專利名稱：利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，尤其涉及一種利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法。
背景技術(shù)：
50多年來(lái)，光刻技術(shù)占據(jù)了微納米加工技術(shù)的統(tǒng)治地位。由于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)通常為單光子平面曝光，加工分辨率受到經(jīng)典光學(xué)衍射極限的限制。為了得到更高的分辨率， 光刻技術(shù)使用的光源波長(zhǎng)從紅外波長(zhǎng)發(fā)展到深紫外的KrF激光波長(zhǎng)048nm)和ArF激光波長(zhǎng)(193nm)，加工方法從普通的激光光刻，發(fā)展到X射線光亥IJ、電子束光亥IJ、離子束光亥IJ、納米圖形轉(zhuǎn)印等。這些加工技術(shù)通過(guò)平面工藝、探針工藝或模型工藝可以制備二維平面結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)。為了提供更高的精度和更精細(xì)的特征尺寸，設(shè)備的制造和維護(hù)成本急劇上升，同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)難以獲得任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納器件。因此，需要一種具有高分辨率、高精度、高效率、低成本、靈活性強(qiáng)的方法來(lái)制作微納器件。飛秒激光直寫技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的一種新型超微細(xì)加工技術(shù)，該技術(shù)利用光與物質(zhì)的非線性光學(xué)作用，雙光子吸收效應(yīng)，將激光與物質(zhì)相互作用的區(qū)域局限在焦點(diǎn)附近很小的范圍，可實(shí)現(xiàn)超衍射極限分辨率的三維加工，獲得具有微納尺度特征尺寸的微納器件。 飛秒激光直寫技術(shù)具有高精度、真三維、低成本等優(yōu)點(diǎn)。2001年，日本大阪大學(xué)^toshi Kawata教授等人利用波長(zhǎng)為780nm的飛秒脈沖激光借助負(fù)性光刻膠SCR500在玻璃基底上實(shí)現(xiàn)了 120nm的加工分辨率，并制備出三維納米牛結(jié)構(gòu)，參見&itoshi Kawata等，Nature, 2001,412(6848) :697_698。2008年，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所Xian-Zi Dong等人通過(guò)控制激光參數(shù)，借助負(fù)性光刻膠SCR500使用波長(zhǎng)為780nm的飛秒脈沖激光在玻璃基底上實(shí)現(xiàn)了 50nm 的加工分辨率，參見 Xian-Zi Dong 等，Appl. Phys. Lett.，2008，92 :091113。此外，2007年北京大學(xué)Dengfeng Tan等人利用聚合物的收縮效應(yīng)，在預(yù)先加工的長(zhǎng)方體間實(shí)現(xiàn)了 15nm線寬的懸空聚合物納米線，參見Dengfeng Tan等，Appl. Phys. Lett. ,2007,90 071106。在正性光刻膠方面，2005年，B. N. Chichkov等采用經(jīng)一定比例稀釋的Siipley公司生產(chǎn)的G線S1813光刻膠獲得了 140nm加工分辨率，并且加工了三維中空木堆結(jié)構(gòu)，參見 Claude Phipps, Laser ablation and its applications. Springer. 2007，141一142?，F(xiàn)有技術(shù)通常將涂敷有光刻膠的玻璃片放置于飛秒激光加工設(shè)備的微移動(dòng)臺(tái)上， 如圖1所示。激光經(jīng)油浸物鏡從玻璃片下方入射，借助油和玻璃之間匹配的折射率獲得小的聚焦尺寸從而提高分辨率，同時(shí)保護(hù)物鏡鏡頭不受損。因此，現(xiàn)有技術(shù)的飛秒激光技術(shù)僅限于對(duì)玻璃襯底進(jìn)行加工。因此，需要提供一種能夠具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的激光雙光子直寫技術(shù)。半導(dǎo)體器件中的襯底材料，通常是半導(dǎo)體或形成有氧化硅、氮化硅等電介質(zhì)的玻璃等不透光材料的襯底?，F(xiàn)有對(duì)玻璃襯底進(jìn)行加工的飛秒激光直寫技術(shù)尚不能直接應(yīng)用于以不透明材料為襯底的半導(dǎo)體器件制作工藝。因此，需要一種通過(guò)將飛秒激光雙光子直寫技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，獲得微納結(jié)構(gòu)器件，特別是微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種完全與半導(dǎo)體工藝相兼容的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法。通過(guò)利用激光雙光子直寫技術(shù)對(duì)涂敷在襯底上光刻膠進(jìn)行曝光，在光刻膠上形成與微納結(jié)構(gòu)器件相對(duì)應(yīng)的圖形，可制作具有微納尺度特征尺寸的微納結(jié)構(gòu)器件。根據(jù)本發(fā)明的激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，具有低成本、超分
