CN103789768B - 一种纳米级的铝刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米级的铝刻蚀方法。所述方法包括采用利用0℃以下的低温控制工艺的刻蚀工艺，及清洗工艺。本发明采用的低温刻蚀工艺，能有效地控制反应速率，并且能稳定地控制铝的纳米级关键尺寸、刻蚀深度及侧壁垂直度。
Description
技术领域
本发明属于光学元件的制造技术领域，尤其涉及一种铝的纳米结构的刻蚀方法，可用于如纳米结构的铝线栅偏振器的制造。
背景技术
在集成电路的制造过程中，刻蚀就是利用化学或物理方法有选择性地从硅片表面去除不需要的材料的过程。从工艺上区分，刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀的特点是各向同性刻蚀；干法刻蚀是利用等离子体来进行各向异性刻蚀，可以严格纵向和横向刻蚀。目前干法刻蚀工艺在半导体的制造工艺中较常见。
在半导体干法刻蚀工艺中，根据刻蚀材料的不同，可分为金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。金属刻蚀又可以分为金属铝刻蚀、金属钨刻蚀和氮化钛刻蚀等。目前，金属铝作为连线材料，仍然广泛应用于DRAM和flash等存储器，以及0.13μm以上的逻辑产品如光栅中。铝的光栅具有改进和取代传统光学元器件的潜力，而且具有适合集成化、减少光路元件、增加光学系统设计的灵活性等优点。通过调整铝的光栅结构，亚波长光栅能够实现高透过，高反射，1/4波片和偏振性能。若要达到良好的偏振效果，这就要使铝光栅的线宽减小至100nm左右。
针对上面所述，需要在透明衬底上，例如玻璃、石英等，加工出铝的光栅结构，线条宽度为纳米级，约100nm左右。目前大多数采用的是纳米压印、干法刻蚀、镀膜、剥离的工艺方法，如王定理等人利用该工艺制备出半导体激光器的分布反馈光栅（王定理，周宁等，纳米压印制作半导体激光器的分布反馈光栅，微纳电子技术第47卷第1期，2010年1月）。但此方法的不足是：纳米压印需要提前加工出模具，并且在压印过程中控制不好会把模具和玻璃样片压碎，成品率不高，工艺复杂。
还有一种制作方法是采用全息曝光工艺来生成图形，如CN101101344A公开了一种IV型凹面全息光栅的制作工艺流程。技术方案包括:基底处理、涂胶、前烘、全息曝光、显影、后烘、热熔、离子束刻蚀、清洁处理、镀膜。该方法图形生成的程序比较复杂，并且全息曝光技术利用光的干涉衍射特性，只能生成周期结构的图形，不能随意制作非周期图形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种透明衬底上纳米级的铝刻蚀的工艺方法，有效减少关键尺寸偏差，提高光栅结构的侧壁陡直度，避免线条变窄、侧壁斜坡、刻蚀铝膜变薄等影响光学器件效果的负面结果，提高产品合格率。
为了达到上述目的，本发明采用如下制备方法：
一种纳米级的铝刻蚀方法，包括采用利用0℃以下，例如为-2℃、-5℃、-9℃、-15℃、-20℃等的低温控制工艺的刻蚀工艺，及清洗工艺。
目前铝的刻蚀工艺在半导体的制造工艺中较常见，但在光学器件的精细制作中得到应用，更需要刻蚀工艺的精准，要求减少关键尺寸的偏差。本发明采用利用低温控制工艺的刻蚀工艺，及清洗工艺相配合，可有效减少关键尺寸的偏差，可控制在＜7nm的范围内。
作为优选技术方案，本发明所述的铝刻蚀方法，所述低温控制工艺的温度为-10℃-0℃。
作为优选技术方案，本发明所述的铝刻蚀方法，所述刻蚀工艺中的导热媒介采用导热油，优选为泵油和/或真空脂，真空脂也称硅脂，是一种在真空腔室中涂抹在密封圈上起密封作用的油脂。将导热油均匀地涂抹在样片背面，再将样片背面贴在刻蚀的载片台上，导热油不得渗出。
作为优选技术方案，本发明所述的铝刻蚀方法，所述的刻蚀工艺参数如下：温度0℃以下，刻蚀压力为0.2-0.5Pa，上电极ICP功率为200-350W，下电极RF功率为20-80W，Cl2流量为10-30sccm，BCl3流量为10-30sccm，N2流量为1-5sccm，刻蚀时间为15-60s。
优选地，所述的刻蚀工艺参数如下：温度-10℃-0℃，刻蚀压力为0.3Pa，上电极ICP功率为250W，下电极RF功率为50W，Cl2流量为20sccm，BCl3流量为20sccm，N2流量为3sccm，刻蚀时间为30-40s。
作为优选技术方案，本发明所述的铝刻蚀方法，所述的清洗工艺所用的溶液为超纯水，所用方式为正面冲洗。
