CN101325171B - 一种纳米尺寸三角形空气槽的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳米加工技术领域，公开了一种纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，该方法包括：A、在顶层材料为硅的衬底上采用纳米尺寸光刻技术，将曝光图形转移到光刻胶掩膜上，控制图形最小线条尺寸在纳米量级；B、以光刻胶为掩模，采用电感耦合等离子体ICP干法刻蚀技术对所述衬底的顶层硅材料进行刻蚀，形成纵向空气槽；C、在形成纵向空气槽的顶层硅表面，热氧化形成一层厚度为7至15纳米的氧化层；D、利用化学气相沉积技术，采用液态绝缘材料源对刻蚀形成的槽进行氧化硅填充。利用本发明，制作出了纳米尺寸的三角形空气槽。

Description

一种纳米尺寸三角形空气槽的制作方法

技术领域

本发明涉及微纳米加工技术领域，尤其涉及一种纳米尺寸三角形空气槽的制作方法。

背景技术

微电子技术不断向小型化和多功能集成方向发展，各种先进的微纳米加工技术不断涌现。其中，微纳米尺寸曝光技术和刻蚀技术的发展水平对器件性能的改善和提高起着决定性的作用。

近年来，国家对科研工作投入了大量经费，各种高质量的微纳米加工设备进入了各大科研院所，国内微纳米加工技术水平有了飞速的发展。高水平的微纳米加工生产线为微电子技术，微光学通讯，生物传感，纳米技术的发展提供了巨大的动力。

硅材料是微电子领域研究和使用的传统材料，它成本低，加工工艺成熟，特别是它在光通讯波段的光有非常小的吸收系数的特性，使它成为光通讯和光电集成的优良材料。硅材料在光通讯领域的研究和应用已经发展成为一个专门的学科称为硅光子学。

利用微纳米加工技术在硅材料上制作纳米器件是微电子技术发展的必然趋势。利用这种技术不仅可以将MOS器件的栅宽做的更窄，而且可以将硅波导的尺寸做的更小。利用微纳米加工技术结合有着大折射率差特性的SOI材料，新一代的硅基单模光波导的横截面已经做到了250nm×250nm。

近年来，国际上有报道利用微纳米加工技术制作微掩膜，再结合沉积技术制作纳米线结构。Cornell大学的研究者提出了slot波导的概念。即将纳米尺寸的低折射率材料夹在高折射率材料的中间，由电位移连续性方程，光场在低折射率差的材料中的分布将远大于高折射率材料，从而实现了光在低折射率材料中的传播。利用这种原理，将增益介质掺入中心的低折射率层，困扰研究者已久的硅激光器将有望实现。如果将中心材料用折射率更低的空气代替，将会实现更大的光强集中。研究者给出的中间低折射率材料的形状是长方形，三角形的情况会产生什么结果还没有人给与论证。

同时利用这种技术，还可以制作其它结构的微光学器件，比如空气棱镜的实现将有望解决光纤与纳米尺寸波导的光场耦合问题。将空气槽制成三维的棱锥，利用量子限制效应，将有可能实现硅材料的光荧光，从而为硅的光泵激光器和波长变换器的制作开辟新的研究道路。

因此，纳米尺寸三角形空气槽的制作成为了关键。但是，目前还没有关于纳米尺寸三角形空气槽制作公开的报道或记载。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，以制作出纳米尺寸的三角形空气槽。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，该方法包括：

A、在顶层材料为硅的衬底上采用纳米尺寸光刻技术，将曝光图形转移到光刻胶掩膜上，控制图形最小线条尺寸在纳米量级；

B、以光刻胶为掩模，采用电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术对所述衬底的顶层硅材料进行刻蚀，形成纵向空气槽；

C、在形成纵向空气槽的顶层硅表面，热氧化形成一层厚度为7至15纳米的氧化层；

D、利用化学气相沉积技术，采用液态绝缘材料源对刻蚀形成的槽进行氧化硅填充。

上述方案中，步骤A中所述衬底为绝缘层上硅(SOI)，所述纳米尺寸光刻技术为电子束光刻技术，或为深紫外光刻技术，或为X射线光刻技术。

上述方案中，所述纳米尺寸光刻技术为电子束光刻技术，所述步骤A包括：在衬底材料上旋涂一层电子束光刻胶，设计光刻掩膜图形，按照电子束光刻的标准工艺，经过前烘、曝光、显影、定影将设计的光刻掩膜图形转移到电子束光刻胶上。

上述方案中，所述设计光刻掩膜图形包括：如果想利用三角形空气槽制作横截面为三角形的纳米空气波导，则将掩膜图形设计为长方形，长边为波导传播方向，短边与波导横截面平行；或者，如果想利用三角形空气槽制作空气三棱锥充当反射镜，则将掩膜图形设计成为正方形。

上述方案中，步骤B中所述刻蚀形成的纵向空气槽的深度影响最后实现的三角形空气槽的高，纵向空气槽的深宽比决定最终实现的三角形空气槽的高和底边的比，通过改变ICP干法刻蚀条件控制刻蚀形成的纵向空气槽的深度以及剖面形貌，影响最终形成的三角形空气槽的形状。

上述方案中，所述剖面形貌为矩形和正梯形的空气槽，经过填充能够形成三角形的空气槽；所述剖面形貌为倒梯形的空气槽，经过填充将会填满整个空气槽，不会形成三角形空气槽。

上述方案中，所述步骤C包括：将刻蚀完的衬底放入氧化炉，通入氮气，进行高温热氧化，在顶层硅表面热氧化形成一层厚度为7至15纳米的氧化层。

上述方案中，步骤D中所述化学气相沉积技术为低压化学气相沉积(LPCVD)技术或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，所述液态绝缘材料源为正硅酸乙酯(TEOS)、氮化硅或氮氧化硅。

上述方案中，步骤D中所述化学气相沉积技术为LPCVD技术，所述液态绝缘材料源为正硅酸乙酯TEOS，所述步骤D包括：将经过热氧化处理的衬底送入LPCVD反应炉，沉积源材料选用TEOS，由于LPCVD技术在空气槽内和槽外部有明显不同的沉积速率，槽内的沉积速率比槽外的慢很多，导致侧壁的氧化硅沉积向槽中央聚集，堵住了氧化硅向槽底沉积的通道，形成三角形空气槽。

上述方案中，通过电子束光刻的版图设计，改变刻蚀形成的三角形槽的尺寸，得到不同尺寸的三角形横截面结构。

上述方案中，通过改变刻蚀形成的空气槽的结构，该方法进一步用于制作三维的纳米空气锥和空气台结构，或经过拓展完成纳米线波导的制作。

上述方案中，所述经过拓展完成纳米线波导的制作包括：通过精确控制材料沉积厚度，在三角形的顶部未封口时停止沉积，然后利用这层材料做微掩膜，再通过沉积方法在槽内填充所需波导材料，构成纳米线波导。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，通过采用微小尺寸光刻技术和干法刻蚀技术在硅材料上形成纳米尺寸的槽，并采用热氧化和沉积技术在槽内填充氧化硅制作横截面为等腰三角形的纳米尺寸空气槽。整个结构制作在硅衬底上，器件制作工艺与传统微电子工艺兼容。

2、利用本发明，通过采用成熟的微电子工艺，制作出横截面为等腰三角形的空气槽。该工艺中包含了自对准的原理，确保了制作的横截面三角形为等腰三角形。通过调整刻蚀形成的空气槽的尺寸和形状，可以获得不同尺寸三角形空气槽，以及空气锥。通过精确控制沉积厚度，还可以形成等腰梯形截面的空气槽和空气台，为光学纳米器件的研究和制作拓展了思路。

3、利用本发明，制成的三角形空气槽侧壁光滑，且尺寸均在纳米量级，对于微小尺寸结构的研究意义重大。

4、利用本发明，横截面为等腰梯形的空气台结构还可以作为下一次沉积工艺的微掩膜，制作更细尺寸的纳米线波导。这是一种新的制作纳米线波导的方法。

5、利用本发明提出的填充技术制作的三角形空气槽，还可以充当纵向MOSFET结构的栅极氧化层，应用在微电子领域。

附图说明

图1为本发明提供的制作纳米尺寸三角形空气槽的方法流程图；

图2为依照本发明三角形空气槽形成原理图；

图3为依照本发明锥形空气槽形成原理图；

图4为依照本发明纳米线制作工艺原理图；

图5为依照本发明实施例制作纳米尺寸三角形空气槽的工艺流程图；

图6为依照本发明实施例SOI片经过电子束光刻和ICP干法刻蚀后形成的结构横截面扫描电镜(SEM)图；这里以三角形空气槽制作空气波导为例；

图7为依照本发明实施例经过热氧化和LPCVD填充氧化硅后波导横截面SEM示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的制作纳米尺寸三角形空气槽的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：在顶层材料为硅的衬底上采用纳米尺寸光刻技术，将曝光图形转移到光刻胶掩膜上，控制图形最小线条尺寸在纳米量级；

步骤102：以光刻胶为掩模，采用电感耦合等离子体ICP干法刻蚀技术对所述衬底的顶层硅材料进行刻蚀，形成纵向空气槽；

步骤103：在形成纵向空气槽的顶层硅表面，热氧化形成一层厚度为7至15纳米的氧化层；

步骤104：利用化学气相沉积技术，采用液态绝缘材料源对刻蚀形成的槽进行氧化硅填充。

上述步骤101中所述衬底为绝缘层上硅(SOI)，所述纳米尺寸光刻技术为电子束光刻技术，或为深紫外光刻技术，或为X射线光刻技术等。当采用电子束光刻技术时，步骤101包括：在衬底材料上旋涂一层电子束光刻胶，设计光刻掩膜图形，按照电子束光刻的标准工艺，经过前烘、曝光、显影、定影将设计的光刻掩膜图形转移到电子束光刻胶上。

光刻掩膜图形依照三角形空气槽的用途，可以有不同的设计。例如如果想利用三角形空气槽制作横截面为三角形的纳米空气波导，则将掩膜图形设计为长方形，长边为波导传播方向，短边与波导横截面平行；如果想利用三角形空气槽制作空气三棱锥充当反射镜，则将掩膜图形设计成为正方形。

上述步骤102中所述刻蚀形成的纵向空气槽的深度影响最后实现的三角形空气槽的高，纵向空气槽的深宽比决定最终实现的三角形空气槽的高和底边的比，通过改变ICP干法刻蚀条件控制刻蚀形成的纵向空气槽的深度以及剖面形貌，影响最终形成的三角形空气槽的形状。如果剖面形貌为矩形和正梯形的空气槽，则经过填充能够形成三角形的空气槽；如果剖面形貌为倒梯形的空气槽，则经过填充将会填满整个空气槽，不会形成三角形空气槽。如图2和图3所示，图2为三角形空气槽形成原理图，图3为锥形空气槽形成原理图。

上述步骤103包括：将刻蚀完的衬底放入氧化炉，通入氮气，进行高温热氧化，在顶层硅表面热氧化形成一层厚度为7至15纳米的氧化层。这一步骤的目的一方面是钝化刻蚀侧壁，减小侧壁粗糙度，这对减少光波导的传输损耗是至关重要的。另一方面，热氧化方法制备的氧化层要比淀积方法制作的氧化层的绝缘性好很多。

上述步骤104中所述化学气相沉积技术为低压化学气相沉积(LPCVD)技术或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术等，所述液态绝缘材料源可以是通过相同工艺步骤实现三角形空气槽制备的原材料，例如正硅酸乙酯TEOS、氮化硅或氮氧化硅等。

上述步骤104中所述化学气相沉积技术采用LPCVD技术，所述液态绝缘材料源采用正硅酸乙酯TEOS，所述步骤104包括：将经过热氧化处理的衬底送入LPCVD反应炉，沉积源材料选用TEOS(这种材料具有优良的绝缘性，它在常温下是液态的，能够流入已经形成的空气槽内)，由于LPCVD技术在空气槽内和槽外部有明显不同的沉积速率，槽内的沉积速率比槽外的慢很多，导致侧壁的氧化硅沉积向槽中央聚集，堵住了氧化硅向槽底沉积的通道，形成三角形空气槽。

利用本发明，通过电子束光刻的版图设计，改变刻蚀形成的三角形槽的尺寸，得到不同尺寸的三角形横截面结构。通过改变刻蚀形成的空气槽的结构，该方法进一步用于制作三维的纳米空气锥和空气台结构，或经过拓展完成纳米线波导的制作。

如图4所示，图4为纳米线制作工艺原理图。经过拓展完成纳米线波导的制作包括：通过精确控制材料沉积厚度，在三角形的顶部未封口时停止沉积，然后利用这层材料做微掩膜，再通过沉积方法在槽内填充所需波导材料，构成纳米线波导。

以下结合具体的实施例，对本发明提供的制作纳米尺寸三角形空气槽的方法进一步详细说明。具体的器件制作工艺流程如图5所示。

首先，对SOI片进行清洗。在清洗好的SOI片上进行电子束光刻。用光刻胶做掩模进行硅的刻蚀，形成条形空气槽，槽的宽度在纳米量级。此处刻蚀以埋氧层为自停止层。槽深宽比依设计尺寸而定。槽宽越窄，深宽比越大，填充氧化硅的难度也越大。槽宽越宽，深宽比越小，填充氧化硅的难度越小。本实施例采用的尺寸为200nm槽宽，深宽比1：1，空气槽结构为正梯形如图6所示。

