本發(fā)明屬于光刻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮化硼薄膜的刻蝕方法。

背景技術(shù)：

六方氮化硼是一種室溫下化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)穩(wěn)定的電介質(zhì)材料，常用于高溫潤滑劑、石墨烯等二維電子器件、深紫外發(fā)光器件和介電陶瓷等領(lǐng)域。在制備電子器件時，需要將氮化硼刻蝕成一定的圖案，而六方氮化硼穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)使六方氮化硼的光刻難以實現(xiàn)。在強酸、強堿溶液中或高溫氫氣還原氣氛中，雖然能夠刻蝕氮化硼，但是苛刻的刻蝕條件下六方氮化硼在刻蝕的過程中構(gòu)成器件的其它組成部分也會被刻蝕。本專利通過壓印技術(shù)將氧化石墨烯轉(zhuǎn)移至氮化硼薄膜表面表面然后在硫化鉬蒸氣的條件下實現(xiàn)了光刻，專利中利用硫化鉬蒸氣催化氮化硼分解，避免了強酸、強堿和高溫對器件的危害。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對氮化硼薄膜光刻技術(shù)，提出了一種利用硫化鉬蒸氣催化氮化硼分解刻蝕氮化硼薄膜的方法。

本發(fā)明方法采用壓印法以表面有圖案的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板為印章，將氧化石墨烯溶液轉(zhuǎn)印到氮化硼薄膜表面，然后在硫化鉬蒸氣中在一定溫度下保溫一定時間，在氮化硼表面刻蝕出圖案，完成PDMS表面的圖案向氮化硼表面的轉(zhuǎn)移。

本發(fā)明一種氮化硼刻蝕的方法的具體步驟是：

步驟(1)、氮化硼薄膜的制備

將表面生長有300nm厚氧化層的放入石英管中；石英管中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為1～3:2,將電爐溫度升至900～1000℃后保溫5～30分鐘；保溫期間向石英管內(nèi)通入硼氨烷蒸氣；保溫結(jié)束后，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為20～30℃/min，取出硅片，獲得生長在硅片表面的氮化硼薄膜，氮化硼薄膜的厚度為20～300nm；其中硼氨烷蒸氣通過水浴加熱硼氨烷產(chǎn)生，水浴溫度40～100℃。

步驟(2)、PDMS印章的制作

采用市售的道康寧Sylgard 184有機硅和光柵為原材料制備PDMS印章。PDMS制備過程：取道康寧Sylgard 184中的單體：引發(fā)劑10～3：1的體積比例，將它們混合，然后使用潔凈的玻璃棒不停的攪拌1～3小時，保證反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不斷的跑出，同時防止反應(yīng)過程中試劑粘結(jié)；攪拌1～3小時后，得到的混合試劑是一種粘度大的試劑，將混合試劑倒在光柵上，用玻璃棒使試劑均勻的涂覆在光柵表面，靜置10～24小時；靜置完成后，于50～70℃加熱5～10小時得到PDMS彈性薄膜，將PDMS薄膜從光柵表面機械剝離獲得表面有光柵圖案的PDMS印章。

步驟(3)、氮化硼薄膜刻蝕圖案的制備。

取氮化硼薄膜，在氮化硼薄膜表面滴加氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯的濃度為0.1-10mg/ml,每平方毫米氮化硼薄膜上滴加0.02-0.1ml；然后裁剪PDMS印章，將印有光柵圖案的一面，覆蓋氮化硼薄膜表面，將氧化石墨烯溶液夾在PDMS印章和氮化硼薄膜之間，使PDMS印章與氮化硼薄膜接觸緊密。整個過程置于通風(fēng)櫥內(nèi)。6～20小時后將PDMS印章與氮化硼薄膜分離，獲得表面有氧化石墨烯刻蝕圖案的氮化硼薄膜基片。

步驟(4)、氮化硼薄膜的刻蝕。

把二硫化鉬粉體放入燒杯形狀的石英坩堝中，將表面轉(zhuǎn)印有氧化石墨烯的氮化硼基片覆蓋在石英坩堝的口部，基片表面有氮化硼的面朝向石英坩堝內(nèi)部。將盛有二硫化鉬的石英坩堝和氮化硼基片放入石英管中，石英管中充入氬氣和氫氣的混合氣至1個大氣壓，氬氣與氫氣的流量比為1～3:2,將石英管溫度升至400～600℃后保溫1～12小時，停止加熱，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為20～30℃/min，取出氮化硼薄膜，獲得刻蝕后有一定圖形的氮化硼薄膜。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明方法通過二硫化鉬蒸氣催化分解氮化硼，降低了氮化硼光刻條件，方法簡單、方便和可操作性強。

