CN104766724A - 一种基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，包括掩模制作、紫外光刻、物理气相沉积、剥离浮脱、快速退火处理，利用光刻胶的感光性能，通过掩模制作、紫外光刻工艺、半导体加工工艺制作带有光刻胶微结构图案的样品，然后通过物理气相沉积、剥离浮脱、快速退火处理，制作基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器。本发明提出了一种基于快速退火氧化的优化工艺以制作图案化的四氧化三钴纳米线微结构，该工艺融合利用了半导体领域的相关技术和微纳米结构合成的方法，工艺简洁、相关技术成熟，可应用于大规模生产，所得到的四氧化三钴纳米线微结构有着较高的化学稳定性和较好的电化学性能。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料、微加工工艺与微纳储能器件的交叉领域，具体涉及一种基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺。
背景技术
由半导体工艺发展而来的微加工工艺所制作的各种微纳结构及微纳器件，在微型传感器、微驱动器、微生化系统、微型电化学器件等领域，具有极高的应用潜力和前景。而微型电容器作为微纳器件与系统领域的功能单元，其性能和高效可靠的微制作工艺日益重要。四氧化三钴是一种具有发展潜力的超级电容器电极材料，其理论比电容较高，也是一种被广泛研究的电极材料。现有主流的制作微型电容器的微加工工艺均无法廉价高效地制作基于四氧化三钴的微型电容器。此外，如何在低温下快速有效的合成高性能四氧化三钴电极材料是一个大的挑战，因此探索与半导体微电子工艺完全可融合的微加工工艺以制作基于四氧化三钴微纳结构的微型电容器，是一个很有意义的研究和发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，提出了一种基于快速退火氧化的优化工艺以制作图案化的四氧化三钴纳米线微结构，该工艺融合利用了半导体领域的相关技术和微纳米结构合成的方法，工艺简洁、相关技术成熟，可应用于大规模生产，所得到的四氧化三钴纳米线微结构有着较高的化学稳定性和较好的电化学性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，包括掩模制作、紫外光刻、物理气相沉积、剥离浮脱、快速退火处理，利用光刻胶的感光性能，通过掩模制作过程制作带有微型电容器图案的掩膜版，通过紫外光刻工艺、半导体加工工艺制作带有光刻胶微结构图案的样品，然后通过物理气相沉积、剥离浮脱、快速退火处理，制作基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器。
根据以上方案，所述基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器的制作过程具体包括以下步骤：
1)用典型RCA清洗流程以清洗硅/二氧化硅基板，然后置于145℃的烘箱中烘烤30分钟；
2)将步骤1)中所得样品，采用匀胶机在样品上自旋涂布一层光刻胶；
3)利用带有微型电容器图案的掩膜版，对步骤2)中所得样品进行紫外光刻，并进行显影、润洗、氧气等离子体洗净；
4)将步骤3)中所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；
5)通过物理气相沉积的方法，在步骤4)中所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Ti金属膜，然后蒸镀一层50～100nm厚度的Au金属膜，最后蒸镀一层80nm厚度的Co金属膜；
6)将步骤5)采用剥离浮脱的方法，将光刻胶及其上面的金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了微型电容器结构；
7)将步骤6)中所得样品置于快速退火炉中，在氧气气氛中，以45℃/s的加热速率加热到450℃，并保持恒温3分钟后；再以20℃/s的降温速率从450℃降到室温，得到基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器。
根据以上方案，所述基板带有二氧化硅氧化层，单面或双面抛光，N型或P型。
根据以上方案，所述自旋涂布过程中所形成的光刻胶厚度为：6.8～7.2μm；具体技术参数为：第一步：5秒，转速为500rpm；第二步：30秒，转速为2500～6000rpm。
根据以上方案，所述步骤4)中显影、润洗过程包括：显影，13～40秒；1号去离子水，40秒；2号去离子水，40秒。
根据以上方案，所述步骤6)中金属膜除去的方法是在丙酮中浸泡10分钟。
得到所述基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器中的四氧化三钴纳米线的直径为20～100nm，长度为200～500nm。
本发明的有益效果是：
1)提供了一种新型的高效制作四氧化三钴纳米结构的技术途径。利用光刻胶的感光性，配合匀胶、光刻、显影、润洗、等离子体处理、硬烤、快速退火等半导体微加工工艺，制作了图案化的四氧化三钴纳米结构微型电容器，具有良好的电化学性能；
2)通过精确控制Ti/Au金属薄膜的厚度能进一步提高这一微型电容器与基板之间的附着；
3)通过对快速退火过程中升温速率、保温时间、温度等参数的调控及后续热处理工艺的优化，可以对四氧化三钴的形貌、结晶程度、生长面积等进行有效调控；
4)采用此种四氧化三钴纳米结构所制作的微型超级电容器拥有较高的容量，在微型传感器、微型驱动器、猎能器等领域有着良好的应用前景；
5)融合了已有的半导体加工技术，可用于大规模生产。
附图说明
图1是本发明实施例1的四氧化三钴微型叉指电容器微制作工艺的示意图；
图2是本发明实施例1的经快速退火处理后得到的四氧化三钴纳米线的电子显微镜图；
图3是本发明实施例1的经快速退火处理后得到的四氧化三钴微型叉指电容器的光学显微镜图；
图4是本发明实施例1的四氧化三钴叉指电容器的电化学性能表征结果。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1，见图1至图4所示：
本发明提供一种基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器微制作工艺，包括如下步骤：
1)用典型RCA清洗流程清洗双面抛光的N型Si/SiO2基板，然后置于145℃的烘箱中烘烤30分钟；
2)将光刻胶PR19000A通过自旋涂布方式涂布于步骤1)中所述基板表面，光刻胶厚度为：6.8μm，具体技术参数为：第一步：5秒，500rpm，第二步：30秒，6000rpm；
3)使用带有对称型超级电容器图案的掩膜版，对步骤2)所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为400mJ/cm2；
4)将步骤3)中所得样品按顺序浸入RD-6显影液、1号去离子水、2号去离子水进行显影和润洗，具体时间为：显影，40秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，40秒；
5)将步骤4)中所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15min，得到图案化的光刻胶微结构；
6)通过物理气相沉积的方法，在步骤5)中所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Ti金属膜，然后蒸镀一层50nm厚度的Au金属膜，最后蒸镀一层80nm厚度的Co金属膜；
7)采用丙酮浸泡步骤6)中所得样品10分钟的方法实现剥离浮脱，以将光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了微型叉指电容器结构；
8)将步骤7)中所得样品置于快速退火炉中，在氧气气氛中，以45℃/s的加热速率加热到450℃，并保持恒温3分钟后；再以20℃/s的降温速率从450℃降到室温，得到基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器(主要过程如图1所示)。
通过电子显微镜对经快速退火处理后得到的四氧化三钴纳米线进行了表征，结果见图2，通过光学显微镜对经快速退火处理后得到的基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器进行了表征，结果见图3，采用电极法对所得的基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器的容量进行了表征，结果见图4，在0.1V/s的扫速下，其体积比容量为70F/cm3。
本实施例以基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器的微制作工艺为例，这一微型叉指电容器对微型传感器、微型驱动器和电化学器件等微纳器件及系统的制作和应用有着重要意义。
实施例2：
本发明提供一种基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器微制作工艺，包括如下步骤：
1)用典型RCA清洗流程清洗单面抛光的N型Si/SiO2基板，然后置于145℃的烘箱中烘烤30分钟；
2)将光刻胶NR9-3000PY通过自旋涂布方式涂布于步骤1)中所述基板表面，光刻胶厚度为：7.2μm，具体技术参数为：第一步：5秒，500rpm，第二步：30秒，2500rpm；
3)使用带有对称型超级电容器图案的掩膜版，对步骤2)中所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为570mJ/cm2；
4)将步骤3)中所得样品按顺序浸入RD-6显影液、1号去离子水、2号去离子水进行显影和润洗，具体时间为：显影，20秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，40秒；
5)对步骤4)中所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15min，得到图案化的光刻胶微结构；
6)通过物理气相沉积的方法，在步骤5)中所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Ti金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜，最后蒸镀一层80nm厚度的Co金属膜；
7)采用丙酮浸泡步骤6)中所得样品10分钟的方法实现剥离浮脱，以将光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了微型叉指电容器结构；
8)将步骤7)中所得样品置于快速退火炉中，在氧气气氛中，以45℃/s的加热速率加热到450℃，并保持恒温3分钟后；再以20℃/s的降温速率从450℃降到室温，得到基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器。
本实施例通过基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器的制作方法得到了采用四氧化三钴纳米线作为微电极的微型叉指电容器。所述的微型叉指电容器具有良好的电化学性能，对微型电化学器件、微型驱动器和微型传感器等领域均具有极大的应用价值。
实施例3：
本发明提供一种基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器微制作工艺，包括如下步骤：
1)用典型RCA清洗流程清洗双面抛光的N型Si/SiO2基板，然后置于145℃的烘箱中烘烤30分钟；
2)将光刻胶NR9-3000PY通过自旋涂布方式涂布于步骤1)中所述基板表面，光刻胶厚度为：6.9μm，具体技术参数为：第一步：5秒，500rpm，第二步：30秒，2500rpm；
3)使用带有对称型超级电容器图案的掩膜版，对步骤2)中所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为570mJ/cm2；
4)将步骤3)中所得样品按顺序浸入RD-6显影液、1号去离子水、2号去离子水进行显影和润洗，具体时间为：显影，17秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，40秒；
5)对步骤4)中所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15min，得到图案化的光刻胶微结构；
6)通过物理气相沉积的方法，在步骤5)中所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Ti金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜，最后蒸镀一层50nm厚度的Co金属膜；
