專利名稱：提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光熱刻蝕，具體涉及一種提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
激光熱刻蝕技術(shù)是2002年由日本的M. Kuwahara等人提出(參考文獻[I] M.Kuwahara, J. M. Li，C. Mihalcea, N. Atoda, J. Tominaga, L P. Shi, Jpn. J. AppI.Phys. 2002; 41，L1022-L1024.)，該技術(shù)主要利用激光熱刻蝕材料的熱變化閾值效應(yīng)制備高分辨微納光刻圖形。首先利用高斯激光束直接輻照激光熱刻蝕薄膜，熱刻蝕薄膜吸收光子后產(chǎn)生熱效應(yīng)引起熱刻蝕薄膜的物理或化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，最終實現(xiàn)在顯影液中選擇性顯影。該技術(shù)具有光刻裝置成本低，控制容易，刻蝕工藝簡單、制造成本低等優(yōu)勢。目前主要用于以下幾個方面制造高密度光盤母盤；制造微納光刻圖形或納米壓印的模板；制造微納光學(xué)、光子學(xué)器件；制備LED器件或太陽能薄膜表面陣列結(jié)構(gòu)增強其發(fā)光效率或光電轉(zhuǎn)換效率。(參考文獻[2] K. Yusu, R. Yamamoto, M. Matsumaru, N. Nakamura, S.Katsuda, Jpn. J. AppI. Phys. 2009; 48, o3A068. [3]T. Mori, Jpn. J. AppI. Phys.2009; 48, 010221. [4] T. Shinagawa, Y. Abe, H. Matsumoto, B. C. Li, K. Murakami,N. Okada, K. Tadatomo, M. Kannaka, H. Fujii, Phys. Status Solidi C 2010, 7,2165-2167)隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，也越來越要求制備出具有較高分辨率的微納圖形結(jié)構(gòu)。為了滿足激光熱刻蝕技術(shù)在實際應(yīng)用中的需求，在利用激光熱刻蝕材料本身的熱變化閾值效應(yīng)制備微納圖形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，如何進一步提高激光熱刻蝕圖形的分辨率的一個很重要的問題。一般的方法是通過縮小激光作用波長和增大物鏡數(shù)值孔徑來提高制備得到的微納結(jié)構(gòu)的分辨率。但是隨著激光波長的縮短和數(shù)值孔徑的增大，分辨率提高的也十分有限，并且相匹配的光刻系統(tǒng)的制造成本及技術(shù)難度也相應(yīng)增加，使其在實際應(yīng)用中受到限制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可以提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)及其制備方法，該薄膜結(jié)構(gòu)具有膜層結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝參數(shù)可控性好，重復(fù)性高，基片要求低等優(yōu)點?？梢杂行岣呒す鉄峥涛g圖形的分辨率。本發(fā)明技術(shù)解決方案如下
一種提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜結(jié)構(gòu)包括沉積在玻璃基片上的熱傳導(dǎo)薄膜和激光熱刻蝕薄膜，所述的激光熱刻蝕薄膜由厚度5(T200nm的相變型激光熱刻蝕薄膜構(gòu)成，所述的熱傳導(dǎo)薄膜由厚度為10(T500nm的熱導(dǎo)率高于148 W/mK的金屬或半導(dǎo)體單質(zhì)構(gòu)成，所述的基片為厚度0. 5^5mm的玻璃片。所述的提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，包括下列步驟
①將所述的玻璃基片先后經(jīng)去離子水浸泡超聲清洗和無水乙醇超聲清洗兩次，每次10、分鐘，用純度99. 9%的高壓氮氣吹干，置于干燥器中備用；
②將所述的玻璃基片固定在磁控濺射儀的基片托上，然后把基片托夾持在磁控濺射儀真空腔里的基片座上，然后關(guān)閉真空腔蓋開始抽真空，當濺射腔內(nèi)的本底真空度優(yōu)于3X IO-4Pa時，通氬氣，通過氣體流量計控制氬氣的通入量為SOsccm，同時調(diào)節(jié)磁控濺射儀閘板閥使工作氣壓維持在0. 75-0. 85Pa ；
