CN104498949A

CN104498949A - 一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法

Info

Publication number: CN104498949A
Application number: CN201410742414.1A
Authority: CN
Inventors: 徐丽华; 宋志伟; 闫兰琴; 董凤良; 褚卫国
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本发明提供了一种针对不同颗粒度的金属铝膜的纳米结构刻蚀方法，通过调节BCl₃和Cl₂的气体比例来调整侧壁的陡直度以及纳米结构的关键尺寸偏差。该方法包括以下步骤：(1)用导热油将铝膜贴在载片上；(2)对铝膜进行刻蚀，其中BCl₃和Cl₂的气体体积比为0.5～10∶1；(3)刻蚀后的铝膜进行正面冲水清洗。本发明采用的气体比例调节的方法，能有效控制刻蚀的陡直度，并能稳定控制铝的纳米级关键尺寸和刻蚀深度。

Description

一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法

技术领域

本发明属于光学元器件的制造技术领域，尤其涉及一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法。

背景技术

金属铝被广泛应用于集成电路中的连线材料、DRAM和flash等存储器以及0.13um以上的逻辑产品中。金属铝刻蚀通常用到以下气体：Cl₂，BCl₃，Ar，N₂，CHF₃和CH₄等。Cl₂作为主要的刻蚀气体与铝发生化学反应，生成的可挥发的副产物AlCl₃被气流带出反应腔。BCl₃一方面提供BCl₃ ⁺，垂直轰击硅片表面，达到各向异性的刻蚀。另一方面，由于铝表面极易氧化成氧化铝，这层自生氧化铝在刻蚀的初期阻隔了Cl₂和铝的接触，阻碍了刻蚀的进一步进行。添加BCl₃有利于将这一氧化层还原(A1₂O₃+3BC1₃→2A1C1₃+3BOC1)，促进刻蚀过程的持续进行。Ar电离生成Ar⁺，主要是对硅片表面提供物理性的垂直轰击。N₂、CHF₃和C₂H₄是主要的钝化气体，N₂与金属侧壁氮化产生的Al_xN_y，CHF₃和C₂H₄与光刻胶反应生成的聚合物会沉积在金属侧壁，形成阻止进一步反应的钝化层。

近几年来，随着超大规模集成电路和计算机辅助设计以及光刻技术的发展，一些光学元件受到广泛的关注。其中微偏振片阵列在干涉光的实时相移、微弱可见光图像增强、红外目标识别等领域有广泛的应用潜力。铝膜的纳米结构刻蚀是偏振片阵列制作中的重要部分。刻蚀侧壁的陡直度、纳米尺度刻蚀的偏差直接影响着偏振片的偏振效果，尤其用不同设备制备的具有不同颗粒度的铝膜，其晶粒大小、晶粒取向不同，在采用同一种工艺刻蚀时，往往不会得到最佳的刻蚀效果。

目前铝的刻蚀工艺在半导体微加工领域中较常见，但在光学纳米器件的精细制作中得到应用更需要刻蚀工艺的精准。

专利CN103789768A提供了一种纳米级的铝刻蚀方法，所述方法包括采用0℃以下低温控制工艺的刻蚀工艺，及清洗工艺。但其仅对反应速率进行了较好的调控，并没有能够针对不同颗粒度的Al膜很好地控制刻蚀侧壁的陡直度、纳米级关键尺寸以及刻蚀深度。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种针对不同颗粒度的金属铝膜的纳米结构刻蚀方法，通过调节BCl₃和Cl₂的气体比例来调整侧壁的陡直度以及纳米结构的关键尺寸偏差。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种针对不同颗粒度的金属铝膜纳米结构刻蚀方法，根据金属铝膜的颗粒度调节BCl₃和Cl₂的气体体积比来调整侧壁的陡直度，该刻蚀方法包括以下步骤：

(1)用导热油将铝膜贴在载片上；

(2)对铝膜进行刻蚀，其中BCl₃和Cl₂的气体体积比为0.5～10:1，例如0.5:1、1:1、1.5:1、2、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1或10:1等，优选1～5:1；

(3)刻蚀后的铝膜进行正面冲水清洗。

Cl₂作为主要的刻蚀气体与铝发生化学反应，生成的可挥发的副产物AlCl₃被气流带出反应腔。BCl₃一方面提供BCl₃ ⁺，垂直轰击硅片表面，达到各向异性的刻蚀。另一方面.添加BCl₃可将铝表面形成的氧化层还原(A1₂O₃+3BC1₃→2A1C1₃+3BOC1)，促进刻蚀过程的持续进行。根据不同颗粒度的铝膜的纳米结构，通过控制BCl₃和Cl₂的气体体积比，可以有效的调控纳米结构关键尺寸偏差以及光栅结构的侧壁陡直度。

所述步骤(1)中的铝膜由磁控溅射设备、电子束蒸发设备或热蒸发设备制备而成，其厚度为100nm-150nm，例如100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或150nm等，蒸镀的基底材料为透明的玻璃。

所述步骤(1)中的铝膜的颗粒度为20～100nm，例如20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等。

所述步骤(2)的刻蚀工艺参数为：

温度0℃。

刻蚀压力为0.2～0.3Pa，例如0.2Pa、0.21Pa、0.22Pa、0.23Pa、0.24Pa、0.25Pa、0.26Pa、0.27Pa、0.28Pa、0.29Pa或0.3Pa等。

上电极ICP功率为200～350W，例如200W、210W、220W、230W、240W、250W、260W、270W、280W、290W、300W、310W、320W、330W、34W或350W等。

下电极RF功率为30～60W，例如30W、35W、40W、45W、50W、55W或60W等。

Cl₂流量为3～20sccm，例如3sccm、4sccm、5sccm、7sccm、9sccm、10sccm、13sccm、15sccm、17sccm或20sccm等。

BCl₃流量为20～30sccm，例如20sccm、21sccm、22sccm、24sccm、26sccm、28sccm或30sccm等。

N₂流量为0～8sccm，例如0、1sccm、2sccm、3sccm、4sccm、5sccm、6sccm、7sccm或8sccm等。

刻蚀时间为30～60s，例如30s、35s、40s、45s、50s、55s或60s等。

所述步骤(2)中刻蚀所用的掩膜为电子束胶和/或SiN_X，例如电子束胶和SiN_X的复合掩膜。

所述步骤(3)中用超纯水进行正面冲水清洗。

当铝刻蚀完成之后，硅片表面，图形侧壁残留的Cl，会和铝反应生成AlCl₃，继而与空气中的水分反应生成HCl，HCl又与Al反应生成AlCl₃，如此形成了自循环反应，造成对铝的严重侵蚀，影响了纳米结构的光滑陡直度。因此.在刻蚀工艺完成后，一般会立即浸入超纯水中进行冲洗，稀释冲洗掉所生成的HCl。

由于蒸镀铝膜的基底材料为透明的玻璃，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，所以使用导热油涂在基片背面，热量容易从载片台导走。在刻蚀工艺完成后，为了防止铝的二次腐蚀，只需要对样片正面进行冲洗，否则油污污染正面图形。

以上所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构。

以上所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构的用途，其应用于纳米结构的铝线栅偏振器或光学超振荡镜的制造领域。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

本发明通过调节BCl₃和Cl₂的气体比例可有效调整纳米结构关键尺寸偏差，使关键尺寸偏差从30nm减少为5nm，以及光栅结构的侧壁陡直度，侧壁陡直度达到90-93度，避免因侧壁斜坡、线条变窄等对光学器件所产生的负面效果。

附图说明

图1为本发明实施例1所得的磁控溅射制备颗粒度为70-80nm的Al膜表面SEM图；

图2为本发明实施例1所得的磁控溅射制备颗粒度为70-80nm的Al膜的刻蚀剖面SEM图；

图3为本发明实施例2所得的磁控溅射制备颗粒度为40-50nm的Al膜表面SEM图；

图4为磁控溅射制备颗粒度为40-50nm的Al膜用实施例1中参数进行刻蚀的剖面SEM图；

图5为本发明实施例2所得的磁控溅射制备颗粒度为40-50nm的Al膜的刻蚀剖面SEM图；

图6为本发明实施例3所得的电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜表面SEM图；

图7为电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜用实施例1中参数刻蚀的剖面SEM图；

图8为电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜用实施例1中刻蚀的正面SEM图；

图9为本发明实施例3所得的电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜的刻蚀剖面SEM图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

刻蚀提供的样片为一层100nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为70～80nm，如图1。铝膜镀在透明的玻璃衬底上，厚度可为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等；栅格结构为线宽70nm，间距70nm，栅线宽及间距可以在50-500nm之间随意组合。

采用电感耦合等离子体刻蚀机进行颗粒度为70～80nm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：

温度为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；BCl₃/Cl₂＝1:1；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，去除铝侧壁残留的氯Cl与空气中的水反应生成的HCl，使侧壁更陡直光滑。最终得到70nm线宽的铝光栅结构。

此实施中的颗粒度为70～80nm，将BCl₃/Cl₂调整至1:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度，剖面图见图2。

实施例2：

刻蚀提供的样片为一层150nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为40～50nm，如图3。铝膜镀在透明的玻璃衬底上，厚度可以为200～1000μm，提供的刻蚀掩膜为SiN_X，也可以是其它的电子束胶如HSQ；栅格结构为线宽70nm，间距70nm，栅线宽及间距可以在50～500nm之间随意组合。

采用电感耦合等离子体刻蚀机进行颗粒度为40～50nm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：

温度为0℃；刻蚀压力为：0.2Pa；上电极ICP功率为300W；下电极RF功率为35W；Cl₂流量为5sccm；BCl₃流量为20sccm；BCl₃/Cl₂＝4:1；N₂流量为4sccm；刻蚀时长为40秒。

此实施中的颗粒度为40～50nm，如果用实例1中的参数进行刻蚀，得到的刻蚀结果如图4所示，陡直度仅为85度，严重影响了器件的性能，所以在刻蚀不同颗粒度的铝膜时，调整气体比例等参数尤为重要，实例2中将BCl₃/Cl₂调整至4:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度，剖面图见图5。

实施例3：

刻蚀提供的样片为一层100nm的铝膜，所述铝膜制备方式是电子束蒸发，颗粒度为20～30nm，如图6。铝膜镀在透明的玻璃衬底上，厚度可以为200～1000μm，提供的刻蚀掩膜为SiN_X，也可以是其它的电子束胶如HSQ；栅格结构为线宽70nm，间距70nm，栅线宽及间距可以在50～500nm之间随意组合。

采用电感耦合等离子体刻蚀机进行颗粒度为20～30nm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：

温度为0℃；刻蚀压力为0.2Pa；上电极ICP功率为300W；下电极RF功率为50W；Cl₂流量为7sccm；BCl₃流量为21sccm；BCl₃/Cl₂＝3:1；N₂流量为0sccm；刻蚀时长为40秒。

(3)取出样片后，立刻正面冲水清洗，去除铝侧壁残留的氯Cl与空气中的水反应生成的HCl，使侧壁陡直光滑。最终得到70nm线宽的铝光栅结构。

此实施中的颗粒度为20～30nm，如果用实例1中的参数进行刻蚀，得到的刻蚀结果如图7所示，陡直度仅为85度，刻蚀尺寸的偏差较大如图8，严重影响了器件的性能，所以在刻蚀不同颗粒度的铝膜时，调整气体比例等参数尤为重要，实例3中将BCl₃/Cl₂调整至3:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为93度，剖面图见图9。

实施例4：

刻蚀提供的样片为一层100nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为30～40nm。

除步骤(2)中参数为：上电极ICP功率为350W；下电极RF功率为60W；Cl₂流量为3sccm，BCl₃流量为25sccm；BCl₃/Cl₂＝5:1；刻蚀时长为60秒外，其余过程均与实例例1中相同。

此实施中的颗粒度为30～40nm，将BCl₃/Cl₂调整至5:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度。

实施例5：

刻蚀提供的样片为一层100nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为50～60nm。

除步骤(2)中参数为：上电极ICP功率为200W；下电极RF功率为30W；BCl₃流量为30sccm；BCl₃/Cl₂＝10:1；刻蚀时长为30秒外，其余过程均与实例例1中相同。

此实施中的颗粒度为50-60nm，将BCl₃/Cl₂调整至10:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度。

实施例6：

刻蚀提供的样片为一层100nm的铝膜，所述铝膜制备方式是热蒸发，颗粒度为80-100nm。

除步骤(2)中参数为：BCl₃/Cl₂＝0.5:1，BCl₃流量为10sccm；N₂流量为8sccm外，其余过程均与实例例1中相同。

此实施中的颗粒度为80-100nm，将BCl₃/Cl₂调整至0.5:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度。

对比例1：

除步骤(2)中只采用Cl₂作刻蚀气体外，其余过程均与实例例1中相同。

此实施中的颗粒度为70～80nm，陡直度为50度，侧壁上部侧蚀严重，刻蚀尺寸偏差30nm。

对比例2：

除步骤(2)中只采用BCl₃作刻蚀气体外，其余过程均与实例例1中相同。

此实施中的颗粒度为70-80nm，陡直度为72度，刻蚀关键尺寸偏差32nm。

综上所述，本发明提供了一种针对不同颗粒度的铝膜的纳米结构刻蚀方法，根据金属铝膜的颗粒度调节BCl₃和Cl₂的气体体积比来调整侧壁的陡直度，可有效调整纳米结构关键尺寸偏差以及光栅结构的侧壁陡直度，使关键尺寸偏差从30nm减少为5nm，侧壁陡直度为90-93度，避免因侧壁斜坡、线条变窄等对光学器件所产生的负面效果。

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

1.一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法，其特征在于，该刻蚀方法包括以下步骤：

(1)用导热油将铝膜贴在载片上；

(2)对铝膜进行刻蚀，其中BCl₃和Cl₂的气体体积比为0.5～10:1；

(3)刻蚀后的铝膜正面冲水清洗。

2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(2)中BCl₃和Cl₂的气体体积比为1～5:1。

3.根据权利要求1或2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(1)中的铝膜由磁控溅射设备、电子束蒸发设备或热蒸发设备制备而成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(1)中的铝膜的颗粒度为20～100nm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(2)的刻蚀工艺参数为：温度0℃；刻蚀压力为0.2～0.3Pa；上电极ICP功率为200～350W；下电极RF功率为30～60W；Cl₂流量为3～20sccm；BCl₃流量为20～30sccm；N₂流量为0～8sccm；刻蚀时间为30～60s。

6.根据权利要求1-5任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(2)中刻蚀所用的掩膜为电子束胶和/或SiN_X。

7.根据权利要求1-6任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(3)正面冲水清洗用超纯水进行冲洗。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构。

9.一种如权利要求1-7任一项所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构的用途，其应用于纳米结构的铝线栅偏振器或光学超振荡镜制造领域。