CN102636958A - 提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构及其制备方法 - Google Patents

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李豪
耿永友
吴谊群
魏劲松
王阳
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Abstract

一种提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构及其制备方法，该薄膜结构包括沉积在玻璃基片上的热传导薄膜层和激光热刻蚀薄膜层。该薄膜结构采用磁控溅射法制备，本发明的薄膜结构具有膜层结构简单，制备工艺参数可控性好，重复性高，基片要求低等优点。可以有效提高激光热刻蚀图形的分辨率。

Description

提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光热刻蚀，具体涉及一种提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构及其制备方法。
背景技术
激光热刻蚀技术是2002年由日本的M. Kuwahara等人提出（参考文献：[1] M. Kuwahara, J. M. Li, C. Mihalcea, N. Atoda, J. Tominaga, L. P. Shi, Jpn. J. Appl. Phys. 2002; 41, L1022-L1024.），该技术主要利用激光热刻蚀材料的热变化阈值效应制备高分辨微纳光刻图形。首先利用高斯激光束直接辐照激光热刻蚀薄膜，热刻蚀薄膜吸收光子后产生热效应引起热刻蚀薄膜的物理或化学性质发生变化，最终实现在显影液中选择性显影。该技术具有光刻装置成本低，控制容易，刻蚀工艺简单、制造成本低等优势。目前主要用于以下几个方面：制造高密度光盘母盘；制造微纳光刻图形或纳米压印的模板；制造微纳光学、光子学器件；制备LED器件或太阳能薄膜表面阵列结构增强其发光效率或光电转换效率。（参考文献：[2] K. Yusu, R. Yamamoto, M. Matsumaru, N. Nakamura, S. Katsuda, Jpn. J. Appl. Phys. 2009; 48, o3A068. [3]T. Mori, Jpn. J. Appl. Phys. 2009; 48, 010221. [4] T. Shinagawa, Y. Abe, H. Matsumoto, B. C. Li, K. Murakami, N. Okada, K. Tadatomo, M. Kannaka, H. Fujii, Phys. Status Solidi C 2010, 7, 2165-2167）随着信息技术的不断发展，也越来越要求制备出具有较高分辨率的微纳图形结构。为了满足激光热刻蚀技术在实际应用中的需求，在利用激光热刻蚀材料本身的热变化阈值效应制备微纳图形结构的基础上，如何进一步提高激光热刻蚀图形的分辨率的一个很重要的问题。一般的方法是通过缩小激光作用波长和增大物镜数值孔径来提高制备得到的微纳结构的分辨率。但是随着激光波长的缩短和数值孔径的增大，分辨率提高的也十分有限，并且相匹配的光刻系统的制造成本及技术难度也相应增加，使其在实际应用中受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构及其制备方法，该薄膜结构具有膜层结构简单，制备工艺参数可控性好，重复性高，基片要求低等优点。可以有效提高激光热刻蚀图形的分辨率。
本发明技术解决方案如下：
一种提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构，该薄膜结构包括沉积在玻璃基片上的热传导薄膜和激光热刻蚀薄膜，所述的激光热刻蚀薄膜由厚度50~200nm的相变型激光热刻蚀薄膜构成，所述的热传导薄膜由厚度为100~500nm的热导率高于148 W/mK的金属或半导体单质构成，所述的基片为厚度0.5~5mm的玻璃片。
所述的提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构的制备方法，包括下列步骤：
①将所述的玻璃基片先后经去离子水浸泡超声清洗和无水乙醇超声清洗两次，每次10分钟，用纯度99.9%的高压氮气吹干，置于干燥器中备用；
②将所述的玻璃基片固定在磁控溅射仪的基片托上，然后把基片托夹持在磁控溅射仪真空腔里的基片座上，然后关闭真空腔盖开始抽真空，当溅射腔内的本底真空度优于3×10-4Pa时，通氩气，通过气体流量计控制氩气的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀使工作气压维持在0.75-0.85Pa；
③采用直流溅射法在所述的玻璃基片上制备所述的热传导薄膜层；
④采用射频溅射法在所述的热传导薄膜层上制备热刻蚀薄膜层。
本发明利用在激光热刻蚀薄膜的下层添加一热传导层来改变激光热刻蚀薄膜内部的温度场分布，从而可以有效提高激光热刻蚀的分辨率。其原理是：对于单层的激光热刻蚀膜层，当激光作用热刻蚀薄膜之后，膜层内的热量主要沿横向扩散；当在激光热刻蚀膜层下插入热导率高的热传导层后，由于热传导材料的热导率大于激光热刻蚀薄膜，使得原本在热刻蚀膜层内主要沿横向扩散的热量转变为主要沿纵向传导并扩散，即有效减小了热刻蚀膜层内的横向热量扩散，也即是减小了激光热刻蚀材料在激光作用后的有效热变化阈值的尺寸，从而可以提高激光热刻蚀的分辨率。
本发明的技术效果：
本发明利用热传导率高的热传导层改变激光法热刻蚀薄膜内部的热量扩散方向，而有效提高激光热刻蚀图形的分辨率。
附图说明
图1是本发明提出的含有热传导层的热光热刻蚀薄膜结构示意图。
图2 是无热传导层的激光热刻蚀薄膜结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，由图可见，本发明提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构，沉积在玻璃基片3上的热传导薄膜层2和激光热刻蚀薄膜层1，所述的激光热刻蚀薄膜层1由相变型激光热刻蚀薄膜构成，所述的热传导薄膜层2由热导率高于148 W/mK的金属或半导体单质构成，所述的基片3为双面抛光的玻璃片。
所述的提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构的制备方法，包括下列步骤：
①将所述的玻璃基片3先后经去离子水浸泡超声清洗和无水乙醇超声清洗两次，每次10分钟，用纯度99.9%的高压氮气吹干，置于干燥器中备用；
②将所述的玻璃基片固定在磁控溅射仪的基片托上，然后把基片托夹持在磁控溅射仪真空腔里的基片座上，然后关闭真空腔盖开始抽真空，当溅射腔内的本底真空度优于3×10-4Pa时，通氩气，通过气体流量计控制氩气的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀使工作气压维持在0.75-0.85Pa；
③采用直流溅射法在所述的玻璃基片3上制备所述的热传导薄膜层2；
④采用射频溅射法在所述的热传导薄膜层2上制备热刻蚀薄膜层1。
下面是本发明的几个具体实施例：
将K9玻璃基片先后分别用去离子水浸泡超声清洗和无水乙醇超声清洗两次，每次10分钟，用纯度99.9%的高压氮气吹干。将吹干的K9玻璃基片固定在磁控溅射仪的基片托上，然后把基片托夹持在磁控溅射仪真空腔里的基片座上，然后关闭真空腔盖开始抽真空，当溅射腔内的本底真空度优于3×10-4Pa时，通氩气，通过气体流量计控制氩气的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀使工作气压维持在0.75-0.85Pa。然后采用直流溅射法在K9玻璃基片3上制备所述的热传导薄膜层2（200nm）；采用射频溅射法在所述的热传导薄膜层2上制备热刻蚀薄膜层1（100nm），结构如图1所示。
作为对比，在同样的工艺条件下制备热刻蚀薄膜层1（100nm），结构如图2所示。
所述的激光热刻蚀薄膜层1为银铟碲锑（Ag8In14Sb55Te23）或锗碲锑（Ge2Sb2Te5）或碲锑合金（Sb70Te30），所述的热传导薄膜层2为热导率高的Ag或Cu或Al或Si，所述的基片为K9玻璃基片。
本发明采用激光辐照热刻蚀薄膜结构，采用硫化铵刻蚀液显影激光热刻蚀图形结构，利用原子力显微镜观察激光热刻蚀图形的尺寸。
得到如下结果：
用含有Ag热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的激光热刻蚀图形的分辨率比用无热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的图形分辨率提高约30%。
用含有Cu热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的激光热刻蚀图形的分辨率比用无热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的图形分辨率提高约28%。
用含有Al热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的激光热刻蚀图形的分辨率比用无热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的图形分辨率提高约20%。
用含有Si热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的激光热刻蚀图形的分辨率比用无热传导层的热光热刻蚀薄膜结构制备的图形分辨率提高约8%。
所述的热传导层材料Ag、Cu、Al和Si的热导率分别为κAg（429 W/mK）>κCu（401 W/mK）>κAl（237 W/mK）>κSi（148 W/mK），由上述结果可以看出，热传导层材料的热导率的越大，制备的激光热刻蚀图形的分辨率也提高的越多。这是因为激光作用于热刻蚀材料后，由于热传导材料的热导率大于激光热刻蚀薄膜，使得原本在热刻蚀膜层内主要沿横向扩散的热量转变为主要沿纵向传导并扩散，即有效减小了热刻蚀膜层内的横向热量扩散，也即是减小了激光热刻蚀材料在激光作用后的有效热变化阈值的尺寸，从而可以提高激光热刻蚀的分辨率。
综上所述，采用本发明的激光热刻蚀层下加一层热传导层，具有膜层结构简单，制备工艺参数可控性好，重复性高，基片要求低等优点。可以有效提高激光热刻蚀图形的分辨率。

