于 航，陸冰睿，陳國(guó)平，劉 冉

（復(fù)旦大學(xué)微電子系專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433）

0 引言

近年來，微納科學(xué)的飛速發(fā)展對(duì)微加工技術(shù)提出更高的要求［1］。盡管微納結(jié)構(gòu)可以通過自下而上或者自上而下的方法進(jìn)行加工，例如:化學(xué)自組裝、等離子體刻蝕、化學(xué)氣相沉積或者納米壓印等方法［2，3］。但這些方法在大面積地制作從亞微米到數(shù)個(gè)微米區(qū)間的周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，仍然存在工藝過程復(fù)雜或者價(jià)格昂貴等諸多缺點(diǎn)［4，5］。而激光干涉光刻工藝為在材料表面大面積加工周期性的微納結(jié)構(gòu)提供了一種非常有效的方法［6］?，F(xiàn)階段大量使用的中低端光刻機(jī)的極限加工尺度為3～5 μm，而激光干涉光刻可以很容易地加工大面積的、尺度從幾百個(gè)納米到幾個(gè)微米的周期性光柵或者點(diǎn)陣等簡(jiǎn)單表面結(jié)構(gòu)。該工藝具有不用使用掩模板，可以大面積快速地加工表面納米結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在大批量生產(chǎn)時(shí)可以極大地降低成本。而這些大面積周期性表面納米結(jié)構(gòu)，由于其在光學(xué)、表面化學(xué)、生物學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出很多的優(yōu)異性能［6～8］，因此，激光干涉光刻工藝對(duì)于研究這些領(lǐng)域具有重要意義。

本文主要介紹了以勞厄干涉儀為基礎(chǔ)的激光干涉光刻（Lloyd’s-Mirror laser interference lithography）設(shè)備的開發(fā)研究工作，以波長(zhǎng)為325 nm紫外激光器為光源，通過較為簡(jiǎn)單的光路系統(tǒng)在樣品平臺(tái)形成亞微米級(jí)別干涉條紋，并利用紫外波段光刻膠（i-line photoresist）記錄所成圖像，進(jìn)而加工出表面納米圖形。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)幾種光刻膠在該工藝中的性能特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，為激光干涉光刻技術(shù)更廣闊的應(yīng)用提供了較為重要的參考。

1 激光干涉平臺(tái)的搭建

激光干涉光刻的基本原理是通過2束或者多束相干光形成亞微米或者微米級(jí)別的干涉圖形，并通過光刻膠對(duì)這些圖形進(jìn)行感光，進(jìn)而加工出表面微納結(jié)構(gòu)。

1．1 基本原理

本文中主要研究的是勞厄激光干涉光刻系統(tǒng)，其原理如圖1（a）所示，當(dāng)2束波長(zhǎng)為λ，強(qiáng)度同為I0的平面波分別以相同的入射角θ對(duì)稱地射到同一平面，該平面的光強(qiáng)分布可以寫為

式中k=2π/λ。因此，可在垂直于x軸方向的平面上形成光柵線條圖案，其周期為p，可以寫為

對(duì)于涂有光刻膠的襯底進(jìn)行一次曝光后可以形成周期性的光柵結(jié)構(gòu)。從公式（2）可以看出，光柵的周期由入射角和入射光波長(zhǎng)決定，當(dāng)入射光波長(zhǎng)一定時(shí)，入射角越小，光柵周期越大;相反，則光柵周期越小，如圖1（b）所示。如果將涂有光刻膠的樣品進(jìn)行一次曝光后，將其旋轉(zhuǎn)90°可以以同樣的條件進(jìn)行二次曝光，在理想情況下，干涉場(chǎng)內(nèi)的光強(qiáng)分布可以寫為

在分別垂直于x，y軸2個(gè)方向的光柵焦點(diǎn)上，可以得到均勻分布的點(diǎn)陣列，其中，2個(gè)方向周期均為p。而在工藝過程中，如果通過對(duì)于曝光劑量的控制，以及2次曝光設(shè)置不同參數(shù)，可以得到更為豐富的表面結(jié)構(gòu)［9，10］。

