一種基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器微制作工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料、微加工工藝與微納儲(chǔ)能器件的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器微制作工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]由半導(dǎo)體工藝發(fā)展而來的微加工工藝所制作的各種微納結(jié)構(gòu)及微納器件，在微型傳感器、微驅(qū)動(dòng)器、微生化系統(tǒng)、微型電化學(xué)器件等領(lǐng)域，具有極高的應(yīng)用潛力和前景。而微型電容器作為微納器件與系統(tǒng)領(lǐng)域的功能單元，其性能和高效可靠的微制作工藝日益重要。四氧化三鈷是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ某?jí)電容器電極材料，其理論比電容較高，也是一種被廣泛研宄的電極材料?，F(xiàn)有主流的制作微型電容器的微加工工藝均無法廉價(jià)高效地制作基于四氧化三鈷的微型電容器。此外，如何在低溫下快速有效的合成高性能四氧化三鈷電極材料是一個(gè)大的挑戰(zhàn)，因此探索與半導(dǎo)體微電子工藝完全可融合的微加工工藝以制作基于四氧化三鈷微納結(jié)構(gòu)的微型電容器，是一個(gè)很有意義的研宄和發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器微制作工藝，提出了一種基于快速退火氧化的優(yōu)化工藝以制作圖案化的四氧化三鈷納米線微結(jié)構(gòu)，該工藝融合利用了半導(dǎo)體領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)和微納米結(jié)構(gòu)合成的方法，工藝簡(jiǎn)潔、相關(guān)技術(shù)成熟，可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，所得到的四氧化三鈷納米線微結(jié)構(gòu)有著較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較好的電化學(xué)性能。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器微制作工藝，包括掩模制作、紫外光亥IJ、物理氣相沉積、剝離浮脫、快速退火處理，利用光刻膠的感光性能，通過掩模制作過程制作帶有微型電容器圖案的掩膜版，通過紫外光刻工藝、半導(dǎo)體加工工藝制作帶有光刻膠微結(jié)構(gòu)圖案的樣品，然后通過物理氣相沉積、剝離浮脫、快速退火處理，制作基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器。
[0006]根據(jù)以上方案，所述基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器的制作過程具體包括以下步驟:
[0007]I)用典型RCA清洗流程以清洗硅/ 二氧化硅基板，然后置于145°C的烘箱中烘烤30分鐘；
[0008]2)將步驟I)中所得樣品，采用勻膠機(jī)在樣品上自旋涂布一層光刻膠；
[0009]3)利用帶有微型電容器圖案的掩膜版，對(duì)步驟2)中所得樣品進(jìn)行紫外光刻，并進(jìn)行顯影、潤(rùn)洗、氧氣等離子體洗凈；
[0010]4)將步驟3)中所得樣品置于100°C的烘箱中烘烤15分鐘，以得到帶有光刻膠微結(jié)構(gòu)圖案的樣品；
[0011]5)通過物理氣相沉積的方法，在步驟4)中所得樣品上先蒸鍍一層5nm厚度的Ti金屬膜，然后蒸鍍一層50?10nm厚度的Au金屬膜，最后蒸鍍一層80nm厚度的Co金屬膜；
[0012]6)將步驟5)采用剝離浮脫的方法，將光刻膠及其上面的金屬膜除去，這樣就在擬制作電極的部位精確得到了微型電容器結(jié)構(gòu)；
[0013]7)將步驟6)中所得樣品置于快速退火爐中，在氧氣氣氛中，以45°C/s的加熱速率加熱到450°C，并保持恒溫3分鐘后；再以20°C /s的降溫速率從450°C降到室溫，得到基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器。
[0014]根據(jù)以上方案，所述基板帶有二氧化硅氧化層，單面或雙面拋光，N型或P型。
[0015]根據(jù)以上方案，所述自旋涂布過程中所形成的光刻膠厚度為:6.8?7.2 μπι ;具體技術(shù)參數(shù)為:第一步:5秒，轉(zhuǎn)速為500rpm ;第二步:30秒，轉(zhuǎn)速為2500?6000rpm。
[0016]根據(jù)以上方案，所述步驟4)中顯影、潤(rùn)洗過程包括:顯影，13?40秒；1號(hào)去離子水，40秒；2號(hào)去離子水，40秒。
[0017]根據(jù)以上方案，所述步驟6)中金屬膜除去的方法是在丙酮中浸泡10分鐘。
[0018]得到所述基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型電容器中的四氧化三鈷納米線的直徑為20?10nm,長(zhǎng)度為200?500nm。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]I)提供了一種新型的高效制作四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)途徑。利用光刻膠的感光性，配合勻膠、光刻、顯影、潤(rùn)洗、等離子體處理、硬烤、快速退火等半導(dǎo)體微加工工藝，制作了圖案化的四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)微型電容器，具有良好的電化學(xué)性能；
[0021]2)通過精確控制Ti/Au金屬薄膜的厚度能進(jìn)一步提高這一微型電容器與基板之間的附著；
[0022]3)通過對(duì)快速退火過程中升溫速率、保溫時(shí)間、溫度等參數(shù)的調(diào)控及后續(xù)熱處理工藝的優(yōu)化，可以對(duì)四氧化三鈷的形貌、結(jié)晶程度、生長(zhǎng)面積等進(jìn)行有效調(diào)控；
[0023]4)采用此種四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)所制作的微型超級(jí)電容器擁有較高的容量，在微型傳感器、微型驅(qū)動(dòng)器、獵能器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景；
[0024]5)融合了已有的半導(dǎo)體加工技術(shù)，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的四氧化三鈷微型叉指電容器微制作工藝的示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的經(jīng)快速退火處理后得到的四氧化三鈷納米線的電子顯微鏡圖；
[0027]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的經(jīng)快速退火處理后得到的四氧化三鈷微型叉指電容器的光學(xué)顯微鏡圖；
[0028]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的四氧化三鈷叉指電容器的電化學(xué)性能表征結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明。
[0030]實(shí)施例1，見圖1至圖4所示:
[0031]本發(fā)明提供一種基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型叉指電容器微制作工藝，包括如下步驟:
[0032]I)用典型RCA清洗流程清洗雙面拋光的N型Si/Si02基板，然后置于145°C的烘箱中烘烤30分鐘；
[0033]2)將光刻膠PR19000A通過自旋涂布方式涂布于步驟I)中所述基板表面，光刻膠厚度為:6.8 μ m，具體技術(shù)參數(shù)為:第一步:5秒，500rpm,第二步:30秒，6000rpm ；
[0034]3)使用帶有對(duì)稱型超級(jí)電容器圖案的掩膜版，對(duì)步驟2)所得樣品進(jìn)行紫外光刻，曝光劑量為400mJ/cm2;
[0035]4)將步驟3)中所得樣品按順序浸入RD-6顯影液、I號(hào)去離子水、2號(hào)去離子水進(jìn)行顯影和潤(rùn)洗，具體時(shí)間為:顯影，40秒，I號(hào)去離子水，40秒，2號(hào)去離子水，40秒；
[0036]5)將步驟4)中所得樣品置于100°C的烘箱中烘烤15min，得到圖案化的光刻膠微結(jié)構(gòu)；
[0037]6)通過物理氣相沉積的方法，在步驟5)中所得樣品上先蒸鍍一層5nm厚度的Ti金屬膜，然后蒸鍍一層50nm厚度的Au金屬膜，最后蒸鍍一層80nm厚度的Co金屬膜；
[0038]7)采用丙酮浸泡步驟6)中所得樣品10分鐘的方法實(shí)現(xiàn)剝離浮脫，以將光刻膠及其上層金屬膜除去，這樣就在擬制作電極的部位精確得到了微型叉指電容器結(jié)構(gòu)；
[0039]8)將步驟7)中所得樣品置于快速退火爐中，在氧氣氣氛中，以45°C /s的加熱速率加熱到450°C，并保持恒溫3分鐘后；再以20°C /s的降溫速率從450°C降到室溫，得到基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型叉指電容器(主要過程如圖1所示)。
[0040]通過電子顯微鏡對(duì)經(jīng)快速退火處理后得到的四氧化三鈷納米線進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖2，通過光學(xué)顯微鏡對(duì)經(jīng)快速退火處理后得到的基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型叉指電容器進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖3，采用電極法對(duì)所得的基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型叉指電容器的容量進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖4，在0.lV/s的掃速下，其體積比容量為70F/cm3。
[0041]本實(shí)施例以基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型叉指電容器的微制作工藝為例，這一微型叉指電容器對(duì)微型傳感器、微型驅(qū)動(dòng)器和電化學(xué)器件等微納器件及系統(tǒng)的制作和應(yīng)用有著重要意義。
[0042]實(shí)施例2:
[0043]本發(fā)明提供一種基于四氧化三鈷納米結(jié)構(gòu)的微型叉指電容器微制作工藝，包括如下步驟:
[0044]I)用典型RCA清洗流程清洗單面拋光的N型Si/Si02基板，然后置于145°C的烘箱中烘烤30分鐘；
[0045]2)將光刻膠NR9-3000PY通過自旋涂布方式涂布于步驟I)中所述基板表面，光刻膠厚度為:7.2 μ m，具體技術(shù)參數(shù)為:第一步:5秒，500rpm,第二步:30秒，2500rpm ；
[0046]3)使用帶有對(duì)稱型超級(jí)電容器圖案的掩膜版，對(duì)步驟2)中所得樣品進(jìn)行紫外光亥IJ，曝光劑量為570mJ/cm2;
[0047]4)將步驟3)中所得樣品按順序浸入RD-6顯影液、I號(hào)去離子水、2號(hào)去離子水進(jìn)行顯影和潤(rùn)洗，具體時(shí)間為:顯影，20秒，I號(hào)去離子水，40秒，2號(hào)去離子水，40秒；
[0048]5)對(duì)步驟4)中所得樣品置于100°C的烘箱中烘烤15min，得到圖案化的光刻膠微結(jié)構(gòu)；
[0049]6)通過物理氣相沉積的方法，在步驟5)中所得樣品上先