TW201535463A

TW201535463A - 電子束還原圖案化金屬的裝置及其方法

Info

Publication number: TW201535463A
Application number: TW103108405A
Authority: TW
Inventors: Shih-En Lai; Ying-Chan Hung; Pin Chang; Tri-Rung Yew
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-09-16
Also published as: TWI489516B; US20150259783A1

Abstract

本發明揭露一種電子束還原圖案化金屬的裝置及其方法，其中，電子束還原圖案化金屬的裝置係可在基板上直接產生金屬圖案，該裝置包含：一電子束系統，具有準直、聚焦與掃描電子束的功能；一窗口薄膜，隔離真空、並做為電子束穿透窗口；一載台，置於該電子束窗口方向；一基板，置於該載台，面向電子束；一液體薄層，含有金屬離子的溶液，置於該基板面向電子束方向表面；以及一環境控制裝置，控制該基板表面的溫度、壓力、與環境氣氛。一種電子束還原圖案化金屬的方法，可在基板上直接產生金屬圖案，係利用電子束還原圖案化金屬的裝置，將電子束聚焦於基板上，並以預先設計的路徑掃描電子束，直至基板上還原的金屬累積形成預設的圖案。

Description

電子束還原圖案化金屬的裝置及其方法

本發明係有關於一種還原圖案化金屬的裝置及其方法，特別是指利用電子束還原的原理，在基板上形成圖案化金屬。本發明可應用在半導體製程銅導線、透明導電奈米銀陣列、表面電漿共振奈米金陣列、電感、金屬之3D列印等技術領域的產業。

習用技術中要在基板上形成圖案化金屬的製法，一般須先製作光罩、再藉由曝光、蝕刻等多道程序，來完成在基板上形成圖案化金屬的作業。

另外，習知專利前案有關形成金屬材料之方法，如第97125947號專利案即揭露一種方法，係利用具有供體基板及熱轉移層的供體部件，其中，熱轉移層包含催化材料，該方法係將熱轉移層自該供體部件熱轉移至該接受體，藉由使金屬材料在該催化材料上生長而在該接受體上無電沈積該金屬材料。

至於，有關運用還原反應原理在基板上形成金屬的先前技術中，有藉由電子束還原金屬在基板上的電子束沈積方法(e-beam induced deposition)，惟此種方法所使用的電解液較厚，所以只能在基板形成單點的金屬。相類似的技術中亦有將呈現氣體狀態的金屬，使用電子束予以還原的方法，然而以該方法所成形的金屬圖案，成份不純，例如形成的金屬中夾雜有氟、碳、矽等雜質。

再者，本技術範疇中，利用雷射還原金屬也是較為業界所習用的方法，然而以雷射光束形成的金屬圖案，由於雷射光束較為粗大，因此，在基板上形成圖案的尺寸相對地也較大，約為毫米單位的大小，並不符業界實際上所要求的標準。

如上所述，有鑑於習用技術或前案中，金屬圖案成形的製程繁瑣，或形成的金屬線或圖案太粗、還原的金屬不純等缺點。同時為了能夠使得金屬線、圖案連續成形在基板上，本創作發明人乃針對前述既有技術的缺失，研發改良而導入本發明電子束還原圖案化金屬的方法，同時藉由本發明電子束還原圖案化金屬的方法，創作一電子束還原圖案化金屬的裝置，完整提供解決現有還原圖案化金屬技術領域所面臨的瓶頸。

本發明的目的在於藉由電子束透過奈米薄膜層，照射在金屬離子溶液薄層，並移動電子束形成奈米程度細小的金屬細線，且本發明的金屬離子溶液薄層小於10μm，未填滿真空室與基板間的縫隙，並控制溶液所在環境的溫度、壓力與氣氛，以利金屬的還原，並避免金屬離子溶液蒸發，因此，本發明具有的優點為使用欲還原金屬的電解液，價格便宜、無毒性，且利用電子束可以還原極細且純度高的金屬線及連續的圖案。

為了達成上述的目的，本發明揭露了一種電子束還原圖案化金屬的裝置，係可在基板上直接產生金屬圖案，該電子束還原圖案化金屬的裝置包含：一電子束系統，可準直、聚焦與掃描電子束；一窗口薄膜，隔離真空，並做為電子束穿透窗口；一載台，置於該電子束穿透窗口方向；一基板，置於該載台、面向電子束；一液體薄層，含有金屬離子的溶液，置於該基板面向電子束方向表面；以及一環境控制裝置，控制該基板表面的溫度、壓力、與環境氣氛。

本發明同時揭露了一種電子束還原圖案化金屬的方法，係可在基板上直接產生金屬圖案，利用該電子束還原圖案化金屬的裝置，將電子束聚焦於基板上，並以預先設計的路徑掃描電子束，直至基板上還原的金屬累積至預設的圖案。

1‧‧‧電子束還原圖案化金屬裝置

10‧‧‧電子束系統

11‧‧‧電子發射源

12‧‧‧電子束

13‧‧‧真空室

14‧‧‧窗口薄膜

15‧‧‧薄膜支撐件

20‧‧‧載台

30‧‧‧液體薄層

31‧‧‧金屬點

32‧‧‧金屬線

40‧‧‧環境控制裝置

50‧‧‧基板

第1圖本發明利用電子束還原金屬圖案的作用原理示意圖。

第2圖本發明電子束還原圖案化金屬的裝置結構示意圖。

第3圖本發明電子束還原圖案化金屬方法及步驟示意圖。

為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，以下實施例特將本發明之結構以及設計的原理配合圖式加以說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點。

如圖式第1圖所示，為本發明利用電子束還原圖案化金屬的原理，圖中基板50上塗覆有厚度小於10μm的液體薄層30，例如金屬離子溶液，再藉由電子發射源11發射出電子束12照射在基板50上的金屬離子溶液，由於電子帶負電，所以能夠還原帶正電的金屬離子，因而在基板50上還原形成一個金屬點31。當基板50移動或電子束12連續移動，即可形成連續的金屬線32。或者基板50移動或電子束12移動到適當的位置，即可在基板50上其他區域，還原圖案化金屬。該圖中的方程式，其中，M^x+代表金屬離子溶液內的金屬離子，e^-為電子，M為所還原之金屬。

本發明為了達成利用電子束還原圖案化金屬的目的，揭示了一種電子束還原圖案化金屬的裝置1，請參照圖式第2圖，係可在一基板50上直接產生金屬圖案，該裝置1包含：一電子束系統10，包含有：一電子發射源11、一真空室13，該電子束系統10可準直、聚焦與掃描電子束12；一窗口薄膜14，以薄膜支撐件15設置於該真空室13底部以隔離真空，並做為電子束12穿透窗口；一載台20，設置於該電子束12穿透窗口方向，供置放一基板50；一液體薄層30，含有金屬離子的溶液，置於基板50面向電子束12方向表面；以及一環境控制裝置40，控制金屬還原環境的溫度、壓力、與氣氛。

當要在基板50上還原形成一金屬圖案時，將該基板50置於該載台-20，且基板50面向電子束12；電子束系統10真空室13內的電子發射源11激發電子束12，電子束12穿過奈米大小的窗口薄膜14，照射在基板50表面上的液體薄層30，該液體薄層30係含有金屬離子的溶液，此時金屬離子溶液30和電子束12電子作用在該基板50面上還原形成金屬點31。再者，藉由環境控制裝置40，控制該基板50表面的溫度、壓力、與環境氣氛，以利金屬的還原，並避免金屬離子溶液蒸發。

本實施例中，窗口薄膜14可為矽氮化物、矽碳化物、矽氧化物、鑽石薄膜、氧化鋁、氮化鋁等。該窗口薄膜厚度小於300nm，且以介於30~100nm為最佳。

較佳地，該窗口薄膜14之四周可由矽基材支撐。該載台20可控制基板50至欲還原金屬之位置。該液體薄層30之組成包含硫酸銅、四氯金酸、硝酸銀、硫酸鎳、六氯鉑酸等水溶液，其厚度小於10μm。且該液體薄層之厚度小於2μm為最佳。

該環境控制裝置40可控制溫度、壓力與環境氣氛於適合的條件，以利金屬之還原，並防止液體薄層蒸發，該基板50可為矽晶圓，三五、二六族半導體晶片，矽氧化物。

本發明更揭露了一種利用電子束還原圖案化金屬的方法，請配合參閱圖式第3圖，係利用本發明前述的電子束還原圖案化金屬的裝置，在一基板50上直接產生金屬圖案，該電子束12還原圖案化金屬的方法，其還原步驟為：將電子束聚焦於基板50上，並以預先設計的路徑掃描電子束12，直至基板50上還原的金屬累積至預設的圖案。其中，該電子束12可依預設路徑，做多次重複掃描。該基板50可搭配該電子束12預設路徑，做緩慢移動。該金屬圖案之線寬可由電子束12之聚焦大小決定。

綜上所述，本發明確實可達到以下的的功效和目的：

1.可形成奈米程度細小的金屬細線。

2.使用欲還原金屬的電解液，價格便宜、無毒性。

3.可以還原極細且純度高的金屬線及連續的圖案。

4.利用電子束還原金屬形成圖案，製程簡單。

上述實施例僅為例示性說明本發明之技術特徵及功效，而非用於限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明申請專利範圍所涵蓋之權利範圍內。