CN101101874A - 刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法 - Google Patents

Abstract

一种属于微细加工技术领域的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法。具体包括如下步骤：(1)沉积氮化铝薄膜；(2)制备微掩模图形；(3)对氮化铝薄膜进行图形化：置入等离子体刻蚀真空腔中，产生氟基混合气体等离子体，利用物理轰击、化学反应或者两者综合作用对非图形区域的氮化铝薄膜进行刻蚀；(4)去除掩模层。本发明可以对微器件中的氮化铝薄膜进行高质量的图形加工，其优势在于图形质量高、对器件中的金属电极无腐蚀性、反应产物对环境友好。

Description

刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法

技术领域

本发明涉及的是一种微细加工技术领域的方法，具体地说，是一种利用等离子反应的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法。

背景技术

氮化铝薄膜在微电子技术、微系统技术、传感器技术中具有广泛的应用或潜在的应用前景。氮化铝具有优良的压电性能和化学稳定性，是很多压电微传感器、执行器的优选压电材料。氮化铝的纵声波传播速度比氧化锌高近一倍，以氮化铝薄膜制作的电声换能器在吉赫兹频段具有优异的性能。氮化铝材料耐高温、绝缘性好，使得以氮化铝薄膜制作的大功率器件性能可靠。以氮化铝电声换能器为基础构成的微波滤波器在下一代无线通信技术中具有诱人的应用前景。在制作以氮化铝薄膜为基础的压电传感器、执行器和电声微换能器件的过程中，需要对氮化铝薄膜进行图形转移。氮化铝薄膜图形转移的复制精度和图形质量对器件的性能有重要的影响。然而氮化铝薄膜的刻蚀比较困难，不易制作出具有复杂结构且高精度的图形。其原因是：第一，剥离技术是最为简单的对难刻蚀材料进行图形化的技术手段之一，但氮化铝薄膜的生长一般需要300℃以上的高温，不能采用光刻胶作为牺牲层材料，而如果采用多晶硅等其他材料，工艺复杂，图形转移的精度也很低。第二，氮化铝材料在其化学腐蚀液中的刻蚀过程难以控制，转移的图形质量很差，而且刻蚀速率和图形质量严重依赖于与氮化铝薄膜本身的结晶质量。第三，虽然使用一般的离子铣(Ion milling)技术能够控制对氮化铝薄膜的刻蚀过程，但由于氮化铝的化学键结合能较高，其刻蚀速率很低(一般小于20纳米每分钟)，要完成微米量级厚度(一般大于2微米)薄膜的刻蚀需要很长时间，掩模材料也较难选择。

反应等离子体刻蚀采用反应气体电离产生的高活性和高能量离子与材料表面原子反应，形成挥发性气体而被真空系统抽走，从而进行样品的刻蚀。这种刻蚀方法对刻蚀材料进行图形转移，复制精度高、图形质量好而且工艺稳定。所以利用反应等离子体刻蚀对氮化铝薄膜进行图形转移是目前获得复制精度高、图形质量好的氮化铝薄膜图形的最有效的技术手段之一。

经过对现有技术的文献检索发现，在利用反应性等离子刻蚀对氮化铝进行图形转移的技术领域，反应气体的种类和组成对刻蚀速率和图形质量非常重要。Pearton等人在Semiconductor Science and Technology(半导体科学与技术)1993年第8卷2期，第310页的文章“Dry etching of thin-film InN，AlN，andGaN(对氮化铟、氮化铝和氮化镓薄膜的干法刻蚀)”中采用了Cl₂气、Cl₂和H₂的混合气体以及BCl₃和氩气的混合气体对氮化铝薄膜进行刻蚀。在上述方法中，反应气体都是通过电离后产生活性氯离子与氮化铝反应而进行刻蚀和图形化的。主要存在缺陷是：第一，通过氯离子进行氮化铝薄膜的刻蚀时，由于氯离子对氮化铝的刻蚀是各向同性的，会造成掩模下方氮化铝薄膜的侧向刻蚀，导致图形质量的显著下降；第二，如果氮化铝薄膜器件中包含金属，在氮化铝图形化过程中，金属表面会吸附氯离子，当刻蚀完成将基片从反应室移出时，这些成分会与空气中的水气反应，形成盐酸导致金属腐蚀；第三，反应产物中存在的氯离子会与水气结合形成盐酸，对刻蚀设备的通气系统有损害，如果不加以处理，排出物对环境也有一定污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，使其可以对微器件中的氮化铝薄膜进行高质量的图形加工，其优势在于图形质量高、对器件中的金属电极无腐蚀性、反应产物对环境友好。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体包括如下步骤：

(1)沉积氮化铝薄膜；

(2)制备微掩模图形：采用光刻、腐蚀或电铸的方法获得与氮化铝薄膜图形相同的金属微掩模图形；或利用通用的光刻工艺获得与氮化铝薄膜图形相同的非金属微掩模图形；

(3)对氮化铝薄膜进行图形化：置入等离子体刻蚀真空腔中，产生氟基混合气体等离子体，利用物理轰击、化学反应或者两者综合作用对非图形区域的氮化铝薄膜进行刻蚀；

(4)去除掩模层：在腐蚀液中去除微掩模层材料，获得图形化的氮化铝薄膜。

步骤(2)中，所述采用光刻方法获得与氮化铝薄膜图形相同的金属微掩模图形，具体步骤为：

①将氮化铝薄膜的表面溅射电镀种子层；

②旋涂光刻胶并进行光刻，形成光刻胶图形，其图形与所氮化铝薄膜的图形相反；

③置入电镀液中电镀金属膜，获得与所需要的氮化铝薄膜的图形相同的掩模图形；

④用丙酮浸泡，去除光刻胶；

⑤最后使用氩等离子体刻蚀去除非图形区域的种子层，最终得到金属掩模图形。

步骤(2)中，所述的微掩模图形，其所使用的掩模材料是在氟基等离子刻蚀中难以被刻蚀的金属或非金属材料(如光刻胶、聚酰亚胺等材料)；本发明优选采用金属掩模材料，包括铜、镍或镍铁合金的任意一种。

步骤(3)中，所述的氟基混合气体，是指：由SF6、CHF3、CF4等任一氟基气体与氩气之间组成的混合气体。

所述的氟基混合气体，优选SF6与氩气之间混合，其中：SF6的含量范围为20％-70％，直流偏置电压为500伏特-1000伏特，反应压强为2帕斯卡-5帕斯卡。

步骤(3)中，所述的等离子可由如下干法刻蚀设备产生：反应离子刻蚀、电子回旋共振等离子体、感应耦合等多种干法刻蚀设备。

本发明的氮化铝薄膜，是指：使用溅射、化学气相沉积、分子束外延方法，生长在玻璃、单晶硅、具有氧化层的单晶硅或表面生长金属薄膜的单晶硅或氧化硅基片上的氮化铝薄膜。

本发明的有益效果在于：

1本发明在刻蚀过程中氮化铝图形侧壁上会生成氟化铝保护层，有效抑制了氮化铝薄膜的侧向腐蚀，提高了图形质量，图形最小分辨率小于5μm。

2本发明中采用的氟离子在反应后不会残留在微器件(插入)中金属表面，因此刻蚀结束暴露于空气中不会损伤各种氮化铝薄膜微器件中的金属。

3本发明中使用的SF6气体十分安全，刻蚀排出物对环境友好。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

本实施例所使用的图形转移样片为生长在具有氧化硅层上的氮化铝薄膜。具体图形化过程为：

(1)利用现有技术进行氮化铝薄膜沉积：选用采用溅射沉积方法，在具有氧化硅层的单晶硅片上沉积氮化铝薄膜，膜厚为2微米。

(2)金属掩模形成与图形化：

将氮化铝薄膜的表面溅射20纳米厚的金属铬和100纳米厚的铜作为电镀种子层；

旋涂光刻胶5微米并进行光刻，形成光刻胶图形，其图形与所需要的氮化铝薄膜的图形相反；

将样品置入标准硫酸铜铜电镀液中电镀4微米的铜金属膜，电流密度为20安培每平方厘米，获得与所需要的氮化铝薄膜的图形相同的掩模图形；

用丙酮浸泡样品10分钟，去除光刻胶；

最后使用氩等离子体刻蚀去除非图形区域的铬和铜种子层，最终得到最小线宽为5微米的金属掩模图形。

(3)氮化铝薄膜图形化：将样片置入等离子体刻蚀真空腔中，抽真空至5×10^-5帕斯卡，利用含SF6和氩气的混合气体产生等离子体对氮化铝薄膜进行刻蚀。工艺条件为直流偏压500伏特，反应压强2帕斯卡，SF6气体流速10标准立方厘米每分钟，氩气流速40标准立方厘米每分钟。SF6在混合气体中的含量为20％。刻蚀时间为35分钟。刻蚀结束后，图形区表面仍存在金属掩模，且掩模边缘整齐，图形保持完好。

(4)利用现有技术去除金属掩模层：首先将刻蚀后的样品置入室温下的铜腐蚀液中，去除金属掩模和电镀种子层，再将样品置入室温下铬腐蚀液，去除金属掩模下的铬种子层。

本实施例最终得到最小线宽5微米的氮化铝薄膜图形。所得到的氮化铝薄膜图形表面无残渣、无刻痕、十分平滑，图形侧壁基本垂直。使用台阶测得图形高度1.9微米，因此刻蚀速率为55纳米每分钟。

