一种基于金属玻璃薄膜相变材料的光刻方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体微纳加工领域，更具体地，涉及一种基于特定刻蚀液中高刻蚀 选择比，操作简单的相变材料光刻胶Pr-基金属玻璃薄膜的光刻方法。
【背景技术】
[0002] 在目前的半导体器件、光电子器件、微电子机械系统器件等微纳设备的制造过程 中，光刻工艺是其中最重要的技术之一。为了制备微纳孔径，目前主流的方法分为三种：电 子束光刻、聚焦离子束光刻、光学光刻。
[0003] 由于电子束光刻和聚焦离子束光刻需要在严格的真空环境下进行，若真空度无法 达到标准，尘埃在光学器件上的累积会导致所刻图案的畸变；设备昂贵，且光刻效率非常 低，不适合商业化的大批量生产。因此目前为止应用最为广泛的还是光学光刻。
[0004] 传统的光学光刻是是以200nm~450nm的紫外光作为光刻光源，利用光致抗蚀剂 (俗称光刻胶）作为中间媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片 (主要指硅片）或介质层上的一种工艺。其所能达到最小的分辨率由以下公式决定：
[0006] 其中R为光学分辨率，λ为光刻激光波长，NA为聚焦物镜的数值孔径。根据公式 可知，通过降低激光波长λ和提高数值孔径NA的方法能够直接有效地减小分辨率。但是 当激光波长减小到紫外和深紫外波段时，常规的光学元器件在该波段吸收很强，必须采用 CaF2等透紫外材料，大大增加了光刻成本；而数值孔径在空气中的极限值为1.0,目前所用 的0. 9也没有太大的提升空间。因此，为了满足科技的发展和保证摩尔定律的延续，新型光 刻技术正在被投入大量的研究。
[0007] 相变光刻利用无机相变材料（如GeSbTe)作为光刻胶以适量的厚度沉积在基底表 面，然后利用可调制的激光光束根据所需的形状图案对相变材料薄膜进行曝光，在激光曝 光之后，曝光区域由于激光致热使温度超过相变温度会发生相变，而未曝光的区域仍为非 晶态保持不变，将薄膜浸入到刻蚀液之中，利用曝光区域（晶态）和未曝光区域（非晶态） 在刻蚀液之中的刻蚀差异来完成微纳结构的制备。
[0008] 目前的相变光刻的研究多数都是基于硫系半导体相变材料（如GeSbTe、AgInSbTe 等）及其多层膜结构，硫系半导体单层膜材料的刻蚀选择比（即两相的刻蚀速率比）并不 高，大约仅有2左右，而多层膜的刻蚀边缘模糊，不够陡峭。因此，新型相变光刻材料的研究 对于相变光刻的发展显得尤为重要。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的多层膜的刻蚀边缘模糊，不够陡峭，本发明的目的在旨在解决以 上技术的问题。
[0010] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于金属玻璃薄膜相变材料的光刻方法，其 特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0011] (1)通过磁控溅射在石英衬底表面沉积一层所述金属玻璃非晶薄膜；
[0012] (2)对所得的沉积态薄膜进行选择性激光曝光，调整所述激光功率使得曝光区域 达到晶化温度发生相变，产生所需晶化纳米图案；
[0013] (3)将已经进行选择性曝光处理的晶化纳米图案的薄膜样品放入已经配制好硝酸 溶液进行刻蚀，形成所需的纳米图案；
[0014] 其中所述金属玻璃薄膜相变材料为Pr-、Ni-、NcK La-、Pt-或Ce-基金属玻璃薄 膜相变材料。
[0015] 优选地，所述硝酸溶液为硝酸水溶液或者硝酸乙醇溶液；
[0016] 优选地，配制所述硝酸水溶液中所用的硝酸为65%的浓硝酸，其中，浓硝酸与水的 体积比为1:180,所配制的硝酸水溶液的质量分数为0. 5%。
[0017] 优选地，所述刻蚀温度为室温至40°C，时间为5S-50S。
[0018] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0019] 利用Pr-基金属玻璃相变材料薄膜作为光刻胶，Pr-基金属玻璃是一种热稳定性 高的金属玻璃相变材料，晶化温度较低，适用于激光直写曝光致热相变；热导率较高，有利 于通过改变激光功率精确控制晶化图案线宽；无毒无害，对环境无污染；刻蚀选择比高，能 达到5:1的刻蚀选择比，非常适用于相变光刻技术。
【附图说明】
[0020] 图1为Pr-基金属玻璃相变材料作为光刻胶使用流程图；
[0021] 图2为PrAlNiCu相变材料非晶态薄膜进行激光直写曝光后晶化的金相显微镜 图；
[0022] 图3为PrAlNiCu相变材料薄膜曝光前后的XRD图谱对比图；
[0023] 图4为PrAlNiCu非晶态薄膜与晶态薄膜在0. 5%质量分数的硝酸溶液中刻蚀量与 刻蚀时间的曲线对比图。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0025] 如图1所示，通过磁控溅射在石英衬底表面沉积一层Pr-基金属玻璃非晶薄膜，对 所得的沉积态薄膜进行选择性激光曝光，调整激光功率使得曝光区域达到晶化温度发生相 变，产生所需晶化纳米图案，即曝光的部分由非晶态变为晶态；将已经进行选择性曝光处理 的晶化纳米图案的薄膜样品放入已经配制好特定比例的硝酸溶液进行刻蚀，刻蚀完成后放 入清水中清洗吹干，最终制备出所需要的纳米图案。
