CN113921392B - 一种基于氧气等离子体蚀刻的ps小球循环刻蚀工艺 - Google Patents

一种基于氧气等离子体蚀刻的ps小球循环刻蚀工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，包括如下步骤：对衬底进行清洗干燥；在衬底上沉积单层PS小球；将其置于氧气等离子体蚀刻机的真空腔室内，设定相关工艺参数；预设单位蚀刻周期为连续的15秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，使用的单位蚀刻周期的数量为N，蚀刻总时长T=N*15秒；取出衬底，蒸镀金属层，进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移后，可用于微纳结构的制造。本发明解决了传统PS小球蚀刻过程中PS小球易融化所导致的PS小球光刻易失效、模板转移困难、PS小球残留物难以祛除等系列难题，通过实现高质量PS小球蚀刻工艺，来实现更为复杂精细的微纳结构制造。

Description

一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺
技术领域
本发明涉及一种PS小球蚀刻工艺，特别涉及一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺。
背景技术
在半导体工艺领域，传统光学光刻如紫外光刻或深紫外光刻可利用配备了KrF或ArF光源的光刻机，实现90-100nm的特征尺寸。但由于其高昂的光刻机等设备成本和光刻胶等耗材成本，许多应用场景中，PS小球光刻技术有着较大的优势。特别是利用PS小球光刻技术来制备多种有序微纳结构的技术，在近几年来得到了极大的发展。但由于PS小球在蚀刻过程中容易软化或融化，这一性质将导致PS小球光刻易失效、模板转移困难、PS小球残留物难以祛除等难题。目前的PS小球光刻技术受阻于PS小球蚀刻工艺瓶颈，往往难以实现特征尺寸在100nm左右的精细微纳结构。
因此，开发一种高质量PS小球刻蚀工艺，对低成本的PS小球光刻技术以及其在半导体工艺领域中进一步得到活用具有重大意义。
发明内容
基于传统PS小球蚀刻过程中PS小球易融化所导致的PS小球光刻易失效、模板转移困难、PS小球残留物难以祛除等系列难题；本发明提供一种基于氧气等离子体蚀刻的高质量PS小球循环刻蚀工艺，有效抑制了PS小球在蚀刻过程中易融化的问题，提高了PS小球光刻工艺成熟度，推进PS小球光刻特征尺寸进入100nm技术节点。
一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，包括如下步骤：
步骤1，对衬底进行清洗，干燥后备用；
步骤2，在干燥后的衬底上沉积单层PS小球；
步骤3，将沉积单层PS小球的衬底置于氧气等离子体蚀刻机的真空腔室内，设定氧气气体流量为40 sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
步骤4，预设单位蚀刻周期T0为连续的15秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，通过所使用的单位蚀刻周期的数量N来控制总体蚀刻时长T，蚀刻总时长T = N*15秒，所使用的N的数量对于400-450nm、600-650nm、750-800nm直径的PS小球使用最多不超过14、22、28次；
步骤5，取出衬底，蒸镀金属层，祛除PS小球以及残留物后，进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移后，可用于微纳结构的制造。
作为改进的是，步骤1中所述衬底为硅、石英、玻璃、GaAs、InP、或Al2O3半导体晶圆衬底。
作为改进的是，步骤1中所述清洗步骤为：将衬底依次置于丙酮、异丙醇和去离子水中，并使用室温超声波水浴辅助清洗；所述干燥为衬底置于氮气环境中加热至105℃，保持5分钟。
作为改进的是，步骤2中沉积单层PS小球采用的方法为提拉法：将5μL的10%重量百分比的PS小球均匀滴在装有150ml的去离子水的口径为15cm的玻璃培养皿的液体表面；静置十分钟后，滴入5μL的2%的十二烷基硫酸钠溶液，对表面形成的松散单层PS小球进行挤压，形成致密堆积的单层PS小球膜；将衬底置于溶液中，移至该层致密堆积的单层PS小球膜之下，向空气中提拉，将该层附着于衬底之上；空气中静置15分钟，待水分蒸发后，即得到沉积了致密堆积的单层PS小球衬底。
