CN104625262A - 基于电化学微加工的光掩模版制备装置和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电化学微加工的光掩模版制备装置及制备方法，该装置包括：盛有刻蚀溶液的刻蚀槽，所述刻蚀槽用于放置待加工的掩模版；装于电极架上的微细加工电极，所述微细加工电极与所述待加工掩模版相对安置；高频脉冲电源，所述高频脉冲电源在所述微细加工电极和所述待加工掩模版之间加载高频脉冲电信号，使得所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀；所述微细加工电极或所述待加工掩模版被配置成可按照预设掩模版图形运动，以使所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀出所需图形。该装置结构简单，成本低，加工效率和加工精度高。

Description

基于电化学微加工的光掩模版制备装置和制备方法
技术领域
本发明涉及基于电化学微加工的光掩模版制备装置和制备方法。
背景技术
光掩模版是光刻工艺中需要的一整套(几块多至十几块)相互间能精确套准的、具有特定几何图形的光复印掩蔽模版的简称。光掩模版的制造是集成电路产业链中工艺、设备、管理技术要求最高，资金投入比重最大的瓶颈工序。近年来，随着集成电路集成度的提高和纳米技术的迅速发展，人们对光刻分辨率的要求不断提高，因此，相应的光刻掩模版精度要求也在不断提高。
目前光刻掩模版的制作方法一般可分为三类：光学制版(照相精缩法、图形发生器法)、激光直写法和电子束曝光法。光学制版工艺成熟，价格低廉，在微米级掩模版制作中应用广泛，其极限分辨率为1-2微米。激光直写技术可以将模板的最小线宽降至亚微米尺度，当采用干涉光刻技术时可以得到100纳米的线条精度，但只适用于周期性条纹和点阵的制作。若要实现100纳米以下任意图案掩模版的制作，则必须通过电子束光刻(Electron Beam Lithography,EBL)技术来实现。电子束光刻具有极高的分辨率，理论极限分辨率可达3纳米。但是电子束光刻设备结构复杂、价格昂贵，因此高精度纳米级掩模版通常制作费用高昂。在科学研究与新产品试制过程中，科研人员对于微纳器件制造需求的特点是精度要求高且类型多变，因此对于高精度掩模版需求较大。如果采用电子束曝光技术制作，昂贵的制版费用将使研究与开发成本大大增加。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于电化学微加工的光掩模版制备装置和制备方法，该装置结构简单，成本低，加工效率和加工精度高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于电化学微加工的光掩模版制备装置，其特征在于，包括：
盛有刻蚀溶液的刻蚀槽，所述刻蚀槽用于放置待加工的掩模版；
装于电极架上的微细加工电极，所述微细加工电极与所述待加工掩模版相对安置；
高频脉冲电源，所述高频脉冲电源在所述微细加工电极和所述待加工掩模版之间加载高频脉冲电信号，使得所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀；
所述微细加工电极或所述待加工掩模版被配置成可按照预设掩模版图形运动，以使所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀出所需图形。
优选地：
所述刻蚀槽安放在三维位移台上，所述三维位移台受控制在XYZ三轴方向运动以使所述刻蚀槽承载所述待加工掩模版按照所述预设掩模版图形运动。
所述光刻掩模版是掩模层为金属铬的玻璃或石英版。
所述掩模层厚度为30～100nm。
所述加工电极的尖端的圆角半径为10～500nm。
所述微细加工电极为钨、铂或金制作的针状或圆柱状电极。
所述刻蚀溶液为硝酸盐或氯化物或碱刻蚀溶液。
所述脉冲电源参数包括电压幅值为1～5V，频率为1～500MHz，脉冲宽度为0.5ns～500ns，加工电流密度值为2～10A/cm2。
一种使用所述光掩模版制备装置的光掩模版制备方法，包括：
