一種小周期陣列結構的製備方法與流程
2024-03-20 06:26:05
本發明涉及二維微納器件技術領域，特別是涉及一種小周期納米陣列結構的製備方法
背景技術：
隨著電子器件以及光學器件的發展，小周期的納米陣列結構已經越來越多的用到所使用的器件中。例如在光學材料中，光學超材料的響應頻率與所用超材料結構的線度與周期直接相關。光學超材料的響應頻率越高，其對應的超材料線度和周期就要越小，如果要得到可見光波段的超材料，結構周期需要控制在500納米以下。在製作電子器件時，越小的電子器件提供的集成度越高。而且當前對集成度要求越來越高，現有技術中已經有各種方式來提高集成度，例如通過製備三維的電子器件來增加高度方向上的集成度、通過先進的設備減小器件的特徵尺寸等。
通常小周期結構的實現是通過傳統的電子束光刻工藝或者極紫外曝光工藝獲得的。這些途徑雖然可以大大減小器件或結構的特徵尺寸，但是這些方法也存在一些問題，例如電子束光刻工藝在製備小周期陣列時速度太慢，而極紫外曝光設備相對昂貴等。而隨著小周期結構需求的不斷擴大，以上工藝已經不能滿足現在科研與加工的需求。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種新的小周期陣列結構的製備方法。
特別地，本發明提供了一種小周期陣列結構的製備方法，用於在襯底上製備小周期陣列結構，包括：
步驟一：在襯底上旋塗光刻膠；
步驟二：在所述光刻膠上採用電子束光刻工藝掃描曝光圖形，得到光刻膠圖形，其中，所述電子束光刻工藝曝光的步長為大步長，以保證兩電子束斑之間的光刻膠不會被曝光；
步驟三：將所述光刻膠圖形轉移到所述襯底上，得到樣品；
步驟四：將所述樣品置於去膠液中，獲得所述襯底上的小周期陣列結構。
進一步地，所述步驟一中的所述襯底為矽襯底、二氧化矽襯底、藍寶石襯底或在平面上進行加工的帶有薄膜材料的任意平面襯底；
優選地，所述襯底為在所述矽襯底基片上生長氮化矽膜、二氧化矽膜或碳化矽膜。
進一步地，所述步驟一中的所述光刻膠為正膠或負膠；
優選地，所述正膠為聚甲基丙烯酸甲酯；
優選地，所述負膠為氫矽倍半環氧乙烷。
進一步地，所述步驟二中曝光圖形為單個圖形或複雜圖形，其中，複雜圖形為兩個或者多個圖形的錯位重疊。
進一步地，所述步驟二中的電子束光刻工藝的曝光的步長為100nm～500nm，曝光劑量可調，通過調整曝光的步長控制所述小周期陣列結構的周期，通過調整曝光劑量控制所述單個圖形的半徑。
進一步地，所述步驟三中是利用沉積工藝將所述光刻膠圖形轉移到所述襯底上；
優選地，所述沉積工藝為熱蒸發工藝、電子束沉積工藝或脈衝雷射沉積工藝。
進一步地，所述沉積工藝所用材料為金屬材料、介質材料或半導體材料；
優選地，所述金屬材料為金、銀或鉻；
優選地，所述介質材料為氧化銦錫或氧化鋁；
優選地，所述半導體材料為氧化鋅或氮化鎵。
進一步地，其特徵在於，所述步驟三中是利用刻蝕工藝將所述光刻膠圖形轉移到所述襯底上；
優選地，所述刻蝕工藝為離子束刻蝕、等離子體刻蝕或溼法腐蝕。
進一步地，所述去膠液為去膠液丙酮或去膠液N,N-二甲基乙醯胺。
採用本發明的製備方法，利用電子束曝光工藝的步長與劑量控制，在大面積圖案上掃描時曝光區域成為小周期的納米柱。並且可以通過控制步長與劑量精確控制納米陣列的周期與半徑，利用曝光圖形的錯位重疊實現多次曝光，與傳統的套刻工藝相比精度更高，可以形成複雜的納米圖形，是一種非常靈活的製備方法。
附圖說明
後文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪製的。附圖中：
圖1是本發明一實施例的小周期陣列結構的製備方法的流程圖；
圖2是本發明另一實施例的小周期陣列結構的製備方法的流程圖；
圖3是當電子束曝光的步長大於單個圖形的直徑時的小周期納米陣列結構的示意性平面圖；
圖4是當電子束曝光的步長小於單個圖形的直徑時的小周期納米陣列結構的示意性平面圖；
圖5是採用本發明的製備方法製備出的周期為150nm的小周期納米陣列結構的掃描電子顯微鏡照片；
圖6是採用本發明的製備方法製備出的周期為450nm的小周期納米陣列結構的掃描電子顯微鏡照片。
具體實施方式
圖1是本發明一實施例的小周期陣列結構的製備方法的流程圖。如圖1所示，一種小周期陣列結構的製備方法，包括：
步驟一：在襯底2上旋塗光刻膠1。
步驟一中所用的襯底2可以為矽襯底、二氧化矽襯底或藍寶石襯底，也可以是在所述矽襯底基片上生長氮化矽膜、二氧化矽膜或碳化矽膜，還可以是在平面上進行加工的帶有薄膜材料的任意平面襯底。
步驟一中所用的光刻膠1為正膠或負膠。光刻膠經光照後，在曝光區能很快地發生反應，使得這種材料的物理性能，特別是溶解性、親合性等發生明顯變化，經適當的溶劑處理，溶去可溶性部分，得到所需圖形。光照後形成不可溶物質的是負膠；反之，對某些溶劑是不可溶的，經光照後變成可溶物質的即為正膠。其中，正膠可以為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，負膠可以為氫矽倍半環氧乙烷(HSQ)、及PMMA加苯環的改性膠(ZEP)等。
步驟二：在光刻膠1上採用電子束3光刻工藝掃描曝光圖形，得到光刻膠圖形，其中，電子束3光刻工藝曝光的步長為大步長，以保證兩電子束斑之間的光刻膠1不會被曝光。
步驟二中曝光圖形為單個圖形或複雜圖形，其中，複雜圖形為兩個或者多個單個圖形的錯位重疊。
步驟二中的電子束3光刻工藝的曝光的步長為100nm～500nm，曝光劑量可調，通過調整曝光的步長控制所述小周期陣列結構的周期，通過調整曝光劑量控制單個圖形的半徑R。
圖3是當電子束3曝光的步長大於單個圖形直徑時的小周期納米陣列結構的示意性平面圖。如圖3所示，製備出的圖形結構為單個圖形結構。圖4是當電子束3曝光的步長小於單個圖形直徑時的小周期納米陣列結構的示意性平面圖。
在步驟二中，利用電子束光刻工藝曝光的步長L與劑量控制，在大面積圖案上掃描時電子束3曝光區域成為小周期陣列結構。該製備方法可以通過控制電子束光刻工藝曝光的步長L與電子束3的曝光劑量精確控制小周期陣列的周期與單個圖形的半徑R，利用單個圖形的錯位重疊實現多次曝光，形成複雜圖形。
步驟三：將光刻膠圖形轉移到襯底2上，得到樣品；
在步驟三中，光刻膠圖形轉移有不同的實現方法。如圖1所示，步驟三中是利用沉積工藝將光刻膠圖形轉移到襯底2上。利用沉積工藝進行材料4沉積。所述材料4通過沉積工藝沉積到襯底表面形成沉積層，得到樣品。所述沉積工藝可以為熱蒸發工藝、電子束沉積工藝或脈衝雷射沉積工藝等。沉積層的厚度L1可根據實際情況而定。沉積工藝中所用的材料可以為金屬材料、介質材料或半導體材料。其中，所述金屬材料可以為金、銀或鉻等，所述介質材料可以為ITO或氧化鋁等，所述半導體材料可以為氧化鋅或氮化鎵等。
步驟四：將步驟三得到的樣品置於去膠液中，在襯底2上獲得小周期納米陣列結構。
不同的光刻膠1對應不同的去膠液。去膠液可以為氫矽倍半環氧乙烷(HSQ)的去膠液丙酮或ZEP的去膠液N,N-二甲基乙醯胺。
本製備方法具有製備快速、可控性好、低成本和可大面積製備等特點。本方法與傳統的套刻工藝相比精度更高，可以形成複雜的納米級圖形，是一種非常靈活的製備方法。
圖2是本發明另一實施例的小周期陣列結構的製備方法的流程圖。圖2中實施例與圖1中實施例的區別在於，圖2中實施例的步驟三，是利用刻蝕工藝對襯底2進行刻蝕，部分未覆蓋光刻膠1的襯底2被刻蝕，具有一定的刻蝕深度L2。上述刻蝕工藝可以為離子束刻蝕、等離子體刻蝕或溼法腐蝕等工藝。刻蝕深度L2可根據實際情況而定。
不同的材料可以選擇相對應的結構轉移過程。
圖5是採用本發明的製備方法製備出的周期為150納米的小周期納米陣列結構的掃描電子顯微鏡照片。通過以下步驟，即可製備出如圖5所示的小周期納米陣列結構：
步驟一：在成品矽襯底上旋塗電子束光刻膠PMMA，轉速4000r/min，最後置於180℃熱板上烘烤1min。
步驟二：利用電子束曝光工藝在步驟一得到的樣品上曝光，電子束曝光的步長設置為150nm，掃描100μm2的矩形區域。
步驟三：將步驟二得到的樣品置於甲基異丁基酮(MIBK)的溶液中，顯影得到光刻膠圖形，利用熱蒸發工藝沉積金60nm；
步驟四：將步驟3得到的樣品置於丙酮中，浸泡4小時，輕輕吹去樣品表面的金屬，撈出樣品並用氮氣吹乾，得到周期為150nm的金陣列結構。
圖6是採用本發明的製備方法製備出的周期為450納米的小周期納米陣列結構的掃描電子顯微鏡照片。通過以下步驟，即可製備出如圖6所示的小周期納米陣列結構：
步驟一：在生長有300nm二氧化矽的矽襯底上旋塗電子束光刻膠ZEP，轉速4000r/min，然後置於180℃熱板上烘烤1min。
步驟二：利用大步長電子束曝光工藝在步驟一得到的樣品上曝光，電子束曝光的步長設置為300nm，掃描100μm2的矩形區域三次，三次曝光的起始位置構成一個等邊三角型，邊長為100nm。
步驟三：將步驟二得到的樣品置於乙酸丁酯中，顯影得到光刻膠圖形，利用電子束蒸發工藝沉積鎳30nm。
步驟四：將步驟三得到的樣品置於丙酮中，浸泡4小時，輕輕吹去樣品表面的金屬，撈出樣品並用氮氣吹乾，得到周期為300nm的鎳陣列結構。
至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的範圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。