CN104241096A - 一种用于4μm NiCr合金薄膜的离子束干法刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于4μm NiCr合金薄膜的离子束干法刻蚀方法，包括以下步骤：①在Al2O3基片上溅射沉积NiCr薄膜；②光刻，形成所需要的图形；③将步骤②所得的Al2O3基片通过专用夹具放入离子束刻蚀机中，用Ar气进行离子束刻蚀；将步骤③所得的Al2O3基片进行湿法去胶，去除残余光刻胶。本发明解决了NiCr薄膜难以采用光刻胶作为掩膜进行4μm NiCr薄膜干法图形化的问题，且工艺简单，容易操作，重复性好，适合用于大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体微细加工技术领域，是一种基于微机械加工技术的4μm合金薄膜刻蚀工艺。更具体地说，本发明涉及一种离子束干法刻蚀工艺，其刻蚀材料由Ni-Cr合金组成，并且能够刻蚀4μm NiCr合金薄膜。
背景技术
NiCr合金是一种具有广泛应用的合金材料。高电阻率，低温度系数电阻(TCR)及较高的应变系数(GF)使得NiCr合金薄膜可应用于传统的电阻材料和压阻材料。同时，由于NiCr合金材料具有应变稳定性良好、不易氧化、热学性能好以及与下层基质附着性较好等优点，在半导体器件中常选择NiCr薄膜作为电阻材料。此外，NiCr薄膜还被用作红外与太赫兹波段传感与探测器件的反射层与吸收层。在这些应用中，NiCr薄膜的图形化至关重要。但由于Ni、Cr金属都是抗腐蚀的惰性元素，因此对NiCr合金的图形化工艺一直是半导体制造工艺技术的难点。
目前，湿法刻蚀是较常用的刻蚀NiCr合金薄膜的方法(K.R.Williams，K.Gupta，and M.Wasilik，Etch Rates for Micromachining Processing—Part II，JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，2003，12(6)，p 761-778)，但NiCr合金的湿法腐蚀溶液均含有硝酸、高氯酸等强酸性试剂，这种酸性腐蚀溶液各个方向的腐蚀速率均相同，属“各向同性”腐蚀，难以制备具有较高深宽比的NiCr合金薄膜，具有较差的片内、片间均匀性。且在湿法腐蚀过程中，这种酸性腐蚀溶液会破坏光刻胶与基底之间的附着力，产生浮胶现象，造成较为严重的表面钻蚀等。因此，湿法刻蚀图形转移精度较低，难以完成2μm以上NiCr合金薄膜图形的转移。
专利CN103107085A公开了一种NiCr薄膜的干法刻蚀工艺，其采用的是反应离子刻蚀(RIE)工艺，是一种通过化学反应和物理离子轰击去除晶片表面材料的干法刻蚀技术，刻蚀具有各向异性，且对于被刻蚀材料与刻蚀掩膜的选择比较高，但是却有以下缺点：
1)对被刻蚀材料有所要求，主要用于刻蚀氧化硅、氮化硅等材料，对于NiCr合金薄膜材料的刻蚀效果较差，尤其对于4μm NiCr合金薄膜的刻蚀来说，是很难完成的；
2)相对于离子束刻蚀来说，反应离子刻蚀的射频等离子体的离化率较低，为了保持较高的刻蚀速度必须增大离子能量，由此导致高能离子轰击对器件表面产生的轰击损伤比较大，同时也会造成光刻胶掩膜材料急剧升温、变形，影响刻蚀精度；
3)反应离子刻蚀(RIE)的工作气压较高，离子沾污较大，在刻蚀过程中，会造成样品表面污染严重，影响器件性能。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，主要解决如何进行4μm NiCr合金薄膜刻蚀的厚胶掩膜制备及采用何种方式成功实现4μm NiCr合金薄膜的高精度图形化的问题，提供一种用于4μm NiCr合金薄膜的离子束干法刻蚀方法。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
所述用于4μm NiCr合金薄膜的离子束干法刻蚀方法包括如下步骤：
(1)采用离子束溅射法在洗净的Al2O3基片表面制备厚度为4±0.05μm的NiCr合金薄膜层；
(2)采用光刻法在NiCr合金薄膜层上制备光刻胶掩膜层，形成掩模图形；所述光刻胶掩膜层材料为SX AR-PC 5000；
(3)将经步骤(2)处理后的Al2O3基片放入离子束刻蚀机，在Ar气环境下进行离子束刻蚀，刻蚀深度等于NiCr合金薄膜层厚度，刻蚀线宽为10±0.5μm；
(4)将经步骤(3)处理后的Al2O3基片去胶、洗净、烘干。
其中，步骤(3)所述离子束蚀刻机的离子束采用考夫曼离子源，离子源的束径Φ＝140mm—160mm，优选150mm，离子束的束流均匀性Φ＝120mm±5％。步骤(3)所述离子束刻蚀时过刻蚀时间与主刻蚀时间的比例为(5％—10％):1。步骤(3)所述离子刻蚀时刻蚀工件台转速为8rpm/min—12rpm/min，优选10rpm/min。步骤(4)所述去胶是丙酮湿法去胶、酒精湿法去胶或超声机湿法去胶。
下面对本发明作进一步说明：
本发明采用氧化铝陶瓷材料作为基底，具有很高的耐热性，能耐2000℃左右的高温；它的硬度很高，耐磨性好，塑性低，具有较高的耐压性；具有较高的耐腐蚀性及绝缘性；同时，陶瓷材料的表面能较大，在其上沉积表面能较小的金属材料，二者可以很好的浸润，使薄膜具有好的附着性。
本发明中的被刻蚀材料为NiCr合金(80:20)，即NiCr合金薄膜层，厚度为4μm，刻蚀线宽为10μm；
一般的光刻胶厚度比SX AR-PC 5000大，但是耐温性很差，对于4μm NiCr合金刻蚀来说，刻蚀时间较长，离子束的长时间轰击将造成光刻胶温度急剧上升，需要选择一种耐温性好的光刻胶作为掩膜材料，本发明选择的光刻胶掩膜层材料为SX AR-PC 5000，耐 温性可达200℃。本发明采用旋涂滴胶、间隔匀胶、分步坚膜等方法制备厚度为8μm的光刻掩膜层，提高了光刻胶掩膜的致密性及结合力，从而提高抗刻蚀能力，其耐温性好，长时间刻蚀情况下不变形、不碳化。提高了光刻胶厚度、均匀性及致密度，降低光刻胶的刻蚀速率。
离子束刻蚀(IBE)是一种干法刻蚀工艺，是利用低能量的聚焦束离子源产生的离子束进行刻蚀，主要用于微电子器件制造工艺，用于超精细高保真度的图形转移。离子束干法刻蚀的显著优点是较高的刻蚀图形线宽分辨率(可小于0.01μm)、优良的轮廓控制能力以及刻蚀的各向异性，具有良好的片内均匀性等，且工艺稳定性好等特点，方向性好，各向异性，无钻蚀，陡直度高、不受刻蚀材料限制(金属或化合物，无机物或有机物，绝缘体或半导体均可)等。本发明采用微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和加工器件使用的可靠性水平，并可实现微小器件的批量生产，有效降低制造成本。
采用离子束刻蚀技术刻蚀4μm NiCr合金薄膜，刻蚀时工件台不断循环旋转，转速为10rpm/min，可提高刻蚀均匀性；同时，工件台直接水冷，防止耐蚀光刻胶因温度不断升高而碳化，造成去胶不干净，可将光刻胶的刻蚀速率降低5～10倍，获得较高的刻蚀选择比≥1，刻蚀后各向异性好(＞90°)，横向钻蚀小；与反应离子刻蚀相比，离子束刻蚀后线条齐整，刻蚀厚度4μm；与反应离子束刻蚀相比，离子束刻蚀后线条齐整，加工厚度可达4μm；同时离子束刻蚀线宽分辨率较高，有利于加工高性能、高精度、高集成度的功能器件。
总之，由于利用了离子束刻蚀技术(IBE)，对于刻蚀材料没有选择性，本发明方法不仅可以完成4μm NiCr合金薄膜图形的高精度转移，还可以提高可靠性、加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控性水平。本发明解决了NiCr薄膜难以采用光刻胶作为掩膜进行4μm NiCr薄膜干法图形化的问题，且工艺简单，容易操作，重复性好，适合用于大规模生产。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2是本发明的实施例中刻蚀NiCr薄膜后的显微图片；
图中，1、Al2O3基片，2、NiCr合金薄膜层，3、光刻胶掩膜层。
具体实施方式
实施例1
参见图1，所述用于4μm NiCr合金薄膜的离子束干法刻蚀方法包括如下步骤：
(1)洗净Al2O3基片1，去除基片表面油污及杂质；
(2)将基片装入夹具，放入镀膜系统行星架上，采用离子束溅射法在洗净的Al2O3基片表面制备厚度为4μm的NiCr合金(Ni:Cr＝80:20)薄膜层2；
(3)采用光刻法在NiCr合金薄膜层上制备光刻胶掩膜层3，形成所需要的掩模图形；所述光刻胶掩膜层材料为SX AR-PC 5000，最小线条宽度为2μm；
(4)将经步骤(3)处理后的Al2O3基片用专用夹具放入离子束刻蚀机，在Ar气环境下进行离子束刻蚀，刻蚀深度等于NiCr合金薄膜层厚度，刻蚀线宽为10μm；
其中，步骤(4)所述离子束蚀刻机的离子束采用考夫曼离子源，离子源的束径Φ＝150mm，离子束的束流均匀性Φ＝120mm±5％；步骤(4)所述离子束刻蚀时过刻蚀时间与主刻蚀时间的比例为(5％—10％):1。步骤(4)所述离子刻蚀时刻蚀工件台转速为10rpm/min，直接水冷；
步骤(4)的离子刻蚀中其他工艺参数见表1
表1
| 主要参数 | 数值 |
| 压强Pa | 2×10-2 |
| 离子束能量eV | 550 |
| 离子束流密度 | 70 |
| Ar流量sccm | 4 |
| 刻蚀角度° | 55 |
| 刻蚀时间h | 5 |
在如表1所示的刻蚀工艺参数下，NiCr合金薄膜的刻蚀速率约为12nm/min，光刻胶SX AR-PC 5000的刻蚀速率约为16nm/min，刻蚀比为3:4。
(5)将经步骤(4)处理后的Al2O3基片采用丙酮、酒精、超声机等进行湿法去胶(去除残余光刻胶)，再洗净、烘干，置于显微镜下观察薄膜图案，结果见图2，其刻蚀最小线宽为10μm，线长90μm。图2表明，采用离子束刻蚀工艺对4μmNiCr薄膜进行刻蚀，刻蚀线条整齐，表面洁净，无残留物，且具有优良的轮廓控制能力以及刻蚀的各向异性，且工艺稳定性好等特点。
Claims (5)
1.一种用于4μm NiCr合金薄膜的离子束干法刻蚀方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)采用离子束溅射法在洗净的Al2O3基片表面制备厚度为4±0.05μm的NiCr合金薄膜层；
(2)采用光刻法在NiCr合金薄膜层上制备光刻胶掩膜层，形成掩模图形；所述光刻胶掩膜层材料为SX AR-PC 5000；
(3)将经步骤(2)处理后的Al2O3基片放入离子束刻蚀机，在Ar气环境下进行离子束刻蚀，刻蚀深度等于NiCr合金薄膜层厚度，刻蚀线宽为10±0.5μm；
(4)将经步骤(3)处理后的Al2O3基片去胶、洗净、烘干。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述离子束蚀刻机的离子束采用考夫曼离子源，离子源的束径Φ＝140mm—160mm，离子束的束流均匀性Φ＝120mm±5％。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述离子束刻蚀时过刻蚀时间与主刻蚀时间的比例为(5％—10％):1。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述离子刻蚀时刻蚀工件台转速为8rpm/min—12rpm/min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述去胶是丙酮湿法去胶、酒精湿法去胶或超声机湿法去胶。
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