CN100559272C

CN100559272C - 一种构筑亚10纳米间隙及其阵列的方法

Info

Publication number: CN100559272C
Application number: CNB2007100416125A
Authority: CN
Inventors: 孙艳; 陈鑫; 吴杰; 戴宁
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: CN101067719A

Abstract

本发明公开了一种构筑亚10纳米间隙及其阵列的方法，该方法是利用电子束光刻技术中的邻近效应，将两个图案设计成连续，通过控制电子束的刻蚀能量与图形转移将两个图案的Gap控制在亚10纳米级。本发明的优点是：构筑简单易行，重复性好。

Description

一种构筑亚10纳米间隙及其阵列的方法

技术领域

本发明涉及纳米材料、器件，具体是指一种通过电子束光刻来构造亚10纳米间隙(Gap)及其阵列的方法。

背景技术

微、纳米构造技术是当今信息技术与半导体工业中的最基本的关键技术。随着技术的发展，人们迫切需要开展对单个纳米结构中电子传输，单分子光电性能检测以及单分子/单粒子等量子器件方面的研究。因此，纳米级的Gap结构，特别是亚10纳米的Gap结构的构筑能够提供这种研究的途径。采用光刻和电化学沉积相结合的方法，能够制备出纳米尺度的Gap结构。但是需要光刻和沉积两个构筑步骤，从而增加了制备工艺的复杂程度。上个世纪发展的电子束光刻技术尽管在操作与时间成本等方面有需要克服的不足，但是它仍然是当前纳米结构构筑技术中很有效的一个方法。它具有以下二个优点：1.不需要掩模，可以通过软件设计任意形状的图形。2.可以制备纳米级的图形，可以进行多次的套刻。然而，电子束光刻技术虽然具有很高的分辨率，但直接制备10纳米及低于10纳米的Gap仍然存在一定困难。其原因是电子束光刻中的邻近效应，使得很难得到10纳米及低于10纳米的Gap。但也有人就利用电子束光刻中的邻近效应，在设计图案时，将两个图案间隔一定的距离，然后由于电子束光刻过程中的邻近效应形成约30纳米结构，见文献Solid State Communications，V130，P111，(2004)中。

发明内容

基于已有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种较简单的构筑亚10纳米Gap结构的方法，该方法是利用电子束光刻技术中的邻近效应，将两个图案设计成连续，通过控制电子束的刻蚀能量与图形转移将两个图案的Gap控制在亚10纳米级。

本发明的构筑亚10纳米Gap方法包括四个步骤：

1.图案的设计利用GDSII软件设计图案，图案可以是两个三角形的顶点连接，两个矩形连接，但不能交叠，或者是一个圆环，并且列阵排列。

2.衬底的准备首先按照半导体标准工艺处理衬底，然后在衬底上用匀胶机旋涂对电子束敏感的光刻胶，并加温固化，固化后的光刻胶厚度为20-300纳米。所说的衬底材料可以为硅、镓砷或导电玻璃。所说的对电子束敏感的光刻胶可以为正胶，如聚甲基丙烯酸甲脂类，以及聚甲基丙烯酸甲脂/聚甲基丙烯酸共聚物。也可以为负胶，如HSQ(氢倍半硅氧烷)、SU8(环氧树脂)。

3.电子束刻蚀将计算机设计好的图案由与计算机连接的图形发生器控制场发射扫描电子显微镜对衬底上的光刻胶按预先设计好的图案进行刻蚀。根据不同的光刻胶和不同的图案，在设定电压下，通过控制电子束的电流和曝光剂量，调节二个图案连接处的纳米Gap结构或反相结构的尺寸大小。然后通过常规的半导体工艺中的显影和定影得到衬底表面具有亚10纳米Gap结构图案的阵列。本发明中的在两个图案连接处产生的纳米Gap结构或反相结构是利用了电子束光刻过程中的邻近效应。

4.对衬底表面的亚10纳米Gap结构图案，采用溅射、或者热蒸发的方法，先沉积上一层过渡金属层，如镉或钛，再沉积一定5-200纳米厚度的金(Au)或铂金(Pt)或铜(Cu)。最后在有机溶剂中除去光刻胶，得到具有亚10纳米的Gap结构极其阵列。

本发明的优点是：构筑简单易行。

附图说明

图1：两个三角形顶点连接的亚10纳米Gap结构构筑过程示意图；

图2：两个三角形顶点连接的显影后的亚10纳米Gap结构示意图；

图3：图形转移后的亚10纳米Gap结构示意图；

图4：图形转移后的亚10纳米Gap结构阵列示意图；

图5：图形转移前环形结构的亚10纳米Gap结构阵列示意图；

图6：图形转移后环形结构的亚10纳米Gap结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，而不是要以此对本发明进行限制。

实施例1：

衬底为硅，采用双层胶工艺，先在硅衬底上旋涂一层3％的聚甲基丙烯酸甲脂一聚甲基丙烯酸共聚物的邻二甲苯溶液光刻胶。然后放在180摄氏度热板上加热10分钟，取出后在空气中常温下凉却2分钟。

再旋涂一层3％聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA，Mw＝340k)的邻二甲苯溶液光刻胶，然后放在180摄氏度的烘箱中烘1小时，取出后在空气中常温下凉却2分钟。

再把样品放在热场发射扫描电子显微镜的装有法拉第杯的样品台上的样品室内。设定电压30KV，进行电子束曝光，电流为0.16nA，曝光的剂量为600μC.cm^-2。图案是两个等边三角形的顶点连接，边长为600纳米。

光刻完成后在甲基异丁基酮(MIBK)和异丙醇(IPA)，按其体积比为1∶3配成的显影液中常温下显影1分钟，在IPA定影液中定影20秒，最后用高纯氮气吹干。图1给出了10纳米Gap结构构筑过程示意图，图2给出了定影后，未作转移前的Gap结构示意图。

然后对定影后的样品溅射5纳米的铬和35纳米的金，再在热的丙酮中浸泡并超声5分钟，去除表面的光刻胶，再在乙醇中超声2分钟，用高纯氮气吹干。图3给出了图形转移后亚10纳米Gap结构示意图。图4给出了图形转移后亚10纳米Gap结构阵列示意图。

实施例2

采用双层胶工艺，在石英衬底上首先旋涂一层3％的聚甲基丙烯酸甲脂-聚甲基丙烯酸共聚物的邻二甲苯溶液，在180摄氏度烘箱中烘半小时，取出后空气中常温下凉2分钟。

然后再旋涂一层3％的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA，Mw＝340k)的邻二甲苯溶液，在180摄氏度的烘箱中烘1小时，取出常温下凉2分钟。再溅射一层5纳米的Al。

再把样品放在热场发射扫描电子显微镜的装有法拉第杯的样品台上的样品室内。设定电压30KV，进行电子束曝光，电流为0.17nA，曝光剂量为500μC.m^-2。图案是两个等边三角形的顶点连接，边长为600纳米。

光刻完成后先在2.5％的四甲基氢氧化铵的水溶液中漂洗30秒，去除溅射在表面的Al，然后在甲基异丁基酮(MIBK)和异丙醇(IPA)，按其体积比为1∶3配成的显影液中常温下显影1分钟，在IPA定影液中定影30秒，最后用高纯氮气吹干。得到了具有亚10纳米的Gap结构。

实施例3

采用双层胶工艺，在氮化硅衬底上首先旋涂一层PMMA光刻胶(Mw＝100k)，150摄氏度烘箱中加热1小时，取出后空气中常温下凉2分钟。然后再旋涂一层，浓度为4％的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA，Mw＝340k)邻二甲苯溶液，放在180摄氏度的烘箱中烘1小时，取出常温下凉2分钟。

再把样品放在热场发射扫描电子显微镜的装有法拉第杯的样品台上的样品室内，设定电压30KV，进行电子束曝光，电流为0.63nA，曝光的剂量为600μC.cm^-2。设计的图案是圆环。光刻完成后在甲基异丁基酮(MIBK)和异丙醇(IPA)，按其体积比为1∶3配成的显影液中常温下显影1分钟，在IPA定影液中定影20秒，最后用高纯氮气吹干。图5是转移前环形结构的亚10纳米Gap阵列示意图。

实施例4

采用双层胶工艺，在砷化镓衬底上首先旋涂一层PMMA光刻胶(Mw＝100k)，然后放在150摄氏度烘箱中加热1小时，取出后空气中常温下凉2分钟。然后再旋涂一层3％浓度的PMMA(Mw＝340k)邻二甲苯溶液，再放在180摄氏度的烘箱中烘1小时，取出常温下凉2分钟。

再把样品放在热场发射扫描电子显微镜的装有法拉第杯的样品台上的样品室内，设定电压30KV，进行电子束曝光，电流为0.16nA，曝光的剂量为500μC.cm^-2。图案是两个等边三角形的顶点连接，边长为600纳米。光刻完成后在甲基异丁基酮(MIBK)和异丙醇(IPA)，按其体积比为1∶3配成的显影液中常温下显影1分钟，在IPA定影液中定影20秒，最后用高纯氮气吹干。得到具有亚10纳米的Gap结构。

实施例5

光刻胶采用负胶HSQ(氢倍半硅氧烷)，采用旋涂的方法在导电玻璃衬底上涂上一层光刻胶，然后在烘箱中180摄氏度烘20分钟。再把样品放在热场发射扫描电子显微镜的装有法拉第杯的样品台上的样品室内，设定电压30KV，进行电子束曝光，电流为0.16nA，曝光的剂量为800μC.cm^-2。图案是两个等边三角形的顶点连接，边长为600纳米。光刻完成后在50摄氏度的2.5％的四甲基氢氧化铵的显影液中显影1分钟，然后在水中定影30秒钟，最后用高纯氮气吹干。得到具有亚10纳米的Gap结构。

上述实施例中热场发射扫描电子显微镜采用FEI公司的Sirion200，配上Raith公司的ElphyQuantum的图形发生器，设计图形的软件是GDSII。

Claims

1.一种构筑亚10纳米间隙阵列的方法，其特征在于包括四个步骤：

A)图案的设计：利用GDSII软件设计图案，图案是顶点连接但不交叠的两个三角形，并且列阵排列；

B)衬底的准备：首先按照半导体标准工艺处理衬底，然后在衬底上用匀胶机旋涂对电子束敏感的光刻胶，并加温固化，固化后的光刻胶厚度为20-300纳米；

C)电子束刻蚀：由与计算机连接的图形发生器控制场发射扫描电子显微镜对衬底上的光刻胶按预先设计好的图案进行刻蚀；

根据不同的光刻胶，在设定电压下，通过控制电子束的电流和曝光剂量，调节两个三角形连接处的纳米间隙结构的尺寸大小；

然后通过常规的半导体工艺中的显影和定影得到衬底表面具有亚10纳米间隙结构图案的阵列；

D)对衬底表面的亚10纳米间隙结构图案，采用溅射或者热蒸发的方法，先沉积上一层铬，再沉积5-200纳米厚度的Au，最后在有机溶剂中除去光刻胶，得到亚10纳米间隙阵列。

2.根据权利要求1的构筑亚10纳米间隙阵列的方法，其特征在于：所述衬底的材料为硅、砷化镓或导电玻璃。

3.根据权利要求1的构筑亚10纳米间隙阵列的方法，其特征在于：所述的对电子束敏感的光刻胶为正胶或负胶。