CN101677231A - 一种采用x射线曝光制作声表面波器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，该方法是利用电子束光刻在镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜上制作叉指换能器的母版，再利用X射线曝光在压电衬底上获得叉指换能器的电子抗蚀剂凹立图形，然后再用剥离工艺制作各种声表面波器件。利用本发明，可以极大地减小电极材料的背散射效应，得到纳米尺度的叉指换能器电极，进一步提高声表面波器件的工作频率和性能。另外，还可以反复多次进行X射线曝光，提高了制作效率，极大减小了制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及微电子学与声表面波器件中的微纳加工技术领域，特别涉及一种采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，即具有纳米尺度叉指换能器电极的制作方法。
背景技术
根据声表面波传输性质，对于常见的压电介质，当工作中心频率达到1GHz时，叉指换能器电极将小于1微米。随着移动通信系统的工作频率向2GHz以上攀升，以及高速传感技术的发展，对声表面波器件的制作提出挑战，要求线条越来越细，精度越来越高，甚至达到百纳米左右才能满足移动通信市场和传感技术快速发展的要求。
传统的光学光刻对密集图形在500nm以下难以得到好的效果。一般具有纳米尺度叉指换能器电极的声表面波器件多采用电子束直写光刻技术制备，此时需要先在不导电的压电基片上沉积电极材料，然后再进行电子束光刻和电极材料刻蚀。由于电极材料对电子束的背散射效应较强，影响了叉指换能器电极的宽度和间距的进一步减小。电子束直写光刻的另一个缺点是工作效率较低，成本较高。
如果首先在一个背散射效应很小的基片上利用电子束直写光刻技术，制备出具有纳米尺度叉指换能器电极的声表面波器件图形作为母版，然后在压电基片上采用X射线曝光得到凹立的叉指换能器电极图形，通过剥离得到叉指换能器电极，就可以极大地减小电极材料的背散射效应，得到纳米尺度的叉指换能器电极，进一步提高声表面波器件的工作频率和性能。
另外，利用这个母版可以反复多次进行X射线曝光，提高了制作效率，极大减小了制作成本。
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采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，以减小电极材料的背散射效应，得到纳米尺度的叉指换能器电极，提高声表面波器件的工作频率和性能，降低制作成本。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，该方法是利用电子束光刻在镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜上制作叉指换能器的母版，再利用X射线曝光在压电衬底上获得叉指换能器的电子抗蚀剂凹立图形，然后再用剥离工艺制作各种声表面波器件。
上述方案中，该方法具体包括以下步骤
1)、制备镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜；
2)、生长微电镀的种子层；
3)、旋涂电子抗蚀剂；
4)、电子束直写曝光；
5)、显影、定影，得到叉指换能器的图形；
6)、在得到的叉指换能器的图形区域微电镀金；
7)、去除电子抗蚀剂，完成母版的制作；
8)、在压电衬底上涂敷电子抗蚀剂；
9)、用制备好的母版对压电衬底上的电子抗蚀剂进行X射线曝光；
10)、显影、定影；
11)、生长叉指换能器电极金属；
12)、剥离，将叉指换能器电极图形从抗蚀剂上转移到压电衬底上。
上述方案中，其中步骤1)中所述制备镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜，是在双面抛光的(100)硅片上单面旋涂2μm厚的聚酰亚胺，并在热板上烘烤，待冷却后装入特殊制作的卡具，放入由氢氟酸、硝酸和醋酸混合而成的各向同性腐蚀液中对硅片进行腐蚀，得到镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜。
上述方案中，其中步骤2)中所述生长微电镀的种子层，是在聚酰亚胺薄膜上采用电子束蒸发方法先后蒸发5nm的铬和10nm的金，作为微电镀的种子层。
上述方案中，其中步骤3)中所述电子抗蚀剂为ZEP520正性抗蚀剂、PMMA正性抗蚀剂、SAL601负性抗蚀剂、HSQ负性抗蚀剂或Calixarene负性抗蚀剂。
上述方案中，其中步骤4)中所述电子束直写曝光，采用JEOLJBX-5000LS电子束光刻系统，加速电压为50KeV，电子束流小于500pA。
上述方案中，其中步骤6)中所述在得到的叉指换能器的图形区域微电镀金，是将衬底装好放入亚硫酸盐金电镀液，电镀后的金吸收体厚度为400nm。
上述方案中，其中步骤8)中所述压电衬底为平整、洁净的压电单晶衬底或压电薄膜衬底。
上述方案中，所述压电单晶衬底为石英、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7或La3Ga5SiO14，所述压电薄膜衬底为ZnO、AlN或GaN。
上述方案中，其中步骤8)中所述电子抗蚀剂为ZEP520正性抗蚀剂、PMMA正性抗蚀剂、SAL601负性抗蚀剂、HSQ负性抗蚀剂或Calixarene负性抗蚀剂。
上述方案中，其中步骤9)中所述的X射线曝光是将掩膜和衬底安装在曝光卡具上，放入真空曝光腔室，使曝光图形区位于X射线扫描束的中心。
上述方案中，其中步骤11)中所述叉指换能器电极金属采用金属材料Al、Cu、Ti、Cr、Au、Ag或Pt。
上述方案中，其中步骤11)中所述生长叉指换能器电极金属，采用高温蒸发、电子束蒸发、射频溅射或磁控溅射方法进行。
上述方案中，其中步骤12)中所述剥离采用去电子抗蚀剂液剥离出叉指换能器电极。
上述方案中，对于ZEP520正性抗蚀剂，所述去电子抗蚀剂液采用丁酮MEK或甲基丙烯酸甲脂MMA；对于PMMA正性抗蚀剂，所述去电子抗蚀剂液采用四氢呋喃或二甲基甲酰胺DMF。
(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、本发明提供的这种采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，利用具有纳米尺度叉指换能器电极的声表面波器件图形作为母版，然后在压电基片上采用X射线曝光得到凹立的叉指换能器电极图形，通过剥离得到叉指换能器电极，就可以极大地减小电极材料的背散射效应，得到纳米尺度的叉指换能器电极，进一步提高声表面波器件的工作频率和性能。
2、本发明提供的这种采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，利用具有纳米尺度叉指换能器电极的声表面波器件图形作为母版，可以反复多次进行X射线曝光，提高了制作效率，极大减小了制作成本。
附图说明
图1是本发明提供的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法流程图；
图2至图12是本发明采用X射线曝光制作声表面波器件的工艺流程图；
图13至图23是依照本发明实施例采用X射线曝光制作声表面波器件的工艺流程图；
图24和图25分别是根据图13至图23所示的具体实施例流程在ST切石英衬底上通过X射线曝光制作的ZEP520A电子抗蚀剂叉指换能器的掩模及相应的间距为400nm的叉指换能器电极的显微镜表面照片。
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。
本发明采用X射线光刻技术，它是一种有效的纳米加工手段，具有纳米级的分辨率。本发明主要利用电子束光刻制备X射线曝光的母版，再利用X射线曝光在压电衬底上形成间距小于500nm的叉指换能器的电子抗蚀剂凹立电极图形，再经生长叉指换能器电极金属和剥离即可制备出声表面波器件。
如图1所示，图1是本发明提供的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法流程图，该方法具体包括以下步骤
1)、制备镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜；
2)、生长微电镀的种子层；
3)、旋涂电子抗蚀剂；
4)、电子束直写曝光；
5)、显影、定影，得到叉指换能器的图形；
6)、在得到的叉指换能器的图形区域微电镀金；
7)、去除电子抗蚀剂，完成母版的制作；
8)、在压电衬底上涂敷电子抗蚀剂；
9)、用制备好的母版对压电衬底上的电子抗蚀剂进行X射线曝光；
10)、显影、定影；
11)、生长叉指换能器电极金属；
12)、剥离，将叉指换能器电极图形从抗蚀剂上转移到压电衬底上。
基于图1所示的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法流程图，图2至图12示出了本发明采用X射线曝光制作声表面波器件的工艺流程图。
如图2所示，在双面抛光的(100)硅片上单面旋涂2μm厚的聚酰亚胺，并在热板上烘烤，待冷却后装入特殊制作的卡具，放入各向同性腐蚀液中(氢氟酸、硝酸和醋酸)对硅进行腐蚀，得到镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜。
如图3所示，采用电子束蒸发，在聚酰亚胺薄膜上先后蒸发5nm的铬和10nm的金作为微电镀的种子层。
如图4所示，在蒸发过微电镀种子层的聚酰亚胺薄膜上用匀胶机涂敷高分辨率电子抗蚀剂(可采用正性电子抗蚀剂ZEP520、PMMA等，也可采用负性电子抗蚀剂SAL601、HSQ、Calixarene等)。然后对上述涂敷好的电子抗蚀剂采用烘箱或热板进行一定时间和一定温度的前烘。
