CN105425536A - 激光直写用超分辨掩膜板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光直写用超分辨掩膜板及其制备方法，该超分辨掩膜板的结构包括作为基底的盖玻片、相变薄膜层和介电保护层。该发明的膜层结构采用磁控溅射法制备，具有膜层结构简单，制备工艺可控性好等优点。采用本发明超分辨掩膜板，在不需要复杂的光机装置及真空设备的条件下就可以获得高分辨率的微纳图形结构，且因为超分辨掩膜板中相变薄膜的非线性吸收特性具有可逆性，使得该掩膜板可以重复使用，有效节约成本。

Description

激光直写用超分辨掩膜板及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光直写热刻蚀技术，特别是一种激光直写用超分辨掩膜板及其制备方法。
背景技术
激光直写热刻蚀技术是一种基于光热模式制备高分辨微纳结构的光刻技术，即激光直接辐照热刻蚀薄膜，薄膜材料吸收光子产生热效应，当激光光斑中心区域产生的高温达到材料的阈值温度，从而引起材料的物理化学性质发生变化，如相变、挥发、化学断键等，进而直接形成图形结构或通过在特定的显影液中实现选择性刻蚀得到图形结构。激光热刻蚀技术可以通过控制激光功率、作用时间等工艺条件来实现有效热作用区域小于实际激光光斑尺寸，从而提高微纳图形结构的分辨率。
该技术工艺简单，易于控制，不需要真空环境，装置成本低，目前主要应用于高密度光盘母盘刻录、微纳电子器件制备、微机电系统、LED表面微结构制备等领域。
随着信息技术的飞速发展，微纳图形结构的特征尺寸在大幅减小，传统的光刻技术包括激光热刻蚀技术正面临巨大的挑战，如何制备出更高分辨率的微纳图形结构成为一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种激光直写用超分辨掩膜板及其制备方法，该发明结构简单、制备方便，可以重复性使用，经济实用。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光直写用超分辨掩膜板，特点在于其结构依次是单面抛光的盖玻片、相变薄膜层和介电保护层，所述的盖玻片的厚度为0.15-0.2mm，所述相变薄膜层的厚度为80-100nm，所述介电保护层的厚度为5-20nm。
所述的激光直写用超分辨掩膜板及其制备方法，包括如下步骤：
①将所述的盖玻片先后经丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗共三次，每次30分钟，超声清洗时水温升至40℃，之后用纯度为99.9％的高压氮气吹干；
②将所述的盖玻片固定于磁控溅射镀膜机腔体中的样品盘上，保持抛光面朝向溅射靶材，选定好溅射所用的相变靶材及介电靶材并安装在相应的靶基座上，分别调整相变靶材和介电靶材与盖玻片之间的距离为70-80mm，关闭磁控溅射镀膜机腔体开始抽真空，当真空度达到5×10-4Pa时通入工作气体氩气，氩气流量控制在80毫升/分钟(sccm)，调节闸板阀将工作气压控制在0.3-0.5Pa,打开样品自转电机；
③利用镀膜控制程序将样品盘由初始位置移动至相变靶材位置上方，打开射频电源，根据相变薄膜的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的基底上镀制相变薄膜层；
④相变薄膜层镀制完成后，打开闸板阀抽气10分钟，将样品盘移动至介电靶材上方，打开射频电源，根据介电薄膜的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的相变薄膜层上镀制介电保护层；
本发明利用具有可逆非线性饱和吸收的相变薄膜层和介电保护层来有效缩小作用于热刻蚀薄膜材料上的热作用区域，进而在热刻蚀薄膜材料上获得更高分辨率的微纳结构。其原理为：通过聚焦系统，使激光光束经过盖玻片入射到具有可逆饱和非线性吸收特性的相变薄膜层内，聚焦光束和相变薄膜材料相互作用形成一个光探针，光斑尺寸在相变薄膜层内逐渐减小，直至在相变薄膜与介电保护层的交界面达到最小。在激光直写热刻蚀过程中，薄膜吸收光子产生热效应，光探针转化为热探针，相比于在热刻蚀薄膜上直接刻写的方式，添加该超分辨掩膜板后将有效减小激光束在热刻蚀薄膜上的热效应作用区域，在热刻蚀薄膜材料上获得更高分辨率的微纳结构。
本发明的技术效果：
本发明提出一种激光直写用超分辨掩膜板，优势在于该掩膜板利用相变薄膜材料的可逆饱和非线性吸收特性，能有效缩小作用在热刻蚀薄膜上的热作用区域，从而可以在热刻蚀薄膜材料上获得更高分辨率的微纳结构；掩膜板与热刻蚀薄膜材料贴合与分离工艺均快速简单，无需复杂的机加工具。
通过实验证明，与其它通过多层功能薄膜结构来制备微纳结构方式相比，该发明简化了膜层结构，既简化了工艺，又可重复使用，降低了成本，提高了生产效率。
附图说明
图1为激光直写用超分辨掩膜板结构示意图。
图2为待刻写热刻蚀薄膜样品示意图。
图3为聚焦激光经超分辨掩膜板一侧入射，在热刻蚀薄膜材料上刻写示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变换范围。
先请参阅图1，图1为本发明所涉及的激光直写用超分辨掩膜板示意图。由图可见，本发明激光直写用超分辨掩膜板的构成是相变薄膜层2和介电保护层3分别沉积于盖玻片1之上。
所述的激光直写用超分辨掩膜板的制备方法，包括如下步骤：
①将所述的盖玻片先后经丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗共三次，每次30分钟，超声清洗时水温升至40℃，之后用纯度为99.9％的高压氮气吹干；
②将所述的盖玻片1固定于磁控溅射镀膜机腔体中的样品盘上，保持抛光面朝向溅射靶材，选定好溅射所用的相变靶材及介电靶材并安装在相应的靶基座上，分别调整相变靶材和介电靶材与盖玻片之间的距离为70-80mm，关闭磁控溅射镀膜机腔体开始抽真空，当真空度达到5×10-4Pa时通入工作气体氩气，氩气流量控制在80sccm，调节闸板阀将工作气压控制在0.3-0.5Pa,打开样品自转电机；
③利用镀膜控制程序将样品盘由初始位置移动至相变靶材位置上方，打开射频电源，根据相变薄膜的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的基底1上镀制相变薄膜层2；
④相变薄膜层镀制完成后，打开闸板阀抽气10分钟，将样品盘移动至介电靶材上方，打开射频电源，根据介电薄膜的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的相变薄膜层2镀制介电保护层3；
下面是本发明的一个具体实施例，包括如下步骤：
第一步：将0.17mm的盖玻片1先后经丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗共三次，每次30分钟，超声清洗时水温升至40℃，之后用纯度为99.9％的高压氮气吹干。洁净的盖玻片1固定于磁控溅射镀膜机腔体中的样品盘上，保持抛光面朝向溅射靶材，将Sb2Te3相变靶材和Si介电靶材分别安装在相应的靶基座上，并分别调整Sb2Te3相变靶材及Si介电靶材与盖玻片之间的距离为75mm，关闭腔体开始抽真空，当真空度达到5×10-4Pa时通入工作气体氩气，氩气流量控制在80sccm，调节闸板阀将工作气压控制在0.45Pa,打开样品自转电机。利用镀膜控制程序将样品盘由初始位置移动至Sb2Te3相变靶材位置上方，打开射频电源，根据Sb2Te3相变薄膜的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的盖玻片上镀制100nm厚的Sb2Te3相变薄膜层；当Sb2Te3相变薄膜层镀制完成后，打开闸板阀抽气10分钟，将样品盘移动至Si介电靶材上方，打开射频电源，根据Si的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的Sb2Te3相变薄膜层上镀制20nm厚的Si介电保护层。
第二步：在1.2mm的K9玻璃基底上采用旋涂法制备100nm厚的腙类金属螯合物热刻蚀薄膜样品，如图2所示；
第三步：将本发明激光直写用超分辨掩膜板与热刻蚀薄膜样品采用膜面对膜面的方式贴合在一起；将贴合在一起的激光直写用超分辨掩膜板与热刻蚀薄膜样品放置在激光直写装置的样品运动台上，由计算机根据刻写程序同步控制样品运动台和激光器协同工作，采用波长为405nm的半导体蓝光激光器从激光直写用超分辨掩膜板一侧辐照实施刻写，如图3所示；刻写完毕后，使超分辨掩膜板与热刻蚀薄膜样品分离，因热刻蚀薄膜材料为有机光刻胶性质，激光热作用使热作用区域材料挥发，在其上直接获得点阵结构。其中，激光直写工艺条件为激光波长为405nm，聚焦透镜的数值孔径为0.9，激光直写功率为4mW，脉宽为15ns。
得到的结果如下：
在添加本发明所述的激光直写用超分辨掩膜板的情况下，在相同的刻写工艺条件下，比未添加该超分辨掩膜板而直接在腙类金属螯合物热刻蚀薄膜材料上刻写所获得图形分辨率提高约52.7％。
在本发明中，所述的相变薄膜层不仅限于Sb2Te3薄膜材料，也可采用AgInSbTe、GeSbTe、Sb70Te30等Sb基相变薄膜材料；介电保护层不仅限于Si保护层，也可采用ZnO等透明氧化物材料。
综上所述，本发明激光直写用超分辨掩膜板，具有膜层结构简单，制备工艺可控性好等优点，尤其是在不需要复杂的光机装置及真空设备的条件下就可以获得高分辨率的微纳图形结构，而且因为超分辨掩膜板中起关键作用的相变薄膜具有可逆非线性吸收特性，使得该掩膜板可以重复使用，有效节约成本。

