CN103176354B - 一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，所述电子束曝光图形化方法包括以下步骤：1）提供一绝缘衬底；2）在所述绝缘衬底上旋涂电子束光刻胶；3）在所述电子束光刻胶上表面形成金属薄膜；4）进行电子束曝光得到所需光刻图形；5）在得到的光刻图形上沉积金属层，形成金属电极；6）剥离，去除光刻胶及多余金属后得到所需金属图形。本发明采用双层电子束光刻胶进行曝光，显影可以获得有利于后续金属剥离工艺的undercut结构，在双层胶上蒸发不连续的金属薄膜，再进行电子束曝光，能有效地将绝缘衬底表面的电荷导走，形成精确的曝光图形。本发明提供的图形化技术适用于各种绝缘衬底上的微纳器件加工工艺，克服了现有技术中的缺点而具高度产业利用价值。

Description

一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法。

背景技术

图形化技术是微纳制造过程的核心工艺之一。曝光图形的分辨率和套刻精度的不断提高，使得器件的特征尺寸越来越小，集成度不断提高。随着纳米科技的不断发展，各种新型的纳米材料及纳米结构不断被制备出来。光刻技术作为微纳器件图形化过程中的一个重要的环节，推动了微电子工业的特征尺寸进入纳米时代，得益于浸没式光刻技术的应用，器件的特征尺寸已经迈向了28nm的技术节点。然而,作为微纳加工主流工艺的光学光刻技术由于受曝光波长衍射极限的物理限制,其技术复杂性和设备制造成本大幅增加。因此需要寻找更高分辨率的光刻技术，电子束光刻技术以其分辨率高，性能稳定，功能强大，价格相对低廉成为人们关注的下一代光刻技术之一。

直写式电子束曝光直接将电子束斑打到表面涂有光刻胶的衬底上，不需要光学曝光工艺中昂贵和制备费时的掩模，即可将所需要的图形精确地转移到相应的半导体衬底上，其最高分辨率小于5纳米。通常电子束曝光适用于半导体或者导体材料，而当采用绝缘材料作为衬底时，由于样品表面绝缘层厚度超过20微米时，电子束斑打在样品上时，电荷聚集在样品表面产生电场导致电子束发生偏转，从而引起曝光图形发生偏移或者失真变形。这对于在绝缘衬底上制备微纳器件工艺提出了严峻的挑战。

因此如何解决绝缘衬底上电子束曝光时衬底表面电荷聚集的问题是本领域技术人员需要解决的课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，用于克服现有技术中在绝缘衬底上电子束曝光的工艺难关。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其至少包括步骤：

一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，所述电子束曝光图形化方法至少包括以下步骤：

1）提供一绝缘衬底；

2）在所述绝缘衬底上旋涂电子束光刻胶；

3）在所述电子束光刻胶上表面形成金属薄膜；

4）进行电子束曝光得到所需光刻图形；

5）在得到的光刻图形上沉积金属层，形成金属电极；

6）剥离，去除光刻胶及多余的金属后得到所需金属图形。

优选地，所述步骤1）中的绝缘衬底厚度为10μm以上。

优选地，所述绝缘衬底的材料为SiO₂、Al₂O₃或MgO中的一种。

优选地，所述步骤2）中的具体步骤如下：首先，在所述绝缘衬底上旋涂小分子量的电子束光刻胶；接着再旋涂大分子量的电子束光刻胶。

优选地，所述步骤3）中形成的金属薄膜厚度不超过15nm。

优选地，所述金属薄膜的材料为Au。

优选地，所述步骤3）中的金属薄膜为几个纳米厚的不连续薄膜或连续薄膜。

优选地，所述步骤3）中的金属薄膜为连续薄膜时，步骤4）将包括超声振动的步骤。

本发明提供的一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法具有以下有益效果：采用双层电子束光刻胶作为电子束抗蚀剂，有利于形成便于剥离工艺的undercut结构。在电子束胶面蒸发一层金属薄膜，形成导电层，可以有效的解决绝缘衬底表面电子束曝光时产生的电荷聚集的问题。

附图说明

图1-5显示为本发明绝缘衬底上的电子束曝光图形化工艺流程示意图。其中，

图1显示为本发明绝缘衬底上旋涂双层电子束光刻胶后的结构示意图。

图2显示为本发明衬底上蒸发Au薄膜并进行电子束曝光的结构示意图。

图3显示为本发明显影后的结构示意图。

图4显示为本发明表面沉积金属后的结构示意图。

图5显示为本发明去胶剥离金属后的结构示意图。

图6-10显示为本发明绝缘衬底上的电子束曝光图形化工艺另一实施例的流程示意图。其中，

图6显示为本发明另一实施例中绝缘衬底上旋涂电子束光刻胶后的结构示意图。

图7显示为本发明另一实施例中衬底上蒸发Au薄膜，然后旋涂第二层胶并进行电子束曝光的结构示意图。

图8显示为本发明另一实施例中显影后的结构示意图。

图9显示为本发明另一实施例中表面沉积金属后的结构示意图。

图10显示为本发明另一实施例中去胶剥离金属后的结构示意图。

元件标号说明

1、10 绝缘衬底

2、20 底层胶

3、30 顶层胶

4、40 金属薄层

5、50 金属层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明涉及电子束曝光的器件微纳加工方法，具体的是指一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，该方法一般包括以下步骤：

步骤1，清洗基片，烘干；

步骤2，在基片上旋涂PMMA1型抗蚀剂作为双层胶的底层胶，烘干；

步骤3，在PMMA1层上旋涂PMMA2型电子束抗蚀剂作为顶层胶，前烘；

步骤4，在双层胶表面蒸发一层厚度不超过15nm的膨松金属层；

步骤5，电子束曝光；

步骤6，对曝光后的基片进行显影、定影，吹干，得到所需要的光刻图形；

步骤7，在得到的图形上沉积金属；

步骤8、去除双层胶，完成剥离工艺，得到所需金属图形。

实施例一

本发明提供一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其具体包括如下步骤：

请参阅图1所示，提供一绝缘衬底1，采用自动匀胶机在该绝缘衬底1的上表面旋涂PMMA1型电子束光刻胶2，该自动匀胶机转速设置为先慢速500rpm，时间为10s左右，然后再快速4000rpm，时间为45s左右，随后可以采用180℃左右的温度烘干。接着再旋涂PMMA2型电子束光刻胶3，转速设置为先慢速500rpm，时间为10s左右，然后再快速4000rpm，时间大致为45s左右，随后采用温度为180℃左右烘干。得到的结构示意图如图1所示。

其中，所述绝缘衬底的厚度可以超过10微米以上，该绝缘衬底的材料可以为SiO₂、Al₂O₃或MgO等，本实施例中，选择SiO₂衬底。在此步骤中还可以包括绝缘衬底1的清洗步骤，本实施例中采用标准RCA工艺清洗所述SiO₂衬底。

本实施例中，采用的电子束光刻胶PMMA1和PMMA2分别为小分子量和大分子量光刻胶，经过电子束曝光光刻胶中长碳链聚合物化学键断裂，显影时小分子量的光刻胶在显液中的溶解速度比大分子量的光刻胶快，有利于形成undercut结构，便于后续的金属剥离工艺。

请参阅图2所示，在旋涂上述双层电子束光刻胶的绝缘衬底上表面继续沉积金属薄膜4并采用电子束系统进行曝光，将所设计的图形转移到电子束光刻胶上。沉积金属薄膜4的方式可以采用溅射、热蒸发或者电子束蒸发等。本实施例优选为采用电子束蒸发沉积金属Au，

将沉积金属薄膜4的绝缘衬底放入显影液MIBK中进行显影，随后放入IPA中定影，N2吹干。如图3所示显影后的结构示意图。所述的双层电子束光刻胶由于分子量不同（底层胶PMMA1和顶层胶PMMA2分别为小分子量和大分子量光刻胶），经过曝光显影时，底层胶PMMA1在显影液中溶解速度快，而PMMA2的溶解速度慢，这样就很容易形成图3所示的undercut结构。所述金属薄膜4为几个纳米厚的不连续薄膜，可以直接通过控制显影时间，定影并吹干，获得需要的图形。若厚度为几个纳米的连续薄膜时，在后续的显影过程中可以根据样品的实际情况，将样品放在显影液中进行超声振动，再进行后续工艺，得到所需要的曝光图形结构。

上述绝缘衬底在进行电子束曝光时，由于电子束光刻胶上表面的金属薄膜4可以导电，能够避免电荷在衬底表面聚集形成电场，造成电子束发生偏转使得曝光图形变形失真或者偏移。

请参阅图4所示表面沉积金属电极后的结构示意图，在上述步骤之后获得的结构上表面沉积金属电极5，本实施例中优选Ti/Au作为电极材料。

请参阅图5所示去胶剥离金属后的结构示意图，将沉积金属电极5后的结构放入丙酮去胶并剥离，去除多余的光刻胶及金属，获得所需图形结构。所述剥离可以在热丙酮中进行，可获得更好的剥离效果。

