一种超衍射极限纳米图形的制作方法与流程

本发明涉及纳米光刻技术领域，特别的是涉及一种激光直写设备在衬底上制备超衍射极限纳米图形的方法。

背景技术：

纳米光刻是微纳加工非常重要的一个步骤，它利用光化学反应将电路的图形转移到衬底（例如砷化镓衬底，硅衬底）。由于光具有亚微米级的波长，因此光学光刻可以实现微米级精密的微纳结构加工。

随着纳米加工工艺的要求越来越高以及集成电路的特征尺寸越来越小，光刻技术变得越来越复杂。由于光学衍射极限（λ/2na，其中na为数值孔径）的存在，光刻的特征尺寸因此受到限制，难以继续减小。缩小光刻的曝光波长是最为有效的减小光刻特征尺寸的办法，目前已经研究到深紫外波长（euv，13nm）的相关技术，同时人们还想出很多技术手段来克服衍射极限，例如相移掩模技术，油浸光刻，二次成像技术等。但这些技术成本较高，随着曝光波长的减小在设备生产研发以及对应光刻胶的研发成本迅速增长。

无掩膜激光直写技术是一种受制于热扩散的技术，是一种基于大量光子吸收产热进而引起光刻胶性质改变的技术，其受衍射极限的影响较小，光刻胶不受波长限制，研发成本低，研发周期短，是具有广泛应用前景的光刻技术。但是目前光刻条纹的尺度和周期不能进一步的缩小，限制了其在纳米技术中的应用。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种制备超衍射纳米图形的方法，已解决现有激光直写技术中光刻尺寸不能进一步缩小的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种激光直写制备超衍射极限纳米图形的方法，具体包括以下步骤，

1）在衬底上制备双层相变材料结构作为光刻胶；

2）在双层相变材料结构光刻胶上进行多次光刻；

3）将光刻后样品上层的光刻胶去除；

4）对去除上层光刻胶的样品进行显影，在所述衬底上获得超越衍射极限的图形的结构。

优选的，步骤1）具体为，在衬底上制备下层高阈值相变材料膜层，再在下层高阈值相变材料膜层上制备上层低阈值相变材料膜层。

优选的，步骤2）具体为，对双层相变材料结构进行第一次光刻，在衬底上获得图形结构后，平移1/2周期，进行第二次光刻。

优选的，步骤3）具体为，选择性去除上层低阈值相变材料膜层；

优选的，步骤4）具体为，对下层高阈值的膜层样品进行显影得到超越衍射极限的图形。

进一步地，下层高阈值相变材料膜层、上层低阈值相变材料膜层选自硫属相变材料中的一种或者其他相变材料中的任意一种，其中，硫属相变材料包括gsbt锗锑铋碲、gst锗锑碲、gsst锗锑锡碲、sb2te3碲化锑；上层低阈值相变材料膜层的阈值低于下层高阈值相变材料膜层的阈值；下层高阈值相变材料膜层相变材料、上层低阈值相变材料膜层的厚度均为40nm~300nm。

进一步地，衬底上制备双层相变材料结构的方法包括磁控溅射，热蒸发，电子束蒸发技术。

进一步地，光刻的功率为5mw~100mw，脉冲时间为100fs~100ns；光刻的波长包括从远红外到紫外，波长范围从10um~10nm。

优选的，相变材料的层数为两层，但不仅限于两层；下层高阈值相变材料膜层、上层低阈值相变材料膜层之间可以选择一层介质膜以无损的剥离上层低阈值相变材料膜层。当未选用介质膜时，对上层低阈值相变材料膜层去除利用对上层敏感的显影液，用精确的控制时间去除；当选用介质膜的时候，对上层去除可以利用类似有机工艺的剥离技术，利用腐蚀液对介质膜的腐蚀特性去除。

可选的，用于去除上层低阈值相变材料膜层的显影液为碱与氧化的混合溶液或酸与氧化物的混合液；碱包括tmah，naoh，koh；酸包括hno3，hcl，h2so4；氧化物为h2o2，kmno4中的至少一种。

可选的，介质膜的包括sio2，si3n4等常见的介质膜，去除介质膜的溶液主要为hf。

可选的，衬底的材料选自si、sio2、gaas、gasb、inp、蓝宝石等现有衬底中的任意一种。

当一束合适的光束照射在相变材料的表明，由于两层相变材料的阈值不同，而温度是连续变化的，因此在两层相变材料的交界面处，相变的区域是突变的。由于下层相变材料的阈值明显的高于下层材料的阈值，因此下层相变材料的相变区域明显的小于上层相变材料的相变区域，从而减小了激光直写光刻的特征尺寸，此外由于对于强激光的非线性吸收特性，激光的分布特性曲线更加的陡直，下层相变材料受激光影响的区域也会小于上层相变材料受激光影响的区域，因此也会减小激光直写的特征尺寸。