辨、高精度、真三維等有點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，提供一種利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，包括以下步驟在襯底上涂敷光刻膠形成光刻膠層；用激光束照射所述光刻膠，通過(guò)激光雙光子吸收效應(yīng)對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光； 對(duì)所述光刻膠進(jìn)行顯影；將所得到的光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。優(yōu)選地，所述微納結(jié)構(gòu)器件是半導(dǎo)體器件。優(yōu)選地，在襯底上涂敷光刻膠形成光刻膠層的步驟后，該方法進(jìn)一步包括將透明輔助襯底放置在所述光刻膠層上，得到包括襯底、光刻膠層和透明輔助襯底的三明治結(jié)構(gòu)，將所述激光束從所述三明治結(jié)構(gòu)的透明輔助襯底方向照射所述光刻膠，對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光。優(yōu)選地，所述光刻膠為負(fù)性光刻膠或正性光刻膠。優(yōu)選地，所述正性光刻膠是紫外正性光刻膠或深紫外正性光刻膠。優(yōu)選地，正性光刻膠層的厚度為10納米到100微米。優(yōu)選地，所述襯底選自IV族材料襯底、III-V族材料襯底、II-VI族材料襯底、絕緣體上硅襯底、形成有電介質(zhì)層的玻璃襯底、玻璃襯底和其上形成有介質(zhì)層的半導(dǎo)體材料的襯底。優(yōu)選地，所述利用激光雙光子直寫技術(shù)對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光的步驟進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)激光光源，將激光光源輸出的單一激光束調(diào)節(jié)至能夠使所述光刻膠產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)的單一波長(zhǎng)，或調(diào)節(jié)激光光源，將激光光源輸出的第一激光束和第二激光束分別調(diào)節(jié)至能夠使所述光刻膠產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)的第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)，且第一波長(zhǎng)不同于第二波長(zhǎng)，并將第一激光束與第二激光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加激光束；將上述單一激光束或疊加激光束經(jīng)物鏡聚焦于同一個(gè)焦點(diǎn)；使聚焦于同一焦點(diǎn)的激光束對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光。優(yōu)選地，所述單一激光束的平均功率為0. 1 μ ff-lff,曝光時(shí)間為lms-lOmin，或所述第一激光束和第二激光束的平均功率分別為0. 1 μ W-1W，曝光時(shí)間分別為 Ims-IOmin ；
激光束的偏振態(tài)為自然偏振、部分偏振、線偏振、圓偏振或橢圓偏振。優(yōu)選地，所述單一激光束，或第一激光束和第二激光束的脈沖寬度分別為從納秒到飛秒范圍，重復(fù)頻率為1Ηζ-200ΜΗζ，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為157nm-1064nm。優(yōu)選地，利用干燥物鏡、水浸物鏡或油浸物鏡將激光束聚焦。優(yōu)選地，將涂敷有光刻膠層的襯底置于三維微移動(dòng)臺(tái)，該三維微移動(dòng)臺(tái)在x、y和ζ 方向的移動(dòng)范圍為lnm-300mm。優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括在圖形轉(zhuǎn)移步驟后，剝離光刻膠層。優(yōu)選地，利用濕法腐蝕，干法刻蝕，蒸發(fā)或?yàn)R射金屬，或沉積半導(dǎo)體層或絕緣層的方法將光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。本發(fā)明的優(yōu)越性1.