一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法。主要步骤为：在钛酸锶(STO)基底上生长一层锰酸锶镧(LSMO)薄膜，再生长一层钛酸钡(BTO)薄膜。在上述BTO表面通过光刻得到BTO薄膜图形，再刻蚀掉LSMO层和BTO层，得到BTO‑LSMO柱，用光刻胶光刻后显影，腐蚀液腐蚀掉中间LSMO层，形成四方凳子型BTO‑光刻胶复合结构；取一块目标底片，光刻形成上述BTO薄膜相对应的图形，刻蚀硅片形成硅柱，旋PDMS溶液之后固化，制成PDMS印章；用PDMS印章从BTO‑光刻胶复合结构上撕下并转印到旋涂有苯并环丁烯(BCB)的目标底片上，得到贴在目标底片上的BTO薄膜，完成转移印刷。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法
本专利技术属于光电集成器件领域，具体涉及一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法。
技术介绍
随着硅基光电集成电路的不断发展，光电器件和传感器对更小的微米尺度发起了挑战。钙钛矿型铁电氧化物因为其优异的综合性能一直是人们研究的热点，薄膜材料的研究也逐渐进入人们的视野。在技术不断飞速发展与创新的现在，我们尝试着将上述的铁电材料制成可转移的薄膜，使用转移印刷技术将其集成在硅基光电器件上，以期得到能实现各种不同的新功能的器件。钛酸钡(BTO)具有优异的铁电性能、压电性能以及电光性能。体材料的单晶钛酸钡难以与硅基光电子器件集成。这种材料的薄膜也有众多的制备方法，厚度多在百纳米级别左右，但这些方法大多对生长的衬底材料有特殊的要求，很难直接在硅基上得到单晶的钛酸钡薄膜。因此需要一种便于分离转移、简单易行、可靠性高BTO薄膜制备与转移方法。
技术实现思路
为解决上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的是提供一种适用于微纳尺寸钛酸钡(BTO)薄膜的转移印刷方法。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用物理气相沉积法(PVD)在一块厚度为300μm～1000μm钛酸锶(STO)基底上生长一层厚度为30nm～200nm的锰酸锶镧(LSMO)薄膜，再在锰酸锶镧(LSMO)薄膜上生长一层厚度为100nm～600nm的钛酸钡BTO薄膜；(2)在步骤(1)制备的BTO薄膜表面通过光刻得到BTO薄膜图形，用干法刻蚀技术轰击LSMO层和BTO层，得到由图形保护的BTO-LSMO柱，再经过光刻后显影形成带有支撑脚并包裹住BTO薄膜中部位置的光刻胶结构，整个结构记作A1；(3)将A1放入腐蚀液，经过10h～17h腐蚀，得到由带有支撑脚并包裹住BTO薄膜中部位置的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A2。(4)在硅片上光刻形成与步骤(3)中制备的A2上表面的图形一致的光刻掩膜，使用干法刻蚀技术刻蚀形成硅柱，在此硅片表面以2500rpm～5000rpm旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液之后固化，制成PDMS印章；(5)利用步骤(4)制得的PDMS印章将步骤(3)中所述A2从钛酸锶基底表面粘起，得到不带引脚的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A3。(6)在目标底片表面旋涂二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯(BCB)溶液，150℃烘烤5～15min使其预固化，得到旋涂100nm～1000nm厚度BCB溶液的目标底片结构A4，将A4加热至90～110℃并保持，用PDMS印章将步骤(5)制备的A3转印到A4上，去掉表面残余光刻胶，完成转移印刷。优选的，步骤(1)中所述物理气相沉积法为脉冲激光沉积或磁控溅射法。优选的，步骤(2)中所述的干法刻蚀技术为离子束刻蚀。