CN108376642B - Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法 - Google Patents

Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法，所述方法包括以下步骤：在玻璃基片上用磁控溅射的方法镀上一层Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料；采用激光对所制Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料进行激光曝光加热作用；采用显影液对激光曝光加热作用的薄膜进行选择性湿法刻蚀；本发明的湿法刻蚀方法操作简便，成本低，刻蚀速率可控，分辨率高，使Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料同时具备了正性光刻胶和负性光刻胶的特点。本发明的湿法刻蚀方法可以用于半导体产品、光电子器件、以及超大规模集成电路等的微纳结构制造。

Description

Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，特别是涉及一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法
背景技术
纳米技术是一种给人类社会带来变革的极具应用前景的技术，而纳米技术离不开微纳加工技术。硫系相变材料Ge2Sb2Te5具有超快并且可逆的相变特性，此外在相变过程中伴随着物理和化学性能的巨大改变，成为了极具应用前景的相变存储材料。与此同时硫系相变材料Ge2Sb2Te5在相变前后物理和化学性能的巨大改变也令它在微纳加工领域有很好的前景。然而现有的技术中对于硫系相变材料Ge2Sb2Te5只有作为负性光刻胶的湿法刻蚀方法，因而开发一种高精度的湿法刻蚀工艺，让硫系相变材料Ge2Sb2Te5同时具有负性光刻胶和正性光刻胶的特性，对于硫系相变材料Ge2Sb2Te5的产业化应用有重要的意义。
硫系相变材料Ge2Sb2Te5在激光曝光加热作用后产生非晶态向晶态的转变，并且在氢氧化钾溶液中，晶态的刻蚀速率大于非晶态；在四甲基氢氧化铵溶液中，晶态的刻蚀速率小于非晶态，从而可以通过激光曝光加热作用的方法在氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液中进行湿法刻蚀，并分别体现正性光刻胶特性和负性光刻胶特性。并且传统光刻技术的图形线宽受限于实际光斑大小，而实际光斑大小又受限于衍射极限的影响，而采用硫系相变材料Ge2Sb2Te5作为热致无机光刻胶，可以达到更高的分辨率，突破衍射极限的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法，使用氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液作为显影液，利用Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料在激光曝光加热作用后产生非晶态向晶态的转变，在氢氧化钾溶液中，晶态的刻蚀速率大于非晶态，在四甲基氢氧化铵溶液中，晶态的刻蚀速率小于非晶态，从而达到选择性刻蚀的目的。该方法具有操作简便，成本低，刻蚀速率可控，突破衍射极限的高精度等优点，可以用于半导体产品、光电子器件、以及超大规模集成电路等的微纳结构制造加工。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法，包括以下步骤：
a)在玻璃基片上用磁控溅射的方法镀上一层Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料；
b)利用激光束对镀有Ge2Sb2Te5硫系相变材料薄膜的玻璃基片进行激光曝光加热作用；
c)采用显影液对激光曝光加热作用的镀有Ge2Sb2Te5硫系相变材料薄膜的玻璃基片进行选择性湿法刻蚀，形成微纳图形结构：将所述的激光曝光加热作用的Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料置于显影液中进行显影，依据薄膜所需刻蚀深度选择显影时间。如果选择质量浓度为25wt％的四甲基氢氧化铵溶液作为显影液，Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料体现负性光刻胶的特性，当刻蚀深度由10nm至40nm加深时，所需显影时间由1min至5min线性增加。如果选择质量浓度为1wt％的氢氧化钾溶液作为显影液，Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料体现正性光刻胶的特性，当刻蚀深度由10nm至40nm加深时，所需显影时间由45min至180min线性增加。利用该Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料激光作用区域和激光未作用区域在显影液中的刻蚀速度不同，可以进行选择性湿法刻蚀。
所述的磁控溅射制得的Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料厚度为50-200nm，更优选为150nm。
所述的显影液为质量浓度为1wt％的氢氧化钾溶液，或者是质量浓度为25wt％的四甲基氢氧化铵溶液。
本发明的技术效果：
本发明通过使用Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料作为光刻技术的无机热致光刻胶，利用Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料的有效热作用区域小于实际的光斑大小，实现相比传统光刻技术更高的分辨率，突破衍射极限的限制。通过氢氧化钾溶液和四甲基氢氧化铵溶液对Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料激光作用的晶化区域和激光未作用的非晶化区域的选择性湿法刻蚀，分别实现了正性光刻胶特性和负性光刻胶特性的平整清晰的微纳图形结构。
附图说明
图1中a是采用1wt％的氢氧化钾溶液显影后Ge2Sb2Te5薄膜的原子力显微镜(AFM)图，b是采用1wt％的氢氧化钾溶液显影后Ge2Sb2Te5薄膜的截面图。
图2中a是采用25wt％的四甲基氢氧化铵溶液显影后Ge2Sb2Te5薄膜的原子力显微镜(AFM)图，b是采用25wt％的四甲基氢氧化铵溶液显影后Ge2Sb2Te5薄膜的截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法，包括如下步骤
a)在玻璃基片上用磁控溅射的方法镀上一层Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料，膜厚度为150nm；
b)采用波长为405nm的激光束对所制Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料进行激光曝光加热作用。
c)采用质量分数为1％的氢氧化钾溶液作为显影液分别对激光曝光加热作用的薄膜进行选择性湿法刻蚀，如需要刻蚀深度为25nm，则显影时间为120min，然后用氮气吹干，形成微纳图形结构。使用氢氧化钾溶液显影完成后通过原子力显微镜(AFM)扫描成像可以得到形貌图，如图1所示。由图1可以看出，显影后得到的Ge2Sb2Te5薄膜微纳结构清晰明显，激光曝光热作用区域即下凹区域的线宽约为353nm，高度约为25nm。
实施例2
一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法，包括如下步骤
a)在玻璃基片上用磁控溅射的方法镀上一层Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料，膜厚度为50nm；
b)采用波长为405nm的激光束对所制Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料进行激光曝光加热作用。
c)采用质量分数为25％的四甲基氢氧化铵溶液作为显影液分别对激光曝光加热作用的薄膜进行选择性湿法刻蚀，如需要刻蚀深度为14nm，则显影时间为2min；然后用氮气吹干，形成微纳图形结构。使用四甲基氢氧化铵溶液显影完成后通过原子力显微镜(AFM)扫描成像可以得到形貌图，如图2所示。由图2可以看出，显影后得到的Ge2Sb2Te5薄膜微纳结构清晰明显，激光曝光热作用区域即上凸区域的线宽约为314nm，高度约为14nm。
实施例3
一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用湿法刻蚀方法，包括如下步骤
a)在玻璃基片上用磁控溅射的方法镀上一层Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料，膜厚度为200nm；
b)采用波长为405nm的激光束对所制Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料进行激光曝光加热作用。
c)采用质量分数为1％的氢氧化钾溶液作为显影液分别对激光曝光加热作用的薄膜进行选择性湿法刻蚀，如需要刻蚀深度为40nm，则显影时间为180min，然后用氮气吹干，形成微纳图形结构。

Claims (3)

1.一种Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料正负胶两用的湿法刻蚀方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a)在玻璃基片上用磁控溅射的方法镀上一层Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料；
b)利用激光束对镀有Ge2Sb2Te5硫系相变材料薄膜的玻璃基片进行激光曝光加热处理；
c)采用显影液对激光曝光加热后的镀有Ge2Sb2Te5硫系相变材料薄膜的玻璃基片进行选择性湿法刻蚀，形成微纳图形结构；其中，所述的显影液为质量浓度为1wt％的氢氧化钾溶液，或者是质量浓度为25wt％的四甲基氢氧化铵溶液；
湿法刻蚀的具体步骤如下：
将所述的激光曝光加热作用后的镀有Ge2Sb2Te5硫系相变材料薄膜的玻璃基片置于显影液中进行显影，依据薄膜所需刻蚀深度选择显影时间：
如果选择质量浓度为25wt％的四甲基氢氧化铵溶液作为显影液，当刻蚀深度由10nm至40nm加深时，所需显影时间由1min至5min线性增加；
如果选择质量浓度为1wt％的氢氧化钾溶液作为显影液，当刻蚀深度由10nm至40nm加深时，所需显影时间由45min至180min线性增加。
2.根据权利要求1所述的湿法刻蚀方法，其特征在于，所述的步骤a)中，磁控溅射的Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料厚度为50-200nm。
3.根据权利要求2所述的湿法刻蚀方法，其特征在于，所述的步骤a)中，磁控溅射的Ge2Sb2Te5硫系相变薄膜材料厚度为150nm。
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