专利名称:一种高密度超尖硅探针阵列的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体硅材料制造工艺技术，具体是指一种直接以倍半氧硅氢化物(HSQ)为刻蚀掩模的高密度、超尖硅探针(tip)阵列的制备方法。
背景技术：
硅探针广泛应用于场发射体及原子力显微镜(AFM)、扫描探针显微镜(SPM)和相 关探针扫描技术的探针(见文献
1
)，同时也被用作碳纳米管、GaN涂层、纳米级金刚石颗 粒和类金刚石薄膜的生长模板(见文献
2
3
)。针尖尺寸在纳米量级的超尖硅在上述 领域有着日益增长的需求(见文献
4
)。
然而，几乎所有现有的技术都需要氧化物层作掩膜进行二次图形转移，只能制备 微米以上周期的探针阵列，对于亚微米周期的高密度探针阵列制备依然是一个挑战。通常 硅探针的制作工艺如下
首先，通过PECVD等方法在衬底上生长一层氧化硅或氮化硅。然后，在此氧化物 或氮化物上旋涂一层UVN30等负胶。电子束曝光后显影形成UVN30等负胶的点阵图形，以 UVN30等负胶为掩模对图形区域的氧化硅进行各向异性刻蚀，将UVN30等负胶的图形转移 到氧化硅层上。接着以剩余的UVN30和氧化硅作为掩模，对硅进行各向同性刻蚀，在对硅进 行纵向刻蚀的同时进行横向刻蚀，形成硅探针阵列(见文献
4
)。此时得到的探针针尖 较粗，需通过进一步的氧化工艺和腐蚀工艺来锐化针尖，使其达到纳米量级(见文献
2
4
)。
上述背景技术中所引用的文献为
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
发明内容
为了克服上述高密度、超尖硅探针阵列的制备困难，本发明提出一种直接以HSQ 为刻蚀掩模的高密度、超尖硅探针阵列的制备方法，此方法可以制备出百纳米周期的超尖 硅探针阵列，尖宽只有几纳米，而且无需任何额外的氧化/腐蚀工艺来进一步锐化针尖。
本发明方法直接以倍半氧硅氢化物(HSQ) 2为电子束光刻胶和刻蚀掩膜。首先，将 HSQ2旋涂在硅片1上，如图1(b)所示，通过电子束光刻方法进行曝光后显影形成HSQ的点 阵图形3。然后，以HSQ为掩模直接对硅进行各向同性刻蚀，通过控制刻蚀条件，可使针尖最 尖、同时HSQ即将或自动脱落，形成硅探针阵列4，针尖达到几个纳米，无需任何额外的氧化和腐蚀等锐化工艺，非常简单。
本发明方法所采用的HSQ电子束光刻胶由H2SiO3的重复单元组成，经过热处理或 电子束曝光后，会转变成SiO2类结构，因此，可以同时直接用作硅的刻蚀掩模。这样，就省掉 了电子束光刻胶的图形转移到氧化物掩模的过程。另外，HSQ的分辨率非常，可以达到6nm。 由于掩模的厚度和尺寸均由HSQ控制，从而使得纳米周期的硅探针阵列制备成为可能，所 以特别适合于高密度硅探针阵列的制备，其周期至少可以做到百纳米量级，它的密度比相 关文献报道的密度大很多。这也是本发明方法的优势之一。
图1为硅探针制备工艺过程示意图。
图2为实施例1周期为500nm的硅探针阵列的SEM图像，嵌入的插图为将HSQ掩 膜用HF酸清洗掉之前的图像。
图3为实施例2周期为400nm的硅探针阵列的SEM图像。
图4为实施例3周期为200nm的硅探针阵列的SEM图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细介绍
实施例1 :500nm周期的硅探针阵列
首先，直接将HSQ2旋涂在硅片1上，以5000转速/分的转速维持约1分钟，转速 越高形成的薄膜厚度越薄。通常情况下，厚度不宜超过相应的周期，否则显影后形成的光刻 胶结构由于高宽比过大而容易倒下失败。
然后，在120°C (适用范围80 200°C)的热板或烘箱中热处理5分钟(适用 范围1 60分钟)，使HSQ胶中大部分有机溶剂挥发，再通过电子束光刻进行曝光后置于 400C (适用范围30 80°C )的三甲胺(TMA)系列显影液(本实施例为238WA)里显影约1 分钟。接着，采用反应离子刻蚀(RIE)在200W(适用范围100 250W)的功率和50mT(适 用范围10 IOOmT)的压强下，通过SF6、O2和Ar混合气体进行刻蚀，其流量范围分别为 1 30sccm、0 50sccm和0 30sccm。刻蚀的时间由周期和掩膜的尺寸决定，通过调节 功率、压强和气体间的比例可以控制获得不同形貌和高宽比的探针。对于本实施例，恰好达 到HSQ掩膜脱落的时间为12分钟，如图2中的插图所示。此时探针的尖端非常尖锐，只有 几个纳米，如图2所示，不需要任何额外的氧化和腐蚀工艺来进一步锐化探针。最后，用HF 腐蚀掉剩余的HSQ掩膜，形成500nm周期的硅探针阵列器件，其密度为4X IO6个/mm2。这 是一种非常简单有效的制备高密度、超尖硅探针阵列的方法。
实施例2 :400nm周期的硅探针阵列
首先，直接将HSQ旋涂在硅片上，以6000转速/分的转速维持约1分钟。然后，在120°C (适用范围80 200°C )的热板或烘箱中热处理5分钟(适用范围1 60分 钟)，使HSQ胶中大部分有机溶剂挥发，再通过电子束光刻进行曝光后置于40°C (适用范 围30 80°C )的三甲胺(TMA)系列显影液(本实施例为238WA)里显影约1分钟。接着， 采用反应离子刻蚀(RIE)在200W (适用范围100 250W)的功率和50mT (适用范围10 IOOmT)的压强下，通过SF6、02和Ar混合气体进行刻蚀，其流量范围分别为1 30sCCm、0 50sCCm和O 30sCCm。刻蚀的时间由周期和掩膜的尺寸决定，通过调节功率、压强和气体 间的比例可以控制获得不同形貌和高宽比的探针。对于本实施例，恰好达到HSQ掩膜脱落 的时间为10分钟，此时探针的尖端非常尖锐，只有几个纳米，如图3所示，无需任何额外的 氧化和腐蚀工艺来进一步锐化针尖。最后，用HF腐蚀掉剩余的HSQ掩膜，形成400nm周期 的硅探针阵列器件，其密度为6. 25X IO6个/mm2。
实施例3 :200nm周期的硅探针阵列首先，直接将HSQ旋涂在硅片上，以8000转速/分的转速维持约1分钟。然后， 在120°C (适用范围80 200°C )的热板或烘箱中热处理5分钟(适用范围1 60分 钟)，使HSQ胶中大部分有机溶剂挥发，再通过电子束光刻进行曝光后置于40°C (适用范 围30 80°C )的三甲胺(TMA)系列显影液(本实施例为238WA)里显影约1分钟。接着， 采用反应离子刻蚀(RIE)在200W (适用范围100 250W)的功率和50mT (适用范围10 IOOmT)的压强下，通过SF6、02和Ar混合气体进行刻蚀，其流量范围分别为1 30sCCm、0 50SCCm和0 30SCCm。刻蚀的时间由周期和掩膜的尺寸决定，通过调节功率、压强和气体 间的比例可以控制获得不同形貌和高宽比的探针。对于本实施例，恰好达到HSQ掩膜脱落 的时间为6分钟，此时探针的尖端非常尖锐，只有几个纳米，如图4所示，无需任何额外的氧 化和腐蚀工艺来进一步锐化针尖。最后，用HF腐蚀掉剩余的HSQ掩膜，形成200nm周期的 硅探针阵列器件，其密度为2. 5X IO7个/mm2。
权利要求
一种高密度、超尖硅探针阵列的制备方法，其特征在于包括如下步骤A.将倍半氧硅氢化物旋涂在硅片上，转速≥3000rpm，其厚度不大于探针阵列周期；B.在100～200℃的热板或烘箱中热处理1～30分钟，使倍半氧硅氢化物中大部分有机溶剂挥发；C.通过电子束光刻进行曝光后，置于30～80℃的三甲胺系列显影液中显影约1分钟，形成单元尺寸≥10nm、周期≥20nm的HSQ点阵列；D.采用反应离子刻蚀方法，通过SF6、O2和Ar混合气体进行刻蚀，其流量范围分别为1～30sccm、0～50sccm和0～30sccm，功率范围为100～250W，压强范围为10～100mT，刻蚀的时间由周期和掩膜点阵单元的尺寸决定，为1～30min；E.用HF腐蚀掉剩余的倍半氧硅氢化物掩膜，形成高密度、超尖硅探针阵列。
专利摘要
本发明提出一种直接以倍半氧硅氢化物(HSQ)电子束光刻胶作为刻蚀掩模的高密度、超尖硅探针(tip)阵列的制备方法。通过电子束光刻方法进行曝光后显影形成HSQ的点阵图形，然后直接以HSQ为掩模对硅进行各向同性刻蚀，通过控制刻蚀条件，可使针尖最尖同时HSQ即将或自动脱落，针尖达到几个纳米，无需任何额外的氧化和腐蚀等锐化工艺，非常简单。本发明方法克服了传统制备方法需要氧化物层作为掩膜进行二次图形转移和额外的氧化、刻蚀工艺来锐化探针的不便，以及制备亚微米周期高密度硅探针阵列的困难，可以很容易地实现2.5×107/mm2以上高密度硅探针阵列。
文档编号G01Q60/38GKCN101819219SQ201010165067
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月29日
发明者俞立明, 王少伟, 陆卫, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan