單晶樣品材料的生長(zhǎng)與納米量級(jí)光刻工藝探索

摘 要:基于電子束直寫(xiě)技術(shù)在納米尺度刻蝕的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程，探索適用于單晶樣品的刻蝕工藝，在微米尺度上建立一套方案，給出各步驟條件參量，以期進(jìn)一步應(yīng)用到單晶樣品的納米尺度光刻。

關(guān)鍵詞:單晶 納米光刻 微米光刻 電子束直寫(xiě)

中圖分類(lèi)號(hào):TN321.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(b)-0007-02

1 引言

近20年來(lái)，人們對(duì)磁性的研究和應(yīng)用更多的集中到低維度、納米尺度的體系中，包括超薄膜、納米線(xiàn)、納米點(diǎn)等。這其中最著名的就是在磁性超薄膜體系中的巨磁阻效應(yīng)(GMR)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，使得工業(yè)化的磁存儲(chǔ)密度大大提高。磁性金屬薄膜因其在超高密度磁記錄介質(zhì)、磁光記錄介質(zhì)、薄膜磁頭及傳感器等方面逐漸顯示出的應(yīng)用前景，而越來(lái)越吸引著人們的研究興趣。近些年來(lái)逐漸發(fā)展出“自旋電子學(xué)”的概念又一步掀起了磁學(xué)研究的熱潮。伴隨著磁學(xué)發(fā)展的機(jī)遇，實(shí)驗(yàn)技術(shù)上也存在一些挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在樣品的制備和分析上。首先是樣品的制備技術(shù)，隨著半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展起來(lái)的超高真空(UHV)和分子束外延(MBE)技術(shù)，借鑒到磁性金屬單晶薄膜的制備中，選擇晶格常數(shù)匹配的襯底，可以外延出高質(zhì)量的單晶薄膜。[1]其次在樣品分析前的加工上，隨著尺寸的進(jìn)一步減小，傳統(tǒng)光刻微加工工藝越來(lái)越無(wú)能為力。

傳統(tǒng)濕法光刻技術(shù)只能達(dá)到微米量級(jí)，光刻技術(shù)的發(fā)展今天也是日新月異，其中電子束直寫(xiě)光刻被廣泛應(yīng)用。它利用尺寸非常小的電子束在光刻膠上直寫(xiě)，不需要掩膜板。可以用電磁場(chǎng)聚焦，易于控制?？梢宰鳛?0nm的潛在解決方案。[2]然而標(biāo)準(zhǔn)的電子束光刻工藝對(duì)于單晶樣品并不適用，我們提出先生長(zhǎng)單晶樣品，并覆蓋鋁層的想法，利用光刻與氧化相結(jié)，最后用氬刻方法做移除得到期望圖形。最終摸索出一套較為合理的實(shí)驗(yàn)條件。

2 實(shí)驗(yàn)儀器

2.1 原位磁性測(cè)量和表面分析與分子束外延裝置的聯(lián)機(jī)系統(tǒng)

在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要利用此裝置進(jìn)行定厚金屬薄膜外延生長(zhǎng)，設(shè)備(如下圖)是由實(shí)驗(yàn)室自己設(shè)計(jì)，由德國(guó)omicron公司加工制造。整臺(tái)設(shè)備由一個(gè)超高真空腔體和一個(gè)快速進(jìn)樣室組成，腔內(nèi)集成了多種測(cè)量裝置:VT-STM，LEED，AES，RHEED，SMOKE，四極質(zhì)譜儀和晶體振蕩器。從上到下按照腔體功能可以分為三個(gè)區(qū)域:分析區(qū)、生長(zhǎng)區(qū)和磁性測(cè)量區(qū)。其中生長(zhǎng)區(qū)由RHEED、晶體振蕩器、納遜瀉流盒蒸發(fā)源和一套楔形樣品生長(zhǎng)裝置組成。在這個(gè)區(qū)域可以生長(zhǎng)需要研究的各種金屬或金屬合金樣品，并可以通過(guò)RHEED來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控樣品外延的表面結(jié)構(gòu)，RHEED衍射圖案用數(shù)碼照相機(jī)記錄。[3](圖1)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

電子束直寫(xiě)光刻是實(shí)現(xiàn)納米圖形設(shè)計(jì)的一個(gè)有效手段，它利用尺寸非常小的電子束在光刻膠上直寫(xiě)，不需要掩膜板?？梢杂秒姶艌?chǎng)聚焦，易于控制。其標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程如下。

(1)使用化學(xué)方法清理襯底，在上面覆蓋特定光刻膠。

(2)利用電子束設(shè)計(jì)刻蝕圖形，沒(méi)有被擊打的部分覆蓋光刻膠，被電子束擊打的部分光刻膠被移除。

(3)利用MBE或者電子束蒸發(fā)技術(shù)，所需樣品的材料就會(huì)在被光刻膠覆蓋的部分和沒(méi)有被覆蓋的部分同時(shí)生長(zhǎng)。

(4)利用光刻膠易溶于ACE這一性質(zhì)將沒(méi)有光刻膠及其上面的樣品部分移除，得到期望的圖形。

然而，單晶的生長(zhǎng)需要高質(zhì)量的襯底，一般情況下襯底在生長(zhǎng)前需要在真空腔里退火，也就是說(shuō)在襯底表面覆蓋光刻膠的想法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。我們提出提出一個(gè)新的方案:

(1)在真空腔里生長(zhǎng)金屬單晶樣品

(2)利用鋁源，在金屬單晶上覆蓋一定厚度的鋁層

(3)對(duì)鋁層表面進(jìn)行光刻，利用E-Beam使得設(shè)計(jì)的圖樣不被光刻膠覆蓋，反之亦然。

(4) 將樣品放置在含氧環(huán)境中氧化，使得沒(méi)有被光刻膠覆蓋的鋁層被氧化成氧化鋁。

(5)在氬離子的轟擊下，鋁比氧化鋁容易移除。我們控制氬刻的時(shí)間和強(qiáng)度，使得氧化鋁部分留在晶片上而鋁的部分完全被移除。

(6)利用氧化鋁溶于堿的性質(zhì)將其除去，留下單晶的期望圖樣。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室情況，我們?yōu)榱颂剿餍路椒ǖ目尚行约案鞑襟E參量條件，提出了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)室單晶外延生長(zhǎng)的方法和條件已經(jīng)比較成熟，而且上述工藝的關(guān)鍵條件在于氧化時(shí)間、鋁層厚度、氬刻時(shí)間等因素，與Al層下面的晶片無(wú)關(guān)，實(shí)驗(yàn)的中后期我們直接在MgO襯底表面蒸發(fā)Al層而省略了單晶生長(zhǎng)這一步。我們實(shí)際實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中上述方案第3步采用的是光學(xué)光刻機(jī)進(jìn)行光刻，圖樣的分辨率為微米量級(jí)，如果這一方案成功，容易利用電子束直寫(xiě)技術(shù)拓展應(yīng)用到納米尺度。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與分析

3.1 襯底處理和樣品生長(zhǎng)

實(shí)驗(yàn)室目前使用的襯底為摻Te的GaAs和MgO，先用丙酮和酒精清洗襯底，傳入真空腔系統(tǒng)，氬刻至在AES下看不到雜質(zhì)沾污為止，經(jīng)過(guò)高溫退火得到整潔的襯底。蒸發(fā)源為純度達(dá)到99.99%的金屬，典型蒸發(fā)速率為0.1nm/min。實(shí)驗(yàn)前期曾使用Fe-MgO作為樣品，由于前面樣品單晶MBE生長(zhǎng)技術(shù)成熟，而且直接生長(zhǎng)Al層不影響后面條件的探究，故此步驟只做MgO襯底處理。

3.2 保護(hù)層AL的生長(zhǎng)

實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有鋁源，這一步驟在侯曉遠(yuǎn)組里完成。將處理好的MgO襯底4個(gè)為一組固定在底板上，通過(guò)粒子濺射的方式生長(zhǎng)20nm厚度Al層。Al層太薄不能起到有效的保護(hù)作用，而從后面的氧化情況看，20nm厚度的Al在空氣中沒(méi)有被完全氧化，在此條件下更厚的膜沒(méi)有意義。在第一次實(shí)驗(yàn)中，鋁層生長(zhǎng)完畢后約1小時(shí)才進(jìn)行涂膠工作。氬刻時(shí)圖形出現(xiàn)就晚同時(shí)不清晰，考慮鋁層被部分氧化。此后利用裝滿(mǎn)氮?dú)獾脑嚬芊乐逛X層在這一過(guò)程中的氧化，并將時(shí)間間隔縮短為10mins。

3.3 光刻

(1)勻膠 涂膠過(guò)程采用旋轉(zhuǎn)涂膠法，使用勻膠機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為4200r/min，持續(xù)時(shí)間24s。

(2)前烘 然后將樣品放入烘箱，溫度90℃烘培15mins。

(3)曝光 將遮模板覆蓋在樣品上，利用光學(xué)光刻機(jī)曝光30s。

(4)顯影 將基片在顯影液中浸泡30s，完成遮模板的圖樣到光刻膠的轉(zhuǎn)移。

(5)后烘固膠 后烘采用90℃時(shí)間為10mins。

此步驟對(duì)最后圖案的形成質(zhì)量至關(guān)重要，基于實(shí)驗(yàn)室?guī)熜纸阍诓煌瑯悠飞瞎饪痰臈l件，嘗試探索Al層上各步驟參量。通過(guò)電子顯微鏡觀察光刻后圖樣，根據(jù)圖樣情況改變各步驟參量達(dá)到最佳效果，邊緣清晰分明為成功的刻蝕。

3.4 氧化

將培片放在培養(yǎng)皿中即可進(jìn)行自然氧化。通過(guò)改變氧化時(shí)間控制培片氧化的程度。實(shí)驗(yàn)中氧化時(shí)間分別為24h、48h、72h。最后得到的圖案差別不大，72h相對(duì)清晰一點(diǎn)?？紤]鋁表面形成氧化層后，內(nèi)部氧化受到阻礙，設(shè)計(jì)深度氧化方案。用向上排空氣法將氧氣充滿(mǎn)原型保鮮盒，樣品在純氧環(huán)境中氧化48h，得到較理想的圖樣。

3.5 氬刻

氬刻步驟再吳儀政老師組實(shí)現(xiàn)。用丙酮洗掉培片表面的光刻膠，酒精清洗后傳入真空腔。抽真空后控制粒子束能量，由于實(shí)驗(yàn)中刻蝕的樣品為微米量級(jí)，從觀察窗可以看到樣品圖樣的形成。

4 實(shí)驗(yàn)展望

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及變量較多，尋找合適的工藝條件像在一個(gè)高維空間尋找一系列點(diǎn)一樣。在本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，多利用經(jīng)驗(yàn)嘗試的辦法反復(fù)摸索各步驟的條件，時(shí)間精力消耗較大。在單晶生長(zhǎng)技術(shù)成熟，光刻技術(shù)有一定條件可供參考的基礎(chǔ)上，Al的氧化速率成為關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中多以氬刻時(shí)間，圖樣分辨情況來(lái)討論和推斷Al的氧化。作者希望結(jié)合表面分析技術(shù)對(duì)Al的氧化速率做定量分析，基于現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)，光刻時(shí)去除一半的光刻膠，以時(shí)間為梯度氧化樣品，利用XPS、AES等表面成分分析技術(shù)，結(jié)合原位氬離子轟擊，測(cè)定被光刻膠遮擋部分的是否曾在O元素以及暴露在空氣中部分O元素與Al元素的比例。進(jìn)而定量的分析Al層氧化情況設(shè)計(jì)相應(yīng)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

探究了微米尺度光學(xué)曝光實(shí)現(xiàn)單晶圖樣刻蝕新方法的條件，單晶樣品表面生長(zhǎng)20nmAl層。利用光刻形成圖樣:勻膠采用4200r/min轉(zhuǎn)速持續(xù)24s，前烘90℃15mins，曝光30s，顯影30s，后烘固膠90℃10mins。在純氧環(huán)境下氧化48h氬刻30mins。下圖為上述實(shí)驗(yàn)條件下的圖形。將上述光學(xué)曝光過(guò)程改為電子束直寫(xiě)可以完成納米尺度圖樣的刻蝕。(如圖2)

參考文獻(xiàn)

[1] 田傳山.人工調(diào)控結(jié)構(gòu)的金屬薄膜磁性，上海:復(fù)旦大學(xué)，2006.

[2] 姚漢民;劉業(yè)異.21世紀(jì)微電子光刻技術(shù)，四川:中科院光電技術(shù)研宄所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2003.

[3] 殷立峰.3d金屬薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性研究，上海:復(fù)旦大學(xué)，2006.