7)采用丙酮浸泡步骤6)中所得样品10分钟的方法实现剥离浮脱，以将光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了微型叉指电容器结构；
8)将步骤7)中所得样品置于快速退火炉中，在氧气气氛中，以45℃/s的加热速率加热到400℃，并保持恒温3分钟后；再以20℃/s的降温速率从400℃降到室温；
9)将步骤8)样品置于真空管式炉中，在氮气气氛下，以2℃/min的加热速率加热到400℃，并保持恒温30分钟后，再关闭管式炉的控温单元使样品自然冷却降到室温，得到基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器。
本实施例中所述四氧化三钴纳米线微结构作为电极的微型叉指电容器制作方法中有两次热处理，产品的电化学性能更加优异。
实施例4：
本发明提供一种基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器微制作工艺，包括如下步骤：
1)用典型RCA清洗流程清洗双面抛光的N型Si/SiO2基板，然后置于145℃的烘箱中烘烤30分钟；
2)将光刻胶NR9-3000PY通过自旋涂布方式涂布于步骤1)中所述基板表面，光刻胶厚度为：7.0μm，具体技术参数为：第一步：5秒，500rpm，第二步：30秒，4000rpm；
3)使用带有对称型超级电容器图案的掩膜版，对步骤2)中所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为380mJ/cm2；
4)将步骤3)中所得样品按顺序浸入RD-6显影液、1号去离子水、2号去离子水进行显影和润洗，具体时间为：显影，13秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，40秒；
5)对步骤4)中所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟，得到图案化的光刻胶微结构；
6)通过物理气相沉积的方法，在步骤5)中所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Ti金属膜，然后蒸镀一层50nm厚度的Au金属膜，最后蒸镀一层80nm厚度的Co金属膜；
7)采用丙酮浸泡步骤6)中所得样品10分钟的方法实现剥离浮脱，以将光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了微型叉指电容器结构；
8)将步骤7)中所得样品置于快速退火炉中，在氧气气氛中，以45℃/s的加热速率加热到450℃，并保持恒温3分钟后；再以20℃/s的降温速率从450℃降到室温，得到基于四氧化三钴纳米结构的微型叉指电容器。
本实施例通过基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器的制作方法得到了采用四氧化三钴纳米线作为微电极的微型叉指电容器。本实施例所述方法可用于微型传感器、微型驱动器、微型赝电容器等微纳器件的制作。其涉及到的匀胶、紫外光刻和快速热处理等工艺流程以及所得四氧化三钴纳米结构的微型电容器的电化学性能测试技术均十分成熟，可与现有半导体微加工工艺良好兼容，有利于大规模生产。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，其特征在于，包括掩模制作、紫外光刻、物理气相沉积、剥离浮脱、快速退火处理，利用光刻胶的感光性能，通过掩模制作过程制作带有微型电容器图案的掩膜版，通过紫外光刻工艺、半导体加工工艺制作带有光刻胶微结构图案的样品，然后通过物理气相沉积、剥离浮脱、快速退火处理，制作基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器。
2.根据权利要求1所述的基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，其特征在于，所述基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器的制作过程具体包括以下步骤：
1)用典型RCA清洗流程以清洗硅/二氧化硅基板，然后置于145℃的烘箱中烘烤30分钟；
2)将步骤1)中所得样品，采用匀胶机在样品上自旋涂布一层光刻胶；
3)利用带有微型电容器图案的掩膜版，对步骤2)中所得样品进行紫外光刻，并进行显影、润洗、氧气等离子体洗净；
4)将步骤3)中所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；
5)通过物理气相沉积的方法，在步骤4)中所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Ti金属膜，然后蒸镀一层50～100nm厚度的Au金属膜，最后蒸镀一层80nm厚度的Co金属膜；
6)将步骤5)采用剥离浮脱的方法，将光刻胶及其上面的金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了微型电容器结构；
7)将步骤6)中所得样品置于快速退火炉中，在氧气气氛中，以45℃/s的加热速率加热到450℃，并保持恒温3分钟后；再以20℃/s的降温速率从450℃降到室温，得到基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器。
3.根据权利要求1所述的基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，其特征在于，所述基板带有二氧化硅氧化层，单面或双面抛光，N型或P型。
4.根据权利要求2所述的基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，其特征在于，所述自旋涂布过程中所形成的光刻胶厚度为：6.8～7.2μm；具体技术参数为：第一步：5秒，转速为500rpm；第二步：30秒，转速为2500～6000rpm。
5.根据权利要求2所述的基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，其特征在于，所述步骤4)中显影、润洗过程包括：显影，13～40秒；1号去离子水，40秒；2号去离子水，40秒。
6.根据权利要求2所述的基于四氧化三钴纳米结构的微型电容器微制作工艺，其特征在于，所述步骤6)中金属膜除去的方法是在丙酮中浸泡10分钟。
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