作为改进的是，步骤3中所述氧气等离子体蚀刻机为等离子体激发功率范围500W-2500w的电子回旋共振等离子体蚀刻机（ECR-RIE）或范围在100W-200W的高功率射频等离子体蚀刻机（RF-RIE）。
作为改进的是，步骤5中金属层的金属材料为铝，铬，钛，金，银或钯。
作为改进的是，步骤5中所述有机溶剂清洗的步骤为：将衬底置于有机溶剂中，并辅以不少于十分钟的低功率超声水浴清洗，所述有机溶剂为二氯甲烷或甲苯。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，具有如下优势：
本发明工艺操作简单，能有效抑制PS小球在氧气等离子蚀刻下所发生的融化现象，从而进一步缩小PS小球光刻的特征尺寸，从而实现了低成本的特征尺寸在90.8nm±5.3nm 的精细微纳结构。
附图说明
图1为实施例1的衬底上沉积607nm初始直径PS小球后的俯视图；
图2为实施例1的衬底上607nm初始直径的PS小球氧气等离子体蚀刻后的侧视图，（a）为实施例1，（b）为对比例1；
图3为实施例2的衬底上784nm初始直径的PS小球氧气等离子体蚀刻后的侧视图，（a）为实施例2，（b）为对比例2；
图4是实施例3的衬底上607nm初始直径的PS小球经过5.5分钟蚀刻总时长后的俯视和侧视图，其中，（a）为俯视图，（b）为侧视图；
图5是实施例3的衬底上607nm初始直径的PS小球经过5.5分钟蚀刻总时长后完成微纳结构制造步骤的俯视图；
图6是实施例4与对比例4的衬底上425nm初始直径的PS小球氧气等离子体蚀刻后的侧视图，其中，（a）为实施例4，（b）为对比例4。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
本发明关于衬底的清洗的步骤为：将衬底依次置于丙酮、异丙醇和去离子水中，并使用室温超声波水浴辅助清洗，清洗后再将衬底置于氮气环境中加热至105℃，保持5分钟；
所有沉积单层PS小球采用的方法为提拉法：将5μL的10%重量百分比的PS小球均匀滴在装有150ml的去离子水的口径为15cm的玻璃培养皿的液体表面；静置十分钟后，滴入5μL的2%的十二烷基硫酸钠溶液，对表面形成的松散单层PS小球进行挤压，形成致密堆积的单层PS小球膜；将衬底置于溶液中，移至该层致密堆积的单层PS小球膜之下，向空气中提拉，将该层附着于衬底之上；空气中静置15分钟，待水分蒸发后，即得到沉积了致密堆积的单层PS小球衬底。
实施例1
一种基于氧气等离子体蚀刻的607nm初始直径PS小球循环刻蚀工艺，包括如下步骤：
（1）将硅衬底进行清洗，然后干燥待用；
（2）如图1所示，在衬底上沉积单层607nm初始直径的PS小球；具体步骤为：
（3）将衬底置于氧气等离子体蚀刻机真空腔室内，设定氧气气体流量为40sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
（4）如图2（a）所示，预设单位蚀刻周期（T0）为连续的15秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，使用12个单位蚀刻周期，蚀刻总时长为：15秒×12个单位蚀刻周期 =3分钟；
（5）取出衬底，蒸镀铬(Cr)金属层，祛除PS小球以及残留物后进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移，用于后续进一步的微纳结构制造步骤。
对比例1
基于氧气等离子体蚀刻的607nm初始直径PS小球普通刻蚀工艺，包括如下步骤：
（1）将硅衬底进行清洗，然后干燥待用；
（2）如图1所示，在衬底上沉积单层607nm初始直径的PS小球；
（3）将衬底置于氧气等离子体蚀刻机真空腔室内，设定氧气气体流量为40 sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
（4）如图2（b）所示，连续蚀刻 3分钟；
（5）取出衬底，蒸镀铬(Cr)金属层，由于PS小球完全融化于硅衬底之上，铬金属层完全覆盖在PS小球和硅衬底之上，有机溶剂无法与PS材料接触，无法融化铬金属层下的PS残留，无法进行PS小球祛除以及残留物清洗步骤，模板转移失败，无法用于后续进一步的微纳结构制造步骤。
实施例2
一种基于氧气等离子体蚀刻的784nm初始直径PS小球循环刻蚀工艺，包括如下步骤：
（1）将GaAs的衬底进行清洗，然后干燥待用；
（2）在衬底上沉积单层784nm初始直径的PS小球；
（3）将衬底置于氧气等离子体蚀刻机真空腔室内，设定氧气气体流量为40sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
（4）如图3（a）所示，预设单位蚀刻周期（T0）为连续的15秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，使用16个单位蚀刻周期，蚀刻总时长4分钟；
（5）取出衬底，蒸镀银(Ag)金属层，祛除PS小球以及残留物后进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移，用于后续进一步的微纳结构制造步骤；
对比例2
基于氧气等离子体蚀刻的784nm初始直径PS小球普通刻蚀工艺，包括如下步骤：
（1）将GaAs的衬底进行清洗，然后干燥待用；
（2）在衬底上沉积单层784nm初始直径的PS小球；
（3）将衬底置于氧气等离子体蚀刻机真空腔室内，设定氧气气体流量为40 sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
（4）如图3（b）所示，连续蚀刻4分钟；
（5）取出衬底，蒸镀银(Ag)金属层，由于PS小球完全融化于硅衬底之上，银金属层完全覆盖在PS小球和硅衬底之上，有机溶剂无法与PS材料接触，无法融化银金属层下的PS残留，无法进行PS小球祛除以及残留物清洗步骤，模板转移失败，无法用于后续进一步的微纳结构制造步骤。
实施例3
一种基于氧气等离子体蚀刻的607nm初始直径PS小球极限蚀刻条件下的循环刻蚀工艺，包括如下步骤：
（1）将硅衬底进行清洗，然后干燥待用；
（2）如图1所示，在衬底上沉积单层607nm初始直径的PS小球；
（3）将衬底置于氧气等离子体蚀刻机真空腔室内，设定氧气气体流量为40 sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
（4）如图4所示，预设单位蚀刻周期（T0）为连续的15秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，使用22个单位蚀刻周期，蚀刻总时长：15秒×22个单位蚀刻周期 = 5.5分钟；
（5）取出衬底，蒸镀铝(Al)金属层，祛除PS小球以及残留物后进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移，用于后续进一步的微纳结构制造步骤，如图5所示。
实施例4
一种基于氧气等离子体蚀刻的425nm初始直径PS小球标准激发时长的循环刻蚀工艺，包括如下步骤：
（1）将石英衬底进行清洗，然后干燥待用；
（2）在衬底上沉积单层425nm初始直径的PS小球；
（3）将衬底置于氧气等离子体蚀刻机真空腔室内，设定氧气气体流量为40 sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
（4）如图6（a）所示，预设单位蚀刻周期（T0）为连续的15秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，使用12个单位蚀刻周期，蚀刻总时长3分钟；
（5）取出衬底，蒸镀金（Au）金属层，祛除PS小球以及残留物后进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移，用于后续进一步的微纳结构制造步骤。
对比例4
一种基于氧气等离子体蚀刻的425nm初始直径PS小球两倍标准激发时长的循环刻蚀工艺，包括如下步骤：
（1）将石英衬底进行清洗，然后干燥待用；
（2）在衬底上沉积单层425nm初始直径的PS小球；
（3）将衬底置于氧气等离子体蚀刻机真空腔室内，设定氧气气体流量为40sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
（4）如图6（b）所示，预设单位蚀刻周期（T0）为连续的30秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，使用6个单位蚀刻周期，蚀刻总时长3分钟；
（5）取出衬底，蒸镀金（Au）金属层，祛除PS小球以及残留物后进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移，用于后续进一步的微纳结构制造步骤；
对比实施例4的结果图6（a）与对比例4的结果图6（b），实施例4的最终PS小球形态清晰可辨，未发生PS小球融化现象，后续的金（Au）金属层与PS小球和硅衬底之间能形成明显缝隙，有机溶剂得以充分与PS材料接触，能够融化银金属层下的PS小球剩余部分，进而剥离该部分的金属层，完成模板转移，可以用于后续进一步的微纳结构制造步骤。而对比例4的结果中，发现最终PS小球形态较为模糊，发生了部分PS小球融化现象。说明了单位蚀刻周期中，15秒的等离子激发时间较为理想。较长的激发时间会导致PS小球融化现象的出现，较短的激发时间会导致整体工艺耗时过长。
本发明创新使用循环蚀刻工艺，对比实施例1与对比例1，以及实施例2与对比例2，可以看出该工艺能有效抑制PS小球在氧气等离子蚀刻下所发生的融化现象。通过实施例3中607nm初始直径PS小球极限蚀刻条件的展示，可以看出该工艺能极大缩小PS小球光刻的特征尺寸，从而实现了低成本的特征尺寸在90.8nm±5.3nm 的精细微纳结构。对比实施例4与对比例4，该工艺中单位蚀刻周期中，15秒的等离子激发时间更为理想。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对衬底进行清洗，干燥后备用；
步骤2，在干燥后的衬底上沉积单层PS小球，其中，沉积单层PS小球采用的方法为提拉法：将5μL的10％重量百分比的PS小球均匀滴在装有150ml的去离子水的口径为15cm的玻璃培养皿的液体表面；静置十分钟后，滴入5μL的2％的十二烷基硫酸钠溶液，对表面形成的松散单层PS小球进行挤压，形成致密堆积的单层PS小球膜；将衬底置于溶液中，移至该层致密堆积的单层PS小球膜之下，向空气中提拉，将该层附着于衬底之上；空气中静置15分钟，待水分蒸发后，即得到沉积了致密堆积的单层PS小球衬底；
步骤3，将沉积单层PS小球的衬底置于氧气等离子体蚀刻机的真空腔室内，设定氧气气体流量为40sccm，腔室气体压强为2mTorr，氧气等离子体激发功率为0.5kW；
步骤4，预设单位蚀刻周期T0为连续的15秒氧气等离子体激发时间与30秒停止激发时间，通过所使用的单位蚀刻周期的数量N来控制总体蚀刻时长T，蚀刻总时长T＝N*15秒，所使用的N的数量对于400-450nm、600-650nm、750-800nm直径的PS小球使用最多不超过14、22、28次；
步骤5，取出衬底，蒸镀金属层，祛除PS小球以及残留物后，进行有机溶剂清洗和干燥处理，完成模板转移后，可用于微纳结构的制造。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，其特征在于，步骤1中所述衬底为硅、石英、玻璃、GaAs、InP、或Al2O3半导体晶圆衬底。
3.根据权利要求1所述的一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，其特征在于，步骤1中所述清洗步骤为：将衬底依次置于丙酮、异丙醇和去离子水中，并使用室温超声波水浴辅助清洗；所述干燥为衬底置于氮气环境中加热至105℃，保持5分钟。
4.根据权利要求1所述的一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，其特征在于，步骤3中所述氧气等离子体蚀刻机为等离子体激发功率范围500W-2500w的电子回旋共振等离子体蚀刻机或范围在100W-200W的高功率射频等离子体蚀刻机。
5.根据权利要求1所述的一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，其特征在于，步骤5中金属层的金属材料为铝，铬，钛，金，银或钯。
6.根据权利要求1所述的一种基于氧气等离子体蚀刻的PS小球循环刻蚀工艺，其特征在于，步骤5中所述有机溶剂清洗的步骤为：将衬底置于有机溶剂中，并辅以不少于十分钟的低功率超声水浴清洗，所述有机溶剂为二氯甲烷或。
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