在所述微细加工电极和所述待加工掩模版之间加载高频脉冲电信号的同时，控制所述微细加工电极或所述待加工掩模版按照预设掩模版图形运动，使得所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀出所需图形。
优选地，在开始水平加工刻蚀之前，先使所述微细加工电极相对于所述待加工掩模版垂直进给，通过监测所述微细加工电极与所述待加工掩模版间的电流值来控制所述微细加工电极与所述待加工掩模版的相对进给速度，在检测到电流发生突变前按照第一速度进给，在检测到电流发生突变后按照低于所述第一速度的第二速度进给并以设定的加工电流密度进行加工，直到使掩模层蚀穿。
所述第一速度为5～10μm/s，所述第二速度的速度为1～10nm/s。
本发明的有益效果有：
本发明采用的基于电化学微加工的探针刻蚀技术制备光刻掩模版，经测试可获得的最小加工线宽可达100nm，远高于光学制版工艺的加工精度，而成本却远低于电子束曝光设备。具体体现为：采用高频脉冲电信号可大幅提高电化学刻蚀精度，达到远高于光学制版工艺的加工精度；设备成本低，本发明所需的微细加工电极用现有的制作工艺容易制备，例如，容易获得尖端圆角半径小于30nm的针状电极；设备的结构简单，无需高能束流与真空环境，加工成本极低。
附图说明
图1为本发明一种实施例的基于电化学微加工的光掩模版制备装置结构示意图；
图2为本发明一种实施例中微细加工电极与光刻掩模版的局部A放大结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参见图1和图2，一种基于高频脉冲电化学微刻蚀的光刻掩模版制备装置，包括：盛有刻蚀溶液2的刻蚀槽6，光刻掩模版如铬版7固定于刻蚀槽6的底部，刻蚀槽6可安放在三维位移台1上，铬版7可由金属铬层9与玻璃或石英基底10组成，微细加工电极3可装夹于电极架4上，高频脉冲电源5的正负极两端分别连接于铬版表面的金属铬层9上和微细加工电极3上。可通过上位机控制加工电极3垂直向铬版7进给，同时打开脉冲电源5在微细加工电极3和金属铬层9之间施加高频脉冲信号，通过监测微细加工电极3与金属铬层9间电流值控制加工电极的进给速度与终点。完成进给后，通过上位机控制加工电极3或工作台1按照预设掩模版图形运动，完成掩模版上铬层的刻蚀加工。微细加工电极3可以为钨、铂、金等金属制作的针状或圆柱状电极，微细加工电极3可由电化学腐蚀、机械研磨、电火花加工或纳米线生长获得。优选地，微细加工电极3的尖端圆角半径为10～500nm。优选地，刻蚀加工时的高频脉冲信号的电压峰值为1～5V，频率为1～500MHz，脉冲宽度为0.5ns～500ns。
以下以示例性的实施例说明本发明的制备方法。
实施例1
本实施例采用钨电极电化学刻蚀光刻掩模板，工艺具体可包括以下步骤：
1)将待加工的铬版7置于刻蚀平台底部的工作台1上并进行定位，其中金属铬掩模层厚度为80nm，铬版为2英寸。
2)将刻蚀溶液2注入刻蚀平台，使液面高度超过掩模板2mm，该刻蚀溶液的配方如下：
NaNO3 100g/L
NaCl 100g/L。
3)采用电化学腐蚀工艺，在直径0.3mm的钨丝上制备钨针尖3，针尖尖端圆角半径为100nm，并将其装夹在电极架4上。
4)将待加工铬版7与加工电极3分别连接高频脉冲电源5的正极与负极。
5)打开高频脉冲电源5，设置脉冲信号参数，施加于铬版与加工电极之间。具体脉冲信号参数为：电压幅值为3V，频率为20MHz，脉冲宽度为10ns。
6)通过上位机控制加工电极3垂直向铬版7进给，进给速度为8μm/s。
7)当加工电极3与铬版7间电流值发生向上阶跃突变时，将电极进给速度降为加工速度6nm/s。调整脉冲电源电压值至3.5V，使加工电流密度达到5A/cm2，使加工电极以6nm/s的速度向下加工铬层至铬层完全蚀穿。
8)调整脉冲电源电压值至3.2V，使加工电流密度保持在5A/cm2，通过上位机控制加工电极或工作台按照预设掩模版图形以8nm/s的速度水平运动，完成掩模版上铬层的刻蚀加工。
9)加工电极3复位，取出铬版7，清洗烘干，完成光掩模版的加工。
实施例2
本实施例采用钨电极电化学刻蚀光刻掩模板，工艺具体可包括以下步骤：
