[发明专利]金属纳米结构及其离子束刻蚀加工方法

说明书

本公开提供了一种使用离子束刻蚀加工金属纳米结构的方法，该方法包括：S1，将待加工样品置于离子束刻蚀设备中，待加工样品自下而上依次包括衬底、金属膜层和光刻胶纳米图形层，光刻胶纳米图形层暴露出金属膜层的刻蚀区；S2，使用离子束刻蚀金属膜层的刻蚀区，刻蚀的时间为第一时长t₁；S3，间歇离子束刻蚀，间歇的时间为第二时长t₂；S4，重复S2～S3，直至刻蚀深度达到目标厚度；S5，去除光刻胶纳米图形层，得到目标金属纳米结构。本公开的方法能够提高离子束的准直性、降低由于离子束刻蚀所引起的温度升高效应，从而提高刻蚀精度和刻蚀图形的质量。

技术领域

本公开涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种金属纳米结构及其离子束刻蚀加工方法。

背景技术

纳米器件的发展对纳米结构关键线宽(Critical Dimension，CD)的要求越来越严格。金属纳米结构的加工在半导体工艺、等离子纳米光子学器件中具有十分重要的作用。在半导体加工中，金属铬(Cr)膜由于其物理、化学稳定性好、使用寿命长、反差高，通常被用作掩模版的吸收层。在等离子纳米光学器件中，金(Au)、银(Ag)等贵金属纳米结构，由于其强烈的光-物质相互作用特性，被应用于传感检测和特殊光学性质的产生。对于Cr层等金属层上图形的刻蚀，有干法刻蚀和湿法刻蚀两种。湿法刻蚀是把样品浸泡在化学腐蚀液中，腐蚀液腐蚀暴露在光刻胶开口图形中的金属材料。湿法刻蚀的特性是各项同性，这种方法主要用于刻蚀微米级的图形。但对于微米以下的图形刻蚀，干法刻蚀是一种主要的方法。

目前，大规模集成电路工艺中金属层的刻蚀主要采用反应离子刻蚀。在反应离子刻蚀中，辉光放电的化学气体与金属膜发生强烈化学反应，对暴露的隔膜产生刻蚀作用。反应离子束刻蚀具有理想的刻蚀速率和选择比，刻蚀精度也较高。但在反应离子刻蚀金属膜结构的过程中，常采用氯气或氯基气体等具有极大毒性的气体作为反应气体，这对实验室条件、气体存储和处理具有严格要求，一般性的实验室难满足使用这些毒性气体的条件。

离子束刻蚀利用辉光放电原理将氩气分解为氩离子，氩离子经过阳极电场的加速对样品表面进行物理轰击，以达到刻蚀的作用。具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面轰击固体表面原子，使材料原子发生溅射而达到刻蚀的目的，属于纯物理刻蚀。离子束刻蚀具有方向性好、无钻蚀、陡直度高的特点，刻蚀图形线宽CD可小于100nm。

虽然离子束刻蚀速率比反应离子束刻蚀要低很多，选择比也不如反应离子束刻蚀。对于几十纳米厚的金属膜层刻蚀，由于离子束刻蚀不需要毒性的反应气体，对实验室条件的要求更低。在离子束刻蚀深度与刻蚀时间正相关。对于几十纳米厚的金属膜，通常可以在1～3分钟内完成刻蚀，时间比较快。因此，在一般的实验室中，离子束刻蚀方法在金属纳米加工中得到了广泛应用。但是在离子束刻蚀过程中，氩离子束轰击金属膜表面产生的溅射离子和气体，会影响离子束的准直性及到达样品表面的能量；另一方面，样品在刻蚀过程中会产生热效应，这也会影响光刻胶的抗刻蚀性和对铬膜层的刻蚀精度。

因此，常规方法刻蚀金属膜层的精度通常大于100nm，对于100nm以下甚至50nm以下图形的刻蚀是一个挑战。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本公开提供了一种金属纳米结构及其离子束刻蚀加工方法，用于解决传统离子束刻蚀方法刻蚀精度低等技术问题。

(二)技术方案

本公开一方面提供了一种使用离子束刻蚀加工金属纳米结构的方法，包括：S1，将待加工样品置于离子束刻蚀设备中，待加工样品自下而上依次包括衬底、金属膜层和光刻胶纳米图形层，光刻胶纳米图形层暴露出金属膜层的刻蚀区；S2，使用离子束刻蚀金属膜层的刻蚀区，刻蚀的时间为第一时长t₁；S3，间歇离子束刻蚀，间歇的时间为第二时长t₂；S4，重复S2～S3，直至刻蚀深度达到目标厚度；S5，去除光刻胶纳米图形层，得到目标金属纳米结构。