Claims (2)

1.一种提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构，其特征在于：包括沉积在玻璃基片（3）上的热传导薄膜（2）和激光热刻蚀薄膜（1），所述的激光热刻蚀薄膜（1）由厚度50~200nm的相变型激光热刻蚀薄膜构成，所述的热传导薄膜（2）由厚度为100~500nm的热导率高于148 W/mK的金属或半导体单质构成，所述的基片（3）为厚度0.5~5mm的玻璃片。
2.根据权利金属或半导体要求1所述的提高激光热刻蚀图形分辨率的薄膜结构的制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
①将所述的玻璃基片先后经去离子水浸泡超声清洗和无水乙醇超声清洗两次，每次10分钟，用纯度99.9%的高压氮气吹干，置于干燥器中备用；
②将所述的玻璃基片固定在磁控溅射仪的基片托上，然后把基片托夹持在磁控溅射仪真空腔里的基片座上，然后关闭真空腔盖开始抽真空，当溅射腔内的本底真空度优于3×10-4Pa时，通氩气，通过气体流量计控制氩气的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀使工作气压维持在0.75-0.85Pa；
③采用直流溅射法在所述的基片（3）上制备所述的热传导薄膜层（2）；
④采用射频溅射法在所述的热传导薄膜层（2）上制备热刻蚀薄膜层（1）。
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