优选的，步骤(3)所述的腐蚀液通过以下步骤制得：在200mL去离子水中加入4mL质量分数为36％～38％的盐酸溶液和4mg纯度为99.9％以上的碘化钾粉末，将碘化钾粉末完全溶解即得。优选的，步骤(4)中所述的干法刻蚀技术为电感耦合反应等离子体刻蚀技术(ICP-RIE)，所述硅柱的高度为40μm～80μm。优选的，步骤(4)所述的PDMS溶液的配比组成为固化剂与PDMS原液质量比为1:5～1:8，所述的固化温度为55℃～70℃，固化时间为1.5h～2h。优选的，步骤(5)中，将PDMS印章与A2上表面对准，贴合后保持10s～30s之后立即撕下；步骤(6)中，用PDMS印章将A3在A4上印下保持10s～30s之后抬起PDMS印章。优选的，步骤(6)中，所述的BCB溶液的配比组成为BCB原液与三甲苯体积比为1:0～1:6，所述旋涂速率为300rpm～5000rpm，旋涂厚度为300nm～400nm。优选的，步骤(6)目标底片为硅，二氧化硅，绝缘衬底上的硅，蓝宝石，碳化硅中的一种。优选的，步骤(6)转移印刷后钛酸钡薄膜厚度为100nm～600nm，面积为500nm*500nm到2mm*2mm。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：(1)本专利技术采用了一种四方凳子结构，BTO薄膜在LSMO之上沉积，之后LSMO中间层被湿法腐蚀掉，这种剥离BTO薄膜的方法可以保证BTO薄膜下表面不会产生机械损伤，下表面形貌会更好。(2)本专利技术采用光刻胶包裹并支撑下方被掏空的BTO薄膜，使用转移印刷技术过程中PDMS印章始终与上表面光刻胶接触，其机械强度足够支撑与保护BTO薄膜的上表面，并且转移完成之后使用泛曝加显影去除光刻胶，不会对BTO薄膜产生影响。(3)本专利技术可自由设计所需BTO薄膜的厚度，形状，尺寸，这样就克服了传统硅基铁电薄膜集成中需要整片大面积进行刻蚀的弊端，从而大大缩小了图形尺寸，提升了图形精度，减小了刻蚀BTO过程中对硅波导产生的影响。附图说明图1是本专利技术转移印刷方法的工艺流程图。图2是实施例1中转移印刷成功后贴有BTO薄膜的硅波导底片正面示意图。图3是实施例1步骤2所得A1结构正面示意图。图4中(a)是实施例1步骤3所得A2结构俯视示意图，(b)是实施例1步骤3所得A2结构正面示意图。图5是实施例1步骤5中使用PDMS印章撕下A3结构正面示意图。图6是实施例1步骤6中将A3印到A4表面后抬起PDMS印章过程示意图。图7是实施例1转移印刷成功后BTO薄膜贴在一种硅波导底片上的正面实物图。图8是实施例2转移印刷成功后贴有BTO薄膜的硅片正面实物图。其中1为STO基底，2为LSMO薄膜，3为BTO薄膜，4为光刻胶，5为硅衬底，6为二氧化硅埋氧层，7为PDMS印章，8为BCB，9为SOI顶层硅，10为硅波导结构。具体实施例下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述,但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图2所示，本实施例1中尺寸大小为110μm*110μm的BTO薄膜3经过转移印刷之后贴在被BCB覆盖的硅波导表面。一种适用于微纳尺寸钛酸钡(BTO)薄膜的转移印刷方法，包括如下步骤：(1)采用脉冲激光沉积的方法在厚度为500μmSTO基底上生长厚度为200nmLSMO薄膜，再生长一层厚度为600nm的BTO薄膜，(2)在上述BTO薄膜3表面采用传统电子束光刻或深紫外光刻方法光刻得到110μm*110μmBTO薄膜的图形，用氩离子刻蚀轰击LSMO薄膜层和BTO薄膜层，得到BTO-LSMO柱，再经过第二次光刻后显影后形成结构，整个结构记作A1，其结构正面示意图如图3，其中1为STO基底，2为LSMO薄膜，3为BTO薄膜；(3)在200mL去离子水中加入4mg纯度为99.99％的碘化钾晶体和4mL质量分数为36％的盐酸溶液配制成腐蚀液，将A1腐蚀液经过14h腐蚀掉中间LSMO层，得到结构记作A2，其结构如图4(a)和4(b)所示，其中1为STO基底，3为BTO薄膜，4为