一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法
【专利摘要】本发明提供了一种针对不同颗粒度的金属铝膜的纳米结构刻蚀方法，通过调节BCl3和Cl2的气体比例来调整侧壁的陡直度以及纳米结构的关键尺寸偏差。该方法包括以下步骤：(1)用导热油将铝膜贴在载片上；(2)对铝膜进行刻蚀，其中BCl3和Cl2的气体体积比为0.5～10∶1；(3)刻蚀后的铝膜进行正面冲水清洗。本发明采用的气体比例调节的方法，能有效控制刻蚀的陡直度，并能稳定控制铝的纳米级关键尺寸和刻蚀深度。
【专利说明】一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学元器件的制造【技术领域】，尤其涉及一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法。
【背景技术】
[0002]金属铝被广泛应用于集成电路中的连线材料、DRAM和flash等存储器以及0.13um以上的逻辑产品中。金属铝刻蚀通常用到以下气体:C12，BCl3, Ar，N2, CHF3^P CH4等。Cl 2作为主要的刻蚀气体与铝发生化学反应，生成的可挥发的副产物AlCl3被气流带出反应腔。BCl3—方面提供BCl 3+，垂直轰击硅片表面，达到各向异性的刻蚀。另一方面，由于铝表面极易氧化成氧化铝，这层自生氧化铝在刻蚀的初期阻隔了 Cl2和铝的接触，阻碍了刻蚀的进一步进行。添加BCl3有利于将这一氧化层还原(Al 203+3BCl3— 2A1C13+3BOCl)，促进刻蚀过程的持续进行。Ar电离生成Ar+，主要是对硅片表面提供物理性的垂直轰击。N2、CHF#P C2H4是主要的钝化气体，队与金属侧壁氮化产生的Al xNy，CHFjP C2H4与光刻胶反应生成的聚合物会沉积在金属侧壁，形成阻止进一步反应的钝化层。
[0003]近几年来，随着超大规模集成电路和计算机辅助设计以及光刻技术的发展，一些光学元件受到广泛的关注。其中微偏振片阵列在干涉光的实时相移、微弱可见光图像增强、红外目标识别等领域有广泛的应用潜力。铝膜的纳米结构刻蚀是偏振片阵列制作中的重要部分。刻蚀侧壁的陡直度、纳米尺度刻蚀的偏差直接影响着偏振片的偏振效果，尤其用不同设备制备的具有不同颗粒度的铝膜，其晶粒大小、晶粒取向不同，在采用同一种工艺刻蚀时，往往不会得到最佳的刻蚀效果。
[0004]目前铝的刻蚀工艺在半导体微加工领域中较常见，但在光学纳米器件的精细制作中得到应用更需要刻蚀工艺的精准。
[0005]专利CN103789768A提供了一种纳米级的铝刻蚀方法，所述方法包括采用0°C以下低温控制工艺的刻蚀工艺，及清洗工艺。但其仅对反应速率进行了较好的调控，并没有能够针对不同颗粒度的Al膜很好地控制刻蚀侧壁的陡直度、纳米级关键尺寸以及刻蚀深度。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提供了一种针对不同颗粒度的金属铝膜的纳米结构刻蚀方法，通过调节BClJP Cl 2的气体比例来调整侧壁的陡直度以及纳米结构的关键尺寸偏差。
[0007]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种针对不同颗粒度的金属铝膜纳米结构刻蚀方法，根据金属铝膜的颗粒度调节BCljP Cl 2的气体体积比来调整侧壁的陡直度，该刻蚀方法包括以下步骤:
[0009](I)用导热油将铝膜贴在载片上；
[0010](2)对铝膜进行刻蚀，其中BCljP Cl 2的气体体积比为0.5?10:1，例如0.5:1、1:1、1.5:1、2、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、
8.5:1、9:1、9.5:1 或 10:1 等，优选 I ?5:1 ;
[0011](3)刻蚀后的铝膜进行正面冲水清洗。
[0012]Cl2作为主要的刻蚀气体与铝发生化学反应，生成的可挥发的副产物AlCl 3被气流带出反应腔。BCl3—方面提供BCl 3+，垂直轰击硅片表面，达到各向异性的刻蚀。另一方面.添加8(:13可将铝表面形成的氧化层还原(Al 203+3BCl3— 2A1C13+3BOCl)，促进刻蚀过程的持续进行。根据不同颗粒度的铝膜的纳米结构，通过控制BCljP Cl 2的气体体积比，可以有效的调控纳米结构关键尺寸偏差以及光栅结构的侧壁陡直度。
[0013]所述步骤(I)中的铝膜由磁控溅射设备、电子束蒸发设备或热蒸发设备制备而成，其厚度为 100nm-150nm，例如 lOOnm、llOnm、120nm、130nm、140nm或 150nm等，蒸镀的基底材料为透明的玻璃。
[0014]所述步骤(I)中的销膜的颗粒度为20?10nm,例如20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm 或 10nm 等。
