CN109626321A - 透射电镜和压电力显微镜通用的氮化硅薄膜窗口制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射电镜(TEM)和压电力显微镜(PFM)通用的氮化硅薄膜窗口制备方法，作为一种基于氮化硅薄膜窗口的样品载网，对于TEM和PFM通用。该载网采用薄膜制备、光学曝光、剥离、干法刻蚀、湿法腐蚀等半导体加工工艺制程，制作出包含电极材料的氮化硅薄膜窗口。可将需要进行PFM测试的样品通过聚焦离子束(FIB)技术转移至该窗口的电极材料上方进行测试。该氮化硅薄膜窗口同时符合TEM对样品的要求，可放置于商业化的TEM样品杆前端进行表征。同时，电极包含通过曝光制备的定位数字，方便在进行TEM表征时定位测试材料。从而可以将PFM和TEM结果一一对应，得到电畴结构和微区原子结构的一一对应，为材料结构研究提供极大的便利，具有产业利用价值。

Description

透射电镜和压电力显微镜通用的氮化硅薄膜窗口制备方法

技术领域

本发明属于半导体加工领域，涉及一种透射电镜和压电力显微镜通用的氮化硅薄膜窗口制备方法。

背景技术

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）用电子束作为光源，用电磁场作为透镜，通过电子与样品的相互作用来获得材料的结构信息，分辨率可达亚埃量级，是物理学、材料学、生物学、化学、医学等许多相关学科的重要分析方法。TEM要利用透过样品的电子束来获得材料结构等相关信息，因此对材料厚度要求较高，一般应在100纳米以下。压电力显微镜（Piezo response Force Microscope, PFM）是在原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）的基础上，利用导电探针，以接触模式对待测材料进行扫描，同时施加交流电压，用以表征材料电致形变量的显微镜。许多材料都可以用PFM 进行表征，其中最典型的便是铁电材料。利用PFM可以进行铁电材料的电畴结构、电畴反转行为、微区电滞回线等物理性能的测试表征，是研究铁电材料的重要手段之一。用于PFM研究的材料利用导电探针作为一个电极，同时需含有导电下电极，才能形成测试回路，施加交流电压进行表征。因此，用于PFM测试的样品需要进一步的进行加工制备，才可以用于TEM进行结构表征，无法将PFM测试的电畴结构和TEM表征结果一一对应。同时，制样过程也会不可避免的引入污染和损伤，有可能改变样品的极化情况，给表征结果造成假象。

发明内容

本发明的目的是针对现有TEM和PFM样品载网的不通用而提出的一种TEM和PFM可以通用的氮化硅薄膜窗口的制备方法，该方法解决了以往用于PFM测试的电畴结构无法和TEM表征的原子结构一一对应的问题，通过设计一种可以在TEM中使用的氮化硅薄膜窗口，该窗口包含电极结构，同时可用于PFM测试，将TEM和PFM结果一一对应，即可得到电畴结构和微区原子结构的一一对应，为材料结构研究提供了极大的便利。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种透射电镜和压电力显微镜通用的氮化硅薄膜窗口制备方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：选用双抛硅片作为衬底，硅片厚度在100-300um，并将衬底清洗处理干净；

步骤2：利用低压化学气相沉积(LPCVD)设备，在步骤1所得干净的衬底两面均沉积20-100nm厚的SiN薄膜；

步骤3：在步骤2所得沉积过SiN薄膜的衬底的其中一面通过紫外曝光的方法开孔，并腐蚀掉孔中的Si，形成只有一层SiN薄膜的窗口；定义：有完整SiN薄膜的一面为正面，另一面为反面；

步骤4：利用磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积或原子层沉积薄膜制备设备，在步骤3所得衬底的正面沉积10-100 nm厚的金属薄膜，金属为Au、Pt、W、Al或Cu；

步骤5：将步骤4所得衬底上的金属薄膜图形化；

步骤6：利用硅片切割机，将步骤5所得衬底切割成正方形，其中SiN窗格居中，切割出的正方形硅片衬底的边长在1.98-2.12mm，使得该正方形对角线在2.8-3.0mm，满足TEM样品对尺寸的要求，放置于TEM样品杆前端；

步骤7：将待测试表征的样品放置于步骤6所得的SiN薄膜窗口衬底上，即可进行PFM和TEM测试表征；其中：

步骤3所述窗口的形成，具体包括：

A1：在沉积过SiN薄膜的衬底的其中一面旋涂光刻胶；

A2：光刻胶前烘；

A3：紫外曝光方形的图形，图形的边长在150-1500 μm，图形间距至少2mm；

A4：显影，并于显影后立即用去离子水冲洗；

A5：烘烤坚膜；

A6：干法刻蚀掉曝光图形中间的SiN薄膜；

A7：去胶；

A8：置于30%的KOH溶液中腐蚀没有SiN薄膜保护的硅片，腐蚀厚度为硅片厚度，形成只有一层SiN薄膜的窗口；

A9：去离子水清洗。

步骤5所述金属薄膜图形化，具体包括：

B1：在金属薄膜的上方旋涂光刻胶；

B2：光刻胶前烘；

B3：采用双面套刻，在SiN窗口上方，通过紫外曝光出1-9个方形的图形和编号，图形的边长在1-10μm；

B4：显影，并于显影后立即用去离子水冲洗；

B5：烘烤坚膜；

B6：干法刻蚀掉曝光图形中间的金属薄膜；

B7：去胶。

步骤7所述进行PFM和TEM测试表征，具体如下：

C1：利用磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积或原子层沉积薄膜制备设备，在待测试表征的样品材料表面沉积10-100 nm厚的金属薄膜，金属为Au、Pt、W、Al或Cu；

C2：利用FIB设备，将沉积了金属薄膜的样品材料以薄片的形式提取出来，提取出的薄片长度为5-10μm ，厚度为10-100 nm；

C3：将该薄片放置在步骤6所得的SiN薄膜窗口上方，使得样品材料表面沉积的金属与步骤4沉积金属相接触，作为待测样品材料的一个电极，在进行PFM测试时，探针则作为待测样品材料的另一个电极。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种可以在TEM中使用的氮化硅薄膜窗口，该窗口包含电极结构，同时可用于PFM测试，将TEM和PFM结果一一对应，即可得到电畴结构和微区原子结构的一一对应，为材料结构研究提供了极大的便利，具有高度的产业利用价值。

附图说明

图1为本发明经过步骤2沉积完SiN薄膜的衬底截面示意图；

图2为本发明在进行步骤3的过程中使用到的衬底背面曝光图形示意图；

图3为本发明经过步骤3完成衬底开孔后的衬底截面示意图；

图4为本发明在进行步骤4的过程中使用到的衬底正面曝光图形示意图；

图5为本发明经过步骤6完成切割后得到的SiN薄膜窗口的平面和截面示意图；

图6为本发明经过步骤7放置样品后得到的SiN薄膜窗口的平面和截面示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，进一步阐述本发明的实质特点及进步，所给出的实施例只限于解释本发明，但本发明并非仅限于所述的实施例。

实施例

一种透射电子显微镜和压电力显微镜通用的氮化硅薄膜窗口制备方法，具体步骤如下：

首先实施步骤1），提供一直经2英寸、厚200μm 的双面抛光硅片衬底，并将所述硅片衬底做清洗处理。在本实施例中，将所述硅片衬底做清洗处理的过程包括：

步骤1-1)，将所述硅片衬底置于由氨水、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5 配比混合溶液中煮沸5 min，经冷却后用去离子水冲洗3 min，再用氮气吹干，去除所述硅片衬底表面的油污和大颗粒；

步骤1-2），将所述硅片衬底置于由盐酸、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5 配比混合溶液中煮沸5 min，经冷却后用去离子水冲洗3 min，之后用氮气吹干，去除所述硅片衬底表面的金属离子；

