一種高密度超尖矽探針陣列的製備方法

2023-05-31 14:22:11 2

專利名稱:一種高密度超尖矽探針陣列的製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體矽材料製造工藝技術，具體是指一種直接以倍半氧矽氫化物(HSQ)為刻蝕掩模的高密度、超尖矽探針(tip)陣列的製備方法。
背景技術：
矽探針廣泛應用於場發射體及原子力顯微鏡(AFM)、掃描探針顯微鏡(SPM)和相 關探針掃描技術的探針(見文獻
1
)，同時也被用作碳納米管、GaN塗層、納米級金剛石顆 粒和類金剛石薄膜的生長模板(見文獻
2
3
)。針尖尺寸在納米量級的超尖矽在上述 領域有著日益增長的需求(見文獻
4
)。
然而，幾乎所有現有的技術都需要氧化物層作掩膜進行二次圖形轉移，只能製備 微米以上周期的探針陣列，對於亞微米周期的高密度探針陣列製備依然是一個挑戰。通常 矽探針的製作工藝如下
首先，通過PECVD等方法在襯底上生長一層氧化矽或氮化矽。然後，在此氧化物 或氮化物上旋塗一層UVN30等負膠。電子束曝光後顯影形成UVN30等負膠的點陣圖形，以 UVN30等負膠為掩模對圖形區域的氧化矽進行各向異性刻蝕，將UVN30等負膠的圖形轉移 到氧化矽層上。接著以剩餘的UVN30和氧化矽作為掩模，對矽進行各向同性刻蝕，在對矽進 行縱向刻蝕的同時進行橫向刻蝕，形成矽探針陣列(見文獻
4
)。此時得到的探針針尖 較粗，需通過進一步的氧化工藝和腐蝕工藝來銳化針尖，使其達到納米量級(見文獻
2
4
)。
上述背景技術中所引用的文獻為
1
Ching-Hsiang Tsai, Shi-Pu Chen, Gen-Wen Hsieh, Chao-Chiun Liang, Wei-Chih Lin, Shi-Jun Tseng and Chuen-Horng Tsai, Nanotechnology 16 (2005)S296
2
M. Hajra, N. N. Chubun, A. G. Chakhovskoi, C. E. Hunt, K. Liu, A. Murali, S. H. Risbud, T. Tyler and V. Zhirnov, J. Vac. Sci. Technol. B21 (2003) 458.
3
I.W. Range low, St. Biehl，J. Vac. Sci. Technol. B19 (2001) 916.
4
Jiarui Tao,Yifang Chen,Adnan Malik,Ling Wang,Xingzhong Zhao,Hongwei Li, Zheng Cui, Microelectronic Engineering 78 (2005) 147

發明內容
為了克服上述高密度、超尖矽探針陣列的製備困難，本發明提出一種直接以HSQ 為刻蝕掩模的高密度、超尖矽探針陣列的製備方法，此方法可以製備出百納米周期的超尖 矽探針陣列，尖寬只有幾納米，而且無需任何額外的氧化/腐蝕工藝來進一步銳化針尖。
本發明方法直接以倍半氧矽氫化物(HSQ) 2為電子束光刻膠和刻蝕掩膜。首先，將 HSQ2旋塗在矽片1上，如圖1(b)所示，通過電子束光刻方法進行曝光後顯影形成HSQ的點 陣圖形3。然後，以HSQ為掩模直接對矽進行各向同性刻蝕，通過控制刻蝕條件，可使針尖最 尖、同時HSQ即將或自動脫落，形成矽探針陣列4，針尖達到幾個納米，無需任何額外的氧化和腐蝕等銳化工藝，非常簡單。
本發明方法所採用的HSQ電子束光刻膠由H2SiO3的重複單元組成，經過熱處理或 電子束曝光後，會轉變成SiO2類結構，因此，可以同時直接用作矽的刻蝕掩模。這樣，就省掉 了電子束光刻膠的圖形轉移到氧化物掩模的過程。另外，HSQ的解析度非常，可以達到6nm。 由於掩模的厚度和尺寸均由HSQ控制，從而使得納米周期的矽探針陣列製備成為可能，所 以特別適合於高密度矽探針陣列的製備，其周期至少可以做到百納米量級，它的密度比相 關文獻報導的密度大很多。這也是本發明方法的優勢之一。


