[發明專利]金屬納米結構及其離子束刻蝕加工方法

在審

• 申請號: 202211076513.1
• 申請日: 2022-09-01
• 公開（公告）號: CN115440585A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 羅先剛;高平;岳偉生;張濤;趙博文;蒲明博
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: H01L21/3213
• 分類號: H01L21/3213;H01L21/3065;H01L21/308
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王文思

本公開提供了一種使用離子束刻蝕加工金屬納米結構的方法，該方法包括：S1，將待加工樣品置于離子束刻蝕設備中，待加工樣品自下而上依次包括襯底、金屬膜層和光刻膠納米圖形層，光刻膠納米圖形層暴露出金屬膜層的刻蝕區；S2，使用離子束刻蝕金屬膜層的刻蝕區，刻蝕的時間為第一時長t₁；S3，間歇離子束刻蝕，間歇的時間為第二時長t₂；S4，重復S2～S3，直至刻蝕深度達到目標厚度；S5，去除光刻膠納米圖形層，得到目標金屬納米結構。本公開的方法能夠提高離子束的準直性、降低由于離子束刻蝕所引起的溫度升高效應，從而提高刻蝕精度和刻蝕圖形的質量。

技術領域

本公開涉及半導體加工技術領域，具體涉及一種金屬納米結構及其離子束刻蝕加工方法。

背景技術

納米器件的發展對納米結構關鍵線寬(Critical Dimension，CD)的要求越來越嚴格。金屬納米結構的加工在半導體工藝、等離子納米光子學器件中具有十分重要的作用。在半導體加工中，金屬鉻(Cr)膜由于其物理、化學穩定性好、使用壽命長、反差高，通常被用作掩模版的吸收層。在等離子納米光學器件中，金(Au)、銀(Ag)等貴金屬納米結構，由于其強烈的光-物質相互作用特性，被應用于傳感檢測和特殊光學性質的產生。對于Cr層等金屬層上圖形的刻蝕，有干法刻蝕和濕法刻蝕兩種。濕法刻蝕是把樣品浸泡在化學腐蝕液中，腐蝕液腐蝕暴露在光刻膠開口圖形中的金屬材料。濕法刻蝕的特性是各項同性，這種方法主要用于刻蝕微米級的圖形。但對于微米以下的圖形刻蝕，干法刻蝕是一種主要的方法。

目前，大規模集成電路工藝中金屬層的刻蝕主要采用反應離子刻蝕。在反應離子刻蝕中，輝光放電的化學氣體與金屬膜發生強烈化學反應，對暴露的隔膜產生刻蝕作用。反應離子束刻蝕具有理想的刻蝕速率和選擇比，刻蝕精度也較高。但在反應離子刻蝕金屬膜結構的過程中，常采用氯氣或氯基氣體等具有極大毒性的氣體作為反應氣體，這對實驗室條件、氣體存儲和處理具有嚴格要求，一般性的實驗室難滿足使用這些毒性氣體的條件。

離子束刻蝕利用輝光放電原理將氬氣分解為氬離子，氬離子經過陽極電場的加速對樣品表面進行物理轟擊，以達到刻蝕的作用。具有一定能量的離子束進入工作室，射向固體表面轟擊固體表面原子，使材料原子發生濺射而達到刻蝕的目的，屬于純物理刻蝕。離子束刻蝕具有方向性好、無鉆蝕、陡直度高的特點，刻蝕圖形線寬CD可小于100nm。

雖然離子束刻蝕速率比反應離子束刻蝕要低很多，選擇比也不如反應離子束刻蝕。對于幾十納米厚的金屬膜層刻蝕，由于離子束刻蝕不需要毒性的反應氣體，對實驗室條件的要求更低。在離子束刻蝕深度與刻蝕時間正相關。對于幾十納米厚的金屬膜，通常可以在1～3分鐘內完成刻蝕，時間比較快。因此，在一般的實驗室中，離子束刻蝕方法在金屬納米加工中得到了廣泛應用。但是在離子束刻蝕過程中，氬離子束轟擊金屬膜表面產生的濺射離子和氣體，會影響離子束的準直性及到達樣品表面的能量；另一方面，樣品在刻蝕過程中會產生熱效應，這也會影響光刻膠的抗刻蝕性和對鉻膜層的刻蝕精度。

因此，常規方法刻蝕金屬膜層的精度通常大于100nm，對于100nm以下甚至50nm以下圖形的刻蝕是一個挑戰。

發明內容

(一)要解決的技術問題

針對上述問題，本公開提供了一種金屬納米結構及其離子束刻蝕加工方法，用于解決傳統離子束刻蝕方法刻蝕精度低等技術問題。

(二)技術方案

本公開一方面提供了一種使用離子束刻蝕加工金屬納米結構的方法，包括：S1，將待加工樣品置于離子束刻蝕設備中，待加工樣品自下而上依次包括襯底、金屬膜層和光刻膠納米圖形層，光刻膠納米圖形層暴露出金屬膜層的刻蝕區；S2，使用離子束刻蝕金屬膜層的刻蝕區，刻蝕的時間為第一時長t₁；S3，間歇離子束刻蝕，間歇的時間為第二時長t₂；S4，重復S2～S3，直至刻蝕深度達到目標厚度；S5，去除光刻膠納米圖形層，得到目標金屬納米結構。