圖1 激光干涉光刻原理圖Fig 1 Principle diagram of laser interfence lithography

1．2 勞厄激光干涉光刻平臺(tái)的搭建

本文中使用勞厄干涉光刻系統(tǒng)，如圖2所示，使用325 nm波長(zhǎng)的紫外激光器作為光源，激光從激光器出射后經(jīng)過透鏡（焦距:f=5．77 mm）進(jìn)入小孔（直徑:D=10 μm），在小孔處一些雜光將被濾掉，光通過小孔后擴(kuò)束照射在樣品平臺(tái)上。在平臺(tái)處光斑可近似為相干的平面波，一部分光直接照射在襯底上，而另外一部分照射在反射鏡上，被鏡面反射到襯底上，從而與直接照射在襯底上光形成干涉，形成干涉條紋。根據(jù)公式（2），可以容易地通過旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)來改變激光的入射角和控制樣品的曝光時(shí)間，從而改變圖形的周期和所獲圖形的占空比。

圖2 激光干涉光刻光學(xué)系統(tǒng)Fig 2 Optical system of laser interference lithography

2 對(duì)表面納米結(jié)構(gòu)的加工

本工作使用波長(zhǎng)為325 nm的紫外激光器為光源，因此，在表面結(jié)構(gòu)加工中使用紫外光刻膠（i-line photoresist）用來記錄樣品平臺(tái)上的干涉條紋。根據(jù)干涉光刻理論和光刻膠在曝光中性質(zhì)，可以通過在一次曝光后旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行2次曝光、改變?nèi)肷浣墙嵌群涂刂乒に囘^程中的曝光劑量來完成不同周期（period）和不同占空比（duty-cycle）的表面納米結(jié)構(gòu)制作，這種工藝不僅可以得到簡(jiǎn)單的光柵結(jié)構(gòu)，而且可以得到更為復(fù)雜的二維結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)包括圓形點(diǎn)陣（線陣）、方形點(diǎn)陣（線陣）、周期性珠簾結(jié)構(gòu)等。

2．1 表面納米結(jié)構(gòu)加工

2．1．1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)中，用蘇州瑞紅RZJ—304正性光刻膠來研究不同表面納米結(jié)構(gòu)的制作。使用半導(dǎo)體工藝標(biāo)準(zhǔn)清洗流程對(duì)硅片進(jìn)行清洗，以確保其表面的清潔。再將光刻膠旋涂在清洗好的硅片上（8000rpm，40s）得到厚度約700nm的光刻膠薄膜。之后，將硅片放置在熱板上進(jìn)行前烘以使光刻膠中的溶劑揮發(fā)（90℃，15 min）。在曝光過程中，將硅片放置在干涉光刻儀中的樣品平臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的角度來控制入射角度，進(jìn)而對(duì)樣品進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間會(huì)根據(jù)入射角度的變化和加工不同表面結(jié)構(gòu)而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，例如:在制作周期為1500 nm的光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，入射角為6．2°，曝光劑量為2．7 mJ。在加工二維周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將每次曝光劑量減為總曝光劑量的50%，這樣經(jīng)過2次曝光后，可以在樣品表面形成二維結(jié)構(gòu)，例如:在加工周期為2 μm二維點(diǎn)陣樣品時(shí)，單次曝光劑量約為1．3 mJ。樣品曝光后使用 RZJ—3038（蘇州瑞紅）顯影液對(duì)其顯影（30～60 s），之后再用去離子水沖洗干凈后，將樣品放在熱板上進(jìn)行堅(jiān)膜（110℃，15 min）。這樣，就可以得到相應(yīng)的表面納米結(jié)構(gòu)。

2．1．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

在激光干涉光刻工藝中，曝光過程是決定樣品形貌與質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)于正性光刻膠來講，在曝光劑量達(dá)到閾值后，占空比隨著曝光劑量的增加而減小，因此，可以通過對(duì)曝光劑量的控制達(dá)到加工不同占空比的結(jié)構(gòu)。圖3為使用激光干涉光刻工藝加工的表面納米結(jié)構(gòu)的光鏡照片，圖3（a）所示的光柵結(jié)構(gòu)可以通過控制曝光劑量獲得不同粗細(xì)的線條寬度。而通過控制二次曝光工藝的曝光劑量，這可以加工豐富的二維陣列表面納米結(jié)構(gòu)，如圖3（b），（c），（d）所示。圖3（b）所示的二維點(diǎn)陣納米圖形使用的曝光劑量較大，而圖3（c）二維方形格子結(jié)構(gòu)則是通過減少2次曝光時(shí)間得到的，圖3（d）顯示的二維珠簾結(jié)構(gòu)則是通過使用2次不同的曝光劑量得到的。

通過對(duì)曝光劑量的控制，不僅可以得到豐富的二維表面結(jié)構(gòu)，而且可以得到許多不同的結(jié)構(gòu)形貌，如圖4所示。在二維結(jié)構(gòu)的加工中，較大的曝光劑量可以得到針尖形的表面形貌，如圖4（b），（c）所示;而較小的曝光劑量可以得到二位波浪形的表面形貌，如圖4（d）所示。這些特殊結(jié)構(gòu)具有很多新穎的界面和光學(xué)特性，具有很高的科研和應(yīng)用價(jià)值，因此，激光干涉光刻由于其簡(jiǎn)單的操作方法和無掩模特征，在表面納米結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2．2 干涉光刻工藝中對(duì)4種光刻膠性能對(duì)比

2．2．1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

激光干涉光刻對(duì)于光刻膠的要求較為嚴(yán)格。首先，光刻膠薄膜要較?。ǎ?00 nm），有較高的分辨率（＜500 nm）以及較短的感光時(shí)間，并且在曝光過程中有著較大的曝光劑量允許度（即工藝窗口），最后，要有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性。因此，為了更好地進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)加工，本文對(duì)4種紫外光刻膠進(jìn)行了研究，分別是SU—8 2000．5和 Futurex NR71—250P負(fù)性光刻膠以及Futurex PR1—500A和蘇州瑞紅RZJ—304正性光刻膠。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 4種光刻膠在干涉光刻工藝中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab 1 Experimental parameters of four kinds of photoresists in interference lithography process

2．2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

通過對(duì)于4種光刻膠在干涉光刻工藝中的性能表現(xiàn)，如圖5所示，在不同尺度不同結(jié)構(gòu)的表面納米圖形的加工中表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，總結(jié)出這4種光刻膠的特點(diǎn)如下:

SU—8 2000．5+thinner（1∶3）:SU—8 具有較高的光學(xué)敏感性和光學(xué)分辨率，在工藝過程中使用稀釋液（thinner）可以將光刻膠層厚度降低到100 nm左右，這非常有利于表面納米結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量，因此，在小周期表面結(jié)構(gòu)（300～500 nm）加工中表現(xiàn)出較高的精度。但由于該光刻膠的光學(xué)敏感性太強(qiáng)，致使在加工中工藝窗口較小，對(duì)于曝光劑量控制要求較為嚴(yán)格，對(duì)于工藝參數(shù)要求過于精準(zhǔn)，因此，在加工過程中成品率較低。

Futurex NR71—250P:這種光刻膠由于其較低的粘度可以在襯底表面制作低于100 nm厚度的光刻膠層，并且由于其在保證較高的光學(xué)分辨率的前提下有著較大的工藝窗口，因此，可以使用較廣范圍的曝光劑量，從而更加有利于加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)。該光刻膠在300 nm～3 μm區(qū)間的納米結(jié)構(gòu)加工中均表現(xiàn)出較高的分辨率，具有成品率高，樣品質(zhì)量較好的特點(diǎn)。

圖5 干涉光刻工藝使用4種光刻膠加工光柵結(jié)構(gòu)的結(jié)果對(duì)比Fig 5 Comparison of results of grating structure fabricated by inteference lithography process with four kinds of different photoresist

Futurex PR1—500A:這種光刻膠粘度較低，可以在襯底上制作較小厚度的光刻膠層（～200 nm）。但是由于其光學(xué)敏感性較低，感光時(shí)間較長(zhǎng)，在工藝過程中，需要較大的曝光時(shí)間（5～10 min），這對(duì)于加工數(shù)百納米尺度表面結(jié)構(gòu)會(huì)有較大不利影響。在實(shí)驗(yàn)過程中使用，盡管這種光刻膠在小尺度（＜500 nm）納米結(jié)構(gòu)加工中表現(xiàn)出較好的分辨率，但由于其較長(zhǎng)的曝光時(shí)間，并不適合大批量加工樣品。

RZJ—304:此光刻膠由于其較高的粘度，從而在旋涂時(shí)獲得的光刻膠層較厚（＞700 nm）。在工藝過程中，在小尺度（＜500 nm）周期樣品加工時(shí)精度較低，但在較大尺度（500 nm～3 μm）表面結(jié)構(gòu)加工中表現(xiàn)良好，并且該光刻膠具有感光時(shí)間短和工藝窗口較大的特點(diǎn)。因此，盡管這種光刻膠穩(wěn)定性較差，圖形結(jié)構(gòu)無法長(zhǎng)時(shí)間保存，但是由于這種國(guó)產(chǎn)RZJ—304較為低廉的價(jià)格和相對(duì)穩(wěn)定的性能，比較適合大批量加工樣品。

