CN102303840B - 矢量式afm纳米加工系统的纳米压印模版的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米制造技术领域的矢量式AFM纳米加工系统的纳米压印模版的制备方法，通过对所需要的纳米结构进行矢量化编程得到加工宏文件以控制针尖的运动，并AFM进入成像模式扫描状态，然后开始扫描样品表面，待扫描过程稳定并得到稳定的重复性好的扫描图像后，进入脚本程序模式，通过调用第三步中得到的加工宏文件并导入加工系统中开始加工；待加工完成后，进入实时成像模式，再次扫描来获得加工结构的表面形貌结构图；最后利用所制备的纳米图形结构作为掩膜，结合高选择性各向异性湿法刻蚀技术，将AFM电场诱导阳极氧化制备出的纳米结构图形转移到基底上，进而制造出纳米结构模版。

Description

矢量式AFM纳米加工系统的纳米压印模版的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种纳米制造和纳米光电子器件等领域的方法，具体涉及一种基于矢量式AFM纳米加工系统的纳米压印模版的制备方法，即在矢量式AFM(原子力显微镜)纳米加工系统下，利用电场诱导阳极氧化加工方法结合高选择性各向异性湿法刻蚀技术进行纳米压印模版的制备。

背景技术

自八十年代以来，以扫描隧道显微镜(STM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)得到迅速发展，其特点是分辨力高、可在真空、大气和液体环境下工作，因此在纳米技术领域得到了广泛应用。三十年来，SPM已经发展成一个强有力的表面分析工具，大大扩展了表面信息研究的空间，对纳米科学的发展起着重要的推动作用。在将SPM作为观测仪器的同时，研究者也发现了它对样品表面的加工能力，扫描探针加工技术也就在此基础上应运产生。扫描探针纳米加工技术，作为扫描探针成像的延伸，是一项二十年来才发展起来的新技术。由于扫描探针加工技术能够有效地实现单原子、分子操纵和纳米级图形结构的刻蚀，因而得到了广泛的关注。

基于原子力显微镜(AFM)针尖的纳米结构制备技术是国际上研究十分活跃的研究课题，也是迄今为止最为简单的一种纳米加工技术。其中，利用AFM的电场诱导氧化加工具有最高的加工精度、最小的加工尺度、宽松的加工环境、加工与测量的实时集成、良好的可控性好与稳定性、低廉的成本、生成氧化物的绝缘性和抗刻蚀性与微电子工艺相兼容等优点，因此被普遍认为是一种非常有发展前途的纳米加工技术。

基于SPM的微纳结构的加工有两种实现方式：光栅式扫描加工与矢量式扫描加工。光栅式扫描加工即点阵加工方式，其工作原理类似于点针式打印机的工作原理。SPM以这种方式实现加工时，探针在表面的扫描方式与扫描成像的工作方式相同，即在表面的正方形区域内进行逐行扫描。在进行加工之前，首先必须对所需加工的图形结构进行编码，即将正方形扫描区域初始化为一位图(即BMP文件)，图形结构则由一系列点组成。在初始状态下，SPM设置成正常的成像模式，扫描参数的设置应该能够实现样品表面形貌的获取，并尽量减少探针对样品表面的刻蚀作用。探针在进行逐行扫描的过程中，SPM系统依据探针的扫描位置和图形点阵编码来调整探针与样品的作用参数(电场或相互作用力)，这样在样品表面一定位置上将产生点状结构，这些点状结构将共同构成连续的图形。与矢量式加工相比，该模式更利于实现复杂图形的加工。

矢量式扫描加工与绘图仪的工作原理类似。SPM以这种方式实现加工时，不需要在样品表面进行探针的逐行扫描，但要求依据加工的图形结构制定出探针的移动路径和相应的加工参数。在矢量加工过程中，需要对图形结构进行矢量化，其结果是保证了结构的连续性，并且在加工过程中，探针与样品之间相互作用的反馈环需要被一直保持，以控制探针与样品的相互位置，避免探针在移动过程中与样品表面的剧烈碰撞。

与点阵式加工相比不同的是：矢量式加工的时间与所加工结构的尺寸大小、复杂程度和探针移动速度等多个因素相关。在图形结构较简单的情况下，矢量式加工的优势将体现得更为明显。由于DI公司所提供的Nanoscript函数能够实现探针的移动和空闲通道信号的触发，信号接入模块(SAM)则能够提供扫描线的同步信号，这就使两种加工方式都有实现的可能性。与光栅扫描式加工相比，矢量式加工具有的最大优势是可灵活地实现纳米级结构的加工与修补，所加工纳米结构的高度也容易得到控制。这主要是由于加工步骤容易进行拆分。另外，矢量式加工方式也便于实现对加工过程中信号的监测。在加工简单图形时，矢量加工方式的优点将表现得更加明显。

国际上微电子、光电子、纳米电子及纳米光电子研究领域普遍认为纳米压印技术是最有希望的下一代纳米加工技术。利用纳米压印技术开发纳米结构信息存储器、纳米结构生物传感器和纳米结构亚波长光学器件经济效益是明显的，就纳米结构亚波长光学器件一项，在光通信器件领域就有数亿市场空间。由于纳米压印技术是最有希望的下一代纳米加工技术，因此对于提高我国未来微电子、光电子、纳米电子及纳米光电子的战略竞争力是十分明显的。然而，目前纳米压印工艺的灵魂-模版的制备技术，严重制约了纳米压印技术的发展。因此研究有效的纳米压印模版制备技术迫在眉睫。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种矢量式AFM纳米加工系统的纳米压印模版的制备方法，通过对AFM氧化加工参数比如加工过程中探针与样品之间的微弱电流、电容效应、加工电压与电场强度等因素进行监控和理论分析，加工出基于AFM针尖电场诱导的更加稳定、可重复性、具有更快的加工速度、良好性能的纳米氧化图形结构，并以此氧化结构作为刻蚀掩膜，然后利用各向异性湿法刻蚀技术将AFM针尖制备的纳米氧化图形结构应用于纳米压印模版的制备，既发挥AFM针尖在纳米结构制备上的特点和优势，又能够通过纳米压印技术(就像半导体微电子工艺的光刻技术一样)，使纳米结构能够低成本复制到不同材料的基片上，进而开展各类纳米电子与纳米光学的研究和应用。当然基于AFM针尖的纳米结构制备技术制备速度很慢，对基片有特殊要求，只能应用于某些领域的基础研究。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

包括以下步骤：

第一步、采用改进的RCA清洗方式制备表面氢钝化的硅片样品；

第二步、装载硅片样品并设置测试环境，具体为：将制备好的硅片样品用铜导电胶或导电银浆固定在载物片上，放入AFM载物台，根据样品的电导率等选择合适的导电探针，安装好探针架，打开矢量式AFM纳米加工系统开关，并等待温湿度与AFM电路加工系统至稳定状态，温度和湿度的变化范围分别控制在20℃～28℃和40％～80％，然后打开信号发生器和测量微弱电流等物理量的数字万用表，使仪器预热并等待其稳定。

第三步、对所需要的纳米结构进行矢量化编程得到加工宏文件以控制针尖的运动，具体为：根据所要加工的纳米结构的几何形状，通过Visual Basic可视化程序编程方法进行纳米结构图形的程序设计以制定出探针的移动路径和加工参数，并且将相应的程序源代码生成相应的动态链接库文件，即dll文件，随后载入Scripts程序库中。

第四步、AFM进入成像模式扫描状态，然后开始扫描样品表面；

所述的成像模式扫描状态是指：设置扫描范围为1μm～50μm、扫描速率为0.1μm/s～1μm/s；对于AFM接触模式的积分增益为2.00，对于敲击模式的积分增益为0.30；对于AFM接触模式的比例增益为3.00，对于敲击模式的比例增益为0.50。

第五步、待扫描过程稳定并得到稳定的重复性好的扫描图像后，进入脚本程序模式，通过调用第三步中得到的加工宏文件并导入加工系统中开始加工，具体为：调出Nanoscript接口进而调用前面所编好的加工宏文件，控制调制电压信号的波形、占空比、频率和幅度，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构进行相应的矢量式移动，并且在矢量线的指定位置经由SAM来激发信号发生器的空闲通道，从而触发调制信号源，产生指定信号，载入电压荷载并施加到样品与探针之间，实现场致诱导加工，同时相应的精密测量设备数字万用表实时测量电路中的微弱电流信号、加工电压并自动存储到外接的存储器上，示波器则显示信号发生器及加工电压的波形示意图。

第六步、待加工完成后，进入实时成像模式，再次扫描来获得加工结构的表面形貌结构图；

第七步、利用所制备的纳米图形结构作为掩膜，结合高选择性各向异性湿法刻蚀技术，将AFM电场诱导阳极氧化制备出的纳米结构图形转移到基底上，进而制造出纳米结构模版。

所述的高选择性各向异性湿法刻蚀技术是指：首先通过对所需要的纳米结构信息进行矢量化处理得到加工路线信息，并采集待处理样品的表面扫描图像，然后探针在待处理样品的表面根据加工路线信息及表面扫描图像进行矢量式移动，当到达加工区域后由矢量式纳米加工系统的信号接口激发信号发生器的空闲通道并通过调制信号发送电压载荷信息至探针，实现场致诱导加工，进而制备出所需的纳米结构模版。

所述的矢量化处理是指：通过Visual Basic可视化程序编程方法进行纳米结构图形的程序设计以制定出探针的移动路径和相应的加工参数等，并且将相应的程序源代码生成相应的动态链接库文件，即dll宏文件，随后载入Scripts程序库中。然后进入脚本程序模式，调出Nanoscript编程接口进而调用编好的dll宏文件，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构移动，即矢量式移动。