[0026] 进一步地，所述硝酸溶液为硝酸水溶液或者硝酸乙醇溶液，优选硝酸水溶液；
[0027] 进一步地，所述配制的硝酸水溶液中所用的硝酸为65%的浓硝酸，其中，浓硝酸与 水的体积比为1:180。所配制的硝酸水溶液的质量分数为0. 5%。
[0028] 进一步地，所述的刻蚀温度为室温至40°C，优选25°C。
[0029] 进一步地，在硝酸溶液中刻蚀时间为5s_50s。
[0030] 进一步地，所述曝光使用激光直写技术；
[0031] (1)所用激光波长为661nm ;
[0032] (2)所用激光聚焦镜头数值孔径为0. 4 ;
[0033] (3)所述激光功率为30mW-80mW ;
[0034] (4)所述激光曝光时间为50us_2ms。
[0035] 进一步地，该光刻方法除了适用于Pr-基金属玻璃之外，还适用于Ni-，Nd-，La-， Pt-或Ce-基金属玻璃。
[0036] 进一步地，Pr-基金属玻璃薄膜是采用Pr-基金属玻璃靶材，利用磁控溅射在单晶 硅基底沉积制备的。
[0037] 进一步地，所述薄膜厚度为200nm-400nm，优选300nm。
[0038] 实施例1 :
[0039] 利用磁控派射的方法在厚度为1mm的石英衬底上派射一层300nm的PrAlNiCu金 属玻璃薄膜。其中，具体的溅射参数为直流溅射（DC)，所用氩气压0. 3pa，溅射功率60W，靶 基距为120mm，溅射时间为15分钟，溅射前预溅射15分钟。
[0040] 利用激光进行曝光，具体步骤为：通过将激光光源固定，将样品放置在可移动电机 上，将所需要得到的纳米图案步进顺序导入计算机，利用计算机对电机进行步进控制，从而 对所需纳米图案进行选择性曝光直写，图2所示为曝光后利用金相显微镜观察图形。如图 3所示，曝光前的XRD图谱（a)平滑无凸起，为非晶态；曝光后的XRD图谱（b)显示出明显 的衍射峰，为晶态。
[0041] 将曝光后的样品放置在已经配制好的硝酸水溶液中进行刻蚀，硝酸溶液的质量分 数为〇. 5%，刻蚀时间分别为5s、10s、15s、20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s。每个时间点的 刻蚀量如图4所示。
[0042] 由图4所示，随着刻蚀时间的增加，刻蚀的量也在线性地增加，但是非晶态的刻蚀 速率与晶态的刻蚀速率并不一致，非晶态PrAlNiCu的刻蚀速率约为每秒10. 053nm，而晶态 PrAlNiCu的刻蚀速率约为每秒2. 004nm，非晶态与晶态的PrAlNiCu在刻蚀液中的刻蚀选择 比约为5:1，呈现出极佳的相变光刻潜力。
[0043] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于金属玻璃薄膜相变材料的光刻方法，其特征在于，所述方法包括以下步 骤： (1) 通过磁控溅射在石英衬底表面沉积一层金属玻璃非晶薄膜； (2) 对所得的沉积态薄膜进行选择性激光曝光，调整所述激光功率使得曝光区域达到 晶化温度发生相变，产生所需晶化纳米图案； (3) 将已经进行选择性曝光处理的晶化纳米图案的薄膜样品放入已经配制好硝酸溶液 进行刻蚀，形成所需的纳米图案。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属玻璃薄膜相变材料为Pr-、Ni-、 Nd-、La-、Pt-或Ce-基金属玻璃薄膜相变材料。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硝酸溶液为硝酸水溶液或者硝酸乙醇 溶液。4. 如权利要求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为65% 的浓硝酸，其中，浓硝酸与水的体积比为1:180,所配制的硝酸水溶液的质量分数为0. 5%。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀温度为室温至40°C，时间为 5s_50s〇6. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Pr-基金属玻璃薄膜相变材料是采用 Pr-基金属玻璃靶材，利用磁控溅射在石英基底沉积制备的。7. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述薄膜的厚度为200nm-400nm。
【专利摘要】本发明公开了一种基于金属玻璃薄膜相变材料的光刻方法，属于半导体微纳加工领域；现有技术中，多层膜的刻蚀边缘模糊，不够陡峭；本发明提供的方法，利用Pr-基金属玻璃相变材料薄膜作为光刻胶，Pr-基金属玻璃是一种热稳定性高的金属玻璃相变材料，晶化温度较低，适用于激光直写曝光致热相变；热导率较高，有利于通过改变激光功率精确控制晶化图案线宽；无毒无害，对环境无污染；刻蚀选择比高，能达到5:1的刻蚀选择比，工艺简单可控，生产周期短，非常适用于相变光刻技术。
【IPC分类】G03F7/00
【公开号】CN105301896
【申请号】CN201510828527
【发明人】缪向水, 罗腾, 李震
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月25日