本發(fā)明的方法采用激光直寫技術(shù)，省略了常規(guī)半導(dǎo)體工藝中形成光刻掩模板， 通過(guò)光掩模對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光的復(fù)雜工藝，縮減了工藝步驟，節(jié)省了制備光掩模的成本。2.通過(guò)引發(fā)光刻膠的雙光子吸收效應(yīng)，對(duì)于正性光刻膠可獲得約IOOnm的特征尺寸，對(duì)于負(fù)性光刻膠，可獲得約IOOnm以內(nèi)的特征尺寸，通過(guò)圖形轉(zhuǎn)移工藝，形成具有微納級(jí)尺度特征尺寸的半導(dǎo)體器件。3.本發(fā)明的方法通過(guò)調(diào)節(jié)激光束對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光的曝光能量和曝光時(shí)間，能夠精確控制微納器件特征尺寸的分辨率和精度。4.本發(fā)明的方法可與常規(guī)半導(dǎo)體工藝相結(jié)合，具有低成本、高效率、操作簡(jiǎn)單、真三維等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體等相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)本發(fā)明得到的具有半導(dǎo)體器件，其微納級(jí)尺度的特征尺寸遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)得到的微米級(jí)尺度的特征尺寸，使半導(dǎo)體器件的小型化，進(jìn)一步提高半導(dǎo)體器件的集成度成為可能。


圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)玻璃襯底上的光刻膠進(jìn)行激光雙光子曝光的示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法的流程圖；圖3示出圖2所示制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法中對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光步驟的流程圖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明方法的對(duì)襯底上的光刻膠進(jìn)行激光雙光子曝光的示意圖；圖5為按照本發(fā)明的實(shí)例1在SOI襯底上形成光刻膠層的截面示意圖；圖6為按照本發(fā)明的實(shí)例1將在光刻膠中形成的指定圖形；圖7為圖5所示結(jié)構(gòu)在曝光及顯影后的結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖8為對(duì)圖7所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移后的結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖9為對(duì)圖8所示結(jié)構(gòu)剝離光刻膠后的結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖10為圖7所示結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的掃描電子顯微鏡照片；圖11為圖9所示結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的掃描電子顯微鏡照片；圖12為按照本發(fā)明的實(shí)例1得到的器件截面示意圖；圖13A-D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)例2的形成半導(dǎo)體器件的條柵結(jié)構(gòu)的示意圖；圖14A-B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)例3得到的具有二維金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的器件的示意圖15A-G示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)例4的形成半導(dǎo)體器件的T型柵結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，在下面的說(shuō)明書中，提供許多具體的細(xì)節(jié)以便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的全面了解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不僅適用于一個(gè)或多個(gè)具體的描述，且適用于其它結(jié)構(gòu)元件，波長(zhǎng)和材料等。說(shuō)明書下文中所列舉的實(shí)施例是示意性的而非限制性的。在飛秒激光直寫技術(shù)中，激光束并不在其通過(guò)的所有區(qū)域與物質(zhì)發(fā)生作用，而僅僅在達(dá)到一定閾值，可以使物質(zhì)產(chǎn)生雙光子吸收引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行。對(duì)于一束激光束入射的情況，材料同時(shí)吸收兩個(gè)光子，吸收效率正比于焦點(diǎn)處激光光強(qiáng)的平方，加工分辨率由激光焦點(diǎn)處的光強(qiáng)分布函數(shù)的平方?jīng)Q定。對(duì)于兩束具有不同波長(zhǎng)的激光束入射的情況，材料吸收兩個(gè)不同頻率的光子，吸收效率正比于焦點(diǎn)處兩束激光光強(qiáng)的乘積，加工分辨率由兩束激光在焦點(diǎn)處的光強(qiáng)分布函數(shù)的乘積決定。下面以將激光直寫技術(shù)與半導(dǎo)體工藝結(jié)合為例，具體說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的制作微納器件的方法。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法的流程圖，該方法包括以下步驟在襯底上涂敷光刻膠，形成光刻膠層，S201 ；利用激光雙光子吸收效應(yīng)對(duì)該光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光，S202 ；將曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影，在光刻膠層得到與器件結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的圖形，S203 ；將光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，S204。為了制備具有微納結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，該襯底的材料通常為IV族材料、III-V族材料或II-VI族材料，例如硅Si，氮化鎵GaN，砷化鎵GaAs等，或者襯底可以是絕緣體上硅 S0I，其上形成有例如氧化硅、氮化硅等電介質(zhì)的玻璃襯底，玻璃，以及其上形成有介質(zhì)層的半導(dǎo)體襯底等。這些襯底通常是不透射可見光且不透射激光的。為了使形成在光刻膠上的激光束斑具有納米尺度，使光刻膠對(duì)激光束具有良好的雙光子吸收效應(yīng)，需要將激光束從光刻膠的遠(yuǎn)離襯底的方向進(jìn)入光刻膠。圖3示出如圖2所示制作例如微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件的方法中對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光步驟的流程圖。在如圖2所示的步驟S201將光刻膠涂敷在襯底上形成光刻膠層后，將透明輔助襯底例如玻璃覆蓋在涂敷的光刻膠上，得到依次由透明輔助襯底，光刻膠層和襯底構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，S301。將得到的三明治結(jié)構(gòu)放置在激光微納加工系統(tǒng)的微移動(dòng)臺(tái)上，其中三明治結(jié)構(gòu)中的透明輔助襯底朝向激光入射方向，S302。三明治結(jié)構(gòu)與激光雙光子加工設(shè)備物鏡的位置關(guān)系如圖4所示。在光刻膠和用于聚焦的物鏡之間提供透明輔助襯底，可以避免光刻膠對(duì)物鏡的污染。調(diào)節(jié)激光雙光子設(shè)備的激光源，將激光束的束斑聚焦到光刻膠和襯底的界面，從該界面開始，按照指定的位置，利用激光雙光子吸收效應(yīng)對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。目前的激光微納加工系統(tǒng)中，通常采用油浸物鏡對(duì)激光束進(jìn)行聚焦。因?yàn)橛团c玻璃的折射率比較接近，激光束在經(jīng)過(guò)折射率相匹配的介質(zhì)形成束斑時(shí)，能夠獲得更小的聚焦尺寸從而提高分辨率。同時(shí)，使用油浸物鏡并在油浸物鏡和光刻膠層直接提供透明輔助襯底，可以保護(hù)物鏡鏡頭不受損壞。因此，所述透明輔助襯底優(yōu)選為折射率與油介質(zhì)折射率相匹配以得到小的束斑尺寸的襯底。根據(jù)上述優(yōu)選實(shí)施方式，通過(guò)形成不透光襯底、光刻膠層和輔助透明襯底的三明治結(jié)構(gòu)，并使激光束通過(guò)輔助透明襯底對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，可以實(shí)現(xiàn)激光雙光子對(duì)涂敷在半導(dǎo)體器件的襯底上的光刻膠層的直寫。將本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施方式應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的制造，不需要使用常規(guī)半導(dǎo)體工藝中的光掩模即可對(duì)形成在襯底上的光刻膠直接曝光，節(jié)省了光掩模的制造流程和制造成本，可顯著降低半導(dǎo)體器件的制造成本，并可獲得具有微納尺度，例如約10-約100納米，特征尺寸的半導(dǎo)體器件。