光刻胶；(4)在厚度为500μm，大小为1.5cm*1.5cm的硅片上旋涂以3000rpm旋涂P4620光刻胶，曝光显影，得到与A2表面图形形状相同的光刻胶掩膜，ICP刻蚀硅片形成高度50μm，尺寸为120μm*120μm的硅柱，制成PDMS印章模具，在PDMS印章模具表面以3000rpm旋涂PDMS原液与固化剂质量比为6:1的PDMS溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用物理气相沉积法在一块厚度为300μm～1000μm钛酸锶基底上生长一层厚度为30nm～200nm的锰酸锶镧薄膜，再在锰酸锶镧薄膜上生长一层的厚度100nm～600nm的钛酸钡薄膜；(2)在步骤(1)制备的钛酸钡薄膜表面通过光刻得到钛酸钡薄膜图形，用干法刻蚀技术轰击锰酸锶镧薄膜层和钛酸钡薄膜层，得到由图形保护的BTO‑LSMO柱，再经过光刻后显影形成带有支撑脚并包裹住钛酸钡薄膜中部位置的光刻胶结构，整个结构记作A1；(3)将A1放入腐蚀液，经过10h～17h腐蚀，得到由带有支撑脚并包裹住钛酸钡薄膜中部位置的BTO‑光刻胶薄膜结构，此结构记为A2；(4)在硅片上光刻形成与步骤(3)中制备的A2上表面的图形一致的光刻掩膜，使用干法刻蚀技术刻蚀形成硅柱，在此硅片表面以2500rpm～5000rpm旋涂聚二甲基硅氧烷溶液之后固化，制成PDMS印章；(5)利用步骤(4)制得的PDMS印章将步骤(3)中所述A2从钛酸锶基底表面粘起，得到不带引脚的BTO‑光刻胶薄膜结构，此结构记为A3；(6)在目标底片表面旋涂二乙烯基硅氧烷‑苯并环丁烯溶液，150℃烘烤5～15min使其预固化，得到旋涂100nm～1000nm厚度二乙烯基硅氧烷‑苯并环丁烯溶液的目标底片结构A4，将A4加热至90～110℃并保持，用PDMS印章将步骤(5)制备的A3转印到A4上，去掉表面残余光刻胶，完成转移印刷。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用物理气相沉积法在一块厚度为300μm～1000μm钛酸锶基底上生长一层厚度为30nm～200nm的锰酸锶镧薄膜，再在锰酸锶镧薄膜上生长一层的厚度100nm～600nm的钛酸钡薄膜；(2)在步骤(1)制备的钛酸钡薄膜表面通过光刻得到钛酸钡薄膜图形，用干法刻蚀技术轰击锰酸锶镧薄膜层和钛酸钡薄膜层，得到由图形保护的BTO-LSMO柱，再经过光刻后显影形成带有支撑脚并包裹住钛酸钡薄膜中部位置的光刻胶结构，整个结构记作A1；(3)将A1放入腐蚀液，经过10h～17h腐蚀，得到由带有支撑脚并包裹住钛酸钡薄膜中部位置的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A2；(4)在硅片上光刻形成与步骤(3)中制备的A2上表面的图形一致的光刻掩膜，使用干法刻蚀技术刻蚀形成硅柱，在此硅片表面以2500rpm～5000rpm旋涂聚二甲基硅氧烷溶液之后固化，制成PDMS印章；(5)利用步骤(4)制得的PDMS印章将步骤(3)中所述A2从钛酸锶基底表面粘起，得到不带引脚的BTO-光刻胶薄膜结构，此结构记为A3；(6)在目标底片表面旋涂二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯溶液，150℃烘烤5～15min使其预固化，得到旋涂100nm～1000nm厚度二乙烯基硅氧烷-苯并环丁烯溶液的目标底片结构A4，将A4加热至90～110℃并保持，用PDMS印章将步骤(5)制备的A3转印到A4上，去掉表面残余光刻胶，完成转移印刷。2.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(1)中所述物理气相沉积法为脉冲激光沉积或磁控溅射法。3.根据权利要求1所述的适用于微纳尺寸钛酸钡薄膜的转移印刷方法，其特征在于，步骤(2)中所述的干法刻蚀技...

【专利技术属性】
技术研发人员：任宇轩，彭超，刘柳，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44