CN101935014B - 一种基于激光直写金属薄膜线性可控制备纳米点阵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于激光直写金属薄膜可控制备纳米点阵的方法，其包括采用在衬底上沉积金属膜层，膜厚控制在5nm～200nm；使用激光直写系统，经过系统光路聚焦，在沉积得到的金属膜层上进行刻写；充分利用激光光束的高斯分布特性和膜层材料与激光光束作用时的非线性特征，优化膜层厚度和刻写激光的脉宽和离焦量，改变刻写功率，从而实现大面积纳米点阵的制备。本发明的方法制备的纳米点阵具有分辨率可达20nm，同时刻写功率与点阵孔径线性可控的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光直写制备薄膜点阵结构的方法，特别是涉及一种利用激光直写技术在金属薄膜上，完全线性可控制备低于衍射极限的纳米点阵的方法。
背景技术
薄膜的微纳点阵结构在半导体微电子领域和超高密度存储以及其他光电器件领域有着广阔的应用前景。随着半导体工业的飞速发展，器件特征尺寸不断减小，为了提高光学曝光的分辨率，人们通过采用缩短激光波长和增大NA的方法以获取更小的光刻分辨率。但是由于受衍射极限R＝0.61λ/NA的限制(R是分辨距离，λ是所用激光的波长，NA是透镜的数值孔径)，曝光分辨率很难有大幅度提高。为此，人们开发了其他一些光学曝光手段。1992年，美国贝尔实验室的E.Betzig等人将近场光学显微技术(SNOM)成功引入光存储技术领域，实现了约60nm的分辨率(见E.Betzig，Trautman J K，Wolfe R，et al.Appl.Phys.Lett.，1992，61(2)：142-144.)，但是运用SNOM技术势必面临着设备复杂，刻写速度慢等缺点。1998年，日本的J.Tominaga博士提出了一种利用超分辨近场结构(Super-RENS)实现高分辨率刻写的技术(见Tominaga J，Nakano T and Atoda N.Appl.Phys.Lett.，1998，73，2078)，此种技术可以在记录层上写入或读出小于光学衍射极限的记录点，被认为是光学储存技术的一大突破。近几年，MasashiKuwahara等人，先后利用热光刻(thermal lithography)的方法，在传统光盘驱动系统设备上，成功制备出170nm和100nm的点阵列，并提出该方法可能在光盘的数据存储以及超分辨纳米技工领域有广阔的应用前景(见Kazuma Kurihara，Takashi Nakano，et al.Microelectronic Engineering 85(2008)1197-1201)，然而这种方法制备的高分辨结构的边缘相对粗糙，点阵均一性仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述已有技术存在的缺陷；从而提供一种利用激光直写技术在金属薄膜上，完全线性可控制备纳米点阵；该方法是利用激光光束的高斯分布特性，选择合适的材料体系，利用膜层材料与激光束作用时的非线性特征，优化膜层厚度和刻写激光的脉宽和离焦量，改变刻写功率，从而实现尺度在20nm到800nm可控的纳米点阵的制备；该方法不仅得到的点阵孔径分辨率大大提高，而且采用的刻写设备和膜层体系也简单实用。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供的基于激光直写金属薄膜线性可控制备纳米点阵的方法，包括以下步骤：
1)衬底清洗，将衬底顺序浸于常规有机溶剂中，进行超声清洗；清洗完将衬底进行烘干处理；
2)沉积薄膜，采用薄膜制备工艺，在所述衬底材料表面制备一层金属薄膜，所述金属薄膜厚度为5nm～200nm；
