CN102723270B

CN102723270B - 一种使柔性材料层表面平坦化的方法

Info

Publication number: CN102723270B
Application number: CN201210187294.4A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 唐伟; 孙旭明; 王子然; 彭旭华; 孟博
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: CN102723270A

Abstract

本发明公开了一种使柔性材料层表面平坦化的方法，所述柔性材料层生长于器件表面，首先根据柔性材料层所覆盖的器件表面的凹凸结构制备硬质模版；然后将该模版置于柔性材料层上，使二者对准、紧密接触并固定，在模版的图形区域柔性材料层上的凸起被露出；接着通过等离子体刻蚀方法刻蚀柔性材料层表面的凸起。该方法能将柔性材料层存在的2微米以上的高度差缩减到1微米以内，实现柔性材料层的表面平坦化。

Description

一种使柔性材料层表面平坦化的方法

技术领域

本发明涉及一种在微加工领域，针对表面不平坦的柔性材料层进行平坦化的方法。

背景技术

随着微电子工业的发展，其器件在生物、医学等领域的应用也越来越多，前景光明。而这些方面的应用往往要求微电子器件具有柔韧性、延展性和生物兼容性，因此加工时都需要生长加工较厚的柔性材料，比如聚合物聚对二甲苯(parylene)、聚酰亚胺(polyimide)等(Liu C，ADVANCED MATERIALS Vol.19 Iss.22 3783-3790 Published：NOV 192007)。而由于器件的结构的多样化和复杂化，生长完柔性材料后，柔性材料层表面往往是不平坦的，对于后续的图形化加工，包括电极引线、多层复合加工等，都带了很多的麻烦，这就需要用到平坦化和抛光技术。常规的普通硬质材料(如氧化硅、金属等)的平坦化方法为化学机械抛光(CMP)。这种方法对于这些柔性材料很不适用，往往会造成柔性材料的脱落(Chemical Mechanical Planarization of Microelectronic Materials，Joseph M.Steigerwald，Shyam P.Murarka，Ronald J.Gutmann，Published Online：21 DEC 2007(book))。因此发明一种针对柔性材料平坦化的方法，对于微电子在生物、医学等方面的应用将具有革命性的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现柔性材料层表面平坦化的方法。

为了实现上述目的，本发明首先依据柔性材料层所覆盖的器件表面结构，利用传统光刻工艺制备出硬质模版；然后将此模版置于覆盖器件的柔性材料层上，利用晶片对准设备实现模版和柔性材料层表面图形的对准；使二者紧密接触并固定后，在模版图形区域柔性材料层上的凸起被露出；接着通过等离子体刻蚀方法刻蚀柔性材料层表面的凸起，实现柔性材料层的表面平坦化。

上述模版材料是硬质材料，例如氮化硅，碳化硅等非金属材料，以及铬、金、铝等金属材料，优选为碳化硅。这些材料的模版均可采用现有技术来制备。

其中，碳化硅模版的制备方法可参见中国专利201110144874.0“一种光刻掩膜版及其制备方法”，如下：在一衬底正面通过等离子加强化学气相淀积(PECVD)方法生长SiC薄膜，并根据柔性材料层所覆盖的器件表面的凹凸结构刻蚀该SiC薄膜，形成使凸出部分露出的模版图形；对应于SiC薄膜的模版图形区域，从衬底背面刻蚀衬底，释放出衬底正面的模版图形。

具体的，碳化硅模版的制备可包括下述步骤：

1)在一衬底正面用PECVD方法生长SiC薄膜；

2)在衬底背面形成掩膜；

3)根据柔性材料层所覆盖的器件表面的凹凸结构，在衬底正面的SiC薄膜上刻蚀出使凸出部分露出的模版图形；

4)对应于SiC薄膜的模版图形区域刻蚀衬底背面的掩膜，形成窗口；

5)通过窗口刻蚀或腐蚀衬底，释放出衬底正面的模版图形。

上述制备碳化硅模版的方法中，所述衬底可以采用硅片、玻璃片、陶瓷片等常用衬底。

上述步骤1)中所述SiC薄膜的厚度为100纳米到10微米

步骤1)PECVD生长SiC薄膜的条件优选为：压力700～1200mTorr，温度200～400℃，SiH₄：20～60sccm，CH₄：200～400sccm，Ar：200～400sccm，每个周期HF(高频电源)作用时间为10～20s，LF(低频电源)作用时间为20～30s，功率200～400W。其中HF和LF的频率通常分别为13.56MHz和380kHz。

上述步骤2)在衬底背面形成的掩膜可以是SiN、SiO₂、SiC等材料的非金属膜，也可以是Au、Cr、镍镉合金、铬金合金等材料的金属膜。

当然，本发明平坦化柔性材料层的方法并不限于使用碳化硅模版，其他材料的模版，如氮化硅、金属铬、金属金、金属铝模版也能获得相应的技术效果。

模版加工好后，通过下述步骤实现模版和柔性材料层表面图形的对准、固定和柔性材料层的平坦化：

a.将覆盖有柔性材料层的待加工工件和模版中的一个置于承片台上，另一个置于可动夹具上，然后将二者对准；

b.完成对准后，使模版和待加工工件的柔性材料层紧密接触，并用磁铁或夹子等固定，露出柔性材料层表面的凸起；

c.将固定好的整个结构置于等离子体反应腔中，刻蚀柔性材料，实现平坦化。

上述步骤b固定的方式可以是把两磁铁分别放在模版和待加工工件的背面，利用磁铁的吸力固定住模版和工件，也可以用专用夹子夹住模版和工件，以提供更紧密的接触。

步骤c将整个结构置于等离子体反应腔室中，刻蚀柔性材料层的突起区域，最终实现整片内的柔性材料层平坦化。柔性材料层的等离子体刻蚀可采用普通刻蚀设备或深刻蚀设备。以刻蚀聚合物聚对二甲苯(parylene)为例，刻蚀气体为氧气，刻蚀功率可选为10-1000W。

本发明的技术效果：

本发明通过模版法实现柔性材料的平坦化，能将柔性材料层存在的2微米以上的高度差，缩减到1微米以内。

附图说明

图1是实施例中碳化硅模版的加工流程示意图。

图2是实施例将碳化硅模版和待处理的柔性材料层对准并固定的示意图。

图3是本发明用模版实现柔性材料层表面平坦化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做具体说明。

原始材料：双面抛光的N型硅片10，电阻率2～4Ω-cm，晶向<100>，硅片厚度为400μm；

在器件上覆盖柔性材料层的待处理工件。

(一)根据图1所示的工艺流程制作碳化硅模版，包括下列步骤：

1、用标准半导体工艺中的等离子加强化学气相淀积(PECVD)设备，在硅衬底10的双面生长SiC薄膜11和12，如图1(a)所示；

其中，PECVD淀积SiC薄膜的条件为：压力700～1200mTorr，温度200～400℃，SiH₄：20～60sccm，CH₄：200～400sccm，Ar：200～400sccm，HF(13.56MHz)：10～20s，LF(380kHz)：20～30s，功率200～400W。所形成的SiC薄膜厚度0.5μm。

2、根据柔性材料层所覆盖的器件表面结构，在硅片的一面(正面)光刻，ICP刻蚀正面的SiC薄膜11，形成图形13，如图1(b)所示；

3、对应于正面的图形区域，在硅片的另一面(背面)光刻，ICP刻蚀背面的SiC薄膜12，形成窗口14，用于KOH腐蚀，如图1(c)所示；

4、将硅片置于KOH溶液中，腐蚀Si衬底10，从而释放了正面的图形线条，从而得到碳化硅模版，如图1(d)所示。

(二)如图2所示，根据下述步骤将碳化硅模版15与待加工的柔性工件16进行对准和固定：

1.将待加工工件16通过承片台17，传送到夹具18上，并吸真空以固定，见图2(a)；

2.将碳化硅模版15置于玻璃片20上，此处玻璃片20的尺寸需小于模版15的尺寸，再将它们置于承片台17上，并透过显微镜21进行图形的对准，见图2(b)；

3.完成对准后，上升承片台17，使碳化硅模版15和待加工工件16接触，并合上压片19，从而完成模版和工件间的固定，图2(c)；

4.将夹具从显微镜系统中取下，并将夹子置于模版15和待加工工件16的边缘，或者将磁铁置于模版15和待加工工件16的外侧面，完成固定。

(三)等离子体刻蚀实现柔性材料层的表面平坦化

将固定好的碳化硅模版和待加工工件置于氧等离子体反应腔中，实现微纳米图形的加工。

对准、固定、进行氧等离子体刻蚀，整个过程如图3所示。图3(a)所示的是待加工工件16，由于表面器件的存在，柔性材料层22表面不平坦；如图3(b)所示，将碳化硅模版15置于待加工工件16的上，并贴紧固定；然后进行氧等离子体刻蚀，见图3(c)；刻蚀后，拆下碳化硅模版15，即得到柔性材料层22表面平坦化后的工件16。

本实施例采用DRIE深刻蚀设备，刻蚀气体为氧气，上下极板的功率各为500W和80W。刻蚀时间为8min，刻蚀柔性材料的深度为10μm，平坦化后的粗糙度在1μm以内，可以顺利进行后续光刻。

Claims

1.一种使柔性材料层表面平坦化的方法，所述柔性材料层生长于器件表面，首先根据柔性材料层所覆盖的器件表面的凹凸结构制备硬质模版；然后将该模版置于柔性材料层上，使二者对准、紧密接触并固定，在模版的图形区域柔性材料层上的凸起被露出；接着通过等离子体刻蚀方法刻蚀柔性材料层表面的凸起，实现柔性材料层的表面平坦化，所述等离子体刻蚀的刻蚀气体是氧气，刻蚀功率为10-1000W；所述模版为碳化硅模版，通过下述方法制备：

1)在一衬底正面用等离子加强化学气相淀积方法生长SiC薄膜，条件为：压力700～1200mTorr，温度200～400℃，SiH₄：20～60sccm，CH₄：200～400sccm，Ar：200～400sccm，高频电源HF的频率为13.56MHz：10～20s，低频电源LF的频率为380kHz：20～30s，功率200～400W；

2)在衬底背面形成掩膜；

5)通过窗口刻蚀或腐蚀衬底，释放出衬底正面的模版图形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为硅片、玻璃片或陶瓷片。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SiC薄膜的厚度为100纳米到10微米。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模版加工好后，通过下述步骤实现模版和柔性材料层的对准、固定和柔性材料层的平坦化：

a.将覆盖有柔性材料层的待加工工件和模版中的一个置于承片台上，另一个置于可动夹具上，将模版与柔性材料层表面结构对准；

b.对准后，使模版和柔性材料层紧密接触并固定，柔性材料层表面的凸起露出；

c.将固定好的模版和待加工工件置于等离子体反应腔中，刻蚀柔性材料，实现平坦化。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤b采用磁铁或夹子使模版和待加工工件固定。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性材料是聚对二甲苯或聚酰亚胺。