铝纳米光栅的衬底一般为但不限于透明玻璃衬底，由于衬底导热性差，刻蚀中会在表面积累热量影响铝的刻蚀稳定性。而且，导热油的使用也会污染样片表面，使得SEM观察不到样片表面的图形结构。因此，在刻蚀工艺完成后，为了防止铝的二次腐蚀，需要对样片进行清洗。正面冲洗的方式可以通过但不限于下述方法实现：将样片立刻正面贴于水面，取出后吹干，这种处理方式避免了背面的导热油对正面图形的污染。或直接在样片正面作喷水处理，也可得到干净的刻蚀表面。
作为优选技术方案，本发明所述的铝刻蚀方法，所述的刻蚀工艺参数如下：利用低温控制工艺控制温度为0℃以下，刻蚀压力为0.2-0.5Pa，上电极ICP功率为200-350W，下电极RF功率为20-80W，Cl2流量为10-30sccm，BCl3流量为10-30sccm，N2流量为1-5sccm，刻蚀时间为15-60s；导热媒介采用导热油；并使用超纯水作为清洗溶液进行正面冲洗。
作为优选技术方案，本发明所述的铝刻蚀方法，所述的刻蚀工艺参数如下：利用低温控制工艺控制温度为-10℃-0℃，刻蚀压力为0.3Pa，上电极ICP功率为250W，下电极RF功率为50W，Cl2流量为20sccm，BCl3流量为20sccm，N2流量为3sccm，刻蚀时间为30-40s；导热媒介采用导热油；并使用超纯水作为清洗溶液进行正面冲洗。本发明通过选择合适的刻蚀工艺及适当的清洗工艺，有效减少了关键尺寸偏差，并提高了光栅结构的侧壁陡直度，避免线条变窄、侧壁斜坡、刻蚀铝膜变薄等影响光学器件效果的负面结果，提高了产品合格率。
本发明采用的低温刻蚀工艺，可有效地控制反应速率，并且能稳定地控制铝的纳米级关键尺寸、刻蚀深度及侧壁垂直度。
附图说明
图1为铝刻蚀结构示意图，其中（a）为刻蚀前的；（b）为刻蚀后的；
图2为常温铝刻蚀工艺结果的SEM图；
图3为低温铝刻蚀工艺（无导热油）的SEM图；
图4为低温铝刻蚀表面被导热油污染的SEM图；
图5为本发明实施例1所得的低温铝刻蚀正面不同放大倍数下的SEM图；
图6为本发明实施例1所得的低温铝刻蚀剖面SEM图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
刻蚀提供的样片为一层100nm的铝膜，所述铝膜的厚度可以为50-200nm的值，本发明不做具体限定，铝膜镀在透明的玻璃衬底上，也可以为非玻璃的其他透明的衬底如石英，厚度可以为200-1000μm，提供的刻蚀掩膜为电子束曝光的ZEP520光栅图形，也可以是其它的电子束胶如HSQ、PMMA；栅线宽70nm，间距70nm，栅线宽及间距可以在30-500nm之间随意组合。示意图见图1中的（a）。
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行纳米级的铝刻蚀工艺，步骤如下：
1）利用导热油将样片贴在载片上。
2）采用如下刻蚀工艺条件：
温度；0℃刻蚀压力为：0.3Pa
上电极ICP功率为250W下电极RF功率为50W
Cl2流量为：20sccmBCl3流量为：20sccm
N2流量为3sccm刻蚀时长为：33秒。
3）取出样片后，立刻正面冲水清洗，冲掉铝侧壁残留的氯离子，从而避免了氯离子与空气中的水以及铝发生反应生成聚合物，使侧壁更陡直光滑。最终得到70nm铝光栅结构，示意图见图1中的（b）。尺寸偏差为＜7nm。
常规的铝刻蚀采用的常温工艺，应用在100nm薄膜的纳米级刻蚀上不太适宜：刻蚀速率不容易控制，会出现过刻蚀的现象。常温工艺下，刻蚀选择比不高，电子束胶比较薄，在200nm左右，在高温环境下更容易被消耗，不能很好的起到刻蚀保护作用，见图2。
由于上述原因采用低温工艺，温度控制在0℃以下。导热油在这里起到了媒介的作用，将刻蚀中产生大量的热传导给载片，通过载片背部的液氦装置传给冷却的下电极。使得刻蚀表面温度更接近设定值。如果不用导热油，温度的骤升同样造成刻蚀的不稳定性，在很短的时间内就会过刻蚀，影响关键尺寸，使线宽变窄，如图3没有使用导热油的低温工艺结果。
常规铝刻蚀后都会浸入在超纯水溶液里冲洗，稀释并清洗掉残留的氯离子，但导热油的使用会在此过程中污染到样片表面的图形，使得SEM观察时扫描不出图形，见图4。所以本发明采用正面喷水处理，避免背面的油污的污染。
发明人针对玻璃类导热性差的衬底，发明了低温纳米级铝刻蚀工艺的方法步骤，可以很好的控制刻蚀速率，刻蚀时间，不会因为过刻太多影响关键尺寸，见图5。侧壁的结果比较陡直，见图6。此发明的刻蚀工艺稳定，重复性良好，成品率高。