具體實施方式

例1：

步驟(1)、氮化硼薄膜的制備

將表面生長有300nm厚氧化層的硅片放入石英管中。石英管中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為1:2,將電爐溫度升至900℃后保溫30分鐘。同時向石英管內(nèi)通入硼氨烷蒸氣，30分鐘后關(guān)閉通入硼氨烷蒸氣。硼氨烷蒸氣通過水浴加熱硼氨烷產(chǎn)生，水浴溫度100℃。電爐停止加熱，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為30℃/min，然后關(guān)閉通入氫氣和氬氣，取出硅片，獲得生長在硅片表面的氮化硼薄膜，氮化硼薄膜的厚度為300nm。

步驟(2)、PDMS印章的制作。采用市售的道康寧Sylgard 184有機硅和光柵為原材料制備PDMS印章。PDMS制備過程：取單體：引發(fā)劑約10：1的比例下，將它們混合，然后使用潔凈的玻璃棒不停的攪拌約3小時，保證反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不斷的跑出，同時防止反應(yīng)過程中試劑粘結(jié)；攪拌3小時后，得到的混合試劑是一種粘度大的試劑，將混合試劑倒在光柵上，用玻璃棒使試劑均勻的涂覆在光柵表面，靜置24小時；靜置完成后，于70℃加熱10小時得到PDMS彈性薄膜，將PDMS薄膜從光柵表面機械剝離獲得表面有光柵圖案的PDMS印章。

步驟(3)、氮化硼薄膜刻蝕圖案的制備。

取10mm X 8mm氮化硼薄膜，氧化石墨烯的濃度為0.1mg/ml,在氮化硼薄膜表面滴加8ml氧化石墨烯溶液。然后裁剪10mm X 8mm的PDMS印章，將印有光柵圖案的一面，覆蓋氮化硼薄膜表面，將氧化石墨烯溶液夾在PDMS和氮化硼薄膜之間，用50g重的物體壓在印章上面使PDMS印章與氮化硼薄膜接觸緊密。整個過程在通風(fēng)櫥內(nèi)的15mm X 15mm X 15mm的正方體容器內(nèi)進行。20小時后將PDMS印章與氮化硼薄膜分離，獲得表面有氧化石墨烯刻蝕圖案的氮化硼薄膜基片。

步驟(4)、氮化硼薄膜的刻蝕。

把5g二硫化鉬粉體放入燒杯形狀的石英坩堝中，將表面轉(zhuǎn)印有氧化石墨烯的氮化硼基片覆蓋在石英坩堝的口部，基片表面有氮化硼的面朝向石英坩堝內(nèi)部。將盛有二硫化鉬的石英坩堝和氮化硼基片放入石英管中，石英管中充入氬氣和氫氣的混合氣至1個大氣壓，氬氣與氫氣的流量比為1:2,將電爐溫度升至600℃后保溫12小時，之后電爐停止加熱，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為30℃/min，取出氮化硼薄膜，獲得刻蝕后有一定圖形的氮化硼薄膜。

例2：

步驟(1)、氮化硼薄膜的制備。將表面生長有300nm厚氧化層的硅片放入石英管中。石英管中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為3:2,將電爐溫度升至1000℃后保溫5分鐘。同時向石英管內(nèi)通入硼氨烷蒸氣，5分鐘后關(guān)閉通入硼氨烷蒸氣。硼氨烷蒸氣通過水浴加熱硼氨烷產(chǎn)生，水浴溫度40℃。電爐停止加熱，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為20℃/min，然后關(guān)閉通入氫氣和氬氣，取出硅片，獲得生長在硅片表面的氮化硼薄膜，氮化硼薄膜的厚度為20nm。

步驟(2)、PDMS印章的制作。采用市售的道康寧Sylgard 184有機硅和光柵為原材料制備PDMS印章。PDMS制備過程：取單體：引發(fā)劑約10：3的比例下，將它們混合，然后使用潔凈的玻璃棒不停的攪拌約1小時，保證反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不斷的跑出，同時防止反應(yīng)過程中試劑粘結(jié)；攪拌1小時后，得到的混合試劑是一種粘度大的試劑，將混合試劑倒在光柵上，用玻璃棒使試劑均勻的涂覆在光柵表面，靜置10小時；靜置完成后，于50℃加熱5小時得到PDMS彈性薄膜，將PDMS薄膜從光柵表面機械剝離獲得表面有光柵圖案的PDMS印章。