圖1為矽探針製備工藝過程示意圖。
圖2為實施例1周期為500nm的矽探針陣列的SEM圖像，嵌入的插圖為將HSQ掩 膜用HF酸清洗掉之前的圖像。
圖3為實施例2周期為400nm的矽探針陣列的SEM圖像。
圖4為實施例3周期為200nm的矽探針陣列的SEM圖像。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細介紹
實施例1 :500nm周期的矽探針陣列
首先，直接將HSQ2旋塗在矽片1上，以5000轉速/分的轉速維持約1分鐘，轉速 越高形成的薄膜厚度越薄。通常情況下，厚度不宜超過相應的周期，否則顯影后形成的光刻 膠結構由於高寬比過大而容易倒下失敗。
然後，在120°C (適用範圍80 200°C)的熱板或烘箱中熱處理5分鐘(適用 範圍1 60分鐘)，使HSQ膠中大部分有機溶劑揮發，再通過電子束光刻進行曝光後置於 400C (適用範圍30 80°C )的三甲胺(TMA)系列顯影液(本實施例為238WA)裡顯影約1 分鐘。接著，採用反應離子刻蝕(RIE)在200W(適用範圍100 250W)的功率和50mT(適 用範圍10 IOOmT)的壓強下，通過SF6、O2和Ar混合氣體進行刻蝕，其流量範圍分別為 1 30sccm、0 50sccm和0 30sccm。刻蝕的時間由周期和掩膜的尺寸決定，通過調節 功率、壓強和氣體間的比例可以控制獲得不同形貌和高寬比的探針。對於本實施例，恰好達 到HSQ掩膜脫落的時間為12分鐘，如圖2中的插圖所示。此時探針的尖端非常尖銳，只有 幾個納米，如圖2所示，不需要任何額外的氧化和腐蝕工藝來進一步銳化探針。最後，用HF 腐蝕掉剩餘的HSQ掩膜，形成500nm周期的矽探針陣列器件，其密度為4X IO6個/mm2。這 是一種非常簡單有效的製備高密度、超尖矽探針陣列的方法。
實施例2 :400nm周期的矽探針陣列
首先，直接將HSQ旋塗在矽片上，以6000轉速/分的轉速維持約1分鐘。然後，在120°C (適用範圍80 200°C )的熱板或烘箱中熱處理5分鐘(適用範圍1 60分 鍾)，使HSQ膠中大部分有機溶劑揮發，再通過電子束光刻進行曝光後置於40°C (適用範 圍30 80°C )的三甲胺(TMA)系列顯影液(本實施例為238WA)裡顯影約1分鐘。接著， 採用反應離子刻蝕(RIE)在200W (適用範圍100 250W)的功率和50mT (適用範圍10 IOOmT)的壓強下，通過SF6、02和Ar混合氣體進行刻蝕，其流量範圍分別為1 30sCCm、0 50sCCm和O 30sCCm。刻蝕的時間由周期和掩膜的尺寸決定，通過調節功率、壓強和氣體 間的比例可以控制獲得不同形貌和高寬比的探針。對於本實施例，恰好達到HSQ掩膜脫落 的時間為10分鐘，此時探針的尖端非常尖銳，只有幾個納米，如圖3所示，無需任何額外的 氧化和腐蝕工藝來進一步銳化針尖。最後，用HF腐蝕掉剩餘的HSQ掩膜，形成400nm周期 的矽探針陣列器件，其密度為6. 25X IO6個/mm2。
實施例3 :200nm周期的矽探針陣列首先，直接將HSQ旋塗在矽片上，以8000轉速/分的轉速維持約1分鐘。然後， 在120°C (適用範圍80 200°C )的熱板或烘箱中熱處理5分鐘(適用範圍1 60分 鍾)，使HSQ膠中大部分有機溶劑揮發，再通過電子束光刻進行曝光後置於40°C (適用範 圍30 80°C )的三甲胺(TMA)系列顯影液(本實施例為238WA)裡顯影約1分鐘。接著， 採用反應離子刻蝕(RIE)在200W (適用範圍100 250W)的功率和50mT (適用範圍10 IOOmT)的壓強下，通過SF6、02和Ar混合氣體進行刻蝕，其流量範圍分別為1 30sCCm、0 50SCCm和0 30SCCm。刻蝕的時間由周期和掩膜的尺寸決定，通過調節功率、壓強和氣體 間的比例可以控制獲得不同形貌和高寬比的探針。對於本實施例，恰好達到HSQ掩膜脫落 的時間為6分鐘，此時探針的尖端非常尖銳，只有幾個納米，如圖4所示，無需任何額外的氧 化和腐蝕工藝來進一步銳化針尖。最後，用HF腐蝕掉剩餘的HSQ掩膜，形成200nm周期的 矽探針陣列器件，其密度為2. 5X IO7個/mm2。
權利要求
一種高密度、超尖矽探針陣列的製備方法，其特徵在於包括如下步驟A.將倍半氧矽氫化物旋塗在矽片上，轉速≥3000rpm，其厚度不大於探針陣列周期；B.在100～200℃的熱板或烘箱中熱處理1～30分鐘，使倍半氧矽氫化物中大部分有機溶劑揮發；C.通過電子束光刻進行曝光後，置於30～80℃的三甲胺系列顯影液中顯影約1分鐘，形成單元尺寸≥10nm、周期≥20nm的HSQ點陣列；D.採用反應離子刻蝕方法，通過SF6、O2和Ar混合氣體進行刻蝕，其流量範圍分別為1～30sccm、0～50sccm和0～30sccm，功率範圍為100～250W，壓強範圍為10～100mT，刻蝕的時間由周期和掩膜點陣單元的尺寸決定，為1～30min；E.用HF腐蝕掉剩餘的倍半氧矽氫化物掩膜，形成高密度、超尖矽探針陣列。
專利摘要
本發明提出一種直接以倍半氧矽氫化物(HSQ)電子束光刻膠作為刻蝕掩模的高密度、超尖矽探針(tip)陣列的製備方法。通過電子束光刻方法進行曝光後顯影形成HSQ的點陣圖形，然後直接以HSQ為掩模對矽進行各向同性刻蝕，通過控制刻蝕條件，可使針尖最尖同時HSQ即將或自動脫落，針尖達到幾個納米，無需任何額外的氧化和腐蝕等銳化工藝，非常簡單。本發明方法克服了傳統製備方法需要氧化物層作為掩膜進行二次圖形轉移和額外的氧化、刻蝕工藝來銳化探針的不便，以及製備亞微米周期高密度矽探針陣列的困難，可以很容易地實現2.5×107/mm2以上高密度矽探針陣列。
文檔編號G01Q60/38GKCN101819219SQ201010165067
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月29日
發明者俞立明, 王少偉, 陸衛, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan