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在襯底材料的鈍化層上形成三維圖形結構的方法與流程

文檔序號:18476061發布日期:2019-08-20 21:05
在襯底材料的鈍化層上形成三維圖形結構的方法與流程

本發明涉及襯底材料的鈍化層上的圖形加工方法,具體是在襯底材料上鈍化層上形成三維圖形結構的方法。



背景技術:

隨著微電子工藝的快速發展,器件的小型化發展的難度也日益增大。由于三維納米結構的廣泛應用,故三維器件的構造也成為提高器件集成度的一個重要途徑。

目前,常見的制備三維結構的方法主要有雙光子干涉曝光工藝、激光干涉曝光工藝、灰度曝光工藝、離子束刻蝕工藝及沉積工藝。但是,這些工藝均存在種種缺陷,比如,利用雙光子干涉曝光工藝或激光干涉曝光工藝制備三維圖形時,圖形尺寸受光斑大小的影響很大,且制備得出的三維圖形的最小尺寸都在微米或亞微米量級,很難達到納米級的尺度精度。

因此本領域需要一種三維微納米結構或圖形的制作方法,特別是一種基于高精度的無掩模圖形化方法,取代傳統的使用圖形化掩膜版的光學光刻技術。實現高精度二維或者三維微納結構圖形直寫和操縱,用以制備三維微納米功能結構與器件的技術。



技術實現要素:

本發明的目的在于提供一種在襯底材料的鈍化層上制備三維圖形結構的方法,通過對掃描探針進行加熱,并由精確的定位和運動控制,對圖形化目標進行高精度的材料汽化。探針沿襯底平面運動或形成一定夾角運動從而形成三維立體結構,實現真正意義上三維結構的制備,為三維器件的加工提供新技術。此外,由于通過探針掃描對鈍化材料進行汽化,探針運動阻力小,能夠實現進行高精度的運動控制,從而能夠通過該方法形成具有微納米級別尺寸精度的三維立體結構。

為達到上述目的,本發明提供一種在襯底材料的鈍化層上形成三維圖形結構的方法,所述方法包括如下步驟:

在襯底上制備鈍化層;

提供探針,所述探針位于所述鈍化層上方;

加熱所述探針至能將所述鈍化層汽化的溫度,并將所述探針靠近所述鈍化層;

根據預定的三維圖形在所述鈍化層上方移動所述探針以將所述鈍化層的一部分汽化,從而在所述鈍化層上形成三維圖形。

在一較佳實施例中,所述鈍化層是光刻膠。

在一較佳實施例中,所述鈍化層是氧化硅、氮化硅或金屬上設有光刻膠的復合結構。

在一較佳實施例中,所述鈍化層是氧化硅、氮化硅或金屬。

在一較佳實施例中,在所述鈍化層上方移動所述探針包括以下步驟:

將所述探針移動至預定豎直位置,并在所述豎直位置所在的水平平面內水平移動;

將所述探針移動至下一預定豎直位置,并在所述下一預定豎直位置所在的水平平面內水平移動;

重復上一步驟,直至形成所述預定的三維圖形。

在一較佳實施例中,能將所述鈍化層汽化的溫度為200℃至1000℃。

在一較佳實施例中,所述探針為金屬探針。

在一較佳實施例中,所述光刻膠通過旋涂方式涂覆。

在一較佳實施例中,所述探針包括懸臂部分和從所述懸臂部分突出的尖端,所述尖端的底部內設有加熱電極。

在一較佳實施例中,將所述探針加熱至所述鈍化層上表面的材料能夠汽化的溫度。

根據本發明的方法,能夠進行鈍化層的無掩模圖形化、高效快速、成本低、且工藝簡化;形成的結構尺寸精度可達到微納米級;該方法不僅可形成二維結構,也可形成三維結構。

附圖說明

圖1為使用根據本發明方法的襯底材料的俯視示意圖;

圖2為圖1所示的襯底材料的主視示意圖;

圖3為探針位于襯底材料的鈍化層上方的示意圖;

