掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法

2023-12-11 15:01:32 1

專利名稱：掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法
技術領域：
本發明涉及微細加工技術中微納結構的製作方法，特別是適用於周期性深亞微米以及納米結構的採用掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法。
背景技術：
利用普通光刻設備所作的微結構最小周期只能在微米量級，如果要製作亞微米、深亞微米和納米圖形，必需採用其他的手段。
目前製作納米圖形的方法有很多，比較成熟的主要是採用電子束曝光、聚焦離子束曝光等光刻手段來製作納米圖形。
光學曝光的分辨力和焦深主要受到光源波長和透鏡數值孔徑的限制，而電子束的輻射波長則可以通過增大能量來縮短，因此電子束曝光的分辨力遠超過光學光刻的分辨力。電子束曝光的原理是利用電磁場將電子束聚焦成極細束，輻照在電子抗蝕劑上。通過電磁場控制電子束的偏轉，將納米圖形直接寫在基片上，由電子束曝光製作的納米圖形尺寸可以達到10～20nm。但是由於電子束是將納米圖形一個一個像素的逐點掃描曝光，因此速度極慢，不適於製作大面積的納米圖形結構。
聚焦離子束曝光的原理是利用原子被離化後形成的離子束作為光源，對抗蝕劑進行曝光，目前主要有掃描離子束曝光技術和投影離子束曝光技術。其中掃描離子束曝光技術與電子束曝光技術相類似，也是採用逐點方式進行掃描曝光，速度很慢，同樣不適於製作大面積的納米圖形。而投影離子束曝光技術尚存在著掩模版的製作困難等問題，尚處於研究階段。因此聚焦離子束曝光目前主要用於對於光學掩模版的修補和集成電路晶片的修復上。
無論是電子束曝光技術還是聚焦離子束曝光技術，它們都普遍存在著設備昂貴、製作周期長，無法製作大面積納米圖形結構，也無法適應大工業生產的需要等問題。

發明內容
本發明的技術解決問題是針對目前普遍採用電子束曝光和聚焦離子束曝光製作納米結構圖形時，所存在的不足之處，提出了掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，該方法利用金屬沉積時光刻膠的遮蔽效應，以較大的角位移來代替納米精度的線位移，然後通過lift-off技術來實現納米圖形的製作，採用該方法可以製作大面積的納米周期結構圖形。
本發明的技術解決方案是掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，其特徵在於以較大的角位移來代替線位移，通過控制基片與蒸發源的入射角度來實現納米圖形的製作，其具體步驟如下(1)基片清洗分別用HF溶液、去離子水和丙酮+乙醇溶液清洗單晶矽基片，然後將基片放入烘箱內烘乾；(2)旋塗光刻膠在聚醯亞胺犧牲層上塗覆光刻膠層，光刻膠層厚度為1-2μm；(3)光刻在所述的光刻膠層上採用掩模版光刻出最小線寬和周期為光刻設備曝光極限的微結構圖形；(4)多次重複調節蒸發入射角，依次沉積金屬薄膜和犧牲層根據所要製作納米結構圖形的線寬和周期參數，計算出相應的蒸發源入射角度，利用轉臺調節金屬蒸發源與基片的夾角，依次沉積金屬薄膜和犧牲層；蒸發源入射角度計算公式如下=arctan(hW-L)]]>式中α-蒸發源為入射角；h-為光刻膠圖形的高度；
W-為裸露基底的寬度；L-為需要沉積金屬和犧牲層的寬度；(5)剝離光刻膠和犧牲層用丙酮溶液及犧牲層腐蝕液剝離光刻膠和犧牲層，沉積在光刻膠和犧牲層上的金屬薄膜同時剝離，而沉積在基底上的金屬薄膜保存下來。
本發明主要利用lift-off技術以及金屬沉積時光刻膠的遮蔽效應，以角位移來代替納米精度的線位移，即通過精確控制基片與蒸發源的入射角度來製作納米精度的線寬圖形。當入射角度α為35°，蒸發源的入射角度變化Δα為0.1°時，圖形的線寬變化ΔL為5nm。一般手動轉臺精度可達到0.03°，因此利用該原理可以製作出線寬為數十納米量級的圖形結構。
本發明與現有技術的比較的優點在於本發明與電子束曝光機和聚焦離子束曝光機直接製作納米周期結構圖形相比，掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形對儀器設備的要求不高、速度快、精度高並可製作大面積的周期納米結構圖形。


圖1製作方法步驟圖；圖2為本發明的掩模版示意圖，用於曝光光刻，圖1中陰影區域為不透光區，白色區域為透光區。光柵線條的線寬為2μm，周期為4μm，圖形區面積為10mm×10mm；圖3為本發明的步驟(2)的示意圖，即在已經清洗好的矽基片表面上旋塗一層光刻膠層1；圖4為本發明的步驟(3)的示意圖，即在所述的光刻膠層上採用掩模版光刻出最小線寬和周期為光刻設備曝光極限的微結構圖形，目前光刻最小線寬和周期分別為2μm和4μm，圖中陰影區域為光刻顯影后的光刻膠層1，其寬度為2μm，高度為1μm；圖5為本發明的步驟(4)的示意圖，即根據所要製作納米結構圖形的線寬和周期、光刻膠圖形的高度、蒸發源與基片的距離等參數，計算出相應的蒸發源入射角度，然後利用轉臺調節金屬蒸發源與基片的夾角為所計算的角度，依次沉積金屬薄膜2和犧牲層。實驗中只需要通過調節金屬蒸發源與基片的夾角，沉積一次金屬薄膜2就可以滿足製作要求。圖中黑色箭頭表示金屬薄膜的沉積方向；圖6為本發明的步驟(5)的示意圖，即用丙酮溶液及犧牲層腐蝕液剝離光刻膠和犧牲層，沉積在光刻膠和犧牲層上的金屬薄膜同時剝離，而沉積在基底上的金屬薄膜保存下來。由於實驗中並沒有沉積犧牲層，故只需用丙酮將沉積在光刻膠上的金屬薄膜剝離，而沉積在基底上的金屬薄膜4則保留下來；圖7為本發明製作光柵線條的原子力顯微鏡(AFM)照片，顯示製作的金屬光柵線寬為250nm，照片中金屬線條左邊尚有部分殘餘光刻膠；圖8為本發明製作光柵線條的原子力顯微鏡(AFM)3D；圖9為本發明製作光柵線條的光學顯微鏡照片(放大1000倍)，圖中細亮的線條為金屬，暗色區域為基底。從圖中可以看到利用本發明製作的金屬線條分布均勻，線條邊緣清晰且無斷線。
具體實施例方式
本發明的一個典型實施例，是利用掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形技術，製作周期為4μm，線寬為250nm，圖形區為10mm×10mm的光柵線條。其製作過程如下(1)基片清洗基片清洗的目的，是為了清除基片表面的各種有機和無機雜質，增強光刻膠與基片表面的粘附力，提高成品率。
第一步，用10％HF洗去單晶矽基片表面的氧化層，再用去離子水(電阻率≥16MΩ)超聲波清洗15min；第二步，將基片在離心機上用丙酮+乙醇溶液清洗，甩幹；第三步，將基片放入烘箱，200℃溫度下烘120min。
(2)旋塗光刻膠在基片上塗覆光刻膠層1，光刻膠層1的厚度約2.0μm，在熱板上100℃溫度下烘乾時間120s，如圖2所示。
(3)曝光光刻掩模版用於曝光光刻，其版圖如圖1所示，圖中陰影區域為不透光區，白色區域為透光區。將用這塊掩模版在光刻膠層上製作出最小線寬和周期為光刻設備曝光極限的微結構圖形。
採用如圖1所示的掩模版在光刻膠上曝光48s，室溫下在AZ300MIF鹼性顯影液中顯影。正性光刻膠在曝光後受到紫外光照射的那部分光刻膠會由於光化學反應而降解，溶於顯影液，而未受到紫外光照射的光刻膠不會溶於顯影液，這樣在基片上製作出與掩模版相同的光刻膠圖形。顯影后的光刻膠層1的厚度為1μm，如圖3所示。
