在衬底材料的钝化层上形成三维图形结构的方法与流程

本发明涉及衬底材料的钝化层上的图形加工方法，具体是在衬底材料上钝化层上形成三维图形结构的方法。

背景技术：

随着微电子工艺的快速发展，器件的小型化发展的难度也日益增大。由于三维纳米结构的广泛应用，故三维器件的构造也成为提高器件集成度的一个重要途径。

目前，常见的制备三维结构的方法主要有双光子干涉曝光工艺、激光干涉曝光工艺、灰度曝光工艺、离子束刻蚀工艺及沉积工艺。但是，这些工艺均存在种种缺陷，比如，利用双光子干涉曝光工艺或激光干涉曝光工艺制备三维图形时，图形尺寸受光斑大小的影响很大，且制备得出的三维图形的最小尺寸都在微米或亚微米量级，很难达到纳米级的尺度精度。

因此本领域需要一种三维微纳米结构或图形的制作方法，特别是一种基于高精度的无掩模图形化方法，取代传统的使用图形化掩膜版的光学光刻技术。实现高精度二维或者三维微纳结构图形直写和操纵，用以制备三维微纳米功能结构与器件的技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在衬底材料的钝化层上制备三维图形结构的方法，通过对扫描探针进行加热，并由精确的定位和运动控制，对图形化目标进行高精度的材料汽化。探针沿衬底平面运动或形成一定夹角运动从而形成三维立体结构，实现真正意义上三维结构的制备，为三维器件的加工提供新技术。此外，由于通过探针扫描对钝化材料进行汽化，探针运动阻力小，能够实现进行高精度的运动控制，从而能够通过该方法形成具有微纳米级别尺寸精度的三维立体结构。

为达到上述目的，本发明提供一种在衬底材料的钝化层上形成三维图形结构的方法，所述方法包括如下步骤：

在衬底上制备钝化层；

提供探针，所述探针位于所述钝化层上方；

加热所述探针至能将所述钝化层汽化的温度，并将所述探针靠近所述钝化层；

根据预定的三维图形在所述钝化层上方移动所述探针以将所述钝化层的一部分汽化，从而在所述钝化层上形成三维图形。

在一较佳实施例中，所述钝化层是光刻胶。

在一较佳实施例中，所述钝化层是氧化硅、氮化硅或金属上设有光刻胶的复合结构。

在一较佳实施例中，所述钝化层是氧化硅、氮化硅或金属。

在一较佳实施例中，在所述钝化层上方移动所述探针包括以下步骤：

将所述探针移动至预定竖直位置，并在所述竖直位置所在的水平平面内水平移动；

将所述探针移动至下一预定竖直位置，并在所述下一预定竖直位置所在的水平平面内水平移动；

重复上一步骤，直至形成所述预定的三维图形。

在一较佳实施例中，能将所述钝化层汽化的温度为200℃至1000℃。

在一较佳实施例中，所述探针为金属探针。

在一较佳实施例中，所述光刻胶通过旋涂方式涂覆。

在一较佳实施例中，所述探针包括悬臂部分和从所述悬臂部分突出的尖端，所述尖端的底部内设有加热电极。

在一较佳实施例中，将所述探针加热至所述钝化层上表面的材料能够汽化的温度。

根据本发明的方法，能够进行钝化层的无掩模图形化、高效快速、成本低、且工艺简化；形成的结构尺寸精度可达到微纳米级；该方法不仅可形成二维结构，也可形成三维结构。

附图说明

图1为使用根据本发明方法的衬底材料的俯视示意图；

图2为图1所示的衬底材料的主视示意图；

图3为探针位于衬底材料的钝化层上方的示意图；

图4为通过探针在衬底材料的钝化层上形成二维图形的示意图；

图5为通过探针在衬底材料的钝化层上形成三维图形的示意图；

图6a为探针的示意图，而图6b为探针尖端的放大示意图；

图7为衬底材料的钝化层为氧化层的示意图；

图8为衬底材料的钝化层为氧化层上设有光刻胶的复合结构；

图9为探针的支撑臂的第一实施例的示意图；

图10为探针的支撑臂的第二实施例的示意图；

图11为探针的支撑臂的第三实施例的示意图；

图12为探针的支撑臂的第四实施例的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

本发明提供一种在衬底材料的钝化层上形成三维图形结构的方法。参见图1，示出了可适用本发明方法的各种衬底材料例如衬底材料1和衬底材料2，它们放置在载物台3上。图1中所示衬底材料2呈方形和圆形，但应理解，衬底材料2也可呈矩形、椭圆形或其他不规则形状。衬底材料2可以是硅片、玻璃片或陶瓷片等。图2示出其侧视图。

上述方法首先在例如衬底材料2的干净衬底材料上制备钝化层5。较佳地，在制备钝化层5之前，对衬底材料2进行清洗。具体的清洗方法和清洗步骤根据衬底材料2的材料来选择。例如，在衬底材料2是硅片的情况下，清洗步骤包括加热、煮沸、冲洗。清洗步骤去除衬底材料2上的表面杂质、氧化物或其他非衬底材质的杂质，以避免衬底材料2上的表面杂质、氧化物或其他非衬底材质的杂质影响钝化层5的形成以及形成的钝化层5的致密性、坚固性、耐腐蚀性和耐刻蚀性。在清洗完成之后制备钝化层5。钝化层5可以通过氧化、气相沉积、或者涂覆等来形成。钝化层5可以是单层，例如是光刻胶层，或者是氧化硅、氮化硅或金属层(见图7)，也可以是复合层，例如在氧化硅、氮化硅或金属层上设有光刻胶的复合层(见图8)。在使用上述复合层时，较佳地通过旋涂的方式将光刻胶涂覆在位于其下方的氧化硅、氮化硅或金属层上。该涂覆方法方便快捷，且涂覆形成的光刻胶层的均匀性好。在具体实施时，可根据需要选择不同的钝化层。

接着，提供探针4，探针4包括悬臂部分41和位于悬臂部分41末端并从悬臂部分41突出的尖端42，如图6a所示。如图3所示，将用于扫描汽化的探针4置于衬底材料2的钝化层5上方，然后将探针4的尖端42靠近钝化层5。

然后加热探针4，具体是加热探针4的尖端42，将其加热至能将钝化层5汽化的温度。具体地，将尖端42加热至钝化层5上表面的材料能够汽化的温度。对于不同结构的钝化层，该加热温度也不相同，例如，在钝化层5为光刻胶层的情况下，加热温度为200℃-500℃，更通常是在300-400℃。而在钝化层5为金属层的情况下，加热温度可高达1000℃。在钝化层5为上述复合层的情况下，对不同层的钝化材料可进行汽化温度的相应调整。

当探针4的尖端42被加热至使得钝化层5能够汽化的温度时，将探针4，具体是尖端42在钝化层5上方移动。尖端42在钝化层5上方移动的方式类似于扫描式移动，其移动根据预定的三维图形通过控制系统进行。控制系统能够接收图纸输入，并将其转换为相应的动作信号，从而引导探针进行扫描式移动。在尖端42扫描经过之处，钝化层5瞬间汽化，从而在钝化层5上形成三维图形。具体地，是的尖端42在钝化层5移动至预定的竖直位置，并在该竖直位置所在的水平平面内水平移动。在进行完一个竖直位置的水平平面内的扫描移动之后，尖端42移动至下一竖直位置，并在该下一竖直位置所在的水平平面内水平移动，如此重复，直至将预定的三维图形形成在钝化层5上。由于尖端42的移动几乎没有阻力，通过精确控制，尖端42从一个竖直位置到下一竖直位置之间的距离可达到1纳米至几纳米。

通过上述方法既能够在钝化层5上形成二维图形(见图4)也能在钝化层5上形成三维图形(见图5)。

在钝化层5上形成三维图形之后，将带有图形化的钝化层5的衬底材料2放入可腐蚀钝化层5的化学溶液中，去除钝化层5。在钝化层5是光刻胶和氧化硅、氮化硅或金属层形成的复合层的情况下，首先去除光刻胶层，再之后利用后续工艺，比如扩散工艺、薄膜工艺、牺牲层工艺、互连工艺、湿法腐蚀工艺、干法刻蚀工艺、蒸镀工艺以及溅射工艺等对衬底材料进行加工，即可在衬底材料上形成三维纳米结构或图形。再通过金属镀膜工艺和金属电极蚀刻工艺完成衬底材料上的电路制造。