步骤1-3)，将所述硅片衬底置于120℃的烘箱内烘烤30 min，以便再次去除表面水分。

接着实施步骤2），采用低压化学气相沉积设备在清洗干净的双抛硅片两面均沉积80nm厚的SiN薄膜，沉积完SiN薄膜的衬底截面示意图如图1所示。

接着实施步骤3），在本实施例中，在步骤2）所得沉积过SiN薄膜的衬底的其中一面通过紫外曝光的方法开孔，并腐蚀掉孔中的Si，形成只有一层SiN薄膜的窗口（此处定义有完整SiN薄膜的一面为正面，另一面为反面），过程包括：

步骤3-1），在沉积过SiN薄膜的衬底其中一面旋涂型号为LC100A的光刻胶，转速3000转/min，旋涂时间30s，胶厚1.4μm ；

步骤3-2），涂胶后将衬底置于热板上进行光刻胶前烘，温度100℃，时间90s；

步骤3-3），采用光刻版A，用MA6光刻机紫外曝光图形（如图2所示），套准精度2μm ，曝光时间4s，曝光图形为方形，边长400μm ，间距3mm；

步骤3-4），采用DP01显影液显影，显影时间45s，显影后立即用去离子水冲洗；

步骤3-5），将衬底至于135℃烘箱中坚膜，时间30min；

步骤3-6），采用刻蚀机干法刻蚀SiN薄膜，刻蚀深度为80nm；

步骤3-7），将衬底放置于硫酸溶液中清洗去胶，溶液温度为120℃，清洗时间20min，清洗后表面光洁；

步骤3-8），将衬底放置于30%的KOH溶液中腐蚀没有SiN薄膜保护的Si衬底，腐蚀厚度为200μm，溶液温度为50℃，腐蚀时间为18h20min；

步骤3-9），去离子水清洗10min，此时形成的SiN薄膜窗口的截面示意图如图3所示。

接着实施步骤4），在衬底正面利用直流PVD工艺，沉积厚度为50nm的Au层金属薄膜。

接着实施步骤5），在本实施例中，将步骤4）所得金属薄膜图形化，过程包括：

步骤5-1），在金属薄膜的上方旋涂型号为LC100A的光刻胶，转速3000转/min，旋涂时间30s，胶厚1.4μm；

步骤5-2），涂胶后将衬底置于热板上进行光刻胶前烘，温度100℃，时间90s；

步骤5-3），采用光刻版B，用MA6双面套刻光刻机在正面紫外曝光图形（如图4所示），套准精度2μm，曝光时间4s，曝光图形为边长6um*10um的长方形，此实施例中每个SiN窗口上方有四处长方形，带有数字编号；

步骤5-4），采用DP01显影液，显影时间45s，显影后立即用去离子水进行冲洗；

步骤5-5），将衬底至于135℃烘箱中坚膜，时间30min；

步骤5-6），采用刻蚀机干法刻蚀Au金属薄膜，刻蚀深度为50nm；

步骤5-7），微波去胶，时间1min。

接着实施步骤6），利用硅片切割机，将步骤5）所得衬底切割成正方形，其中SiN窗格居中，切割出的正方形硅片衬底的边长为2mm，此时形成的SiN薄膜窗口的平面和截面示意图如图5所示。

接着实施步骤7），以在SrTiO₃(STO)单晶衬底上由激光分子束外延技术生长的厚度10nm的BaTiO₃ (BTO)为例，利用步骤6）所得衬底，制备PFM和TEM通用的测试样品，过程包括：

