CN109782383B

CN109782383B - 一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法

Info

Publication number: CN109782383B
Application number: CN201811592435.4A
Authority: CN
Inventors: 任华; 汪文宇
Original assignee: Hangzhou Li'ang Dongxin Microelectronic Co ltd
Current assignee: HANGZHOU LI'ANG MICROELECTRONICS CO.,LTD.
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2038-12-25
Also published as: CN109782383A

Abstract

本发明涉及材料加工领域，公开了一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，包括：1）在低导热导电材料基板的背面镀上导电薄膜；2）在低导热导电材料基板的正面涂布光刻胶；3）曝光、显影；4）将低导热导电材料基板装入基板托盘，通过电感耦合等离子体干刻设备进行干刻，重复步骤2）步骤和3）以实现多层图形复制，并完成从简单到复杂，从均一深度到多层不等深度的各种图形的复制；其中刻蚀气体选自CF₄、CHF₃、CF₄/CHF₃、C₄F₈/CF₄或C₄F₈/CHF₃；辅助刻蚀气体选自O₂、H₂、Ar或N₂；5）将光刻胶剥离；6）将金电薄膜去除。本发明工艺流程简单，加工精度高，零缺陷，良率高，并可迅速量产。

Description

一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法

技术领域

本发明涉及石英玻璃加工领域，尤其涉及一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法。

背景技术

由iPhone X智能手机的人脸识别功能引发的3D传感和成像技术将成为未来几年内发展最迅猛的新兴高科技技术产业，且3D成像和传感技术的应用绝不仅限于人脸识别。以该技术为基础提供的可视化和质量更佳的成像也将继续迅速渗入到计算机视觉人工智能，远程医疗，安全导航等从平常百姓家居生活，到商用，国防科技，太空探索等众多领域的应用当中。而ToF传感器、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、衍射光学元件（DOE）、特种玻璃、光学薄膜等核心元器件则是实现3D视觉的核心。其中衍射光学元件（DOE）是将点光源转换成散斑图案的光学元件，为了实现各种实际用途的高精准光束分离，光束整形，特定光斑图形等都需要通过复杂的计算机辅助的DOE 图形设计来得以实现，而最终将设计出的复杂无序无规，高低不平、深浅不一的具有特定浮雕结构图形准确无误地复制在具有可靠光学性能的材料上，实现高质量、高良率的批量化生产则更是难上加难。

目前常用的DOE元件生产加工工艺有：

1）以传统玻璃透镜的模压成型加工方法为基础，DOE还需要光刻工艺，其中包括基底材料选择，掩膜版制备（电子束刻蚀）、光刻胶、曝光设备及刻蚀方案的选择等，再通过制备的模具进行压印（imprint）在特定的聚合物，如聚碳酸酯（polycarbonate）, 聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methyl methacrylate, PMMA）等。还有用电镀金属或蚀刻在基板上的图形做模具的。但此类加工方法具有整体工艺流程复杂，易产生缺陷图形，良率低，产能低，制作精度低等缺点。且因为DOE元件的材质限制，使用温度也不高，容易受外界使用温度和环境变化影响产生形变而性能下降甚至完全丧失。

2）由紫外线固化直接形成丙烯酸酯类的衍射层在聚合物或玻璃基板上。此类生产工艺相对简单，但是仍然存在有衍射材料本身性能带来的缺点和局限性。

3）直接用激光束或电子束刻写DOE图形在掩膜材料层上，此类加工的精度很高，但是耗时很长，产能非常低下。

随着3D传感和成像技术的广泛应用，对高质量高性能的DOE元件的需求也将会有突飞猛进的增长。因此亟需开发一种制成简单，加工精度高，良率高的量产工艺。

目前也有提出使用传统光刻技术结合反应等离子体干法刻蚀结合的工艺进行玻璃DOE元件加工制造的，如美国专利US 7,528,073 B2提到使用导热胶将具有光刻图形的玻璃DOE基板贴附在优良的热导电导材料上再进行刻蚀。该专利针对刻蚀热和电的不良导体材料，如玻璃，在反应等离子体干刻过程中由于化学反应和离子碰撞导致基板的温度迅速增长，局部区域容易积累静电荷从而影响等离子体刻蚀工艺而造成的种种不良结果：

1）作为刻蚀掩膜的光刻胶在高温下变性烤焦而在刻蚀完成后无法成功的去除，或在开始就由于刻蚀速率过快而无法起到作为掩膜的作用。

2）热导差的绝缘基板刻蚀速率稳定性和均匀性差。该发明提供的方法虽然能保证刻蚀速率的稳定性和均匀性，但是缺点是刻蚀的结果非常依赖导热导电胶的涂布工艺的控制，导热导电胶的厚度和厚度均匀性直接影响刻蚀的最终结果，批次的重复性，良率等。

另外，该专利也并未涉及刻蚀不同复杂图形，包括规则和无规图形，深宽比不同的不同图形的刻蚀效果。除此以外，目前有报道的各种以石英玻璃为基板材料的干刻要么：1）需要使用金属作为刻蚀掩膜以达到所需的刻蚀选择比，这种工艺由于金属掩膜的局限性，如金属掩膜图形关键尺寸的形成和控制需要通过荫照或光刻为掩膜刻蚀完成，而且与传统的光刻胶图形关键尺寸和图形的形成相比在图形质量上要差的多，也无法满足小尺寸器件刻蚀的要求，后续需要去除金属掩膜，且金属掩膜参与刻蚀工艺会由于刻蚀过程在刻蚀表面和侧壁形成二次沉积造成的污染；2）很难同时满足对刻蚀图形刻蚀区面积大小不一的设计图形最终达到刻蚀深度一致和刻蚀侧壁形貌高度垂直的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，本发明工艺流程简单，加工精度高，零缺陷，良率高，并可迅速量产。

本发明的具体技术方案为：一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，包括以下步骤：

1）在低导热导电材料基板的背面镀上一层不透光的导电薄膜。

导电薄膜的作用是为了能在常规的光刻设备上对涂布在导热差绝缘的基板正面的光刻胶进行曝光和图形复制。

2）在低导热导电材料基板的正面进行光刻胶涂布。

3）曝光、显影。

4）将步骤3)所得低导热导电材料基板传入配备有基板托盘的干刻设备腔体内，通过电感耦合等离子体干法刻蚀的方法进行刻蚀，实现图形在低导热导电材料基板正面上的复制，重复步骤2）步骤和3）以实现多层图形复制，并完成从简单到复杂，从均一深度到多层不等深度的各种图形在低导热导电材料基板上的复制；期间通惰性气体进行散热(在刻蚀过程中，需要保持在基板托盘与基板接触面间持续通小分子的惰性气体，如He气等来辅助刻蚀过程产生热量的有效疏散，以避免其对刻蚀图形质量产生不良影响)，其中刻蚀气体选自CF₄、CHF₃、CF₄/CHF₃、C₄F₈/CF₄或C₄F₈/CHF₃；辅助刻蚀气体选自O₂、H₂、Ar或N₂。

5）将低导热导电材料基板正面的光刻胶剥离。

6）将低导热导电材料基板背面的导电薄膜去除。

本发明的难点和核心是导热差绝缘基板的干刻工艺的设计和开发，由于导热差且绝缘的材料在干刻过程中不可避免会产生热量集聚不散而温度急剧升高，与常规的半导体材料干刻不同，常规的干刻设备设计利用低温到高温温控基板托盘加上特殊托盘设计在托盘与基板间利用小分子量气体达到最快最有效的热传导方法并不能完全满足导热差的绝缘材料的干刻温控目的。目前除了上面提到的US 7,528,073 B2专利，没有任何专利或文章报道可以成功地解决导热差的绝缘材料刻蚀过程中温控问题，从而利用现有的干刻工艺成功加工制造各种设计复杂，需要达到纳米级精确加工的各种器件。本发明在深刻了解干刻设备的设计基础上，无需重新设计基板托盘，通过以下改进来克服上述技术问题：

通过适当调节控制托盘和基板间小分子量气体，如氦气的压力和流量使得小分子气体能以更快的速度在基板托盘和刻蚀的低导热导电材料基板间进行有效热传递，以达到最好最有效的冷却温控目的，与刻蚀其他半导体材料不同，本发明需要调节使得存在于基板托盘和被刻蚀的低导热导电材料基板间的小分子气体在单位时间内在基板托盘和低导热导电材料基板背面间发生更高频率的碰撞，从而使基板托盘表面温度迅速与刻蚀低导热导电材料基板间达到温度平衡，从而有效控制刻蚀发生的温度，保障工艺的可重复性，良好的稳定性。

本发明尝试了以CF₄、CHF₃、CF₄/CHF₃、C₄F₈/CF₄和C₄F₈/CHF₃为主的五种刻蚀气体体系的研究，以最优的不同深宽比图形刻蚀深度均匀性，刻蚀速率和刻蚀均匀性，刻蚀形貌，刻蚀选择比为目标，尝试比较了添加O₂，H₂，Ar，N₂的各种刻蚀体系组合，发现能够解决上述技术问题。

作为优选，所述低导热导电材料为石英玻璃。

作为优选，步骤1）中，采用蒸镀或磁控溅射工艺镀膜。

作为优选，步骤1）中，所述导电薄膜为金属导电薄膜。

作为进一步的优选，步骤1）中，所述金属导电薄膜为TiW薄膜或Cr薄膜。

为了使薄膜在后续能够轻易的通过湿法或其他简单方法去除且不会损伤到基板，本发明优选TiW薄膜以及Cr薄膜等。

作为优选，步骤1）中，所述金属导电薄膜的厚度为300~1000 埃。

作为优选，步骤4）中，所述基板托盘采用机械卡盘或双极Johnsen-Rahbek类型的静电吸附卡盘。

为了进一步提升散热效果，本发明的基板托盘使用机械卡盘或双极Johnsen-Rahbek类型的静电吸附卡盘，使背面镀有薄膜的低导热导电材料基板与托盘间形成良好紧密的接触，并保证后续基板在刻蚀过程虽然因热导差会变形但不会影响与托盘边缘的密封物理接触，从而达到托盘和刻蚀低导热导电材料基板间良好的热传导和温控目的。

作为优选，步骤4）中，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体选择以下组合：CF₄/CHF₃/Ar、C₄F₈/CF₄/H₂ 或C₄F₈/CHF₃/Ar。

其中CF₄主要起到刻蚀作用，CHF₃，H₂在刻蚀过程中起钝化保护作用，C₄F₈则兼具两种作用。为了进一步提升散热效果，本发明最终后确定了最合适的CF₄/CHF₃/Ar、C₄F₈/CF₄/H₂和C₄F₈/CHF₃/Ar三种体系。

作为优选，步骤4）中，电感耦合功率为800~1200 W，RF功率为125~200 W，压力2~7mTorr，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体的总气流量为35~90 sccm。

作为优选，步骤4）中，所述刻蚀气体中C与F的摩尔比为0.25~0.45:1，C与H的摩尔比为1~4:1；辅助刻蚀气体的气流量可以根据刻蚀均匀性而调节，一般在为10~50 sccm。

作为优选，步骤4）中，所述基板托盘的温度控制在-10~20℃，具体温度根据需要的选择比调节，温度越低，选择比越高，但是侧壁的垂直形貌会有微小的下降。

为了进一步提升效果，本发明限定了上述工艺条件。本发明优选的三种刻蚀气体体系在优化的工艺窗口内，均能达到各种从简单到复杂的刻蚀图形中深宽比从1/0.4 ~ 1/12范围内，刻蚀深度要求从几百埃到几微米的刻蚀工艺中达到刻蚀深度均匀性从浅刻蚀的0.5%到深刻蚀的小于5%，即对深宽比在两端极限情况下的刻蚀深度差在刻蚀至1~2微米的深度范围内时能控制在500A以内，刻蚀均匀性达到小于3%，与光刻胶的刻蚀选择比可达到1.3~3，侧壁接近90度的垂直形貌。

综合所述，本发明以现有的传统半导体加工光刻和干刻工艺为基础，开发了一种工艺流程简单，加工精度高，零缺陷，良率高，并可迅速量产的玻璃等低导热导电材料DOE元件的生产制造方法。除此以外，用于加工制造DOE元件的低导热导电材料（例如石英玻璃）由于其特殊的压电性能，温度稳定性能等，也是制造石英晶体谐振器和其他光学元件的首选材料，所以该方法也将适用并可推广到其他需要在玻璃等低导热导电材料上形成复杂或简单图形、加工精度高的器件的生产制造上。与现有技术中DOE元件制造加工方法相比，本发明提供的制造方法的优点是：

1）加工制造工艺流程简单，根据设计图形的需要，设计出需要的光刻板，一般可以是一块或若是阶梯状的多级衍射图形可以设计多块，然后配合现有的光刻和干刻工艺就可以在基板上实现各种从简单到复杂，从有规到无规，从关键尺寸要求逐渐缩小，图形侧壁形貌垂直度要求日趋严苛的设计图形完美的复制。

2）有别于之前的DOE 元件，玻璃DOE元件可耐高温，且不受环境的影响，不会出现形变而性能下降或丧失的现象。

3）加工的精度和良率，产能高。

4）适用并可推广至其他任意需在玻璃等低导热导电材料上设计加工的元器件上。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

