專利名稱：一種納米尺寸空氣槽的制作方法
技術領域：
本發明涉及空氣槽制作方法，具體涉及一種在頂層為硅材料，底層為 任意材料的襯底上的納米尺寸空氣槽制作方法。該方法可以利用標準的微 電子工藝，制作出橫截面為等腰三角形或等腰梯形的空氣槽或三維空氣 錐，并可以通過對填充條件的控制，實現微掩膜的制作，進而形成一種新 的納米線的制作方法。
背景技術：
微電子技術不斷向小型化和多功能集成方向發展，各種先進的微加工 技術不斷涌現。其中，納米尺寸曝光技術和刻蝕技術的發展水平對器件性 能的改善起著決定性的作用。硅材料是微電子領域廣泛研究和使用的材 料，具有成本低，制作工藝成熟的特點。而且，由于硅對光通訊所用波段 的光吸收系數非常小，使之成為光通訊和光電集成的優良材料。硅材料在 光通訊領域的研究和應用已經發展成為一個稱為硅光子學的專門學科。
利用微加工技術在硅材料上制作納米器件是微電子技術發展的必然趨
勢。利用這種技術不僅可以將MOS器件的柵寬做得更窄，而且可以將硅 波導的尺寸做得更小。利用微加工技術，結合具有高折射率差特性的絕緣 體上的硅(SOI)材料，新一代的硅基單模光波導的橫截面已經做到了 250 納米X250納米。
Cornell大學的研究者提出了 slot波導的概念。即將納米尺寸的低折射 率材料夾在高折射率材料的中間，由電位移連續性方程可知，光場在低折 射率的材料中的分布將遠大于高折射率材料，從而實現了光在低折射率材 料中的傳播。利用此原理，將增益介質摻入中間的低折射率層，困擾研究 者多年的硅激光器將有望實現。如果將中間材料用折射率更低的空氣代 替，將會實現更大的光強集中。而且，在現有技術中，中間低折射率材料的形狀普遍是長方形。
在現已提出的slot波導中，由于波導橫截面由刻蝕方法形成，因此， 不可避免地引入了側壁粗糙度問題。既使改用濕法制作懸浮結構，也很難 控制空氣槽橫截面的形狀。特別是當尺寸到達亞微米量級，傳統方法制作
空氣槽的難度更大。其具體細節請見參考文獻1 (Vilson.R.Almeida, Qianfan Xu， Carlos A.Barrios and Michal Lipson, "Guiding and confining light in void薩ostructure，，， Optics Letters, Vol. 29, 1209(2004))禾卩參考文獻2 (Tom.Baehr-Jones， Micael.Hochberg, Chris.Walker and Axel.Scherer， "High-Q optical resonators in silicon-on-insulator-based slot waveguides", Appl.Phys丄ett， Vol.86, 081101(2005))。另外，使用傳統的刻蝕方法制作的 刻蝕端面形貌單一，并不能形成完整的三角形截面的空氣槽，大多數形成 的是梯形截面的空氣槽。盡管可以采用熱氧化的方法實現三角形截面空氣 槽，但這種方法會改變原來硅材料邊界的尺寸和厚度，增加了結果的不可 控性。
另一方面，為了制作IO納米以下寬度的納米線，需要制作10納米以 下的刻蝕掩膜，而電子束曝光等微小尺寸圖形的曝光方法已經達到了曝光 極限，制作小于IO納米寬度的微細線條顯得尤為困難。
發明內容
本發明的目的是提出了一種納米尺寸空氣槽的制作方法。采用本方法 能夠制作納米尺寸的三角形空氣槽，將空氣作為slot波導的中間低折射率 材料，解決了使用現有技術，slot波導中間的低折射率材料截面難以制作
成三角形和波導側壁粗糙的問題。同時，本發明通過對填充條件的控制， 也可以實現微掩膜的制作，進而形成一種新的納米線的制作方法。
本發明提出的納米尺寸空氣槽的制作方法。包括
光刻步驟，在頂層為硅材料，底層為任意材料的襯底表面，利用光刻
技術將曝光圖形轉移到光刻膠上；
刻蝕步驟，采用光刻膠作掩模，利用干法刻蝕技術對頂層硅材料進行
刻蝕，形成縱向刻蝕槽；
5氧化步驟，利用熱氧化技術在頂層硅材料表面形成一層氧化層； 沉積步驟，利用化學氣相沉積技術，采用沉積源材料向刻蝕槽中填充 氧化硅，最終形成納米尺寸的空氣槽。
進一步，所述光刻技術為電子束光刻技術、深紫外線光刻技術或X射
線光刻技術；
所述光刻膠為電子束光刻膠、深紫外線光刻膠或X射線光刻膠；
所述干法刻蝕技術為電感耦合等離子體刻蝕技術(ICP)或反應離子刻
蝕(R正)干法刻蝕技術；
所述頂層為硅材料，底層為任意材料的襯底為絕緣體上的硅； 所述氧化層的厚度在7納米到15納米之間；
所述化學氣相沉積(CVD)技術為低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術 或等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術；
所述沉積源材料為正硅酸乙酯(TEOS)、氮化硅或氮氧化硅。 所述光刻膠的圖形形狀為矩形、正方形或圓形。 所述刻蝕槽的橫截面形貌為矩形或正梯形。
所述空氣槽的橫截面為等腰三角形或等腰梯形。在所述橫截面為等腰 梯形的空氣槽是通過在沉積過程中，當空氣槽頂部未封口時即停止沉積而 形成的。
迸一步，所述空氣槽為三維的棱錐或三維的圓錐，構成空氣錐或空氣
臺
進一步，在所述空氣槽的頂部未封口時即停止沉積，采用所述沉積材 料作微掩膜，利用沉積技術在槽內填充納米線材料，構成納米線。所述納 米線材料為硅基材料中的氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，或為金屬材料中的 金、銀、鋁、銅或鋅，或為化合物材料中的氮化鎵、砷化鎵或磷化銦。
用本方法能夠制作納米尺寸的三角形空氣槽，將空氣作為slot波導的 中間低折射率材料，解決了使用現有技術，slot波導中間的低折射率材料
截面難以制作成三角形的難點。同時，本方法采用氧化硅作為空氣槽填充 物，使得最終形成的空氣槽側壁非常光滑，解決了傳統制作方法中的側壁 粗糙問題。另外，本方法通過對填充條件的控制，也可以實現微掩膜的制 作，進而形成一種新的納米線的制作方法。本發明提出的方法將在微機械傳感，微光學，電學及光學存儲元件等多個方面有所應用。
圖1是采用本發明提出的方法，在絕緣體上的硅(SOI)經過電子束光
刻和干法刻蝕后形成結構的橫截面的掃描電鏡(SEM)圖2是采用本發明提出的方法，在絕緣體上的硅(SOI)上形成的三角 形空氣槽的橫截面的掃描電鏡(SEM)圖3是采用本發明提出的方法制作空氣槽的工藝步驟示意圖4是采用本發明提出的方法制作橫截面為等腰三角形的空氣槽的工 藝步驟示意圖5是采用本發明提出的方法制作納米線的工藝步驟示意圖6是采用本發明提出的方法制作四棱錐空氣槽的工藝步驟示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
圖3是采用本發明提出的方法制作空氣槽的步驟示意圖。 為了說明的清楚起見，在該實施例的描述中，襯底材料以絕緣體上的 硅(SOI)為例。
首先，對絕緣體上的硅(SOI)片進行清洗；
接著，如圖3a所示，在清洗好的絕緣體上的硅(SOI)片301上涂覆 一層電子束光刻膠302;
然后，如圖3b所示，在絕緣體上的硅(SOI)片表面由電子束光刻技 術，將曝光圖形轉移到電子束光刻膠上，曝光圖形的形狀為矩形，長邊作 為波導傳播方向，短邊與波導橫截面平行，控制圖形最小線條尺寸在納米 量級。
接著，如圖3c所示，用光刻膠302做掩模，用電感耦合等離子體(ICP) 干法刻蝕技術對頂層硅材料進行刻蝕，形成條形空氣槽，槽的寬度在納米 量級，此處刻蝕以埋氧層為自停止層。槽深寬比依設計尺寸而定。槽寬越 窄，深寬比越大，填充氧化硅的難度也越大。槽寬越寬，深寬比越小，填充氧化硅的難度越小。本實施例采用的尺寸為200納米槽寬，深寬比1: 1， 空氣槽結構為正梯形，如圖1所示。
然后，如圖3d所示，用剝離液去除光刻膠。
之后，如圖3e所示，先利用熱氧化技術氧化厚度為7-15納米的氧化硅。 接著，利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術，使用正硅酸乙酯(TEOS) 源對刻蝕形成的槽進行填充。在本實施例中，填充氧化硅303的厚度為300 納米。
最終，形成的橫截面為三角形的空氣槽，其結構如圖2所示。
圖4是采用本發明提出的方法制作橫截面為等腰三角形的空氣槽的工 藝步驟示意圖。
首先，對絕緣體上的硅(SOI)片進行清洗；
接著，如圖4a所示，在清洗好的絕緣體上的硅(SOI)片401上涂覆 一層電子束光刻膠402;
然后，如圖4b所示，在絕緣體上的硅(SOI)片表面由電子束光刻技 術，將曝光圖形轉移到電子束光刻膠掩膜上，光刻膠掩膜的圖形為矩形， 長邊作為波導傳播方向，短邊與波導橫截面平行；
接著，如圖4c所示，用光刻膠402做掩模用光刻膠做掩模進行用電感 耦合等離子體(ICP)千法刻蝕技術對頂層硅材料進行刻蝕，形成條形空 氣槽，槽的寬度在納米量級；
然后，如圖4d所示，用剝離液去除光刻膠；
之后，如圖4e所示，即先熱氧化7-15納米的氧化硅403，然后用低壓 化學氣相沉積(LPCVD)，使用正硅酸乙酯(TEOS)源對刻蝕形成的槽進 行填充；
接著，如圖4f所示，進一步進行填充，直至空氣槽的頂端被封閉，自 此外界氧化硅向空氣槽填充的通道被封閉；
然后，如圖4g所示，繼續進行填充，氧化硅覆蓋在空氣槽頂端，空氣 槽404得以形成，其中空氣槽404的橫截面為等腰三角形。
由于所述刻蝕步驟中形成的條形空氣槽在橫截面上為矩形，屬于對稱 結構，而氧化硅的覆蓋過程為各向同性過程，所以形成的空氣槽也為對稱結構，即所述制作方法具有自對稱功能，使形成的空氣槽的橫截面為等腰 三角形。
圖5是采用本發明提出的方法制作納米線的工藝步驟示意圖。 首先，對絕緣體上的硅(SOI)片進行清洗；
接著，如圖5a所示，在清洗好的絕緣體上的硅(SOI)片501上涂覆 一層電子束光刻膠502;
然后，如圖5b所示，在絕緣體上的硅(SOI)片表面由電子束光刻技 術，將曝光圖形轉移到電子束光刻膠掩膜上，曝光圖形的形狀為矩形，長 邊作為波導傳播方向，短邊與波導橫截面平行；
接著，如圖5c所示,，用光刻膠502作掩模使用電感耦合等離子體(ICP) 干法刻蝕技術對頂層硅材料進行刻蝕，形成條形空氣槽，槽的寬度在納米 量級；
然后，如圖5d所示，用剝離液去除光刻膠；
之后，如圖5e所示，即先熱氧化7-15納米左右的氧化硅503，然后用 低壓化學氣相沉積(LPCVD)，使用正硅酸乙酯(TE0S)源對刻蝕形成的槽 進行填充；
然后，如圖5f所示，可以通過實驗，用掃描電鏡進行觀察不同填充時 間的情況下的樣品，找出空氣槽封閉的臨界時間，控制填充時間小于此臨 界時間，從而得到頂端未封閉的空氣槽。在空氣槽尚未封閉時即停止氧化 硅的沉積，將沉積源換為所需要沉積的納米線材料，從而在空氣槽內形成 納米線504。此納米線材料為硅基材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅， 或為金屬材料，例如金、銀、鋁、銅或鋅，或為化合物材料，例如氮化鎵、 砷化鎵或磷化銦。在本實施例中，此納米線材料使用的是金。納米線寬度 由橫截面為梯形的空氣槽的頂邊寬度決定。在本實施例中，空氣槽橫截面 頂邊的寬度為20納米，則經過所述的納米線材料沉積后，空氣槽內形成 的納米線的寬度也為20納米。
圖6是采用本發明提出的方法制作四棱錐空氣槽的工藝步驟示意圖。 首先，對絕緣體上的硅(SOI)片進行清洗；
接著，如圖6a所示，在清洗好的絕緣體上的硅(SOI)片601上涂覆一層電子束光刻膠602;
然后，如圖6b所示，在SOI片表面由電子束光刻技術，將曝光圖形轉 移到電子束光刻膠掩膜上，曝光圖形的形狀為邊長小于200納米的正 方形；
接著，如圖6c所示，用光刻膠602做掩模進行用電感耦合等離子體 (ICP)干法刻蝕技術對頂層硅材料進行刻蝕，形成條形空氣槽，槽的寬 度在納米量級；
然后，使用剝離液去除光刻膠，形成的橫截面如圖6f中的a-a和b-b
所示5
之后，如圖6d所示，在刻蝕形成的空氣槽上先熱氧化7-15納米的氧 化硅，然后用低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術，利用TEOS源對刻蝕形成 的槽進行填充，直至空氣槽封口，從而形成頂層氧化硅603，其橫截面如 圖6f中的a' -a'和b' -b'所示；
最后，如圖6e所示，形成四棱錐形空氣槽604。
本領域的普通技術人員還可以根據以上的制作方法輕易地想到三維圓 錐空氣槽的制作方法。即只需將上述光刻步驟中的曝光圖形形狀改為圓 形，其他制作步驟與上述步驟相同，便可以制作出三維圓錐空氣槽。本領 域的普通技術人員還可以根據所述的制作方法輕易地想到通過控制沉積 厚度實現橫截面為等腰梯形的空氣槽或空氣臺的制作方法。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想 到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。因此，本發明的保 護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1. 一種納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，包括以下步驟光刻步驟，在頂層為硅材料，底層為任意材料的襯底表面，利用光刻技術將曝光圖形轉移到光刻膠上；刻蝕步驟，采用光刻膠作掩模，利用干法刻蝕技術對頂層硅材料進行刻蝕，形成縱向刻蝕槽；氧化步驟，利用熱氧化技術在頂層硅材料表面形成一層氧化層；沉積步驟，利用化學氣相沉積技術，采用沉積源材料向刻蝕槽中填充氧化硅，最終形成納米尺寸的空氣槽。
2. 如權利要求l所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述光刻技術為電子束光刻技術、深紫外線光刻技術或X射線光刻技術。
3. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述光刻膠為電子束光刻膠、深紫外線光刻膠或X射線光刻膠。
4. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述干法刻蝕技術為電感耦合等離子體刻蝕技術或反應離子刻蝕技術。
5. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述頂層為硅材料，底層為任意材料的襯底為絕緣體上的硅。
6. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述氧化層的厚度在7納米到15納米之間。
7. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述化學氣相沉積技術為低壓化學氣相沉積技術或等離子體增強化學氣相 沉積技術。
8. 如權利要求l所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述沉積源材料為正硅酸乙酯、氮化硅或氮氧化硅。
9. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述曝光圖形的形狀為矩形、正方形或圓形。
10. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述刻蝕槽的橫截面形狀為矩形或正梯形。
11. 如權利要求l所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所 述空氣槽的橫截面形狀為等腰三角形或等腰梯形。
12. 如權利要求11所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于， 所述橫截面為等腰梯形的空氣槽是通過在沉積過程中，當空氣槽頂部未封 口時即停止沉積而形成的。
13. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，所述空氣槽為三維的棱錐或三維的圓錐。
14. 如權利要求1所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于，在 所述空氣槽的頂部未封口時即停止沉積，采用所述沉積材料作微掩膜，利 用沉積技術在槽內填充納米線材料，構成納米線。
15. 如權利要求14所述的納米尺寸空氣槽的制作方法，其特征在于， 所述納米線材料為硅基材料中的氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，或為金屬材 料中的金、銀、鋁、銅或鋅，或為化合物材料中的氮化鎵、砷化鎵或磷化 銦。
全文摘要
本發明提供了一種納米尺寸空氣槽的制作方法，包括光刻步驟，在頂層為硅材料，底層為任意材料的襯底表面，利用光刻技術將曝光圖形轉移到光刻膠上，控制圖形的最小線條尺寸在納米量級；刻蝕步驟，采用光刻膠作掩模，利用干法刻蝕技術對頂層硅材料進行刻蝕，形成縱向刻蝕槽；氧化步驟，利用熱氧化技術在頂層硅材料表面形成一層薄氧化層；沉積步驟，利用化學氣相沉積技術，采用沉積源材料向刻蝕槽中填充氧化硅，最終形成納米尺寸的空氣槽。本發明克服了采用傳統方法難以制作三角形截面的亞微米空氣槽，波導側壁粗糙等技術難點，利用標準微電子工藝即可以制作納米尺寸的空氣槽。
文檔編號B82B3/00GK101423188SQ200710176600
公開日2009年5月6日 申請日期2007年10月31日 優先權日2007年10月31日
發明者屠曉光, 陳少武 申請人:中國科學院半導體研究所