CN107910438B - 一种高频段声表面波器件电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高频段声表面波器件电极的制备方法,步骤包括:S1.在压电功能材料的衬底基片上使用负胶对待制备电极中叉指电极的轮廓进行曝光;S2.曝光显影后金属沉积,得到带有叉指电极轮廓图形的金属涂层;S3.将轮廓图形外的冗余金属层进行机械剥离,得到最终的对应叉指电极的密集图形;S4.使用正胶对待制备电极中汇流条和焊盘进行曝光、金属沉积;S5.对沉积后金属层使用溶脱工艺剥离冗余金属层,得到对应汇流条和焊盘的电极图形,完成电极的制备。本发明能够制备得到兼具高分辨密集图形和大尺寸图形的纳米SAW器件电极,且具有实现操作简单、成本低、制备效率及良率高、SAW电极质量高及通用性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及纳米电子元器件微纳加工技术领域,尤其涉及一种高频段声表面波器件电极的制备方法。
背景技术
SAW(Surface Acoustic Wave, 声表面波)技术被广泛应用于前沿科学研究和工业设备中,如信号处理、传感、微波通信、无损探伤等,由于具有对介质材料同步的机械电磁调制特性,SAW在量子研究领域扮演着重要角色。随着信息量的激增,提高SAW器件工作频率成为了研究热点,为提高SAW器件工作频率,一个重要的技术途径就是提高器件叉指电极的分辨率,目前业界制备高分辨微纳图形结构则主要是使用平面印刷技术,制程设备包括掩膜曝光、激光直写、极紫外光刻、纳米压印、离子束刻蚀等,但基于上述设备制备的微纳图形大多在数百纳米尺度,远不能达到十纳米的分辨率要求,因而无法满足高频段(10GHz以上)的分辨率要求。
EBL(E-Beam Lithography, 电子束光刻)是目前平面印刷技术中分辨率最高的微纳图形加工设备,但是应用于制备SAW器件电极时存在以下问题:
(1)EBL是基于电子束曝光,为避免后续电子被滞留在曝光区电子改变入射轨迹而降低分辨率,要求被曝光衬底是良导体,而SAW器件衬底一般为非导体;
(2)EBL的单一线条的分辨率可达10nm以下,但是SAW器件中叉指电极是密集分布的金属线阵列,即为高分辨、高密度图形,而传统EBL曝光是通过逐点扫描完成,对高分辨密集图形采用逐点扫描方式时,曝光剂量非常大,且会造成严重的临近效应,从而限制分辨率,因而采用EBL技术制备的SAW器件电极通常难以达到制备指标;
(3)为减小曝光面积提高效率,通常使用正胶工艺进行曝光,但此种胶的硬度不高,尤其在制备高分辨结构时容易受毛细作用影响而倒塌,导致制备失败降低良率;
(4)SAW电极还包括汇流条和焊盘,该类结构相对叉指电极尺寸要大得多,往往有数百微米,因而制备该大尺寸电极图形时会极大耗费EBL运行机时,成本高而经济效益低,产出投入比通常极低。
由于存在上述问题,目前采用EBL技术来制备单线条电极时极限分辨率虽然可达到10nm以下,但是针对叉指阵列结构的SAW器件最高分辨率无法实现小于100nm,同时曝光过程占用机时长,因此如何在非导体材料上高效制备跨尺寸高分辨的SAW电极是亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种能够制备得到兼具高分辨密集图形和大尺寸图形的纳米SAW器件电极,且实现操作简单、成本低、制备效率及良率高、SAW电极质量高及通用性好的高频段声表面波器件电极的制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种高频段声表面波器件电极的制备方法,步骤包括:
S1. 在压电功能材料的衬底基片上,使用负胶对待制备电极中叉指电极的轮廓进行曝光;
S2. 曝光显影后金属沉积,得到带有叉指电极轮廓图形的金属涂层;
S3. 将所述轮廓图形外的冗余金属层进行机械剥离,得到最终的对应叉指电极的密集图形;
S4. 使用正胶对待制备电极中包括汇流条和焊盘的指定较大面积区域进行曝光、金属沉积;
S5. 对沉积后金属层使用溶脱工艺剥离冗余金属层,得到对应汇流条和焊盘的电极图形,完成电极制备。
作为本发明的进一步改进:所述步骤S1中具体使用HSQ胶对叉指电极的轮廓进行曝光。
作为本发明的进一步改进:所述使用HSQ胶对叉指电极的轮廓进行曝光时,具体曝光区域内每个像素点采用零线宽进行曝光,曝光显影后形成指定宽度的固态二氧化硅边缘。
作为本发明的进一步改进:所述步骤S1中衬底基片为具有压电性能的功能材料基片;所述功能材料基片具体采用单晶或陶瓷块材、或所述功能材料基片采用压电薄膜与非压电衬底基片组成的复合膜层结构。
作为本发明的进一步改进:所述步骤S2中沉积的金属为单层金属膜。
作为本发明的进一步改进:所述步骤S3中具体使用弹性胶将轮廓外冗余金属层进行机械剥离。
作为本发明的进一步改进:所述使用弹性胶将所述轮廓图形外的冗余金属层进行剥离的具体步骤为:使用旋涂的方式将弹性胶均匀涂敷于衬底基片上,感光固化后,在衬底基片边沿胶与衬底基片分界处开口,再将胶体剥离以将轮廓外冗余金属层剥离。
作为本发明的进一步改进:所述步骤S4中具体使用PMMA胶对汇流条和焊盘进行曝光,显影后利用电子束蒸发将金属沉积到表面。
作为本发明的进一步改进:所述步骤S4中金属沉积时具体沉积带粘附层的双层金属膜结构。
作为本发明的进一步改进:所述步骤S5中使用溶脱工艺时,还包括使用反溶脱工艺步骤,即利用高分辨区域的密闭轮廓屏蔽溶脱过程中气泡对单金属膜层的影响,以防止负胶轮廓包围的金属层从衬底基片剥离。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1)本发明针对SAW器件电极衬底基片不导电、电极存在高分辨高密度尺寸跨度大等特点,在电子束光刻技术的基础上,考虑器件不同区域电极分辨率、尺寸的特点,使用两次甩胶曝光实现SAW电极制备,且两次甩胶依次是负胶和正胶两种不同的光刻胶,以利用不同的光刻胶进行分步曝光处理,从而结合两种光刻胶来制备器件电极的不同区域,由负胶制备高分辨密集图形,使用正胶对大尺寸大面积电极区域的曝光,充分利用了不同光刻胶间的性能特点,能够高效、高良率的制备出兼具高分辨密集图形和大尺寸图形的纳米电子器件电极。
2)本发明制备高分辨密集图形时,采用负胶并只针对图形轮廓进行曝光,不仅能够有效提高曝光效率,且能够有效减小电子入射剂量,极大程度上降低了临近效应对分辨率和成品率的影响,从而可实现更高的分辨率、提高良率,且负胶轮廓结构还能够保证其中的金属结构在后续工艺中脱离基片表面,并提升器件温度稳定性,同时相比于正胶,本实施例使用负胶曝光后硬度较高不易倒塌,可进一步提高成品良率。
3)本发明进一步使用HSQ胶对叉指电极的轮廓进行曝光,HSQ胶分辨率高且硬度强,曝光后硬度较高、不易倒塌,通过使用HSQ胶可以进一步提高SAW器件电极制备的分辨率及成品良率。
4)本发明进一步制备密集图形时使用弹性胶将轮廓外冗余金属层进行剥离,基于弹性膜使用机械撕拉方法即可剥离冗余金属层,避免了高分辨密集图形溶脱时间长成品率低的问题,从而进一步提高制备成品良率。
附图说明
图1是本实施例高频段声表面波器件电极的制备方法的实现流程示意图。
图2是本发明具体实施例中制备得到的高分辨密集图形版图示意图。
图3是本发明具体实施例中制备得到的高频SAW器件电极示意图。
图例说明:1、曝光区域;2、压电功能材料;3、金属层;4、曝光后的HSQ。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1、2、3所示,本实施例高频段声表面波器件电极的制备方法,步骤包括:
S1. 在压电功能材料2的衬底基片上,使用负胶对待制备电极中叉指电极的轮廓进行曝光;
S2. 曝光显影后金属沉积,得到带有叉指电极轮廓图形的金属涂层;
S3. 将轮廓图形外的冗余金属层用机械方法进行机械剥离,得到最终的对应叉指电极的密集图形;
S4. 使用正胶对待制备电极中包括汇流条和焊盘的指定较大面积区域进行曝光、金属沉积;