附图标记为：1、导电薄膜、2石英玻璃基板、光刻胶3。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

总实施例

一种适用于石英玻璃基板的器件制成方法，流程如图1所示，包括以下步骤：

1）采用蒸镀或磁控溅射等类似工艺在石英玻璃基板2的背面镀上一层厚300~1000埃、不透光的导电薄膜1（优选TiW薄膜或Cr薄膜）。

2）在石英玻璃基板的正面进行光刻胶3涂布。

3）曝光、显影。

4）将步骤3)所得石英玻璃基板传入配备有基板托盘（优选机械卡盘或双极Johnsen-Rahbek类型的静电吸附卡盘）的干刻设备腔体内，通过电感耦合等离子体干法刻蚀的方法进行刻蚀，实现图形在石英玻璃基板正面上的复制，重复步骤2）步骤和3）以实现多层图形复制，并完成从简单到复杂，从均一深度到多层不等深度的各种图形在石英玻璃基板上的复制；期间通惰性气体进行散热。其中刻蚀气体选自CF₄、CHF₃、CF₄/CHF₃、C₄F₈/CF₄或C₄F₈/CHF₃；辅助刻蚀气体选自O₂、H₂、Ar或N₂。

其中，步骤4）中，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体优选以下组合：CF₄/CHF₃/Ar、C₄F₈/CF₄/H₂ 或C₄F₈/CHF₃/Ar。刻蚀气体和辅助刻蚀气体的总气流量为35~90 sccm；刻蚀气体中C与F的摩尔比为0.25~0.45:1，C与H的摩尔比为1~4:1；辅助刻蚀气体的气流量为10~50sccm；基板托盘的温度控制在-10~20℃，电感耦合功率为800~1200 W，RF功率为125~200 W，压力2~7 mTorr。

5）将石英玻璃基板正面的光刻胶剥离。

6）将石英玻璃基板背面的金属导电薄膜去除。

实施例1

1）采用磁控溅射工艺在石英玻璃基板2的背面镀上一层厚1000 埃、不透光的导电薄膜1 (TiW)。

2）在石英玻璃基板的正面进行光刻胶3涂布。

3）曝光、显影。

4）将石英玻璃基板用配备单极静电吸附卡盘的电感耦合等离子体干刻设备进行干刻，实现图形在石英玻璃基板正面上的复制，重复步骤2）步骤和3）以实现多层图形复制，并完成从简单到复杂，从均一深度到多层不等深度的各种图形在石英玻璃基板上的复制；在刻蚀过程中，需要保持在卡盘与石英玻璃背面间持续通小分子的惰性气体氦气进行散热。

其中，步骤4）中，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体选择以下组合：CF₄/CHF₃/Ar。刻蚀气体和辅助刻蚀气体的总气流量为90 sccm；刻蚀气体中C与F的摩尔比为0.25:1，C与H的摩尔比为1:1；辅助刻蚀气体的气流量为50 sccm；基板托盘的温度控制在15℃，电感耦合功率为1200 W，RF功率为125 W，压力7 mTorr。

5）将石英玻璃基板正面的光刻胶剥离。

6）将石英玻璃基板背面的金属导电薄膜去除。

本实施例可在深宽比从1/0.4 ~ 1/12 的范围内的图形达到刻蚀深度差500 A，整体刻蚀均匀性3%，刻蚀选择比1.3 ，侧壁接近90 的垂直形貌。

实施例2

一种适用于石英玻璃基板的器件制成方法，包括以下步骤：

1）采用磁控溅射工艺在石英玻璃基板的背面镀上一层厚300埃、不透光的导电TiW薄膜。

2）在石英玻璃基板的正面进行光刻胶涂布。

3）曝光、显影。

4）将石英玻璃基板用配备有机械卡盘的电感耦合等离子体干刻设备进行干刻，实现图形在石英玻璃基板正面上的复制，重复步骤2）步骤和3）以实现多层图形复制，并完成从简单到复杂，从均一深度到多层不等深度的各种图形在石英玻璃基板上的复制；在刻蚀过程中，需要保持在卡盘与石英玻璃背面间持续通小分子的惰性气体氦气进行散热。

其中，步骤4）中，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体选择以下组合：CF₄/C₄F₈/H₂。刻蚀气体和辅助刻蚀气体的总气流量为35 sccm；刻蚀气体中C与F的摩尔比为0.33:1，C与H的摩尔比为4:1；基板托盘的温度控制在-10℃，电感耦合功率为1000 W，RF功率为150 W，压力2mTorr。

