CN107863291B - 一种制作t型栅结构的电子束光刻方法 - Google Patents
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Abstract
一种制作T型栅结构的电子束光刻方法，包括以下步骤：在GaN异质结平面材料上，涂覆低灵敏度高光刻剂量的一号光刻胶并烘烤；再在一号光刻胶上涂覆二号光刻胶并烘烤；二号光刻胶采用PMMA‑MAA胶，PMMA‑MAA胶的灵敏度高于PMAA，光刻剂量低于PMMA；再在二号光刻胶上涂覆三号光刻胶并烘烤；三号光刻胶仍采用PMMA‑MAA胶；三号光刻胶的烘烤温度低于二号光刻胶的烘烤温度；随后经过电子束光刻、显影以及剥离工艺，最终形成带有undercut结构的T型栅结构。本发明能够更加便捷和可靠的制备T型栅。
Description
技术领域
本发明涉及微波通讯领域，具体涉及一种制作T型栅结构的电子束光刻方法。
背景技术
随着无线网络、手机通信、电视广播以及航空航天***等的不断发展，微波通讯的应用已经几乎涵盖在所有的人类活动中，越来越成为生活中不可缺少的一部分。
微波通讯***的核心是微波功率放大器，它也是***中最为昂贵的部件，起到信号的放大和大功率输出的作用，其性能直接决定了微波通信***的工作效果。而微波功率放大器的核心是微波功率器件，Si基器件虽然工艺成熟，可靠性高，且成本低廉，但由于其功率和频率特性的双重限制，使得砷化镓GaAs、氮化镓GaN、磷化铟InP等新型半导体材料构成的晶体管越来越成为微波功率器件的主要发展方向。对微波功率晶体管器件来说，其器件栅电极的截面结构通常为T型，如说明书附图1所示，其与材料势垒层接触的栅长较小，以保证具有较高的微波截止频率fT(或称电流截止频率)，同时沿电流传导方向的栅截面积较大，这样能够保证具有较小的栅寄生电阻，从而提高最大振荡频率fMAX(或称增益截止频率)，而频率参数是决定微波功率器件整体性能的关键参数。
制作T型栅的工艺方法是通过光刻、蒸发金属、剥离实现的。理论上，器件频率与栅长成反比，即要获得高频率(fT在100GHz以上)的微波器件，需要降低器件的栅长，即T型栅底部的长度。对于高频器件，T型栅的栅脚尺寸一般在250nm以下。采用传统的光学光刻工艺，会受到光刻设备极限性能及设备成本的限制，因此常用的实现方法是采用电子束光刻机。不同于光学光刻，电子束光刻机采用电子的束斑作为光源，由于电子在自然界中的波长最小，因此能够使光学衍射效应降到最小，因此电子束斑的最小直径能够达到几纳米范围。电子束光刻机的最小光刻尺寸目前能够达到20nm，能够有效满足HEMT器件中T型栅的需求。
同时，由于T型栅的特殊结构，采用电子束光刻工艺时，需要同时使用多层光刻胶，一次光刻形成T型结构。常用的两种方法有两种，其操作过程分别如下：
1、采用双层光刻胶，下层光刻胶采用低灵敏度高光刻剂量的胶，如聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA)，上层采用高灵敏度低光刻剂量的胶，如甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸的共聚物(简称PMMA-MAA)。如图2(a)所示，在光刻时，两侧图形的光刻剂量设置为适合上层胶的低剂量，中间图形的光刻剂量设置为适合下层胶的高剂量。显影时，由于中间部分两层胶都被完全曝光，光刻胶被显影掉，而两侧的部分只有低剂量的上层胶被完全曝光，因此只有上层胶被显影掉。这样就形成了光刻胶的T型结构，之后进行金属淀积和剥离，形成T型栅。
该方法的缺点是，由于缺少undercut结构，T型结构内的金属与周围光刻胶的待剥离金属不容易分离，会使T型结构内的金属一起被剥离掉，影响成品率。
2、采用三层光刻胶，与方法1类似，如图2(b)所示，下层光刻胶采用低灵敏度高光刻剂量的胶，上层采用高灵敏度低光刻剂量的胶，而中间层采用剥离胶或其他更高灵敏度、更低光刻剂量的胶，因此显影时中间会形成undercut结构，有利于金属剥离。
但是该方法的缺点是，由于剥离胶和电子束光刻胶需要的显影液并不兼容，需要分开多次显影。同时不同胶所需的显影液，可能对其他胶产生一些不利的反应。例如，剥离胶所需的显影液，主要成分为水，而电子束光刻胶，如含PMMA成分的胶，易吸水膨胀，进而起泡、变形，影响光刻的成品率。
上文中提到的剥离(Lift-off)和undercut是半导体工艺中光刻和淀积金属的方法，用来获得特定的金属图形。参见图3(a)，单层胶光刻显影后淀积金属，但由于光刻胶侧壁容易粘连一些金属，因此在剥离光刻胶上的金属(采用化学溶液溶解光刻胶)时，会连带材料上的有效金属一起剥掉，造成工艺失败。参见图3(b)，采用有利于剥离的双层胶undercut工艺，即下层胶可采用一种无感光性的剥离胶(可溶于显影液)或者曝光剂量更低的光刻胶。由于下层胶在显影液中溶解速度更快，在显影时形成了倒T形的结构，称为undercut结构。该结构能够使光刻胶上淀积的金属与材料上的有效金属不粘连，这样在剥离时就能够完全去除光刻胶上淀积的金属，而留下材料上的有效金属。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种制作T型栅结构的电子束光刻方法，只需两种光刻胶以及一次显影即能够得到T型栅结构，操作便捷、可靠。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
S1：在衬底材料上，涂覆低灵敏度高光刻剂量的一号光刻胶并烘烤；
S2：再在一号光刻胶上涂覆二号光刻胶并烘烤，二号光刻胶的灵敏度高于一号光刻胶，二号光刻胶的光刻剂量低于一号光刻胶；
S3：再在二号光刻胶上涂覆三号光刻胶并烘烤；三号光刻胶仍采用与二号光刻胶相同的光刻胶，三号光刻胶的烘烤温度低于步骤S2中二号光刻胶的烘烤温度；
S4：对步骤S3形成的复合胶层进行电子束光刻，光刻时，两侧图形的光刻剂量设置为适合上层胶的低剂量，中间图形的光刻剂量设置为适合下层胶的高剂量；
S5：通过显影形成带有undercut结构的T型结构；
S6：在显影后的结构上沉积金属，一号光刻胶的厚度<栅金属厚度<二号光刻胶厚度；
S7：采用剥离工艺去掉光刻胶及附着金属，留下淀积在平面材料上的金属，形成T型栅。
所述的一号光刻胶选用PMMA胶，二号光刻胶与三号光刻胶均采用PMMA-MAA胶。
所述的三号光刻胶的烘烤温度低于二号光刻胶20摄氏度以上。
所述的步骤S4进行电子束光刻时，两侧图形与中间图形之间留有间隙。
所述的步骤S5进行显影时显影液选用MIBK与IPA按照体积比为1:3配制的溶液。
所述的步骤S6中，二号光刻胶的厚度大于所沉积金属厚度的约1.3倍。
所述的步骤S7中，采用丙酮溶液浸泡将光刻胶及其上层所附着金属一起脱落。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：在显影时，一号光刻胶、二号光刻胶、三号光刻胶能够采用相同的显影液，仅需进行一次显影，由于光刻胶的灵敏度与光刻前的前烘温度有关系，烘烤温度越高则灵敏度越高，而灵敏度越高的光刻胶，在相同显影液和相同显影时间下，其显影掉的区域更大。因此，采用相同光刻胶组成双层结构的二号光刻胶和三号光刻胶，不同烘烤温度带来的灵敏度差距，能够形成undercut结构，而一号光刻胶由于其灵敏度最低，图形最小。因此最终形成带有undercut结构的T型结构。本发明能够避免两层光刻胶产生的剥离失败问题，整个方法只需一次显影即能够形成光刻胶图形，能够避免三层胶带来的显影液不兼容问题，因此该光刻方法能够更加便捷和可靠的制备出T型栅。
进一步的，本发明一号光刻胶选用具有低灵敏度高光刻剂量的PMMA胶，PMMA胶和PMMA-MAA胶的性质相近，能够只用同一种显影液完成显影。
附图说明
图1基于GaN基异质结材料的高迁移率晶体管器件的截面结构示意图；
图2传统T型栅结构光刻过程示意图：(a)无undercut结构；(b)有undercut结构；
图3传统剥离过程示意图：(a)单层胶无undercut结构；(b)双层胶有undercut结构；
图4本发明电子束光刻方法流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图4，本发明制作T型栅结构的电子束光刻方法包括以下步骤：
1.在衬底材料上，涂覆一号光刻胶，并在180℃下烘烤2分钟，该光刻胶采用PMMA胶，PMMA胶具有低灵敏度高光刻剂量的特点；衬底材料采用GaN基异质结平面材料；
2.涂覆二号光刻胶，该光刻胶采用PMMA-MAA胶，并在200℃下烘烤5分钟，PMMA-MAA胶的灵敏度高于PMAA胶，光刻剂量低于PMMA胶；
3.涂覆三号光刻胶，该光刻胶仍采用PMMA-MAA胶并烘烤，该烘烤温度要低于二号光刻胶20℃以上，实施例中在160℃下烘烤5分钟；
4.电子束光刻，如图所示，两侧图形的光刻剂量设置为适合上层胶的低剂量，中间图形的光刻剂量设置为适合下层胶的高剂量，具体剂量设置与采用的电子束光刻机型号和设置有关；考虑到光刻邻近效应，可以使两侧图形与中间图形有一定的间隙；
5.显影，由于PMMA-MAA胶与PMMA胶可采用相同的显影液，因此仅需一次显影，该显影液一般采用MIBK与异丙醇的1:3溶液，形成带有undercut结构的T型结构；
MIBK为甲基异丁基(甲)酮，或称为甲基异丁酮、4-甲基-2-戊酮；IPA为异丙醇；
6.淀积金属，栅金属厚度要大于一号光刻胶的厚度，以保证形成T型栅，同时小于二号光刻胶的厚度(二号光刻胶的厚度需要大于金属厚度的约1.3倍)，保证剥离成功。
常用的金属淀积工艺方法为电子束蒸发工艺；
7.采用剥离工艺形成T型栅，一般采用的剥离方法是采用丙酮溶液浸泡，丙酮可使光刻胶及其上层附着的金属一起脱落，从而留下淀积在平面材料上的金属，形成T型栅。
本发明在显影时，由于PMMA-MAA胶与PMMA胶可采用相同的显影液，因此仅需一次显影。由于光刻胶的灵敏度与光刻前的前烘温度有一定的关系，烘烤温度越高则灵敏度越高。而灵敏度越高的光刻胶，在相同显影液和相同显影时间下，其显影掉的区域更大。因此，对于双层PMMA-MAA，不同烘烤温度带来的灵敏度差距，能够形成undercut结构。而下层PMMA胶，由于其灵敏度最低，图形最小。因此最终形成带有undercut结构的T型结构。
这种方法的优势是：只需两种光刻胶，通过烘胶温度变化，形成undercut结构，避免了两层胶产生的剥离失败问题，同时由于PMMA材料和PMMA-MAA材料的性质相近，能够只用同一种显影液，因此整个方法只需一次显影即可形成光刻胶图形，能够避免三层胶带来的显影液混杂问题。因此该光刻方法能够更加便捷和可靠的制备T型栅。
Claims (5)
1.一种制作T型栅结构的电子束光刻方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在衬底材料上，涂覆低灵敏度高光刻剂量的一号光刻胶并烘烤；
S2：再在一号光刻胶上涂覆二号光刻胶并烘烤，二号光刻胶的灵敏度高于一号光刻胶，二号光刻胶的光刻剂量低于一号光刻胶；
S3：再在二号光刻胶上涂覆三号光刻胶并烘烤；三号光刻胶仍采用与二号光刻胶相同的光刻胶，三号光刻胶的烘烤温度低于步骤S2中二号光刻胶的烘烤温度；
所述的一号光刻胶选用PMMA胶，二号光刻胶与三号光刻胶均采用PMMA-MAA胶；
所述的三号光刻胶的烘烤温度低于二号光刻胶20摄氏度以上；
S4：对步骤S3形成的复合胶层进行电子束光刻，光刻时，两侧图形的光刻剂量设置为适合上层胶的低剂量，中间图形的光刻剂量设置为适合下层胶的高剂量；
S5：通过显影形成带有undercut结构的T型结构；
S6：在显影后的结构上沉积金属，一号光刻胶的厚度<栅金属厚度<二号光刻胶厚度；
S7：采用剥离工艺去掉光刻胶及附着金属，留下淀积在平面材料上的金属，形成T型栅。
2.根据权利要求1所述制作T型栅结构的电子束光刻方法，其特征在于：所述的步骤S4进行电子束光刻时，两侧图形与中间图形之间留有间隙。
3.根据权利要求1所述制作T型栅结构的电子束光刻方法，其特征在于：所述的步骤S5进行显影时显影液选用MIBK与IPA按照体积比为1:3配制的溶液。
4.根据权利要求1所述制作T型栅结构的电子束光刻方法，其特征在于：所述的步骤S6中，二号光刻胶的厚度大于所沉积金属厚度的1.3倍。
5.根据权利要求1所述制作T型栅结构的电子束光刻方法，其特征在于：所述的步骤S7中，采用丙酮溶液浸泡将光刻胶及其上层附着的金属一起脱落。
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