CN111807316B - 一种沟槽围合孔洞结构及其在锥状微纳结构加工中的应用 - Google Patents

一种沟槽围合孔洞结构及其在锥状微纳结构加工中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种沟槽围合孔洞结构及其在锥状微纳结构加工中的应用，所述沟槽围合孔洞结构包含由下往上依次叠层的衬底、第一膜层以及第二膜层；所述第一膜层制备有孔洞以及环形沟槽；所述环形沟槽围合孔洞；所述孔洞的深度等于所述第一膜层的厚度；所述沟槽的深度小于所述第一膜层的厚度；所述环形沟槽的内环与外环之间的间隔大于等于孔洞的孔径的四分之三；所述第二膜层采用以垂直于衬底的角度定向沉积制备。本发明提供的沟槽围合孔洞结构可避免第二膜层形变，提高在孔洞中由第二膜层材料所形成的微纳结构的几何形貌一致性。

Description

一种沟槽围合孔洞结构及其在锥状微纳结构加工中的应用
技术领域
本发明涉及微纳加工技术领域，更具体地，涉及一种沟槽围合孔洞结构及其在锥状微纳结构加工中的应用。
背景技术
微纳加工技术已经被广泛应用于现代固体微纳电子器件和真空微纳电子器件的加工制造。微纳加工技术主要包括“自上而下”和“自下而上”两类技术方法。“自上而下”的微纳加工方法主要以光刻技术为基础，利用刻蚀技术实现所需器件结构的制作；“自下而上”的微纳加工方法则主要利用各类沉积技术，形成所需的器件结构。耐刻蚀材料(例如难熔金属钨、钼等)的刻蚀加工难度高，因此常采用“自下而上”的技术方法制作基于耐刻蚀材料的大高径比微纳结构。
已有研究者发明了一种“自下而上”自组装制作基于耐刻蚀材料的大高径比锥状微纳结构的技术方法(Wei Zhu Ph.D.Chapter 4.Spindt Field Emitter Arrays[M]//Vacuum Microelectronics.John Wiley&Sons,Inc.2001.)。该方法主要在孔洞结构中制备锥状微纳结构，包括三个步骤：(1)在衬底上依次制作绝缘层和金属栅极层，形成“衬底-绝缘层-金属栅极层”叠层结构；采用光刻和刻蚀技术在绝缘层与金属栅极层形成孔洞阵列；采用掠射沉积方法，将氧化铝定位沉积至金属栅极层表面，避免氧化铝落入孔洞中，至此完成制备孔洞结构；(3)采用电子束蒸发技术，以垂直于衬底的方向沉积耐刻蚀材料；耐刻蚀材料覆盖于氧化铝表面和微孔侧壁，同时也进入微孔中附着衬底表面。随着沉积时间的延长，孔洞顶端孔径逐渐减小直至闭合，最终在孔洞中形成锥状微纳结构；(4)采用湿法刻蚀去除氧化铝，附着于氧化铝表面的耐刻蚀材料薄膜也随之被移除，最后获得集成金属栅极的尖锥阵列。在沉积耐刻蚀材料薄膜的过程中，薄膜中的内应力(应力类型为张应力)随着薄膜厚度的增加而增大。当薄膜厚度达到1微米时，其内应力将达到GPa量级；这将引起耐刻蚀材料薄膜及其所围蔽的孔洞产生形变，导致所制作的锥形结构形貌不规整。现有的减小薄膜内应力的方法主要有以下三种：加热衬底、在沉积耐刻蚀材料的同时掠射沉积内应力类型为压应力的氧化铝薄膜以抵消耐刻蚀材料薄膜的内部张应力、增加所沉积的原子到达样品表面的能量(例如采用高功率脉冲磁控溅射技术沉积耐刻蚀材料)。上述方法可有效解决薄膜内应力所带来的问题，实现形貌均一的基于耐刻蚀材料的大高径比直立锥形结构阵列的制作。然而，上述方法分别需要采用加热、多次刻蚀沉积工艺、精确控制掠射沉积技术或大功率特种设备，其工艺复杂且需要采用高精度设备。
为了简化复杂的减小应力工艺方法，需要开发出一种可实现原位释放薄膜应力的沟槽围合孔洞结构。
发明内容
本发明为克服上述现有技术对设备精度要求高，工艺复杂的问题，提供一种沟槽围合孔洞结构，提供的沟槽围合孔洞结构能够实现原位释放薄膜应力，可避免第二膜层形变，提高在孔洞中由第二膜层材料所形成的微纳结构的几何形貌一致性。