5）将石英玻璃基板正面的光刻胶剥离。

6）将石英玻璃基板背面的金属导电薄膜去除。

本实施例可在深宽比从1/0.4 ~ 1/12 的范围内的图形达到刻蚀深度差400 A，整体刻蚀均匀性3%，刻蚀选择比3，侧壁接近90 的垂直形貌。

实施例3

一种适用于石英玻璃基板的器件制成方法，包括以下步骤：

1）采用蒸镀工艺在石英玻璃基板的背面镀上一层厚500 埃、不透光的导电Cr薄膜。

2）在石英玻璃基板的正面进行光刻胶涂布。

3）曝光、显影。

4）将石英玻璃基板用配备双极Johnsen-Rahbek类型的静电吸附卡盘的电感耦合等离子体干刻设备进行干刻，实现图形在石英玻璃基板正面上的复制，重复步骤2）步骤和3）以实现多层图形复制，并完成从简单到复杂，从均一深度到多层不等深度的各种图形在石英玻璃基板上的复制；在刻蚀过程中，需要保持在卡盘与石英玻璃背面间持续通小分子的惰性气体氦气进行散热。

其中，步骤4）中，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体选择以下组合：C₄F₈/CHF₃/Ar。刻蚀气体和辅助刻蚀气体的总气流量为60 sccm；刻蚀气体中C与F的摩尔比为0.45:1，C与H的摩尔比为2.3:1；辅助刻蚀气体的气流量为20 sccm；基板托盘的温度控制在20℃，电感耦合功率为1050 W，RF功率为180 W，压力3 mTorr。

5）将石英玻璃基板正面的光刻胶剥离。

6）将石英玻璃基板背面的金属导电薄膜去除。

本实施例可在深宽比从1/0.4 ~ 1/12 的范围内的图形达到刻蚀深度差500 A，整体刻蚀均匀性3%，刻蚀选择比2，侧壁接近90 的垂直形貌。

实施例4

一种适用于石英玻璃基板的器件制成方法，包括以下步骤：

2）在石英玻璃基板的正面进行光刻胶涂布。

3）曝光、显影。

其中，步骤4）中，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体选择以下组合：C₄F₈/CHF₃/Ar。刻蚀气体和辅助刻蚀气体的总气流量为50 sccm；刻蚀气体中C与F的摩尔比为0.42:1，C与H的摩尔比为2.3:1；辅助刻蚀气体的气流量为20 sccm；基板托盘的温度控制在20℃，电感耦合功率为800 W，RF功率为200 W，压力3 mTorr。

5）将石英玻璃基板正面的光刻胶剥离。

6）将石英玻璃基板背面的金属导电薄膜去除。

本实施例可在深宽比从1/0.4 ~ 1/12 的范围内的图形达到刻蚀深度差500 A，整体刻蚀均匀性3%，刻蚀选择比1.5，侧壁接近90 的垂直形貌。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在低导热导电材料基板的背面镀上一层不透光的导电薄膜；

2）在低导热导电材料基板的正面进行光刻胶涂布；

3）曝光、显影；

4）将步骤3)所得低导热导电材料基板放置于电感耦合等离子体干刻设备内的基板托盘上行干刻，实现图形在低导热导电材料基板正面上的复制，重复步骤2）步骤和3）以实现多层图形复制，并完成从简单到复杂，从均一深度到多层不等深度的各种图形在低导热导电材料基板上的复制；期间在基板与基板托盘接触面间通惰性气体进行热交换；其中刻蚀气体和辅助刻蚀气体选择以下组合：CF₄/CHF₃/Ar、C₄F₈/CF₄/H₂ 或C₄F₈/CHF₃/Ar；电感耦合功率为800~1200 W，RF功率为125~200 W，压力2~7 mTorr，所述刻蚀气体和辅助刻蚀气体的总气流量为35~90 sccm；辅助刻蚀气体的气流量为10~50 sccm；刻蚀气体中C与F的摩尔比为0.25~0.45:1，C与H的摩尔比为1~4:1；所述基板托盘的温度控制在-10~20℃；

5）将低导热导电材料基板正面的光刻胶剥离；

6）将低导热导电材料基板背面的导电薄膜去除。

2.如权利要求1所述的一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，其特征在于，步骤1）中，采用蒸镀或磁控溅射工艺镀膜。

3.如权利要求1所述的一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，其特征在于，步骤1）中，所述导电薄膜为金属导电薄膜。

4.如权利要求3所述的一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，其特征在于，步骤1）中，所述金属导电薄膜为TiW薄膜或Cr薄膜。

5.如权利要求3或4所述的一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，其特征在于，步骤1）中，所述金属导电薄膜的厚度为300~1000 埃。

6.如权利要求1所述的一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，其特征在于，步骤4）中，所述基板托盘采用机械卡盘或双极Johnsen-Rahbek类型的静电吸附卡盘。

7.如权利要求1所述的一种适用于低导热导电材料基板的器件制成方法，其特征在于，所述低导热导电材料为石英玻璃。