[0015]所述步骤(2)的刻蚀工艺参数为:
[0016]温度0°C。
[0017]刻蚀压力为0.2 ?0.3Pa，例如 0.2Pa、0.21Pa、0.22Pa、0.23Pa、0.24Pa、0.25Pa、0.26Pa、0.27Pa、0.28Pa、0.29Pa 或 0.3Pa 等。
[0018]上电极ICP 功率为 200 ?350W,例如 200W、210W、220W、230W、240W、250W、260W、270W、280W、290W、300W、310W、320W、330W、34W 或 350W 等。
[0019]下电极RF 功率为 30 ?60W，例如 30W、35W、40W、45W、50W、55W 或 60W 等。
[0020]Cl2流量为 3 ?20sccm，例如 3sccm、4sccm、5sccm、7sccm、9sccm、lOsccm、13sccm、15sccm、17sccm 或 20sccm 等。
[0021]BCl3流量为 20 ?30sccm，例如 20sccm、21sccm、22sccm、24sccm、26sccm、28sccm 或30sccm 等。
[0022]N2流量为 O ?8sccm，例如 O、lsccm、2sccm、3sccm、4sccm、5sccm、6sccm、7sccm 或8sccm 等。
[0023]刻蚀时间为30 ?60s，例如 30s、35s、40s、45s、50s、55s 或 60s 等。
[0024]所述步骤⑵中刻蚀所用的掩膜为电子束胶和/或SiNx，例如电子束胶和31乂的复合掩膜。
[0025]所述步骤(3)中用超纯水进行正面冲水清洗。
[0026]当铝刻蚀完成之后，硅片表面，图形侧壁残留的Cl，会和铝反应生成AlCl3，继而与空气中的水分反应生成HCl，HCl又与Al反应生成AlCl3,如此形成了自循环反应，造成对铝的严重侵蚀，影响了纳米结构的光滑陡直度。因此.在刻蚀工艺完成后，一般会立即浸入超纯水中进行冲洗，稀释冲洗掉所生成的HCl。
[0027]由于蒸镀铝膜的基底材料为透明的玻璃，衬底导热性差，刻蚀中会在表面积累热量影响铝的刻蚀稳定性，所以使用导热油涂在基片背面，热量容易从载片台导走。在刻蚀工艺完成后，为了防止铝的二次腐蚀，只需要对样片正面进行冲洗，否则油污污染正面图形。
[0028]以上所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构。
[0029]以上所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构的用途，其应用于纳米结构的铝线栅偏振器或光学超振荡镜的制造领域。
[0030]与现有技术相比，本发明至少具有以下优点:
[0031]本发明通过调节BClJP Cl 2的气体比例可有效调整纳米结构关键尺寸偏差，使关键尺寸偏差从30nm减少为5nm，以及光栅结构的侧壁陡直度，侧壁陡直度达到90-93度，避免因侧壁斜坡、线条变窄等对光学器件所产生的负面效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明实施例1所得的磁控溅射制备颗粒度为70-80nm的Al膜表面SEM图；
[0033]图2为本发明实施例1所得的磁控溅射制备颗粒度为70-80nm的Al膜的刻蚀剖面SEM图；
[0034]图3为本发明实施例2所得的磁控溅射制备颗粒度为40-50nm的Al膜表面SEM图；
[0035]图4为磁控溅射制备颗粒度为40-50nm的Al膜用实施例1中参数进行刻蚀的剖面SEM图；
[0036]图5为本发明实施例2所得的磁控溅射制备颗粒度为40-50nm的Al膜的刻蚀剖面SEM图；
[0037]图6为本发明实施例3所得的电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜表面SEM图；
[0038]图7为电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜用实施例1中参数刻蚀的剖面SEM图；
[0039]图8为电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜用实施例1中刻蚀的正面SEM 图；
[0040]图9为本发明实施例3所得的电子束蒸发设备制备颗粒度为20-30nm的Al膜的刻蚀剖面SEM图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0042]实施例1:
[0043]刻蚀提供的样片为一层10nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为70?80nm，如图1。铝膜镀在透明的玻璃衬底上，厚度可为200?1000 μ m，提供的刻蚀掩膜为电子束曝光的ZEP520光栅图形，也可以是其它的电子束胶如HSQ、PMMA等；栅格结构为线宽70nm，间距70nm，栅线宽及间距可以在50_500nm之间随意组合。
[0044]采用电感耦合等离子体刻蚀机进行颗粒度为70?SOnm的铝刻蚀工艺，步骤如下:
[0045](I)利用导热油将样片贴在载片上。
[0046](2)采用如下刻蚀工艺条件:
[0047]温度为0°C ;刻蚀压力为:0.3Pa ;上电极ICP功率为250W ;下电极RF功率为50W ；Cl2流量为 20sccm ；BC1 3流量为 20sccm ；BC1 3/Cl2= 1:1 ；N 2流量为 3sccm ;刻蚀时长为 33秒。
[0048](3)取出样片后，立刻正面冲水清洗，去除铝侧壁残留的氯Cl与空气中的水反应生成的HC1，使侧壁更陡直光滑。最终得到70nm线宽的铝光栅结构。
[0049]此实施中的颗粒度为70?80nm，将BC13/C12调整至1: 1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度，剖面图见图2。
[0050]实施例2:
[0051]刻蚀提供的样片为一层150nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为40?50nm，如图3。铝膜镀在透明的玻璃衬底上，厚度可以为200?1000 μ m，提供的刻蚀掩膜为SiNx，也可以是其它的电子束胶如HSQ ;栅格结构为线宽70nm，间距70nm，栅线宽及间距可以在50?500nm之间随意组合。
[0052]采用电感耦合等离子体刻蚀机进行颗粒度为40?50nm的铝刻蚀工艺，步骤如下:
[0053](I)利用导热油将样片贴在载片上。
[0054](2)采用如下刻蚀工艺条件:
[0055]温度为0°C ;刻蚀压力为:0.2Pa ;上电极ICP功率为300W ;下电极RF功率为35W ；Cl2流量为5sccm ；BC13流量为20sccm ；BC13/Cl2 = 4:1 ;N2流量为4sccm ;刻蚀时长为40秒。
[0056](3)取出样片后，立刻正面冲水清洗，去除铝侧壁残留的氯Cl与空气中的水反应生成的HC1，使侧壁更陡直光滑。最终得到70nm线宽的铝光栅结构。
[0057]此实施中的颗粒度为40?50nm，如果用实例I中的参数进行刻蚀，得到的刻蚀结果如图4所示，陡直度仅为85度，严重影响了器件的性能，所以在刻蚀不同颗粒度的铝膜时，调整气体比例等参数尤为重要，实例2中将BC13/C12调整至4:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度，剖面图见图5。
[0058]实施例3:
[0059]刻蚀提供的样片为一层10nm的铝膜，所述铝膜制备方式是电子束蒸发，颗粒度为20?30nm，如图6。铝膜镀在透明的玻璃衬底上，厚度可以为200?1000 μ m，提供的刻蚀掩膜为SiNx，也可以是其它的电子束胶如HSQ ;栅格结构为线宽70nm，间距70nm，栅线宽及间距可以在50?500nm之间随意组合。
[0060]采用电感耦合等离子体刻蚀机进行颗粒度为20?30nm的铝刻蚀工艺，步骤如下:
[0061](I)利用导热油将样片贴在载片上。
[0062](2)采用如下刻蚀工艺条件:
[0063]温度为0°C ;刻蚀压力为0.2Pa ;上电极ICP功率为300W ;下电极RF功率为50W ；Cl2流量为7sccm ；BC13流量为2lsccm ；BC13/Cl2= 3:1 ;N2流量为Osccm ;刻蚀时长为40秒。
[0064](3)取出样片后，立刻正面冲水清洗，去除铝侧壁残留的氯Cl与空气中的水反应生成的HC1，使侧壁陡直光滑。最终得到70nm线宽的铝光栅结构。
[0065]此实施中的颗粒度为20?30nm，如果用实例I中的参数进行刻蚀，得到的刻蚀结果如图7所示，陡直度仅为85度，刻蚀尺寸的偏差较大如图8，严重影响了器件的性能，所以在刻蚀不同颗粒度的铝膜时，调整气体比例等参数尤为重要，实例3中将BC13/C12调整至3:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为93度，剖面图见图9。
[0066]实施例4:
[0067]刻蚀提供的样片为一层10nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为30 ?40nm。
[0068]除步骤⑵中参数为:上电极ICP功率为350W ;下电极RF功率为60W ;C12流量为3sccm，BCl3流量为25sccm;BCl3/Cl2= 5:1 ;刻蚀时长为60秒外，其余过程均与实例例I中相同。
