專利名稱:一種高密度超尖硅探針陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體硅材料制造工藝技術(shù)，具體是指一種直接以倍半氧硅氫化物(HSQ)為刻蝕掩模的高密度、超尖硅探針(tip)陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
硅探針廣泛應(yīng)用于場發(fā)射體及原子力顯微鏡(AFM)、掃描探針顯微鏡(SPM)和相 關(guān)探針掃描技術(shù)的探針(見文獻(xiàn)
1
)，同時也被用作碳納米管、GaN涂層、納米級金剛石顆 粒和類金剛石薄膜的生長模板(見文獻(xiàn)
2
3
)。針尖尺寸在納米量級的超尖硅在上述 領(lǐng)域有著日益增長的需求(見文獻(xiàn)
4
)。
然而，幾乎所有現(xiàn)有的技術(shù)都需要氧化物層作掩膜進(jìn)行二次圖形轉(zhuǎn)移，只能制備 微米以上周期的探針陣列，對于亞微米周期的高密度探針陣列制備依然是一個挑戰(zhàn)。通常 硅探針的制作工藝如下
首先，通過PECVD等方法在襯底上生長一層氧化硅或氮化硅。然后，在此氧化物 或氮化物上旋涂一層UVN30等負(fù)膠。電子束曝光后顯影形成UVN30等負(fù)膠的點(diǎn)陣圖形，以 UVN30等負(fù)膠為掩模對圖形區(qū)域的氧化硅進(jìn)行各向異性刻蝕，將UVN30等負(fù)膠的圖形轉(zhuǎn)移 到氧化硅層上。接著以剩余的UVN30和氧化硅作為掩模，對硅進(jìn)行各向同性刻蝕，在對硅進(jìn) 行縱向刻蝕的同時進(jìn)行橫向刻蝕，形成硅探針陣列(見文獻(xiàn)
4
)。此時得到的探針針尖 較粗，需通過進(jìn)一步的氧化工藝和腐蝕工藝來銳化針尖，使其達(dá)到納米量級(見文獻(xiàn)
2
4
)。
上述背景技術(shù)中所引用的文獻(xiàn)為
1
Ching-Hsiang Tsai, Shi-Pu Chen, Gen-Wen Hsieh, Chao-Chiun Liang, Wei-Chih Lin, Shi-Jun Tseng and Chuen-Horng Tsai, Nanotechnology 16 (2005)S296
2
M. Hajra, N. N. Chubun, A. G. Chakhovskoi, C. E. Hunt, K. Liu, A. Murali, S. H. Risbud, T. Tyler and V. Zhirnov, J. Vac. Sci. Technol. B21 (2003) 458.
3
I.W. Range low, St. Biehl，J. Vac. Sci. Technol. B19 (2001) 916.
4
Jiarui Tao,Yifang Chen,Adnan Malik,Ling Wang,Xingzhong Zhao,Hongwei Li, Zheng Cui, Microelectronic Engineering 78 (2005) 147

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述高密度、超尖硅探針陣列的制備困難，本發(fā)明提出一種直接以HSQ 為刻蝕掩模的高密度、超尖硅探針陣列的制備方法，此方法可以制備出百納米周期的超尖 硅探針陣列，尖寬只有幾納米，而且無需任何額外的氧化/腐蝕工藝來進(jìn)一步銳化針尖。
本發(fā)明方法直接以倍半氧硅氫化物(HSQ) 2為電子束光刻膠和刻蝕掩膜。首先，將 HSQ2旋涂在硅片1上，如圖1(b)所示，通過電子束光刻方法進(jìn)行曝光后顯影形成HSQ的點(diǎn) 陣圖形3。然后，以HSQ為掩模直接對硅進(jìn)行各向同性刻蝕，通過控制刻蝕條件，可使針尖最 尖、同時HSQ即將或自動脫落，形成硅探針陣列4，針尖達(dá)到幾個納米，無需任何額外的氧化和腐蝕等銳化工藝，非常簡單。
本發(fā)明方法所采用的HSQ電子束光刻膠由H2SiO3的重復(fù)單元組成，經(jīng)過熱處理或 電子束曝光后，會轉(zhuǎn)變成SiO2類結(jié)構(gòu)，因此，可以同時直接用作硅的刻蝕掩模。這樣，就省掉 了電子束光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到氧化物掩模的過程。另外，HSQ的分辨率非常，可以達(dá)到6nm。 由于掩模的厚度和尺寸均由HSQ控制，從而使得納米周期的硅探針陣列制備成為可能，所 以特別適合于高密度硅探針陣列的制備，其周期至少可以做到百納米量級，它的密度比相 關(guān)文獻(xiàn)報道的密度大很多。這也是本發(fā)明方法的優(yōu)勢之一。


圖1為硅探針制備工藝過程示意圖。
圖2為實(shí)施例1周期為500nm的硅探針陣列的SEM圖像，嵌入的插圖為將HSQ掩 膜用HF酸清洗掉之前的圖像。
圖3為實(shí)施例2周期為400nm的硅探針陣列的SEM圖像。
圖4為實(shí)施例3周期為200nm的硅探針陣列的SEM圖像。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)介紹
實(shí)施例1 :500nm周期的硅探針陣列
首先，直接將HSQ2旋涂在硅片1上，以5000轉(zhuǎn)速/分的轉(zhuǎn)速維持約1分鐘，轉(zhuǎn)速 越高形成的薄膜厚度越薄。通常情況下，厚度不宜超過相應(yīng)的周期，否則顯影后形成的光刻 膠結(jié)構(gòu)由于高寬比過大而容易倒下失敗。
然后，在120°C (適用范圍80 200°C)的熱板或烘箱中熱處理5分鐘(適用 范圍1 60分鐘)，使HSQ膠中大部分有機(jī)溶劑揮發(fā)，再通過電子束光刻進(jìn)行曝光后置于 400C (適用范圍30 80°C )的三甲胺(TMA)系列顯影液(本實(shí)施例為238WA)里顯影約1 分鐘。接著，采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在200W(適用范圍100 250W)的功率和50mT(適 用范圍10 IOOmT)的壓強(qiáng)下，通過SF6、O2和Ar混合氣體進(jìn)行刻蝕，其流量范圍分別為 1 30sccm、0 50sccm和0 30sccm?？涛g的時間由周期和掩膜的尺寸決定，通過調(diào)節(jié) 功率、壓強(qiáng)和氣體間的比例可以控制獲得不同形貌和高寬比的探針。對于本實(shí)施例，恰好達(dá) 到HSQ掩膜脫落的時間為12分鐘，如圖2中的插圖所示。此時探針的尖端非常尖銳，只有 幾個納米，如圖2所示，不需要任何額外的氧化和腐蝕工藝來進(jìn)一步銳化探針。最后，用HF 腐蝕掉剩余的HSQ掩膜，形成500nm周期的硅探針陣列器件，其密度為4X IO6個/mm2。這 是一種非常簡單有效的制備高密度、超尖硅探針陣列的方法。
實(shí)施例2 :400nm周期的硅探針陣列
首先，直接將HSQ旋涂在硅片上，以6000轉(zhuǎn)速/分的轉(zhuǎn)速維持約1分鐘。然后，在120°C (適用范圍80 200°C )的熱板或烘箱中熱處理5分鐘(適用范圍1 60分 鐘)，使HSQ膠中大部分有機(jī)溶劑揮發(fā)，再通過電子束光刻進(jìn)行曝光后置于40°C (適用范 圍30 80°C )的三甲胺(TMA)系列顯影液(本實(shí)施例為238WA)里顯影約1分鐘。接著， 采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在200W (適用范圍100 250W)的功率和50mT (適用范圍10 IOOmT)的壓強(qiáng)下，通過SF6、02和Ar混合氣體進(jìn)行刻蝕，其流量范圍分別為1 30sCCm、0 50sCCm和O 30sCCm?？涛g的時間由周期和掩膜的尺寸決定，通過調(diào)節(jié)功率、壓強(qiáng)和氣體 間的比例可以控制獲得不同形貌和高寬比的探針。對于本實(shí)施例，恰好達(dá)到HSQ掩膜脫落 的時間為10分鐘，此時探針的尖端非常尖銳，只有幾個納米，如圖3所示，無需任何額外的 氧化和腐蝕工藝來進(jìn)一步銳化針尖。最后，用HF腐蝕掉剩余的HSQ掩膜，形成400nm周期 的硅探針陣列器件，其密度為6. 25X IO6個/mm2。
