CN111029248A - 一种ebl直写高精度第三代半导体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，包括如下步骤：(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；(b)将麦芽糖加入第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；(c)将前驱体溶液旋涂于导电基底上，随后将导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写；用水清洗导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火，得到所需要半导体的结构。本发明不仅省去了紫外光刻与反应束离子刻蚀等繁琐的工艺，还为纳米结构器件的制备节省了一定的时间；同时本发明能够实现不同半导体的图案化，其直写的微纳尺度图案能够完全显示清楚、且尺寸与预设的尺寸一致，并能够直写出最小线宽约30nm高精度的各种半导体纳米线。

Description

一种EBL直写高精度第三代半导体的方法
技术领域
本发明具体涉及一种EBL直写高精度第三代半导体的方法。
背景技术
第三代半导体具备高频、高效、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速列车、能源互联网等产业发展的重点核心材料和电子元器件，是全球半导体技术研究的热点和产业竞争焦点。而当前第三代半导体器件制造产业的技术路径包含两个主要步骤：一是生长单晶的第三代半导体单晶芯片，例如生长单晶SiC、单晶GaN等；二是利用光刻的方法对基片进行刻蚀、图形化、掺杂，从而制备所需的晶体管与集成电路。然而，由于SiC、GaN等第三代半导体晶圆生长条件苛刻、生长速度缓慢，导致晶圆价格昂贵；另一方面，SiC、GaN等第三代半导体化学性质极其稳定，导致刻蚀速度缓慢，生成效率低、且产生的废液、废气污染严重。因此发展一种环保的、能够快速成型制备第三代半导体的方法是目前所需要亟待解决的问题。
激光直写技术(3D打印)是通过电脑控制将打印材料逐层堆叠，最终实现目标产物的方法。该方法具有快速成型、产品多样化不增加成本、设计空间无限、便携制造、与多种材料相结合等多种优点，现已经广泛应用于航空航天、建筑业、工业设计等多种领域中。常见的3D打印技术包括光固化成型、选择性激光烧结、熔融沉积快速成型等多种技术，是目前制备各种精细复杂结构的主流方法之一。
上述传统的3D打印技术虽然能够制备多种复杂的结构，但是所打印的材料有所局限性,尤其是金属半导体化合物，且打印设备昂贵，不便于推广。此外，所打印的材料精度有限(传统的3D打印的精度最低为5μm左右)，不能达到纳米尺度，因此，限制了其在制备高效的第三代半导体器件的应用。同时，传统的第三代半导体纳米元器件的制备往往需要先在基底上生长高质量的薄膜，在经过工艺繁琐的紫外光刻、反应束离子刻蚀与电子束曝光，最终才能够得到元器件(此过程也被称为“top-down”)。因此，发展一种低价、环保、打印多种材料的高精度分辨技术是十分有必要的。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷，提供了一种EBL直写高精度第三代半导体的方法。
本发明中，EBL直写即电子束直写。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它包括以下步骤：
(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；
(b)将麦芽糖加入所述第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；
(c)将所述前驱体溶液旋涂于导电基底上，随后将所述导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写；用水清洗所述导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火，得到单层结构。
具体地，所述方法还包括在退火后，多次重复进行步骤(c)，得到三维高精度叠层结构。
具体地，步骤(a)中，所述金属盐与所述聚乙烯亚胺的投料质量比为1:0.8-1.5。
具体地，步骤(a)中，超滤的目的在于除去分子量小于3000g/mol的成分。
具体地，步骤(b)中，所述麦芽糖的投料质量与所述第一溶液的体积比为125-180:1mg/mL。
具体地，步骤(c)中，所述导电基底为导电硅基底，所述导电硅基底先经过食人鱼溶液处理，然后用超纯水超声清洗三次，最后再用氮气枪吹干。
具体地，步骤(c)中，EBL直写的电压为10-20KV，电流为0.224nA。
具体地，步骤(c)中，所述退火的温度为400-800℃，反应时间为10-15min。