圖4為通過探針在襯底材料的鈍化層上形成二維圖形的示意圖;

圖5為通過探針在襯底材料的鈍化層上形成三維圖形的示意圖;

圖6A為探針的示意圖,而圖6B為探針尖端的放大示意圖;

圖7為襯底材料的鈍化層為氧化層的示意圖;

圖8為襯底材料的鈍化層為氧化層上設有光刻膠的復合結構;

圖9為探針的支撐臂的第一實施例的示意圖;

圖10為探針的支撐臂的第二實施例的示意圖;

圖11為探針的支撐臂的第三實施例的示意圖;

圖12為探針的支撐臂的第四實施例的示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細說明,以便更清楚理解本發明的目的、特點和優點。應理解的是,附圖所示的實施例并不是對本發明范圍的限制,而只是為了說明本發明技術方案的實質精神。

在下文的描述中,出于說明各種公開的實施例的目的闡述了某些具體細節以提供對各種公開實施例的透徹理解。但是,相關領域技術人員將認識到可在無這些具體細節中的一個或多個細節的情況來實踐實施例。在其它情形下,與本申請相關聯的熟知的裝置、結構和技術可能并未詳細地示出或描述從而避免不必要地混淆實施例的描述。

除非語境有其它需要,在整個說明書和權利要求中,詞語“包括”和其變型,諸如“包含”和“具有”應被理解為開放的、包含的含義,即應解釋為“包括,但不限于”。

在整個說明書中對“一個實施例”或“一實施例”的提及表示結合實施例所描述的特定特點、結構或特征包括于至少一個實施例中。因此,在整個說明書的各個位置“在一個實施例中”或“在一實施例”中的出現無需全都指相同實施例。另外,特定特點、結構或特征可在一個或多個實施例中以任何方式組合。

如該說明書和所附權利要求中所用的單數形式“一”和“所述”包括復數指代物,除非文中清楚地另外規定。應當指出的是術語“或”通常以其包括“和/或”的含義使用,除非文中清楚地另外規定。

在以下描述中,為了清楚展示本發明的結構及工作方式,將借助諸多方向性詞語進行描述,但是應當將“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“內”、“向外”、“向內”、“上”、“下”等詞語理解為方便用語,而不應當理解為限定性詞語。

本發明提供一種在襯底材料的鈍化層上形成三維圖形結構的方法。參見圖1,示出了可適用本發明方法的各種襯底材料例如襯底材料1和襯底材料2,它們放置在載物臺3上。圖1中所示襯底材料2呈方形和圓形,但應理解,襯底材料2也可呈矩形、橢圓形或其他不規則形狀。襯底材料2可以是硅片、玻璃片或陶瓷片等。圖2示出其側視圖。

上述方法首先在例如襯底材料2的干凈襯底材料上制備鈍化層5。較佳地,在制備鈍化層5之前,對襯底材料2進行清洗。具體的清洗方法和清洗步驟根據襯底材料2的材料來選擇。例如,在襯底材料2是硅片的情況下,清洗步驟包括加熱、煮沸、沖洗。清洗步驟去除襯底材料2上的表面雜質、氧化物或其他非襯底材質的雜質,以避免襯底材料2上的表面雜質、氧化物或其他非襯底材質的雜質影響鈍化層5的形成以及形成的鈍化層5的致密性、堅固性、耐腐蝕性和耐刻蝕性。在清洗完成之后制備鈍化層5。鈍化層5可以通過氧化、氣相沉積、或者涂覆等來形成。鈍化層5可以是單層,例如是光刻膠層,或者是氧化硅、氮化硅或金屬層(見圖7),也可以是復合層,例如在氧化硅、氮化硅或金屬層上設有光刻膠的復合層(見圖8)。在使用上述復合層時,較佳地通過旋涂的方式將光刻膠涂覆在位于其下方的氧化硅、氮化硅或金屬層上。該涂覆方法方便快捷,且涂覆形成的光刻膠層的均勻性好。在具體實施時,可根據需要選擇不同的鈍化層。

接著,提供探針4,探針4包括懸臂部分41和位于懸臂部分41末端并從懸臂部分41突出的尖端42,如圖6A所示。如圖3所示,將用于掃描汽化的探針4置于襯底材料2的鈍化層5上方,然后將探針4的尖端42靠近鈍化層5。

然后加熱探針4,具體是加熱探針4的尖端42,將其加熱至能將鈍化層5汽化的溫度。具體地,將尖端42加熱至鈍化層5上表面的材料能夠汽化的溫度。對于不同結構的鈍化層,該加熱溫度也不相同,例如,在鈍化層5為光刻膠層的情況下,加熱溫度為200℃-500℃,更通常是在300-400℃。而在鈍化層5為金屬層的情況下,加熱溫度可高達1000℃。在鈍化層5為上述復合層的情況下,對不同層的鈍化材料可進行汽化溫度的相應調整。

當探針4的尖端42被加熱至使得鈍化層5能夠汽化的溫度時,將探針4,具體是尖端42在鈍化層5上方移動。尖端42在鈍化層5上方移動的方式類似于掃描式移動,其移動根據預定的三維圖形通過控制系統進行。控制系統能夠接收圖紙輸入,并將其轉換為相應的動作信號,從而引導探針進行掃描式移動。在尖端42掃描經過之處,鈍化層5瞬間汽化,從而在鈍化層5上形成三維圖形。具體地,是的尖端42在鈍化層5移動至預定的豎直位置,并在該豎直位置所在的水平平面內水平移動。在進行完一個豎直位置的水平平面內的掃描移動之后,尖端42移動至下一豎直位置,并在該下一豎直位置所在的水平平面內水平移動,如此重復,直至將預定的三維圖形形成在鈍化層5上。由于尖端42的移動幾乎沒有阻力,通過精確控制,尖端42從一個豎直位置到下一豎直位置之間的距離可達到1納米至幾納米。

通過上述方法既能夠在鈍化層5上形成二維圖形(見圖4)也能在鈍化層5上形成三維圖形(見圖5)。

在鈍化層5上形成三維圖形之后,將帶有圖形化的鈍化層5的襯底材料2放入可腐蝕鈍化層5的化學溶液中,去除鈍化層5。在鈍化層5是光刻膠和氧化硅、氮化硅或金屬層形成的復合層的情況下,首先去除光刻膠層,再之后利用后續工藝,比如擴散工藝、薄膜工藝、犧牲層工藝、互連工藝、濕法腐蝕工藝、干法刻蝕工藝、蒸鍍工藝以及濺射工藝等對襯底材料進行加工,即可在襯底材料上形成三維納米結構或圖形。再通過金屬鍍膜工藝和金屬電極蝕刻工藝完成襯底材料上的電路制造。

如上文所述,探針4包括懸臂部分41和位于懸臂部分41末端并從懸臂部分41突出的尖端42。圖6B中示出了尖端42的放大圖。其中尖端42包括底座421,該底座421與懸臂部分41一體形成或固定連接至懸臂部分41。在該底座421內設有多個電極425。各支撐臂423從底座421延伸并在遠離底座421的端部連接至針尖部423。支撐臂422由耐高溫材料制成,在支撐臂422內部可設置導線,用于連接針尖部423與底座421內的電極。較佳地,支撐臂422呈彎曲形狀,從而防止支撐臂422由于觸碰或高溫而折斷。多個電極425包括多個加熱電極以及至少一個感溫電極。尖端42通過各加熱電極加熱到所需溫度。感溫電極用于感測尖端42的溫度。感測電極可以是例如熱敏電阻,通過測量隨溫度變化的電阻來確定感測電極的溫度。

尖端42的溫度控制通過PID控制(比例-積分-微分控制)來實現。通過感測電極測得尖端42的溫度,并將測得的溫度與預定溫度比較,當測得的溫度與預定溫度之差達到一定數值時,則通過增加或減少工作的加熱電極的數量、增大或降低加熱電極的功率、以及啟動或者停止各加熱電極的工作來調解尖端42的溫度。在各個加熱電極功率不同的情況下,還可根據需要選擇不同的加熱電極組合來減少或增加正在運行的所述加熱電極的總功率以調節尖端42的溫度。

