CN108682617B - 一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法。主要步骤为：在钛酸锶(STO)基底上生长一层锰酸锶镧(LSMO)薄膜，再生长一层钛酸钡(BTO)薄膜。在上述BTO表面通过光刻得到BTO薄膜图形，再刻蚀掉LSMO层和BTO层，得到BTO‑LSMO柱，用光刻胶光刻后显影，腐蚀液腐蚀掉中间LSMO层，形成四方凳子型BTO‑光刻胶复合结构；取一块目标底片，光刻形成上述BTO薄膜相对应的图形，刻蚀硅片形成硅柱，旋PDMS溶液之后固化，制成PDMS印章；用PDMS印章从BTO‑光刻胶复合结构上撕下并转印到旋涂有苯并环丁烯(BCB)的目标底片上，得到贴在目标底片上的BTO薄膜，完成转移印刷。

Description

一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法
技术领域
本发明属于光电集成器件领域，具体涉及一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法。
背景技术
随着硅基光电集成电路的不断发展，光电器件和传感器对更小的微米尺度发起了挑战。钙钛矿型铁电氧化物因为其优异的综合性能一直是人们研究的热点，薄膜材料的研究也逐渐进入人们的视野。在技术不断飞速发展与创新的现在，我们尝试着将上述的铁电材料制成可转移的薄膜，使用转移印刷技术将其集成在硅基光电器件上，以期得到能实现各种不同的新功能的器件。
钛酸钡(BTO)具有优异的铁电性能、压电性能以及电光性能。体材料的单晶钛酸钡难以与硅基光电子器件集成。这种材料的薄膜也有众多的制备方法，厚度多在百纳米级别左右，但这些方法大多对生长的衬底材料有特殊的要求，很难直接在硅基上得到单晶的钛酸钡薄膜。因此需要一种便于分离转移、简单易行、可靠性高BTO薄膜制备与转移方法。
发明内容
为解决上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种适用于微纳尺寸钛酸钡(BTO)薄膜的转移印刷方法。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用物理气相沉积法(PVD)在一块厚度为300μm～1000μm钛酸锶(STO)基底上生长一层厚度为30nm～200nm的锰酸锶镧(LSMO)薄膜，再在锰酸锶镧(LSMO)薄膜上生长一层厚度为100nm～600nm的钛酸钡BTO薄膜；
(2)在步骤(1)制备的BTO薄膜表面通过光刻得到BTO薄膜图形，用干法刻蚀技术轰击LSMO层和BTO层，得到由图形保护的BTO-LSMO柱，再经过光刻后显影形成带有支撑脚并包裹住BTO薄膜中部位置的光刻胶结构，整个结构记作A1；
(3)将A1放入腐蚀液，经过10h～17h腐蚀，得到由带有支撑脚并包裹住BTO薄膜中部位置的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A2。
(4)在硅片上光刻形成与步骤(3)中制备的A2上表面的图形一致的光刻掩膜，使用干法刻蚀技术刻蚀形成硅柱，在此硅片表面以2500rpm～5000rpm旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液之后固化，制成PDMS印章；
(5)利用步骤(4)制得的PDMS印章将步骤(3)中所述A2从钛酸锶基底表面粘起，得到不带引脚的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A3。
(6)在目标底片表面旋涂二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯(BCB)溶液，150℃烘烤5～15min使其预固化，得到旋涂100nm～1000nm厚度BCB溶液的目标底片结构A4，将A4加热至90～110℃并保持，用PDMS印章将步骤(5)制备的A3转印到A4上，去掉表面残余光刻胶，完成转移印刷。
优选的，步骤(1)中所述物理气相沉积法为脉冲激光沉积或磁控溅射法。
优选的，步骤(2)中所述的干法刻蚀技术为离子束刻蚀。
优选的，步骤(3)所述的腐蚀液通过以下步骤制得：在200mL去离子水中加入4mL质量分数为36％～38％的盐酸溶液和4mg纯度为99.9％以上的碘化钾粉末，将碘化钾粉末完全溶解即得。
优选的，步骤(4)中所述的干法刻蚀技术为电感耦合反应等离子体刻蚀技术(ICP-RIE)，所述硅柱的高度为40μm～80μm。
优选的，步骤(4)所述的PDMS溶液的配比组成为固化剂与PDMS原液质量比为1:5～1:8，所述的固化温度为55℃～70℃，固化时间为1.5h～2h。
优选的，步骤(5)中，将PDMS印章与A2上表面对准，贴合后保持10s～30s之后立即撕下；步骤(6)中，用PDMS印章将A3在A4上印下保持10s～30s之后抬起PDMS印章。
优选的，步骤(6)中，所述的BCB溶液的配比组成为BCB原液与三甲苯体积比为1:0～1:6，所述旋涂速率为300rpm～5000rpm，旋涂厚度为300nm～400nm。
优选的，步骤(6)目标底片为硅，二氧化硅，绝缘衬底上的硅，蓝宝石，碳化硅中的一种。
优选的，步骤(6)转移印刷后钛酸钡薄膜厚度为100nm～600nm，面积为500nm*500nm到2mm*2mm。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用了一种四方凳子结构，BTO薄膜在LSMO之上沉积，之后LSMO中间层被湿法腐蚀掉，这种剥离BTO薄膜的方法可以保证BTO薄膜下表面不会产生机械损伤，下表面形貌会更好。
(2)本发明采用光刻胶包裹并支撑下方被掏空的BTO薄膜，使用转移印刷技术过程中PDMS印章始终与上表面光刻胶接触，其机械强度足够支撑与保护BTO薄膜的上表面，并且转移完成之后使用泛曝加显影去除光刻胶，不会对BTO薄膜产生影响。
(3)本发明可自由设计所需BTO薄膜的厚度，形状，尺寸，这样就克服了传统硅基铁电薄膜集成中需要整片大面积进行刻蚀的弊端，从而大大缩小了图形尺寸，提升了图形精度，减小了刻蚀BTO过程中对硅波导产生的影响。
附图说明
图1是本发明转移印刷方法的工艺流程图。
图2是实施例1中转移印刷成功后贴有BTO薄膜的硅波导底片正面示意图。
图3是实施例1步骤2所得A1结构正面示意图。
图4中(a)是实施例1步骤3所得A2结构俯视示意图，(b)是实施例1步骤3所得A2结构正面示意图。
图5是实施例1步骤5中使用PDMS印章撕下A3结构正面示意图。
图6是实施例1步骤6中将A3印到A4表面后抬起PDMS印章过程示意图。
图7是实施例1转移印刷成功后BTO薄膜贴在一种硅波导底片上的正面实物图。
图8是实施例2转移印刷成功后贴有BTO薄膜的硅片正面实物图。
其中1为STO基底，2为LSMO薄膜，3为BTO薄膜，4为光刻胶，5为硅衬底，6为二氧化硅埋氧层，7为PDMS印章，8为BCB，9为SOI顶层硅，10为硅波导结构。
具体实施例
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图2所示，本实施例1中尺寸大小为110μm*110μm的BTO薄膜3经过转移印刷之后贴在被BCB覆盖的硅波导表面。
一种适用于微纳尺寸钛酸钡(BTO)薄膜的转移印刷方法，包括如下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积的方法在厚度为500μm STO基底上生长厚度为200nm LSMO薄膜，再生长一层厚度为600nm的BTO薄膜，
(2)在上述BTO薄膜3表面采用传统电子束光刻或深紫外光刻方法光刻得到110μm*110μm BTO薄膜的图形，用氩离子刻蚀轰击LSMO薄膜层和BTO薄膜层，得到BTO-LSMO柱，再经过第二次光刻后显影后形成结构，整个结构记作A1，其结构正面示意图如图3，其中1为STO基底，2为LSMO薄膜，3为BTO薄膜；
(3)在200mL去离子水中加入4mg纯度为99.99％的碘化钾晶体和4mL质量分数为36％的盐酸溶液配制成腐蚀液，将A1腐蚀液经过14h腐蚀掉中间LSMO层，得到结构记作A2，其结构如图4(a)和4(b)所示，其中1为STO基底，3为BTO薄膜，4为光刻胶；
(4)在厚度为500μm，大小为1.5cm*1.5cm的硅片上旋涂以3000rpm旋涂P4620光刻胶，曝光显影，得到与A2表面图形形状相同的光刻胶掩膜，ICP刻蚀硅片形成高度50μm，尺寸为120μm*120μm的硅柱，制成PDMS印章模具，在PDMS印章模具表面以3000rpm旋涂PDMS原液与固化剂质量比为6:1的PDMS溶液之后固化1.5h，制成PDMS印章7。
(5)使用倒装焊接机，将PDMS印章7与A2上表面对准并贴紧，保持15s后立即抬起机械臂，利用PDMS印章7表面的粘合力，将A2的支撑脚扯断，得到A3，图5是PDMS印章上的A3结构正面示意图，其中1为STO基底，3为BTO薄膜，4为光刻胶，7为PDMS印章。
(6)使用一块1.5cm*1.5cm的顶层硅厚度220nm、二氧化硅埋氧层厚度2μm、硅衬底厚度500μm的SOI片，通过光刻与ICP刻蚀方法制作硅波导结构；在硅波导表面以4000rpm旋涂配比组成为BCB原液与三甲苯体积比为1:1的BCB溶液，150℃烘烤5min使BCB溶液半固化，BCB厚度在340nm左右，得到的结构称为A4，加热至90℃并保持，将A3对准A4上光耦合回路的位置，放下机械臂使两个表面紧密贴合，保持15s后抬起机械臂，A3表面光刻胶脱离PDMS印章，下表面紧贴在A4表面，图6是将A3印到A4表面后抬起PDMS印章过程示意图，其中，3为BTO薄膜，4为光刻胶，5为硅衬底，6为二氧化硅埋氧层，7为PDMS印章，8为BCB，9为SOI顶层硅，10为硅波导结构。对上述贴上BTO薄膜3的硅波导基片进行泛曝20秒，然后放到显影液中4min之后烘干，使用等离子清洗机清洗基片10min以保证完全去除光刻胶，完成BTO薄膜的转移印刷。
我们在完成转移印刷之后对硅波导基片上的BCB进行了完全固化处理，使BTO薄膜与A4结合更加紧密，然后使用电子束光刻技术在这块110μm*110μm的BTO薄膜上制作了微环谐振腔，刻蚀BTO脊波导的深度为450nm，图7展示了这一结构的图片。
实施例2
如图8所示，本实施例2中将一块尺寸大小为50μm*1000μm的长条形的BTO薄膜3经过转移印刷之后贴在被BCB覆盖的硅片表面。
本发明的一种适用于微纳尺寸钛酸钡(BTO)薄膜的转移印刷方法包括(1)(2)(3)(4)(5)(6)六个步骤，其中(1)(3)(5)步骤与具体实施例1中相同。第(2)(4)(6)步骤与具体实施例1不同。
在步骤(2)中，在上述BTO薄膜3表面采用传统电子束光刻或深紫外光刻方法光刻得到50μm*1000μm BTO薄膜的图形，用氩离子刻蚀轰击LSMO层和BTO层，得到BTO-LSMO柱，再经过第二次光刻后显影后形成结构A1；
在步骤(4)中，在厚度为500μm，大小为1.5cm*1.5cm的硅片上旋涂光刻胶，曝光显影，得到与A2表面图形形状相同，尺寸稍大一些的光刻胶掩膜，ICP刻蚀硅片形成高度50μm，尺寸为50μm*1000μm的硅柱，制成PDMS印章模具，在PDMS印章模具表面以3000rpm旋涂PDMS原液与固化剂质量比为6:1的PDMS溶液之后固化1.5h，制成PDMS印章。
在步骤(6)中，在一块1.5cm*1.5cm的纯硅片表面以4000rpm旋涂配比组成为BCB原液与三甲苯体积比为1:1的BCB溶液，150℃烘烤5min使BCB溶液半固化，BCB厚度在340nm左右，得到的结构A4，加热至90度并保持，将A3对准A4中心区域，放下机械臂使两个表面紧密贴合，保持15s后抬起机械臂，A3表面光刻胶脱离PDMS印章，下表面紧贴在A4表面。对上述贴上BTO薄膜的硅片进行泛曝20秒，然后放到显影液中4min之后洗净烘干，使用等离子清洗机清洗基片10min以保证完全去除光刻胶，完成BTO薄膜的转移印刷。
在经历了以上6步之后使长条形BTO薄膜通过转移印刷方法转印到被BCB覆盖的硅片表面。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用物理气相沉积法在一块厚度为300μm～1000μm钛酸锶基底上生长一层厚度为30nm～200nm的锰酸锶镧薄膜，再在锰酸锶镧薄膜上生长一层的厚度100nm～600nm的钛酸钡薄膜；
(2)在步骤(1)制备的钛酸钡薄膜表面通过光刻得到钛酸钡薄膜图形，用干法刻蚀技术轰击锰酸锶镧薄膜层和钛酸钡薄膜层，得到由图形保护的BTO-LSMO柱，再经过光刻后显影形成带有支撑脚并包裹住钛酸钡薄膜中部位置的光刻胶结构，整个结构记作A1；
(3)将A1放入腐蚀液，经过10h～17h腐蚀，得到由带有支撑脚并包裹住钛酸钡薄膜中部位置的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A2；
(4)在硅片上光刻形成与步骤(3)中制备的A2上表面的图形一致的光刻掩膜，使用干法刻蚀技术刻蚀形成硅柱，在此硅片表面以2500rpm～5000rpm旋涂聚二甲基硅氧烷溶液之后固化，制成PDMS印章；
(5)利用步骤(4)制得的PDMS印章将步骤(3)中所述A2从钛酸锶基底表面粘起，得到不带引脚的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A3；
(6)在目标底片表面旋涂二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯溶液，150℃烘烤5～15min使其预固化，得到旋涂100nm～1000nm厚度二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯溶液的目标底片结构A4，将A4加热至90～110℃并保持，用PDMS印章将步骤(5)制备的A3转印到A4上，去掉表面残余光刻胶，完成转移印刷。
2.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(1)中所述物理气相沉积法为脉冲激光沉积或磁控溅射法。
3.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(2)中所述的干法刻蚀技术为离子束刻蚀。
4.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(3)所述的腐蚀液通过以下步骤制得：在200mL去离子水中加入4mL质量分数为36％～38％的盐酸溶液和4mg纯度为99.9％以上的碘化钾粉末，将碘化钾粉末完全溶解即得。
5.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(4)中所述的干法刻蚀技术为电感耦合反应等离子体刻蚀技术，所述硅柱的高度为40μm～80μm。
6.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(4)所述的聚二甲基硅氧烷溶液的配比组成为固化剂与PDMS原液质量比为1:5～1:8，所述的固化温度为55℃～70℃，固化时间为1.5h～2h。
7.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(5)中，将PDMS印章与A2上表面对准，贴合后保持10s～30s之后立即撕下；步骤(6)中，用PDMS印章将A3在A4上印下，保持10s～30s之后抬起PDMS印章。
8.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(6)中，所述的二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯溶液的配比组成为BCB原液与三甲苯体积比为1:0～1:6，所述旋涂速率为300rpm～5000rpm，旋涂厚度为300nm～400nm。
9.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(6)目标底片为硅，二氧化硅，绝缘衬底上的硅，蓝宝石，碳化硅中的一种。
10.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(6)转移印刷后钛酸钡薄膜厚度为100nm～600nm，面积为500nm*500nm到2mm*2mm。
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