CN103048888B - 一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法，具体为：在衬底表面沉积金属玻璃材料光刻胶层，按照目标纳米图案对沉积得到的样品进行曝光，曝光部分达到晶化温度发生相变，产生纳米晶化图形；对曝光后带有纳米晶化图形的样品进行刻蚀形成所需的纳米图案。本发明利用金属玻璃材料替代有机光刻胶，能够得到的样品光刻线宽远小于激光聚焦光斑衍射极限，并且成本低，刻蚀选择比大。本发明还公开了实现上述方法的系统，主要包括计算机、任意波形发生器、半导体激光器、准直扩束镜、光束隔离器、分光镜、聚焦伺服机构、聚焦镜头、X-Y-θ三维位移台和聚焦伺服控制箱。该系统构成简单、性价比高、操作简单、对操作环境要求相对宽松，产出率高。

Description

一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法及系统

技术领域

本发明属于微纳器件制造领域，具体涉及到一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法，对金属玻璃进行光刻的相变光刻系统以及系统中对相变材料相变程度进行检测的检测部件。

背景技术

在目前的半导体器件、光盘的母盘、传感器、光电子器件、微电子机械系统器件等的制造过程中，毫无疑问的都有纳米孔径的制备此步骤，到目前位置，制备纳米孔径的方法主要有以下三种：

（1）电子束光刻（EBL）;

（2）聚焦离子束光刻（FIBL）；

（3）光刻法（PL）；

由于电子束光刻技术（EBL）和聚焦离子束光刻技术（FIBL）需要严格的真空条件，光刻设备非常昂贵并且产出率较低，所以在大多数条件下，光刻法（PL）半导体器件等制造领域得到了较为广泛的应用。

传统光刻法是在衬底表面上产生各种形状和尺寸图形的光刻过程，采用在衬底上覆盖一层有机光刻胶，一束光束通过一块带有图形的掩膜板照射到光刻胶上，然后刻蚀掉曝光或者未曝光部分，以此在衬底上产生所需图案。整个过程无需真空环境，产出率较高。

随着信息技术与信息产业的发展，半导体器件、传感器、光电子器件、微电子机械系统器件等产业获得迅猛的发展。光刻作为上述器件制作过程中最关键的一道工艺，对器件的集成度有着决定性的作用，其中器件最小的光刻线宽由以下公式决定：

$D=\frac{1.22\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

其中λ为激光波长，NA为聚焦镜头数值孔径。随着光刻工艺由微米级向钠米级发展，由于光的衍射极限的存在，要想进一步减小器件加工线宽，须采用波长更短的激光光源、透镜数值孔径更大的光学透镜，且激光波长到紫外甚至深紫外波段时，常规的光学元器件由于在该波段吸收已经很强，必须采用CaF2等透紫外的材料，导致光刻设备复杂且体积庞大，价格昂贵；同时有机光刻材料存有光子累积效应导致光刻图形边缘模糊，有机光刻材料需要热扩散，光刻时间长。

介于在此方法中，所得到的图案大小与质量，取决于光斑大小和光刻胶的光子累积效应，在目前的条件下，传统光刻方法已达到衍射极限，想要进一步减小光刻线宽必须采用新的技术。

相变光刻技术便是在近些年来，为减小光刻线宽而出现的一种新的光刻技术。相变光刻技术利用无机相变材料（如GeSbTe）替代传统光刻中的有机光刻胶；由于相变材料具有两种不同的状态，沉积态和晶态，在激光辐照所产生的热能作用下，相变材料局部发生从非晶到晶态的转变，整个过程不存在光子累积效应，而且因为热分布的非线性和相变材料的快速相变，因而采用该方法可以得到比激光光斑小许多的信息图形；又由于沉积态和晶态的分子结构不相同，材料对于某些溶液的抗腐蚀能力也不相同，利用非晶态和晶态材料在刻蚀溶液中溶解度的不同，经刻蚀后便可得到相对应光刻图形的凸槽或凹坑，并且相比较传统的有机光刻胶有更细的线宽、更小的图形。

随着相变材料研究的不断深入，国际上相变光刻材料的研究也都集中在硫系半导体相变材料(如GeSbTe，AgInSbTe)及其多层膜上。但由于硫系半导体相变材料本身的相变光刻选择度(两相在溶液中刻蚀速率之比)仅为2左右，且使用此系列材料及其多层膜来进行相变光刻产生的凹槽边沿还不够陡，价格较昂贵，于是此方法的应用在一定时间内受到了限制。

发明内容

本发明提供了一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法，利用金属玻璃材料替代有机光刻胶，能够得到的样品光刻线宽远小于激光聚焦光斑衍射极限，并且成本低，刻蚀选择比大。

本发明的另一目的是提供一种以相变材料为光刻胶的光刻系统，实现对以相变材料为光刻胶的样品曝光，系统简单、性价比高、操作简单、对操作环境要求相对宽松，产出率高。

一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法，具体为：在衬底表面沉积金属玻璃材料光刻胶层，按照目标纳米图案对沉积得到的样品进行曝光，曝光部分达到晶化温度发生相变，产生纳米晶化图形；对曝光后带有纳米晶化图形的样品进行刻蚀形成所需的纳米图案。

进一步地，通过固定激光源，将样品按照目标图案轨迹移动，从而曝光产生纳米晶化图形；或者通过固定样品，将激光源按照目标图案轨迹移动，从而曝光产生纳米晶化图形。

进一步地，曝光过程中通过改变聚焦镜头离焦量在大范围内改变样品光刻晶化图形线宽，通过改变激光作用时间在小范围内改变样品光刻晶化图案线宽。

进一步地，所述金属玻璃材料具体为Pd-，Mg-，Zr-，Fe-，Ti-，Al-，Ln-，Co-或Cu-基的非晶金属合金材料。

进一步地，所述光刻胶的上、下表面分别还分别沉积有保护层和介电层。

进一步地，采用化学气相沉积法、磁控溅射法或蒸发法在衬底表面沉积金属玻璃材料光刻胶层；

进一步地，曝光采用的激光工作模式为连续激光或脉冲激光。

一种以相变材料为光刻胶的相变光刻系统，具体包括：

计算机、任意波形发生器、半导体激光器、准直扩束镜、光束隔离器、第一分光镜、聚焦伺服机构、聚焦镜头、X-Y-θ三维位移台、聚焦伺服控制箱；

计算机控制任意波形发生器驱动半导体激光器，半导体激光器系统发出的激光经过准直扩束镜进行准直后进入光束隔离器，然后通过第一分光镜进入聚焦伺服机构和聚焦镜头，激光聚焦在沉积有相变材料的样品表面，样品固定在X-Y-θ三维位移台上，位移台与计算机相连接，计算机控制电移台的移动轨迹以在样品上光刻出预先在计算机中制定好的纳米图案；聚焦伺服机构的内置激光器，发射一束激光到样品表面样品，样品表面反射回来的激光通过聚焦伺服机构进入聚焦伺服控制箱，聚焦伺服控制箱将接收到的激光转换为电信号传送给计算机。

进一步地，所述系统还包括渐变型光功率衰减器、第三分光镜、第一汇聚透镜、第一PIN光电探测器、示波器、第二汇聚透镜、第二PIN光电探测器、放大器和数据采集卡；

样品表面反射的激光通过透镜、第一分光镜和光束隔离器进入渐变型光功率衰减器，进入光功率衰减器的光束通过第三分光镜分成两束光线，一束通过第一汇聚透镜汇聚进入第一PIN光电探测器，然后第一PIN光电探测器将光信号转换成电信号送入示波器；另一束通过第二汇聚透镜进入第二PIN光电探测器，第二PIN光电探测器将光信号转为电信号送入放大器，数据采集卡采集经过放大器放大的信号，并将最终采集的信号数据送入计算机。

进一步地，所述系统还包括LED照明光源、第二分光镜和CCD；LED照明光源发出的白光经过第二分光镜、第一分光镜、聚焦镜头照射到样品表面，然后反射光经原路返回进入CCD对样品表面成像。

本发明的技术效果体现在：

利用金属玻璃材料替代有机光刻胶；金属玻璃材料具体为Pd-,Mg-,Zr-,Fe-,Ti-,Al-,Ln-,Co-和Cu-基等一系列非晶金属合金(金属玻璃)，这些合金材料具有高强度、高弹性应变极限、良好的耐蚀性和耐磨性；其薄膜材料也具有非常快的相变速度。对于相变光刻，金属玻璃薄膜材料除了相变速度快的优点外，它对波长的依赖性不强，因而可以对同一材料根据需要选择不同的波长进行写入或曝光；另外，金属玻璃薄膜材料的热导性好，相变温度高有利于多层膜体系中热能有效地传导到刻蚀层。并且金属玻璃材料便宜，无毒，刻蚀选择比高，非常适用于光刻胶材料用于在相变光刻技术中。

对材料进行光刻，由于相变材料晶化过程是一种热过程并且激光能量分布为高斯分布，光刻过程中没有光子积累效应，能够得到的样品光刻线宽远小于激光聚焦光斑衍射极限；

本发明所述的相变光刻系统，相对于传统光刻系统而言，系统简单、性价比高、操作简单、对操作环境要求相对宽松，产出率高。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的相变光刻系统框图；

