采用热压印的方法，将硅模板的图案移转到IPS软模板上，得到周期200纳米、深宽比为1:1的光子晶体IPS软模板。

下一步骤在目标硅片上使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行表面清洗和200度干燥处理，接着在基板表面旋涂一层底层胶STU2，厚度为500nm，对底层胶进行紫外固化，接着在底层胶上通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition,PECVD)镀上一层20纳米厚二氧化硅，最后在二氧化硅表面旋涂一层100纳米厚mr-NIL6000.1E热紫外压印胶。

下一步骤采用热紫外压印的方法，将第一步骤复制的IPS软模板图形移转到mr-NIL6000.1E热紫外压印胶的表面。

下一步骤通过多次感应等离子刻蚀工艺制得高深宽比的结构。首先通过磁控溅射在mr-NIL6000.1E紫外压印胶掩模层的表面溅射一层10纳米金属铬作为硬掩模层，金属铬只会沉积在纳米结构外表面而无法进入孔道结构之中，接下来以最上层的金属铬为掩模板，采用反应离子刻蚀去除压印胶掩模层的残胶，然后以mr-NIL6000.1E压印胶以及金属铬作为掩模板刻蚀下一层的二氧化硅，最后以金属铬、mr-NIL6000.1E压印胶和下一层的二氧化硅作为掩模刻蚀500纳米厚底胶层，最后以上述所有掩模层用于深刻蚀基板硅，得到深宽比为10:1的光子晶体结构。所有掩模层可以通过丙酮等有机溶剂去除。

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 (10)

1.一种基板的纳米压印制备方法，其特征在于，所述基板的纳米压印制备方法包括：

软模板提供步骤，包括提供具有纳米压印图形的软模板；

基板提供步骤，包括提供基板和位于所述基板上的压印胶层；

压印步骤，包括根据所述软模板对所述压印胶层进行压印，使得所述压印胶层包括纳米图形，所述纳米图形与所述纳米压印图形相对应，所述纳米图形包括贯穿所述压印胶层的顶面的凹槽；

第一硬掩膜层形成步骤，包括在所述纳米图形的顶面上形成第一硬掩膜层；以及

蚀刻步骤，包括根据所述第一硬掩膜层对所述基板进行刻蚀，使得所述基板包括纳米结构。

2.如权利要求1所述的基板的纳米压印制备方法，其特征在于，所述软模板提供步骤具体包括：

步骤a，包括通过光刻工艺，制作硬模板，使得所述硬模板包括移转压印图形；

步骤b，包括根据所述硬模板对所述软模板进行压印，使得所述软模板包括所述纳米压印图形，其中，所述软模板的硬度比所述硬模板低。

3.如权利要求1所述的基板的纳米压印制备方法，其特征在于，所述基板和所述压印胶层之间设有第二刻蚀层和第一刻蚀层，其中，所述第二刻蚀层位于所述第一刻蚀层的靠近所述压印胶的一侧，所述压印步骤具体包括：

步骤(1)，包括采用所述软模板对所述压印胶层进行压印，使得所述压印胶层包括所述纳米图形，所述纳米图形与所述纳米压印图形相对应，所述纳米图形包括所述凹槽；

步骤(2)，包括在所述压印胶层的纳米图形的顶面上形成所述第一硬掩膜层；

步骤(3)，包括通过刻蚀工艺，以所述第一硬掩膜层为刻蚀掩膜，刻蚀第二刻蚀层；

步骤(4)，包括通过刻蚀工艺，以步骤(3)得到的所述第一硬掩膜层、所述压印胶层和所述第二刻蚀层为刻蚀掩膜，刻蚀所述第一刻蚀层，其中，所述第一刻蚀层的刻蚀速率大于所述第二刻蚀层的刻蚀速率；

步骤(5)，包括通过刻蚀工艺，以步骤(4)得到的所述第一硬掩膜层、所述压印胶层、所述第二刻蚀层和所述第一刻蚀层为刻蚀掩膜，刻蚀所述基板，使得所述基板包括所述纳米结构；

步骤(6)，包括去除步骤(5)得到的结构中的所述第一硬掩膜层、所述压印胶层、所述第二刻蚀层和所述第一刻蚀层。

4.如权利要求3所述的基板的纳米压印制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)和所述步骤(5)之间，所述方法还包括：

步骤(2a)：通过刻蚀工艺，以第一硬掩膜层为刻蚀掩膜，刻蚀所述压印胶层。

5.如权利要求3所述的基板的纳米压印制备方法，其特征在于，所述软模板为聚甲基丙烯酸甲酯或者聚二甲基硅氧烷材料制成；

所述第二刻蚀层包括二氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳材料；以及

所述第一刻蚀层的材料为STU-2或STU-8材料；所述的第一硬掩膜层的材料为二氧化硅、氮化硅、金属铝、金属铬或无定型碳膜，厚度在10nm-100nm。

6.一种利用权利要求1所述的基板的纳米压印制备方法制备的基板。

7.一种光子晶体，包括利用权利要求1-5任一项所述基板的纳米压印制备方法制备的基板。

8.一种半导体器件，包括利用权利要求1-5任一项所述基板的纳米压印制备方法制备的基板。

9.一种显示面板，包括利用权利要求1-5任一项所述的基板的纳米压印制备方法制备的基板。

10.一种显示装置，包括利用权利要求1-5任一项所述的基板的纳米压印制备方法制备的基板。