本发明的另一个目的是提供上述沟槽围合孔洞结构在锥状微纳结构加工中的应用。具体为，上述沟槽围合孔洞结构在场发射尖锥微纳加工中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种沟槽围合孔洞结构，包含由下往上依次叠层的衬底、第一膜层以及第二膜层，所述衬底表面平整，所述第一膜层厚度均匀；所述第一膜层制备有孔洞以及环形沟槽；所述环形沟槽围合孔洞；所述孔洞在竖直方向贯穿所述第一膜层，所述孔洞的深度等于所述第一膜层的厚度；所述沟槽的深度小于所述第一膜层的厚度；所述环形沟槽的内环与外环之间的间隔大于等于孔洞的孔径的四分之三；所述孔洞位于所述沟槽的内环内，且所述孔洞的边缘与所述沟槽的内环分离；所述第二膜层采用垂直于衬底的角度定向沉积的方法制备。
所述环形沟槽用于避免第二膜层在第一膜层表面形成连续薄膜，或者释放第二膜层所形成的连续薄膜的内应力，避免第二膜层发生形变。
本发明的沟槽围合孔洞结构的原理如下：
在第一膜层中制备孔洞和环形沟槽。环形沟槽围合孔洞，并且孔洞位于所述沟槽的内环内(即，环形沟槽的内环宽度或直径大于等于孔洞的孔径)。在以垂直于衬底的方向定向沉积第二膜层的过程中，沟槽可将第二膜层分隔为相互独立的小面积膜层或减小连接处薄膜厚度。当环形沟槽的内环与外环之间的间隔大于孔洞的孔径时，在锥状微纳结构完成制备时，上述小面积膜层保持相互分隔的状态。相互独立的小面积膜层的边缘皆为自由端，可有效地释放第二膜层在沉积过程中由于晶界相互作用而产生的应力，从而有效地避免第二膜层产生形变。当环形沟槽的内环与外环之间的间隔略小于孔洞的孔径时(间隔最小为孔洞的孔径的四分之三)，在锥状微纳结构完成制备时，上述小面积膜层未能保持相互分隔的状态，但小面积膜层相互连接处薄膜厚度薄，膜中内应力小于薄膜张应力断裂阈值，同样可以有效避免第二膜层产生形变。
在沉积第二膜层时，孔洞中将形成锥状微纳结构。该表面应力释放方法可以有效地避免第二膜层内应力导致的锥状微纳结构形变问题。由于沟槽的深度小于第一膜层的厚度，只需将第一膜层移除，即可同时去除沟槽中沉积的第二膜层，获得形貌均一的锥状微纳结构阵列。因此该方法可以应用于锥状结构的微纳加工。
优选地，所述第一膜层厚度为100～2000nm。
优选地，所述孔洞孔径为100～2000nm。
优选地，所述环形沟槽的形状为圆环、三角形环、矩形环或不规则环状。
优选地，所述孔洞的边缘与所述沟槽的内环的距离与孔洞的孔径的比值为0.5～5。
优选地，所述环形沟槽为圆环或矩形环，所述沟槽内环宽度或者直径2～10μm。
优选地，所述定向沉积第二膜层的设备为热蒸发、电子束蒸发、脉冲激光沉积或束流准直的磁控溅射系统。
优选地，所述衬底材料为单晶硅、单质锗、单质硼、砷化镓、氮化铝、氮化镓、金刚石、碳化硅、钼、钨或玻璃基片中的一种或几种。
优选地，所述第一膜层材料为光刻胶、二氧化硅或氧化铝中的一种或几种。
优选地，所述第二膜层材料为钼、钨、铬、镍、金、铌、钽、六硼化镧或其中两种以上材料组成的合金。
本发明还保护上述沟槽围合孔洞结构在锥状微纳结构加工中的应用，包括如下步骤：
S1.在衬底上制备第一膜层；
S2.在S1所述第一膜层制备孔洞以及围合孔洞的环形沟槽；
S3.以垂直于衬底的角度定向沉积锥状微纳结构的材料，在S2所述孔洞内形成锥状微纳结构，在S2所述第一膜层表面形成第二膜层；
S4.使用湿法刻蚀去除S2所述第一膜层，S3所述的第二膜层也随之脱离，露出附着于衬底表面的锥状微纳结构。
优选地，所述锥状微纳结构为场发射尖锥微纳结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的沟槽围合孔洞结构可实现薄膜内应力原位释放，避免由内应力引起的薄膜形变问题，制备工艺简单并且具备批量制备能力，可应用于场发射尖锥的微纳加工。
附图说明
图1为本发明的沟槽围合孔洞结构的示意图；图1(a)为在第一膜层制备孔洞和环形沟槽的俯视示意图；图1(b)为在第一膜层制备孔洞和环形沟槽的剖面示意图；图1(c)为以垂直衬底的角度定向沉积第二膜层的剖面示意图。
图2为实施例1的扫描电子显微形貌图；图2(a)为实施例1的步骤(2)沉积第二膜层得到的结构的典型扫描电子显微俯视图；图2(b)为实施例1的步骤(2)沉积第二膜层得到的结构的典型扫描电子显微剖面图；图2(c)是实施例1的步骤(3)去除第一膜层后得到的微纳尖锥结构的典型扫描电子显微形貌图。
其中，1代表衬底，2代表第一膜层，3代表孔洞，4代表环形沟槽，5代表第二膜层，6代表锥状微纳结构。
图3为对比例1的扫描电子显微形貌图以及相应的示意图；图3(a)为对比例1沉积第二膜层得到的结构的典型扫描电子显微俯视图；图3(b)为对比例1沉积第二膜层得到的结构的示意图；图3(c)为对比例1沉积第二膜层得到的结构的典型扫描电子显微剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
实施例中的原料均可通过市售得到；
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
一种沟槽围合孔洞结构，如图1～2所示，包含由下往上依次叠层的衬底1、第一膜层2(厚度为100～2000nm，本实施例为1μm)以及第二膜层5；第一膜层制备有孔洞3(直径为100～2000nm，本实施例为800nm)以及环形沟槽4；环形沟槽4围合孔洞3；孔洞3的深度等于第一膜层2的厚度，本实施例为1μm；沟槽4的深度小于第一膜层2的厚度，本实施例为600nm；环形沟槽4的内环与外环之间的间隔大于等于孔洞的孔径，本实施例为1μm；沟槽内环宽度为2～10μm，本实施例为5μm。采用垂直于衬底的角度定向沉积的方法制备第二膜层5；
环形沟槽4用于避免第二膜层5在第一膜层2表面形成连续薄膜，或者释放第二膜层5所形成的连续薄膜的内应力，避免第二膜层5发生形变，如图2(a)所示。
上述基于沟槽围合孔洞结构在场发射尖锥微纳加工中的应用，通过以下方法实现，具体包括以下步骤：
Si.利用匀胶机在硅衬底1表面旋涂厚度为100～2000nm的光刻胶(正性光刻胶，ARP 6200)，形成第一膜层2。再利用电子束光刻系统在光刻胶上进行曝光，调节电子束的剂量以控制孔洞3和环形沟槽4的深度(环形沟槽剂量可以为30～80μC/cm2，本实施例中，环形沟槽剂量为80μC/cm2，圆孔剂量为200μC/cm2)。通过显影得到环形沟槽4以及嵌套在圆环中心的孔洞3。孔洞3的深度等于第一膜层2的厚度，直径为100～2000nm；环形沟槽4为矩形环，具体为正方形环；沟槽深度小于第一膜层2的厚度；环形沟槽4的内环与外环之间的间隔大于相应的孔洞3的直径；内环宽度大于孔洞3的直径，内环宽度2～10μm。
Sii.利用电子束蒸发系统沉积铬金属(即第二膜层5)，得到的结构如图2(a)和(b)所示。
Siii.将样品置于1-甲基-2-吡咯烷酮中，80℃水浴浸泡样品2小时以去除第一膜层2，得到如图2(c)所示的锥状微纳结构6，即铬尖锥微纳结构。
实施例2
实验方法同实施例1，唯一不同的是，将衬底1的材料换为单质锗、单质硼、砷化镓、氮化铝、氮化镓、金刚石、碳化硅、钼、钨、玻璃基片。
实施例3
实验方法同实施例1，唯一不同的是，将第一膜层2的材料换为二氧化硅或二氧化铝。
实施例4
实验方法同实施例1，唯一不同的是，将圆环形沟槽4换为矩形环或三角环。
实施例5
实验方法同实施例1，唯一不同的是，将第二膜层材料换为金、银、镍、铬、钼、钨、铌、钽或合金材料
实施例6
实验方法同实施例1，唯一不同的是，将沉积第二膜层5的设备换为热蒸发、脉冲激光沉积或束流准直的磁控溅射系统。
实施例7
实验方法同实施例1，唯一不同的是，将环形沟槽4的内环与外环之间的间隔大于孔洞直径，换为内环与外环之间的间隔略小于或等于孔洞直径(例如内环与外环之间的间隔比孔洞直径小0nm、10nm、100nm、200nm)。
