CN114597287B - 一种室温红外敏感薄膜的图案化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，包括下列步骤：在衬底上依次旋涂聚甲基丙烯酸甲酯层、可溶性光刻胶层和正性光刻胶层，然后曝光显影，反应离子刻蚀，制作出三层胶结构。然后采用化学浴沉积法在衬底上沉积室温红外敏感薄膜，最后用丙酮去胶，剥离得到图案化的室温红外敏感薄膜。本发明采用聚甲基丙烯酸甲酯层，克服了光刻胶溶于碱性化学浴前驱体溶液的不足。采用丙酮剥离，避免了湿法腐蚀时强酸对衬底的腐蚀，以及干法刻蚀气体物理轰击对金属电极的刻蚀。本发明方法简便，尤其适用于碱性化学浴沉积室温红外敏感薄膜的图案化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是涉及一种室温红外敏感薄膜的图案化方法。
背景技术
PbS、PbSe材料具有较小的禁带宽度和较大的激子波尔半径，其红外响应截止波长可至中波红外，常用于光电探测器的红外敏感材料。化学浴沉积法制备室温红外敏感薄膜是在非真空条件下进行，成本低，是近年来薄膜器件发展的重要方向。化学浴沉积法是一种利用溶液中金属络合物与还原性化合物缓慢反应并沉积在基底表面的化学过程，具有化学计量比可控、成膜均匀致密和低温工艺等优点。
PbS、PbSe室温红外敏感薄膜的图案化方法主要有湿法腐蚀法、干法刻蚀法和溶脱剥离法等。湿法腐蚀法是把有室温红外敏感薄膜的衬底浸入强酸中，去除裸露的薄膜，这种方法的缺点是PbS、PbSe薄膜必须用浓盐酸或者硝酸等强酸进行腐蚀，并且需要水浴加热，在浓热的强酸中读出电路衬底可能被腐蚀，对制作光电探测器带来风险。干法刻蚀法是在真空环境下用离子轰击薄膜，去除裸露的薄膜，这种方法的缺点是PbS、PbSe材料需要用氩气或者氯基气体刻蚀，氩离子或氯基气体容易对衬底上的金属层造成损伤，如损坏金属电极等。溶脱剥离法通常是在衬底上制作光刻胶图案，然后在光刻胶图案上溅射或沉积薄膜，然后在丙酮中去除剩余的胶，剥离得到图案化的薄膜。但是用化学浴沉积法制备PbS、PbSe室温红外敏感薄膜时，前驱体溶液呈碱性，由于可溶性光刻胶和正性光刻胶易溶解于碱性溶液，所以有光刻胶图案的衬底放入化学水浴前驱体溶液中就会溶解，无法实现溶脱剥离效果。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是现有技术对化学浴沉积的室温红外敏感物薄膜无法实现溶脱剥离的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明具体提供一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，包括：在衬底上依次旋涂聚甲基丙烯酸甲酯层、可溶性光刻胶层和正性光刻胶层；采用掩模曝光，显影，反应离子刻蚀，在衬底上制作出三层胶结构；用化学浴沉积法在衬底上沉积室温红外敏感薄膜；用丙酮剥离剩余的胶，得到图案化的室温红外敏感薄膜。
所述衬底至少包括硅片、读出电路中的一种。
所述可溶性光刻胶层为不溶于丙酮，但易溶于碱性显影液的光刻胶层。
优选的，所述正性光刻胶层为AZ1500胶层、AZ3100胶层、S1805胶层中的一种及其组合。
所述采用掩模曝光，显影，反应离子刻蚀，在衬底上制作出三层胶结构，具体包括：采用掩模曝光，显影，得到可溶性光刻胶层和正性光刻胶层形成的双层结构，采用反应离子刻蚀去除裸露的聚甲基丙烯酸甲酯层，形成三层胶结构。
所述可溶性光刻胶层相对于所述正性光刻胶层在碱性显影液中具有更快的显影速率，在显影时，形成上宽下窄的倒梯形结构，以利于溶脱剥离。
优选的，在进行反应离子刻蚀操作时，反应离子刻蚀气体为氧气，功率为30-100W，刻蚀时间为0.5-2min。
所述室温红外敏感薄膜至少包括PbS薄膜、PbSe薄膜中的一种。
用化学浴沉积法在衬底上沉积室温红外敏感薄膜时，所述化学浴沉积法的前驱体溶液为碱性。
优选的，所述室温红外敏感薄膜的厚度小于1微米。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明在衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯层，聚甲基丙烯酸甲酯不溶于碱性溶液，易溶于丙酮，克服了光刻胶溶于碱性化学浴前驱体溶液的不足。
(2)本发明采用氧气短时间反应离子刻蚀和丙酮溶脱剥离，不会对衬底造成损伤。避免了湿法腐蚀时浓盐酸、硝酸等强酸对衬底的腐蚀，以及氩气和氯基气体等干法刻蚀气体对金属电极的刻蚀。
(3)本发明采用丙酮溶脱剥离，不会对室温红外敏感薄膜侧向腐蚀，图案横向尺寸控制更好。
(4)本发明方法简便，尤其适用于碱性化学浴沉积室温红外敏感薄膜的图案化。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1是本发明的室温红外敏感薄膜的图案化工艺流程图。
图2是本发明的掩模曝光显影后两层胶结构示意图。
图3是本发明的反应离子刻蚀后三层胶结构示意图。
图4是本发明的化学浴沉积后室温红外敏感薄膜结构示意图。
图5是本发明的溶脱剥离后室温红外敏感薄膜结构示意图。
图6是实施例一的反应离子刻蚀后光刻胶图案的显微形貌。
图7是实施例一的溶脱剥离后图案化PbS薄膜的显微形貌。
图8是实施例一的图案化PbS薄膜的扫描电子显微镜能谱分析结果。
图9是实施例二的溶脱剥离后图案化PbSe薄膜的显微形貌。
图中，1为衬底，2为聚甲基丙烯酸甲酯层，3为可溶性光刻胶层，4为正性光刻胶层，5为室温红外敏感薄膜。
具体实施方式
以下列举的部分实施例仅仅是为了更好地对本发明进行说明，但本发明的内容并不局限在应用于所举的实施例中。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整而应用于其他实施例中，仍在本发明的保护范围之内。
实施例一：
参阅图1，本发明提供一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，包括下列步骤：
在有金属电极的硅片衬底上旋涂4％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，转速为2000rpm，100℃烘烤10min，然后旋涂LOR-5A可溶性光刻胶层，转速为3000rpm，100℃烘烤10min，旋涂S1805正性光刻胶，转速为3000rpm，100℃烘烤10min。用掩模贴紧硅片紫外曝光，紫外波长为365nm，紫外光功率为2mW/cm2,曝光时间为15s。按照AZ400K原液与水1:4的体积比配置成显影液，在显影液中显影40s，得到可溶性光刻胶和正性光刻胶的两层胶结构，如图2所示。
由于LOR-5A可溶性光刻胶的显影速率比S1805胶的显影速率更快，在硅片衬底上形成上宽下窄的倒梯形结构，便于溶脱剥离。反应离子刻蚀裸露的聚甲基丙烯酸甲酯层，刻蚀气体为氧气，气体流量为30sccm，刻蚀功率为80W，刻蚀时间为60s。刻蚀完成后，在硅片上形成三层胶结构，如图3所示。
然后把有三层胶结构的硅片用化学浴沉积法制备PbS薄膜。将适量的乙酸铅、硫脲、柠檬酸钠和氢氧化钠溶于去离子水中，充分搅拌，配置成前驱体溶液，溶液呈碱性。在恒温水浴锅内进行水浴加热，水浴温度为40℃，水浴时间为1小时，在水浴过程中，S1805光刻胶和LOR-5A光刻胶逐渐溶解于碱性溶液中，而聚甲基丙烯酸甲酯层不溶解于碱性溶液，水浴完成后，在硅片上沉积了300nm厚的PbS薄膜，如图4所示。
然后把硅片浸入丙酮中，浸泡5min，聚甲基丙烯酸甲酯层完全溶解，去除剩余的胶，乙醇和去离子水清洗，氮气吹干，在硅片上制备了图案化的PbS薄膜，如图5所示。反应离子刻蚀后光刻胶图案的显微形貌如图6所示，溶脱剥离后图案化PbS薄膜的显微形貌如图7所示，扫描电子显微镜能谱分析结果如图8所示，金属电极之间的矩形条带就是图案化的PbS薄膜。
实施例二：
本发明提供一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，包括下列步骤：