具体地，步骤(a)中，所述金属盐为选自硝酸锌、四氯化钛、氯化镍和氯化铌中的一种。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明开发出能够负载金属离子的新型前驱体水溶液，该前驱体溶液有着类似电子束负胶的性质，在电子束EBL直写后，经由水冲洗便能得到刻蚀的图案，随后经退火便能够直接一步成形得到纳米元器件(即“bottom-up”)；此技术颠覆了传统制备半导体纳米器件的方法，因为此技术不仅省去了紫外光刻与反应束离子刻蚀等繁琐的工艺，还为纳米结构器件的制备节省了一定的时间；同时本发明能够实现不同半导体的图案化，其直写的微纳尺度图案能够完全显示清楚、且尺寸与预设的尺寸一致，并能够直写出最小线宽约30nm高精度的各种半导体纳米线，为今后制备微纳结构的半导体器件提供了一种全新的思路。
附图说明
图1为本发明利用EBL直写实现高精度的打印第三代半导体的流程图；
图2为实施例1中的立体三维SEM图形：(a)退火前的SEM图；(b)退火后的SEM图；
图3为实施例2退火后的叠层图片：(a)平面SEM图；(b)立体三维SEM图；
图4(a)为实施例3退火后的线宽为300nm、250nm、200nm、150nm、100nm和50nm的AFM图；图4(b)为实施例3中的线宽为30nm的SEM图；
图5(a-d)分别为实施例4-7退火后的AFM图；
图6(a-c)分别为实施例8-10退火后的分析测试图；其中图6(a)为实施例8的AFM图；图6(b)为实施例9的SEM图；图6(c)为实施例10的AFM图；
图7(a-d)分别为对比例1-4退火后的分析测试图；图7(a)为对比例1的显微镜图，
图7(b)为对比例2的显微镜图；图7(c)为对比例3的显微镜图；图7(d)为对比例4的AFM图；
图8(a-c)分别为对比例5-7退火后的显微镜图。
具体实施方式
一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它包括以下步骤：
(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺(聚乙烯亚胺的数均分子量通常为10000-30000，采用常规市售的即可)溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；超滤的目的在于除去分子量小于3000g/mol的成分；其中，金属盐为选自硝酸锌、四氯化钛、氯化镍和氯化铌中的一种；金属盐与聚乙烯亚胺的投料质量比为1:0.8-1.5；
(b)将麦芽糖加入第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；麦芽糖的投料质量与第一溶液的体积比为125-180:1mg/mL。(c)将前驱体溶液旋涂于导电基底(导电基底为导电硅基底，导电硅基底先经过食人鱼溶液处理，然后用超纯水超声清洗三次，最后再用氮气枪吹干后备用)上，随后将导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写(EBL直写的电压为10-20KV，电流为0.224nA)；用水清洗导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火(退火的温度为400-800℃，反应时间为10-15min)，得到单层结构；
(d)必要的时候，多次重复进行步骤(c)，得到三维高精度叠层结构。
首先将金属盐与聚乙烯亚胺进行络合反应，再加入麦芽糖得到前驱体溶液；再将前驱体溶液旋涂于表面经过羟基化处理的导电硅基底上，再进行EBL直写出所设置的图案或结构，接着用水除去未固化的成分，将涂层导电基底置于空气中多次加热退火使得溶剂完全挥发并除去聚合物，形成金属氧化物图形；将涂层导电基底置于氨气/氢气/氩气中多次加热退火使得溶剂完全挥发并除去聚合物，形成金属氮化物图形；将涂层导电基底置于硫蒸气/氢气/氩气中多次加热退火使得溶剂完全挥发并除去聚合物，形成金属硫化物图形；将涂层导电基底置于乙烯/氢气/氩气中多次加热退火使得溶剂完全挥发并除去聚合物，形成金属碳化物图形；金属盐(硝酸锌、四氯化钛、氯化铌和氯化铌中的一种)都能和聚乙烯亚胺形成均匀稳定的溶液，且能够能到较好的效果；多次重复旋涂、退火操作后即得三维叠层结构。
其中金属盐的浓度影响半导体的高度，随着金属盐离子浓度的提高，其样品的厚度也会相应的提高；而所需要的不同线宽的纳米线是基于EBL直写系统软件设置的，因此可以在EBL软件操作软件中可以根据需要，预先设置不同宽度大小的半导体图案。
下面对本发明优选实施方案进行详细说明。
实施例1提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它包括以下步骤：