实施例2
刻蚀提供的样片为一层50nm的铝膜，铝膜镀在透明的石英衬底上，提供的刻蚀掩膜为电子束曝光的PMMA光栅图形，栅线宽50nm，间距200nm，示意图见图1中的（a）。
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行纳米级的铝刻蚀工艺，步骤如下：
1）利用导热油将样片贴在载片上。
2）采用如下刻蚀工艺条件：
温度；-5℃刻蚀压力为：0.2Pa
上电极ICP功率为200W下电极RF功率为20W
Cl2流量为：10sccmBCl3流量为：30sccm
N2流量为1sccm刻蚀时长为：20秒。
3）取出样片后，立刻正面冲水清洗，冲掉铝侧壁残留的氯离子，从而避免了氯离子与空气中的水以及铝发生反应生成聚合物，使侧壁更陡直光滑。最终得到线宽50nm、间距200nm铝光栅结构，示意图见图1中的（b）。尺寸偏差为＜7nm，侧壁比较陡直。
实施例3
刻蚀提供的样片为一层200nm的铝膜，铝膜镀在透明的玻璃衬底上，提供的刻蚀掩膜为电子束曝光的HSQ光栅图形，栅线宽300nm，间距100nm，示意图见图1中的（a）。
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行纳米级的铝刻蚀工艺，步骤如下：
1）利用导热油将样片贴在载片上。
2）采用如下刻蚀工艺条件：
温度；-10℃刻蚀压力为：0.5Pa
上电极ICP功率为350W下电极RF功率为80W
Cl2流量为：30sccmBCl3流量为：10sccm
N2流量为5sccm刻蚀时长为：50秒。
3）取出样片后，立刻正面冲水清洗，冲掉铝侧壁残留的氯离子，从而避免了氯离子与空气中的水以及铝发生反应生成聚合物，使侧壁更陡直光滑。最终得到线宽300纳米、间距100nm铝光栅结构，示意图见图1中的（b）。尺寸偏差为＜7nm，侧壁比较陡直。
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。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (8)
1.一种纳米级的铝刻蚀方法，其特征在于，包括采用利用0℃以下的低温控制工艺的刻蚀工艺，及清洗工艺；
所述的刻蚀工艺参数如下：温度0℃以下，刻蚀压力为0.2-0.5Pa，上电极ICP功率为200-350W，下电极RF功率为20-80W，Cl2流量为10-30sccm，BCl3流量为10-30sccm，N2流量为1-5sccm，刻蚀时间为15-60s。
2.如权利要求1所述的铝刻蚀方法，其特征在于，所述低温控制工艺的温度为-10℃-0℃。
3.如权利要求1所述的铝刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀工艺中的导热媒介采用导热油。
4.如权利要求1-3任一项所述的铝刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀工艺中的导热媒介采用泵油和/或真空脂。
5.如权利要求4所述的铝刻蚀方法，其特征在于，所述的刻蚀工艺参数如下：温度-10℃-0℃，刻蚀压力为0.3Pa，上电极ICP功率为250W，下电极RF功率为50W，Cl2流量为20sccm，BCl3流量为20sccm，N2流量为3sccm，刻蚀时间为30-40s。
6.如权利要求1-3任一项所述的铝刻蚀方法，其特征在于，所述的清洗工艺所用的溶液为超纯水，所用方式为正面冲洗。
7.如权利要求1所述的铝刻蚀方法，其特征在于，所述的刻蚀工艺参数如下：利用低温控制工艺控制温度为0℃以下，刻蚀压力为0.2-0.5Pa，上电极ICP功率为200-350W，下电极RF功率为20-80W，Cl2流量为10-30sccm，BCl3流量为10-30sccm，N2流量为1-5sccm，刻蚀时间为15-60s；导热媒介采用导热油；并使用超纯水作为清洗溶液进行正面冲洗。
8.如权利要求1所述的铝刻蚀方法，其特征在于，所述的刻蚀工艺参数如下：利用低温控制工艺控制温度为-10℃-0℃，刻蚀压力为0.3Pa，上电极ICP功率为250W，下电极RF功率为50W，Cl2流量为20sccm，BCl3流量为20sccm，N2流量为3sccm，刻蚀时间为30-40s；导热媒介采用导热油；并使用超纯水作为清洗溶液进行正面冲洗。
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