一種基于金屬玻璃薄膜相變材料的光刻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體微納加工領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于特定刻蝕液中高刻蝕 選擇比，操作簡單的相變材料光刻膠Pr-基金屬玻璃薄膜的光刻方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在目前的半導(dǎo)體器件、光電子器件、微電子機械系統(tǒng)器件等微納設(shè)備的制造過程 中，光刻工藝是其中最重要的技術(shù)之一。為了制備微納孔徑，目前主流的方法分為三種：電 子束光刻、聚焦離子束光刻、光學(xué)光刻。
[0003] 由于電子束光刻和聚焦離子束光刻需要在嚴格的真空環(huán)境下進行，若真空度無法 達到標準，塵埃在光學(xué)器件上的累積會導(dǎo)致所刻圖案的畸變；設(shè)備昂貴，且光刻效率非常 低，不適合商業(yè)化的大批量生產(chǎn)。因此目前為止應(yīng)用最為廣泛的還是光學(xué)光刻。
[0004] 傳統(tǒng)的光學(xué)光刻是是以200nm~450nm的紫外光作為光刻光源，利用光致抗蝕劑 (俗稱光刻膠）作為中間媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片 (主要指硅片）或介質(zhì)層上的一種工藝。其所能達到最小的分辨率由以下公式?jīng)Q定：
[0006] 其中R為光學(xué)分辨率，λ為光刻激光波長，NA為聚焦物鏡的數(shù)值孔徑。根據(jù)公式 可知，通過降低激光波長λ和提高數(shù)值孔徑NA的方法能夠直接有效地減小分辨率。但是 當(dāng)激光波長減小到紫外和深紫外波段時，常規(guī)的光學(xué)元器件在該波段吸收很強，必須采用 CaF2等透紫外材料，大大增加了光刻成本；而數(shù)值孔徑在空氣中的極限值為1.0,目前所用 的0. 9也沒有太大的提升空間。因此，為了滿足科技的發(fā)展和保證摩爾定律的延續(xù)，新型光 刻技術(shù)正在被投入大量的研究。
[0007] 相變光刻利用無機相變材料（如GeSbTe)作為光刻膠以適量的厚度沉積在基底表 面，然后利用可調(diào)制的激光光束根據(jù)所需的形狀圖案對相變材料薄膜進行曝光，在激光曝 光之后，曝光區(qū)域由于激光致熱使溫度超過相變溫度會發(fā)生相變，而未曝光的區(qū)域仍為非 晶態(tài)保持不變，將薄膜浸入到刻蝕液之中，利用曝光區(qū)域（晶態(tài)）和未曝光區(qū)域（非晶態(tài)） 在刻蝕液之中的刻蝕差異來完成微納結(jié)構(gòu)的制備。
[0008] 目前的相變光刻的研究多數(shù)都是基于硫系半導(dǎo)體相變材料（如GeSbTe、AgInSbTe 等）及其多層膜結(jié)構(gòu)，硫系半導(dǎo)體單層膜材料的刻蝕選擇比（即兩相的刻蝕速率比）并不 高，大約僅有2左右，而多層膜的刻蝕邊緣模糊，不夠陡峭。因此，新型相變光刻材料的研究 對于相變光刻的發(fā)展顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)的多層膜的刻蝕邊緣模糊，不夠陡峭，本發(fā)明的目的在旨在解決以 上技術(shù)的問題。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于金屬玻璃薄膜相變材料的光刻方法，其 特征在于，所述方法包括以下步驟：
[0011] (1)通過磁控濺射在石英襯底表面沉積一層所述金屬玻璃非晶薄膜；
[0012] (2)對所得的沉積態(tài)薄膜進行選擇性激光曝光，調(diào)整所述激光功率使得曝光區(qū)域 達到晶化溫度發(fā)生相變，產(chǎn)生所需晶化納米圖案；
[0013] (3)將已經(jīng)進行選擇性曝光處理的晶化納米圖案的薄膜樣品放入已經(jīng)配制好硝酸 溶液進行刻蝕，形成所需的納米圖案；
