CN115215288A

CN115215288A - 一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法

Info

Publication number: CN115215288A
Application number: CN202210846223.4A
Authority: CN
Inventors: 王亮; 蒋凯; 刘英见; 罗丹洋; 江致远
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2022-10-21

Abstract

本发明涉及一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法，属于半导体加工工艺技术领域。被加工芯片的衬底上设有两种高度的两个以上的非连续台面，在非连续台面上制作金属空气桥的操作步骤如下：首先在具有非连续平面的衬底上匀涂第一光刻胶层，通过光刻留下覆盖两个非连续平面的光刻胶牺牲层；在玻璃化温度环境中热熔，实现对光刻胶牺牲层的形貌控制；在牺牲层上制作保护层和第二光刻胶层；采用刻蚀工艺去除需要制备金属空气桥位置的保护层；在镀膜设备中沉积金属，去除包括牺牲层在内的所有的光刻胶，实现非连续台面之间的金属空气桥互联。本发明的制备方法采用非常成熟的半导体工艺，实现了简单快速、低成本完成的非连续平面上金属空气桥的制作。

Description

一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法

技术领域

本发明属于半导体加工工艺技术领域，具体涉及一种应用于光电子器件芯片、形貌可控的金属空气桥制备方法。

背景技术

现有光电子器件芯片上的空气桥制备方法主要是灰度（梯度）曝光、单层介质辅助方案和多种介质辅助方案。灰度（梯度）曝光制备空气桥是通过对不同位置光刻胶提供不同的曝光剂量实现对光刻胶的梯度曝光，经过显影、镀膜和剥离后形成空气桥结构，灰度曝光的实现需要灰阶掩模版或者激光直写设备；灰阶掩模版的成本较高、制作难度大；而激光直写设备昂贵且工艺耗时长，灰度曝光方案不适于大规模工艺生产。单层介质辅助方案是通过单层光刻胶支撑层辅助制备空气桥结构，首先需要制备光刻胶支撑层，之后在支撑层表面再次进行光刻，通过双层胶剥离（lift-off）工艺制备空气桥，这种方案需要严格控制第二次光刻过程中的显影时间，制备得到的空气桥形貌难以控制。多种介质辅助方案需要两层或两层以上介质辅助制备空气桥，这些介质通常可以是光刻胶或者介质膜。多层介质辅助方案需要多种半导体工艺协同制备，工艺步骤较多，成本相对较高，不利于工业生产。

发明内容

为了实现在光电子器件芯片上简单、快速、低成本的制作金属空气桥，本发明提供一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法。

一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法，被加工件为芯片的衬底1，所述衬底1的被加工面上设有两种高度的两个以上的非连续台面，在两个以上的非连续台面上制作金属空气桥的操作步骤如下：

（1）在具有两个以上的非连续台面的衬底1上均匀涂设第一光刻胶层7；

（2）经过曝光显影，保留连接两个以上的非连续台面的第一光刻胶层7，去除其他部位的第一光刻胶层7；

（3）在玻璃化温度条件下热熔，热熔温度为120-140度、时间10-12分钟，得到与预期设计的金属空气桥形貌一致的光刻胶牺牲层8；

（4）在光刻胶牺牲层8上喷涂一层光刻胶保护层9，光刻胶保护层9的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、厚度为200纳米；

（5）在光刻胶保护层9上涂设一层1微米厚的LOR型光刻胶和一层1微米厚的AZ6112光刻胶，形成第二光刻胶层10；

（6）经过曝光和显影，去除需要制备金属空气桥相对应区域的第二光刻胶层10；

（7）采用干法刻蚀去除需要制备金属空气桥相对应区域的光刻胶保护层9，暴露出两个以上的非连续台面上需要制备金属空气桥的区域和光刻胶牺牲层8；

（8）将具有光刻胶牺牲层8、剩余的光刻胶保护层9和剩余的第二光刻胶层10的结构件放置于镀膜设备中，在光刻胶牺牲层8和剩余的第二光刻胶层10上沉积金属形成沉积金属层6，沉积金属层6的厚度为500纳米；

（9）将沉积金属层6的结构件放置于N-甲基吡咯烷酮NMP中水浴加热，去除光刻胶牺牲层8、剩余的光刻胶保护层9和剩余的第二光刻胶10，使光刻胶牺牲层8下方的区域形成镂空空间11，完成金属空气桥结构的制作。

进一步的技术方案如下：

步骤（1）中，所述第一光刻胶层7为SPR系列光刻胶或AZ系列光刻胶或S系列光刻胶。

步骤（8）中，所述沉积金属层6为由下至上依次沉积100纳米厚度钛、100纳米厚度铂和300纳米厚度金。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明实现了在光电子器件芯片上简单、快速、低成本制作金属空气桥。本发明的制备方法简单快速主要体现在制备工艺，制备工艺主要包括两次紫外光刻、一次反应离子干法刻蚀、一次电子束蒸发镀膜和一次有机溶剂剥离金属，这些工艺都是非常成熟的半导体工艺，耗时短且工艺门槛低。本发明的制备方法低成本主要体现在制备流程所需实验设备和实验耗材成本较低，无需复杂的激光直写设备、灰阶（梯度）掩模版或多层介质膜沉积。相比较于灰度（梯度）光刻制备金属空气桥，本发明无需复杂、昂贵的灰度掩模版或激光直写设备，采用普通的接触式掩模版和光刻机即可实现，对半导体设备的兼容性更好。相对于光刻胶支撑层方案，本发明引入光刻胶保护层，制作的金属空气桥形貌不受二次显影时间影响，能更方便实现预期设计的结构特征。相比于多层介质辅助方案，本发明制作的金属空气桥流程更加简单，工艺成本更低。

2.本发明实现了形貌可控的金属空气桥制备。通过引入光刻胶保护层9保护与预期设计的金属空气桥形貌一致的光刻胶牺牲层8，保护光刻胶牺牲层8的形貌在后续工艺中不被破坏，光刻胶保护层9材料的选择需满足不与紫外光刻胶反应且不与紫外光刻胶显影液反应；沉积金属前通过各向异性的干法刻蚀去除光刻胶保护层9，使得光刻胶牺牲层8在沉积金属前的形貌仍与预期设计的金属空气桥一致，从而使得沉积在光刻胶牺牲层表面的沉积金属层6与预期设计的金属空气桥形貌一致，去除光刻胶牺牲层8后便得到符合预期设计的金属空气桥；而光刻胶牺牲层8的形貌能通过改变光刻胶牺牲层8制备过程中的热熔时间和温度调节，即可通过调节光刻胶牺牲层8的形貌改变金属空气桥形貌。

附图说明

图1是本发明需要制备金属空气桥的波导探测器芯片的结构示意图。

图2是完成金属空气桥制作的波导探测器芯片的结构示意图。

图3是被加工结构件A-A处剖面图。

图4是制作步骤（1）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图5是制作步骤（2）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图6是制作步骤（3）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图7是制作步骤（4）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图8是制作步骤（5）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图9是制作步骤（6）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图10是制作步骤（7）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图11是制作步骤（8）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图12是制作步骤（9）在加工结构件A-A处剖面示意图。

图13是实现更大弧度金属空气桥制作的波导探测器芯片的结构示意图。

上图中序号：波导探测器芯片的衬底1、波导2、N电极台面3、P电极台面4、共面电极台面5、沉积金属层6、第一金属空气桥61、第二金属空气桥62、第三金属空气桥63、第一光刻胶层7、光刻胶牺牲层8、光刻胶保护层9、第二光刻胶层10、镂空空间11。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

在波导型光电探测器芯片中通过金属空气桥将探测器电极引至同一平面，方便探测器的后续测试、封装为例，说明本发明的制作方法。

参见图1和图3，被加工件为波导型探测器芯片，在芯片的衬底1的被加工面上设有波导2、N电极台面3、P电极台面4和共面电极台面5，且N电极台面3、P电极台面4和共面电极台面5为非连续台面。需要将P电极台面4和N电极台面3通过金属空气桥与电极台面5实现金属互连，从而实现将探测器P、N电极引至同一台面。

金属空气桥具体制作操作步骤如下：

（1）.参见图4，在具有波导2、N电极台面3、P电极台面4和共面电极台面5的非连续台面的衬底1上通过匀胶机均匀涂设厚度为2微米的第一光刻胶层7，第一光刻胶为SPR 220光刻胶。

（2）.参见图5，采用紫外接触式曝光机器对第一光刻胶层7进行曝光，显影后保留连接N电极台面3、P电极台面4和共面电极台面5的第一光刻胶层7，去除其他部位的第一光刻胶层7。

（3）.参见图6，将步骤（2）处理完成的结构件放在热板上进行玻璃化热熔，热熔温度为135度、时间10分钟，得到与预期设计的金属空气桥形貌一致的光刻胶牺牲层8。

（4）.参见图7，在光刻胶牺牲层8上采用喷胶机喷涂一层光刻胶保护层9，光刻胶保护层9的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、厚度为200纳米。

（5）.参见图8，在光刻胶保护层9上采用匀胶机涂设一层1微米厚的LOR型光刻胶和一层1微米厚的AZ 6112光刻胶，形成第二光刻胶层10。

（6）.参见图9，采用接触式紫外光刻机曝光，显影后去除需要制备金属空气桥相对应区域的第二光刻胶层10。

（7）.参见图10，采用干法刻蚀去除需要制备金属空气桥相对应区域的光刻胶保护层9，暴露出P电极台面4、N电极台面3和共面电极台面5上需要制备金属空气桥的区域和光刻胶牺牲层8；干法刻蚀采用反应离子刻蚀机进行，反应气体为氧气，氧气流量为每分钟20毫升，射频功率设置为100W，由于干法刻蚀过程是各向异性的，光刻胶牺牲层8的形貌在刻蚀后不改变。

（8）.参见图11，将步骤（7）处理完成的结构件放置于电子束蒸发镀膜设备中，在光刻胶牺牲层8和剩余的第二光刻胶层10上依次沉积100纳米厚钛、100纳米厚铂和300纳米厚金，形成沉积金属层6，沉积金属层6的总厚度为500纳米；沉积金属层6包括三条独立的第一金属空气桥61、第二金属空气桥62、第三金属空气桥63。

（9）.参见图12，将沉积金属层6的结构件放置于N-甲基吡咯烷酮（NMP）中水浴加热至80度维持30分钟，去除光刻胶牺牲层8、剩余的光刻胶保护层9和剩余的第二光刻胶10，使光刻胶牺牲层8下方的区域形成镂空空间11，完成三条独立的第一金属空气桥61、第二金属空气桥62、第三金属空气桥63的制作，得到P电极台面4、N电极台面3和共面电极台面5完成金属空气桥互联的波导探测器芯片，见图2。

实施例2

参见图13，将操作步骤（3）中的热熔温度设置为120度、热熔时间设置为15分钟，其他操作步骤不变的情况下得到图13所示的波导型探测器芯片，此时的金属空气桥形貌相比于图2的弧度更大。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法，被加工件为芯片的衬底（1），所述衬底（1）的被加工面上设有两种高度的两个以上的非连续台面，其特征在于：在两个以上的非连续台面上制作金属空气桥的操作步骤如下：

（1）在具有两个以上的非连续台面的衬底（1）上均匀涂设第一光刻胶层（7）；

（2）经过曝光显影，保留连接两个以上的非连续台面的第一光刻胶层（7），去除其他部位的第一光刻胶层（7）；

（3）在玻璃化温度条件下热熔，热熔温度为120-140度、时间10-15分钟，得到与预期设计的金属空气桥形貌一致的光刻胶牺牲层（8）；

（4）在光刻胶牺牲层（8）上喷涂一层光刻胶保护层（9），光刻胶保护层（9）的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、厚度为200纳米；

（5）在光刻胶保护层（9）上涂设一层1微米厚的LOR型光刻胶和一层1微米厚的AZ 6112光刻胶，形成第二光刻胶层（10）；

（6）经过曝光和显影，去除需要制备金属空气桥相对应区域的第二光刻胶层（10）；

（7）采用干法刻蚀去除需要制备金属空气桥相对应区域的光刻胶保护层（9），暴露出两个以上的非连续台面上需要制备金属空气桥的区域和光刻胶牺牲层（8）；

（8）将具有光刻胶牺牲层（8）、剩余的光刻胶保护层（9）和剩余的第二光刻胶层（10）的结构件放置于镀膜设备中，在光刻胶牺牲层（8）和剩余的第二光刻胶层（10）上沉积金属形成沉积金属层（6），沉积金属层（6）的厚度为500纳米；

（9）将沉积金属层（6）的结构件放置于N-甲基吡咯烷酮（NMP）中水浴加热，去除光刻胶牺牲层（8）、剩余的光刻胶保护层（9）和剩余的第二光刻胶（10），使光刻胶牺牲层（8）下方的区域形成镂空空间（11），完成金属空气桥结构的制作。

2.根据权利要求1所述一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述第一光刻胶层（7）为SPR系列光刻胶或AZ系列光刻胶或S系列光刻胶。

3.根据权利要求1所述一种基于非连续平面的金属空气桥制备方法，其特征在于：步骤（8）中，所述沉积金属层（6）为由下至上依次沉积100纳米厚度钛、100纳米厚度铂和300纳米厚度金。