聚焦离子束悬浮微结构加工方法、其系统及悬浮微结构

1.本发明涉及半导体加工的技术领域，具体地，涉及一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法、其系统及悬浮微结构。


背景技术：

2.半导体加工技术是集成电路发展的基石。通过不同工艺加工的悬浮微结构主要用于微传感器、微执行器、微机械、真空微电子等领域，在消费电子、航空航天、信息技术、生物医学、环境监控、军事等领域有在广泛的应用前景。随着半导体工艺技术的发展，悬浮结构的加工越来越引起人们的关注，如光子晶体结构、空气桥、悬臂梁等结构，因并逐渐成为微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)传感器中的关键结构之一。
3.公开号为cn114488698a的中国发明专利文献公开了一种用紫外光刻法制造的环氧基光刻胶的悬浮微结构的细微加工方法，所述处理方法包括如下步骤：s1、将su-8光刻胶分配在si/sio2基板上，并在旋涂机上进行涂覆；s2、通过在旋转晶片的边缘分配丙二醇甲醚乙酸酯，去除边缘珠；s3、将晶圆置于室温下的可编程加热板上进行低温烘烤；s4、第一次紫外线曝光；s5、将mr-dwl 40光刻胶旋涂在su-8上，完成后进行软烘烤；s6、第二次紫外线曝光，曝光后烘烤、显影、冲洗并干燥。
4.悬浮微结构通常采用半导体工艺实现，通过光刻、刻蚀工艺进行图形加工，通过湿法或干法刻蚀进行悬浮结构释放。
5.针对上述中的相关技术，发明人认为悬浮微结构的整个工艺流程复杂，成品率往往受到工艺限制，特别是悬浮结构中图形在悬空结构边缘的位置难以控制，对于横跨悬空及非悬空部分的图形加工更是难以实现。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法、其系统及悬浮微结构。
7.根据本发明提供的一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法，包括如下步骤：
8.步骤s1：在衬底的表面上设置有牺牲层；在牺牲层上沉积薄膜材料；
9.步骤s2：将沉积薄膜材料后的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，选取所设计图形的中间部分，采用聚焦离子束在薄膜材料表面进行图形结构加工，且刻蚀深度不小于薄膜厚度；
10.步骤s3：在聚焦离子束设备腔室中通过气体系统通入预设气体，在图形结构表面进行牺牲层刻蚀，控制通气时间结合离子束刻蚀，获得悬浮结构；
11.步骤s4：在悬浮结构表面加工剩余图形至所需位置，获得悬空边缘结构和悬浮微结构。
12.优选的，在所述步骤s1中，牺牲层包括单晶硅、多晶硅、无定形硅或钨材料。
13.优选的，在所述步骤s2中，图形结构为不小于10纳米的结构图形。
14.优选的，在所述步骤s3中，预设气体为氟化氙气体，通气时间不小于0.5分钟。
15.优选的，在所述步骤s4中，所述悬浮微结构为悬空结构或帽型结构。
16.根据本发明提供的一种聚焦离子束悬浮微结构加工系统，包括如下模块：
17.模块m1：在衬底的表面上设置有牺牲层；在牺牲层上沉积薄膜材料；
18.模块m2：将沉积薄膜材料后的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，选取所设计图形的中间部分，采用聚焦离子束在薄膜材料表面进行图形结构加工，且刻蚀深度不小于薄膜厚度；
19.模块m3：在聚焦离子束设备腔室中通过气体系统通入预设气体，在图形结构表面进行牺牲层刻蚀，控制通气时间结合离子束刻蚀，获得悬浮结构；
20.模块m4：在悬浮结构表面加工剩余图形至所需位置，获得悬空边缘结构和悬浮微结构。
21.优选的，在所述模块m1中，牺牲层包括单晶硅、多晶硅、无定形硅或钨材料。
22.优选的，在所述模块m2中，图形结构为不小于10纳米的结构图形。
23.优选的，在所述模块m3中，预设气体为氟化氙气体，通气时间不小于0.5分钟。
24.根据本发明提供的一种悬浮微结构，应用聚焦离子束悬浮微结构加工方法进行加工得到。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、本发明采用聚焦离子束两次刻蚀的方法进行悬浮微结构加工，解决了现有技术中悬浮边缘难以控制及边缘结构不易加工的技术难题；
27.2、本发明对比传统方法，本方法适用于多种材料悬浮微结构的制备，特别适用于微小尺寸悬浮微结构的加工；
28.3、本发明对比传统方法，本方法流程简单，不需要进行光刻及湿法刻蚀，解决了现有工艺流程复杂，成品率低的问题。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为设计图形加工区域示意图；
31.图2为悬浮膜制备流程图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
33.本发明实施例一公开了一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：
34.步骤s1：在表面具有牺牲层的衬底上沉积不同厚度的薄膜材料。薄膜材料为不与氟化氙发生反应的材料。牺牲层为单晶硅、多晶硅、无定形硅、钨材料。
35.步骤s2：将步骤s1中所得到的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，选取所设计图形的中间部分，采用聚焦离子束在薄膜表面根据设计进行中间部分表面图形结构加工，刻蚀深度不小于薄膜厚度。图形结构为不小于10纳米的结构图形。所述设计图形的中间部分是指距离设计图形边缘不小于10nm内的图形部分。中间部分图形结构的最边缘距离设计的悬空结构边缘不小于0.1微米。
36.步骤s3：在聚焦离子束腔体中通过气体系统通入氟化氙气体(二氟化氙，四氟化氙或六氟化氙)在步骤s2中所得到的图形结构表面进行牺牲层刻蚀，控制通气时间结合离子束刻蚀，获得悬浮结构(悬浮微结构)。通气时间不小于0.5分钟。
37.步骤s4：在步骤s3中所得的悬浮结构表面加工剩余的图形至所需位置，获得悬空边缘结构和位置可控的悬浮微结构。悬浮微结构为悬空结构或帽型结构。
38.本发明还提供一种聚焦离子束悬浮微结构加工系统，所述聚焦离子束悬浮微结构加工系统可以通过执行所述聚焦离子束悬浮微结构加工方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述聚焦离子束悬浮微结构加工方法理解为所述聚焦离子束悬浮微结构加工系统的优选实施方式。
39.该系统，包括如下模块：
40.模块m1：在衬底的表面上设置有牺牲层；在牺牲层上沉积薄膜材料。牺牲层包括单晶硅、多晶硅、无定形硅或钨材料。
41.模块m2：将沉积薄膜材料后的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，选取所设计图形的中间部分，采用聚焦离子束在薄膜材料表面进行图形结构加工，且刻蚀深度不小于薄膜厚度。图形结构为为不小于10纳米的结构图形。
42.模块m3：在聚焦离子束设备腔室中通过气体系统通入预设气体，在图形结构表面进行牺牲层刻蚀，控制通气时间结合离子束刻蚀，获得悬浮结构。预设气体为氟化氙气体，通气时间不小于0.5分钟。
43.模块m4：在悬浮结构表面加工剩余图形至所需位置，获得悬空边缘结构和悬浮微结构。悬浮微结构为悬空结构或帽型结构。
44.本发明实施例一还公开了一种悬浮微结构，应用聚焦离子束悬浮微结构加工方法进行加工得到。
45.本发明实施例二公开了一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：
46.步骤s1：在硅衬底上采用硅作为牺牲层，之后采用低压化学气相沉积工艺生长一层2微米的氮化硅薄膜。
47.步骤s2：将步骤s1中所得到的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，设计加工10μm宽，长度不小于50μm且距离悬空结构边缘2μm的悬臂梁结构。
48.步骤s3：采用镓离子束进行中间部分表面图形结构加工，电压30kv，束流4na，刻蚀10μm*49μm一端开口的矩形框，刻蚀深度2μm。
49.步骤s4：在聚焦离子束腔体中通过气体系统通入氟化氙气体在步骤s3中所得到的图形结构表面进行牺牲层刻蚀，电压15kv，束流1pa，刻蚀牺牲层，控制通气时间30分钟，结束刻蚀。
50.步骤s5：在49μm长边开口端再延长刻蚀至距离悬浮结构边缘2μm处，电压30kv，束
流1na，获得10μm宽，长度不小于50μm且距离悬空边缘2μm的悬空微结构。
51.本发明实施例三还公开了一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法，包括如下步骤：
52.步骤s1：在玻璃衬底上采用化学气相沉积工艺沉积200nm的多晶硅作为牺牲层，采用电子束蒸发沉积200纳米的金薄膜。
53.步骤s2：将步骤s1中所得到的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，设计加工10*10个单元的悬浮帽型阵列且外边框无金薄膜悬浮，帽型顶部圆形结构直径500nm，间距200nm，阵列与外边框距离500nm。
54.步骤s3：采用镓离子束进行中间部分表面图形结构加工，电压30kv，束流240pa，刻蚀10*10个圆形结构单元，阵列边缘圆形与外边框距离150nm，刻蚀深度220纳米。
55.步骤s4：在聚焦离子束腔体中通过气体系统通入氟化氙气体在步骤s3中所得到的图形结构表面进行牺牲层刻蚀，电压30kv，束流10pa，刻蚀牺牲层，控制通气时间3分钟，结束刻蚀。
56.步骤s5：在图形结构边缘再延长刻蚀至距离阵列边缘圆形500nm，电压30kv，束流240pa，获得符合设计要求的帽型悬浮结构。
57.本发明实施例四还公开了一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法，包括如下步骤：
58.步骤s1：在石英衬底上采用原子层沉积技术生长50nm钨薄膜作为牺牲层，采用磁控溅射沉积100纳米的ito薄膜。
59.步骤s2：将步骤s1中所得到的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，设计加工30*30个单元圆孔悬空阵列，孔直径150nm，间距100nm，最边缘圆孔一半悬空，另一半不悬空。
60.步骤s3：采用镓离子束进行中间部分表面图形结构加工，电压30kv，束流120pa，刻蚀29*29个圆形结构单元，刻蚀深度100纳米。
61.步骤s4：在聚焦离子束腔体中通过气体系统通入氟化氙气体在步骤s3中所得到的图形结构表面进行牺牲层刻蚀，电压30kv，束流5pa，刻蚀牺牲层，控制通气时间1分钟，结束刻蚀，形成中间悬空结构，圆形结构最边缘悬空约150nm。
62.步骤s5：在图形结构边缘再刻蚀剩余的最外圈圆形孔，电压30kv，束流120pa，刻蚀深度100纳米，获得符合设计要求的边缘孔半悬空的悬浮结构。
63.本发明实施例五公开了一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法，包括如下步骤：
64.步骤s1：在铌酸锂衬底上采用等离子体增强化学的气相沉积法沉积20nm无定型硅作为牺牲层，采用原子层沉积技术生长2nm氧化硅和3纳米氮化钛；
65.步骤s2：将步骤s1中所得到的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，设计加工5*5个单元方形孔悬空阵列，孔直径10nm，间距30nm，最边缘孔边与悬空边缘不大于10nm。
66.步骤s3：采用氦离子束进行中间部分表面图形结构加工，电压30kv，束流1pa，刻蚀4*4个圆形结构单元，刻蚀深度5纳米；
67.步骤s4：在聚焦离子束腔体中通过气体系统通入氟化氙气体在步骤s3中所得到的图形结构表面进行牺牲层刻蚀，电压30kv，束流0.1pa，刻蚀牺牲层，控制通气时间0.5分钟，结束刻蚀，形成中间悬空结构，方形结构最边缘悬空约45nm。
68.步骤s5：在图形结构边缘再刻蚀剩余的最外圈方形孔，电压30kv，束流1pa，刻蚀深度5纳米，获得符合设计要求的方形孔悬空的悬浮结构。
69.本发明为一种简单聚焦离子束悬浮微结构加工方法，解决现有方法工艺流程复
杂，悬空结构边缘的位置难以控制以及跨悬浮边缘结构难以加工的问题，获得悬空边缘及悬空结构位置可控的悬浮微结构。聚焦离子束技术(fib，focused ion beam)是通过将离子源产生的离子束经过加速后聚焦作用于样品表面，可以产生二次电子信号图像，也可以用于微纳加工或结合其他反应进行沉积。聚焦离子束技术自产生以来就引起了人们的广泛关注，在芯片电路修改、截面分析、透射电镜样品制样、材料分析等领域得到了广泛的应用。近年来，聚焦离子束在微纳加工领域中的应用也逐渐发展起来，其无需进行版图加工、涂胶、显影等步骤，具有工艺流程简单，加工方便的优点，在小面积微纳结构加工中具有一定的优势。本发明通过将图形分为两个部分进行分别刻蚀，从而克服了现有技术中悬浮结构边缘不易控制的难题。
70.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
71.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：在衬底的表面上设置有牺牲层；在牺牲层上沉积薄膜材料；步骤s2：将沉积薄膜材料后的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，选取所设计图形的中间部分，采用聚焦离子束在薄膜材料表面进行图形结构加工，且刻蚀深度不小于薄膜厚度；步骤s3：在聚焦离子束设备腔室中通过气体系统通入预设气体，在图形结构表面进行牺牲层刻蚀，控制通气时间结合离子束刻蚀，获得悬浮结构；步骤s4：在悬浮结构表面加工剩余图形至所需位置，获得悬空边缘结构和悬浮微结构。2.根据权利要求1所述的聚焦离子束悬浮微结构加工方法，其特征在于，在所述步骤s1中，牺牲层包括单晶硅、多晶硅、无定形硅或钨材料。3.根据权利要求1所述的聚焦离子束悬浮微结构加工方法，其特征在于，在所述步骤s2中，图形结构为不小于10纳米的结构图形。4.根据权利要求1所述的聚焦离子束悬浮微结构加工方法，其特征在于，在所述步骤s3中，预设气体包括氟化氙气体；通气时间不小于0.5分钟。5.根据权利要求1所述的聚焦离子束悬浮微结构加工方法，其特征在于，在所述步骤s4中，所述悬浮微结构为悬空结构或帽型结构。6.一种聚焦离子束悬浮微结构加工系统，其特征在于，包括如下模块：模块m1：在衬底的表面上设置有牺牲层；在牺牲层上沉积薄膜材料；模块m2：将沉积薄膜材料后的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，选取所设计图形的中间部分，采用聚焦离子束在薄膜材料表面进行图形结构加工，且刻蚀深度不小于薄膜厚度；模块m3：在聚焦离子束设备腔室中通过气体系统通入预设气体，在图形结构表面进行牺牲层刻蚀，控制通气时间结合离子束刻蚀，获得悬浮结构；模块m4：在悬浮结构表面加工剩余图形至所需位置，获得悬空边缘结构和悬浮微结构。7.根据权利要求6所述的聚焦离子束悬浮微结构加工系统，其特征在于，在所述模块m1中，牺牲层包括单晶硅、多晶硅、无定形硅或钨材料。8.根据权利要求6所述的聚焦离子束悬浮微结构加工系统，其特征在于，在所述模块m2中，图形结构为不小于10纳米的结构图形。9.根据权利要求6所述的聚焦离子束悬浮微结构加工系统，其特征在于，在所述模块m3中，预设气体包括氟化氙气体；通气时间不小于0.5分钟。10.一种悬浮微结构，其特征在于，应用权利要求1-5任一所述的聚焦离子束悬浮微结构加工方法进行加工得到。

技术总结
本发明提供了一种聚焦离子束悬浮微结构加工方法、其系统及悬浮微结构，包括如下步骤：步骤S1：在衬底的表面上设置有牺牲层；在牺牲层上沉积薄膜材料；步骤S2：将沉积薄膜材料后的衬底放入聚焦离子束设备腔室中，选取所设计图形的中间部分，采用聚焦离子束在薄膜材料表面进行图形结构加工，且刻蚀深度不小于薄膜厚度；步骤S3：在聚焦离子束设备腔室中通过气体系统通入预设气体，在图形结构表面进行牺牲层刻蚀，控制通气时间结合离子束刻蚀，获得悬浮结构；步骤S4：在悬浮结构表面加工剩余图形至所需位置，获得悬空边缘结构和悬浮微结构。本发明采用聚焦离子束两次刻蚀的方法进行悬浮微结构加工，解决了现有技术中悬浮边缘难以控制及边缘结构不易加工的技术难题。制及边缘结构不易加工的技术难题。制及边缘结构不易加工的技术难题。


技术研发人员：王英 杨明来 付学成 乌李瑛 陈舒静 付刘成
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/1