如图5所示，对电子抗蚀剂的区域进行电子束直写曝光(正性电子抗蚀剂为图形区曝光，负性电子抗蚀剂为非图形区曝光)。电子束曝光可采用JEOL公司生产的JBX-5000LS电子束光刻系统，其加速电压为50KeV，电子束流小于500pA。然后对曝光过的电子抗蚀剂进行显影和定影，去除未曝光区域的电子抗蚀剂，形成用于微电镀的电子抗蚀剂掩模。通过工艺控制，确定叉指换能器电极区域的宽度和形状
如图6所示，利用显影后的电子抗蚀剂作为掩模，将衬底装好后放入亚硫酸盐金电镀液进行电镀，电镀后的金吸收体厚度为400nm。
如图7所示，采用对应的去电子抗蚀剂液去除电子束光刻胶，并利用感应耦合高密度等离子体(ICP)刻蚀去除铬金电镀种子层，完成整个X射线光刻掩膜版的制备。
如图8所示，在平整、洁净的压电单晶如石英、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、La3Ga5SiO14，或压电薄膜如ZnO、AlN、GaN等衬底上用匀胶机涂敷高分辨率电子抗蚀剂(可采用正性电子抗蚀剂ZEP520、PMMA等，也可采用负性电子抗蚀剂SAL601、HSQ、Calixarene等)。然后对上述涂敷好的电子抗蚀剂采用烘箱或热板进行一定时间和一定温度的前烘。
如图9所示，对电子抗蚀剂的区域进行X射线曝光(正性电子抗蚀剂为图形区曝光，负性电子抗蚀剂为非图形区曝光)。X射线曝光可在中国科学技术大学合肥国家同步辐射实验室或中国科学院高能物理研究所北京同步辐射实验室的光刻站进行，将掩膜和衬底小心地安装在曝光卡具上，放入真空曝光腔室，使曝光图形区位于X射线扫描束的中心。
如图10所示，曝光后对曝光过的电子抗蚀剂进行显影和定影，形成用于剥离的抗蚀剂掩模。通过工艺控制，确定叉指换能器电极区域的宽度和形状。
如图11所示，利用显影后的电子抗蚀剂作为掩模，根据设计需要蒸发或溅射叉指换能器电极金属Al、Au、Ag、Pt、Cu、Ti、Cr等。
如图12所示，采用专用去电子抗蚀剂液剥离，完成在衬底上的叉指换能器电极的制作。
下面以使用ST切石英衬底、ZEP520A正性电子抗蚀剂为例，结合附图进一步说明本发明的详细工艺方法和步骤，其中：
如图13所示，在双面抛光的(100)硅片上单面旋涂2μm厚的聚酰亚胺，并在热板上烘烤，待冷却后装入特殊制作的卡具，放入各向同性腐蚀液中(氢氟酸、硝酸和醋酸)对硅进行腐蚀，得到镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜。
如图14所示，采用电子束蒸发，在聚酰亚胺薄膜上先后蒸发5nm的铬和10nm的金作为微电镀的种子层。
如图15所示，在蒸发过微电镀种子层的聚酰亚胺薄膜上用匀胶机涂敷ZEP520A正性电子抗蚀剂，涂敷转速为3000rpm，涂敷时间为60秒。然后用烘箱在180℃下前烘40分钟。
如图16所示，对ZEP520A电子抗蚀剂的区域进行电子束直写曝光。电子束曝光采用JEOL公司生产的JBX-5000LS电子束光刻系统，其加速电压为50KeV，电子束流为500pA。曝光后用ZEP-RD显影液显影40秒，将曝光区域的电子抗蚀剂溶掉，并立即用IPA定影，形成用于微电镀的电子抗蚀剂掩模。
如图17所示，利用显影后的电子抗蚀剂作为掩模，将衬底装好放入亚硫酸盐金电镀液进行电镀，电镀后的金吸收体厚度为400nm。
如图18所示，将微电镀过金的抗蚀剂掩模放于甲基丙烯酸甲脂(MAA)中去除ZEP520A电子束光刻胶，并利用感应耦合高密度等离子体(ICP)刻蚀去除铬金电镀种子层，得到X射线光刻掩膜版。
如图19所示，采用ST切石英衬底，在该压电衬底上用匀胶机涂敷ZEP520A正性电子抗蚀剂，涂敷转速为3000rpm，涂敷时间为60秒。然后用烘箱在180℃下前烘40分钟。
如图20所示，对ZEP520A电子抗蚀剂的区域进行X射线曝光，X射线曝光在中国科学技术大学合肥国家同步辐射实验室的光刻站进行。
如图21所示，曝光后用ZEP-RD显影液显影40秒，将曝光区域的电子抗蚀剂溶掉，并立即用IPA定影，形成用于剥离的抗蚀剂掩模。图23是在ST切石英衬底上制作的ZEP520电子抗蚀剂掩模的显微镜表面照片，图中叉指换能器电极图形的最小间距为400nm。
如图22所示，在电子抗蚀剂掩模上电子束蒸发2nm的Cr和40nmAu(其中Cr主要增加石英与Au叉指电极的粘附性)。
如图23所示，将蒸过金属的抗蚀剂掩模放于MEK中剥离，加热80℃约30分钟，浸泡一段时间后用乙醇、水清洗，完成叉指电极的制备。
图25是根据图13至图23所示的具体实施例流程在ST切石英衬底上制作的叉指换能器电极的显微镜表面照片，图中叉指换能器电极的最小线宽为400nm。
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 (15)
1、一种采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，该方法是利用电子束光刻在镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜上制作叉指换能器的母版，再利用X射线曝光在压电衬底上获得叉指换能器的电子抗蚀剂凹立图形，然后再用剥离工艺制作各种声表面波器件。
2、根据权利要求1所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤
1)、制备镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜；
2)、生长微电镀的种子层；
3)、旋涂电子抗蚀剂；
4)、电子束直写曝光；
5)、显影、定影，得到叉指换能器的图形；
6)、在得到的叉指换能器的图形区域微电镀金；
7)、去除电子抗蚀剂，完成母版的制作；
8)、在压电衬底上涂敷电子抗蚀剂；
9)、用制备好的母版对压电衬底上的电子抗蚀剂进行X射线曝光；
10)、显影、定影；
11)、生长叉指换能器电极金属；
12)、剥离，将叉指换能器电极图形从抗蚀剂上转移到压电衬底上。
3、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤1)中所述制备镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜，是在双面抛光的(100)硅片上单面旋涂2μm厚的聚酰亚胺，并在热板上烘烤，待冷却后装入特殊制作的卡具，放入由氢氟酸、硝酸和醋酸混合而成的各向同性腐蚀液中对硅片进行腐蚀，得到镂空的聚酰亚胺自支撑薄膜。
4、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤2)中所述生长微电镀的种子层，是在聚酰亚胺薄膜上采用电子束蒸发方法先后蒸发5nm的铬和10nm的金，作为微电镀的种子层。
5、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤3)中所述电子抗蚀剂为ZEP520正性抗蚀剂、PMMA正性抗蚀剂、SAL601负性抗蚀剂、HSQ负性抗蚀剂或Calixarene负性抗蚀剂。
6、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤4)中所述电子束直写曝光，采用JEOL JBX-5000LS电子束光刻系统，加速电压为50KeV，电子束流小于500pA。
7、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤6)中所述在得到的叉指换能器的图形区域微电镀金，是将衬底装好放入亚硫酸盐金电镀液，电镀后的金吸收体厚度为400nm。
8、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤8)中所述压电衬底为平整、洁净的压电单晶衬底或压电薄膜衬底。
9、根据权利要求8所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，所述压电单晶衬底为石英、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7或La3Ga5SiO14，所述压电薄膜衬底为ZnO、AlN或GaN。
10、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤8)中所述电子抗蚀剂为ZEP520正性抗蚀剂、PMMA正性抗蚀剂、SAL601负性抗蚀剂、HSQ负性抗蚀剂或Calixarene负性抗蚀剂。
11、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤9)中所述的X射线曝光是将掩膜和衬底安装在曝光卡具上，放入真空曝光腔室，使曝光图形区位于X射线扫描束的中心。
12、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤11)中所述叉指换能器电极金属采用金属材料Al、Cu、Ti、Cr、Au、Ag或Pt。
13、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤11)中所述生长叉指换能器电极金属，采用高温蒸发、电子束蒸发、射频溅射或磁控溅射方法进行。
14、根据权利要求2所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，其中步骤12)中所述剥离采用去电子抗蚀剂液剥离出叉指换能器电极。
15、根据权利要求14所述的采用X射线曝光制作声表面波器件的方法，其特征在于，对于ZEP520正性抗蚀剂，所述去电子抗蚀剂液采用丁酮MEK或甲基丙烯酸甲脂MMA；对于PMMA正性抗蚀剂，所述去电子抗蚀剂液采用四氢呋喃或二甲基甲酰胺DMF。
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