实施例2

本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

本实施例所使用的图形转移样片为生长在金属铂薄膜上的氮化铝薄膜。具体图形化过程为：

(1)氮化铝薄膜沉积：同实施例1。

(2)金属掩模形成与图形化：

将氮化铝薄膜的表面溅射20纳米厚的金属铬和100纳米厚的铜作为电镀种子层；

旋涂光刻胶5微米并进行光刻，形成光刻胶图形，其图形与所需要的氮化铝薄膜的图形相反；

将样品置入标准瓦特电镀液中电镀2微米的镍金属膜，电流密度为10安培每平方厘米，获得与所需要的氮化铝薄膜的图形相同的掩模图形；

用丙酮浸泡样品10分钟，去除光刻胶；

最后使用氩等离子体刻蚀去除非图形区域的铬和铜种子层，最终得到最小线宽为5微米的金属掩模图形。

(3)氮化铝薄膜图形化：等离子体对氮化铝薄膜进行刻蚀时，直流偏压为700伏特，反应压强为3.5帕斯卡，反应气体SF6气体流速为20标准立方厘米每分钟，氩气流速为30标准立方厘米每分钟。SF6在混合气体中的含量为40％。刻蚀时间为25分钟。刻蚀结束后，图形区表面仍存在金属掩模，且掩模边缘整齐，图形保持完好。

(4)利用现有技术去除金属掩模层：首先将刻蚀后的样品置入室温下的镍腐蚀液中，去除金属镍掩模，再将样品分别置入室温下铜和铬腐蚀液中，去除金属掩模下的铜铬种子层。

本实施例最终得到最小线宽5微米的氮化铝薄膜图形。所得到的氮化铝薄膜图形表面无残渣、无刻痕、十分平滑，图形侧壁基本垂直。非图形区域已明显漏出氮化铝薄膜下面的铂薄膜，使用台阶测得图形高度2微米，因此刻蚀速率为80纳米每分钟。

实施例3

本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

本实施例所使用的图形转移材料为采用化学气相沉积方法在单晶硅衬底上制备的氮化铝薄膜。具体图形化过程为：

(1)利用现有技术进行氮化铝薄膜沉积：选用采用化学气相沉积方法，在单晶硅基片上生长的氮化铝薄膜，膜厚为1.8微米。

(2)金属掩模形成与图形化：同实施例1，制备铜金属掩模。

(3)氮化铝薄膜图形化：等离子体对氮化铝薄膜进行刻蚀时，直流偏压为1000伏特，反应压强为5帕斯卡，反应气体SF6气体流速为21标准立方厘米每分钟，氩气流速为9标准立方厘米每分钟。SF6在混合气体中的含量为70％。刻蚀时间为40分钟。刻蚀结束后，图形区表面仍存在金属掩模，且掩模边缘整齐，图形保持完好。

(4)采用与具体实施例1相同的方法去除金属掩模。

本实施例最终得到最小线宽5微米的氮化铝薄膜图形。所得到的氮化铝薄膜图形表面无残渣、无刻痕、十分平滑，图形侧壁基本垂直。测量非图形区域电阻发现已露出硅基片，使用台阶测得图形高度1.8微米，因此刻蚀速率为45纳米每分钟。

Claims (8)

1.一种刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)沉积氮化铝薄膜；

(2)制备微掩模图形：采用光刻、腐蚀或电铸的方法获得与氮化铝薄膜图形相同的金属微掩模图形；或利用光刻工艺获得与氮化铝薄膜图形相同的非金属微掩模图形；

(3)对氮化铝薄膜进行图形化：置入等离子体刻蚀真空腔中，产生氟基混合气体等离子体，利用物理轰击、化学反应或者两者综合作用对非图形区域的氮化铝薄膜进行刻蚀；

(4)去除掩模层：在腐蚀液中去除微掩模层材料，获得图形化的氮化铝薄膜。

2.如权利要求1所述的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征是，步骤(2)中所述采用光刻方法获得与氮化铝薄膜图形相同的金属微掩模图形，具体步骤为：

①将氮化铝薄膜的表面溅射电镀种子层；

②旋涂光刻胶并进行光刻，形成光刻胶图形，其图形与所氮化铝薄膜的图形相反；

③置入电镀液中电镀金属膜，获得与氮化铝薄膜的图形相同的掩模图形；

④用丙酮浸泡，去除光刻胶；

⑤最后使用氩等离子体刻蚀去除非图形区域的种子层，得到金属掩模图形。

3.如权利要求1或2所述的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征是，步骤(2)中所述的金属微掩模图形，所采用金属掩模材料是铜、镍或镍铁合金的任意一种。

4.如权利要求1所述的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征是，步骤(2)中所述的非金属微掩模图形，所采用的非金属掩模材料是光刻胶或聚酰亚胺。

5.如权利要求1所述的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征是，步骤(3)中所述的氟基混合气体，是指：由SF6、CHF3、CF4任一氟基气体与氩气之间组成的混合气体。

6.如权利要求5所述的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征是，所述的氟基混合气体，是指：SF6与氩气之间的混合气体。

7.如权利要求6所述的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征是，所述的SF6与氩气之间的混合气体，SF6的含量范围为20％-70％。

8.如权利要求6或7所述的刻蚀氮化铝薄膜微图形的方法，其特征是，所述的SF6与氩气之间的混合气体，其刻蚀的参数条件是：直流偏置电压为500伏特-1000伏特，反应压强为2帕斯卡-5帕斯卡。