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CN117976522A - 一种纳米线宽金属图形的制作方法 - Google Patents

一种纳米线宽金属图形的制作方法 Download PDF

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CN117976522A
CN117976522A CN202410133740.6A CN202410133740A CN117976522A CN 117976522 A CN117976522 A CN 117976522A CN 202410133740 A CN202410133740 A CN 202410133740A CN 117976522 A CN117976522 A CN 117976522A
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layer
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CN202410133740.6A
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彭炜
吴止竞
刘晓宇
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Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
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Abstract

本发明提供一种纳米线宽金属图形的制作方法，包括：提供衬底，于衬底上形成电子束抗蚀剂层；图形化电子束抗蚀剂层形成开口，开口贯穿电子束抗蚀剂层，开口呈漏斗状，开口包括底垂直部及位于底垂直部上方的顶倾斜部；于电子束抗蚀剂层上形成金属层，金属层并形成于开口中，其中，金属层的厚度小于底垂直部的高度；采用剥离法去除电子束抗蚀剂层以及位于电子束抗蚀剂层上方的金属层。本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中，采用电子束灰度曝光形成漏斗状的图形开口，一方面防止图形开口在沉积金属过程中过早封闭，减小金属图形的厚度偏差，另一方面避免电子束抗蚀剂层剥离后金属图形两侧残留毛刺，形成高质量的金属图形。

Description

一种纳米线宽金属图形的制作方法
技术领域
本发明属于电子束光刻技术领域，涉及一种纳米线宽金属图形的制作方法。
背景技术
对于特征尺寸为纳米量级的金属图形，通常可采用具有高分辨率的电子束曝光形成掩模图形，然后利用干法刻蚀或剥离工艺进行掩膜图形转移形成所需金属图形。对于采用干法刻蚀进行纳米尺寸金属图形转移时面临的主要困难是当金属薄膜具有一定厚度时，干法刻蚀时间较长，例如对于Au、Pd、Pt等贵金属，一般采用离子束刻蚀，刻蚀速率慢，从而刻蚀时间变长，而长时间的离子束轰击会造成抗蚀剂掩膜层的变形和变性，不但引起图形转移的精度下降，而且导致去除残余抗蚀剂掩膜层的难度也加大；若采用硬掩膜层来降低离子束轰击对电子束抗蚀剂的影响，又会增加工艺复杂度，相比于干法刻蚀图形转移，剥离工艺通过化学手段快速溶解未曝光的电子束抗蚀剂层，时间、设备和工艺成本可大幅度降低，因此，剥离工艺是当前微纳加工技术研究的热点之一，常用于电极、光栅等各类器件结构制备。
采用剥离工艺进行纳米量级金属图形转移的具体过程是通过电子束曝光形成掩膜图形后沉积金属薄膜，然后将未曝光的电子束抗蚀剂连同其上面的金属薄膜(上层金属)在溶液中进行剥离，最终在衬底上形成目标图形。为了让电子束抗蚀剂在剥离液中溶解时上层金属和衬底上沉积的金属薄膜彻底断开，实现上层金属完全剥离，一般要求电子束抗蚀剂的厚度是被剥离的上层金属厚度的三倍以上，但是，电子束抗蚀剂层的厚度增加又会影响电子束曝光的分辨率。虽然利用剥离工艺实现电子束曝光图形转移已成为当前微纳结构制备的重要手段，但随着器件尺寸向纳米量级推进，能否成功实现高质量的剥离，与电子束抗蚀剂侧壁轮廓形态控制密切相关，一般而言，对于特征宽度为纳米量级的图形，电子束抗蚀剂在经过曝光显影后的侧壁轮廓形态为垂直(或近似垂直)、底切(掩膜图形横截面为倒梯形)和顶切(掩模图形横截面为正梯形)三种情况，对于掩模图形的侧壁轮廓为垂直和底切形态时，沉积金属时易在掩模图形台阶边缘处粘连堆积，逐渐将图形开口封闭，无法继续在目标区域沉积金属，最终无法获得目标厚度的金属图形结构；对于掩模图形的侧壁轮廓为顶切形态时，沉积金属时侧壁斜坡上也会部分金属沉积，导致剥离后在目标图形侧面形成毛刺。
因此，如何解决剥离后金属图形厚度偏差大、边缘毛刺等问题，是当前纳米量级金属图形制作工艺中亟待解决的技术难点。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米线宽金属图形的制作方法，用于解决现有技术中剥离后金属图形厚度偏差大、边缘毛刺的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种纳米线宽金属图形的制作方法，包括以下步骤：
提供衬底，于所述衬底上形成电子束抗蚀剂层；
图形化所述电子束抗蚀剂层形成开口，所述开口贯穿所述电子束抗蚀剂层，所述开口呈漏斗状，所述开口包括底垂直部及位于所述底垂直部上方的顶倾斜部；
于所述电子束抗蚀剂层上形成金属层，所述金属层并形成于所述开口中，其中，所述金属层的厚度小于所述底垂直部的高度；
采用剥离法去除所述电子束抗蚀剂层以及位于所述电子束抗蚀剂层上方的所述金属层。
可选地，图形化所述电子束抗蚀剂层形成开口的步骤包括：
采用版图设计工具绘制版图图形，所述版图图形包括目标图形和位于所述目标图形外围的灰度图形；
将所述版图图形转换为电子束曝光设备所对应的版图格式，然后于所述电子束曝光设备中对所述电子束抗蚀剂层进行曝光，其中，所述目标图形区域的曝光剂量大于所述灰度图形区域的曝光剂量；
于显影液中对所述电子束抗蚀剂层进行显影，形成所述开口。
可选地，所述电子束抗蚀剂层采用正性电子束抗蚀剂，所述电子束抗蚀剂层的厚度范围为100～500nm，所述目标图形的曝光剂量范围为300～1200μC/cm2，所述灰度图形的曝光剂量范围为100～600μC/cm2。
可选地，于显影液中对所述电子束抗蚀剂层进行显影后，还包括于定影液中对所述电子束抗蚀剂层进行定影的步骤。
可选地，所述显影液包括乙酸戊酯溶液、甲基异丁基酮-异丙醇混合溶液，所述定影液包括异丙醇溶液。
可选地，所述版图设计工具包括L-edit或GDSⅡ，所述电子束曝光设备所对应的版图格式包括V30文件、SCON文件或GPF文件。
可选地，所述底垂直部的宽度范围为20～100nm。
可选地，所述金属层的材质包括Au、Pt、Pd、Ti、Cr、Cu和Al中的一种或多种。
可选地，采用磁控溅射法、电子束蒸镀法或热蒸镀法形成所述金属层。
可选地，采用剥离法去除所述电子束抗蚀剂层以及位于所述电子束抗蚀剂层上方的所述金属层的步骤包括：
将形成所述金属层后的样品放入预设温度的N-甲基吡咯烷酮溶液中加热，然后再将所述样品依次放入去离子水、丙酮、异丙醇中超声清洗。
如上所述，本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中，采用电子束灰度曝光形成漏斗状的图形开口，一方面防止图形开口在沉积金属过程中过早封闭，减小金属图形的厚度偏差，另一方面避免电子束抗蚀剂层剥离后金属图形两侧残留毛刺，形成高质量的金属图形。
附图说明
图1显示为本发明的纳米线宽金属图形的制作方法工艺流程图。
图2显示为本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中于衬底上形成电子束抗蚀剂层的示意图。
图3显示为本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中于电子束抗蚀剂层中形成开口的示意图。
图4显示为本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中于电子束抗蚀剂层中形成开口的电镜图片。
图5显示为本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中于电子束抗蚀剂层上形成金属层的示意图。
图6显示为本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中剥离去除电子束抗蚀剂层以及位于电子束抗蚀剂层上方金属层的示意图。
图7显示为本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中形成的纳米线宽金属图形的电镜图片。
元件标号说明
1 衬底
2 电子束抗蚀剂层
3 开口
4 金属层
S1～S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例提供一种纳米线宽金属图形的制作方法，请参阅图1，显示为该制作方法工艺流程图，包括以下步骤：
S1：提供衬底，于所述衬底上形成电子束抗蚀剂层；
S2：图形化所述电子束抗蚀剂层形成开口，所述开口贯穿所述电子束抗蚀剂层，所述开口呈漏斗状，所述开口包括底垂直部及位于所述底垂直部上方的顶倾斜部；
S3：于所述电子束抗蚀剂层上形成金属层，所述金属层并形成于所述开口中，其中，所述金属层的厚度小于所述底垂直部的高度；
S4：采用剥离法去除所述电子束抗蚀剂层以及位于所述电子束抗蚀剂层上方的所述金属层。
首先，请参阅图2，执行步骤S1：提供衬底1，于所述衬底1上形成电子束抗蚀剂层2。
作为示例，所述衬底1包括但不限于硅衬底、氮化硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底，具体地，本实施例中所述衬底1采用硅衬底。
作为示例，所述电子束抗蚀剂层2采用正性电子抗蚀剂，包括但不限于ZEP520A、ARP6200或PMMA950A4等，具体地，本实施例中采用ZEP520A。
作为示例，采用甩胶工艺于所述衬底1上涂敷所述电子束抗蚀剂层2，甩胶转速为3500rpm，甩胶时间45秒，形成的所述电子束抗蚀剂层2的厚度范围为100～500nm，具体地，本实施例中形成200nm厚度的电子束抗蚀剂层2。
作为示例，涂敷所述电子束抗蚀剂层2后，将样品放入烤台进行烘干，烘干温度为180℃，烘干时间为5min。
需要说明的是，在其它示例中，若所述衬底1采用绝缘衬底，形成所述电子束抗蚀剂层2后，还包括于所述电子束抗蚀剂层2上形成导电胶层的步骤。
接着，请参阅图3，执行步骤S2：图形化所述电子束抗蚀剂层2形成开口3，所述开口3贯穿所述电子束抗蚀剂层2，所述开口3呈漏斗状，所述开口3包括底垂直部及位于所述底垂直部上方的顶倾斜部。
作为示例，所述底垂直部呈矩形状，所述顶倾斜部呈倒梯形状，所述底垂直部的顶端与所述顶倾斜部的底端连通，其中，所述底垂直部的宽度为纳米量级，例如20～100nm，所述底垂直部的宽度决定后续形成的金属图形的线宽；具体地，本实施例中，所述底垂直部的宽度为50nm。
作为示例，形成所述开口3的步骤包括：
(一)采用版图设计工具绘制版图图形，所述版图图形包括目标图形和位于所述目标图形外围的灰度图形，其中，设定目标图形的宽度为50nm；
(二)将所述版图图形转换为电子束曝光设备所对应的版图格式，然后于所述电子束曝光设备中对所述电子束抗蚀剂层2进行曝光，所述目标图形的曝光剂量大于所述灰度图形的曝光剂量；
(三)于显影液中对所述电子束抗蚀剂层2进行显影，形成所述开口3。
作为示例，版图设计工具包括L-edit软件或GDSⅡ软件，版图设计通常为GDS文件，不同的电子束曝光设备会有相应的专用图形文件格式，例如，曝光时版图在JEOL的曝光设备中需要转换为V30文件，在Elionix的曝光设备中需要转换为SCON文件，在Raith的曝光设备中需要转换为GPF文件，根据需求进行转换，具体地，本实施例中，采用JEOL JBX-6300FS电子束曝光机。
作为示例，曝光剂量梯度的设定根据电子抗蚀剂类型、厚度以及选定曝光显影条件下的电子束抗蚀剂对比度曲线等条件综合考虑。本申请中，曝光时使用的电子束加速电压为100kV，束流为100pA，所述目标图形的曝光剂量为300～1200μC/cm2，所述灰度图形的曝光剂量为100～600μC/cm2，由于所述目标图形的曝光剂量大于所述灰度图形的曝光剂量，所述目标图形区域的电子束抗蚀剂层2被曝光透，所述灰度图形区域的电子束抗蚀剂层2未被曝光透，经显影后形成漏斗状的所述开口3，具体地，本实施例中，所述目标图形区域的曝光剂量为400μC/cm2，所述灰度图形区域的曝光剂量为120μC/cm2。
作为示例，将完成电子束曝光后的样品放入乙酸戊酯溶液、甲基异丁基酮-异丙醇混合溶液或AR600-546溶液中显影60s，在异丙醇中定影60s，并用氮气枪吹干。
作为示例，请参阅图4，显示为于电子束抗蚀剂层中形成开口的电镜图片，开口呈漏斗状，与所设计的开口形状一致。
接着，请参阅图5，执行步骤S3：于所述电子束抗蚀剂层2上形成金属层4，所述金属层4并形成于所述开口3中，其中，所述金属层4的厚度小于所述底垂直部的高度。
作为示例，采用磁控溅射法、电子束蒸镀法或热蒸镀法于所述电子束抗蚀剂层2上形成金属层4，所述金属层4的材质包括Au、Pt、Pd、Ti、Cr、Cu和Al中的一种或多种；具体地，本实施例中，采用电子束蒸镀法形成Ti金属层，蒸发速率为0.1nm/s，沉积厚度为70nm。
作为示例，沉积所述金属层4的过程中，所述金属层4沉积到所述开口3中的速率小于所述金属层4沉积到所述电子束抗蚀剂层2上的速率，于所述电子束抗蚀剂层2上沉积70nm厚度的金属层4，沉积到所述开口3中显露的所述衬底1上的厚度约为30nm。
作为示例，沉积到所述开口3中的金属层的厚度小于所述底垂直部的高度，使得位于所述衬底1上的金属层4和位于所述电子束抗蚀剂层2上的金属层4之间断开，利于后续剥离工艺去除所述电子束抗蚀剂层2以及位于所述电子束抗蚀剂层2上方的所述金属层4。
接着，请参阅图6，执行步骤S4：采用剥离法去除所述电子束抗蚀剂层2以及位于所述电子束抗蚀剂层2上方的所述金属层4。
作为示例，采用剥离法去除所述电子束抗蚀剂层2以及位于所述电子束抗蚀剂层2上方的所述金属层4的步骤包括：
(一)将沉积所述金属层4后的样品放入温度为90℃的N-甲基吡咯烷酮溶液中加热30min后超声清洗5min，其中，N-甲基吡咯烷酮溶液作为所述电子束抗蚀剂层2的去胶剂；
(二)再将样品依次放入去离子水、丙酮、异丙醇中分别超声清洗5min，将所述电子束抗蚀剂层2连同其上的所述金属层4去除，保留的位于所述衬底1上的所述金属层4构成纳米线宽金属图形。
作为示例，所述开口3的顶倾斜部呈倒梯形状，有效抑制了台阶处沉积金属的堆积效应，防止图形开口在沉积金属过程中过早封闭，减小金属图形的厚度偏差，并且，所述开口3的底垂直部呈矩形状，避免了所述电子束抗蚀剂层2剥离后金属图形两侧残留毛刺，形成高质量的金属图形，为电子束曝光技术在纳米光栅、波带片、超导纳米线、超导约瑟夫森结等器件加工中的应用奠定基础。
作为示例，完成所述电子束抗蚀剂层2的剥离后，在扫描电子显微镜下观察金属图形的质量，如图7所示，显示为纳米线宽金属图形的电镜图片，最终在Si衬底上形成线宽约为50nm，厚度约30nm的金属纳米线阵列。
综上所述，本发明的纳米线宽金属图形的制作方法中，采用电子束灰度曝光形成漏斗状的图形开口，一方面防止图形开口在沉积金属过程中过早封闭，减小金属图形的厚度偏差，另一方面避免电子束抗蚀剂层剥离后金属图形两侧残留毛刺，形成高质量的金属图形。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，于所述衬底上形成电子束抗蚀剂层；
图形化所述电子束抗蚀剂层形成开口，所述开口贯穿所述电子束抗蚀剂层，所述开口呈漏斗状，所述开口包括底垂直部及位于所述底垂直部上方的顶倾斜部；
于所述电子束抗蚀剂层上形成金属层，所述金属层并形成于所述开口中，其中，所述金属层的厚度小于所述底垂直部的高度；
采用剥离法去除所述电子束抗蚀剂层以及位于所述电子束抗蚀剂层上方的所述金属层。
2.根据权利要求1所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于，图形化所述电子束抗蚀剂层形成开口的步骤包括：
采用版图设计工具绘制版图图形，所述版图图形包括目标图形和位于所述目标图形外围的灰度图形；
将所述版图图形转换为电子束曝光设备所对应的版图格式，然后于所述电子束曝光设备中对所述电子束抗蚀剂层进行曝光，其中，所述目标图形区域的曝光剂量大于所述灰度图形区域的曝光剂量；
于显影液中对所述电子束抗蚀剂层进行显影，形成所述开口。
3.根据权利要求2所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：所述电子束抗蚀剂层采用正性电子束抗蚀剂，所述电子束抗蚀剂层的厚度范围为100～500nm，所述目标图形的曝光剂量范围为300～1200μC/cm2，所述灰度图形的曝光剂量范围为100～600μC/cm2。
4.根据权利要求2所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：于显影液中对所述电子束抗蚀剂层进行显影后，还包括于定影液中对所述电子束抗蚀剂层进行定影的步骤。
5.根据权利要求4所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：所述显影液包括乙酸戊酯溶液、甲基异丁基酮-异丙醇混合溶液，所述定影液包括异丙醇溶液。
6.根据权利要求2所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：所述版图设计工具包括L-edit或GDSⅡ，所述电子束曝光设备所对应的版图格式包括V30文件、SCON文件或GPF文件。
7.根据权利要求1所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：所述底垂直部的宽度范围为20～100nm。
8.根据权利要求1所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：所述金属层的材质包括Au、Pt、Pd、Ti、Cr、Cu和Al中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：采用磁控溅射法、电子束蒸镀法或热蒸镀法形成所述金属层。
10.根据权利要求1所述的纳米线宽金属图形的制作方法，其特征在于：采用剥离法去除所述电子束抗蚀剂层以及位于所述电子束抗蚀剂层上方的所述金属层的步骤包括：
将形成所述金属层后的样品放入预设温度的N-甲基吡咯烷酮溶液中加热，然后再将所述样品依次放入去离子水、丙酮、异丙醇中超声清洗。
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