步驟(3)、氮化硼薄膜刻蝕圖案的制備。

取10mm X 8mm氮化硼薄膜，氧化石墨烯的濃度為10mg/ml,在氮化硼薄膜表面滴加1.6ml氧化石墨烯溶液。然后裁剪10mm X 8mm的PDMS印章，將印有光柵圖案的一面，覆蓋氮化硼薄膜表面，將氧化石墨烯溶液夾在PDMS和氮化硼薄膜之間，用10g重的物體壓在印章上面使PDMS印章與氮化硼薄膜接觸緊密。整個過程在通風(fēng)櫥內(nèi)的15mm X 15mm X 15mm的正方體容器內(nèi)進行。6小時后將PDMS印章與氮化硼薄膜分離，獲得表面有氧化石墨烯刻蝕圖案的氮化硼薄膜基片。

步驟(4)、氮化硼薄膜的刻蝕。

把15g二硫化鉬粉體放入燒杯形狀的石英坩堝中，將表面轉(zhuǎn)印有氧化石墨烯的氮化硼基片覆蓋在石英坩堝的口部，基片表面有氮化硼的面朝向石英坩堝內(nèi)部。將盛有二硫化鉬的石英坩堝和氮化硼基片放入石英管中，石英管中充入氬氣和氫氣的混合氣至1個大氣壓，氬氣與氫氣的流量比為3:2,將電爐溫度升至400℃后保溫1小時，之后電爐停止加熱，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為20℃/min，取出氮化硼薄膜，獲得刻蝕后有一定圖形的氮化硼薄膜。

例3：

步驟(1)、氮化硼薄膜的制備。將表面生長有300nm厚氧化層的硅片放入石英管中。石英管中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的流量比為1:1,將電爐溫度升至950℃后保溫15分鐘。同時向石英管內(nèi)通入硼氨烷蒸氣，15分鐘后關(guān)閉通入硼氨烷蒸氣。硼氨烷蒸氣通過水浴加熱硼氨烷產(chǎn)生，水浴溫度60℃。電爐停止加熱，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為25℃/min，然后關(guān)閉通入氫氣和氬氣，取出硅片，獲得生長在硅片表面的氮化硼薄膜，氮化硼薄膜的厚度為150nm。

步驟(2)、PDMS印章的制作。采用市售的道康寧Sylgard 184有機硅和光柵為原材料制備PDMS印章。PDMS制備過程：取單體：引發(fā)劑約5：1的比例下，將它們混合，然后使用潔凈的玻璃棒不停的攪拌約2小時，保證反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不斷的跑出，同時防止反應(yīng)過程中試劑粘結(jié)；攪拌2小時后，得到的混合試劑是一種粘度大的試劑，將混合試劑倒在光柵上，用玻璃棒使試劑均勻的涂覆在光柵表面，靜置15小時；靜置完成后，于60℃加熱8小時得到PDMS彈性薄膜，將PDMS薄膜從光柵表面機械剝離獲得表面有光柵圖案的PDMS印章。

步驟(3)、氮化硼薄膜刻蝕圖案的制備。

取10mm X 8mm氮化硼薄膜，氧化石墨烯的濃度為5mg/ml,在氮化硼薄膜表面滴加5ml氧化石墨烯溶液。然后裁剪10mm X 8mm的PDMS印章，將印有光柵圖案的一面，覆蓋氮化硼薄膜表面，將氧化石墨烯溶液夾在PDMS和氮化硼薄膜之間，用30g重的物體壓在印章上面使PDMS印章與氮化硼薄膜接觸緊密。整個過程在通風(fēng)櫥內(nèi)的15mm X 15mm X 15mm的正方體容器內(nèi)進行。10小時后將PDMS印章與氮化硼薄膜分離，獲得表面有氧化石墨烯刻蝕圖案的氮化硼薄膜基片。

步驟(4)、氮化硼薄膜的刻蝕。

把10g二硫化鉬粉體放入燒杯形狀的石英坩堝中，將表面轉(zhuǎn)印有氧化石墨烯的氮化硼基片覆蓋在石英坩堝的口部，基片表面有氮化硼的面朝向石英坩堝內(nèi)部。將盛有二硫化鉬的石英坩堝和氮化硼基片放入石英管中，石英管中充入氬氣和氫氣的混合氣至1個大氣壓，氬氣與氫氣的流量比為1:1,將電爐溫度升至500℃后保溫6小時，之后電爐停止加熱，將石英管冷卻到常溫，冷卻速率為25℃/min，取出氮化硼薄膜，獲得刻蝕后有一定圖形的氮化硼薄膜。