CN106206256A - 一种在半导体表面加工金属图案的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在半导体表面加工金属图案的方法，属于半导体加工技术领域。本发明的一种在半导体表面加工金属图案的方法，具体步骤为：步骤a、增加半导体材料表面设定图案区域内的粗糙度；步骤b、制作金属沉积液；步骤c、将步骤a所得半导体材料置入金属沉积液中，半导体材料表面粗糙度改变的区域会进行金属沉积反应；步骤d、从金属沉积液中取出半导体材料进行清洗、烘干。本发明能够在不使用昂贵仪器设备的条件下在半导体表面加工金属图案包括金属合金图案和多层金属图案，能够加工大面积和多种面型的半导体材料，工艺简单，成本低，并且加工出的金属图案分辨率高、厚度均匀、与半导体基底的附着力好。

Description

一种在半导体表面加工金属图案的方法
技术领域
本发明涉及一种在半导体表面加工金属图案的方法，属于半导体加工技术领域。
背景技术
高分辨率、低成本的加工工艺是半导体工业发展的重大需求。一个典型的代表就是将目标图案转移到半导体基底上，金属图案的加工是其中最具挑战的一项。半导体表面的金属图案作为集成电极或电感应/磁感应元件在MEMS器件、光电子器件、磁效应器件中有着广泛的应用，半导体表面的金属图案还能够作为催化剂催化半导体表面的化学反应如金属辅助化学刻蚀来代替等离子刻蚀等传统的方法来在半导体表面加工微结构。另外，金属图案和半导体表面结合形成的金属/半导体肖特基结在太阳能电池等领域也有着重要应用。
目前应用最广泛的半导体表面金属图案的加工工艺流程如下：首先在半导体用光刻胶或其他材料作为牺牲层制作图案，然后通过磁控溅射、热蒸发或化学沉积的方法沉积金属，再去除牺牲层从而得到相应的金属图案。
这种工艺需要用到其他材料作为牺牲层来，不能直接将金属图案化，同时还必需借助昂贵的设备，因而工艺复杂、成本较高。
为了解决以上问题，需要发展一种低成本的在半导体表面加工金属图案的方法，能够直接在半导体表面将金属图案化，使半导体表面金属图案的加工摆脱仪器设备和复杂工艺的限制。然而，还没有查阅到直接在半导体表面将金属图案化的相关信息。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，根据本发明的一个方面，本发明旨在提出一种在半导体表面加工金属图案的方法，本发明能够在不使用昂贵仪器设备的条件下在半导体表面加工金属图案包括金属合金图案和多层金属图案，能够加工大面积和多种面型的半导体材料，工艺简单，成本低，并且加工出的金属图案分辨率高、厚度均匀、与半导体基底的附着力好。
本发明所采取的方案为：一种在半导体表面加工金属图案的方法，具体步骤为：
步骤a、增加半导体材料表面设定图案区域内的粗糙度；
步骤b、制作金属沉积液；
步骤c、将步骤a所得半导体材料置入金属沉积液中，半导体材料表面粗糙度改变的区域会进行金属沉积反应；
步骤d、从金属沉积液中取出半导体材料进行清洗、烘干。
上述一种在半导体表面加工金属图案的方法，所述步骤a包括以下步骤：
步骤a1、制作与设定图案相同的压印模板，所述压印模板基底材料为耐氢氟酸腐蚀的弹性材料；
步骤a2、在压印模板上镀一层0.1-1000nm厚的贵金属层；
步骤a3、将1-50份的氢氟酸与1-50份的氧化剂以及100-1000份的溶剂混合配置氢氟酸和氧化剂的混合溶液，所述氧化剂包括H2O2、HNO3、Fe(NO3)3、KMnO4、KBrO3、K2Cr2O7、O2等常见氧化剂，所述溶剂包括水、乙醇等常用溶剂；
步骤a4、在步骤a3所得氢氟酸和氧化剂的混合溶液中将步骤a2所得压印模板覆盖在半导体材料表面上，半导体材料表面与压印模板上的贵金属层接触的区域会与氢氟酸和氧化剂发生金属辅助化学刻蚀反应，粗糙度增大。
上述一种在半导体表面加工金属图案的方法，所述步骤b包括以下步骤：
步骤b1、称量与所要制作的金属图案中所含金属等物质的量的对应的金属盐，并配置为0.001-1mmol/L的水溶液，得到金属盐溶液；
步骤b2、向金属盐溶液中加入氢氟酸，使氢氟酸的浓度为1％-40％，得到金属沉积液。
上述一种在半导体表面加工金属图案的方法，所述步骤c中金属沉积反应的反应条件为：反应温度为0℃～80℃，反应时间为1-8小时，金属沉积液需要通入氮气或使用其它方法去除溶解氧，半导体材料表面除需制作金属图案的区域之外需要涂覆防氢氟酸腐蚀的材料，反应时避免强光照射。
上述一种在半导体表面加工金属图案的方法，还包括步骤e，对沉积有金属图案的半导体材料进行高温退火处理。
上述一种在半导体表面加工金属图案的方法，所述半导体材料包括Si、Ge、SiC等IV族半导体材料，AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等III-V族半导体材料以及其它在金属催化作用下能与氢氟酸和氧化剂发生反应的半导体材料。
上述一种在半导体表面加工金属图案的方法，所述半导体材料表面的原始粗糙度Ra小于1nm。
本发明所达到的效果为：
第一、通过使用镀有贵金属的压印模板与半导体材料表面在氢氟酸与氧化剂的混合溶液中接触发生金属辅助化学刻蚀的方法改变半导体材料表面的粗糙度，再将处理后的半导体材料置入金属沉积液中，金属会自发地在粗糙度改变的区域沉积，从而形成金属图案。整个工艺流程不需要使用任何仪器且工艺环节少，工艺简单，能够大批量低成本地在半导体表面制作金属图案。
第二、金属沉积液中的金属会完全沉积在半导体材料表面，所需金属盐的物质的量要比传统的磁控溅射或电子束蒸发等方法所需金属的物质的量小1-3个数量级，尤其是制作贵金属图案的时候有着明显的成本优势。
第三、所有的工艺环节均在溶液中进行，对加工环境的洁净度没有要求，进一步降低了加工成本，而且所有的工艺环节均在溶液中进行，不需要借助任何仪器，没有仪器尺寸和加工能力的限制，因此对半导体材料的尺寸和面型没有限制，能够在大面积、任意面型的半导体材料表面加工金属图案。
第四、通过控制金属沉积液中金属盐的种类和比例，能够在半导体材料表面上沉积多种金属如锡、镍、钴、铜、银、金、铂及其合金，或者依次将半导体材料置入含不同金属盐的金属沉积液中，能够在半导体材料表面上沉积多层不同种类的金属。
第五、由于金属只在粗糙度改变的区域沉积，因此沉积出的金属图案分辨率高。
第六、通过化学反应的方法沉积金属，因此沉积出的金属图案与半导体基底的附着力好，并且厚度均匀。
附图说明
图1是本发明在半导体表面加工金属图案的方法的流程图。
图2是本发明步骤a所述增加半导体材料表面设定图案区域内的粗糙度的工艺流程图。
图中：1 压印模板，2 贵金属层，3 混合溶液，4 半导体材料。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施例一：本实施例的一种在半导体表面加工金属图案的方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤a、增加半导体材料表面设定图案区域内的粗糙度；
步骤b、制作金属沉积液；
步骤c、将步骤a所得半导体材料置入金属沉积液中，半导体材料表面粗糙度改变的区域会进行金属沉积反应；
步骤d、从金属沉积液中取出半导体材料进行清洗、烘干。
具体实施例二：本实施例的一种在半导体表面加工金属图案的方法，在具体实施例一的基础上进一步限定步骤a包括以下步骤，如图2所示：
步骤a1、制作与设定图案相同的压印模板1；
步骤a2、在压印模板1上镀一层0.1-1000nm厚的贵金属层2；
步骤a3、将1-50份的氢氟酸与1-50份的氧化剂以及100-1000份的溶剂混合配置氢氟酸和氧化剂的混合溶液3，所述氧化剂包括H2O2、HNO3、Fe(NO3)3、KMnO4、KBrO3、K2Cr2O7、O2等常见氧化剂，所述溶剂包括水、乙醇等常用溶剂；
步骤a4、在混合溶液3中将压印模板1覆盖在半导体材料4表面上，半导体材料4表面与压印模板1上的贵金属层2接触的区域会与氢氟酸和氧化剂发生金属辅助化学刻蚀反应，粗糙度增大。
具体实施例三：本实施例的一种在半导体表面加工金属图案的方法，在具体实施例一的基础上进一步限定步骤a还能通过以下方法实现：对半导体材料表面设定图案区域进行机械扫描刻划；对半导体材料表面设定图案区域进行激光直写；对半导体材料表面设定图案区域进行电子束直写；先制作与设定图案互补的光刻胶或其他材质作为牺牲层，然后进行等离子刻蚀或化学腐蚀，最后去除牺牲层。
具体实施例四：本实施例的一种在半导体表面加工金属图案的方法，在具体实施例一的基础上进一步限定步骤b包括以下步骤：
步骤b1、称量与所要制作的金属图案中所含金属等物质的量的对应的金属盐，并配置为0.001-1mmol/L的水溶液，得到金属盐溶液；
步骤b2、向金属盐溶液中加入氢氟酸，使氢氟酸的浓度为1％-40％,得到金属沉积液。
具体实施例五：本实施例的一种在半导体表面加工金属图案的方法，在具体实施例一的基础上还包括步骤e，对沉积有金属图案的半导体材料进行高温退火处理。
步骤e所解决的技术问题在于，虽然在具体实施例一中已经获得了良好表面形貌及附着力的金属图案，但是无论何种方法在半导体表面沉积的金属层都有一定的空隙和裂纹，这些空隙和裂纹会严重影响金属层的机械性能和表面粗糙度以及导电性能等。对沉积有金属图案的半导体材料进行高温退火处理能够消除这些空隙和裂纹，提高金属层的机械性能和导电性能并降低其表面粗糙度。
以上实施例中，所述步骤c的反应条件为：反应温度为0℃～80℃，反应时间为1-8小时，金属沉积液需要通入氮气或使用其它方法去除溶解氧，半导体材料表面除需制作金属图案的区域之外需要涂覆防氢氟酸腐蚀的材料，反应时避免强光照射；所述半导体材料包括Si、Ge、SiC等IV族半导体材料，AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等III-V族半导体材料以及其它在金属催化作用下能与氢氟酸和氧化剂发生反应的半导体材料；所述半导体材料表面的原始粗糙度Ra应小于1nm。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤a、增加半导体材料表面设定图案区域内的粗糙度；
步骤b、制作金属沉积液；
步骤c、将步骤a所得半导体材料置入金属沉积液中，半导体材料表面粗糙度改变的区域会进行金属沉积反应；
步骤d、从金属沉积液中取出半导体材料进行清洗、烘干。
2.根据权利要求1所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：所述步骤a包括以下步骤：
步骤a1、制作与设定图案相同的压印模板，所述压印模板基底材料为耐氢氟酸腐蚀的弹性材料；
步骤a2、在压印模板上镀一层0.1-1000nm厚的贵金属层；
步骤a3、将1-50份的氢氟酸与1-50份的氧化剂以及100-1000份的溶剂混合配置氢氟酸和氧化剂的混合溶液；
步骤a4、在步骤a3所得氢氟酸和氧化剂的混合溶液中将步骤a2所得压印模板覆盖在半导体材料表面上，半导体材料表面与压印模板上的贵金属层接触的区域会与氢氟酸和氧化剂发生金属辅助化学刻蚀反应，粗糙度增大。
3.根据权利要求1所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：所述步骤b包括以下步骤：
步骤b1、称量与所要制作的金属图案中所含金属等物质的量的对应的金属盐，并配置为0.001-1mmol/L的水溶液，得到金属盐溶液；
步骤b2、向金属盐溶液中加入氢氟酸，使氢氟酸的浓度为1％-40％，得到金属沉积液。
4.根据权利要求1所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：所述步骤c中金属沉积反应的反应条件为：反应温度为0℃～80℃，反应时间为1-8小时，金属沉积液需要通入氮气或使用其它方法去除溶解氧，半导体材料表面除需制作金属图案的区域之外需要涂覆防氢氟酸腐蚀的材料，反应时避免强光照射。
5.根据权利要求1所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：还包括步骤e，对沉积有金属图案的半导体材料进行高温退火处理。
6.根据权利要求1所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：所述半导体材料为IV族半导体材料、III-V族半导体材料以及其它在金属催化作用下能与氢氟酸和氧化剂发生反应的半导体材料。
7.根据权利要求1所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：所述半导体材料表面的原始粗糙度Ra小于1nm。
8.根据权利要求2所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：步骤a3中，所述氧化剂为H2O2、HNO3、Fe(NO3)3、KMnO4、KBrO3、K2Cr2O7或O2，所述溶剂为水或乙醇。
9.根据权利要求6所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：所述IV族半导体材料为Si、Ge或SiC半导体材料。
10.根据权利要求6所述的一种在半导体表面加工金属图案的方法，其特征在于：所述III-V族半导体材料为AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs或InSb半导体材料。
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