(a)取2g聚乙烯亚胺溶于40ml去离子水中，搅拌20min至溶液澄清透明，再用10％的HCl溶液，调节PH至6，再搅拌10min后，加入2.5g的硝酸锌，搅拌进行络合反应至溶液澄清透明；将上述溶液置于Amicon超滤系统中并稀释三次超滤，以除去分子量小于3000g/mol的杂质，并得到约为20ml的透明澄清的第一溶液；
(b)将3g麦芽糖加入第一溶液中，超声搅拌20min得到前驱体溶液；
(c)取1.5cm×1.5cm的导电硅基底，置于食人鱼溶液中处理1小时，随后经过超纯水清洗3遍，最后经由氮气枪吹干备用；将吹干的导电硅基底置于旋涂仪上面，将前驱体溶液滴到导电硅基底上，并以转速6000rpm/s旋涂40s，使得溶液在导电硅基底上均匀铺开；
随后将导电硅基底置于EBL系统(型号：Raith ELPHY)舱内，并在EBL系统中设计需要曝光的图案，进行EBL直写(EBL直写的电压为10～20KV，电流为0.224nA)；用超纯水清洗导电硅基底，除去未固化部分，留下曝光的图案，高度约为400nm，再在反应性气体中退火(退火的温度为400～800℃，反应时间为10～15min)，得到所需要半导体的图案，高度约为110nm，如图(2)所示。
实施例2提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(c)中，在用超纯水清洗导电硅基底，留下曝光的图案之后，又在导电硅基底上重复旋涂一层前驱体溶液，EBL系统中继续曝光，用超纯水冲洗完成后便能得到叠层结构的图案；如图(3)所示，经由扫描电子显微镜(SEM)分析测试可知，所得到三维立体叠层结构的面积为15μm×15μm，与设置的叠层结构面积相同。
实施例3提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(c)中：在EBL系统中设置不同宽度的六条纳米线，，其宽度分别为300nm、250nm、200nm、150nm、100nm、50nm的纳米线。，经由反应性气体退火后，如图4(a)所示，在利用原子力显微镜(AFM)测试软件分析测试可知，以上所得到的六条纳米线的宽度依次分别为305nm，258nm，203nm，156nm，105nm，55nm，与设置的纳米线宽度相差不到5nm，证明了本方法的精准性。同样地，在EBL系统中设置线宽为30nm的纳米线，在经由反应性气体退火后便能得到极限纳米线的线宽，利用SEM测试分析可知其宽度为34nm，如图4(b)所示，更加证明了本方案高精准性。
实施例4提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(b)中，在20ml的第一溶液中加入2.5g的麦芽糖(即麦芽糖的投料质量与第一溶液的体积比为125:1mg/mL)；如图5(a)所示，在经由反应性气体中退火后，得到的半导体图案为102-105nm，与设置的100nm基本一致。
实施例5提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例9中的基本一致，不同的是：步骤(b)中，在20ml的第一溶液中加入3.6g的麦芽糖(即麦芽糖的投料质量与第一溶液的体积比为180:1mg/mL)；如图5(b)所示，在经由反应性气体中退火后，得到的半导体图案为102-105nm，与设置的100nm基本一致。
实施例6提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(c)中，加入硝酸锌的质量为1.33g；如图5(c)所示，在经由反应性气体中退火后，得到的半导体图案大小与预设的基本一致，且图案边缘尖锐。
实施例7提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(c)中，加入硝酸锌的质量为2.5g；如图5(d)所示，在经由反应性气体中退火后，得到的半导体图案大小与预设的基本一致，且图案边缘尖锐。
实施例8提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(a)中，采用不同的金属盐四氯化钛；如图6(a)所示，在经由反应性气体中退火后，经由测试结果可知，所得到的纳米线线宽与设置的纳米线线宽(100nm)基本一致。
实施例9提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(a)中，采用不同的金属盐氯化镍；如图6(b)所示，在经由反应性气体中退火后，所得到的三角形尺寸大小与设置的尺寸大小基本一致。
实施例10提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(a)中，采用不同的金属盐氯化铌；如图6(c)所示，经由AFM测试分析可知，所得到的NbN半导体图案宽约10μm，高约34nm，其大小尺寸与设置的尺寸基本一致。
对比例1提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同点仅在于：步骤(b)中，不添加麦芽糖；如图7(a)所示，由于缺少麦芽糖，前驱体溶液中不存在交联反应，所以经由超纯水冲洗后，基片上不会留存所需要的图案。