Claims (2)

1.一种激光直写用超分辨掩膜板，特征在于其结构依次是单面抛光的盖玻片(1)、相变薄膜层(2)和介电保护层(3)，所述的盖玻片(1)的厚度为0.15-0.2mm，所述相变薄膜层(2)的厚度为80-100nm，所述介电保护层(3)的厚度为5-20nm。
2.权利要求1所述的激光直写用超分辨掩膜板的制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
①将所述的盖玻片先后经丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗共三次，每次30分钟，超声清洗时水温升至40℃，之后用纯度为99.9％的高压氮气吹干；
②将所述的盖玻片固定于磁控溅射镀膜机腔体中的样品盘上，保持抛光面朝向溅射靶材，选定好溅射所用的相变靶材及介电靶材并安装在相应的靶基座上，分别调整相变靶材和介电靶材与盖玻片之间的距离为70-80mm，关闭磁控溅射镀膜机腔体开始抽真空，当真空度达到5×10-4Pa时通入工作气体氩气，氩气流量控制在80sccm，调节闸板阀将工作气压控制在0.3-0.5Pa,打开样品自转电机；
③利用镀膜控制程序将样品盘由初始位置移动至相变靶材位置上方，打开射频电源，根据相变薄膜的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的基底(1)上镀制相变薄膜层(2)；
④相变薄膜层镀制完成后，打开闸板阀抽气10分钟，然后将样品盘移动至介电靶材上方，打开射频电源，根据介电薄膜的溅射速率，通过控制溅射时间来控制薄膜厚度，在所述的相变薄膜层(2)上镀制介电保护层(3)。
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