CN111834216A - 一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法 - Google Patents

一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法，包括以下步骤：A.在基片上制备光刻胶图形；B.在所述步骤A得到的覆盖有光刻胶图形的基片上沉积金属薄膜，得到沉积有金属薄膜的基片；C.将所述步骤B得到的沉积有金属薄膜的基片放入剥离液中，剥离金属，得到带金属翘边的产品；D.将所述步骤C得到的产品的与空气接触的金属薄膜部分进行氧化，得到带金属翘边的氧化后的产品；E.将所述步骤D得到的带金属翘边的氧化后的产品放入腐蚀液中，以去除金属翘边。本发明的制备方法适用性强、成本低以及工艺过程简单，能够完全消除金属剥离工艺中的翘边，提高了剥离后金属薄膜的平整度。

Description

一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法
技术领域
本发明属于纳米结构制备和应用技术领域。具体地，本发明涉及一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法。
背景技术
剥离工艺是一种制备精细金属结构的方法，广泛应用于半导体器件的制作过程中，同干法刻蚀和湿法腐蚀技术相比，它不需要昂贵的设备，图形制备过程中无机械损伤，而且金属图形尺寸完全由显影后光刻胶的图形决定。
通常显影后的光刻胶侧壁为正台面形状，待剥离材料也会沉积在侧壁上，增加了剥离难度，导致剥离后的金属膜存在毛刺、翘边等问题。常规的解决方式是采用负胶、反转胶以及双层胶等工艺形成倒台面图形，但是它们并不适用于激光干涉光刻，而且当图形尺寸达到亚微米量级时，这些方法也面临很大的困难。
因此目前迫切需要一种适用广泛的能够制备均匀的、平整的纳米尺寸金属薄膜图形的方法。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法，该方法工艺过程简单，能够稳定的制备均匀的、平整的纳米尺寸金属薄膜图形。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提供一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法，包括以下步骤：
A.在基片上制备光刻胶图形；
B.在所述步骤A得到的覆盖有光刻胶图形的基片上沉积金属薄膜，得到沉积有金属薄膜的基片；
C.将所述步骤B得到的沉积有金属薄膜的基片放入剥离液中，剥离金属，得到带金属翘边的产品；
D.将所述步骤C得到的产品的与空气接触的金属薄膜部分进行氧化，得到带金属翘边的氧化后的产品；
E.将所述步骤D得到的带金属翘边的氧化后的产品放入腐蚀液中，以去除金属翘边。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤A中的在基片上制备光刻胶图形是通过紫外光刻、深紫外光刻、激光干涉光刻或电子束光刻进行的。
优选地，在本发明所述的方法中，所述图形具有至少一个尖锐部。
优选地，在本发明所述的方法中，所述图形的剖面为多边形。
优选地，在本发明所述的方法中，所述图形的剖面为三角形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形或不规则形状。
优选地，在本发明所述的方法中，所述激光干涉光刻通过包括如下步骤的方法进行：a.将所述基片清洗干净；b.在清洗干净的基片上旋涂光刻胶；c.对旋涂光刻胶的基片进行激光干涉曝光；d.对所述步骤c得到的曝光后的产品进行显影。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤B中的金属薄膜包括钛、镍、钼或铝的金属薄膜。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤B中的金属薄膜的厚度为2nm-20nm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤C中的剥离金属是通过结合超声进行的。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤B中的沉积金属薄膜是通过电阻式热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、化学气相沉积或原子层沉积进行的。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤D中的氧化是通过自然氧化、热氧化或氧离子轰击进行的。
优选地，在本发明所述的方法中，所述氧离子轰击是在以下条件下进行的：轰击进行2-5min，轰击所采用的功率为10-50W，轰击所采用的氧气流量为10-100sccm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤A中的光刻胶图形的最大高度为50-500nm，周期为150-1000nm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤E中的去除金属翘边是通过结合超声进行的。
优选地，在本发明所述的方法中，所述腐蚀液为能够与金属反应但不能与金属的氧化物发生反应或者与金属的氧化物反应非常缓慢的溶液。
优选地，在本发明所述的方法中，所述腐蚀液为浓盐酸。
本发明的有益效果：
本发明的制备方法适用性强、成本低以及工艺过程简单，能够完全消除金属剥离工艺中的翘边，提高了剥离后金属薄膜的平整度。本发明的制备方法能够制备纳米尺寸金属薄膜图形，比如，能够制备出的金属薄膜图形的最小线宽在20nm～200nm。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是本发明实施例1制备的纳米尺寸金属薄膜图形的方法流程图。
图2是本发明实施例1的覆盖有光刻胶图形的基片剖面示意图。
图3是本发明实施例1的显影后光刻胶的扫描电子显微镜侧视图。
图4是本发明实施例1的沉积金属薄膜后的基片剖面示意图。
图5是本发明实施例1的完成金属剥离后的基片剖面示意图。
图6是本发明实施例1的金属剥离后的基片原子力显微镜图。
图7是本发明实施例1的与空气接触的金属薄膜部分进行氧化后的基片剖面示意图。
图8是本发明实施例1的选择性腐蚀后的基片剖面示意图。
图9是本发明实施例1的去除金属翘边后的基片原子力显微镜图。
图10是本发明实施例2的去除金属翘边后的基片原子力显微镜图。
图11是本发明实施例3的去除金属翘边后的基片原子力显微镜图。
图12是本发明实施例4的去除金属翘边后的基片原子力显微镜图。
图13是本发明实施例5的去除金属翘边后的基片原子力显微镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
参照图1，一种制备纳米尺寸图形化金属薄膜的方法，包括有以下步骤：
A.在基片上采用激光干涉光刻法制备光刻胶图形；
所述激光干涉光刻通过包括如下步骤的方法进行：
a.将基片清洗干净：
将基片依次用丙酮、酒精和去离子水各超洗5分钟，去除表面杂质。然后用氮气吹干，并放在180℃的热板上烘烤5分钟，去除表面水分，保证基片的干燥；
b.在清洗干净的基片上旋涂光刻胶：
在基片上旋涂光刻胶之前，还可以旋涂一层增附剂，将120μL的增附剂滴在基片中心并立即启动甩胶机，转速为4000转/分，持续时间为30秒，然后放在180℃的热板上烘烤2分钟。然后，将200μL的正性光刻胶滴在基片中心并立即启动甩胶机，转速为4000转/分，持续时间为30秒，胶的厚度为100nm，然后放在90℃的热板上烘烤2分钟；
c.对旋涂光刻胶的基片进行激光干涉曝光：
步骤c中的激光波长为325nm，激光干涉图样的周期为450nm，到达样品表面的激光功率密度为0.07mW/cm2，曝光时间为200秒，曝光一次后将样品旋转90°进行二次曝光，从而得到点阵图样；
d.对所述步骤c中的曝光后的产品进行显影：
步骤d中的显影液为正胶显影液，其与水的配置比例为3：2，显影时间为15秒。在曝光的过程中，由于光能量从光刻胶表面到底部逐渐下降，显影过程中顶部的光刻胶较底部溶解的更快，显影后形成图2所示的梯形结构，即图形的侧面具有一定的坡度。图3为显影后光刻胶的扫描电子显微镜侧视图，可以看出光刻胶点阵的高度为85nm，顶部的直径大约为150nm，底部的直径大约为220nm，光刻胶图形的周期为450nm。
B.在覆盖有光刻胶图形的基片上沉积金属薄膜，得到沉积有金属薄膜的基片：步骤B中的金属薄膜为钛，其沉积方式为电子束蒸发，钛膜的厚度为2nm，沉积速率为
Figure BDA0002027832420000041
金属薄膜的厚度控制在光刻胶厚度的五分之一以下，以保证光刻胶能够迅速脱落。沉积过程中保证光刻胶与金属薄膜间具有清晰的界面，两者不能有互溶的现象发生，也不能与光刻胶发生反应或使光刻胶变性，否则后续无法剥离。如图4所示，沉积的金属薄膜在衬底表面、光刻胶顶部与斜坡上均有覆盖。
C.将所述步骤B中的沉积有金属薄膜的基片放入剥离液中，超声剥离金属，得到带金属翘边的产品：步骤C中的剥离液为丙酮，将上述基片放入丙酮中超声5分钟使金属剥离，然后用酒精、去离子水清洗得到钛的孔阵图形。由于金属薄膜在图形的尖锐部会有不连续，因此没有完全覆盖住光刻胶。这样，剥离液就会从这些缝隙中进入并与光刻胶发生反应，同时在超声波震动的作用下光刻胶将附带表面的金属薄膜一起脱落。如图5所示，金属薄膜脱落的过程中，斜坡部分覆盖的金属薄膜会大量残留，形成许多翘边，严重影响了薄膜的平整度，对后续的材料生长以及器件制作均有损害。图6是金属剥离后的基片原子力显微镜图，可以看到翘边的高度达到了几十纳米，远远超过了钛膜本身的厚度。
D.对步骤C中的与空气接触的金属薄膜部分进行氧化，得到带金属翘边的氧化后的产品：步骤D中的氧化方式为氧离子轰击。具体方式为将上述基片放入等离子去胶机中用氧离子轰击2分钟，所采用的功率为20W，氧气流量为10sccm。如图7所示，紧贴基片的金属薄膜上表面被氧化，而翘起来的部分由于两侧均发生反应，因而两侧均被氧化。部分氧化是非常关键的一步，精确控制氧化的时间非常关键，氧化时间过短，金属上表面没有完全被氧化，在后续的选择性腐蚀过程中，未被氧化的金属会被腐蚀，造成金属表面粗糙不平；而氧化时间过长，整个金属薄膜均被氧化(包括与基片接触的金属薄膜的下表面)，在后续的选择性腐蚀过程中，腐蚀液无法反应，造成翘边无法去除。
E.将所述步骤D中的带翘边的氧化后的产品放入选择性腐蚀液中，超声去除金属翘边：步骤E中的选择性腐蚀液为浓盐酸，具体方式为将上述基片放入浓盐酸中超声3分钟，用去离子水冲洗后得到平整的孔阵图形，通过在氢气氛围中退火的方式使表面的二氧化钛还原成金属钛。由于金属钛能与浓盐酸迅速反应，但二氧化钛与浓盐酸的反应十分缓慢，所以浓盐酸能够从翘边底部的缝隙中钻入并与钛发生反应，在超声的作用下，翘边会发生断裂形成图8所示的平整的无翘边的金属图形。图9为去除翘边后的钛孔阵列原子力显微镜图，可以看到钛孔边缘非常平整，完全消除了之前的翘边。
实施例2
其与实施例1基本相同，区别如下：
在步骤B中，钛膜的厚度为5nm。
在步骤D中，氧离子轰击的时间为5分钟，所采用的功率为20W，氧气流量为20sccm。
图10是该实施例中的去除翘边后的基片原子力显微镜图。如图10所示，金属薄膜的厚度约为5nm，基本消除了翘边。
实施例3
其与实施例1基本相同，区别如下：
在步骤B中，钛膜的厚度为20nm。
在步骤D中，氧离子轰击的时间为5分钟，所采用的功率为50W，氧气流量为50sccm。
图11是该实施例中的去除翘边后的基片原子力显微镜图。如图11所示，金属薄膜的厚度为约20nm，并且完全消除了翘边。
实施例4
其与实施例1基本相同，区别在于，步骤D中的氧化方式为热氧化。具体方式为将步骤C中的基片放在热板上烘烤，烘烤温度为200摄氏度，烘烤时间为20分钟。
图12是该实施例中的去除翘边后的基片原子力显微镜图。如图12所示，金属薄膜的厚度约为2nm，金属薄膜图形非常平整而且完全消除了圆孔周围的翘边。
实施例5
其与实施例1基本相同，区别在于，步骤D中的氧化方式为自然氧化。具体方式为将步骤C中的基片在室温环境中放置5个小时。
图13是该实施例中的去除翘边后的基片原子力显微镜图。如图13所示，金属薄膜的厚度为约2nm，金属薄膜图形非常平整并且完全消除了翘边。

Claims (10)

1.一种制备纳米尺寸金属薄膜图形的方法，包括以下步骤：
A.在基片上制备光刻胶图形；
B.在所述步骤A得到的覆盖有光刻胶图形的基片上沉积金属薄膜，得到沉积有金属薄膜的基片；
C.将所述步骤B得到的沉积有金属薄膜的基片放入剥离液中，剥离金属，得到带金属翘边的产品；
D.将所述步骤C得到的产品的与空气接触的金属薄膜部分进行氧化，得到带金属翘边的氧化后的产品；
E.将所述步骤D得到的带金属翘边的氧化后的产品放入腐蚀液中，以去除金属翘边。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤A中的在基片上制备光刻胶图形是通过紫外光刻、深紫外光刻、激光干涉光刻或电子束光刻进行的；
优选地，所述图形具有至少一个尖锐部；
优选地，所述图形的剖面为多边形；
优选地，所述图形的剖面为三角形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形或不规则形状。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光干涉光刻通过包括如下步骤的方法进行：a.将所述基片清洗干净；b.在清洗干净的基片上旋涂光刻胶；c.对旋涂光刻胶的基片进行激光干涉曝光；d.对所述步骤c得到的曝光后的产品进行显影。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤B中的金属薄膜包括钛、镍、钼或铝的金属薄膜；
优选地，所述步骤B中的金属薄膜的厚度为2nm-20nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤C中的剥离金属是通过结合超声进行的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤B中的沉积金属薄膜是通过电阻式热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、化学气相沉积或原子层沉积进行的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤D中的氧化是通过自然氧化、热氧化或氧离子轰击进行的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述氧离子轰击是在以下条件下进行的：轰击进行2-5min，轰击所采用的功率为10-50W，轰击所采用的氧气流量为10-100sccm。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤A中的光刻胶图形的最大高度为50-500nm，周期为150-1000nm。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤E中的去除金属翘边是通过结合超声进行的；
优选地，所述腐蚀液为能够与金属反应但不能与金属的氧化物发生反应或者与金属的氧化物反应非常缓慢的溶液；
优选地，所述腐蚀液为浓盐酸。
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