(4)多次重複調節蒸發入射角依次沉積金屬薄膜和犧牲層根據所要製作納米結構圖形的線寬和周期、光刻膠圖形的高度、蒸發源與基片的距離等參數，計算出相應的蒸發源入射角度(計算公式如前所述)，然後利用轉臺調節金屬蒸發源與基片的夾角為所計算的角度，依次沉積金屬薄膜2和犧牲層。由於實驗中掩模版的周期已經為4μm，如果要製作寬度為250nm的金屬線條，只需要通過調節金屬蒸發源與基片的夾角為14.9°，沉積一次金屬薄膜2就可以滿足製作要求，如圖4所示。
(5)剝離光刻膠和犧牲層用丙酮溶液及犧牲層腐蝕液剝離光刻膠和犧牲層，沉積在光刻膠和犧牲層上的金屬薄膜同時剝離，而沉積在基底上的金屬薄膜保存下來。由於沒有沉積犧牲層，故實驗中只用丙酮將沉積在光刻膠上的金屬薄膜剝離，而沉積在基底上的金屬薄膜2則保留下來。如圖5所示。
通過本實施例證，利用掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形製做出周期為4μm，線寬為250nm，圖形區為10mm×10mm的亞微米結構圖形。該方法理論上也可製作出大面積的納米結構圖形。
如圖6-圖8所示，通過原子力顯微鏡(AFM)照片和掃描電鏡(SEM)照片，可以明顯看出採用掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形製作出的金屬線條寬度為252nm，長度為10mm，圖形區為10×10mm，在整個圖形區內線條邊緣陡直，線條均勻，結構完整，無斷線，取得很好的實驗效果。
權利要求
1.掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，其特徵在於具體步驟如下(1)對基片進行清洗；(2)旋塗光刻膠；(3)採用光刻方法，在光刻膠層上製作出最小線寬和周期為光刻設備曝光極限的微結構圖形；(4)重複調節蒸發入射角，沉積金屬薄膜和犧牲層；(5)剝離光刻膠和犧牲層，使沉積在光刻膠和犧牲層上的金屬薄膜同時剝離，而沉積在基底上的金屬薄膜保存下來。
2.根據權利要求1所述的掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，其特徵在於所述的步驟(4)中根據所需要的線寬和周期調節金屬蒸發源與基片的夾角。
3.根據權利要求1所述的掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，其特徵在於所述的光刻的光刻膠圖形結構的最小線寬為光刻設備的曝光極限。
4.根據權利要求1所述的掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，其特徵在於利用轉臺調節金屬蒸發源與基片的夾角；
5.根據權利要求1所述的掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，其特徵在於依次沉積金屬薄膜和犧牲層；
6.根據權利要求1所述的掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，其特徵在於利用丙酮溶液及犧牲層腐蝕液剝離光刻膠和犧牲層。
全文摘要
掩膜遮蔽變角度沉積製作納米周期結構圖形的方法，包括以下步驟利用掩模版進行曝光光刻；根據所要製作納米結構圖形的線寬和周期、光刻膠圖形的高度、蒸發源與基片的距離等參數，計算出相應的蒸發源入射角度；調節蒸發入射角依次沉積金屬薄膜和犧牲層；剝離光刻膠和犧牲層。本發明主要利用lift－off技術以及金屬沉積時光刻膠的遮蔽效應，以角位移來代替納米精度的線位移，實現納米圖形的製作。利用本發明已經製作出周期為4μm，線寬為250nm，圖形區為10mm×10mm的光柵線條。
文檔編號H01L21/02GK1794093SQ200510130719
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月23日 優先權日2005年12月23日
發明者趙澤宇, 潘麗, 杜春雷, 羅先剛, 侯德勝 申請人:中國科學院光電技術研究所