CN100495647C - 采用正性电子抗蚀剂制备金属纳米电极的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用正性电子抗蚀剂制备金属纳米电极的方法。本发明的主要特征是利用电子束邻近效应，采用电子束光刻(EBL)在各种衬底上获得间距为纳米尺度的一对或一组具有线条、孔等各种形状的正性电子抗蚀剂凹槽图形，再辅以金属淀积和剥离工艺制备各种金属材料纳米电极。其主要步骤包括：在衬底上涂敷正性电子抗蚀剂；前烘；电子束直写曝光；显影；定影；蒸发或溅射金属；在丙酮中进行剥离。采用这种方法制备的金属纳米电极的间距可达到30-100nm，可用于制作各种量子点器件、纳米线、纳米管器件、单电子器件等多种器件或电路。这种方法具有工艺步骤少、简单、稳定可靠、用途多、能与传统CMOS工艺兼容的优点。

Description

采用正性电子抗蚀剂制备金属纳米电极的方法
技术领域
本发明属于纳米加工技术领域，特别是一种金属纳米电极的制备方法。
背景技术
半个多世纪以来，以CMOS为主流技术的半导体集成电路一直在遵循“摩尔定律”迅速发展，其特征尺寸已进入到纳米级，但同时也面临着越来越严重的挑战，因此基于新材料、新原理的纳米电子器件如各种量子点器件、纳米线、纳米管器件、单电子器件等成为研究的热点。在这些纳米电子器件的制作中，尺寸小、导电性好、具有纳米量级间隙的纳米电极的制作是一个关键，也是一个难点。
申请号为200410095163.9的中国发明专利主要采用化学方法结合高分子材料的运用来制备电极，但这种电极并未达到纳米尺度。申请号为200410010181.2的中国发明专利用原子力显微镜(AFM)刻蚀纳米线结合化学方法制备银纳米电极，存在效率低、不能大规模生产的缺点。申请号为99116576.4的中国发明专利采用火焰熔融和蚀刻法制备碳纤维纳米电极，电极材料单一，而且只用于生物领域。光学光刻由于其高效率是目前制作电极的主流技术，但光学光刻的分辨率受曝光波长的限制很难达到纳米级分辨率。电子束光刻由于电子束波长很短，衍射效应基本可以忽略，具有很高的分辨率，高性能的电子束光刻机的分辨率可以达到几个纳米。因此，采用电子束光刻结合高分辩的电子抗蚀剂，并辅以金属薄膜材料的淀积和剥离工艺，可以制备出各种间距小于100nm的金属纳米电极。这种方法具有工艺步骤少、简单、稳定可靠、用途多、能与传统CMOS工艺兼容的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备间距小于100nm的金属纳米电极的方法。
为了实现上述目的，本发明采用电子束光刻技术，它是一种有效的纳米加工手段，具有纳米级的分辨率。本发明主要利用电子束曝光中的邻近效应，即高能电子束在入射过程中在抗蚀剂中会产生小角度的前散射，在衬底上会产生大角度的背散射，使得在曝光区的邻近区域上产生附加的曝光，显影后图形的实际宽度要大于图形的原始设计宽度。因此，在设计曝光版图时，将一对或一组图形设置得较近(100—400nm)，在曝光、显影后就很容易获得间距小于100nm的一对或一组具有线条、孔等各种形状的正性电子抗蚀剂凹槽图形，通过后续的金属淀积与剥离可以制备出金属纳米电极。
一种制备金属纳米电极的方法，采用正性电子抗蚀剂，利用电子束光刻(EBL)、金属淀积和剥离工艺，具体工艺步骤如下：
(1)在衬底上涂敷高分辩正性电子抗蚀剂；
(2)对电子抗蚀剂进行前烘；
(3)对电子抗蚀剂进行电子束直写曝光，以获得间距为纳米尺度的一对或一组正性电子抗蚀剂凹槽图形；
(4)显影，去除曝光区域的电子抗蚀剂；
(5)定影；
(6)淀积电极材料；
(7)在丙酮中剥离，去除电子抗蚀剂及其之上的电极材料，形成间隔为100nm以下的纳米电极。
