專利名稱：一種基于激光直寫金屬薄膜線性可控制備納米點(diǎn)陣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光直寫制備薄膜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的方法，特別是涉及一種利用激光直 寫技術(shù)在金屬薄膜上，完全線性可控制備低于衍射極限的納米點(diǎn)陣的方法。
背景技術(shù)：
薄膜的微納點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域和超高密度存儲(chǔ)以及其他光電器件領(lǐng) 域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，器件特征尺寸不斷減小，為了提高 光學(xué)曝光的分辨率，人們通過采用縮短激光波長(zhǎng)和增大NA的方法以獲取更小的光刻分辨 率。但是由于受衍射極限R = 0.61 X/NA的限制(R是分辨距離，X是所用激光的波長(zhǎng)， NA是透鏡的數(shù)值孔徑)，曝光分辨率很難有大幅度提高。為此，人們開發(fā)了其他一些光學(xué) 曝光手段。1992年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的E.Betzig等人將近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)(SN0M)成功 引入光存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了約60nm的分辨率(見E. Betzig，Trautman J K, Wolfe R， et al.Appl.Phys. Lett.，1992，61 (2) : 142-144.)，但是運(yùn)用 SNOM 技術(shù)勢(shì)必面臨著設(shè)備復(fù) 雜，刻寫速度慢等缺點(diǎn)。1998年，日本的J. Tominaga博士提出了一種利用超分辨近場(chǎng)結(jié)構(gòu) (Super-RENS)實(shí)現(xiàn)高分辨率刻寫的技術(shù)(見 Tominaga J, Nakano T and Atoda N. Appl. Phys. Lett.，1998，73，2078)，此種技術(shù)可以在記錄層上寫入或讀出小于光學(xué)衍射極限的 記錄點(diǎn)，被認(rèn)為是光學(xué)儲(chǔ)存技術(shù)的一大突破。近幾年，MasashiKuwahara等人，先后利用熱 光刻(thermal lithography)的方法，在傳統(tǒng)光盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備上，成功制備出170nm和 100nm的點(diǎn)陣列，并提出該方法可能在光盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及超分辨納米技工領(lǐng)域有廣闊的 應(yīng)用前景(見 Kazuma Kurihara，Takashi Nakano, et al. Microelectronic Engineering 85(2008) 1197-1201)，然而這種方法制備的高分辨結(jié)構(gòu)的邊緣相對(duì)粗糙，點(diǎn)陣均一性仍有 待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服上述已有技術(shù)存在的缺陷；從而提供一種利用激光直寫 技術(shù)在金屬薄膜上，完全線性可控制備納米點(diǎn)陣；該方法是利用激光光束的高斯分布特性， 選擇合適的材料體系，利用膜層材料與激光束作用時(shí)的非線性特征，優(yōu)化膜層厚度和刻寫 激光的脈寬和離焦量，改變刻寫功率，從而實(shí)現(xiàn)尺度在20nm到800nm可控的納米點(diǎn)陣的制 備；該方法不僅得到的點(diǎn)陣孔徑分辨率大大提高，而且采用的刻寫設(shè)備和膜層體系也簡(jiǎn)單 實(shí)用。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的基于激光直寫金屬薄膜線性可控制備納米點(diǎn)陣的方法，包括以下步 驟1)襯底清洗，將襯底順序浸于常規(guī)有機(jī)溶劑中，進(jìn)行超聲清洗；清洗完將襯底進(jìn) 行烘干處理；2)沉積薄膜，采用薄膜制備工藝，在所述襯底材料表面制備一層金屬薄膜，所述金屬薄膜厚度為5nm 200nm ；3)激光直寫，使用激光直寫系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)光路聚焦，在步驟1)沉積得到的金屬 薄膜表面進(jìn)行激光刻寫；所述的激光刻寫條件如下采用激光波長(zhǎng)為193nm 1200nm ；通過聲光調(diào)制器控制，選擇激光刻寫功率在lmw lOOmw ；通過聲光調(diào)制器調(diào)制輸出激光刻寫脈寬在70ns 1ms ；使得激光光束與膜層作用在材料的燒熔閾值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)點(diǎn)陣的制備，得到 點(diǎn)陣孔徑在20nm 800nm，最高分辨率達(dá)20nm ；實(shí)現(xiàn)刻寫孔徑與刻寫功率線性可調(diào)。在上述技術(shù)方案中，所述的襯底材料為普通玻璃、石英或硅；選擇這些材料為襯底 的原因是玻璃、石英或硅基底被廣泛應(yīng)用于微電子和微納光學(xué)領(lǐng)域。在上述技術(shù)方案中，所述薄膜制備工藝可采用磁控濺射、熱蒸鍍、電子束蒸鍍等方 法。在上述技術(shù)方案中，所述的金屬膜層材料可以是A1或Ti。本發(fā)明的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，其實(shí)質(zhì)是利用激光光 束的高斯分布特性，選擇合適的材料體系，利用膜層材料與激光束作用時(shí)的非線性特征，根 據(jù)不同金屬膜層材料、膜厚以及刻寫功率和脈寬，選擇最佳離焦量，使得激光光束與膜層作 用在材料的燒熔閾值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)點(diǎn)陣的制備；從而實(shí)現(xiàn)尺度可控的納米點(diǎn)陣制備，其 中點(diǎn)陣孔徑大小與所用襯底、金屬薄膜的種類和厚度，以及刻寫激光的波長(zhǎng)、功率、脈寬等 密切相關(guān)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明利用了激光直寫熱光刻法，在激光直寫系統(tǒng)中，刻寫金屬薄膜，制備納米 點(diǎn)陣，具有工藝簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)；2、本發(fā)明采用的金屬材料屬常見金屬鋁或鈦，襯底材料為微電子和微納光學(xué)領(lǐng)域 中常用襯底材料玻璃、石英或硅；3、本發(fā)明中金屬薄膜可采用磁控濺射、熱蒸鍍、電子束蒸鍍等方法制備，鍍膜方法 簡(jiǎn)單多樣；4、本發(fā)明采用具有特定非線性特征的鋁或鈦的金屬膜層，并選擇了該鋁或鈦的金 屬薄膜具有合適厚度，利用激光直寫技術(shù)時(shí)，根據(jù)金屬膜層的種類和厚度，通過調(diào)制聲光調(diào) 制器輸出激光刻寫的功率和脈寬，根據(jù)選用特定厚度的鈦薄膜以及刻寫功率和脈寬，優(yōu)化 離焦量，使得激光光束與膜層作用在材料的燒熔閾值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)點(diǎn)陣的制備；能夠?qū)?現(xiàn)點(diǎn)陣孔徑在20nm 800nm，最高分辨率達(dá)20nm，遠(yuǎn)低于衍射極限。5、本發(fā)明利用激光直寫設(shè)備，在優(yōu)化刻寫工藝參數(shù)前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)小孔直徑與 刻寫功率成線性關(guān)系，且能可控制備出大面積超分辨孔陣列。


圖1為本發(fā)明的激光直寫金屬薄膜線性可控制備納米點(diǎn)陣方法的示意圖；圖2(a)為采用實(shí)施例1的方法，用SEM觀察到的結(jié)果，其中，圖中對(duì)應(yīng)刻寫功率 從右向左依次為 17mw、16mw、15mw、14mw、13mw、12mw、llmw、10mw，脈寬為 200ns 的激光亥lj寫 40nm Ti薄膜制備的納米孔陣列圖片；
圖2 (b)為圖2 (a)中一個(gè)10mw刻寫點(diǎn)的放大圖；圖3為采用實(shí)施例1的方法，激光刻寫功率17mw-10mw，激光刻寫脈寬200ns的激 光刻寫40nm Ti薄膜時(shí)，刻寫激光功率與刻寫孔徑的對(duì)應(yīng)線性關(guān)系圖。圖面說明如下1-襯底2-金屬膜層3-曝光光源
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于 下述實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求中的全部?jī)?nèi)容。本發(fā)明中的金屬膜層的金屬種類(如鈦、鋁等)都具有相同的作用，其所述步驟中 使用不同襯底材料(普通玻璃、石英或硅)、不同激光波長(zhǎng)以及不同激光脈寬，所對(duì)應(yīng)制作 納米點(diǎn)陣的工藝過程相同，因此本發(fā)明中給出一個(gè)實(shí)施例，其它實(shí)施方式與該實(shí)施方式完 全相似。本實(shí)施例的具體步驟如下1)襯底清洗，將襯底1順序浸于分析純丙酮、分析純酒精和去離子水中，分別進(jìn)行 超聲清洗10分鐘，水溫40°C，超聲功率為90 % ；清洗完將襯底進(jìn)行烘干處理，烘烤溫度為 120°C，烘烤時(shí)間為120分鐘，真空度5X 103Pa ；2)沉積金屬薄膜，采用電子束蒸發(fā)鍍膜法，在0. 5mm厚的普通玻璃襯底上，蒸鍍 40nm厚Ti金屬膜層2 ；其中，采用電子束蒸發(fā)法的工作條件氣壓為1.9X10_4Pa，電流為 30mA,蒸發(fā)速率為0. 2 A /S，蒸發(fā)過程不對(duì)基底加熱；3)激光直寫，在激光直寫設(shè)備中，曝光光源3選用釹離子激光器發(fā)出的連續(xù)激光， 波長(zhǎng)為532. 8nm，最大輸出功率為2W，通過聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖激光進(jìn)行激光直寫；出射 平行光束被聲光調(diào)制器調(diào)制后，令1級(jí)調(diào)制光通過小孔經(jīng)過偏振分光鏡、1/4波片后成為圓 偏振光，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后射向光譜分光鏡。光譜分光鏡對(duì)于532. 8nm激光具有高反射率，而 對(duì)于輔助聚焦用的675nm波長(zhǎng)激光具有高透射率；被光譜分光鏡反射的光束透過顯微物鏡 會(huì)聚在樣品的光敏感層上，金屬膜層2 (光敏感層)反射的532. 8nm波長(zhǎng)光束經(jīng)過物鏡、光 譜分光鏡、擴(kuò)束鏡和1/4波片后，成為線偏振光，且偏振方向與激光器的出射光的偏振方向 成90度角，故被偏振分光鏡反射后不再返回激光器。顯微物鏡固定在可沿Z軸(平行光路 方向)運(yùn)動(dòng)的納米位移臺(tái)上，納米位移臺(tái)用來調(diào)節(jié)物鏡和樣品之間的距離，確保激光會(huì)聚 點(diǎn)始終落在樣品的光敏感層上；樣品由計(jì)算機(jī)操縱的移動(dòng)平臺(tái)控制，焦點(diǎn)光斑大約lPm， 同時(shí)用聲光調(diào)制器控制刻寫激光的通斷，并調(diào)整脈寬，從而在樣品上刻寫預(yù)設(shè)條件的點(diǎn)陣。 具體參數(shù)如下通過聲光調(diào)制器控制，選擇刻寫功率在lOmw 17mw ；通過聲光調(diào)制器控制，選擇刻寫脈寬在200ns ；預(yù)設(shè)點(diǎn)陣設(shè)計(jì)為，相同功率的點(diǎn)間距為1 P m，相鄰功率(如17mw與16mw)的點(diǎn)陣 間距為5um ；根據(jù)選用的40nm厚的鈦薄膜以及刻寫功率和脈寬，優(yōu)化離焦量為0. 77FES。得到 點(diǎn)陣孔徑在40nm 350nm，最高分辨率達(dá)40nm，遠(yuǎn)低于衍射極限。用SEM觀察刻寫區(qū)域，可觀察到如圖2所示的納米點(diǎn)陣。且在固定脈寬下，小孔尺
5寸與刻寫激光功率呈線性關(guān)系，如圖3所示。 本實(shí)施例采用激光直寫設(shè)備(見范永濤，徐文東.模塊化的激光直刻裝置申請(qǐng)?zhí)?200720072320. 3)能夠在單層金屬薄膜上實(shí)現(xiàn)納米點(diǎn)陣的可控制備，最高分辨率遠(yuǎn)低于衍 射極限，克服了已有方法中設(shè)備和膜層體系相對(duì)復(fù)雜，以及刻寫點(diǎn)陣均一性較差等缺點(diǎn)，在 高密度存儲(chǔ)和納米加工應(yīng)用上有廣闊應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，包括以下步驟1)襯底清洗，將襯底順序浸于常規(guī)有機(jī)溶劑中，進(jìn)行超聲清洗；清洗完將襯底進(jìn)行烘干處理；2)沉積薄膜，采用鍍膜工藝，在所述襯底材料表面制備一層金屬薄膜，所述金屬薄膜厚度為5nm～200nm；3)激光直寫，使用激光直寫系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)光路聚焦，在步驟2)沉積得到的金屬薄膜表面進(jìn)行激光刻寫；所述的激光刻寫條件如下采用激光波長(zhǎng)為193nm～1200nm；通過聲光調(diào)制器控制，選擇激光刻寫功率在1mw～100mw；通過聲光調(diào)制器控制，選擇激光刻寫脈寬在70ns～1ms；選擇離焦量，使得激光光束與膜層作用在材料的燒熔閾值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)孔徑20nm～800nm的點(diǎn)陣的制備，最高分辨率達(dá)20nm；實(shí)現(xiàn)刻寫孔徑與刻寫功率線性可調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，其特征在 于，所述的襯底為普通玻璃、石英玻璃或硅基底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，其特征在 于，所述的有機(jī)溶劑為分析純丙酮、分析純酒精和去離子水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，其特征在 于，所述的金屬薄膜為鋁或鈦薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，其特征在 于，所述的鍍膜工藝為磁控濺射、熱蒸鍍或電子束蒸鍍方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，其特征在 于，所述的激光為連續(xù)激光，通過聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖激光，進(jìn)行激光直寫。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點(diǎn)陣的方法，其包括采用在襯底上沉積金屬膜層，膜厚控制在5nm～200nm；使用激光直寫系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)光路聚焦，在沉積得到的金屬膜層上進(jìn)行刻寫；充分利用激光光束的高斯分布特性和膜層材料與激光光束作用時(shí)的非線性特征，優(yōu)化膜層厚度和刻寫激光的脈寬和離焦量，改變刻寫功率，從而實(shí)現(xiàn)大面積納米點(diǎn)陣的制備。本發(fā)明的方法制備的納米點(diǎn)陣具有分辨率可達(dá)20nm，同時(shí)刻寫功率與點(diǎn)陣孔徑線性可控的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101935014SQ20091008808
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者劉前, 曹四海, 王永勝, 田野, 苗俊杰, 郭傳飛 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心