實(shí)施例3 :200nm周期的硅探針陣列首先，直接將HSQ旋涂在硅片上，以8000轉(zhuǎn)速/分的轉(zhuǎn)速維持約1分鐘。然后， 在120°C (適用范圍80 200°C )的熱板或烘箱中熱處理5分鐘(適用范圍1 60分 鐘)，使HSQ膠中大部分有機(jī)溶劑揮發(fā)，再通過電子束光刻進(jìn)行曝光后置于40°C (適用范 圍30 80°C )的三甲胺(TMA)系列顯影液(本實(shí)施例為238WA)里顯影約1分鐘。接著， 采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在200W (適用范圍100 250W)的功率和50mT (適用范圍10 IOOmT)的壓強(qiáng)下，通過SF6、02和Ar混合氣體進(jìn)行刻蝕，其流量范圍分別為1 30sCCm、0 50SCCm和0 30SCCm。刻蝕的時間由周期和掩膜的尺寸決定，通過調(diào)節(jié)功率、壓強(qiáng)和氣體 間的比例可以控制獲得不同形貌和高寬比的探針。對于本實(shí)施例，恰好達(dá)到HSQ掩膜脫落 的時間為6分鐘，此時探針的尖端非常尖銳，只有幾個納米，如圖4所示，無需任何額外的氧 化和腐蝕工藝來進(jìn)一步銳化針尖。最后，用HF腐蝕掉剩余的HSQ掩膜，形成200nm周期的 硅探針陣列器件，其密度為2. 5X IO7個/mm2。
權(quán)利要求
一種高密度、超尖硅探針陣列的制備方法，其特征在于包括如下步驟A.將倍半氧硅氫化物旋涂在硅片上，轉(zhuǎn)速≥3000rpm，其厚度不大于探針陣列周期；B.在100～200℃的熱板或烘箱中熱處理1～30分鐘，使倍半氧硅氫化物中大部分有機(jī)溶劑揮發(fā)；C.通過電子束光刻進(jìn)行曝光后，置于30～80℃的三甲胺系列顯影液中顯影約1分鐘，形成單元尺寸≥10nm、周期≥20nm的HSQ點(diǎn)陣列；D.采用反應(yīng)離子刻蝕方法，通過SF6、O2和Ar混合氣體進(jìn)行刻蝕，其流量范圍分別為1～30sccm、0～50sccm和0～30sccm，功率范圍為100～250W，壓強(qiáng)范圍為10～100mT，刻蝕的時間由周期和掩膜點(diǎn)陣單元的尺寸決定，為1～30min；E.用HF腐蝕掉剩余的倍半氧硅氫化物掩膜，形成高密度、超尖硅探針陣列。
專利摘要
本發(fā)明提出一種直接以倍半氧硅氫化物(HSQ)電子束光刻膠作為刻蝕掩模的高密度、超尖硅探針(tip)陣列的制備方法。通過電子束光刻方法進(jìn)行曝光后顯影形成HSQ的點(diǎn)陣圖形，然后直接以HSQ為掩模對硅進(jìn)行各向同性刻蝕，通過控制刻蝕條件，可使針尖最尖同時HSQ即將或自動脫落，針尖達(dá)到幾個納米，無需任何額外的氧化和腐蝕等銳化工藝，非常簡單。本發(fā)明方法克服了傳統(tǒng)制備方法需要氧化物層作為掩膜進(jìn)行二次圖形轉(zhuǎn)移和額外的氧化、刻蝕工藝來銳化探針的不便，以及制備亞微米周期高密度硅探針陣列的困難，可以很容易地實(shí)現(xiàn)2.5×107/mm2以上高密度硅探針陣列。
文檔編號G01Q60/38GKCN101819219SQ201010165067
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月29日
發(fā)明者俞立明, 王少偉, 陸衛(wèi), 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan