CN111367146A - 一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法 - Google Patents

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Abstract

一种相变‑热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法：在基片(1)上沉积一层相变薄膜(2)，在相变薄膜(2)上沉积一层热分解型薄膜(3)，得到相变‑热分解型复合光刻胶；利用激光直写光刻系统(4)对相变‑热分解型复合光刻胶进行曝光，相变薄膜受激光照射产生相变形成相变区，并释放相变潜热，相变潜热加热相变区(5)上方的热分解型薄膜并使其分解，从而在热分解型薄膜上直接形成纳米通孔(6)；利用反应离子刻蚀系统(7)刻蚀相变‑热分解型复合光刻胶，使纳米通孔(6)下方的相变薄膜被刻蚀，最终得到纳米结构。本发明提供了一种操作简单、成本低廉、加工速度快，光刻分辨率高的纳米光刻方法。

Description

一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，具体涉及一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法。
背景技术
随着光电子技术的发展，光电子器件的尺寸越来越小，器件集成度越来越高，要求纳米光刻技术不断发展以满足器件的制备需求。目前，常见的纳米光刻方法包括电子/离子束光刻、扫描探针光刻、等离子体近场光刻等。然而，电子/离子束光刻需要高真空环境，光刻速度慢，加工效率低；扫描探针光刻的探针直接与光刻胶材料接触导致其探针容易损坏且光刻效率低，适合加工小尺寸样品；而等离子体近场光刻对材料要求苛刻，要求能激发表面等离子体，同时需要严格控制激光头与光刻胶表面的距离在纳米量级，操作难度大，这极大地限制了其使用范围。
在现有技术中，激光直写光刻能实现高速、大面积的结构制备，其操作方便，因而被广泛用于光电子器件的制造，但由于受到光学衍射极限的制约，光刻分辨率低而难以实现纳米光刻。前期的研究[Opt.Express,25(23):28146(2017)]提出利用相变潜热实现透明薄膜微纳光刻的方法。此方法中，透明薄膜的微纳结构无法直接得到，需要对透明薄膜进行刻蚀，而这会导致刻蚀的特征尺寸难以达到纳米量级，仅利用相变潜热特性也无法实现透明薄膜的纳米光刻目的。因此，需要一种操作简单、成本低廉、加工速度快，光刻分辨率高的纳米光刻方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法，用于解决现有技术中操作不方便、制造成本高、加工速度慢、光刻分辨率低的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法，其创新在于，包括以下步骤：
步骤一、在基片(1)上沉积一层相变薄膜(2)；所述相变薄膜是指在激光作用下具有相变阈值特性且能在相变过程中释放相变潜热的薄膜；
步骤二、在所述相变薄膜(2)上沉积一层热分解型薄膜(3)，得到由相变薄膜与热分解型薄膜复合而成的相变-热分解型复合光刻胶；所述热分解型薄膜是指对激光的吸收率低于10％且具有热分解阈值特性的薄膜；
步骤三、利用激光直写光刻系统(4)对所述相变-热分解型复合光刻胶进行曝光，相变薄膜受激光照射产生相变形成尺寸小于激光光斑的相变区(5)并释放相变潜热，相变潜热加热相变区(5)上方的热分解型薄膜并使其分解，从而在所述热分解型薄膜上直接形成尺寸小于所述相变区(5)的纳米通孔(6)；
步骤四、利用反应离子刻蚀系统(7)刻蚀相变-热分解型复合光刻胶，使所述纳米通孔(6)下方的相变薄膜被刻蚀，最终在相变-热分解型复合光刻胶上得到纳米结构。
上述技术方案的有关内容和变化解释如下：
优选地，所述基片(1)的材料选自硅、锗、二氧化硅、氧化锌、硫化锌、硒化锌、碲化锌、氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝、砷化镓、铝砷化镓、磷砷化镓、锑化铟、磷化铟中的一种。
优选地，所述相变薄膜(2)的材料包括以下组分中的一种或多种：(i)锗、锑、碲单一元素；(ii)由所述单一元素组成的化合物。上述“以下组分”是指，锗、锑、碲单一元素或者由锗、锑、碲组成的化合物，如碲化锗、锑化锗、三碲化二锑、碲化二锑等。上述“以下组分中的一种或多种”是指，相变薄膜的材料可以是一种单一元素，也可以是一种化合物，还可以是多种单一元素的复合物，还可以是多种化合物的复合物，还可以是一种单一元素与多种化合物构成的复合物，还可以是多种单一元素与一种化合物构成的复合物，还可以是多种单一元素与多种化合物构成的复合物，在此不一一列举。
优选地，所述相变薄膜(2)的材料中包括掺杂的一种或多种金属元素或非金属元素；所述金属元素包括铟、银、铬、钇、铝、钪、镁、锌、铜、铁、锡、铋；所述非金属元素包括硅、氧、氮、碳。这里所述的“包括”是指相变薄膜材料中可以具有掺杂的元素，也可以不具有。可以单独掺杂一种或多种金属元素，也可以单独掺杂一种或多种非金属元素，还可以掺杂金属元素同时掺杂非金属元素，在此不一一列举。
优选地，所述相变薄膜(2)的材料包括碲、锑、碲化锗、锑化锗、三碲化二锑、碲化二锑、锗锑碲、银铟锑碲。其中，锗锑碲为化合物，银铟锑碲为掺杂银、铟两种金属元素和碲化锑的复合物。但不仅限于此，可通过上述组分的其他组合方式构成相变薄膜的材料。上述材料的中文名称为本领域技术人员所常用的材料中文名称。
优选地，所述热分解型薄膜(3)的材料选自聚苯二醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯中的一种。
优选地，所述相变薄膜(2)和热分解型薄膜(3)的沉积方法分别选择磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、化学气相沉积、原子层沉积、离子束沉积、激光脉冲沉积和溶液旋涂法中的一种。所述相变薄膜和热分解型薄膜可以采用同一种沉积方法，也可以采用不同的沉积方法。
优选地，所述相变薄膜(2)的厚度为1～1000nm。
优选地，所述热分解型薄膜(3)的厚度为1～100nm。
优选地，所述激光直写光刻系统(4)的激光束输出的激光波长为300～800nm，透镜的数值孔径为0.05～0.95，激光功率为0.1～20mW，激光脉宽为5～1000ns。所述激光直写光刻系统为本领域技术人员的常规技术手段。
优选地，所述反应离子刻蚀系统(7)采用的刻蚀气体为CHF3、Ar、O2、CF4、SF6、Cl2、HBr中的一种或两种组合或三种组合，刻蚀功率低于500W，刻蚀气压低于250mTorr，刻蚀时间为1～60min。所述反应离子刻蚀系统为本领域技术人员的常规技术手段。
所述相变阈值是指激光加热相变材料使其温度达到一定值后发生相变(如晶化)的特性；所述热分解阈值是指材料被加热到一定温度后发生热分解(如挥发)的特性。
本发明的设计原理和构思是：
为了解决现有技术中操作不方便、制造成本高、加工速度慢、光刻分辨率低的问题，本发明采用的技术构思是提供一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法：在基片(1)上沉积一层相变薄膜(2)，在所述相变薄膜(2)上沉积一层热分解型薄膜(3)，得到由相变薄膜与热分解型薄膜复合而成的相变-热分解型复合光刻胶；利用激光直写光刻系统(4)对相变-热分解型复合光刻胶进行曝光，相变薄膜受激光照射产生相变形成尺寸小于激光光斑的相变区(5)并释放相变潜热，相变潜热加热相变区(5)上方的热分解型薄膜并使其分解，从而在所述热分解型薄膜上直接形成尺寸小于所述相变区(5)的纳米通孔(6)；利用反应离子刻蚀系统(7)刻蚀相变-热分解型复合光刻胶，使所述纳米通孔(6)下方的相变薄膜被刻蚀，最终在相变-热分解型复合光刻胶上得到纳米结构。本发明提供了一种操作简单、成本低廉、加工速度快，光刻分辨率高的纳米光刻方法。
