CN104505334A - 一种通过激光加热制作薄膜图案的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过激光加热制作薄膜图案的方法。在磁控溅射沉积金属或非金属薄膜时，采用外部装置对溅射基座进行冷却，冷却的温度为-196～5℃，同时采用激光对基片表面图案化区域加热。激光加热区域与非加热区域的温度差导致薄膜的附着力不同，即在加热区域沉积的薄膜附着力大，未加热区域沉积的薄膜附着力小。然后采用离子束刻蚀技术，通过调节合适的离子束功率，使未加热区域的金属或非金属薄膜快速刻蚀，而加热区域的金属或非金属电极薄膜得以保留并形成所需图案。本发明无需物理掩膜，与光刻技术相比，具有工艺简单，成本低，易于实现工业化的特点，特别适合于各类薄膜器件的制备和加工。
Description
技术领域
本发明属于薄膜图形化技术领域，涉及一种通过激光加热制作薄膜图案方法，特别是涉及一种金属或非金属导电薄膜的图案方法。
背景技术
随着元器件短小轻薄的深入发展要求，传统的丝网印刷方式难以满足器件进一步微型化的要求，薄膜化技术已成为元器件小型化发展的关键技术。磁控溅射技术作为一种成熟可靠，并且与半导体工艺兼容的薄膜化技术，已广泛应用于半导体器件的制备。在薄膜器件的制作过程中，电极的图案是一个关键的技术，现有实现电极薄膜图案的方式主要有三种：一是采用传统的光刻技术，即在薄膜沉积后通过涂光刻胶、掩膜、曝光、显影、刻蚀等工序来实现；二是在镀膜过程采用物理掩膜板进行掩膜；三是采用无掩膜光刻技术，它是一类不采用光刻掩膜版的光刻技术，即采用电子束直接在基片上制作出需要的图案，无掩膜光刻技术是降低光掩膜不断成本飞升问题的一个潜在解决方案。
对于薄膜化的元器件，特别是多层元器件，如多层陶瓷电容器（MLCC）等，在制作过程中涉及介质薄膜沉积及退火处理、电极薄膜沉积及图案等多个工序。在电极薄膜图案的过程中，如果采用传统的光刻胶光刻技术，每沉积一层电极后均需要一次图案处理，成百上千的层数要求将导致多层元器件的制作周期长，成本昂贵，无法满足实际需要；采用物理掩膜板图案则需要在制作时反复装卸掩膜板，掩膜的精度和效率也难以满足实际需要；无掩膜光刻技术由于技术问世不久，总体产出率仍然低下，因此，制作过程中的图形化问题是制约该技术在元器件制备中规模化应用的关键因素之一，迫切需要一种快速且低成本的图案技术来实现薄膜元器件的制备。
在背景中部分公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此上述信息可以包含不构成本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，通过该方法可以实现金属或非金属导电薄膜的便捷、低成本图案。该方法符合实验室研究和工业化生产需求，并可在薄膜制备的过程提高薄膜的生长质量和性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
提出一种激光加热制作薄膜图案的方法，即在磁控溅射镀膜过程中，先利用低温基片台对基片进行低温或超低温的冷却，同时利用激光束对薄膜沉积过程进行图案加热处理，从而在基片上形成若干冷热区，在低温或超低温下沉积的薄膜，机械结合与范德化力结合起主要作用，此时薄膜的附着力较低，而在激光加热区域，受到热的作用薄膜的附着力会得到显著的加强，因此可以导致薄膜附着力的较大差异，另一方面由于金属或非金属导电薄膜的沉积速率快，结合激光的极短时间内的快速加热，图形精度可以满足薄膜器件的应用要求，最后经一定功率的离子束进行无掩膜的大面积刻蚀，即可实现薄膜的快速图案。
本发明是这样实现的：
一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：在磁控溅射沉积金属薄膜或非金属薄膜时，采用外部装置对基座进行冷却，同时采用激光对基片表面图案化区域加热；激光加热区域与非加热区域的温度差导致薄膜的金属或非金属的附着力不同，即在加热区域沉积金属或非金属的薄膜附着力大，未加热区域沉积金属或非金属的薄膜附着力小；然后采用离子束刻蚀技术，通过调节合适的离子束功率，使未加热区域的金属或非金属薄膜快速刻蚀，而加热区域的金属或非金属得以保留并形成所需图案，整个图案过程无需掩膜、曝光和显影工序。
所述的激光加热的设备包括Nd:YAG激光器或CO2激光器，输出激光功率范围从10～6000 W，加热温度为100～1200℃。
所述的激光束可以是一束或多束，或者是经计算机控制沿图案快速循环运行的一束或多束的激光束，加热区域通过控制激光功率或激光光斑来实现。
所述的溅射基座的冷却温度范围是-196～5℃，冷却的方式包括液氮冷却或压缩机制冷。
所述的磁控溅射包括直流磁控溅射或射频磁控溅射的方式。
所述的金属包括镍、银、铜、钛、金或铂的纯金属或其复合金属；所述的非金属包括ITO、AZO或SnO2的纯非金属或其复合非金属，也可以是金属和非金属复合物。
所述的薄膜的厚度范围从20 nm到2 μm。
所述的基片包括氧化铝、氧化锆、玻璃、石英、硅，以及沉积了所述各类材料后的混合材料。
所述的附着力，按ISO国际标准测试，两者相差在一级或以上。
所述的磁控溅射控制真空至1×10-3Pa以上。
所述离子束刻蚀，是直接以上述金属薄膜或非金属薄膜，通过调节一定的离子束功率在无需掩膜的情况下直接大面积快速刻蚀。
本发明的优点和积极效果：
本发明用上述方法来实现对金属或非金属薄膜图案，一方面可以在薄膜沉积金属或非金属的同时利用附着力的差异形成图案，并经后续离子束刻蚀实现薄膜的图案。另一方面，通过激光加热还可以增强薄膜的附着力，促进非金属薄膜的晶化或提高薄膜的性能。较现有图案技术相比，省去了复杂的掩膜、光刻工艺，具有成本低、易于工业化的优点，特别适合于薄膜元器件的加工和制作。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。