通過對(duì)于4種光刻膠在干涉光刻工藝中性能的對(duì)比，可以總結(jié)出:在小尺度表面納米結(jié)構(gòu)加工中Futurex NR71—250P作為一種性能優(yōu)異的負(fù)性光刻膠，以其較高的分辨率和較好的加工質(zhì)量，可以滿足激光干涉光刻對(duì)于光刻膠的苛刻要求。盡管SU—8光刻膠擁有較高的分辨率，但由于其過于敏感的感光性質(zhì)，并不滿足干涉光刻大批量加工的需求。對(duì)于正膠來講，盡管Futurex PR1—500A過長(zhǎng)的曝光時(shí)間使其不適合大批量加工樣品，但由于其在小尺度時(shí)較高的精度，在小尺度結(jié)構(gòu)加工時(shí)仍可使用。而蘇州瑞紅RZJ—304膠，由于其較為穩(wěn)定的的性能和低廉的價(jià)格，在大批量加工時(shí)有著較大優(yōu)勢(shì)。因此，在使用干涉光刻平臺(tái)加工表面結(jié)構(gòu)時(shí)，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)和這幾種光刻膠的特點(diǎn)可以靈活選用。

3 結(jié)論

本文完成對(duì)激光干涉光刻設(shè)備的搭建和工藝研究，研究了激光干涉光刻工藝在表面納米結(jié)構(gòu)加工中的應(yīng)用，并且通過對(duì)比4種不同性質(zhì)光刻膠在工藝過程中的性能，完善了以勞厄激光干涉光刻平臺(tái)的工藝過程。激光干涉光刻平臺(tái)作為一種無需掩模版，操作簡(jiǎn)單的加工平臺(tái)，在加工大面積、高質(zhì)量、高效率加工亞微米和微米級(jí)別的表面結(jié)構(gòu)時(shí)，擁有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，通過對(duì)激光干涉光刻平臺(tái)的更加深入的研究，可以加工出更為豐富的表面結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在材料表面處理，生物檢測(cè)，自組裝研究等領(lǐng)域有著非常重要的研究?jī)r(jià)值。該工藝為激光干涉光刻加工納米結(jié)構(gòu)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］ Xia D，Ku Z，Lee S C，et al．Nanostructures and functional materials fabricated by interferometric lithography［J］．Advanced Materials，2011，23（2）:147 －179．

［2］ Matsui S，Kaito T，F(xiàn)ujita J，et al．Three-dimensional nanostructure fabrication by focused-ion-beam chemical vapor deposition［J］．Journal of Vacuum Science＆Technology B:Microelectronics and Nanometer Structures，2000，18（6）:3181 －3184．

［3］ Hamley I W．Nanostructure fabrication using block copolymers［J］．Nanotechnology，2003，14（10）:R39．

［4］ Zheng J，Yang R，Xie L，et al．Plasma-assisted approaches in inorganic nanostructure fabrication［J］．Advanced Materials，2010，22（13）:1451－1473．

［5］ Liu P，Cui H，Wang C X，et al．From nanocrystal synthesis to functional nanostructure fabrication:Laser ablation in liquid［J］．Phys Chem Chem Phys，2010，12（16）:3942 －3952．

［6］ Du K，Wathuthanthri I，Mao W，et al．Large-area pattern transfer of metallic nanostructures on glass substrates via interference lithography［J］．Nanotechnology，2011，22（28）:285 －306．

［7］ Menezes J W，F(xiàn)erreira J，Santos M J，et al．Large-area fabrication of periodic arrays of nanoholes in metal films and their application in biosensing and plasmonic-enhanced photovoltaics［J］．Advanced Functional Materials，2010，20（22）:3918 －3924．

［8］ Ni X，Liu Z，Boltasseva A，et al．The validation of the parallel three-dimensional solver for analysis of optical plasmonic bi-periodic multilayer nanostructures［J］．Applied Physics A:Materials Science ＆ Processing，2010，100（2）:365 －374．

［9］ 張 錦，馮伯儒，郭永康，等．用于大面積周期性圖形制造的激光干涉光刻［J］．光電工程，2001，28（6）:20 －23．

［10］ Lü H，Zhao Q，Zhang Q，et al．Fabrication of two-dimensional superposed microstructure by interference lithography［J］．Applied Optics，2011，51（3）:302 －305．