涂敷在襯底上的光刻膠是可以產(chǎn)生激光雙光子吸收的正性光刻膠或負(fù)性光刻膠。 正性光刻膠例如可以是紫外正性光刻膠或深紫外正性光刻膠，光刻膠涂覆層的厚度例如為 10納米到100微米?？梢圆捎脝我患す馐虻谝患す馐偷诙す馐寞B加激光束對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。調(diào)節(jié)激光微納加工系統(tǒng)中的微移動(dòng)臺(tái)，使上述單一激光束或疊加激光束的焦點(diǎn)在光刻膠層中移動(dòng)對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。根據(jù)所使用的光刻膠的種類選擇相應(yīng)的激光束波長(zhǎng)、合適的曝光能量、曝光時(shí)間和微移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度。光刻膠經(jīng)激光雙光子曝光而分解，經(jīng)顯影在光刻膠上形成孔或槽等特征結(jié)構(gòu)。將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到例如半導(dǎo)體襯底的襯底上的方法包括蒸發(fā)或?yàn)R射金屬， 沉積電介質(zhì)或半導(dǎo)體材料，和濕法腐蝕或干法刻蝕等。借助這些本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)，可將光刻膠上形成的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體襯底上，得到形成具有結(jié)構(gòu)特征的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，為得到完整的具有微納尺度結(jié)構(gòu)特征的半導(dǎo)體器件，可以對(duì)如上得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，繼續(xù)進(jìn)一步加工。所述進(jìn)一步加工包括，但不限于，激光雙光子直寫、蒸發(fā)或?yàn)R射金屬、和蝕刻等方法。下面將參照具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)例 1以下結(jié)合圖5-12，以在SOI襯底上制作FinFET器件為例對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。首先，在SOI襯底上涂敷光刻膠形成光刻膠層。將商品名為SCR500的負(fù)性光刻膠涂敷在SOI襯底上，得到光刻膠層501，如圖5所示。該SOI襯底自上而下由頂層硅502、氧化硅絕緣層503和硅襯底504構(gòu)成。其中頂層硅的厚度例如為^nm,氧化硅絕緣層的厚度例如為150nm。其次，借助激光雙光子吸收對(duì)光刻膠層曝光，在光刻膠層中曝光出FinFET器件圖形。打開激光微納加工系統(tǒng)中的激光光源。該激光光源選用鈦寶石飛秒脈沖激光器， 其輸出波長(zhǎng)為800nm，脈沖寬度為lOOfs，脈沖重復(fù)頻率為82MHz，光束直徑為1. 8mm，偏振態(tài)為線偏振的激光束。利用分束器將該激光束分成兩條光路。在第一條光路上放置一塊厚度為Imm的I型BBO倍頻晶體和過(guò)濾SOOnm波長(zhǎng)的干涉濾波器，得到波長(zhǎng)為400nm的第一激光束。分別將第一條光路的400nm波長(zhǎng)的第一激光束與第二條光路的SOOnm波長(zhǎng)的第二激光束進(jìn)行擴(kuò)束后，通過(guò)例如半透半反鏡將第一激光束和第二激光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加激光束。該疊加激光束通過(guò)數(shù)值孔徑為1. 45、放大倍數(shù)為100倍的油浸物鏡，聚焦于放置在計(jì)算機(jī)操縱的三維微移動(dòng)臺(tái)上的光刻膠501中。對(duì)襯底上的光刻膠進(jìn)行激光雙光子曝光的示意圖如圖4所示。調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)操縱的三維微移動(dòng)臺(tái)使疊加激光束的焦點(diǎn)從SOI襯底的頂層硅與光刻膠的界面開始掃描，并按照?qǐng)D6所示指定的位置對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，得到包括用于制作源極和漏極的臺(tái)面結(jié)構(gòu)601和602，和有源區(qū)603的圖形。通過(guò)調(diào)節(jié)位于波長(zhǎng)為400nm的第一激光束光路的光衰減器使第一激光束的平均功率為1. 5 μ W，調(diào)節(jié)位于波長(zhǎng)為SOOnm的第二激光束光路的光衰減器使第二激光束的平均功率為4. 43mff,并設(shè)置三維微移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度為SOnm/ms，可將圖6的有源區(qū)603形成為具有分辨率為96nm的納米線結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，經(jīng)過(guò)顯影，在光刻膠上得到FinFET器件結(jié)構(gòu)的圖形。