③采用直流濺射法在所述的玻璃基片上制備所述的熱傳導(dǎo)薄膜層；
④采用射頻濺射法在所述的熱傳導(dǎo)薄膜層上制備熱刻蝕薄膜層。本發(fā)明利用在激光熱刻蝕薄膜的下層添加一熱傳導(dǎo)層來改變激光熱刻蝕薄膜內(nèi) 部的溫度場分布，從而可以有效提高激光熱刻蝕的分辨率。其原理是對于單層的激光熱刻蝕膜層，當激光作用熱刻蝕薄膜之后，膜層內(nèi)的熱量主要沿橫向擴散；當在激光熱刻蝕膜層下插入熱導(dǎo)率高的熱傳導(dǎo)層后，由于熱傳導(dǎo)材料的熱導(dǎo)率大于激光熱刻蝕薄膜，使得原本在熱刻蝕膜層內(nèi)主要沿橫向擴散的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕乜v向傳導(dǎo)并擴散，即有效減小了熱刻蝕膜層內(nèi)的橫向熱量擴散，也即是減小了激光熱刻蝕材料在激光作用后的有效熱變化閾值的尺寸，從而可以提高激光熱刻蝕的分辨率。本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明利用熱傳導(dǎo)率高的熱傳導(dǎo)層改變激光法熱刻蝕薄膜內(nèi)部的熱量擴散方向，而有效提高激光熱刻蝕圖形的分辨率。
圖I是本發(fā)明提出的含有熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是無熱傳導(dǎo)層的激光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖1，由圖可見，本發(fā)明提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)，沉積在玻璃基片3上的熱傳導(dǎo)薄膜層2和激光熱刻蝕薄膜層1，所述的激光熱刻蝕薄膜層I由相變型激光熱刻蝕薄膜構(gòu)成，所述的熱傳導(dǎo)薄膜層2由熱導(dǎo)率高于148 W/mK的金屬或半導(dǎo)體單質(zhì)構(gòu)成，所述的基片3為雙面拋光的玻璃片。所述的提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，包括下列步驟
①將所述的玻璃基片3先后經(jīng)去離子水浸泡超聲清洗和無水乙醇超聲清洗兩次，每次10分鐘，用純度99. 9%的高壓氮氣吹干，置于干燥器中備用；
②將所述的玻璃基片固定在磁控濺射儀的基片托上，然后把基片托夾持在磁控濺射儀真空腔里的基片座上，然后關(guān)閉真空腔蓋開始抽真空，當濺射腔內(nèi)的本底真空度優(yōu)于3X IO-4Pa時，通氬氣，通過氣體流量計控制氬氣的通入量為SOsccm，同時調(diào)節(jié)磁控濺射儀閘板閥使工作氣壓維持在0. 75-0. 85Pa ；
③采用直流濺射法在所述的玻璃基片3上制備所述的熱傳導(dǎo)薄膜層2；
④采用射頻濺射法在所述的熱傳導(dǎo)薄膜層2上制備熱刻蝕薄膜層I。下面是本發(fā)明的幾個具體實施例將K9玻璃基片先后分別用去離子水浸泡超聲清洗和無水乙醇超聲清洗兩次，每次10分鐘，用純度99. 9%的高壓氮氣吹干。將吹干的K9玻璃基片固定在磁控濺射儀的基片托上，然后把基片托夾持在磁控濺射儀真空腔里的基片座上，然后關(guān)閉真空腔蓋開始抽真空，當濺射腔內(nèi)的本底真空度優(yōu)于3X10_4Pa時，通氬氣，通過氣體流量計控制氬氣的通入量為80sccm,同時調(diào)節(jié)磁控濺射儀閘板閥使工作氣壓維持在0. 75-0. 85Pa。然后采用直流濺射法在K9玻璃基片3上制備所述的熱傳導(dǎo)薄膜層2 (200nm);采用射頻濺射法在所述的熱傳導(dǎo)薄膜層2上制備熱刻蝕薄膜層I (lOOnm)，結(jié)構(gòu)如圖I所示。作為對比，在同樣的工藝條件下制備熱刻蝕薄膜層I (lOOnm)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述的激光熱刻蝕薄膜層I為銀銦碲銻(Ag8In14Sb55Te23)或鍺碲銻(Ge2Sb2Te5)或碲銻合金(Sb7Je3tl),所述的熱傳導(dǎo)薄膜層2為熱導(dǎo)率高的Ag或Cu或Al或Si，所述的基片為K9玻璃基片。
本發(fā)明采用激光輻照熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)，采用硫化銨刻蝕液顯影激光熱刻蝕圖形結(jié)構(gòu)，利用原子力顯微鏡觀察激光熱刻蝕圖形的尺寸。得到如下結(jié)果
用含有Ag熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的激光熱刻蝕圖形的分辨率比用無熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的圖形分辨率提高約30%。用含有Cu熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的激光熱刻蝕圖形的分辨率比用無熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的圖形分辨率提高約28%。用含有Al熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的激光熱刻蝕圖形的分辨率比用無熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的圖形分辨率提高約20%。用含有Si熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的激光熱刻蝕圖形的分辨率比用無熱傳導(dǎo)層的熱光熱刻蝕薄膜結(jié)構(gòu)制備的圖形分辨率提高約8%。所述的熱傳導(dǎo)層材料Ag、Cu、Al和Si的熱導(dǎo)率分別為K Ag (429 W/mK k Cu (401W/mK K A1 (237 W/mK k Si (148 W/mK)，由上述結(jié)果可以看出，熱傳導(dǎo)層材料的熱導(dǎo)率的越大，制備的激光熱刻蝕圖形的分辨率也提高的越多。這是因為激光作用于熱刻蝕材料后，由于熱傳導(dǎo)材料的熱導(dǎo)率大于激光熱刻蝕薄膜，使得原本在熱刻蝕膜層內(nèi)主要沿橫向擴散的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕乜v向傳導(dǎo)并擴散，即有效減小了熱刻蝕膜層內(nèi)的橫向熱量擴散，也即是減小了激光熱刻蝕材料在激光作用后的有效熱變化閾值的尺寸，從而可以提高激光熱刻蝕的分辨率。綜上所述，采用本發(fā)明的激光熱刻蝕層下加一層熱傳導(dǎo)層，具有膜層結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝參數(shù)可控性好，重復(fù)性高，基片要求低等優(yōu)點?？梢杂行岣呒す鉄峥涛g圖形的分辨率。
權(quán)利要求
1.一種提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于包括沉積在玻璃基片(3)上的熱傳導(dǎo)薄膜(2)和激光熱刻蝕薄膜(1)，所述的激光熱刻蝕薄膜(I)由厚度5(T200nm的相變型激光熱刻蝕薄膜構(gòu)成，所述的熱傳導(dǎo)薄膜(2)由厚度為10(T500nm的熱導(dǎo)率高于148 ff/mK的金屬或半導(dǎo)體單質(zhì)構(gòu)成，所述的基片(3)為厚度0. 5^5mm的玻璃片。
2.根據(jù)權(quán)利金屬或半導(dǎo)體要求I所述的提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟 ①將所述的玻璃基片先后經(jīng)去離子水浸泡超聲清洗和無水乙醇超聲清洗兩次，每次10分鐘，用純度99. 9%的高壓氮氣吹干，置于干燥器中備用； ②將所述的玻璃基片固定在磁控濺射儀的基片托上，然后把基片托夾持在磁控濺射儀真空腔里的基片座上，然后關(guān)閉真空腔蓋開始抽真空，當濺射腔內(nèi)的本底真空度優(yōu)于3X IO-4Pa時，通氬氣，通過氣體流量計控制氬氣的通入量為SOsccm，同時調(diào)節(jié)磁控濺射儀閘板閥使工作氣壓維持在0. 75-0. 85Pa ； ③采用直流濺射法在所述的基片(3)上制備所述的熱傳導(dǎo)薄膜層(2)； ④采用射頻濺射法在所述的熱傳導(dǎo)薄膜層(2)上制備熱刻蝕薄膜層(I)。
全文摘要
一種提高激光熱刻蝕圖形分辨率的薄膜結(jié)構(gòu)及其制備方法，該薄膜結(jié)構(gòu)包括沉積在玻璃基片上的熱傳導(dǎo)薄膜層和激光熱刻蝕薄膜層。該薄膜結(jié)構(gòu)采用磁控濺射法制備，本發(fā)明的薄膜結(jié)構(gòu)具有膜層結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝參數(shù)可控性好，重復(fù)性高，基片要求低等優(yōu)點?？梢杂行岣呒す鉄峥涛g圖形的分辨率。
文檔編號C23C14/35GK102636958SQ201210104380
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者吳誼群, 李豪, 王陽, 耿永友, 魏勁松 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所