对比例1
实验方法同实施例1，唯一不同的是，环形沟槽4的沟槽深度为0nm，即不设置沟槽，第二膜层5发生形变，即无法实现表面应力释放，如图3所示。
对比例2
实验方法同实施例1，唯一不同的是，环形沟槽4的内环与外环之间的间隔远小于孔洞3的直径，内环与外环之间的间隔与孔洞3的直径的比值为1/2，第二膜层5发生形变，即无法实现表面应力释放。
对比例3
实验方法同实施例1，唯一不同的是，环形沟槽4的内环宽度等于孔洞3的直径，第二膜层5发生形变，即无法实现表面应力释放。
对比例4
实验方法同实施例1，唯一不同的是，环形沟槽4的沟槽深度与第一膜层2的厚度相同，去除第一膜层2时无法完全移除沟槽4中沉积的第二膜层5。
对比例5
实验方法同实施例1，唯一不同的是，孔洞3的深度小于第一膜层2的厚度，去除第一膜层2时，孔洞3中的微纳结构6也被移除。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种沟槽围合孔洞结构在锥状微纳结构加工中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在衬底上制备第一膜层；
S2.在S1所述第一膜层制备孔洞以及围合孔洞的环形沟槽；
S3.以垂直于衬底的角度定向沉积锥状微纳结构的材料，在S2所述孔洞内形成锥状微纳结构，在S2所述第一膜层表面形成第二膜层；
S4.使用湿法刻蚀去除S2所述第一膜层，S3所述的第二膜层也随之脱离，露出附着于衬底表面的锥状微纳结构；
所述沟槽围合孔洞结构，包含由下往上依次叠层的衬底、第一膜层以及第二膜层，所述衬底表面平整，所述第一膜层厚度均匀；所述第一膜层制备有孔洞以及环形沟槽；所述环形沟槽围合孔洞；所述孔洞在竖直方向贯穿所述第一膜层，所述孔洞的深度等于所述第一膜层的厚度；所述沟槽的深度小于所述第一膜层的厚度；所述环形沟槽的内环与外环之间的间隔大于等于孔洞的孔径的四分之三；所述孔洞位于所述沟槽的内环内，且所述孔洞的边缘与所述沟槽的内环分离；所述第二膜层采用以垂直于衬底的角度定向沉积的方法制备。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述第一膜层厚度为100～2000nm。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述孔洞孔径为100～2000nm。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述孔洞的边缘与所述沟槽的内环的距离与孔洞的孔径的比值为0.5～5。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述环形沟槽的形状为圆环、三角形环、矩形环或不规则环状。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述定向沉积第二膜层的设备为电子束蒸发、热蒸发、脉冲激光沉积或束流准直的磁控溅射系统。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述衬底材料为单晶硅、单质锗、单质硼、砷化镓、氮化铝、氮化镓、金刚石、碳化硅、钼、钨或玻璃基片中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述第一膜层材料为光刻胶、二氧化硅或氧化铝中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述第二膜层材料为钼、钨、铬、镍、金、铌、钽、六硼化镧或其中两种以上材料组成的合金。
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