[发明专利]一种平面碳膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面碳膜电极的制备方法，尤其涉及一种可用于电化学微纳米整平加工的高面形精度的大面积平面碳膜电极的制备方法。

背景技术

半导体和光学领域的快速发展要求电子和光学器件具有更小的尺寸和更高的表面质量，这就需要相应的制造技术能够达到微米、亚微米以及纳米水平的特征工作尺度。多年来，为突破传统机械加工的局限和极限，人们提出了许多不同的材料去除原理，并将之应用于发展微纳加工新技术；迄今，主要的非传统机械微纳加工新技术有能量束（laser,ion beam,electron beam,and X-Ray）、扫描探针显微（Scanning Probe Microscopes，SPM）、约束刻蚀层技术（Confined Etchant Layer Technique,CELT）等。从工业制造角度来看，基于电化学刻蚀原理的微纳加工方法具有过程简单和低成本等显著优点，是最有发展前景的技术之一。

现有的各种电化学刻蚀加工技术原理上可分为直接和间接电化学刻蚀两大类。前者以工件为电化学阳极，以工具电极为阴极，在电解溶液中，通过控制工作条件，使工件表面发生局域性的电化学阳极溶解反应，目前最高可实现亚微米精度的刻蚀加工（Science2000,289:98;Appl.Phys.Lett.2003,82:3327）；但要求工件必须是导体。间接电化学刻蚀采用工具电极为工作电极，在溶液中另设对电极和参比电极，当工具电极接近工件表面，在工具电极表面电化学产生的刻蚀剂扩散至工件表面，化学刻蚀工件（导体或电化学惰性材料），因此，比直接电化学刻蚀有着更广泛的应用范围。

采用间接电化学刻蚀的加工始于扫描电化学显微技术（ScanningElectrochemical Microscopy,SECM）的应用，其加工过程是采用超微电极在工件表面逐点扫描；在此过程中，尽管电化学产生的刻蚀剂的自由扩散会降低刻蚀的局域度，但依靠纳米尺度的超微电极仍可刻蚀出纳米解析度的二维平面图案（J.Electrochem.Soc.1989,136:3143;Phys Chem.2005,7:3185）。为解决上述的刻蚀剂自由扩散问题，并能实现更高精度的三维复杂结构的批量加工，田昭武院士从原理上创新地提出了约束刻蚀加工新概念，并发展出了CELT技术（Faraday Discuss.1992,94:37）。当CELT技术应用于SECM的加工模式时，其主要特征是（1）采用表面带有三维复杂结构图案的大面积模板电极取代SECM的超微电极；（2）在工作溶液中预先加入能够与电化学产生的刻蚀剂发生快速化学反应的扑捉剂，因此，刻蚀剂的扩散被压缩在一个超薄层内（最薄可至几个纳米），其外边界保持了模板电极表面的精细图案；（3）将模板电极趋近于工件表面，使电极表面的约束刻蚀剂液层与工件表面接触，进行局域刻蚀，并最终刻成与膜板电极表面结构互补的高精度的三维图案。多年以来，申请人通过大量的加工实践，实验证明了CELT可对多种不同材料实现亚微米或纳米精度的三维复杂结构的批量加工（Electrochem.Acta1998,43:1683;Electrochem.Acta2001,47:95;J Solid State Electrochem.2005,9:398;J Electroanal.Chem.2005,581:153）。

另一方面，使光学和电子器件表面达到纳米粗糙度和平整度是纳米制造的首要环节，超大规模集成电路制造对此类抛光整平技术的需求最为迫切。因为，更高的集成度要求更多的铜互连导线层层数和更小的导线线宽（目前层数已达10层以上，线宽已小于32nm），而每一铜互连导线层是否有很高的全局平整度是实现半导体超大规模集成电路立体化结构的关键；与此同时，为减小由高集成度所带来的互联线的RC（电阻电容）延迟对器件性能的影响，采用脆性多孔的超低介电常数（Ultralow-K）材料作为绝缘基体已为必然趋势(Thin Solidfilms2004,447:524)；然而，目前唯一可用的全局平整化技术是基于机械研磨和化学溶解相结合实现整平和抛光的化学机械抛光（Chemical mechanizing polishing，CMP）技术，由于机械研磨力，特别是切向力极易导致硬性的铜互连导线和脆性的Ultralow-K材料之间发生剥离，并引起表面和亚表面的损伤(光技術コンタクト2002,11:3)；因此，亟需发展一种可实现纳米粗糙度和平整度的抛光整平新技术，并且具有高材料去除率、高可靠性、无内应力，不易引起表面、亚表面损伤，可适用于各种金属材料等优点。