实施例二

本实施例提供另一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其具体包括如下步骤：

首先，请参阅图6所示，提供一绝缘衬底10，采用自动匀胶机旋涂PMMA1型电子束光刻胶20，转速设置为先慢速500rpm，时间为10s；然后快速4000rpm，时间为45s左右，随后180℃左右烘干，得到的结构图形如图6所示。

所述绝缘衬底10的厚度可以超过10微米以上，该衬底可以为SiO₂、Al2O₃、MgO等，本实施例中，优选为SiO₂衬底。在此步骤之前还包括绝缘衬底10的清洗步骤，本实施例中采用标准RCA工艺清洗所述SiO₂衬底。

其次，在旋涂PMMA1型电子束光刻胶20的绝缘衬底10上表面沉积金属薄膜40，接着再采用自动匀胶机旋涂PMMA2型电子束光刻胶30，转速设置为慢速500rpm，时间为10s；快速4000rpm，时间为45s左右。随后180℃左右烘干。得到的结构示意图如图7所示。并采用电子束系统进行曝光，将所设计的图形转移到电子束胶上。沉积金属薄膜的方式包括溅射系统、热蒸发或者电子束蒸发等，本实施例优选为采用电子束蒸发沉积金属Au。

将上述结构放入显影液MIBK中进行显影，随后放入IPA中定影，N₂吹干。如图8所示。

金属薄膜上下两层电子束光刻胶由于分子量不同，经过曝光显影时，底层胶PMMA1在显影液中溶解速度快，而PMMA2的溶解速度慢，这样就很容易形成undercut结构。所述金属薄膜40为几个纳米厚的不连续疏松薄膜结构，因此显影时液体很容易透过金属对底层胶进行刻蚀，定影并吹干，获得需要的图形。若厚度为几个纳米的连续薄膜时，在后续的显影过程中可以根据样品的实际情况，将样品放在显影液中进行超声振动，再进行后续工艺，得到所需要的曝光图形结构。

所述的的衬底在进行电子束曝光时，由于电子束胶表面金属薄膜40可以导电，能够避免电荷在衬底表面聚集形成电场，造成电子束发生偏转使得曝光图形变形失真或者偏移。

再次，请参阅图9所示表面沉积金属后的结构示意图，在上述步骤之后的结构上表面沉积金属电极50，本实施例优选Ti/Au作为电极材料。

最后，将所述的衬底放入丙酮去胶并剥离，去除多余的胶及金属，获得所需图形结构。如图10所示。所述剥离可以在热丙酮中进行，可获得更好的剥离效果。

综上所述，本发明提供一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化技术，采用双层电子束光刻胶进行曝光，显影可以获得有利于后续金属剥离工艺的undercut结构，在双层胶表面蒸发不连续的金属薄膜，再进行电子束曝光，能有效地将绝缘衬底表面的电荷导走，形成精确的曝光图形。本发明提供的图形化技术适用于各种绝缘衬底上的微纳器件加工工艺，所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其特征在于，所述电子束曝光图形化方法至少包括以下步骤：

1)提供一绝缘衬底；

2)在所述绝缘衬底上旋涂电子束光刻胶；

3)在所述电子束光刻胶上表面形成Au薄膜；

4)采用电子束系统进行曝光将所设计的图形转移至电子束光刻胶上；

5)在得到的光刻图形上沉积金属层，形成金属电极；

6)剥离，去除光刻胶，及多余的金属后得到所需金属图形；

所述步骤3)和步骤4)之间还包括旋涂另一光刻胶层的步骤，所述另一光刻胶层为大分子量的电子束光刻胶；所述步骤2)中的光刻胶层为小分子量的电子束光刻胶。

2.根据权利要求1所述的绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其特征在于：所述步骤1)中的绝缘衬底厚度为10μm以上。

3.根据权利要求1所述的绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其特征在于：所述绝缘衬底的材料为SiO₂、Al₂O₃或MgO中的一种。

4.根据权利要求1所述的绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其特征在于：所述步骤3)中形成的Au薄膜厚度不超过15nm。

5.根据权利要求1所述的绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其特征在于：所述步骤3)中的Au薄膜厚度为15nm以内的不连续薄膜或连续薄膜。

6.根据权利要求5所述的绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其特征在于：所述步骤3)中的Au薄膜为连续薄膜时，所述步骤4)中还包括超声振动的步骤。

7.根据权利要求1所述的绝缘衬底上的电子束曝光图形化方法，其特征在于：所述步骤1)还包括将该绝缘衬底清洗并烘干的步骤。