薄膜金属和合金的低速率电化学蚀刻制造技术

本发明专利技术公开薄膜金属和合金的低速率电化学蚀刻。本发明专利技术的实施例包括使用净阴极电流或电位进行低速率（湿式）蚀刻的系统和方法。特别地，一些实施例通过在衬底被浸入水系电解质时向衬底施加小的净阴极电流实现小于0.1nm/s的受控蚀刻速率。依赖于实施例，采用的水系电解质可以包括与从衬底蚀刻掉的材料相同类型的阳离子。一些实施例在薄膜金属和合金的蚀刻以及磁头换能器晶片的制造中是有用的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及蚀刻，更具体地，涉及对诸如磁盘驱动器中使用的金属和合金的低速率电化学蚀刻。
技术介绍
蚀刻是广为人知的，用于金属和合金处理，更具体地，用于电子器件制造。例如，蚀刻一般用于磁记录头的制造。蚀刻可以通过多种方法实现，包括化学（湿式）蚀刻、电化学（湿式）蚀刻和（干式）离子铣（ion milling）。在化学（湿式）蚀刻中，衬底被浸入强酸或碱溶液中，并且暴露于溶液的衬底的表面被蚀刻掉。在电化学（湿式）蚀刻中，衬底也被浸入强酸或碱溶液，并且暴露于溶液的衬底的表面被蚀刻掉。然而，不同于化学（湿式）蚀刻，一旦衬底被浸入溶液中，净阳极电流即被施加至衬底以促进蚀刻处理，其中净阳极电流包括大的部分阳极电流分量和较小的部分阴极电流分量。在（干式）离子铣期间，通过使用亚微型离子要素（例如，氩离子）轰击衬底表面来促进蚀刻。通常，当离子轰击衬底表面时，布置在表面上的材料被蚀刻掉。离子铣通常在衬底处于真空腔中时执行，并且衬底被置于旋转台上以确保衬底的均匀蚀刻。依赖于衬底和衬底上的被蚀刻的材料，这些蚀刻方法中的任意方法可以使用保护层（例如，光刻胶层或者硬掩膜层）来保护衬垫的下层免受蚀刻处理。
技术实现思路
附图说明通过示例的方式而非限制性地根据附图对本专利技术进行图解说明，附图中：图1A到图1C是示出根据本专利技术的各实施例针对酸溶液中的包括金属或者合金材料的示例衬底的极化曲线及其各个电流分量的图形；图2是描绘根据本专利技术的实施例蚀刻速率作为电位的函数的图形；图3是图示根据本专利技术的实施例的蚀刻的示例方法的流程图；图4是图示根据本专利技术的实施例的确定电流范围的示例方法的流程图；图5是表示根据本专利技术的实施例基于电流条件针对示例合金的示例材料去除（厚度减少）作为时间的函数的图形；图6是表示根据本专利技术的实施例基于电流条件针对示例合金的示例蚀刻速率的图形；图7是根据本专利技术的实施例的示例种子材料蚀刻前和蚀刻后的图像；图8是根据本专利技术的实施例的示例种子层蚀刻前和蚀刻后的图像；以及图9是根据本专利技术的实施例的示例材料蚀刻前和蚀刻后的图像。具体实施方式在以下描述中，为提供对本专利技术的各个实施例的彻底理解而阐述了各个细节，例如具体层结构和属性的示例。然而对于本领域技术人员来说，不需要使用这些具体细节来实践本专利技术的各个实施例是显而易见的。在其它实例中，未详细描述已知的部件或者方法以避免不必要地混淆本专利技术的各个实施例。本专利技术的实施例包括使用净阴极电流或者电位进行低速率（湿式）蚀刻的系统和方法。具体地，一些实施例通过在衬底浸入电解质时向衬底施加小的净阴极电流来实现小于0.1nm/s的受控蚀刻速率。依赖于实施例，所使用的电解质可以包括与从衬底蚀刻掉的材料具有相同类型的阳离子。一些实施例在薄膜金属和合金的蚀刻以及磁头换能器晶片的制造中有用。各个实施例的使用允许：（a）弱化学环境中的受控和低速率的蚀刻；（b）从衬底对最不贵重材料的选择性蚀刻；（c）避免传统化学或者电化学蚀刻中由于过度蚀刻或传统离子铣中由于过度铣对衬底的相邻层造成的损坏；（d）使用标准电镀工具进行蚀刻的蚀刻；以及（e）部分蚀刻。例如，关于蚀刻最不贵重材料，本专利技术的一些实施例可用于蚀刻与更低Fe磁合金接触或与非磁性更贵重合金或者纯金属接触的高Fe、NiFe、CoFe和CoNiFe磁合金。在另一示例中，标准电镀工具通过阴极电流控制和在衬底表面上的均匀对流传质分布可用于根据一些实施例执行蚀刻。根据一些实施例，标准电镀工具的使用允许该工具用于低速率蚀刻和镀覆。例如，标准电镀工具使用的用于磁合金镀覆的化学物质通常是：（a）弱酸性的，其允许蚀刻速率低至次纳米/秒；并且（b）包含高离子浓度的被蚀刻材料（通常为Co+2、Ni+2、Fe+2），其允许最小化或者消除可能的污染。另外，对于一些实施例，单个镀覆单元中阴极电化学蚀刻与电化学沉积的结合可用于复杂纳米级结构的制造上，诸如高力矩（moment）VP3镶嵌柱。为了描述一些实施例的功能，我们现在转向图1A-1C，其图示根据本专利技术的各实施例的处于酸溶液中的金属/合金材料（M）的极化曲线101及其电流分量（用极化曲线103和106表示）。图1A示出在存在包括金属/合金材料的二价离子（M+2）的水系酸性电解质的情况下，相同材料（M）的示例衬底的极化曲线101。极化曲线101是响应于施加的电位（E）的示例衬底（材料M）的净电流。如图所示，当E相对系统的开路或者平衡电位（E0）阴性更强/更负（导致净阴极电流流过示例衬底）或者阳性更强/更正（导致净阳极电流流过示例衬底）时，电流将流过示例衬底（即，电流密度将减小或者增大），该系统包括处于水系酸性电解质中的示例衬底。如本文所述，当E比E0更负时，示例衬底中产生净阴极电流（这里也称为阴极电流）；并且当E比E0更正时，示例衬底中产生净阳极电流（这里也称为阳极电流）。在平衡电位（E0），将没有净电流流过示例衬底（即，i=0）。极化曲线101代表示例衬底的电活性表面上发生的独立电化学处理各自的极化曲线103和106（虚曲线）的净分布。顶部的极化曲线103对应于示例衬底置于酸性电解质时产生的M/M+2耦合体的极化曲线。如图所示，当E变得比开路或者M/M+2的平衡电位（E'0）更正或更负时，将发生M的氧化（M→M+2+2e-）或M+2的还原（M+2+2e-→M）。底部的极化曲线106对应于示例衬底置于酸性电解质时导致的氢还原反应（2H++2e-→H2)的极化曲线。应当注意到并未观测到底部极化曲线106与电位（E）轴的交叉点，这归因于水系酸性电解质（诸如图1A中考虑的）中通常不存在H2的事实。图1B是图1A的极化曲线101的放大图，并且其图示出在E0处流过示例衬底的部分阳极电流（ia）和部分阴极电流（ic）抵消的作用效果（即，ia0=-ic0）。在这种条件下，将以分别与ia0和ic0成比例的速率发生氧化反应（M→M+2+2e-）和还原反应（2H++2e-→H2）。因此，尽管在平衡电位（E0）将没有净电流流过示例衬底（即，i=ia0+ic0=0），但是衬底上的电化学处理仍旧发生并导致在不存在外部驱动力（即，i=0）的情况下自示例衬底的M的电化学蚀刻。图1C例示图1A的极化曲线101的另一个放大图，并且其图示了以下情形：所施加的E'0和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学蚀刻的方法，所述方法包括：提供包括第一材料的金属或者合金的衬底；提供包括第二材料的电解质的蚀刻溶液；以及将所述衬底浸入所述蚀刻溶液，同时向所述衬底施加阴极电流，其中所述阴极电流被施加从而所述蚀刻溶液导致所述衬底的所述第一材料被蚀刻并且所述蚀刻溶液导致还原反应发生。

【技术特征摘要】
2011.08.30 US 13/221,7261.一种电化学蚀刻的方法，所述方法包括：
提供包括第一材料的金属或者合金的衬底；
提供包括第二材料的电解质的蚀刻溶液；以及
将所述衬底浸入所述蚀刻溶液，同时向所述衬底施加阴极电流，
其中所述阴极电流被施加从而所述蚀刻溶液导致所述衬底的所述第一
材料被蚀刻并且所述蚀刻溶液导致还原反应发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极电流包括导致所
述衬底的第一材料被蚀刻的阳极电流分量和导致所述还原反应发生的
阴极电流分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述衬底施加阴极电流
包括向所述衬底施加第一电位，其中所述第一电位比包括所述第一材
料和所述蚀刻溶液的耦合体的开路电位更负。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一电位比所述第一
材料的第二电位负的更少，其中，所述第二电位是包括所述第一材料
和所述第一材料的离子的耦合体的第二开路电位。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述衬底施加阴极电流
包括增加通过所述衬底的电流密度，从通过衬底的零净电流增加到通
过衬底的第一净电流，其中所述第一净电流比所述零净电流更阴性。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过所述衬底的电流密度
增加，从而：所述第一净电流相对通过衬底的具有零阳极分量的净电
流具有更大的阳极分量或者相等的阳极分量，并且所述第一净电流相
对零净电流具有更小的阳极分量。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：调整所述阴极电流以调
整所述衬底的第一材料的蚀刻速率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，控制所述阴极电流从而所
述衬底的第一材料以提供纳米级或者埃级蚀刻精度的蚀刻速率被蚀
刻。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极电流通过恒电流

\t法或恒电位法被控制。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：维持所述蚀刻溶液的
温度、pH、电解质浓度和混合速率处于或者接近指定值。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二材料包含与第
一材料中发现的元素相同或者类似的元素。
12.根据权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·梅迪娜，T·Y·W·江，M·江，
申请(专利权)人：西部数据弗里蒙特公司，
类型：发明
国别省市：