本发明的有益效果为：

本发明提供的纳米图形的制作方法，通过双层胶工艺结构结合具有不同阈值的两种材料通过两次光刻形成了远小于衍射极限的纳米图形减小了纳米图形的周期和狭缝的尺寸。

附图说明

图1-图10是根据本发明的实施例1的激光直写制备超衍射极限纳米图形的制作方法的工艺流程图示。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

具体参照图1-图8，根据本实施例的激光直写制备超衍射极限纳米图形的制作方法包括下述步骤：

步骤一：对衬底进行清洗。

步骤二：在衬底101上制备下层高阈值相变材料膜层201，如图2所示。

具体地，在本实施例中，衬底101的材料为si衬底；下层高阈值相变材料膜层201的材料为gsbt；下层高阈值相变材料膜层201的厚度为40nm~300nm。

当然，衬底101以及下层高阈值相变材料膜层201的材料并不限于本实施例中所述的si及gsbt；衬底1的材料还可以选用si、sio2、gaas、gasb、inp、蓝宝石等现有衬底，下层高阈值相变材料膜层选自gsbt锗锑铋碲，gst锗锑碲，gsst锗锑锡碲，sb2te3碲化锑等硫属相变化合物或者其他相变材料。

步骤三：在下层高阈值相变材料膜层201上制备介质膜301，如图3所示。

具体地，可选择等离子体增强化学气相沉积法（简称pecvd）或者电感耦合化学气相沉积法（简称icpcvd）在下层高阈值相变材料膜层201上沉积一层厚度为5nm~20nm的介质膜301。

可选的，介质膜301可以选用sio2，si3n4等材料；

可选的，可以选择不使用介质膜301；

步骤四：在介质膜301上制备上层低阈值相变材料膜层401，如图4所示。

具体地，上层低阈值相变材料膜层401的材料为gst；上层低阈值相变材料膜层401的厚度为40nm~300nm。

可选的，上层低阈值相变材料膜层401的材料并不限于本实施例中所述的gst；上层低阈值相变材料膜层选自gsbt锗锑铋碲，gst锗锑碲，gsst锗锑锡碲，sb2te3碲化锑等硫属相变化合物或者其他相变材料。

步骤五：进行第一次光刻（激光直写），在衬底101上获得如图6所示的图形结构，其细节如图5所示。

具体来讲，本实施例的光刻的功率为5mw~100mw，脉冲时间为100fs~100ns。

通过前述步骤一-步骤五的操作，可以看出，衬底1上图形结构在下层高阈值相变材料膜层201和上层低阈值相变材料膜层401上分别分为两个区域，通过透镜501聚焦的光束502作用的相变膜层区域503-c在激光引起的高温的作用下由非晶态变为晶态，未被激光辐照的区域503-a依旧保持非晶态的特性。对应在上层低阈值相变材料膜层401相变膜层，由于部分热量被样品上层低阈值相变材料膜层401的材料吸收，且阈值增加，激光分布更加集中，所以相变的区域急剧减小，其位于上层相变区域503-c正下方的区域504-c发生相变，该区域504-c物质结构由非晶态变为晶态。

步骤六：样品进行第二次光刻（激光直写），在衬底101上获得如图7所示的图形结构。

具体来讲，本实施例的光刻相对第一次光刻图形相同，但是整体偏移1/2步长，本实施例的激光直写的功率为5mw~100mw，脉冲时间为100fs~100ns。

通过前述步骤六的操作，可以看出，上层相变材料分为仅受第一次激光辐照超过相变点的区域503-c，仅受第二次激光辐照超过相变点的区域604-c，和两次均超过相变温度的区域603-c（多次超过相变温度得到的相为晶相），受到第二次激光辐照下层相变材料区域605-c由非晶相变为晶相，由于下层相变区域和上层相变区域相比存在明显的突变（减小），控制合适的阈值差和能量差，以及步长，可以将第二次光刻产生的晶相区域，可以使可以得到如图6所示晶态、非晶态、晶态重复的的周期结构。

步骤七：将上层低阈值相变材料膜层401和介质膜301去除，获得如图8所示的图形结构。

具体地，选用对两种相变材料膜层有极大刻蚀比的溶液将上层低阈值相变材料膜层401去除。

可选的，选用合适的对介质膜的腐蚀的介质将介质膜301无损的剥离，将上层低阈值相变材料膜层401同时去除。

步骤八：对相变膜层201进行显影得到如图8所示的图形结构。

可选的对其进行正胶显影得到的图形如图9所示，选择的溶液为hcl，h2so4，hno3等与双氧水，kmno4的混合溶液。

可选的对其进行负胶显影得到的图形如图10所示，选择的溶液为koh，naoh，nh4oh，tmah等与双氧水，kmno4的混合溶液。

综上，可以看出，激光的功率，脉宽，波长，聚焦透镜的选择会影响最终得到的图形的尺寸。由此，即可通过优化不同的激光的功率，脉宽，波长，聚焦透镜来得到小尺寸的纳米图形。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。