CN106227000A - 激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于当准直的激光束聚焦到非线性材料时，诱导出材料的非线性特性。由于激光强度的高斯分布特点，使激光中心区域的能量最高，并沿着径向逐渐减弱，激光能量转化为材料的温度差，从而在非线性材料内部诱导产生瞬态热探针。在光刻过程中，激光束打开，热探针形成；激光束关闭，热探针消失。形成的热探针随着激光束自由移动，热探针的形成与关闭是动态的、可逆的。本发明简单实用，不需要复杂的操作，特别适用于透明材料的微纳结构制造，能获得纳米尺度的特征线宽。

Description

激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法
技术领域
本发明涉及纳米光刻方法，基于激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法。
背景技术
随着光电子及信息技术的发展，光电子器件、光学元件的特征尺寸需要不断减小，目前已经进入到纳米尺度。因此，发展纳米光刻技术刻不容缓。目前，电子束光刻是一种非常有潜力的纳米制造技术，其刻写的最小线宽低于10nm。但是，电子束刻写需要在高真空环境下进行，操作复杂；而且光刻系统成本昂贵，不利于小批量，个性化的纳米制备。扫描探针光刻是另外一种功能强大的纳米制备方法。其能实现纳米尺度的特征尺寸(＜10nm)、不需要复杂的操作流程，可实现各种材料的刻写。但是，扫描探针光刻技术仍存在不足之处：刻写速度低、探针寿命短(由于探针与材料表面直接接触，容易损坏)。因此，本发明提出一种基于激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法。该方法利用材料的非线性效应，在材料内部形成类似针尖的热探针，利用形成的热探针对下层的热刻蚀薄膜进行加热，使其发生物理及化学变化，进行纳米结构刻写。随后通过湿法刻蚀工艺移除上层的非线性薄膜，并对热刻蚀薄膜进行湿法显影，从而得到所需的纳米结构。该方法结合了传统的扫描探针光刻技术与材料的非线性特征，巧妙地避免了扫描探针容易损坏问题，同时实现了高速纳米刻写。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法。
本发明的原理是：在进行纳米光刻时，聚焦光束首先进入一层非线性薄膜(如AIST薄膜)，在非线性薄膜内部形成瞬态的热探针效应，该薄膜底部的热探针针尖对下层的热刻蚀薄膜进行加热，使其发生物理及化学变化，最后通过湿法刻蚀移除上层的非线性薄膜，并对下层的热刻蚀薄膜进行湿法显影，继而得到所需的纳米结构。由于激光束呈现高斯分布，其中心区域的强度高，而边缘的激光强度低。利用材料的非线性吸收特征使得其作用区域也呈现出中心吸收的能量高，而边缘吸收的能量少，在非线性材料内部诱导产生瞬态热探针效应，实现纳米光刻。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特点在于该方法包括以下几个步骤：
a)在基片上用磁控溅射的方法镀上一层热刻蚀薄膜；
b)在所述的热刻蚀薄膜上再镀上一层非线性薄膜构成待刻样品；
c)利用激光直写系统对所述的待刻样品的热刻蚀薄膜进行纳米光刻；
d)对待刻样品进行湿法刻蚀，去除所述的非线性薄膜；
e)对待刻样品进行湿法显影得到具有所需的纳米结构的样品。
所述的热刻蚀薄膜的材料为包括ZnS-SiO2和Si。
所述的热刻蚀薄膜的厚度在100nm到500nm之间。
所述的基片为石英玻璃和硅片。
所述的非线性薄膜的材料为Sb、Te、Sb2Te3、GeTe、Ge2Sb2Te5或AgInSbTe。
所述的非线性薄膜的厚度为10nm～100nm。
所述的激光直写系统的激光波长为405nm，透镜的数值孔径为0.25～0.95。
所述的湿法刻蚀采用的溶液为17wt.％硫化铵的水溶液。
所述的湿法显影所用溶液为氟化铵与氟化氢的混合水溶液，其中氟化铵的浓度为1～10mol％，而氟化氢的浓度为2～20mol％。
本发明的技术效果如下：
本发明通过激光直写光刻系统，利用Sb、Te、Sb2Te3、GeTe、Ge2Sb2Te5或AgInSbTe材料的非线性特征，当激光束通过非线性材料以后，在非线性材料内部诱导产生瞬态热探针，然后对热刻蚀薄膜进行热探针刻写，再利用湿法刻蚀移除非线性材料，并对热刻蚀薄膜进行湿法显影，得到纳米图形结构。其优点是：
1)光刻系统操作简便，成本低廉。
2)利用热探针能够实现高速刻写。
3)能够得到纳米尺度的结构。
附图说明
图1是本发明基片上镀热刻蚀薄膜及非线性薄膜后的结构示意图；
图2是本发明激光诱导瞬态热探针纳米光刻示意图；
具体实施方式
下面通过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。
实施例1：
一种基于激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其步骤包括：
a)用磁控溅射法在石英片上镀上一层200nm厚的ZnS-SiO2热刻蚀薄膜；
b)在所述的ZnS-SiO2热刻蚀薄膜上再镀上一层30nm厚的Ge2Sb2Te5非线性薄膜；
c)利用激光直写系统对上述石英片进行纳米光刻，所用激光波长为405nm；透镜的数值孔径为0.65.
d)将上述石英片浸入质量分数为17wt.％的硫化铵水溶液中5分钟去除Ge2Sb2Te5薄膜；
e)将上述石英片浸入1.5mol％氟化铵与0.5mol％氟化氢的混合水溶液中显影30秒，最后得到所需的纳米结构。
镀有热刻蚀薄膜和非线性薄膜的基片示意图如图1所示，实例中采用ZnS-SiO2作为热刻蚀薄膜，厚度为200nm，镀于基片表面，在上述基片上继续镀上一层非线性Ge2Sb2Te5薄膜，厚度为30nm。
当聚焦激光束通过非线性薄膜以后，基于Ge2Sb2Te5材料的非线性饱和吸收特性，即截面呈现高斯分布的激光束通过薄膜时，Ge2Sb2Te5材料对截面上光强较强的部分吸收能量弱，而对截面上光强的部分吸收能量强，因此当激光束通过非线性薄膜以后诱导产生瞬态热探针，并且小于光斑的衍射极限，如图2所示。利用热探针光刻最终得到的线条特征尺寸低至200nm，远小于衍射极限光斑尺寸(1μm)。

Claims (9)

1.一种激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于该方法包括以下几个步骤：
a)在基片上用磁控溅射的方法镀上一层热刻蚀薄膜；
b)在所述的热刻蚀薄膜上再镀上一层非线性薄膜构成待刻样品；
c)利用激光直写系统对所述的待刻样品的热刻蚀薄膜进行纳米光刻；
d)对待刻样品进行湿法刻蚀，去除所述的非线性薄膜；
e)对待刻样品进行湿法显影得到具有所需的纳米结构的样品。
2.根据权利要求1所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的热刻蚀薄膜的材料为包括ZnS-SiO2和Si。
3.根据权利要求1所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的热刻蚀薄膜的厚度在100nm到500nm之间。
4.根据权利要求1所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的基片为石英玻璃和硅片。
5.根据权利要求1所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的非线性薄膜的材料为Sb、Te、Sb2Te3、GeTe、Ge2Sb2Te5或AgInSbTe。
6.根据权利要求1所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的非线性薄膜的厚度为10nm～100nm。
7.根据权利要求1所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的激光直写系统的激光波长为405nm，透镜的数值孔径为0.25～0.95。
8.根据权利要求1所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的湿法刻蚀采用的溶液为17wt.％硫化铵的水溶液。
9.根据权利要求1至8任一项所述的激光诱导瞬态热探针的纳米光刻方法，其特征在于所述的湿法显影所用溶液为氟化铵与氟化氢的混合水溶液，其中氟化铵的浓度为1～10mol％，而氟化氢的浓度为2～20mol％。
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