将电子束曝光胶去掉，采用标准的浅槽隔离技术，即先热氧化7-15纳米左右的氧化硅，然后用LPCVD结合TEOS源对刻蚀形成的槽进行填充。填充氧化硅厚度为300纳米。

端面三角形空气槽结构清晰可见如图7所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，该方法包括：

A、在顶层材料为硅的衬底上采用纳米尺寸光刻技术，将曝光图形转移到光刻胶掩膜上，控制图形最小线条尺寸在纳米量级；

B、以光刻胶为掩模，采用电感耦合等离子体ICP干法刻蚀技术对所述衬底的顶层硅材料进行刻蚀，形成槽宽为200nm的纵向空气槽；

C、在形成纵向空气槽的顶层硅表面，热氧化形成一层厚度为7至15纳米的氧化层；

D、利用化学气相沉积技术，采用液态绝缘材料源对刻蚀形成的槽进行氧化硅填充。

2.根据权利要求1所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，步骤A中所述衬底为绝缘层上硅SOI，所述纳米尺寸光刻技术为电子束光刻技术，或为深紫外光刻技术，或为X射线光刻技术。

3.根据权利要求2所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，所述纳米尺寸光刻技术为电子束光刻技术，所述步骤A包括：

在衬底材料上旋涂一层电子束光刻胶，设计光刻掩膜图形，按照电子束光刻的标准工艺，经过前烘、曝光、显影、定影将设计的光刻掩膜图形转移到电子束光刻胶上。

4.根据权利要求3所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，所述设计光刻掩膜图形包括：

如果利用三角形空气槽制作横截面为三角形的纳米空气波导，则将掩膜图形设计为长方形，长边为波导传播方向，短边与波导横截面平行；

或者，如果利用三角形空气槽制作空气三棱锥充当反射镜，则将掩膜图形设计成为正方形。

5.根据权利要求1所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，步骤B中所述刻蚀形成的纵向空气槽的深度影响最后实现的三角形空气槽的高，纵向空气槽的深宽比决定最终实现的三角形空气槽的高和底边的比，通过改变ICP干法刻蚀条件控制刻蚀形成的纵向空气槽的深度以及剖面形貌，影响最终形成的三角形空气槽的形状。

6.根据权利要求5所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，所述剖面形貌为矩形和正梯形的空气槽，经过填充能够形成三角形的空气槽；所述剖面形貌为倒梯形的空气槽，经过填充将会填满整个空气槽，不会形成三角形空气槽。

7.根据权利要求1所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，所述步骤C包括：

将刻蚀完的衬底放入氧化炉，通入氮气，进行高温热氧化，在顶层硅表面热氧化形成一层厚度为7至15纳米的氧化层。

8.根据权利要求1所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，步骤D中所述化学气相沉积技术为低压化学气相沉积LPCVD技术或等离子体增强化学气相沉积PECVD技术，所述液态绝缘材料源为正硅酸乙酯TEOS、氮化硅或氮氧化硅。

9.根据权利要求1所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，步骤D中所述化学气相沉积技术为LPCVD技术，所述液态绝缘材料源为正硅酸乙酯TEOS，所述步骤D包括：

将经过热氧化处理的衬底送入LPCVD反应炉，沉积源材料选用TEOS，由于LPCVD技术在空气槽内和槽外部有明显不同的沉积速率，槽内的沉积速率比槽外的慢很多，导致侧壁的氧化硅沉积向槽中央聚集，堵住了氧化硅向槽底沉积的通道，形成三角形空气槽。

10.根据权利要求1所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，通过电子束光刻的版图设计，改变刻蚀形成的三角形槽的尺寸，得到不同尺寸的三角形横截面结构。

11.根据权利要求1所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，通过改变刻蚀形成的空气槽的结构，该方法进一步用于制作三维的纳米空气锥和空气台结构。

12.根据权利要求11所述的纳米尺寸三角形空气槽的制作方法，其特征在于，所述经过拓展完成纳米线波导的制作包括：

通过精确控制材料沉积厚度，在三角形的顶部未封口时停止沉积，然后利用这层材料做微掩膜，再通过沉积方法在槽内填充所需波导材料，构成纳米线波导。

Images