一种无衬底支撑薄膜的制备方法及其无机化合物薄膜

1.本发明属于薄膜领域，具体涉及一种无衬底支撑薄膜的制备方法及其无机化合物薄膜。


背景技术：

2.悬空无衬底支撑薄膜，即在使用过程中特定区域悬空，没有衬底支撑的薄膜。无机化合物薄膜材料由于厚度非常薄(1nm～200nm)，通常都必须沉积在某种衬底上的，衬底对薄膜材料起支撑作用。但是正因如此，薄膜会受到来自衬底的束缚作用，在薄膜内部产生应力。当研究薄膜材料的物理性质，尤其是热力学性质的时候，都会受到衬底的影响，而不能测量得到薄膜的本征物理性质。虽然现在有技术能够实现sinx、sio2薄膜的悬空制备，但是相关技术存在材料普适性差的问题。因此开发一种实现悬空的无衬底支撑无机化合物薄膜制备工艺对于研究无机化合物薄膜材料的本征物理性质是非常重要的。


技术实现要素：

3.因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种无衬底支撑薄膜的制备方法及其无机化合物薄膜。
4.在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：
5.术语“tmah”是指：四甲基氢氧化氨。
6.术语“mf-319”是指：mf-319系列显影液。
7.术语“mibk”是指：甲基异丁基酮。
8.术语“pmma”是指：聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶。
9.术语“s1813”是指：s1813光刻胶。
10.术语“zep”是指：zep光刻胶。
11.为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种无衬底支撑薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
12.(1)清洗处理衬底；
13.(2)在步骤(1)的衬底的一面均匀沉积薄膜；
14.(3)在步骤(2)的薄膜上沉积无机化合物薄膜；
15.(4)在沉积过无机化合物薄膜的衬底的另一面制作方孔掩膜，腐蚀衬底，形成只有悬空步骤(2)沉积的薄膜和步骤(3)沉积的无机化合物薄膜窗口；和
16.(5)在步骤(4)的基础上刻蚀步骤(2)沉积的薄膜，得到悬空的无机化合物薄膜，即为所述的无衬底支撑薄膜。
17.根据本发明第一方面的制备方法，其中，所述步骤(1)中，
18.所述衬底为单晶硅片，最优选为双面抛光的单晶硅片；
19.所述衬底的厚度为50～600μm，优选为50～500μm，更优选为100～200μm；和/或
20.所述清洗处理包括：使用有机溶剂清洗或氧等离子体轰击；
21.优选地，所述有机溶剂选自以下一种或多种：丙酮、酒精、异丙醇。
22.根据本发明第一方面的制备方法，其中，所述步骤(2)中，
23.所述薄膜为sin
x
薄膜或sio2薄膜，最优选为sin
x
薄膜；其中，当薄膜为sin
x
薄膜时，1《x＜2；
24.所述薄膜的厚度为10～1000nm，优选为20～500nm，更优选为50～200nm；和/或
25.所述沉积的方法选自以下一种或多种：低压化学气相沉积、磁控溅射，最优选为低压化学气相沉积。
26.根据本发明第一方面的制备方法，其中，所述步骤(3)中，
27.所述无机化合物薄膜选自以下一种或多种：氧化钛薄膜、氧化铝薄膜、氧化锌薄膜、二维材料薄膜，更优选为氧化钛薄膜或氧化铝薄膜；
28.所述无机化合物薄膜的厚度为10～250nm，优选为20～200nm，更优选为20～100nm；和/或
29.所述沉积的方法选自以下一种或多种：磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积、原子层沉积、管式炉沉积。
30.根据本发明第一方面的制备方法，其中，
31.所述步骤(3)中还包括退火处理；和/或
32.所述步骤(4)中，所述制作方孔掩膜的方法选自以下一种或多种：紫外曝光、电子束曝光、激光直写，最优选为紫外曝光。
33.根据本发明第一方面的制备方法，其中，所述步骤(4)中进一步包括：
34.(a)在沉积过无机化合物薄膜的衬底的另一面旋涂光刻胶，并进行光刻胶前烘；
35.(b)紫外曝光图形；
36.(c)显影并定影，形成方孔掩模；
37.(d)将带有方孔掩模的衬底置于腐蚀溶液中，在衬底上腐蚀加工方孔，清洗后得到只有悬空步骤(2)沉积的薄膜和步骤(3)沉积的无机化合物薄膜窗口。
38.根据本发明第一方面的制备方法，其中，
39.所述步骤(a)中，所述光刻胶选自以下一种或多种：pmma、s1813、zep；当光刻胶为s1813胶时，所述前烘的温度为70～120℃，优选为90℃-120℃；和/或所述前烘的时间为0.5～5min，优选为1～3min，最优选为2min；和/或
40.所述步骤(b)中，所述图形的形状为正方形或矩形；和/或所述紫外曝光的时间为2～30s，优选为5～15s，最优选为12s；
41.优选地，当所述图形的形状为正方形时，其边长为150～1800μm，更优选为150～1500μm。
42.根据本发明第一方面的制备方法，其中，
43.所述步骤(c)中，所述显影液为mf-319或mibk；所述定影液为异丙醇或水；所述显影的时间为30～50s，优选为40～50s，最优选为45s；和/或所述定影的时间为20～50s，优选为20～40s，最优选为30s；和/或
44.所述步骤(d)中，所述腐蚀溶液选自以下一种或多种：koh溶液、tmah溶液、naoh溶液，最优选为koh溶液；和/或当腐蚀液为koh溶液时，所述腐蚀的时间为8～15h，优选为8～12h，最优选为10h；
200nm厚的sin
x
薄膜；
71.步骤3：在步骤2所得薄膜上沉积10-200nm厚的无机化合物薄膜；
72.步骤4：在步骤3所得衬底的无sinx与无机化合物薄膜的一面通过光刻方法加工光刻胶方孔掩模，并腐蚀掉孔中的si，形成只有一层sin
x
和一层无机化合物薄膜的窗口；
73.步骤5：利用反应离子刻蚀从另一面刻蚀sin
x
薄膜，获得悬空的无机化合物薄膜，可根据实际需要，对无机化合物薄膜样品进行退火处理。
74.其中，步骤4所述窗口的形成，具体包括：
75.(1)在没有沉积过sin
x
薄膜的硅衬底的一面旋涂光刻胶，光刻胶前烘；
76.(2)紫外曝光方形的图形
77.(3)显影，并于显影后立即用去离子水冲洗，烘烤坚膜；
78.(4)置于腐蚀溶液中，湿法腐蚀加工方孔，腐蚀深度为硅片厚度，形成只有一层sin
x
薄膜的窗口。
79.本发明的无衬底支撑薄膜的制备方法可以具有但不限于以下有益效果：
80.1、无机化合物薄膜的材料不限，可以制备出满足各个领域需要的悬空无衬底支撑无机化合物薄膜。
81.2、本发明提供了一种悬空无衬底支撑无机化合物薄膜制备的新方法，该方法工艺稳定、成本低、周期短、效率高且具有高度的灵活性和可操作性。
附图说明
82.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
83.图1示出了本发明实施例1经过步骤2沉积完sin
x
薄膜的衬底截面示意图。
84.图2示出了本发明实施例1经过步骤3沉积完无机化合物薄膜的衬底截面示意图。
85.图3示出了本发明实施例1经过步骤4完成衬底开孔后的衬底截面示意图。
86.图4示出了本发明实施例1经过步骤5完成后得到的无机化合物薄膜窗口的截面示意图。
87.图5示出了本发明的无衬底支撑薄膜的制备方法的流程图。
具体实施方式
88.下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
89.本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
90.以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
91.试剂：
92.氨水、双氧水、盐酸、异丙醇，均购自国药集团化学试剂北京有限公司。
93.pmma光刻胶、mibk，购自北京汇德信科技有限公司。
94.三氟甲烷，购自南昌艾康气体有限公司。
95.仪器：
96.反应离子刻蚀仪器，购自牛津仪器科技(上海)有限公司、型号ngp80。
97.电感耦合等离子体反应离子刻蚀，购自牛津仪器科技(上海)有限公司、型号plasmalab80plus。
98.紫外光刻仪器，购自suss公司、型号ma/ba 6。
99.电子束光刻仪器，购自raith公司、型号ebpg 5200。
100.低气压化学气相沉积系统，购自青岛金立盾电子设备有限公司。磁控溅射，购自铠柏电工装备检测技术有限公司、型号sputter-quad。
101.原子层沉积系统，购自美国cambridge nanotech inc公司、型号savannah-100。
102.实施例1
103.本实施例用来说明本发明的无衬底支撑薄膜的制备方法。
104.图5示出了本发明的无衬底支撑薄膜的制备方法的流程图。
105.所述方法包括以下步骤：
106.步骤1)，提供一片10
×
10mm2、厚200μm的双面抛光硅片作为衬底。将其先后置于丙酮、异丙醇中超声清洗15分钟，去除表面有机物污染。
107.步骤2)，采用低压化学气相沉积设备在清洗干净的双抛硅片的一面均沉积200nm厚的sin
x
薄膜，沉积完sin
x
薄膜的样品截面示意图，如图1所示。
108.步骤3)，采用磁控溅射方法在制备的sin
x
薄膜一面沉积氧化钛薄膜。然后，样品500℃下退火2h，升温速率0.5℃/h。(如图2所示)
109.步骤4)，在本实施例中，在步骤5)所得薄膜样品没有沉积过sin
x
薄膜的硅片一面旋涂pmma光刻胶，转速3000rpm，旋涂时间1min，涂胶后将衬底置于180℃热板上进行光刻胶前烘，时间2min；用电子束曝光工艺在硅片上制备光刻胶图形，曝光图形为边长150μm正方形，曝光时间12s；进一步采用mibk与异丙醇以1:3混合的显影液显影，显影时间45s，并在异丙醇中定影30s，并用氮气吹干，形成方形图案掩模；最后，将衬底放置于25wt％的koh溶液中，溶液温度为110℃，腐蚀10h；去离子水清洗10min，形成的sinx和无机化合物薄膜窗口的截面示意图如图3所示；
110.步骤5)，利用反应离子刻蚀从另一面刻蚀sinx薄膜，刻蚀过程中通入50sccm的三氟甲烷以及5sccm的氧气，腔室气压维持在55mtorr，以150w的功率刻蚀5分钟。获得的无机化合物薄膜窗口的截面示意图如图4所示。
111.尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。