圖9-12中示出了對探針2進行精確定位的結構。具體地,如圖9所示,探針4由支架6支撐。支架6可構造成能夠對探針4的懸臂部分進行支撐的任何結構。在圖示實施例中,支架6為大致豎直延伸的支撐桿。懸臂部分的一端固定至支架6并從支架6水平延伸,尖端42設置在懸臂部分的遠離支架6的一端。在該實施例中,懸臂部分包括懸臂支撐部412和懸臂驅動部413。懸臂驅動部413的遠離支架6的末端設有尖端42。懸臂驅動部413與懸臂支撐部412沿豎直方向彼此緊鄰并間隔開。如圖7所示,在懸臂支撐部412的下側設有電磁片416,而在懸臂驅動部413設置在懸臂支撐部412下方且在其上側與電磁片416相應的位置設有電磁片71。在需要將懸臂支撐部412下移從而將尖端42下移時,可對電磁片416和71通電,使兩者磁性相反,通過電磁片416與71之間的吸引力而使懸臂支撐部412下移,從而帶動尖端42下移。在需要將懸臂支撐部412上移從而將尖端42上移時,可對電磁片416和71通電,使兩者磁性相同,通過電磁片416與71之間的排斥力而使懸臂支撐部412上移,從而帶動尖端42上移。在所示實施例中,懸臂驅動部413設置在懸臂支撐部412的下方,但應理解,也可將懸臂驅動部413設置在懸臂支撐部412的上方。在該情況下,則在懸臂支撐部412的上側和懸臂驅動部413的下側的彼此相對位置設置電磁片416和71。

此外,可在懸臂支撐部412和懸臂驅動部413上設置一組以上的電磁片。例如在圖10中所示的,在懸臂支撐部412上側和懸臂驅動部413的下側各設置有三組電磁片。

此外,還應理解,也可將每組電磁片416和71中的一個設置為永磁體片,而另一個為電磁片。

采用上述方式來實現尖端42沿豎直方向的位移,能夠通過精確調整通往電磁片的電流來調整懸臂支撐部412與懸臂驅動部413之間吸引力或排斥力的大小,從而使得尖端42沿豎直方向的位移精度能夠顯著提高,甚至達到1納米至幾納米。

圖11示出了另一實施例。在該實施例中,在懸臂部分上設有沿其長度布置的一個應變段417。該應變段417由多層復合材料制成。多層復合材料中的各層具有不同的熱膨脹系數,當溫度變化時,各層材料發生不同程度的膨脹或收縮變形。例如,應變段417可由兩種不同材料層復合而成。通過控制應變段417的溫度,使得應變段417發生向上或向下的彎曲,由此帶動懸臂部分整體上移或下移,進而帶動實現尖端42上移或下移。此外,可在懸臂部分上設置一個以上的應變段417。例如在圖12中示出的,懸臂部分上設置有三個應變段417。

通過采用上述方式來實現尖端42沿豎直方向的位移,可通過控精確制應變段417的溫度變化來控制應變段417的彎曲,從而使得尖端42沿豎直方向的位移精度能夠顯著提高,甚至達到1納米至幾納米。

上述實施例中示出了采用電磁片和應變段來實現懸臂部分上的尖端42沿豎直方向移動的實施例。但應理解,也可在懸臂部分上組合采用電磁片和應變段來實現懸臂部分的上移和下移。

以上已詳細描述了本發明的較佳實施例,但應理解到,若需要,能修改實施例的方面來采用各種專利、申請和出版物的方面、特征和構思來提供另外的實施例。

考慮到上文的詳細描述,能對實施例做出這些和其它變化。一般而言,在權利要求中,所用的術語不應被認為限制在說明書和權利要求中公開的具體實施例,而是應被理解為包括所有可能的實施例連同這些權利要求所享有的全部等同范圍。

再多了解一些
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