步骤7-1），在BTO样品的上方利用直流PVD工艺，沉积厚度为50nm的Au层金属薄膜；

步骤7-2），利用FIB技术，将步骤7-1）所得样品材料的截面以薄片的形式提取出来，得到薄片尺寸长8 um，高1um，厚度100 nm；

步骤7-3），将该薄片放置在步骤6）所得的SiN薄膜窗口上的电极方框中间，使得样品材料表面沉积的Au金属与SiN上的金属薄膜相接触，作为待测样品材料的一个电极。此时形成的包含样品的SiN薄膜窗口的平面和截面示意图如图6所示。在进行PFM测试时，探针接触样品则作为待测样品材料的另一个电极，同时，完成PFM测试后，可直接进行TEM表征，实现PFM表征电畴结构和TEM表征原子结构的一一对应。

上述实施示例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。这里所披露的实施示例的变形及改变均是可能的，对于本领域的普通技术人员来说实施示例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用于其他衬底、材料和部件来实现。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的申请范围当中。

Claims (3)

1.一种透射电镜和压电力显微镜通用的氮化硅薄膜窗口制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：选用双抛硅片作为衬底，硅片厚度在100-300um，并将衬底清洗处理干净；

步骤2：利用低压化学气相沉积设备，在步骤1所得干净的衬底两面均沉积20-100nm厚的SiN薄膜；

步骤3：在步骤2所得沉积过SiN薄膜的衬底的其中一面通过紫外曝光的方法开孔，并腐蚀掉孔中的Si，形成只有一层SiN薄膜的窗口；定义：有完整SiN薄膜的一面为正面，另一面为反面；

步骤4：利用磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积或原子层沉积薄膜制备设备，在步骤3所得衬底的正面沉积10-100 nm厚的金属薄膜，金属为Au、Pt、W、Al或Cu；

步骤5：将步骤4所得衬底上的金属薄膜图形化；

步骤6：利用硅片切割机，将步骤5所得衬底切割成正方形，其中SiN窗格居中，切割出的正方形硅片衬底的边长在1.98-2.12mm，使得该正方形对角线在2.8-3.0mm，满足TEM对样品尺寸的要求；

步骤7：将待测试表征的样品放置于步骤6所得的SiN薄膜窗口衬底上，即可进行PFM和TEM测试表征；其中：

步骤3所述窗口的形成，具体包括：

A1：在沉积过SiN薄膜的衬底的其中一面旋涂光刻胶；

A2：光刻胶前烘；

A3：紫外曝光方形的图形，图形的边长在150-1500 μm，图形间距至少2mm；

A4：显影，并于显影后立即用去离子水冲洗；

A5：烘烤坚膜；

A6：干法刻蚀掉曝光图形中间的SiN薄膜；

A7：去胶；

A8：置于30%的KOH溶液中腐蚀没有SiN薄膜保护的硅片，腐蚀厚度为硅片厚度，形成只有一层SiN薄膜的窗口；

A9：去离子水清洗。

2.根据权利要求1所述的氮化硅薄膜窗口制备方法，其特征在于，步骤5所述金属薄膜图形化，具体包括：

B1：在金属薄膜的上方旋涂光刻胶；

B2：光刻胶前烘；

B3：采用双面套刻，在SiN窗口上方，通过紫外曝光出1-9个方形的图形和编号，图形的边长在1-10μm；

B4：显影，并于显影后立即用去离子水冲洗；

B5：烘烤坚膜；

B6：干法刻蚀掉曝光图形中间的金属薄膜；

B7：去胶。

3.根据权利要求1所述的氮化硅薄膜窗口制备方法，其特征在于，步骤7所述进行PFM和TEM测试表征，具体如下：

C1：利用磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积或原子层沉积薄膜制备设备，在待测试表征的样品材料表面沉积10-100 nm厚的金属薄膜，金属为Au、Pt、W、Al或Cu；

C2：利用FIB设备，将沉积了金属薄膜的样品材料以薄片的形式提取出来，提取出的薄片长度为5-10μm ，厚度为10-100 nm；

C3：将该薄片放置在步骤6所得的SiN薄膜窗口上方，使得样品材料表面沉积的金属与步骤4沉积金属相接触，作为待测样品材料的一个电极，在进行PFM测试时，探针则作为待测样品材料的另一个电极。