如上文所述，探针4包括悬臂部分41和位于悬臂部分41末端并从悬臂部分41突出的尖端42。图6b中示出了尖端42的放大图。其中尖端42包括底座421，该底座421与悬臂部分41一体形成或固定连接至悬臂部分41。在该底座421内设有多个电极425。各支撑臂423从底座421延伸并在远离底座421的端部连接至针尖部423。支撑臂422由耐高温材料制成，在支撑臂422内部可设置导线，用于连接针尖部423与底座421内的电极。较佳地，支撑臂422呈弯曲形状，从而防止支撑臂422由于触碰或高温而折断。多个电极425包括多个加热电极以及至少一个感温电极。尖端42通过各加热电极加热到所需温度。感温电极用于感测尖端42的温度。感测电极可以是例如热敏电阻，通过测量随温度变化的电阻来确定感测电极的温度。

尖端42的温度控制通过pid控制(比例-积分-微分控制)来实现。通过感测电极测得尖端42的温度，并将测得的温度与预定温度比较，当测得的温度与预定温度之差达到一定数值时，则通过增加或减少工作的加热电极的数量、增大或降低加热电极的功率、以及启动或者停止各加热电极的工作来调解尖端42的温度。在各个加热电极功率不同的情况下，还可根据需要选择不同的加热电极组合来减少或增加正在运行的所述加热电极的总功率以调节尖端42的温度。

图9-12中示出了对探针2进行精确定位的结构。具体地，如图9所示，探针4由支架6支撑。支架6可构造成能够对探针4的悬臂部分进行支撑的任何结构。在图示实施例中，支架6为大致竖直延伸的支撑杆。悬臂部分的一端固定至支架6并从支架6水平延伸，尖端42设置在悬臂部分的远离支架6的一端。在该实施例中，悬臂部分包括悬臂支撑部412和悬臂驱动部413。悬臂驱动部413的远离支架6的末端设有尖端42。悬臂驱动部413与悬臂支撑部412沿竖直方向彼此紧邻并间隔开。如图7所示，在悬臂支撑部412的下侧设有电磁片416，而在悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412下方且在其上侧与电磁片416相应的位置设有电磁片71。在需要将悬臂支撑部412下移从而将尖端42下移时，可对电磁片416和71通电，使两者磁性相反，通过电磁片416与71之间的吸引力而使悬臂支撑部412下移，从而带动尖端42下移。在需要将悬臂支撑部412上移从而将尖端42上移时，可对电磁片416和71通电，使两者磁性相同，通过电磁片416与71之间的排斥力而使悬臂支撑部412上移，从而带动尖端42上移。在所示实施例中，悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412的下方，但应理解，也可将悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412的上方。在该情况下，则在悬臂支撑部412的上侧和悬臂驱动部413的下侧的彼此相对位置设置电磁片416和71。

此外，可在悬臂支撑部412和悬臂驱动部413上设置一组以上的电磁片。例如在图10中所示的，在悬臂支撑部412上侧和悬臂驱动部413的下侧各设置有三组电磁片。

此外，还应理解，也可将每组电磁片416和71中的一个设置为永磁体片，而另一个为电磁片。

采用上述方式来实现尖端42沿竖直方向的位移，能够通过精确调整通往电磁片的电流来调整悬臂支撑部412与悬臂驱动部413之间吸引力或排斥力的大小，从而使得尖端42沿竖直方向的位移精度能够显著提高，甚至达到1纳米至几纳米。

图11示出了另一实施例。在该实施例中，在悬臂部分上设有沿其长度布置的一个应变段417。该应变段417由多层复合材料制成。多层复合材料中的各层具有不同的热膨胀系数，当温度变化时，各层材料发生不同程度的膨胀或收缩变形。例如，应变段417可由两种不同材料层复合而成。通过控制应变段417的温度，使得应变段417发生向上或向下的弯曲，由此带动悬臂部分整体上移或下移，进而带动实现尖端42上移或下移。此外，可在悬臂部分上设置一个以上的应变段417。例如在图12中示出的，悬臂部分上设置有三个应变段417。

通过采用上述方式来实现尖端42沿竖直方向的位移，可通过控精确制应变段417的温度变化来控制应变段417的弯曲，从而使得尖端42沿竖直方向的位移精度能够显著提高，甚至达到1纳米至几纳米。

上述实施例中示出了采用电磁片和应变段来实现悬臂部分上的尖端42沿竖直方向移动的实施例。但应理解，也可在悬臂部分上组合采用电磁片和应变段来实现悬臂部分的上移和下移。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。