1)将待加工的铬版7置于刻蚀平台底部的工作台1上并进行定位，其中金属铬掩模层厚度为100nm，铬版为3英寸。
2)将刻蚀溶液2注入刻蚀平台，使液面高度超过掩模板2mm，该刻蚀溶液的配方如下：
NaOH 70g/L。
3)采用电化学腐蚀工艺，在直径0.3mm的钨丝上制备钨针尖3，针尖尖端圆角半径为30nm，并将其装夹在电极架4上。
4)将待加工铬版7与加工电极3分别连接高频脉冲电源5的正极与负极。
5)打开高频脉冲电源5，设置脉冲信号参数，施加于铬版与加工电极之间。具体脉冲信号参数为：电压幅值为2V，频率为250MHz，脉冲宽度为0.5ns。
6)通过上位机控制加工电极3垂直向铬版7进给，进给速度为5μm/s。
7)当加工电极3与铬版7间电流值发生向上阶跃突变时，将电极进给速度降为加工速度4nm/s。调整脉冲电源电压值至1.8V，使加工电流密度达到2A/cm2，使加工电极以4nm/s的速度继续向下加工铬层至铬层完全蚀穿。
8)调整脉冲电源电压值至1.6V，使加工电流密度保持在2A/cm2，通过上位机控制加工电极或工作台按照预设掩模版图形以5nm/s的速度水平运动，完成掩模版上铬层的刻蚀加工。
9)加工电极3复位，取出铬版7，清洗烘干，完成光掩模版的加工。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电化学微加工的光掩模版制备装置，其特征在于，包括：
盛有刻蚀溶液的刻蚀槽，所述刻蚀槽用于放置待加工的掩模版；
装于电极架上的微细加工电极，所述微细加工电极与所述待加工掩模版相对安置；
高频脉冲电源，所述高频脉冲电源在所述微细加工电极和所述待加工掩模版之间加载高频脉冲电信号，使得所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀；
所述微细加工电极或所述待加工掩模版被配置成可按照预设掩模版图形运动，以使所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀出所需图形。
2.如权利要求1所述的光掩模版制备装置，其特征在于，所述刻蚀槽安放在三维位移台上，所述三维位移台受控制在XYZ三轴方向运动以使所述刻蚀槽承载所述待加工掩模版按照所述预设掩模版图形运动。
3.如权利要求1所述的光掩模版制备装置，其特征在于，所述光刻掩模版是掩模层为金属铬的玻璃或石英版，优选地，所述掩模层厚度为30～100nm。
4.如权利要求1所述的光掩模版制备装置，其特征在于，所述微细加工电极的尖端的圆角半径为10～500nm。
5.如权利要求1至4任一项所述的光掩模版制备装置，其特征在于，所述微细加工电极为钨、铂或金制作的针状或圆柱状电极。
6.如权利要求1所述的光掩模版制备装置，其特征在于，所述刻蚀溶液为硝酸盐或氯化物或碱刻蚀溶液。
7.根据权利要求1至6任一项所述的光掩模版制备装置，其特征在于，所述脉冲电源参数包括电压幅值为1～5V，频率为1～500MHz，脉冲宽度为0.5ns～500ns，加工电流密度值为2～10A/cm2。
8.一种使用权利要求1至7任一项所述的光掩模版制备装置的光掩模版制备方法，其特征在于，包括：
在所述微细加工电极和所述待加工掩模版之间加载高频脉冲电信号的同时，控制所述微细加工电极或所述待加工掩模版按照预设掩模版图形运动，使得所述刻蚀液在所述待加工掩模版上刻蚀出所需图形。
9.如权利要求8所述的光掩模版制备方法，其特征在于，包括：
在开始水平加工刻蚀之前，先使所述微细加工电极相对于所述待加工掩模版垂直进给，通过监测所述微细加工电极与所述待加工掩模版间的电流值来控制所述微细加工电极与所述待加工掩模版的相对进给速度，其中在检测到电流发生突变前按照第一速度进给，在检测到电流发生突变后，按照低于所述第一速度的第二速度进给并以设定的加工电流密度进行加工，直到使掩模层蚀穿。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一速度为5～10μm/s，所述第二速度的速度为1～10nm/s。
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