硅基質上圖案化金膜的制備

李 麗，楊合情，馬俊紅

（1.新疆大學化學化工學院，新疆烏魯木齊 830046；2.陜西師范大學化學與材料科學學院，陜西西安 710062）

硅基質上圖案化金膜的制備

李 麗1，2，楊合情2，馬俊紅1

（1.新疆大學化學化工學院，新疆烏魯木齊 830046；2.陜西師范大學化學與材料科學學院，陜西西安 710062）

介紹了一項材料化學綜合實驗。該實驗利用紫外光刻技術在硅基底上制備出圖案化的金膜，采用冷熱臺偏光顯微鏡對硅片上圖形的質量進行檢查。通過該實驗，不僅可以了解光刻技術的相關基礎知識，掌握圖案化金膜的常見制備方法和常用表征手段，還能在后續的實驗中以圖案化Au膜作為模板，設計制備出多種圖案化的半導體、聚合物納米結構。該實驗可以在本科生及研究生實驗教學中推廣。

圖案；金膜；光刻；硅基質

20世紀90年代，由于納米材料具有奇異的特性，在全球范圍內掀起了納米材料熱。近年來隨著納米技術的快速發展，微米或者納米尺寸圖案的制備受到廣泛的關注［1-4］，微型圖案化器件在微電子、光學、細胞生物學等領域得到越來越充分的體現［5-9］。為了實現納米器件的集成，需要精確控制納米材料的生長位置、尺寸和生長密度［10］。本實驗利用紫外光刻技術［11-12］制備出圖案化的Au膜，利用偏光顯微鏡對硅片上的圖形質量進行檢查。通過本實驗，學生不僅可以了解光刻技術的相關基礎知識，掌握圖案化金膜的常見制備方法和常用表征手段，還能在后續的實驗中以圖案化Au膜作為模板，設計制備出多種圖案化的半導體、聚合物納米結構。本實驗既可以作為材料化學專業低年級本科生的選修實驗，也可以用作材料化學高年級本科生和研究生的必修實驗。

1 實驗原理

開設該綜合實驗的基本目的是（1）了解光刻的基本概念、工藝與應用；（2）掌握紫外光刻技術制備圖案化金膜的基本原理；（3）學習曝光機、勻膠機、離子濺射儀、冷熱臺偏光顯微鏡的操作。

1.1 光刻技術原理

光刻技術實際上就是實現圖形轉移整個過程中的處理技術，也就是將掩模板上的幾何圖形通過曝光先轉移到基片表面的光刻膠膠膜上，然后再通過刻蝕等一系列處理技術把光刻膠上的圖像復制到襯底基片表面并形成永久性圖形的工藝處理過程。

1.2 圖案化金膜的基本原理

制備圖案化金膜的工藝過程見圖1。首先在硅基質上涂一層光刻膠，在光刻機上將掩模版上的圖形精確地復制在涂在硅基質上的光刻膠，在適當波長光的照射下，被曝光的光刻膠發生變化，溶于顯影液中（正性膠），未受光照射的光刻膠不發生變化，不溶于顯影液中。結果在硅基底上得到與光刻掩模版完全一致的圖案。采用離子濺射儀在圖案的光刻膠上噴一層金膜，再用去膠劑去除硅基底表面的光刻膠，在硅的表面得到與掩模版完全相對應的幾何圖形的金膜。

圖1 制備圖案化金膜工藝的示意圖

2 實驗步驟

2.1 儀器和試劑

BP-215正性光刻膠、顯影液及去膠劑（北京）。

URE-2000／17曝光機、KW-4A勻膠機、SCD005離子濺射儀、超聲波清洗機、烘箱、冷熱臺偏光顯微鏡、鑷子、定時鐘、量筒、培養皿、燒杯及硅片。

2.2 圖案化金膜的制備

（1）涂膠：將清潔、干燥的硅基片放在勻膠機的承片臺上，然后用滴管滴上數滴正性光刻膠于硅基片上，利用轉動時產生的離心力，將硅基片上多余的膠液甩掉，在光刻膠表面粘附能力和勻膠機離心力的共同作用下形成厚度均勻的膠膜。經過多次實驗，KW-4A勻膠機的設置參數定為：TimeⅠ（3s），speedⅠ（500r／min）；TimeⅡ（20s），speedⅡ（5000r／min）。

要求：膠膜厚度適當，膠膜層均勻，粘附良好，表面無顆粒無劃痕。

（2）前烘：將涂有光刻膠的硅基片放入培養皿中，95℃烘箱中干燥10～15min，促使膠膜內溶劑充分地揮發掉，使膠膜干燥，增加膠膜與硅基片之間的粘附性和提高膠膜的耐磨性，不沾污掩模版，只有干燥的光刻膠才能充分均勻地進行光化學反應。

（3）曝光：在URE-2000／17專用的光刻機上，接觸式曝光法，它包括“定位”和“曝光”兩部分。預熱紫外光燈（高壓汞燈）使光源穩定，將光刻掩模版放在支架上，有圖形的面向下，把涂有光刻膠的硅基片放在可微調的工作臺上（膠面朝上），調節微動裝置，使掩模版的圖形與硅片相應的位置準確套合，頂緊硅基片和掩模版，曝光，時間為18～20s，曝光后取下硅基片。

說明：曝光時間的選擇與光源強弱、光源與硅基片距離遠近、光刻膠性能和光刻圖形尺寸大小有關。一般情況下，先試曝光一片，顯影后檢查表面，看其圖形是否清晰。如果曝光不足，光刻膠反應不充分，顯影時部分膠膜被溶解，顯微鏡下觀察膠膜發黑。曝光時間過長，使不感光部分的邊緣產生“暈光”現象，邊界模糊，出現皺紋。

（4）中烘：曝光后的硅基片放入培養皿中，105℃烘箱中干燥10～15min，促使膠膜內溶劑揮發完全。

（5）顯影：將硅基片上感光部分的正性光刻膠溶掉，以獲得所需要的圖形。具體步驟如下：①將曝光后的硅基片放入配制好的顯影液中（顯影劑與水的體積比為1∶1），顯影時間50～55s；②取出硅基片，用去離子水沖洗干凈，放在KW-4A勻膠機的承片臺上甩干；③顯影后的圖形通過冷熱臺偏光顯微鏡認真檢查，保證光刻質量。

（6）噴金膜：利用SCD005離子濺射儀在具有一定圖形的硅基片上噴一層金膜，SCD005離子濺射儀的設置參數定為：電流40mA，時間80s。

（7）去膠：將噴有金膜的硅基片，放入盛有去膠劑的燒杯中，用超聲波清洗儀超聲15～20s，然后用去離子水反復沖洗，放在KW-4A勻膠機的承片臺上甩干，最后通過冷熱臺偏光顯微鏡認真檢查硅基片上圖案化金膜的質量。

3 結果與討論

3.1 實驗結果

圖2的（a）和（b）是顯影后硅基片上不同放大倍數的偏光顯微鏡照片。從圖中可以清楚地看出硅片上整齊排列著許多正方形，每個正方形的尺寸大小相同，并且與掩模版上設計的圖形的尺寸完全一致。

圖2 顯影后硅基片上不同放大倍數的偏光顯微照片

圖3（a）和（b）分別是圖2的硅基片噴金膜去膠后，硅基片上圖案化金膜250倍和500倍的偏光顯微鏡照片。從圖中可以看出硅片上有大面積的正方形金膜，每個正方形金膜的尺寸大小完全相同，圖案完全復制了掩模版上的圖案。利用光刻技術，不但可以制備正方形的圖案，也可以根據需要制備各種圖案。用同樣的方法制備了較復雜的叉式電極，如圖4和圖5所示。圖4為顯影后大面積叉式電極的500倍的偏光顯微照片。圖5為噴金去膠后的偏光顯微照片，顯示條狀電極相互平行，并且電極的寬度相同，圖案完全復制了掩模版上設計的圖案。

圖3 去膠后硅基片上的圖案

圖4 大面積更式電極的500倍偏光顯微照片

圖5 噴金去膠后的偏光顯微照片

3.2 注意事項

（1）若在涂膠過程中，硅基片背面粘附有光刻膠，可以用丙酮把它擦干凈。

（2）在顯影過程中不要來回晃動硅片。

（3）將有部分缺陷的硅基片，可以先用去膠劑把未曝光的光刻膠除去，然后用去離子水反復清洗，處理好的硅基片也可以重復使用。

3.3 引發學生進一步探討的思考題

（1）正性光刻膠與負性光刻膠有什么區別？（2）能否用玻璃片代替硅基片？（3）能否用乙醇或丙酮代替去膠劑？

4 結論

采用紫外光刻技術制備出圖案化金膜。本實驗可以規劃為6學時或8學時，由于本實驗涉及到微電子專業知識，化學專業的學生對這個實驗產生了濃厚的興趣，學生通過自己動手操作，制備出圖案化金膜，對培養學生科研興趣，提高學生的綜合實驗能力和科研能力很有意義。

（References）

［1］He J H，Hsu J H，Wang C W，et al.Pattern and Feature Designed Growth of ZnO Nanowire Arrays for Vertical Devices［J］.J.Phys.Chem.B.，2006，110（1）：50-53.

［2］Greyson E C，Babayan Y，Odom T W.Directed Growth of Ordered Arrays of Small-Diameter ZnO Nanowires［J］.Adv.Mater.，2004，16（15）：1348-1352.

［3］Wang X D，Summers C J，Wang Z L.Large-scale hexagonal-patterned growth of aligned ZnO nanorods for nano-optoelectronics and nanosensor arrays［J］.Nano.Lett.，2004，4（3）：423-426.

［4］Yang P D，Yan H Q，Mao S，et al.Controlled growth of ZnO nanowires and their optical properties［J］.Adv.Funct.Mater.，2002，12（5）：323-331.

［5］Kang H W，Yeo J，Hwang J O，et al.Simple ZnO Nanowires Patterned Growth by Microcontact Printing for High Performance Field Emission Device［J］.J.Phys.Chem.C.，2011（115）：11435-11441.

［6］Lee J M，Pyun Y B，Yi J，et al.ZnO nanorod-graphene hybrid architectures for multifunctional conductors［J］.J.Phys.Chem.C.，2009，113（44）：19134-19138.

［7］Ogata K，Dobashi H，Koike K，et al.Patterned growth of ZnO nanorods and enzyme immobilization toward the fabrication of glucose sensors［J］.Physica E.，2010，42（10）：2880-2883.

［8］Zhang N，Yu K，Zhang Y S，et al.Patterned growth of ZnO nanorods and their field emission properties［J］.Curr.Appl.Phys.2009（9）：34-38.

［9］Christman K L，Requa M V，Enriquezrios V D，et al.Submicron streptavidin patterns for protein assembly［J］.Langmuir，2006，22（17）：7444-7450.

［10］李麗，楊合情，馬軍虎，等.圖案化錐形氧化鋅納米帶的原位熱氧化法制備與發光性質［J］.無機化學學報，2012，28（1）：25-29.

［11］Quirk，M.半導體制造技術（中譯本）［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［12］K A杰克遜.半導體工藝［M］.北京：科學出版社，1999.

Fabrication of patterned Au film by photolithography on Si substrate

Li Li1，2，Yang Heqing2，Ma Junhong1
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，China；2.School of Chemistry and Materials Science，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China）

The fabrication of the patterned Au film on Si substrate was introduced in a material chemistry experiment.The patterned Au film was fabricated on Si substrate by the photolithography.The quality of the graphs on Si substrate is examined by the hot and cold polarizing microscopy.The experiment is easy to operate.The time and steps are reasonable.It is valuable to spread for the undergraduate and graduate students.

pattern；Au film；photolithography；Si substrate

TQ577.3

B

1002-4956（2013）03-0044-03

2012-06-04 修改日期：2012-09-16

新疆維吾爾自治區高校科研重點項目（XJEDU2009I01）；新疆大學博士啟動基金（BS100110）

李麗（1972—），女，安徽亳州，博士，副教授，主要研究方向：納米材料的制備與器件研究.

E-mail：lili1972＠xju.edu.cn