CN113113295B - 一种片上硫系材料填充结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及片上微纳光电子器件制备技术领域，更具体地，涉及一种片上硫系材料填充结构的制备方法。通过电子束曝光、深反应离子体反应刻蚀、热蒸镀生长硫系薄膜以及三步去胶流程，实现在片上填充较软的硫系薄膜结构，并与传统的填充结构制备作比较，提供了一种高精度易实现的片上硫系材料填充结构的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及片上微纳光电子器件制备技术领域，更具体地，涉及一种片上硫系材料填充结构的制备方法。
背景技术
微纳加工技术是指尺度为毫米、微米和纳米量级的零件，以及由这些零件构成的部件或系统的设计、加工、组装、集成与应用技术。微纳制造包括微制造和纳制造两个方面。其中纳制造是指具有特定功能的纳米尺度的结构、器件和系统的制造技术，光刻是一种重要的纳制造。在硅等基体材料上涂覆光致抗蚀剂，然后用极限分辨率极高的能量束来通过掩模对光致抗蚀剂层进行曝光。经显影后，在光致抗蚀剂层上获得与掩模图形相同的及微细的几何图形，再利用刻蚀等方法，在工件材料上制造出微型结构。
填充结构对片上动态光器件十分重要，然而，利用光刻对较软的硫系材料制备填充结构存在一些困难：材料较软，很难进行传统的填充后抛光处理。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种高精度易实现的片上硫系材料填充结构的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种片上硫系材料填充结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.旋涂电子束胶：薄膜样品由下至上依次为衬底、缓冲层、刻蚀层；在所述的刻蚀层上表面旋涂电子束胶；
S2.电子束曝光：
S21.将旋涂有电子束胶的薄膜样品固定在电子束曝光的样品台上，调整好薄膜样品相对高度，并记录下薄膜样品的相对坐标；最后，将薄膜样品装入送样台内；
S22.对所想要曝光的图案进行处理，转化为控制电子束设备的程序文件，并输入步骤S21中记录的相对坐标；然后，将薄膜样品送入曝光腔室；最后，运行程序控制电子束对电子束胶选择性曝光；
S23.曝光完成后，将薄膜样品放入显影液内进行显影去除曝光区域变性后的电子束胶，直到形成所需要的电子束胶图案层；
S3.深反应离子刻蚀：将显影后，含有电子束胶图案层的薄膜样品放置于载盘上，利用深反应离子刻蚀机，对薄膜样品进行离子轰击及离子反应刻蚀，在刻蚀过程中，覆盖有电子束胶图案层的薄膜区域没有接触到刻蚀离子而被保留，其他薄膜区域经过离子反应刻蚀而被刻蚀；刻蚀完成后，形成凹槽及残留电子束胶图案；
S4.热蒸镀硫系薄膜：将步骤S3中的薄膜样品放在样品台上，经过等离子体表面活化，使硫系薄膜在蒸发过程中均匀生长在薄膜样品上；
S5.电子胶及其表面上硫系薄膜的剥离：
S51.将镀膜后含有硫系薄膜的样品放入剥离液中水浴，初步去除样品上残留的电子束胶，以及电子束胶表面上的硫系薄膜；
S52.利用粘性胶多次粘贴样品表面进一步去除残留的电子束胶；
S53.最后，利用化学物理平坦化机对样品进行短暂的研磨抛光，实现片上硫系材料填充结构的制备。
在其中一个实施例中，所述的硫系材料包括硫化碲、锗碲硫或锗锑碲。
在其中一个实施例中，旋涂的电子束胶层的抗刻蚀性高于薄膜层。
在其中一个实施例中，所述的电子书胶层的厚度为400nm～800nm。
在其中一个实施例中，所述的步骤S3中刻蚀的凹槽的深度为80nm～400nm；填充结构的形状包括圆形、多边形；填充结构的边长或半径不小于150nm；相邻填充结构之间的间隔不小于100nm。
在其中一个实施例中，所述的剥离液水浴温度为20℃～70℃。
在其中一个实施例中，在所述的步骤S52中，利用粘性胶粘贴的次数不高于5次；利用化学物理平坦化机的势场不超过1min，压力低于0.5psi。
在其中一个实施例中，所述的粘性胶为蓝膜。
在其中一个实施例中，所述的缓冲层为氧化硅薄膜、掺锡氧化铟薄膜、非晶硅薄膜、氮化硅薄膜或石墨烯薄膜。