曝光結(jié)束后，例如用無(wú)水乙醇溶液將未曝光的光刻膠部分去除，在光刻膠層得到 FinFET器件結(jié)構(gòu)圖形，其截面圖如圖7所示，其顯微照片如圖10所示。進(jìn)一步，將光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到SOI襯底上。以光刻膠上的FinFET結(jié)構(gòu)圖形作為掩膜，利用感應(yīng)耦合等離子體ICP刻蝕技術(shù)， 采用shall0W2 LR3模式刻蝕15s，露出無(wú)掩膜區(qū)域的隱埋氧化硅絕緣層，如圖8所示。將樣品浸入體積比為3 1的濃硫酸與雙氧水混合溶液，在200°C溫度下浸泡20分鐘，除去作為掩膜的光刻膠部分，得到結(jié)構(gòu)的截面圖如圖9所示。圖11為對(duì)應(yīng)圖9所示結(jié)構(gòu)的顯微照片。從該顯微照片可以看出，利用本發(fā)明的激光雙光子直寫技術(shù)得到的硅納米線寬度為66nm。進(jìn)一步，利用常規(guī)半導(dǎo)體工藝對(duì)所得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，得到所希望的半導(dǎo)體器件。例如，對(duì)圖11所示得到的含有硅鰭(Fin)結(jié)構(gòu)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱氧化，形成二氧化硅(SiO2)介質(zhì)層。在SiO2介質(zhì)之上通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)形成摻雜多晶硅。 通過(guò)對(duì)形成的摻雜多晶硅進(jìn)行光刻，例如光學(xué)光刻、電子束直寫光刻、飛秒激光直寫光刻， 將所述多晶硅形成為多晶硅柵極。以形成的多晶硅柵極作為掩膜，進(jìn)行臺(tái)面區(qū)域進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)離子注入和快速退火工藝，得到源漏區(qū)。利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)氧化硅保護(hù)層。利用光刻，例如光學(xué)光刻、電子束直寫光刻、飛秒激光直寫光刻等技術(shù)在沉積的氧化硅保護(hù)層上用于形成金屬布線的開孔。進(jìn)行常規(guī)的金屬化工藝，形成各個(gè)電極。由此得到如圖12所示的器件結(jié)構(gòu)。實(shí)例2下面參照?qǐng)D13，以在GaAs襯底上制備金屬條柵結(jié)構(gòu)為例，對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先，在GaAs襯底1301上涂敷一層厚度為180nm的正性光刻膠AZ4620，形成光刻膠層1302，如圖13A所示。該光刻膠的前烘溫度例如為95°C，前烘時(shí)間為90s。其次，利用激光雙光子吸收效應(yīng)對(duì)該正性光刻膠進(jìn)行曝光。調(diào)節(jié)激光微納加工系統(tǒng)中的激光光源，將激光的輸出波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至能夠使所涂敷的光刻膠產(chǎn)生雙光子效應(yīng)的單一波長(zhǎng)，即780nm。通過(guò)調(diào)節(jié)激光光路上的光間將曝光時(shí)間調(diào)節(jié)為lms-lOmin。調(diào)節(jié)激光光路的光衰減器，將激光功率調(diào)節(jié)為0. 1 μ W-1W。調(diào)節(jié)位于激光光路的波片改變激光的偏振狀態(tài)為自然偏振、部分偏振、線偏振、圓偏振或橢圓偏振。將激光束經(jīng)物鏡聚焦于焦點(diǎn)，并將涂覆光刻膠的樣品置于微移動(dòng)臺(tái)上，對(duì)襯底上的光刻膠進(jìn)行激光雙光子曝光的示意圖如圖4所示。按照指定的位置對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。將商用配套顯影液以1 4比例稀釋，對(duì)曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影，在光刻膠中形成溝槽。在該實(shí)例中，通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率為1. 34mW、調(diào)節(jié)微移動(dòng)臺(tái)的掃描速度為lOnm/ms， 在光刻膠中可形成寬度為290nm的溝槽，如圖1 所示。進(jìn)一步，將形成有溝槽的光刻膠作為掩膜，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)沉積厚度例如為 50nm的NiCr合金1303，如圖13C所示。進(jìn)一步，剝離GaAs表面的光刻膠，同時(shí)剝離掉光刻膠上面的NiCr合金，得到NiCr 合金結(jié)構(gòu)的條型柵結(jié)構(gòu)，其掃描電鏡的顯微照片如圖13D所示。根據(jù)本發(fā)明的方法，利用激光雙光子直寫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)光刻膠的復(fù)雜構(gòu)圖，借助圖形轉(zhuǎn)移，可以形成復(fù)雜特征結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。實(shí)例3下面以在玻璃基片上制備二維金屬點(diǎn)陣為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先，在玻璃基片上涂一層厚度為120nm的正性光刻膠AZ6130。光刻膠前烘溫度為90°C，前烘時(shí)間為IOOs ；其次，利用單一波長(zhǎng)激光束的雙光子吸收效應(yīng)對(duì)該正性光刻膠進(jìn)行曝光。通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率為1. 99mW和曝光時(shí)間為IOms來(lái)控制光刻膠的曝光條件，可形成孔徑為370nm 的孔陣列，如圖14A所示。進(jìn)一步，將形成有孔陣列的光刻膠作為掩膜，蒸發(fā)厚度例如為60nm的Au層。進(jìn)一步，剝離玻璃表面的光刻膠，同時(shí)剝離掉光刻膠上面的Au層，得到Au結(jié)構(gòu)的二維點(diǎn)陣，其掃描電鏡的顯微照片圖14B所示，所形成的Au點(diǎn)的直徑為369nm。實(shí)例 4下面參照?qǐng)D15A-G，以在GaN襯底上制備金屬T型柵結(jié)構(gòu)為例，對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先，在GaN襯底1501表面淀積一層50nm的Si3N4作為犧牲層1502 ；然后，在Si3N4表面涂敷一層厚度為ISOnm的正性光刻膠AZ4620，形成第一光刻膠層1503，如圖15A所示。光刻膠前烘溫度為95°C，前烘時(shí)間為90s。進(jìn)一步，利用單一波長(zhǎng)激光束的雙光子吸收效應(yīng)對(duì)該正性光刻膠進(jìn)行曝光。參照實(shí)例2詳細(xì)說(shuō)明的步驟，按照指定的位置對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光。將商用配套顯影液以1 4比例稀釋，對(duì)曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影，在光刻膠中形成溝槽，如圖15B所示。隨后，利用感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)(ICP)對(duì)Si3N4層進(jìn)行刻蝕，將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到Si3N4層上，得到的結(jié)構(gòu)如圖15C所示。隨后，清洗掉Si3N4層上的光刻膠后，涂敷厚度為500nm的AZ4620光刻膠，形成第二光刻膠層1504，如圖15D所示。經(jīng)熱板在95°C下進(jìn)行120s的前烘。利用單一波長(zhǎng)激光束的雙光子吸收效應(yīng)對(duì)該第二光刻膠層進(jìn)行曝光。通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率和移動(dòng)臺(tái)的掃描速度來(lái)控制曝光區(qū)域的大小，從而控制將要形成的柵極的尺寸。經(jīng)顯影在光刻膠形成具有臺(tái)階的溝槽1505，如圖15E所示。顯影過(guò)程中所用顯影液為商用配套顯影液，并按照1 4比例稀釋，顯影時(shí)間為120s。隨后，用電子束蒸發(fā)金屬Ni/Au，得到厚度為20nm/200nm的Ni/Au層1506，如圖 15F所示。隨后，剝離襯底表面的光刻膠，同時(shí)剝離掉光刻膠上面的M/Au層，得到M/Au的T型柵1506結(jié)構(gòu)，如圖15G所示。以上給出了本發(fā)明實(shí)施例的描述，以便理解本發(fā)明。應(yīng)該明確的是，本發(fā)明并不只限于此處所描述的特殊實(shí)施例，而是可以做各種不偏離本技術(shù)領(lǐng)域范疇的、對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的修正、重整以及替代。因此，規(guī)定下列的權(quán)利要求涵蓋了所有這種符合本發(fā)明精髓和范疇的修正和變更。本發(fā)明獲得國(guó)家973計(jì)劃(2010CB934100)資助。
權(quán)利要求
1.一種利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，包括以下步驟在襯底上涂敷光刻膠形成光刻膠層；用激光束照射所述光刻膠，通過(guò)激光雙光子吸收效應(yīng)對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光；對(duì)所述光刻膠進(jìn)行顯影；將所得到的光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，所述微納結(jié)構(gòu)器件是半導(dǎo)體器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，在襯底上涂敷光刻膠形成光刻膠層的步驟后，該方法進(jìn)一步包括將透明輔助襯底放置在所述光刻膠層上，得到包括襯底、光刻膠層和透明輔助襯底的三明治結(jié)構(gòu)，將所述激光束從所述三明治結(jié)構(gòu)的透明輔助襯底方向照射所述光刻膠，對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，所述光刻膠為負(fù)性光刻膠或正性光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，所述正性光刻膠是紫外正性光刻膠或深紫外正性光刻膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，正性光刻膠層的厚度為10納米到100微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，所述襯底選自IV族材料襯底、III-V族材料襯底、II-VI族材料襯底、絕緣體上硅襯底、形成有電介質(zhì)層的玻璃襯底、玻璃襯底和其上形成有介質(zhì)層的半導(dǎo)體材料的襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，所述利用激光雙光子直寫技術(shù)對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光的步驟進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)激光光源，將激光光源輸出的單一激光束調(diào)節(jié)至能夠使所述光刻膠產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)的單一波長(zhǎng)，或調(diào)節(jié)激光光源，將激光光源輸出的第一激光束和第二激光束分別調(diào)節(jié)至能夠使所述光刻膠產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)的第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)，且第一波長(zhǎng)不同于第二波長(zhǎng)，并將第一激光束與第二激光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加激光束；將上述單一激光束或疊加激光束經(jīng)物鏡聚焦于同一個(gè)焦點(diǎn)；使聚焦于同一焦點(diǎn)的激光束對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，所述單一激光束的平均功率為0. 1 μ ff-lff,曝光時(shí)間為lms-lOmin，或所述第一激光束和第二激光束的平均功率分別為0. 1 μ W-1W，曝光時(shí)間分別為 Ims-IOmin ；激光束的偏振態(tài)為自然偏振、部分偏振、線偏振、圓偏振或橢圓偏振。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，所述單一激光束，或第一激光束和第二激光束的脈沖寬度分別為從納秒到飛秒范圍，重復(fù)頻率為1Ηζ-200ΜΗζ，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為157nm-1064nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，利用干燥物鏡、水浸物鏡或油浸物鏡將激光束聚焦。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括在圖形轉(zhuǎn)移步驟后，剝離光刻膠層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法，其特征在于，利用濕法腐蝕，干法刻蝕，蒸發(fā)或?yàn)R射金屬，或沉積半導(dǎo)體層或絕緣層的方法將光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用激光雙光子直寫技術(shù)制作微納結(jié)構(gòu)器件的方法。該方法包括以下步驟在襯底上涂敷光刻膠形成光刻膠層；用激光束照射所述光刻膠，通過(guò)激光雙光子吸收效應(yīng)對(duì)所述光刻膠的指定位置進(jìn)行曝光；對(duì)所述光刻膠進(jìn)行顯影；將所得到的光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。
文檔編號(hào)B23K26/36GK102320553SQ201110185710
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者張嚴(yán)波, 曹洪忠, 楊富華, 段宣明, 董賢子, 趙震聲, 陳述, 韓偉華, 顏偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所