硅基铜阵列制备技术研究

论文总字数：27142字

摘 要

本文主要探究了一系列技术，包括磁控溅射技术、二氧化硅薄膜的制备、光刻工艺中的新型光刻技术如纳米压印技术、传统光刻技术中的曝光方式和刻蚀方法的新近进展。

选择使用直流磁控溅射的方法在硅片上镀一层1微米厚的铜膜，然后再利用真空电子束蒸镀的方法在镀好的铜膜上覆盖一层100纳米厚的二氧化硅保护膜，并使用台阶测量法测量这两种薄膜的厚度。

运用L-Edit软件设计出一个掩膜板的图形，再利用因此得到的掩膜板和近紫外光的负性胶SU-8光刻胶，在获得的样品上通过投影式曝光、PGMEA显影、离子束刻蚀和有机溶液去胶等步骤得到光刻的图形，图形为10×10组，每组的间距是3-5毫米，每一组包含10×10个单元，阵列间距为200微米×200微米，每一个单元的直径是50微米。

最后探讨了在运用直流磁控溅射技术、真空电子束蒸镀技术和光刻工艺所遇到的问题和原因，以及相关的解决方法。并对文中一些考虑不周详的地方提出了下一步思考的方向。

关键词：直流磁控溅射，电子束蒸镀，光刻，阵列

A STUDY ON THE PREPARATION TECHNOLOGY OF COPPER-ON-SILICON ARRAY

Abstract

In this thesis, series of new progresses of some technologies, such as magnetron sputtering, preparation of silicon oxide film, new photolithographic method like nanoimprint lithography, exposure and etching in conventional lithography were discussed.

DC magnetron sputtering was chosen to make copper film deposited and e-beam evaporation to silicon oxide film. The thickness of copper film was about 1 um required while this of silicon oxide film was expected to 100 nm. Then, Step apparatus was used to detect thickness of these two films.

And the photomask was designed using L-Edit for photolithography. The pattern contains 10×10 groups, each group has 10×10 cells. SU-8 photoresist was a kind of negative and near ultra-violet photoresist. With EPON SU-8 this pattern was transferred to the sample through exposure, development with PGMEA, ion-beam etching, ashing and other processes. Thus, a copper array with 50 micron diameter was created. Pitch of this array is 200 micron×200 micron.

Finally, problems meeting in the utilization of such technologies, like DC magnetron sputtering, e-beam evaporation and photolithography, were discussed, including causes and solutions. The direction of some consideration enlightened by these thesis was also pointed out.

KEY WORDS: DC magnetron sputtering, E-beam evaporation, Photolithography, Array

目 录

摘要··……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ·…………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论····………………………………………………………………………1

1.1 引言··········………………………………………………………………1

1.2 硅基铜阵列制备技术的研究现状····………………………………………1

1.2.1 磁控溅射技术的研·······…………………………………………1

1.2.2 二氧化硅薄膜的制备方法·…………………………………………1

1.2.3光刻工艺··……………………………………………………………2

1.3 本文的研究目的和主要研究内容····………………………………………7

1. 直流磁控溅射镀铜·····………………………………………………………8

2.1 直流磁控溅射的原理··………………………………………………………8

2.2 硅片的清洗和工艺参数··……………………………………………………9

2.3 铜膜厚度的测量··……………………………………………………………9

1. 真空电子束蒸镀二氧化硅薄膜·………………………………………………11

3.1 电子束蒸镀设备的原理·……………………………………………………11

3.2 样品的清洗和蒸镀工艺参数·………………………………………………11

3.3 台阶测量法测量二氧化硅薄膜厚度·………………………………………11

1. 光刻工艺···……………………………………………………………………12

4.1 清洁处理·……………………………………………………………………12

4.2 前烘和前处理·………………………………………………………………12

4.3 涂胶·····……………………………………………………………………13

4.4 前烘·····……………………………………………………………………14

4.5 曝光·····……………………………………………………………………14

4.6 曝光后烘和冷却·……………………………………………………………15

4.7 显影·····……………………………………………………………………15

4.8 坚膜·····……………………………………………………………………16

4.9 图形检查·……………………………………………………………………16

4.10刻蚀·····……………………………………………………………………16

4.11去胶·····……………………………………………………………………16

1. 分析和总结·……………………………………………………………………17

5.1 分析·····……………………………………………………………………17

5.2 总结·····……………………………………………………………………18

5.3 展望·····……………………………………………………………………18

致谢 ··…………………………………………………………………………………20

参考文献··………………………………………………………………………………21

1. 绪 论

1.1 引言

石墨烯是一种具有二维结构的材料，拥有强大的硬度、较低的密度和超高的长宽比。这样的性质使它成为了一种应用于纳机电系统(NEMS)的理想材料，比如说单层石墨烯谐振电路[1]。

由于在碳化硅上生长的石墨烯层是无法被轻易地剥离下来的，然而在某些金属衬底上生长的石墨烯是可以被剥离的[2,3,4]。又由于碳在铜中具有低溶解性的特点，因此在铜上生长的石墨烯具有自限性的特征[5]，所以可以利用在硅片上附着铜膜，通过金属催化外延的方法来生成单层石墨烯，即将碳氢化合物通入，加热后吸附的气体将会催化脱氢。研究表明，铜膜的结构会影响到石墨烯的生长，比如说在Cu(111)上外延生长石墨烯，会影响到石墨烯的生长状况[6]。铜膜的结构也有可能会影响到石墨烯的性质，比如在聚晶的铜上生长的石墨烯，连续性会受到影响[7]。

所以对于需要大面积生长的石墨烯来说，铜膜的处理是十分重要的[8]。

1.2 硅基铜阵列制备技术的研究现状

1.2.1 磁控溅射技术的研究

溅射沉积是一种坚固且优质的物理气相沉积方法，是通过高能粒子来撞击固体表面(靶)，让固体原子从固体表面射出的现象。其中的高能粒子大部分都是指由电场加速的气体正离子如氩离子，最常用的则是磁控溅射技术[9](magnetron sputtering)。它通常是在真空的条件下，利用磁场和电场之间的共同作用，来使被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，这时靶材将会以原子、分子或离子的形式弹出，然后沉积在基片上，形成薄膜。

在磁控溅射技术中，高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)是一种峰值功率超过时间平均功率两个数量级的脉冲磁控溅射[10]。这种技术的主要特点在于使用脉冲等离子体放电来高度离子化的等离子体和溅射材料。而高度离子化的溅射材料有利于平滑且致密的薄膜生长[11]。不同于直流磁控溅射，脉冲磁控溅射的电源使用了矩形波电压，从而抑制了电弧的产生，因此而产生的薄膜缺陷将被消除。但这项技术的沉积速率低于直流磁控溅射，就铜膜的沉积速率来说，在直流磁控溅射技术的30%—60%之间[12]，且稳定性仍然有待提高。

反应磁控溅射(RMS)则是通过金属靶材和反应气体的混合，在基片的表面上形成一层金属化合物的薄膜[13]，这不适合于铜膜的沉积。

1.2.2 二氧化硅薄膜的制备方法

二氧化硅薄膜的制备方法主要有一下几种：物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热氧化法(Thermal Oxidation)、溶胶凝胶法(Sol-Gel)和液相沉积法(Liquid Phase Deposition)等[14]。

其中物理气相沉积法(PVD)主要又分为了蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜这三大类。溶胶凝胶法利用的则是硅酸乙酯在酸性条件下的水解性质，产生二氧化硅材料。

1.2.2.1 电子束蒸镀技术的研究

电子束蒸镀(E-beam evaporation)指的就是在高真空的条件下，将需要蒸镀的材料坩埚中，利用电子束加热，从而达到熔化温度，进而蒸发达到基底表面，并附着在上面的一种技术。在利用电子束蒸镀二氧化硅薄膜的时候，由于SiO的气压特性[15]，SiO可以作为二氧化硅薄膜的源，发生的反应为2SiO →SiO2 Si[16]。但在射频磁控溅射中这个方法是不可行的[17]。

而超高真空电子束蒸镀技术(Ultra-High-Vaccum E-beam evaporation)通常用于沉积硅薄膜。它的基准压力是Torr，在蒸镀的过程中，真空度的数量级可能会变为Torr，这由沉积的温度和速率决定[18]。

1.2.2.2 热氧化法技术的研究

热氧化法(thermal oxidation)是在高温下使硅片表面发生氧化反应，从而形成二氧化硅薄膜的方法。热氧化法虽然简单快速，但是形成的薄膜结构疏松[19]，管道中的硅烷容易氧化，从而导致二氧化硅粉尘污染。实际上除了硅以外，碳化硅也是一种可以通过热氧化法得到绝缘的二氧化硅的半导体化合物，由于只有少量的碳会污染氧化物和SiO2/SiC的边界，所以可以用来制造SiC-MOS器件[20]。

1.2.3 光刻工艺

光刻(photolithography)一词来源于希腊语，“lithos”一词的意思为石头，而“graphia”一词的意思是写。这个词的原意是在石头上逐字地书写。在光刻工艺中，石即是硅片，图形通过一种光敏的聚合物，即光刻胶，被印到硅片上。

光刻的重要性主要体现在两个方面上。首先，由于在IC制造中存在大量的光刻步骤，所以光刻在制造过程中所占的花费大约为30%。第二，光刻是未来特征尺寸缩小的主要限制，从而会影响到晶体管速度和硅面积。

1.2.3.1 新型光刻技术

纳米压印光刻技术(Nanoimprint Lithograph)作为一种新型的光刻技术，不再利用光刻胶的抗蚀性，而是利用物理形变，来实现光刻。它拥有极高的分辨率，而光刻过程相对于传统的光刻工艺来说又简单许多。主要有热压印光刻(hot embossing lithography)、紫外硬化压印光刻(ultra-violet nanoimprint lithography)和微接触压印光刻(Micro contact nanoimprint lithography)三种[21]。

热压印是将模具压在光刻胶上，由于压力的存在，光刻胶就会填到模具的空腔中间，待冷却后刻蚀即可。但由于热压印在高温高压的条件下工作，很容易产生形变。于是在这个基础上又发展了一种激光辅助压印技术(Laser assistant direct imprint, LADI)，通过准分子激光照射，能够避免热印压产生的形变误差[22]。

紫外硬化压印光刻是将低粘度的液态树脂涂布在基片上，然后将模子按压在树脂上并用紫外光照射使树脂硬化，再将模子拿出达到光刻效果的工艺。[23]它可以提供极高的产量、位置精度和分辨率并且成本低廉。

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