本发明是基于相变薄膜的相变阈值特性和热分解薄膜的热分解阈值特性共同作用实现纳米光刻，即相变薄膜在激光辐照下产生相变，由于激光束的高斯分布特性，其光斑中心的能量最高，导致光斑中心的薄膜发生相变，从而形成小于光斑尺寸的相变区；同时释放相变潜热，释放的潜热也具有高斯分布特性，在相变区中心释放的潜热最多、能量最高，相变区中心的潜热加热热分解型薄膜使其产生热分解导致材料挥发，从而进一步形成小于相变区尺寸的纳米通孔，最后通过对纳米通孔下方的相变薄膜进行刻蚀，实现纳米光刻。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果:
1、本发明的光刻系统操作简单、成本低廉、加工速度快、光刻分辨率高，能实现大面积加工。
2、本发明利用相变阈值特性和热分解阈值特性，通过相变潜热对热分解型薄膜的分解作用，形成小于相变区尺寸的纳米通孔，最终实现纳米光刻。
附图说明
图1是本发明相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法示意图；
图2是本发明基片上沉积相变薄膜和热分解型薄膜后的结构示意图；
图3是本发明相变-热分解型复合光刻胶曝光后形成相变区的示意图；
图4是本发明相变-热分解型复合光刻胶热分解形成纳米通孔的示意图；
图5是本发明相变-热分解型复合光刻胶薄膜刻蚀形成纳米结构的示意图。
示意图符号说明：
1、基片；2、相变薄膜；3、热分解型薄膜；4、激光直写光刻系统；5、相变区；6、纳米通孔；7、反应离子刻蚀系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
为了更加清楚简洁地描述以下实施例，实施例中所涉及的材料均采用其英文代号。所涉及的英文代号的中文含义分别为：GeTe为碲化锗、GeSb为锑化锗、Sb2Te3为三碲化二锑、Sb2Te为碲化二锑、Ge2Sb2Te5为锗锑碲、AgInSbTe为银铟锑碲、Te为碲、Sb为锑、CHF3为三氟甲烷、Ar为氩气、O2为氧气、CF4为四氟化碳、SF6为六氟化硫、Cl2为氯气、HBr为溴化氢。
实施例1：
一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法(如图1所示)，包括以下步骤：
步骤一、利用磁控溅射镀膜机在基片上沉积一层相变薄膜，硅作为基片材料，基片厚度为500μm。其中，相变薄膜的材料为Sb2Te，厚度为200nm。
沉积相变薄膜的工艺参数为：Sb2Te靶材的溅射功率80W，工作气压0.7Pa，溅射时间30min。
步骤二、通过光刻胶旋涂仪在相变薄膜上沉积一层热分解型薄膜，得到曝光前的样品(如图2所示)。其中，热分解型薄膜的材料为聚苯二醛，厚度为10nm。
沉积热分解型薄膜的工艺参数为：样品盘转速5000转/分钟，旋转时间5min。
步骤三、采用激光直写光刻系统(4)对样品进行曝光(如图3所示)。相变薄膜产生相变形成相变区(5)并释放相变潜热，相变潜热加热热分解型薄膜，在所述热分解型薄膜上直接形成纳米通孔(6)(如图4所示)。
曝光参数如下：激光波长405nm，聚焦透镜的数值孔径0.8，激光功率1mW，激光脉宽50ns。
步骤四、利用反应离子刻蚀系统(7)刻蚀相变-热分解型复合光刻胶，使热分解型薄膜下方的相变薄膜被刻蚀，最终在相变-热分解型复合光刻胶上得到纳米结构(如图5所示)。
所述反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率150W，刻蚀气压100mTorr，刻蚀时间10min。
实施例2：
一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法(如图1所示)，包括以下步骤：
步骤一、利用磁控溅射镀膜机在基片上沉积一层相变薄膜，二氧化硅作为基片材料，基片厚度为500nm。其中，相变薄膜的材料为GeTe，厚度为300nm。
沉积相变薄膜的工艺参数为：GeTe靶材的溅射功率50W，工作气压0.5Pa，溅射时间60min。
步骤二、通过热蒸发设备在相变薄膜上沉积一层热分解型薄膜，得到曝光前的样品(如图2所示)。其中，热分解型薄膜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为15nm。
沉积热分解型薄膜的工艺参数为：本底真空度3×10-5Pa，加热电流100A，电压5V，蒸发时间10min。
步骤三、采用激光直写光刻系统(4)对样品进行曝光(如图3所示)。相变薄膜产生相变形成相变区(5)并释放相变潜热，相变潜热加热热分解型薄膜，在所述热分解型薄膜上直接形成纳米通孔(6)(如图4所示)。
曝光参数如下：激光波长405nm，聚焦透镜的数值孔径0.65，激光功率2mW，激光脉宽20ns。
步骤四、利用反应离子刻蚀系统(7)刻蚀相变-热分解型复合光刻胶，使热分解型薄膜下方的相变薄膜被刻蚀，最终在相变-热分解型复合光刻胶上得到纳米结构(如图5所示)。
所述反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为O2和CHF3，气体流量分别为2sccm和80sccm，刻蚀功率100W，刻蚀气压150mTorr，刻蚀时间20min。
实施例3：
一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法(如图1所示)，包括以下步骤：
步骤一、利用磁控溅射镀膜机在基片上沉积一层相变薄膜，氮化镓作为基片材料，基片厚度为500nm。其中，相变薄膜的材料为Ge2Sb2Te5，厚度为200nm。
沉积相变薄膜的工艺参数为：Ge2Sb2Te5靶材的溅射功率60W，工作气压0.5Pa，溅射时间40min。
步骤二、通过热蒸发设备在相变薄膜上沉积一层热分解型薄膜，得到曝光前的样品(如图2所示)。其中，热分解型薄膜的材料为聚乙烯，厚度为5nm。
沉积热分解型薄膜的工艺参数为：本底真空度3×10-5Pa，加热电流120A，电压6V，蒸发时间5min。
步骤三、利用激光直写光刻系统(4)对样品进行曝光(如图3所示)。相变薄膜产生相变形成相变区(5)并释放相变潜热，相变潜热加热热分解型薄膜，在所述热分解型薄膜上直接形成纳米通孔(6)(如图4所示)。
曝光参数如下：激光波长405nm，聚焦透镜的数值孔径0.65，激光功率3mW，激光脉宽20ns。
步骤四、利用反应离子刻蚀系统(7)刻蚀相变-热分解型复合光刻胶，使热分解型薄膜下方的相变薄膜被刻蚀，最终在相变-热分解型复合光刻胶上得到纳米结构(如图5所示)。
所述反应离子刻蚀系统采用的刻蚀气体为Ar和CF4，气体流量分别为10sccm和90sccm，刻蚀功率120W，刻蚀气压80mTorr，刻蚀时间20min。
下面针对本发明的其他实施情况以及变化作如下说明：
1、以上实施例采用的基片材料为硅、二氧化硅、氮化镓，本发明不仅限于此，还可使用锗、氧化锌、硫化锌、硒化锌、碲化锌、氮化硅、碳化硅、氧化镓、氮化铝、砷化镓、铝砷化镓、磷砷化镓、锑化铟、磷化铟。相变薄膜的材料为Sb2Te、GeTe、Ge2Sb2Te5，还可使用Te、Sb、AgInSbTe、GeSb、Sb2Te3等。热分解型薄膜的材料为聚苯二醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯，还可使用聚苯乙烯、聚碳酸酯等。各层厚度根据材料以及目标样品可以进行调整。
2、以上实施例采用的沉积方法为磁控溅射、溶液旋涂法、热蒸发法，本发明不仅限于此，还可使用电子束蒸发、化学气相沉积、原子层沉积、离子束沉积、激光脉冲沉积法。以上实施例中采用沉积方法以及工艺参数根据选用的材料以及所需薄膜的厚度等的不同，可以按照本领域常用的方法以及参数进行选择和调整。
3、以上实施例中利用的激光直写光刻系统和反应离子刻蚀系统的工艺参数可根据各层材料与厚度等因素进行调节，可以按照本领域常用的方法以及参数进行选择和调整。
通过上述实施例的说明，本发明与现有技术相比的优点以及带来的有益效果如下：:
1、本发明的光刻系统操作简单、成本低廉、加工速度快、光刻分辨率高，能实现大面积加工。
2、本发明利用相变阈值特性和热分解阈值特性，通过相变潜热对热分解型薄膜的分解作用，形成小于相变区尺寸的纳米通孔，最终实现纳米光刻。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种相变-热分解型复合光刻胶的纳米光刻方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在基片(1)上沉积一层相变薄膜(2)；所述相变薄膜是指在激光作用下具有相变阈值特性且能在相变过程中释放相变潜热的薄膜；
步骤二、在所述相变薄膜(2)上沉积一层热分解型薄膜(3)，得到由相变薄膜与热分解型薄膜复合而成的相变-热分解型复合光刻胶；所述热分解型薄膜是指对激光的吸收率低于10％且具有热分解阈值特性的薄膜；
步骤三、利用激光直写光刻系统(4)对所述相变-热分解型复合光刻胶进行曝光，相变薄膜受激光照射产生相变形成尺寸小于激光光斑的相变区(5)并释放相变潜热，相变潜热加热相变区(5)上方的热分解型薄膜并使其分解，从而在所述热分解型薄膜上直接形成尺寸小于所述相变区(5)的纳米通孔(6)；
步骤四、利用反应离子刻蚀系统(7)刻蚀相变-热分解型复合光刻胶，使所述纳米通孔(6)下方的相变薄膜被刻蚀，最终在相变-热分解型复合光刻胶上得到纳米结构。
2.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述基片(1)的材料选自硅、锗、二氧化硅、氧化锌、硫化锌、硒化锌、碲化锌、氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝、砷化镓、铝砷化镓、磷砷化镓、锑化铟、磷化铟中的一种。
3.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述相变薄膜(2)的材料包括以下组分中的一种或多种：(i)锗、锑、碲单一元素；(ii)由所述单一元素组成的化合物。
4.根据权利要求3所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述相变薄膜(2)的材料中包括掺杂的一种或多种金属元素或非金属元素；所述金属元素包括铟、银、铬、钇、铝、钪、镁、锌、铜、铁、锡、铋；所述非金属元素包括硅、氧、氮、碳。
5.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述相变薄膜(2)的材料包括碲、锑、碲化锗、锑化锗、三碲化二锑、碲化二锑、锗锑碲、银铟锑碲。
6.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述热分解型薄膜(3)的材料选自聚苯二醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯中的一种。
7.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述相变薄膜(2)和热分解型薄膜(3)的沉积方法分别选择磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、化学气相沉积、原子层沉积、离子束沉积、激光脉冲沉积和溶液旋涂法中的一种。
8.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述相变薄膜(2)的厚度为1～1000nm，所述热分解型薄膜(3)的厚度为1～100nm。
9.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述激光直写光刻系统(4)的激光束输出的激光波长为300～800nm，透镜的数值孔径为0.05～0.95，激光功率为0.1～20mW，激光脉宽为5～1000ns。
10.根据权利要求1所述的纳米光刻方法，其特征在于，所述反应离子刻蚀系统(7)采用的刻蚀气体为CHF3、Ar、O2、CF4、SF6、Cl2、HBr中的一种或两种组合或三种组合，刻蚀功率低于500W，刻蚀气压低于250mTorr，刻蚀时间为1～60min。
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