在其中一个实施例中，所述的刻蚀层为氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮化硅薄膜或硫系薄膜。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种片上硫系材料填充结构的制备方法，通过电子束曝光、深反应离子体反应刻蚀、热蒸镀生长硫系薄膜以及三步去胶流程，实现在片上填充较软的硫系薄膜结构，并与传统的填充结构制备作比较，提供了一种高精度易实现的硫系材料填充结构的制备方法。
附图说明
图1是本发明的制备流程示意图。
图2是本发明镀膜后样品的表面电镜图。
图3是本发明初步去胶后样品表面的电镜图。
图4是本发明制备完成后样品的电镜图。
附图标记：1、衬底；2、缓冲层；3、刻蚀层；4、电子束胶；5、电子束胶图案层；6、凹槽；7、残留电子束胶图案；8、硫系薄膜。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
硫系材料是以硫元素结合锗、砷、锑等形成的一种非晶材料，具有较高的折射率(在2.1-2.8之间)，和较高的非线性系数(是氧化硅材料的100倍)，它具有相对于硅等平台材料在通信波段具有可以忽略的双光子吸收收，折射率温度系数低(比硅小1-2个数量级)，可在低温下实现薄膜沉积，兼容CMOS工艺；而且，其中硫化物相变材料相变响应速度快，相变前后折射率相差较大(通常在1-2之间)。因此，硫系材料8是实现片上动态光器件的理想材料平台。
如图1和图2所示，一种片上硫系材料8填充结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：薄膜样品表面旋涂电子束胶4：薄膜样品由下至上依次为衬底1、掺锡氧化铟层、二氧化硅层；在所述的二氧化硅层上表面旋涂电子束胶4；
步骤2：电子束曝光：
S21.将旋涂有电子束胶4的薄膜样品固定在电子束曝光的样品台的卡槽中，通过相关设备将样品调整为水平，相对高度调成-50um～50um，并通过显微镜及相关设备记录下样品的相对坐标；最后，将所述的薄膜样品装在送样台上；
S22.通过电子束曝光相关软件对所想要曝光的图案进行处理，转化为控制电子束设备的程序文件，并输入步骤S21中记录的相对坐标；然后，将薄膜样品送入曝光腔室；最后，运行程序控制电子束对电子束胶4选择性曝光；
S23.曝光完成之后，将薄膜样品放入显影液内进行显影去除曝光区域的电子束胶4，直到形成所需要的电子束胶4图案层。
步骤3：深反应离子刻蚀：将显影过后含有电子束胶4图案层的薄膜样品放置于载盘上，利用深反应离子刻蚀机，对薄膜样品进行离子轰击及离子反应刻蚀，在刻蚀过程中，覆盖有电子束胶4图案层的薄膜区域没有接触到刻蚀离子而被保留，其他薄膜区域经过离子反应刻蚀被去除，由于暴露在离子下的区域面积足够大，在图案的各个部分反应离子的浓度一致，因此刻蚀速率均一致，刻蚀形成的凹槽6深度一致；刻蚀完成后，形成圆形凹槽6阵列，及残留电子束胶4图案。
步骤4：热蒸镀硫系薄膜：将步骤S3制备完成的样品放在样品台上，经过等离子体表面活化，清洁样品表面且使样品表面粘附性更好；由于蒸发腔室高度以及蒸发速率合适，硫系薄膜8可以均匀充分的填充进刻蚀后的圆形凹槽6中，以及残留电子束胶4上，使硫系薄膜8在蒸发过程中均匀生长在上述样品上，所述的硫系薄膜8选用硫化锑。
步骤5：电子胶及其表面上硫系薄膜的玻璃：将镀膜后含有硫系薄膜8的样品放入剥离液中水浴60摄氏度维持30分钟，初步去除样品上残留的电子束胶4，以及电子束胶4表面上的硫系薄膜8；利用粘性胶反复粘贴样品表面4次，进一步去除残留的电子束胶4；最后，利用化学物理平坦化机对样品进行30秒的研磨抛光，实现片上硫系材料8填充结构的制备。
观测结果过程为，通过SEM电镜进行观察，图2为在五千伏高压、17.6k倍下观察未去胶时的形貌；图3为在三千伏高压、31.6k倍下观察初步去胶时的形貌；图4为在五千伏高压、46.3k倍下观察完全去胶时的形貌。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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 (10)
1.一种片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.旋涂电子束胶(4)：薄膜样品由下至上依次为衬底(1)、缓冲层(2)、刻蚀层(3)；在所述的刻蚀层(3)上表面旋涂电子束胶(4)；
S2.电子束曝光：
S21.将旋涂有电子束胶(4)的薄膜样品固定在电子束曝光的样品台上，调整好薄膜样品相对高度，并记录下薄膜样品的相对坐标；最后，将薄膜样品装入送样台内；
S22.对所想要曝光的图案进行处理，转化为控制电子束设备的程序文件，并输入步骤S21中记录的相对坐标；然后，将薄膜样品送入曝光腔室；最后，运行程序控制电子束对电子束胶(4)选择性曝光；
S23.曝光完成后，将薄膜样品放入显影液内进行显影去除曝光区域变性后的电子束胶(4)，直到形成所需要的电子束胶(4)图案层；
S3.深反应离子刻蚀：将显影后，含有电子束胶(4)图案层的薄膜样品放置于载盘上，利用深反应离子刻蚀机，对薄膜样品进行离子轰击及离子反应刻蚀，在刻蚀过程中，覆盖有电子束胶(4)图案层的薄膜区域没有接触到刻蚀离子而被保留，其他薄膜区域经过离子反应刻蚀而被刻蚀；刻蚀完成后，形成凹槽(6)及残留电子束胶(4)图案；
S4.热蒸镀硫系薄膜(8)：将步骤S3中的薄膜样品放在样品台上，经过等离子体表面活化，使硫系薄膜(8)在蒸发过程中均匀生长在薄膜样品上；
S5.电子胶及其表面上硫系薄膜(8)的剥离：
S51.将镀膜后含有硫系薄膜(8)的样品放入剥离液中水浴，初步去除样品上残留的电子束胶(4)，以及电子束胶(4)表面上的硫系薄膜(8)；
S52.利用粘性胶多次粘贴样品表面进一步去除残留的电子束胶(4)；
S53.最后，利用化学物理平坦化机对样品进行短暂的研磨抛光，实现片上硫系材料填充结构的制备。
2.根据权利要求1所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，所述的硫系材料包括硫化碲、锗碲硫或锗锑碲。
3.根据权利要求1所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，旋涂的电子束胶(4)层的抗刻蚀性高于薄膜层。
4.根据权利要求3所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，所述的电子束胶层的厚度为400nm～800nm。
5.根据权利要求4所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中刻蚀的凹槽(6)的深度为80nm～400nm；填充结构的形状包括圆形、多边形；填充结构的边长或半径不小于150nm；相邻填充结构之间的间隔不小于100nm。
6.根据权利要求1所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，所述的剥离液水浴温度为20℃～70℃。
7.根据权利要求1所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，在所述的步骤S52中，利用粘性胶粘贴的次数不高于5次；利用化学物理平坦化机的势场不超过1min，压力低于0.5psi。
8.根据权利要求7所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，所述的粘性胶为蓝膜。
9.根据权利要求1所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，所述的缓冲层(2)为氧化硅薄膜、掺锡氧化铟薄膜、非晶硅薄膜、氮化硅薄膜或石墨烯薄膜。
10.根据权利要求1所述的片上硫系材料填充结构的制备方法，其特征在于，所述的刻蚀层(3)为氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮化硅薄膜或硫系薄膜(8)。
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