[0014] 其中所述金屬玻璃薄膜相變材料為Pr-、Ni-、NcK La-、Pt-或Ce-基金屬玻璃薄 膜相變材料。
[0015] 優(yōu)選地，所述硝酸溶液為硝酸水溶液或者硝酸乙醇溶液；
[0016] 優(yōu)選地，配制所述硝酸水溶液中所用的硝酸為65%的濃硝酸，其中，濃硝酸與水的 體積比為1:180,所配制的硝酸水溶液的質(zhì)量分數(shù)為0. 5%。
[0017] 優(yōu)選地，所述刻蝕溫度為室溫至40°C，時間為5S-50S。
[0018] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：
[0019] 利用Pr-基金屬玻璃相變材料薄膜作為光刻膠，Pr-基金屬玻璃是一種熱穩(wěn)定性 高的金屬玻璃相變材料，晶化溫度較低，適用于激光直寫曝光致熱相變；熱導(dǎo)率較高，有利 于通過改變激光功率精確控制晶化圖案線寬；無毒無害，對環(huán)境無污染；刻蝕選擇比高，能 達到5:1的刻蝕選擇比，非常適用于相變光刻技術(shù)。
【附圖說明】
[0020] 圖1為Pr-基金屬玻璃相變材料作為光刻膠使用流程圖；
[0021] 圖2為PrAlNiCu相變材料非晶態(tài)薄膜進行激光直寫曝光后晶化的金相顯微鏡 圖；
[0022] 圖3為PrAlNiCu相變材料薄膜曝光前后的XRD圖譜對比圖；
[0023] 圖4為PrAlNiCu非晶態(tài)薄膜與晶態(tài)薄膜在0. 5%質(zhì)量分數(shù)的硝酸溶液中刻蝕量與 刻蝕時間的曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0025] 如圖1所示，通過磁控濺射在石英襯底表面沉積一層Pr-基金屬玻璃非晶薄膜，對 所得的沉積態(tài)薄膜進行選擇性激光曝光，調(diào)整激光功率使得曝光區(qū)域達到晶化溫度發(fā)生相 變，產(chǎn)生所需晶化納米圖案，即曝光的部分由非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)；將已經(jīng)進行選擇性曝光處理 的晶化納米圖案的薄膜樣品放入已經(jīng)配制好特定比例的硝酸溶液進行刻蝕，刻蝕完成后放 入清水中清洗吹干，最終制備出所需要的納米圖案。
[0026] 進一步地，所述硝酸溶液為硝酸水溶液或者硝酸乙醇溶液，優(yōu)選硝酸水溶液；
[0027] 進一步地，所述配制的硝酸水溶液中所用的硝酸為65%的濃硝酸，其中，濃硝酸與 水的體積比為1:180。所配制的硝酸水溶液的質(zhì)量分數(shù)為0. 5%。
[0028] 進一步地，所述的刻蝕溫度為室溫至40°C，優(yōu)選25°C。
[0029] 進一步地，在硝酸溶液中刻蝕時間為5s_50s。
[0030] 進一步地，所述曝光使用激光直寫技術(shù)；
[0031] (1)所用激光波長為661nm ;
[0032] (2)所用激光聚焦鏡頭數(shù)值孔徑為0. 4 ;
[0033] (3)所述激光功率為30mW-80mW ;
[0034] (4)所述激光曝光時間為50us_2ms。
[0035] 進一步地，該光刻方法除了適用于Pr-基金屬玻璃之外，還適用于Ni-，Nd-，La-， Pt-或Ce-基金屬玻璃。
[0036] 進一步地，Pr-基金屬玻璃薄膜是采用Pr-基金屬玻璃靶材，利用磁控濺射在單晶 硅基底沉積制備的。
[0037] 進一步地，所述薄膜厚度為200nm-400nm，優(yōu)選300nm。
[0038] 實施例1 :
[0039] 利用磁控派射的方法在厚度為1mm的石英襯底上派射一層300nm的PrAlNiCu金 屬玻璃薄膜。其中，具體的濺射參數(shù)為直流濺射（DC)，所用氬氣壓0. 3pa，濺射功率60W，靶 基距為120mm，濺射時間為15分鐘，濺射前預(yù)濺射15分鐘。
[0040] 利用激光進行曝光，具體步驟為：通過將激光光源固定，將樣品放置在可移動電機 上，將所需要得到的納米圖案步進順序?qū)胗嬎銠C，利用計算機對電機進行步進控制，從而 對所需納米圖案進行選擇性曝光直寫，圖2所示為曝光后利用金相顯微鏡觀察圖形。如圖 3所示，曝光前的XRD圖譜（a)平滑無凸起，為非晶態(tài)；曝光后的XRD圖譜（b)顯示出明顯 的衍射峰，為晶態(tài)。
[0041] 將曝光后的樣品放置在已經(jīng)配制好的硝酸水溶液中進行刻蝕，硝酸溶液的質(zhì)量分 數(shù)為〇. 5%，刻蝕時間分別為5s、10s、15s、20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s。每個時間點的 刻蝕量如圖4所示。
[0042] 由圖4所示，隨著刻蝕時間的增加，刻蝕的量也在線性地增加，但是非晶態(tài)的刻蝕 速率與晶態(tài)的刻蝕速率并不一致，非晶態(tài)PrAlNiCu的刻蝕速率約為每秒10. 053nm，而晶態(tài) PrAlNiCu的刻蝕速率約為每秒2. 004nm，非晶態(tài)與晶態(tài)的PrAlNiCu在刻蝕液中的刻蝕選擇 比約為5:1，呈現(xiàn)出極佳的相變光刻潛力。
[0043] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于金屬玻璃薄膜相變材料的光刻方法，其特征在于，所述方法包括以下步 驟： (1) 通過磁控濺射在石英襯底表面沉積一層金屬玻璃非晶薄膜； (2) 對所得的沉積態(tài)薄膜進行選擇性激光曝光，調(diào)整所述激光功率使得曝光區(qū)域達到 晶化溫度發(fā)生相變，產(chǎn)生所需晶化納米圖案； (3) 將已經(jīng)進行選擇性曝光處理的晶化納米圖案的薄膜樣品放入已經(jīng)配制好硝酸溶液 進行刻蝕，形成所需的納米圖案。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬玻璃薄膜相變材料為Pr-、Ni-、 Nd-、La-、Pt-或Ce-基金屬玻璃薄膜相變材料。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硝酸溶液為硝酸水溶液或者硝酸乙醇 溶液。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，配制所述硝酸水溶液中所用的硝酸為65% 的濃硝酸，其中，濃硝酸與水的體積比為1:180,所配制的硝酸水溶液的質(zhì)量分數(shù)為0. 5%。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蝕溫度為室溫至40°C，時間為 5s_50s〇6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述Pr-基金屬玻璃薄膜相變材料是采用 Pr-基金屬玻璃靶材，利用磁控濺射在石英基底沉積制備的。7. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述薄膜的厚度為200nm-400nm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于金屬玻璃薄膜相變材料的光刻方法，屬于半導(dǎo)體微納加工領(lǐng)域；現(xiàn)有技術(shù)中，多層膜的刻蝕邊緣模糊，不夠陡峭；本發(fā)明提供的方法，利用Pr-基金屬玻璃相變材料薄膜作為光刻膠，Pr-基金屬玻璃是一種熱穩(wěn)定性高的金屬玻璃相變材料，晶化溫度較低，適用于激光直寫曝光致熱相變；熱導(dǎo)率較高，有利于通過改變激光功率精確控制晶化圖案線寬；無毒無害，對環(huán)境無污染；刻蝕選擇比高，能達到5:1的刻蝕選擇比，工藝簡單可控，生產(chǎn)周期短，非常適用于相變光刻技術(shù)。
【IPC分類】G03F7/00
【公開號】CN105301896
【申請?zhí)枴緾N201510828527
【發(fā)明人】繆向水, 羅騰, 李震
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月25日