实施例1
如上述发明专利，具体实施步骤如下：
1）在磁控溅射仪上安装金属银靶材和硅基片，采用Nd:YAG激光器发射一束激光，调节激光束在基片上形成长宽为1 mm×0.6 mm的长方形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.5×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.5 Pa；
3）采用外置循环液氮冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-196℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用直流磁控溅射开始银薄膜沉积，并在薄膜沉积的过程中，采用2000 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热，基片温度约为700℃，薄膜沉积时间为50秒，薄膜厚度为600 nm。
5）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为0级，而未加热区的薄膜附着力为5级，根据薄膜附着力的差异，用功率为53 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图形化。
实施例2
1）在磁控溅射仪上安装金属镍靶材和抛光氧化铝陶瓷基片，采用1台Nd:YAG激光器发射一束激光，调节激光束在基片上形成长宽为0.4 mm×0.2 mm的长方形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至0.5×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.6 Pa；
3）采用外置循环液氮冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-125℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用直流磁控溅射开始镍薄膜沉积，并在薄膜沉积的过程中，采用3000 W的脉冲激光束经计算机控制沿图案快速循环运行对基片进行图案加热，基片温度约为870℃，薄膜沉积时间为45秒，薄膜厚度为320 nm。
5）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为0级，而未加热区的薄膜附着力为5级，根据薄膜附着力的差异，用功率为65 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案；
6）将图案后的薄膜放入磁控溅射仪，采用射频磁控溅射方式在图案基片上沉积500 nm厚的钛酸钡薄膜，在沉积的过程中利用激光加热对钛酸钡薄膜进行晶化处理，然后再依次按1）～5）的顺序在钛酸钡薄膜上沉积镍薄膜并图案，再沉积钛酸钡薄膜，依次类推，从而在氧化铝基片上形成电极/介质/电极/氧化铝的多层薄膜器件的加工和制作。由于电极制作快捷方便，再加上介质薄膜制备的同时也可以利作激光加热进行同步退火晶化，因此简化了制作工艺，并有效节约制作成本。
实施例3
1）在磁控溅射仪上安装ITO靶材和玻璃基片，采用若干CO2激光器发射多束激光，调节激光束在基片上形成若干长宽为0.8 mm×0.4 mm的长方形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.0×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.8 Pa；
3）采用外置压缩机制冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-55℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用直流磁控溅射开始薄膜沉积，并在薄膜沉积的过程中，采用若干900 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热处理，基片加热温度约为500℃，薄膜沉积时间为90秒，薄膜厚度为180 nm。
5）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为0级，而未加热区的薄膜附着力为4级，根据薄膜附着力的差异，用功率为80 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案。
实施例4
1）在磁控溅射仪上安装ATO靶材和石英玻璃基片，采用2台CO2激光器发射2束激光，调节激光束并结合激光变换透镜在基片上形成若干长宽为1 mm×2 mm的长方形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.0×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.6 Pa；
3）采用外置压缩机制冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-50℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用射频磁控溅射开始薄膜沉积，并在薄膜沉积的过程中，采用1500 W的2束脉冲激光束通过计算机控制有规律地沿图案快速循环运行对基片进行图案快速加热，基片加热温度约为650℃，薄膜沉积时间为60分钟，薄膜厚度为650 nm。
5）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为0级，而未加热区的薄膜附着力为4级，根据薄膜附着力的差异，用功率为75 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案。
实施例5
1）在多靶共溅射磁控溅射仪上安装ITO、金属银靶材和石英玻璃基片，采用一台Nd:YAG激光器发射一束激光，调节激光束并结合激光变换透镜在基片上形成一个或多个长宽为2mm×4mm的长方形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.0×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.5 Pa；
3）采用循环液氮冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-95℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用射频磁控溅射开始ITO薄膜沉积，并在薄膜沉积的过程中，采用1000 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热，基片加热温度约为480℃，薄膜沉积时间为60秒，薄膜厚度为120 nm。
5）调节基片台冷却温度为-125℃，待基片温度稳定后，采用直流磁控溅射开始溅射金属银薄膜，并在薄膜沉积的过程中，采用1200 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热，基片加热温度约为600℃，薄膜沉积时间为5秒，薄膜厚度为20 nm。
6）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为1级，而未加热区的薄膜附着力为3级，根据薄膜附着力的差异，用功率为40 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案。
实施例6
1）在磁控溅射仪上安装金属钛靶材和硅基片，采用一台CO2激光器发射一束激光，调节激光束并结合激光变换透镜在基片上形成若干边长为2 mm×2 mm的正方形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.0×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.5 Pa；
3）采用外置压缩机制冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为5℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用直流磁控溅射开始溅射金属钛薄膜，并在薄膜沉积的过程中，采用500 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热，基片加热温度约为280℃，薄膜沉积时间为35秒，薄膜厚度为330 nm。
5）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为1级，而未加热区的薄膜附着力为2级，根据薄膜附着力的差异，用功率为55 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案。
实施例7
1）在多靶磁控溅射仪上安装金属铜靶材、金靶材和硅基片，采用一台CO2激光器发射一束激光，调节激光束并结合激光变换透镜在基片上形成若直径为2 mm的圆形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.0×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.5 Pa；
3）采用外置压缩机制冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-45℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用直流磁控溅射开始溅射金属铜薄膜，并在薄膜沉积的过程中，采用10 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热处理，基片加热温度约为100℃，薄膜沉积时间为240秒，薄膜厚度为2 μm。
5）调节基片台冷却温度为-55℃，待基片温度稳定后，采用直流磁控溅射开始溅射金属金薄膜，并在薄膜沉积的过程中，采用3500W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热处理，基片加热温度约为900℃，薄膜沉积时间为5秒，薄膜厚度为30 nm。
6）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为0级，而未加热区的薄膜附着力为3级，根据薄膜附着力的差异，用功率为90 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案。
实施例8
1）在多靶磁控溅射仪上安装SnO2靶材、镍金靶材和硅基片，采用1台CO2激光器发射1束激光，调节激光束并结合激光变换透镜在基片上形成若直径为3mm的圆形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.0×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为1.0Pa；
3）采用外置压缩机制冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-25℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用射频磁控溅射开始溅射SnO2薄膜，并在薄膜沉积的过程中，采用1200 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热，基片加热温度约为650℃，薄膜沉积时间为5分钟，薄膜厚度为28 nm。
5）调节基片台冷却温度为-80℃，待基片温度稳定后，采用直流磁控溅射开始溅射金属镍薄膜，并在薄膜沉积的过程中，采用4000 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热处理，基片加热温度约为900℃，薄膜沉积时间为90秒，薄膜厚度约为1.2 μm。
6）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为0级，而未加热区的薄膜附着力为3级，根据薄膜附着力的差异，用功率为83W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案。
实施例9
1）在磁控溅射仪上安装金属铂靶材和氧化锆基片，采用二台CO2激光器发射二束激光，调节激光束并结合激光变换透镜在基片上形成若干长宽为3 mm×5 mm的长方形加热光斑；
2）将磁控溅射仪抽真空至1.0×10-4Pa，并通入氩气，调节溅射气压为0.3 Pa；
3）采用外置循环液氮冷却装置对基片台进行超低温冷却处理，调节冷却温度为-150℃；
4）待基片台冷却到设定的温度后，采用直流磁控溅射开始溅射金属铂薄膜，并在薄膜沉积的过程中，采用6000 W的脉冲激光束对基片进行图案快速加热处理，基片加热温度约为1200℃，薄膜沉积时间为60秒，薄膜厚度为510 nm。
5）薄膜沉积完成后，取出基片，对薄膜的附着力进行测试，测得加热区的薄膜附着力为0级，而未加热区的薄膜附着力为4级，根据薄膜附着力的差异，用功率为70 W的离子束对薄膜进行快速大面积刻蚀处理，实现图案。
以上所述的优化实施例意在具体说明本发明的思路：在薄膜沉积的同时，通过对基片台进行低温或超低温的冷却，同时利用脉冲激光束对薄膜沉积过程进行图形化加热处理，从而在薄膜基片上形成冷热两区，并利用极化的冷热区域导致薄膜附着力的较大差异并形成图形，然后通过合适的离子束对薄膜未加热区进行大面积快速刻蚀，从而实现薄膜的图形化。本发明之实施，并不限于以上优化实施例所公开的方式，凡基于上述涉及思路，进行简单推演与替换，得到的具体的金属或非金属薄膜的图案，都属于本发明的实施。
Claims (10)
1.一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：在磁控溅射沉积金属薄膜或非金属薄膜时，采用外部装置对基座进行冷却，同时采用激光对基片表面图案化区域加热；激光加热区域与非加热区域的温度差导致薄膜的金属或非金属的附着力不同，即在加热区域沉积金属或非金属的薄膜附着力大，未加热区域沉积金属或非金属的薄膜附着力小；然后采用离子束刻蚀技术，通过调节合适的离子束功率，使未加热区域的金属或非金属的薄膜快速刻蚀，而加热区域的金属或非金属得以保留并形成所需图案，整个图案过程无需掩膜、曝光和显影工序。
2.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的激光加热的设备包括Nd:YAG激光器或CO2激光器，输出激光功率范围从10～6000 W，加热温度为100～1200℃。
3.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的激光束是一束或多束，或者是经计算机控制沿图案快速循环运行的一束或多束的激光束，加热区域通过控制激光功率或激光光斑来实现。
4.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的溅射基座的冷却温度范围是-196～5℃，冷却的方式包括液氮冷却或压缩机制冷。
5.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的磁控溅射包括直流磁控溅射或射频磁控溅射的方式。
6.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的金属包括镍、银、铜、钛、金或铂的纯金属或其复合金属；所述的非金属包括ITO、AZO或SnO2的纯非金属或其复合非金属，也可以是金属和非金属的复合物。
7.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的薄膜的厚度范围从20 nm到2 μm。
8.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的基片的材料包括氧化铝、氧化锆、玻璃、石英、硅，以及沉积了所述各类材料后的混合材料。
9.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的附着力，按ISO国际标准测试，两者相差在一级或以上。
10.根据权利要求1所述的一种通过激光加热制作薄膜图案的方法，其特征在于：所述的磁控溅射控制真空至1×10-3Pa以上。
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