其中步骤(1)中所述的衬底为表面平整、洁净的绝缘或高阻衬底，衬底使用SiO2、Si3N4、Al2O3、MgO、CaO、高阻态的Si、Ge、GaAs、GaN、InP、InAs、ZnO、ZnS、CdS等，所述的正性电子抗蚀剂可采用PMMA、ZEP520、KRS、UV-III或P(SI-CMS)等单层或多层抗蚀剂，采用KRS、UV-III这两种化学放大抗蚀剂时还需在第(3)步和第(4)步之间采取后烘步骤。
其中步骤(3)中所述的电子束直写曝光可采用JEOL公司生产的JBX-5000LS电子束光刻系统，其加速电压为50KeV，电子束流小于100pA。设计曝光版图时电极图形的间隔为100—400nm。
其中在步骤(3)中所述的电子束曝光、步骤(4)中所述的显影及步骤(5)中所述的定影之后形成的正性电子抗蚀剂的凹槽图形须具有“底切”断面结构，即凹槽的下部宽于上部，以便于后续的剥离。
其中步骤(6)中所述的淀积为蒸发、溅射等生长薄膜材料的方法，所述的电极材料为Al、Pt、Au、Ag、W、Ti、Cr、ITO(透明)等单层或多层电极材料，电极材料的总厚度须小于电子抗蚀剂的厚度。
其中步骤(7)中所述的剥离需先在丙酮中浸泡，然后在丙酮中超声振荡。
附图说明
图1—图5是本发明及其具体实施例子的工艺流程图；
图6和图7分别是根据图1—图5所示的具体实施例流程制备的ZEP520正性电子抗蚀剂掩模及相应的间距为60nm的Cr/Au金属纳米电极的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图通过对具体实施例子的描述，进一步详细说明本发明的具体方法，其中：
如图1所示，在表面平整、洁净的SiO2、Si3N4、Al2O3、MgO、CaO等绝缘衬底、高阻态的Si、Ge、GaAs、GaN、InP、InAs、ZnO、ZnS、CdS等半导体衬底1上用匀胶机涂敷单层或多层高分辨正性电子抗蚀剂2，如PMMA、ZEP520、KRS、UV-III、P(SI-CMS)等。然后对上述涂敷好的电子抗蚀剂2采用烘箱或热板进行一定时间和一定温度的前烘。
如图2所示，对正性抗蚀剂2的区域3和区域4进行电子束直写曝光，区域5、6不曝光。区域3和区域4的间隔即未曝光的区域5的宽度为100—400nm。电子束曝光可采用JEOL公司生产的JBX-5000LS电子束光刻系统，其加速电压为50KeV，电子束流小于100pA。
如图3所示，对曝光过的正性抗蚀剂进行显影和定影，去除曝光区域的电子抗蚀剂，形成用于淀积电极材料薄膜的抗蚀剂掩模9、10。由于电子束邻近效应，在曝光区域3、4的邻近区域上会产生附加的曝光，显影后得到的实际凹槽图形7、8的宽度大于设计曝光区域3、4的宽度，中间留下的抗蚀剂9的宽度也相应小于设计不曝光区域5的宽度。通过工艺控制，凹槽图形7、8的间隔即抗蚀剂9的宽度可以达到100nm以下。
如图4所示，采用蒸发或溅射方法沉积Al、Pt、Au、Ag、W、Ti、Cr、ITO(透明)等单层或多层导电的电极材料薄膜11、12、13，电极薄膜11、12、13的厚度低于电子抗蚀剂掩模9、10的厚度，电极薄膜不连续，一部分(16)沉积于电子抗蚀剂掩模9、10之上，另一部分沉积于衬底1之上，形成所需的纳米电极11、12。
如图5所示，采用丙酮浸泡、超声剥离抗蚀剂掩模9、10及其上方的金属电极薄膜13，完成在衬底1上的间隔仅为30—100nm的纳米电极11、12的制备。
下面以使用ZEP520正性电子抗蚀剂、蒸发Cr/Au双层金属电极薄膜为例，结合附图进一步说明本发明的详细工艺方法和步骤，其中：
如图1所示，在表面平整、洁净的长有SiO2绝缘膜的Si衬底1上用匀胶机涂敷单层ZEP520正性电子抗蚀剂2，涂敷转速为2000rpm，涂敷时间为60秒，抗蚀剂厚度为485nm。然后用烘箱在180℃下前烘20分钟。
