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陣的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光直寫制備薄膜點陣結構的方法，特別是涉及一種利用激光直 寫技術在金屬薄膜上，完全線性可控制備低于衍射極限的納米點陣的方法。
背景技術：
薄膜的微納點陣結構在半導體微電子領域和超高密度存儲以及其他光電器件領 域有著廣闊的應用前景。隨著半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，器件特征尺寸不斷減小，為了提高 光學曝光的分辨率，人們通過采用縮短激光波長和增大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， 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 曝光手段。1992年，美國貝爾實驗室的E.Betzig等人將近場光學顯微技術(SN0M)成功 引入光存儲技術領域，實現(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.)，但是運用 SNOM 技術勢必面臨著設備復 雜，刻寫速度慢等缺點。1998年，日本的J. Tominaga博士提出了一種利用超分辨近場結構 (Super-RENS)實現(xiàn)高分辨率刻寫的技術(見 Tominaga J, Nakano T and Atoda N. Appl. Phys. Lett.，1998，73，2078)，此種技術可以在記錄層上寫入或讀出小于光學衍射極限的 記錄點，被認為是光學儲存技術的一大突破。近幾年，MasashiKuwahara等人，先后利用熱 光刻(thermal lithography)的方法，在傳統(tǒng)光盤驅動系統(tǒng)設備上，成功制備出170nm和 100nm的點陣列，并提出該方法可能在光盤的數(shù)據(jù)存儲以及超分辨納米技工領域有廣闊的 應用前景(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構的邊緣相對粗糙，點陣均一性仍有 待提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，克服上述已有技術存在的缺陷；從而提供一種利用激光直寫 技術在金屬薄膜上，完全線性可控制備納米點陣；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，從而實現(xiàn)尺度在20nm到800nm可控的納米點陣的制 備；該方法不僅得到的點陣孔徑分辨率大大提高，而且采用的刻寫設備和膜層體系也簡單 實用。本發(fā)明的技術方案是這樣實現(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)有機溶劑中，進行超聲清洗；清洗完將襯底進 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 薄膜表面進行激光刻寫；所述的激光刻寫條件如下采用激光波長為193nm 1200nm ；通過聲光調制器控制，選擇激光刻寫功率在lmw lOOmw ；通過聲光調制器調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，實現(xiàn)預設點陣的制備，得到 點陣孔徑在20nm 800nm，最高分辨率達20nm ；實現(xiàn)刻寫孔徑與刻寫功率線性可調。在上述技術方案中，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用于微電子和微納光學領域。在上述技術方案中，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陣的方法，其實質是利用激光光 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，實現(xiàn)預設點陣的制備；從而實現(xiàn)尺度可控的納米點陣制備，其 中點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、功率、脈寬等 密切相關。本發(fā)明的優(yōu)點在于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 點陣，具有工藝簡單、效率高的特點；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領域 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，利用激光直寫技術時，根據(jù)金屬膜層的種類和厚度，通過調制聲光調 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，實現(xiàn)預設點陣的制備；能夠實 現(xiàn)點陣孔徑在20nm 800nm，最高分辨率達20nm，遠低于衍射極限。5、本發(fā)明利用激光直寫設備，在優(yōu)化刻寫工藝參數(shù)前提下，能夠實現(xiàn)小孔直徑與 刻寫功率成線性關系，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陣方法的示意圖；圖2(a)為采用實施例1的方法，用SEM觀察到的結果，其中，圖中對應刻寫功率 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10mw刻寫點的放大圖；圖3為采用實施例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，刻寫激光功率與刻寫孔徑的對應線性關系圖。圖面說明如下1-襯底2-金屬膜層3-曝光光源
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于 下述實施例，應包括權利要求中的全部內容。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)、不同激光波長以及不同激光脈寬，所對應制作 納米點陣的工藝過程相同，因此本發(fā)明中給出一個實施例，其它實施方式與該實施方式完 全相似。本實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 % ；清洗完將襯底進行烘干處理，烘烤溫度為 120°C，烘烤時間為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)過程不對基底加熱；3)激光直寫，在激光直寫設備中，曝光光源3選用釹離子激光器發(fā)出的連續(xù)激光， 波長為532. 8nm，最大輸出功率為2W，通過聲光調制器調制為脈沖激光進行激光直寫；出射 平行光束被聲光調制器調制后，令1級調制光通過小孔經(jīng)過偏振分光鏡、1/4波片后成為圓 偏振光，經(jīng)擴束鏡擴束后射向光譜分光鏡。光譜分光鏡對于532. 8nm激光具有高反射率，而 對于輔助聚焦用的675nm波長激光具有高透射率；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波長光束經(jīng)過物鏡、光 譜分光鏡、擴束鏡和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)運動的納米位移臺上，納米位移臺用來調節(jié)物鏡和樣品之間的距離，確保激光會聚 點始終落在樣品的光敏感層上；樣品由計算機操縱的移動平臺控制，焦點光斑大約lPm， 同時用聲光調制器控制刻寫激光的通斷，并調整脈寬，從而在樣品上刻寫預設條件的點陣。 具體參數(shù)如下通過聲光調制器控制，選擇刻寫功率在lOmw 17mw ；通過聲光調制器控制，選擇刻寫脈寬在200ns ；預設點陣設計為，相同功率的點間距為1 P m，相鄰功率(如17mw與16mw)的點陣 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 點陣孔徑在40nm 350nm，最高分辨率達40nm，遠低于衍射極限。用SEM觀察刻寫區(qū)域，可觀察到如圖2所示的納米點陣。且在固定脈寬下，小孔尺
5寸與刻寫激光功率呈線性關系，如圖3所示。 本實施例采用激光直寫設備(見范永濤，徐文東.模塊化的激光直刻裝置申請?zhí)?200720072320. 3)能夠在單層金屬薄膜上實現(xiàn)納米點陣的可控制備，最高分辨率遠低于衍 射極限，克服了已有方法中設備和膜層體系相對復雜，以及刻寫點陣均一性較差等缺點，在 高密度存儲和納米加工應用上有廣闊應用前景。
權利要求
一種基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點陣的方法，包括以下步驟1)襯底清洗，將襯底順序浸于常規(guī)有機溶劑中，進行超聲清洗；清洗完將襯底進行烘干處理；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行激光刻寫；所述的激光刻寫條件如下采用激光波長為193nm～1200nm；通過聲光調制器控制，選擇激光刻寫功率在1mw～100mw；通過聲光調制器控制，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，實現(xiàn)孔徑20nm～800nm的點陣的制備，最高分辨率達20nm；實現(xiàn)刻寫孔徑與刻寫功率線性可調。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點陣的方法，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)權利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點陣的方法，其特征在 于，所述的有機溶劑為分析純丙酮、分析純酒精和去離子水。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點陣的方法，其特征在 于，所述的金屬薄膜為鋁或鈦薄膜。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點陣的方法，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)權利要求1所述的基于激光直寫金屬薄膜可控制備納米點陣的方法，其特征在 于，所述的激光為連續(xù)激光，通過聲光調制器調制為脈沖激光，進行激光直寫。
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，從而實現(xiàn)大面積納米點陣的制備。本發(fā)明的方法制備的納米點陣具有分辨率可達20nm，同時刻寫功率與點陣孔徑線性可控的特點。
文檔編號B82B3/00GK101935014SQ20091008808
公開日2011年1月5日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權日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 申請人:國家納米科學中心