3)激光直写，使用激光直写系统，经过系统光路聚焦，在步骤1)沉积得到的金属薄膜表面进行激光刻写；所述的激光刻写条件如下：
采用激光波长为193nm～1200nm；
通过声光调制器控制，选择激光刻写功率在1mw～100mw；
通过声光调制器调制输出激光刻写脉宽在70ns～1ms；
使得激光光束与膜层作用在材料的烧熔阈值范围内，实现预设点阵的制备，得到点阵孔径在20nm～800nm，最高分辨率达20nm；实现刻写孔径与刻写功率线性可调。
在上述技术方案中，所述的衬底材料为普通玻璃、石英或硅；选择这些材料为衬底的原因是：玻璃、石英或硅基底被广泛应用于微电子和微纳光学领域。
在上述技术方案中，所述薄膜制备工艺可采用磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀等方法。
在上述技术方案中，所述的金属膜层材料可以是Al或Ti。
本发明的基于激光直写金属薄膜可控制备纳米点阵的方法，其实质是利用激光光束的高斯分布特性，选择合适的材料体系，利用膜层材料与激光束作用时的非线性特征，根据不同金属膜层材料、膜厚以及刻写功率和脉宽，选择最佳离焦量，使得激光光束与膜层作用在材料的烧熔阈值范围内，实现预设点阵的制备；从而实现尺度可控的纳米点阵制备，其中点阵孔径大小与所用衬底、金属薄膜的种类和厚度，以及刻写激光的波长、功率、脉宽等密切相关。
本发明的优点在于：
1、本发明利用了激光直写热光刻法，在激光直写系统中，刻写金属薄膜，制备纳米点阵，具有工艺简单、效率高的特点；
2、本发明采用的金属材料属常见金属铝或钛，衬底材料为微电子和微纳光学领域中常用衬底材料：玻璃、石英或硅；
3、本发明中金属薄膜可采用磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀等方法制备，镀膜方法简单多样；
4、本发明采用具有特定非线性特征的铝或钛的金属膜层，并选择了该铝或钛的金属薄膜具有合适厚度，利用激光直写技术时，根据金属膜层的种类和厚度，通过调制声光调制器输出激光刻写的功率和脉宽，根据选用特定厚度的钛薄膜以及刻写功率和脉宽，优化离焦量，使得激光光束与膜层作用在材料的烧熔阈值范围内，实现预设点阵的制备；能够实现点阵孔径在20nm～800nm，最高分辨率达20nm，远低于衍射极限。
5、本发明利用激光直写设备，在优化刻写工艺参数前提下，能够实现小孔直径与刻写功率成线性关系，且能可控制备出大面积超分辨孔阵列。
附图说明
图1为本发明的激光直写金属薄膜线性可控制备纳米点阵方法的示意图；
图2(a)为采用实施例1的方法，用SEM观察到的结果，其中，图中对应刻写功率从右向左依次为17mw、16mw、15mw、14mw、13mw、12mw、11mw、10mw，脉宽为200ns的激光刻写40nm Ti薄膜制备的纳米孔阵列图片；
图2(b)为图2(a)中一个10mw刻写点的放大图；
图3为采用实施例1的方法，激光刻写功率17mw-10mw，激光刻写脉宽200ns的激光刻写40nm Ti薄膜时，刻写激光功率与刻写孔径的对应线性关系图。
图面说明如下：
1-衬底 2-金属膜层 3-曝光光源
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下述实施例，应包括权利要求中的全部内容。
本发明中的金属膜层的金属种类(如钛、铝等)都具有相同的作用，其所述步骤中使用不同衬底材料(普通玻璃、石英或硅)、不同激光波长以及不同激光脉宽，所对应制作纳米点阵的工艺过程相同，因此本发明中给出一个实施例，其它实施方式与该实施方式完全相似。
本实施例的具体步骤如下：
1)衬底清洗，将衬底1顺序浸于分析纯丙酮、分析纯酒精和去离子水中，分别进行超声清洗10分钟，水温40℃，超声功率为90％；清洗完将衬底进行烘干处理，烘烤温度为120℃，烘烤时间为120分钟，真空度5×103Pa；
