CN101424880A - 利用微纳光纤进行直写光刻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳光纤直写光刻的方法，该方法首先用蓝光单模光纤制备微纳光纤；然后在基片上涂敷一层光刻胶并将此基片固定在六维电控工作台上，通过双显微镜观察法使微纳光纤与基片对准后；给蓝光单模光纤通光，控制放置基片的六维电控工作台移动，使微纳光纤在基片上曝光出所需要的图形，显影、定影、后烘。本发明利用微纳光纤进行直写光刻的方法可以获得突破衍射极限的加工分辨率，弥补了传统激光直写的一大缺憾；方法简单，成本低廉，便于普及推广。

Description

利用微纳光纤进行直写光刻的方法

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，尤其涉及一种利用微纳光纤进行直写光刻的方法。

背景技术

现在科技的发展对微米级别尤其是亚微米级别的加工技术有迫切的需要，比如集成电路的制造、微纳光子学器件的制造、高密度存储设备的制造、MEMS器件的制造。

目前的几种微纳加工技术有各自的优势，但是也都不可避免的存在不足之处。目前集成电路所用的光刻工艺虽然能加工出几十纳米的特征尺寸，但是它主要是靠不断的减小曝光光源的波长来提高分辨率，这对光源以及整个光学系统提出了极高的要求，这种技术需要极大的资金投入，所以主要掌握在少数的国际大公司手里。激光直写是一种简单灵活的加工方法，但是主要受衍射极限的限制，分辨率很难达到1微米以下。电子束直写虽然分辨率高但是需要购买昂贵的电子束曝光设备，电子束曝光的步骤相对比较繁琐，另外它的曝光范围也被限制在一个很小的区域内。

发明内容

本发明的目的是针对激光直写方法分辨率低的不足，提供一种微纳光纤直写光刻的方法，该方法能实现特征线宽小于500纳米的图形的制作。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种利用微纳光纤进行直写光刻的方法，微纳光纤直写光刻的装置包括He-Ge激光器、电子快门、光纤耦合装置、蓝光单模光纤、微纳光纤固定装置、基片、六维电控工作台、第一显微镜、第二显微镜和计算机；该方法包括以下步骤：

(1)用蓝光单模光纤制备微纳光纤；

(2)在基片上涂敷一层光刻胶；

(3)将涂敷了一层光刻胶的基片固定在六维电控工作台上，通过双显微镜观察法使微纳光纤与基片对准；

(4)给蓝光单模光纤通光，控制放置基片的六维电控工作台移动，使微纳光纤在基片上曝光出所需要的图形；

(5)显影、定影、后烘。

本发明的有益效果是：本发明利用微纳光纤进行直写光刻的方法可以获得突破衍射极限的加工分辨率，弥补了传统激光直写的一大缺憾。另外它还具有方法简单，成本低廉的优势，即便在小规模的科研院所和公司企业也可以普及推广。此方法可以制作的对象也是多种多样的，例如微纳结构的光学器件，集成电路，高密度存储设备等等，这些都是当今高产值的产业。此方法采用直接写入的方式，可以灵活加工所设计的图形，无需制作掩模板，简化了工艺，降低了成本，缩短了器件制作周期，此外它也可以作为一种掩模板的制作方法，利于已定型产品的大规模生产。

附图说明

图1是微纳光纤直写光刻装置的结构示意图。

图2是微纳光纤熔融拉伸的步骤过程示意图；

图3是微纳光纤湿法刻蚀的步骤过程示意图；

图4是微纳光纤与基片对准装置的原理图。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

微纳光纤是近几年出现的一个新兴的技术领域，受到了广泛的关注。微纳光纤的特点是对光极强的约束能力、低的光传输损耗、高比例的倏逝场分量、显著的场增强作用、大的波导色散等。这些特点使得微纳光纤有很大应用空间，比如说可以直接把它制作成各种微纳光子学器件。微纳光纤应用在微纳加工技术领域无疑也具有很大优势，比如它对光极强的约束能力可以把传输光束的直径限制得比激光直写的聚焦光斑还要小，他有很高比例的倏逝场分量，可以把较高的能量耦合到光刻胶层。另外，微纳光纤的制备也是非常方便的。所以本发明利用微纳光纤进行直写光刻的方法具有很强的普适性。

如图1所示，微纳光纤直写光刻的装置包括He-Ge激光器1、电子快门2、光纤耦合装置3、蓝光单模光纤4、微纳光纤固定装置5、基片6、六维电控工作台7、第一显微镜8、第二显微镜9和计算机10。其中，He-Ge激光器1作为曝光光源给系统提供波长442纳米的激光；电子快门2控制激光束的通断；光纤耦合装置3由一个20倍显微物镜和一个五维调节架组成，将激光束聚焦耦合到蓝光单模光纤4中；蓝光单模光纤4的一端通过本发明方法的步骤(1)制备成光刻用微纳光纤4；微纳光纤4固定装置5固定微纳光纤，它是一种磁性夹具；基片6按照本发明方法的步骤(2)涂好光刻胶；六维电控工作台7用来放置基片6并控制基片6运动使得微纳光纤在基片6上写出图形；第一显微镜8和第二显微镜9的光轴垂直固定，组成微纳光纤和基片6的对准装置，它们从侧面倾斜对准基片6，并且自带CCD，可将获取的图像传给计算机10；计算机10控制电子快门2的开合和六维电控工作台7的运动。光束的通断和基片6的运动二者相配合就可以使微纳光纤4在基片6的光刻胶层上曝光出预先设计的图案。

具体地，本发明利用微纳光纤进行直写光刻的方法，包括以下步骤：

1.将蓝光单模光纤4的一端制备形成微纳光纤

所述光刻用微纳光纤4的制备包括热熔拉伸和湿法刻蚀两个步骤。

如图2所示为光刻用微纳光纤的制备方法的第一个步骤——热熔拉伸。首先将蓝光单模光纤4一端剥去保护层，然后用酒精清洁干净，将其置于酒精灯火焰的外焰加热，在其熔化的过程中，手工拉伸光纤两端，此时施力应是由慢转快，直至拉断，保证拉出的锥不能太长，但要尽量尖锐。

如图3所示为光刻用微纳光纤的制备方法的第二个步骤——湿法刻蚀。首先由氢氟酸，氟化氨和去离子水配制氢氟酸溶液，其中，氢氟酸，氟化氨和去离子水的质量配比为3：6：9。将配制好的氢氟酸溶液滴在塑料基片11上，因为有表面张力，所以塑料基片11上会形成一个稳定的氢氟酸液滴12。将这一塑料基片11放置在显微镜物镜13下，然后将第一步拉伸好的光纤4从侧面缓慢插入氢氟酸液滴12。对显微镜调焦，观察到清晰的液滴中的光纤4，观察其刻蚀过程，待光纤被刻蚀到直径为400～600纳米时取出，并用去离子水洗净，蓝光单模光纤的这一端就已经制备成微纳光纤，可将其固定在直写装置上。

2.在基片上涂敷一层光刻胶

基片6为平整洁净粗糙度极小的基片如SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、CaO、Si、Ge、GaAs、GaN、GaP、GaSb、AlAs、InAs、InP、InSb、SiC、ZnO、ZnS、CdS、CdTe、金刚石。光刻胶层为高度稀释的普通正性光刻胶，光刻胶旋涂的转速在2500转/分钟以上，最后所得到的胶层厚度控制在为100～500纳米，远薄于传统光刻工艺的胶层。之所以使用薄胶层进行微纳光纤直写光刻，是因为微纳光纤4的倏逝场在耦合到光刻胶后的穿透能力有限，太厚的胶会导致线条边沿的质量下降。

3.将基片固定在直写装置的六维电控工作台上，用双显微镜观察法来使微纳光纤与基片对准

图4是微纳光纤与基片对准装置的原理图。光刻用的微纳光纤4由固定装置5固定在待曝光的基片。固定两个监控显微镜8和9时要使他们的光轴相互垂直，并且显微物镜倾斜对准工作台表面，两个监控显微镜8和9获取的图像被显微镜中的CCD(图中未示出)接收，并在计算机10显示。微纳光纤4头部的一段是与基片光刻胶相接触的，所以我们需要确定这一段光纤在基片上摆放的朝向。测量两组显微镜图像中接触段微纳光纤4的长度，按照坐标轴投影原理就可计算出微纳光纤4在基片上摆放的角度。

4.给光纤通光，控制放置基片的电控工作台移动，使微纳光纤在基片上曝光出所需要的图形；

5.显影、定影、后烘。

所述显影的时间应该控制在大约半分钟，因为光刻胶层是非常薄的。显影后立即将基片放入去离子水中冲洗，完成定影。最后将基片放入120摄氏度烘箱，后烘20分钟。

Claims (5)

1.一种利用微纳光纤进行直写光刻的方法，微纳光纤直写光刻的装置包括He-Ge激光器、电子快门、光纤耦合装置、蓝光单模光纤、微纳光纤固定装置、基片、六维电控工作台、第一显微镜、第二显微镜和计算机。其特征在于，包括以下步骤：

(1)将蓝光单模光纤的一端制备形成微纳光纤。

(2)在基片上涂敷一层光刻胶。

(3)将涂敷了一层光刻胶的基片固定在六维电控工作台上，通过双显微镜观察法使微纳光纤与基片对准。

(4)给蓝光单模光纤通光，控制放置基片的六维电控工作台移动，使微纳光纤在基片上曝光出所需要的图形；

(5)显影、定影、后烘。

2.根据权利要求1所述的利用微纳光纤进行直写光刻的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括热熔拉伸和湿法刻蚀两个步骤。

3.根据权利要求2所述的利用微纳光纤进行直写光刻的方法，其特征在于，所述热熔拉伸具体为：将蓝光单模光纤一端剥去保护层，然后用酒精清洁干净，将其置于酒精灯火焰的外焰加热，在其熔化的过程中，手工拉伸光纤两端直至拉断。

4.根据权利要求2所述的利用微纳光纤进行直写光刻的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀具体为：取氢氟酸，氟化氨和去离子水，按照质量配比氢氟酸∶氟化氨∶去离子水＝3∶6∶9配制氢氟酸溶液，将配制好的氢氟酸溶液滴在塑料基片上形成氢氟酸液滴；将塑料基片放置在显微镜物镜下，将经过热熔拉伸的蓝光单模光纤从侧面缓慢插入氢氟酸液滴中刻蚀。通过显微镜观察刻蚀过程，待蓝光单模光纤被刻蚀到直径为400～600纳米时取出，用去离子水洗净，得到微纳光纤。

5.根据权利要求1所述的利用微纳光纤进行直写光刻的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述光刻胶的厚度为100～500纳米。

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