[0069]此实施中的颗粒度为30?40nm，将BC13/C12调整至5: 1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度。
[0070]实施例5:
[0071]刻蚀提供的样片为一层10nm的铝膜，所述铝膜制备方式是磁控溅射，颗粒度为50 ?60nm。
[0072]除步骤⑵中参数为:上电极ICP功率为200W ;下电极RF功率为30W ;BC13流量为30sccm ；BC13/C12= 10:1 ;刻蚀时长为30秒外，其余过程均与实例例I中相同。
[0073]此实施中的颗粒度为50-60nm，将BC13/C12调整至10:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度。
[0074]实施例6:
[0075]刻蚀提供的样片为一层10nm的铝膜，所述铝膜制备方式是热蒸发，颗粒度为80_100nm。
[0076]除步骤(2)中参数为汨(:13/(:12=0.5:1，8(:13流量为108(^111#2流量为88(^111外，其余过程均与实例例I中相同。
[0077]此实施中的颗粒度为80_100nm，将BC13/C12调整至0.5:1，就可得到比较陡直的侧壁，陡直度为90度。
[0078]对比例1:
[0079]除步骤⑵中只采用Cl2作刻蚀气体外，其余过程均与实例例I中相同。
[0080]此实施中的颗粒度为70?80nm，陡直度为50度，侧壁上部侧蚀严重，刻蚀尺寸偏差 30nm。
[0081]对比例2:
[0082]除步骤(2)中只采用BCl3作刻蚀气体外，其余过程均与实例例I中相同。
[0083]此实施中的颗粒度为70-80nm，陡直度为72度，刻蚀关键尺寸偏差32nm。
[0084]综上所述，本发明提供了一种针对不同颗粒度的铝膜的纳米结构刻蚀方法，根据金属铝膜的颗粒度调节BCljP Cl 2的气体体积比来调整侧壁的陡直度，可有效调整纳米结构关键尺寸偏差以及光栅结构的侧壁陡直度，使关键尺寸偏差从30nm减少为5nm，侧壁陡直度为90-93度，避免因侧壁斜坡、线条变窄等对光学器件所产生的负面效果。
[0085]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0086] 申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属【技术领域】的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
【权利要求】
1.一种金属铝膜纳米结构刻蚀方法，其特征在于，该刻蚀方法包括以下步骤: (1)用导热油将铝膜贴在载片上； (2)对铝膜进行刻蚀，其中BC1#PC1 2的气体体积比为0.5?10:1 ; (3)刻蚀后的铝膜正面冲水清洗。
2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(2)中BC13和C12的气体体积比为1?5:1。
3.根据权利要求1或2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤⑴中的铝膜由磁控溅射设备、电子束蒸发设备或热蒸发设备制备而成。
4.根据权利要求1-3任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(1)中的铝膜的颗粒度为20?lOOnmo
5.根据权利要求1-4任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(2)的刻蚀工艺参数为--温度0°C ;刻蚀压力为0.2?0.3Pa ;上电极ICP功率为200?350W ;下电极RF功率为30?60W ;C12流量为3?20sccm ；BC1 3流量为20?30sccm ;N2流量为0?8sccm ;刻蚀时间为30?60s。
6.根据权利要求1-5任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(2)中刻蚀所用的掩膜为电子束胶和/或SiNx。
7.根据权利要求1-6任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤(3)正面冲水清洗用超纯水进行冲洗。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构。
9.一种如权利要求1-7任一项所述的刻蚀方法制备得到的金属铝膜纳米结构的用途，其应用于纳米结构的铝线栅偏振器或光学超振荡镜制造领域。
【文档编号】C23F1/12GK104498949SQ201410742414
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】徐丽华, 宋志伟, 闫兰琴, 董凤良, 褚卫国 申请人:国家纳米科学中心