S5. 对沉积后金属层使用溶脱工艺剥离冗余金属层,得到对应汇流条和焊盘的电极图形,完成电极制备。
本实施例针对SAW器件电极衬底基片不导电、电极存在高分辨高密度尺寸跨度大等特点,在电子束光刻技术的基础上,考虑器件不同区域电极分辨率、尺寸的特点,使用两次甩胶曝光实现SAW电极制备,且两次甩胶依次是负胶和正胶两种不同的光刻胶,以利用不同的光刻胶进行分步曝光处理,从而结合两种光刻胶来制备器件电极的不同区域,由负胶制备高分辨密集图形,使用正胶对大尺寸大面积电极区域的曝光,充分利用了不同光刻胶间的性能特点,能够高效、高良率的制备出兼具高分辨密集图形和大尺寸图形的纳米电子器件电极。
与传统的使用正胶逐点扫描曝光方式不同的,本实施例制备叉指电极的高分辨密集图形时,采用负胶并只针对图形轮廓进行曝光,不仅能够有效提高曝光效率,且能够有效减小电子入射剂量,极大程度上降低了临近效应对分辨率和成品率的影响,从而可实现更高的分辨率、提高良率,且负胶轮廓结构还能够保证其中的金属结构在后续工艺中脱离基片表面,并提升器件温度稳定性,同时相比于正胶,本实施例使用负胶曝光后硬度较高不易倒塌,可进一步提高成品良率。
本实施例所需制备的SAW器件电极包括纳米尺度叉指电极、微米尺度汇流条和焊盘,叉指电极、汇流条和焊盘均集成于压电功能材料上。本实施例中,步骤S1中衬底基片为具有压电性能的功能材料基片,即为非导电压电衬底;功能材料基片具体可采用具有压电性能的单晶或陶瓷块材,也可以采用功能材料基片采用压电薄膜与非压电衬底基片组成的复合膜层结构,即基于“压电薄膜+非压电衬底基片”的复合膜层结构,当然还可以采用具有压电性能的其他结构基片。
本实施例中,步骤S1中具体使用氢硅倍半环氧乙烷HSQ胶对叉指电极的轮廓进行曝光,HSQ胶分辨率高且硬度强,曝光后硬度较高、不易倒塌,通过使用HSQ胶可以进一步提高SAW器件电极制备的分辨率及成品良率。
本实施例中,使用HSQ胶对叉指电极的轮廓进行曝光时,具体曝光区域内每个像素点采用零线宽进行曝光,曝光显影后形成指定宽度(具体可为15nm宽度)的固态二氧化硅边缘。
本实施例中,步骤S2中具体利用电子束蒸发将金属沉积到表面,且沉积的是单层的金属膜结构,即经过上述HSQ曝光显影后进行金属沉积,沉积的是单一的金属膜。相比于传统的带金属粘附层的双层金属膜,本实施例针对叉指电极仅使用单层金属而非带有粘附层的双层金属,能够有效提升器件的电学特性。
本实施例中,步骤S3中具体使用弹性胶将轮廓外冗余金属层进行机械剥离,通过上述电子束蒸发和剥离后即将密集电极图形转移到功能材料基片表面。弹性胶具体可以采用光敏固化胶,当然还可以采用其他类型弹性胶。基于弹性膜使用机械撕拉方法即可剥离冗余金属层,避免了高分辨密集图形溶脱时间长成品率低的问题。
本实施例中,使用弹性胶将轮廓外的冗余金属层进行剥离的具体步骤为:使用旋涂的方式将弹性胶均匀涂敷于衬底基片上,感光固化后,在衬底基片边沿胶与衬底基片分界处开口,将胶体剥离,由于金属膜与胶体粘附性更好,因此在剥离胶体的同时,胶体会将HSQ密闭轮廓外的冗余金属剥离,从而实现将轮廓外冗余金属层剥离。
本实施例中,步骤S4中具体使用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA胶对汇流条和焊盘进行曝光,以使用正胶PMMA光敏性制备大尺寸电极图形,显影后利用电子束蒸发将金属沉积到表面,从而将大尺寸电极图形转移到功能材料基片表面。
为降低非导电衬底对入射电子的集聚效应,本实施例先后涂敷HSQ胶和PMMA胶时,每次旋涂光刻胶后,均在表面沉积一层厚约10nm的金属铬作为导电介质,用于入射电子快速转移,且基于金属膜涂敷能够缓解由于介质材料不导电而产生的电子集聚问题。
本实施例中,步骤S4中金属沉积时具体沉积带粘附层的双层金属膜结构,即PMMA显影后的金属沉积,沉积的是带粘附层的双层金属膜结构。
本实施例中,步骤S5中使用溶脱工艺时,还包括使用反溶脱工艺步骤,即利用高分辨区域的密闭轮廓屏蔽溶脱过程中气泡对单金属膜层的影响,以防止负胶轮廓包围的金属层从衬底基片剥离。PMMA溶脱(Lift-off)时高分辨图形由于HSQ密闭结构的保护,因此在溶脱过程中即使是在没有金属粘附层的情况下也不会脱落,与传统的溶脱工艺不同的,本实施例由于基片表面存在由负胶轮廓包围的金属层,利用反溶脱技术防止该金属层从基片表面剥离,以保护之前制备的高分辨金属图形不被剥离。
如图2、3所示,本发明具体实施例中首先获得压电功能材料2的基片,接着先制备高分辨密集图形,使用负胶HSQ对曝光区域1进行曝光,曝光显影后通过电子束蒸发将金属沉积到表面,得到金属层3以及曝光后HSQ 4,用弹性胶将冗余金属层机械剥离,制备得到高分辨密集图形;再利用正胶PMMA曝光、金属沉积,利用溶脱技术完成大尺寸电极图形制备,同时利用反溶脱保护之前制备的高分辨金属图形不被剥离。
本发明上述方法也可以适应于具有上述声表面波器件电极特征的其他器件电极的制备中。
上述只是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于,步骤包括:
S1. 在压电功能材料(2)的衬底基片上,使用负胶对待制备电极中叉指电极的轮廓进行曝光;
S2. 曝光显影后金属沉积,得到带有叉指电极轮廓图形的金属涂层;
S3. 将所述轮廓图形外的冗余金属层进行机械剥离,得到最终的对应叉指电极的密集图形;
S4. 使用正胶对待制备电极中汇流条和焊盘进行曝光、金属沉积;
S5. 对沉积后金属层使用溶脱工艺剥离冗余金属层,得到对应汇流条和焊盘的电极图形,完成电极制备。
2.根据权利要求1所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述步骤S1中具体使用HSQ胶对叉指电极的轮廓进行曝光。
3.根据权利要求2所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述使用HSQ胶对叉指电极的轮廓进行曝光时,具体曝光区域内每个像素点采用零线宽进行曝光,曝光显影后形成指定宽度的固态二氧化硅边缘。
4.根据权利要求1或2或3所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述步骤S1中衬底基片为具有压电性能的功能材料基片;所述功能材料基片具体采用单晶或陶瓷块材、或所述功能材料基片采用压电薄膜与非压电衬底基片组成的复合膜层结构。
5.根据权利要求1或2或3所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述步骤S2中具体沉积的是单层的金属膜结构。
6.根据权利要求1或2或3所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述步骤S3中具体使用弹性胶将轮廓外冗余金属层进行机械剥离。
7.根据权利要求6所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述使用弹性胶将所述轮廓图形外的冗余金属层进行机械剥离的具体步骤为:使用旋涂的方式将弹性胶均匀涂敷于衬底基片上,感光固化后,在衬底基片边沿胶与衬底基片分界处开口,再将胶体剥离以将轮廓外冗余金属层剥离。
8.根据权利要求1或2或3所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述步骤S4中具体使用PMMA胶对所述汇流条和焊盘进行曝光,显影后利用电子束蒸发将金属沉积到表面。
9.根据权利要求8所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于:所述步骤S4中金属沉积时具体沉积带粘附层的双层金属膜结构。
10.根据权利要求1或2或3所述的高频段声表面波器件电极的制备方法,其特征在于,所述步骤S5中使用溶脱工艺时,还包括使用反溶脱步骤,防止负胶轮廓包围的金属层从衬底基片剥离。
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