2)沉积金属薄膜，采用电子束蒸发镀膜法，在0.5mm厚的普通玻璃衬底上，蒸镀40nm厚Ti金属膜层2；其中，采用电子束蒸发法的工作条件：气压为1.9×10-4Pa，电流为30mA，蒸发速率为
蒸发过程不对基底加热；
3)激光直写，在激光直写设备中，曝光光源3选用钕离子激光器发出的连续激光，波长为532.8nm，最大输出功率为2W，通过声光调制器调制为脉冲激光进行激光直写；出射平行光束被声光调制器调制后，令1级调制光通过小孔经过偏振分光镜、1/4波片后成为圆偏振光，经扩束镜扩束后射向光谱分光镜。光谱分光镜对于532.8nm激光具有高反射率，而对于辅助聚焦用的675nm波长激光具有高透射率；被光谱分光镜反射的光束透过显微物镜会聚在样品的光敏感层上，金属膜层2(光敏感层)反射的532.8nm波长光束经过物镜、光谱分光镜、扩束镜和1/4波片后，成为线偏振光，且偏振方向与激光器的出射光的偏振方向成90度角，故被偏振分光镜反射后不再返回激光器。显微物镜固定在可沿Z轴(平行光路方向)运动的纳米位移台上，纳米位移台用来调节物镜和样品之间的距离，确保激光会聚点始终落在样品的光敏感层上；样品由计算机操纵的移动平台控制，焦点光斑大约1μm，同时用声光调制器控制刻写激光的通断，并调整脉宽，从而在样品上刻写预设条件的点阵。具体参数如下：
通过声光调制器控制，选择刻写功率在10mw～17mw；
通过声光调制器控制，选择刻写脉宽在200ns；
预设点阵设计为，相同功率的点间距为1μm，相邻功率(如17mw与16mw)的点阵间距为5μm；
根据选用的40nm厚的钛薄膜以及刻写功率和脉宽，优化离焦量为0.77FES。得到点阵孔径在40nm～350nm，最高分辨率达40nm，远低于衍射极限。
用SEM观察刻写区域，可观察到如图2所示的纳米点阵。且在固定脉宽下，小孔尺寸与刻写激光功率呈线性关系，如图3所示。
本实施例采用激光直写设备(见范永涛，徐文东.模块化的激光直刻装置申请号：200720072320.3)能够在单层金属薄膜上实现纳米点阵的可控制备，最高分辨率远低于衍射极限，克服了已有方法中设备和膜层体系相对复杂，以及刻写点阵均一性较差等缺点，在高密度存储和纳米加工应用上有广阔应用前景。
Claims (5)
1.一种基于激光直写金属薄膜可控制备纳米点阵的方法，包括以下步骤：
1）衬底清洗，将衬底顺序浸于常规有机溶剂中，进行超声清洗；清洗完将衬底进行烘干处理；
2）沉积薄膜，采用镀膜工艺，在所述衬底材料表面制备一层金属薄膜，所述金属薄膜厚度为40nm；
3）激光直写，使用激光直写系统，经过系统光路聚焦，在步骤2）沉积得到的金属薄膜表面进行激光刻写；所述的激光刻写条件如下：
采用激光波长为532.8nm；
通过声光调制器控制，选择激光刻写功率在10mw～17mw；
通过声光调制器控制，选择激光刻写脉宽在200ns；
选择离焦量，使得激光光束与膜层作用在材料的烧熔阈值范围内，实现孔径40nm～350nm的点阵的制备，最高分辨率达40nm；实现刻写孔径与刻写功率线性可调。
2.根据权利要求1所述的基于激光直写金属薄膜可控制备纳米点阵的方法，其特征在于，所述的衬底为普通玻璃、石英玻璃或硅基底。
3.根据权利要求1所述的基于激光直写金属薄膜可控制备纳米点阵的方法，其特征在于，所述的金属薄膜为铝或钛薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于激光直写金属薄膜可控制备纳米点阵的方法，其特征在于，所述的镀膜工艺为磁控溅射、热蒸镀或电子束蒸镀方法。
5.根据权利要求1所述的基于激光直写金属薄膜可控制备纳米点阵的方法，其特征在于，所述的激光为连续激光，通过声光调制器调制为脉冲激光，进行激光直写。
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