在有金属电极的读出电路衬底上旋涂6％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，转速为2000rpm，100℃烘烤10min，然后旋涂LOR-5A可溶性光刻胶层，转速为3000rpm，100℃烘烤10min，旋涂AZ3100正性光刻胶，转速为3000rpm，100℃烘烤10min。用掩模贴紧读出电路紫外曝光，紫外波长为365nm，紫外光功率为2mW/cm2,曝光时间为20s。按照AZ400K原液与水1:4的体积比配置成显影液，在显影液中显影50s，得到可溶性光刻胶和正性光刻胶的两层胶结构。
由于LOR-5A可溶性光刻胶的显影速率比AZ3100胶的显影速率更快，在硅片衬底上形成上宽下窄的倒梯形结构，便于溶脱剥离。反应离子刻蚀裸露的聚甲基丙烯酸甲酯层，刻蚀气体为氧气，气体流量为30sccm，刻蚀功率为100W，刻蚀时间为60s。刻蚀完成后，形成三层胶结构。
然后把有三层胶结构的读出电路衬底用化学浴沉积法制备PbSe薄膜。首先将适量的亚硫酸钠溶于去离子水中，加入硒粉，70℃恒温水浴，配制成硒代硫酸钠溶液。然后将适量的乙酸铅、柠檬酸钠和氢氧化钾溶于去离子水中，充分搅拌，与硒代硫酸钠溶液混合，配置成前驱体溶液，溶液呈碱性。在恒温水浴锅内进行水浴加热，水浴温度为70℃，水浴时间为2小时，在水浴过程中，AZ3100光刻胶和LOR-5A光刻胶逐渐溶解于碱性溶液中，而聚甲基丙烯酸甲酯层不溶解于碱性溶液，水浴完成后，在读出电路衬底上沉积了500nm厚的PbSe薄膜。
然后把读出电路衬底浸入丙酮中，浸泡8min，聚甲基丙烯酸甲酯层完全溶解，去除剩余的胶，乙醇和去离子水清洗，氮气吹干，在读出电路衬底上制备了图案化的PbSe薄膜，如图9所示，金属电极之间的黑色矩形条带就是图案化的PbSe薄膜。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本发明的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
Claims (7)
1.一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次旋涂聚甲基丙烯酸甲酯层、可溶性光刻胶层和正性光刻胶层；
采用掩模曝光，显影，反应离子刻蚀，在衬底上制作出三层胶结构；
用化学浴沉积法在衬底上沉积室温红外敏感薄膜；
用丙酮剥离剩余的胶，得到图案化的室温红外敏感薄膜；
所述室温红外敏感薄膜至少包括PbS薄膜、PbSe薄膜中的一种；
用化学浴沉积法在衬底上沉积室温红外敏感薄膜时，所述化学浴沉积法的前驱体溶液为碱性。
2.根据权利要求1所述的一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，其特征在于，所述衬底至少包括硅片、读出电路中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，其特征在于，所述可溶性光刻胶层为不溶于丙酮，但易溶于碱性显影液的光刻胶层。
4.根据权利要求1所述的一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，其特征在于，所述采用掩模曝光，显影，反应离子刻蚀，在衬底上制作出三层胶结构，具体包括：
采用掩模曝光，显影，得到可溶性光刻胶层和正性光刻胶层形成的双层结构，采用反应离子刻蚀去除裸露的聚甲基丙烯酸甲酯层，形成三层胶结构。
5.根据权利要求1所述的一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，其特征在于，所述可溶性光刻胶层相对于所述正性光刻胶层在碱性显影液中具有更快的显影速率，在显影时，形成上宽下窄的倒梯形结构，以利于溶脱剥离。
6.根据权利要求1所述的一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，其特征在于，在进行反应离子刻蚀操作时，反应离子刻蚀气体为氧气，功率为30-100W，刻蚀时间为几分钟。
7.根据权利要求1所述的一种室温红外敏感薄膜的图案化方法，其特征在于，所述室温红外敏感薄膜的厚度小于1微米。
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