对比例2提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：步骤(b)中，在20ml的第一溶液中加入2g的麦芽糖(即麦芽糖的投料质量与第一溶液的体积比为100:1mg/mL)；如图7(b)所示，此刻，由于麦芽糖的质量太少，导致与第一溶液中的聚乙烯亚胺不足以产生交联反应，致使最后得到的图案在显微镜下看的很模糊(里面为五组线，每一组线里面由15条100nm线宽、线间隔1μm组成)。
对比例3提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例9中的基本一致，不同的是：步骤(b)中，在20ml的第一溶液中加入4g的麦芽糖(即麦芽糖的投料质量与第一溶液的体积比为200:1mg/mL)；如图7(c)所示，虽然能在显微镜下看到五组线，但由于加入的麦芽糖过多，致使每组线里面的纳米线没有分隔开(已设置纳米线间距为1μm)。
对比例4提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同点仅在于：步骤(b)中，使用葡萄糖；如图7(d)所示，经过AFM测试，在使用葡萄糖时，设置100nm的线宽其形成的图案边缘不尖锐，且最终得到的线宽为153nm。
对比例5提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同点仅在于：步骤(a)中，加入硝酸锌后，但是不进行超滤步骤。由于所得到的溶液没有进行超滤过程，使得前驱体溶液中还存在大量的阴离子，在进行EBL直写过程中，阴离子会影响所直写的图案，显微镜图片如图8(a)所示。
对比例6提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同点仅在于：步骤(a)中，硝酸锌的添加质量为1g；如图8(b)所示，由于所加入的金属盐醋酸锌的质量太少，金属浓度较低，在经由反应性气体中退火后，部分图案不能完全显现。
对比例7提供一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它与实施例1中的基本一致，不同点仅在于：步骤(a)中，硝酸锌的添加质量为3g；如图8(c)所示，由于所加入的金属盐醋酸锌质量过多，金属离子浓度过高，所刻蚀图案的尺寸略大于设计的图案，影响本方法的精度性，使得最终在直写后的半导体图案上面会存留着相应金属盐的化合物薄膜。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；
(b)将麦芽糖加入所述第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；
(c)将所述前驱体溶液旋涂于导电基底上，随后将所述导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写；用水清洗所述导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火，得到所需半导体的单层结构。
2.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：所述方法还包括在退火后，多次重复进行步骤(c)，得到三维高精度叠层结构。
3.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述金属盐与所述聚乙烯亚胺的投料质量比为1:0.8-1.5。
4.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：步骤(a)中，超滤的目的在于除去分子量小于3000g/mol的成分。
5.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述麦芽糖的投料质量与所述第一溶液的体积比为125-180:1mg/mL。
6.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：步骤(c)中，所述导电基底为导电硅基底，所述导电硅基底先经过食人鱼溶液处理，然后用超纯水超声清洗三次，最后再用氮气枪吹干。
7.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：步骤(c)中，EBL直写的电压为10-20KV，电流为0.224nA。
8.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：步骤(c)中，所述退火的温度为400-800℃，反应时间为10-15min。
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