图3为激光功率与单层MgCuY金属玻璃样品刻蚀后高度关系曲线；

图4为激光脉冲时间与多层膜金属玻璃样品光刻线宽之间的关系；

图5为聚焦镜头离焦距离与多层膜金属玻璃样品光刻线宽关系曲线；

图6为最小晶化脉冲时间与多层膜金属玻璃样品激光脉冲功率关系曲线图；

图7为多层膜金属玻璃样品反射信号与脉冲数关系曲线；

图8为多层膜金属玻璃样品刻蚀速率与晶化程度关系曲线图；

图中：1.计算机；2.任意波形发生器；3.半导体激光器系统；4.准直扩束镜；5.光阑；6.进入光束隔离器；7.第一分光镜；8.聚焦伺服机构；9.聚焦镜头；10.样品；11.X-Y-θ三维位移台；12.聚焦伺服控制箱；13.LED照明光源；14.第二分光镜；15.CCD；16.渐变型光功率衰减器；17.第三分光镜；18.第一聚焦透镜1；19第一PIN光电探测器；20.示波器；21.第二聚焦透镜；22.第二PIN光电探测器；23.放大器；24.数据采集卡；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示：

一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法，具体为：在衬底表面沉积一层金属玻璃材料光刻胶，按照目标纳米图案对沉积得到的样品进行曝光，曝光部分达到晶化温度发生相变，从而产生纳米晶化图形；对曝光后带有纳米晶化图形的样品进行刻蚀形成所需的纳米图案；

通过固定激光源，将样品按照目标图案轨迹移动，从而曝光产生纳米晶化图形；或者通过固定样品，将激光源按照目标图案轨迹移动，从而曝光产生纳米晶化图形。

曝光过程中通过改变聚焦镜头离焦量在大范围内改变样品光刻晶化图形线宽，通过改变激光作用时间在小范围内改变样品光刻晶化图案线宽。

所述金属玻璃材料具体为Pd-，Mg-，Zr-，Fe-，Ti-，Al-，Ln-，Co-或Cu-基的非晶金属合金材料。

还可在所述光刻胶的上、下表面分别还沉积有保护层和介电层，使得曝光效果更好。

可采用化学气相沉积法、磁控溅射法或蒸发法在衬底表面沉积一层金属玻璃材料光刻胶；

曝光采用的激光工作模式为连续激光或脉冲激光；。

刻蚀溶液为HF、缓冲HF、H₂SO₄、H₃PO₄、HCL、CH₃COOH、HNO₃、NaOH或KOH。

图2是本发明的相变光刻系统框图，本发明相变光刻系统适用于以相变材料为光刻胶的样品曝光。

本发明系统包括计算机1、任意波形发生器2、半导体激光器3、准直扩束镜4、光束6、第一分光镜7、聚焦伺服机构8、聚焦镜头9、X-Y-θ三维位移台11、聚焦伺服控制箱12。通过计算机1控制任意波形发生器2来驱动半导体激光器3，半导体激光器系统3发出的激光经过准直扩束镜4进行准直，通过光阑5，进入光束隔离器6，然后通过第一分光镜7进入聚焦伺服机构8和聚焦镜头9，然后激光聚焦在样品10表面，样品10固定在X-Y-θ三维位移台11(X-Y-θ是指平面二维方向和旋转)上，位移台11和计算机1相连接，通过计算机1来控制电移台11，以便在样品10上光刻出预先在计算机1中制定好的纳米图案；

其中聚焦伺服机构8内置激光器，通过发射一束激光到样品表面，从样品表面反射回来的激光通过聚焦伺服机构8进入聚焦伺服控制箱12然后将信号送入计算机1，通过计算机1得到的光强数据来自动调节聚焦镜头9到样品表面的距离，以保证聚焦范围在焦深范围以内；另外聚焦伺服机构8也可关闭自动聚焦模式进行手动调整距离；

作为优化，为了实时了解光刻情况，可增设LED照明光源13、第二分光镜14和CCD15。LED照明光源13发出的白光经过第二分光镜14、第一分光镜7、聚焦镜头9照射到样品10表面，然后反射光经原路返回进入CCD15对样品表面成像，以对光刻过程进行实时监控；通过CCD观察光刻过程，在光刻时便能监测光刻和纳米图案效果，大大提高了光刻效率。

作为优化，增设相变程度检测模块，能够随时监测样品的反射率和数据采集。具体实现方式为，增设渐变型光功率衰减器16、第三分光镜17、第一汇聚透镜18、第一PIN光电探测器19、示波器20、第三汇聚透镜21、第二PIN光电探测器22、放大器23和数据采集卡24。在样品10表面反射的激光通过透镜9、第一分光镜7和光束隔离器6进入渐变型光功率衰减器16，进入光功率衰减器16的光束通过第三分光镜17分成两束光线，一束通过第一汇聚透镜18汇聚进入第一PIN光电探测器19，然后第一PIN光电探测器19将光信号转换成电信号送入示波器20，以便直接观察反射光信号波形；另一束通过第二汇聚透镜21进入第二PIN光电探测器22，第二PIN光电探测器22将光信号转为电信号送入放大器23，经过放大的信号进入数据采集卡24，数据采集卡24将最终采集的数据送入计算机1；

实施例1

利用磁控溅射方法在石英衬底上制备MgCuY金属玻璃材料，溅射参数为：功率60W、Ar气压0.5Pa、溅射时间20min、靶基距100mm；

对MgCuY金属玻璃材料进行光刻，利用Corrent-660-100-C型号半导体激光器，日本Sigma聚焦镜头（NA=0.4），光刻之后所得最小晶化点直径为600nm，远小于此镜头的光斑衍射极限2.013um；对样品进行曝光，曝光功率为10mW、12mW、14mW、16mW，三维位移台移动速率为100um/s；将曝光后的样品放入3%HNO₃溶液60s，所得台阶高度如图3所示：

由图可见，随着激光功率的增加，MgCuY金属玻璃样品晶化程度提高，刻蚀后台阶高度随着激光功率的增加而增加；

实施例2

曝光步骤：

利用Corrent-660-100-C型号半导体激光器，日本Sigma聚焦镜头（NA=0.4），利用磁控溅射方法在衬底上制备ZnS-SiO₂、AlNiGd、ZnS-SiO₂的3层薄膜，通过控制激光脉冲时间、功率、镜头的离焦程度来控制光刻晶化线宽；

图4为激光脉冲时间与多层膜金属玻璃样品光刻线宽之间的关系；由图可见，在相同激光功率条件下，上述3层膜样品晶化线宽随着激光脉冲时间的增加而增加，当脉冲时间为180ns时，晶化线宽为1.41um；当脉冲时间为80ns时，晶化线宽为0.52um；通过简单改变激光脉冲时间便可以在小尺寸范围内改变晶化线宽；并可见在80ns时，光刻线宽为0.52um，远小于此聚焦镜头（NA=0.4）的衍射极限尺寸2.013um；

图5为聚焦镜头离焦距离与多层膜金属玻璃样品光刻线宽关系曲线；由图可见，通过精确控制聚焦镜头和样品之间的距离，可以在大范围内调节样品光刻线宽，镜头从焦距距离到离焦2um改变，光刻线宽从1.52um到10.2um之间变动；

性能测试：

在上述相同条件下，通过改变激光脉冲功率和脉冲时间，测试金属玻璃多层膜结构的最小晶化时间和功率之间的关系；当激光功率固定时，测试相变光刻系统对相变材料部分晶化程度的检测性能。

图6为最小晶化脉冲时间与多层膜金属玻璃样品激光脉冲功率关系曲线图；由图可见，金属玻璃多层膜系结构最小可晶化脉冲时间随着功率的减小而增加，当脉冲功率为40mW时，最小晶化时间为60ns，而当激光功率衰减到8mW的时，最短晶化时间增加到1.5us；可见随着激光功率的减小，晶化时间呈类似双曲线的方式递增；

图7为多层膜金属玻璃样品反射信号与脉冲数关系曲线；激光功率为20mW时，脉冲时间100ns，当逐渐增加脉冲数量时，探测器接收到相变材料的反射信号逐步递增，当脉冲数量以指数为底时，反射信号值近似呈线性增长；当脉冲数量从1增加到10K时，反射信号从49mV到56mV之间变化；比对标准白板的反射信号即可得到样品的反射率；

刻蚀步骤：

在上述相同条件下，对金属玻璃多层膜结构进行光刻，并利用2%HF溶液进行刻蚀；

图8为多层膜金属玻璃样品刻蚀速率与晶化程度关系曲线图；

在2%HF溶液中刻蚀30s之后，将样品浸入清水冲洗，氮气吹干，利用原子力显微镜测量刻蚀后台阶高度得到刻蚀速率，结果如图：

样品刻蚀速率随晶化程度的提高而提高；当激光功率为40mW时，以脉冲时间100ns的激光对样品进行曝光，得到的样品在非晶态和晶态之间的刻蚀速率差异最小；以脉冲时间180ns的激光对样品进行曝光，得到的样品在非晶态和晶态之间的刻蚀速率差异最大；金属玻璃样品非晶态和晶态之间在溶液中的刻蚀速率差随着激光曝光脉冲时间（样品晶化程度）的增加而增加。

以上所述为本发明相变光刻系统原理图和操作方法，但本发明不应该局限于该方案和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种以金属玻璃为光刻胶的光刻方法，具体为：在衬底表面沉积金属玻璃材料光刻胶层，按照目标纳米图案对沉积得到的样品进行曝光，曝光部分达到晶化温度发生相变，产生纳米晶化图形；对曝光后带有纳米晶化图形的样品进行刻蚀形成所需的纳米图案。 

2.根据权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，通过固定激光源，将样品按照目标图案轨迹移动，从而曝光产生纳米晶化图形；或者通过固定样品，将激光源按照目标图案轨迹移动，从而曝光产生纳米晶化图形。 

3.根据权利要求1或2所述的光刻方法，其特征在于，曝光过程中通过改变聚焦镜头离焦量在大范围内改变样品光刻晶化图形线宽，通过改变激光作用时间在小范围内改变样品光刻晶化图案线宽。 

4.根据权利要求1或2所述的光刻方法，其特征在于，所述金属玻璃材料具体为Pd-，Mg-，Zr-，Fe-，Ti-，Al-，Ln-，Co-或Cu-基的非晶金属合金材料。 

5.根据权利要求1或2所述的光刻方法，其特征在于，所述光刻胶的上、下表面还分别沉积有保护层和介电层。 

6.根据权利要求1或2所述的光刻方法，其特征在于，采用化学气相沉积法、磁控溅射法或蒸发法在衬底表面沉积金属玻璃材料光刻胶层。

7.根据权利要求1或2所述的光刻方法，其特征在于，曝光采用的激光工作模式为连续激光或脉冲激光。 

8.一种以相变材料为光刻胶的相变光刻系统，具体包括： 

计算机(1)、任意波形发生器(2)、半导体激光器(3)、准直扩束镜(4)、光束隔离器(6)、第一分光镜(7)、聚焦伺服机构(8)、聚焦镜头(9)、X-Y-θ三维位移台(11)、聚焦伺服控制箱(12)； 

计算机(1)控制任意波形发生器(2)驱动半导体激光器(3)，半导 体激光器系统(3)发出的激光经过准直扩束镜(4)进行准直后进入光束隔离器(6)，然后通过第一分光镜(7)进入聚焦伺服机构(8)和聚焦镜头(9)，激光聚焦在沉积有相变材料的样品表面，样品固定在X-Y-θ三维位移台(11)上，位移台(11)与计算机(1)相连接，计算机(1)控制位移台(11)的移动轨迹以在样品(10)上光刻出预先在计算机(1)中设定好的纳米图案；聚焦伺服机构(8)的内置激光器，发射一束激光到样品表面样品，样品表面反射回来的激光通过聚焦伺服机构(8)进入聚焦伺服控制箱(12)，聚焦伺服控制箱(12)将接收到的激光转换为电信号传送给计算机(1)。 

9.根据权利要求8所述的相变光刻系统，其特征在于，所述系统还包括渐变型光功率衰减器(16)、第三分光镜(17)、第一汇聚透镜(18)、第一PIN光电探测器(19)、示波器(20)、第二汇聚透镜(21)、第二PIN光电探测器(22)、放大器(23)和数据采集卡(24)； 

样品表面反射的激光通过聚焦镜头(9)、第一分光镜(7)和光束隔离器(6)进入渐变型光功率衰减器(16)，进入光功率衰减器(16)的光束通过第三分光镜(17)分成两束光线，一束通过第一汇聚透镜(18)汇聚进入第一PIN光电探测器(19)，然后第一PIN光电探测器(19)将光信号转换成电信号送入示波器(20)；另一束通过第二汇聚透镜(21)进入第二PIN光电探测器(22)，第二PIN光电探测器(22)将光信号转为电信号送入放大器(23)，数据采集卡(24)采集经过放大器(23)放大的信号，并将最终采集的信号数据送入计算机(1)。 

10.根据权利要求8或9所述的相变光刻系统，其特征在于，所述系统还包括LED照明光源(13)、第二分光镜(14)和CCD(15)； 

LED照明光源(13)发出的白光经过第二分光镜(14)、第一分光镜(7)、聚焦镜头(9)照射到样品表面，然后反射光经原路返回进入CCD(15)对样品表面成像。