如图2所示，对ZEP520抗蚀剂2的区域3和区域4进行电子束直写曝光，区域5、6不曝光。区域3和区域4的宽度为350nm，区域3和区域4的间隔即未曝光的区域5的宽度为250nm。电子束曝光可采用JEOLJBX-5000LS电子束光刻系统，加速电压为50KeV，电子束流为100pA，曝光剂量为170μC/cm2。
如图3所示，用乙酸戊酯显影液显影2分钟，立即用甲基异丁基酮(MIBK)定影液定影15秒，形成电极材料薄膜淀积的抗蚀剂掩模9、10。显影、定影后得到的实际凹槽图形7、8的宽度大于设计曝光区域3、4的宽度，中间留下的ZEP520抗蚀剂9的宽度也相应小于设计不曝光区域5的宽度。凹槽图形7、8的间隔即抗蚀剂9的宽度可以达到100nm以下。图6所示的SEM断面照片中，ZEP520抗蚀剂凹槽图形的上部间距为90nm，下部间距为60nm。
如图4所示，蒸发50nm厚的Cr/Au金属电极材料薄膜11、12、13，其中Au层较后，主要利用其良好的导电性；Cr层较薄，起增强Au与SiO2衬底的粘附性的作用。Cr/Au总厚度低于ZEP520抗蚀剂掩模9、10的厚度，Cr/Au薄膜不连续，一部分Cr/Au薄膜(16)沉积于ZEP520抗蚀剂掩模9、10之上，另一部分沉积于Si/SiO2衬底1之上，形成所需的Cr/Au纳米电极11、12。
如图5所示，采用丙酮浸泡、超声剥离ZEP520抗蚀剂掩模9、10及其之上的Cr/Au金属电极薄膜13，完成在衬底1上的间隔为100nm以下的Cr/Au纳米电极11、12的制备。图7所示的SEM表面照片中，制备得到的Cr/Au金属纳米电极的间距为60nm，图中白色部分为Cr/Au电极。

Claims (6)

1、一种制备金属纳米电极的方法，采用正性电子抗蚀剂，利用电子束光刻、金属淀积和剥离工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在衬底上涂敷正性电子抗蚀剂；
(2)前烘；
(3)电子束直写曝光，以获得间距为纳米尺度的一对或一组正性电子抗蚀剂凹槽图形；
(4)显影；
(5)定影；
(6)淀积电极材料；
(7)剥离，形成间隔为100nm以下的纳米电极。
2、根据权利要求1所述的制备金属纳米电极的方法，其特征在于，其中步骤(1)中所述的衬底为平整的绝缘衬底或高阻半导体衬底，衬底使用SiO2、Si3N4、Al2O3、MgO、CaO、高阻态的Si、Ge、GaAs、GaN、InP、InAs、ZnO、ZnS、CdS，所述的正性电子抗蚀剂采用PMMA、ZEP520、KRS、UV-III或P(SI-CMS)。
3、根据权利要求1所述的制备金属纳米电极的方法，其特征在于，其中步骤(3)中所述的电子束直写曝光采用JEOL JBX-5000LS电子束光刻系统，其加速电压为50KeV，电子束流小于100pA，曝光版图设计中电极图形的间隔为100—400nm。
4、根据权利要求1所述的制备金属纳米电极的方法，其特征在于，其中在步骤(3)中所述的电子束曝光、步骤(4)中所述的显影及步骤(5)中所述的定影之后形成的正性电子抗蚀剂的凹槽图形须具有“底切”断面结构，即凹槽的下部宽于上部，以便于后续的剥离。
5、根据权利要求1所述的制备金属纳米电极的方法，其特征在于，其中步骤(6)中所述的电极材料为Al、Pt、Au、Ag、W、Ti、Cr、ITO单层或多层电极材料，电极材料的总厚度须小于电子抗蚀剂的厚度，电极材料采用蒸发、溅射方法淀积。
6、根据权利要求1所述的制备金属纳米电极的方法，其特征在于，其中步骤(7)中所述的剥离需先在丙酮中浸泡，然后在丙酮中超声振荡，从而剥离掉电子抗蚀剂及其之上的电极材料。
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