所述的表面扫描是指：AFM进入成像模式后，扫描并实时观测样品的表面形貌，尽量采集表面粗糙度低的样品表面区域，以在此区域进行纳米结构的加工。

所述的矢量化移动是指：根据所要加工的纳米结构的几何形状，利用宏语言进行宏编程，程序中规定了探针的移动路径和一些所要加工时的参数，随后探针在宏文件指令下进行矢量式移动。

所述的调制信号包括：直流电压脉冲波信号、调制电压脉冲波信号、三角波信号、梯形波信号、正弦波信号和锯齿波信号。

基于AFM的电场诱导氧化加工的原理基于电场诱导阳极氧化的电化学机制，能够实现对加工电路中微弱电流的精密实时探测，实现对加工电压的实时精确测量，实现对电容效应的实时观测等，从而对于分析电场诱导阳极氧化加工的机理有了较为深刻的认识。AFM的电场诱导氧化加工具有最高的加工精度、最小的加工尺度、宽松的加工环境、加工与测量的实时集成、良好的可控性与稳定性、低廉的成本、生成氧化物的绝缘性和抗刻蚀性与微电子工艺相兼容等优点，因此将原子力显微镜针尖的纳米结构制备技术应用于纳米压印模版的制备，既发挥原子力显微镜针尖在纳米结构制备上的特点和优势，又能够通过纳米压印技术(就像半导体微电子工艺的光刻技术一样)，使纳米结构能够低成本复制到不同材料的基片上，进而开展各类纳米电子与纳米光学的研究和应用。针对目前纳米压印技术在压印模版制备技术上的瓶颈，本专利开发基于AFM针尖局部超强电场诱导方法并结合高选择性的各向异性湿法刻蚀工艺的纳米压印模版制备技术。本发明首先在调制电信号AFM接触模式与稳恒电信号AFM接触模式和敲击模式下，通过对一系列AFM加工参数的最优化组合，选择合适的加工环境进行纳米图形结构的制备，均取得了良好的加工效果，然后以此作为掩膜，进行后续的各向异性湿法刻蚀技术，将AFM电场诱导阳极氧化制备出的纳米结构图形转移到基底上，进而制造出高深宽比的纳米结构模版。

本发明基于AFM的电场诱导氧化加工具有最高的加工精度、最小的加工尺度、宽松的加工环境、加工与测量的实时集成、良好的可控性与稳定性、低廉的成本、生成氧化物的绝缘性和抗刻蚀性与微电子工艺相兼容等优点，因此将原子力显微镜针尖的纳米结构制备技术应用于纳米压印模版的制备，既发挥原子力显微镜针尖在纳米结构制备上的特点和优势，又能够通过纳米压印技术(就像半导体微电子工艺的光刻技术一样)，使纳米结构能够低成本复制到不同材料的基片上，进而开展各类纳米电子与纳米光学的研究和应用。针对目前纳米压印技术在压印模版制备技术上的瓶颈，本专利开发基于原子力显微镜针尖电场诱导和高选择性各向异性湿法刻蚀的纳米压印模版制备技术。本发明首先在调制电信号与稳恒电信号下通过对一系列AFM加工参数的最优化组合，选择合适的加工环境进行纳米图形的制备，然后以此作为掩膜，进行后续的各向异性湿法刻蚀技术，将AFM电场诱导阳极氧化制备出的纳米结构图形转移到基底上，进而制造出高深宽比的纳米结构模版。

上述方法能够制备得到更加稳定、可重复性、具有更快的加工速度、良好性能的一维光栅模版、二维光栅模版、点阵光栅模版等。

附图说明

图1为矢量式AFM纳米加工原理示意图。

图2为纳米压印模版的制备流程示意图。

图3为矢量加工程序框图。

图4为实施例中经氢钝化处理的硅片表面示意图。

图5为调制电压信号波形图。

图6为实施例加工电流示意图。

图7为接触式AFM调制电信号下加工的一维光栅纳米结构图。

图8为接触式AFM稳恒电信号下加工的一维光栅、二维光栅和点阵光栅纳米结构图。

图9为敲击式AFM稳恒电信号下加工的纳米线结构图。

图10为纳米压印模版结构的AFM图像。

图11为纳米压印模版结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例主要包括以下步骤：

第一步、样品的制备。采用改进的RCA清洗方案制备表面氢钝化的硅片样品，以免样品暴露于大气中时容易被氧化，并且使得清洗后的样品表面粗糙度在0.1nm左右；

第二步、将制备好的硅片样品用铜导电胶或导电银浆固定在载物片上，放入AFM载物台，根据样品的电导率等选择合适的导电探针，安装好探针架，打开矢量式AFM纳米加工系统开关，并等待温湿度与AFM电路加工系统至稳定状态，温、湿度的变化范围分别控制在20℃～28℃和40％～80％，然后打开信号发生器和测量微弱电流等物理量的数字万用表，使仪器预热并等待其稳定；

第三步、对所需要的纳米结构进行矢量化编程以控制针尖的运动，具体步骤为：根据所要加工的纳米结构的几何形状，通过Visual Basic可视化程序编程方法进行纳米结构图形的程序设计以制定出探针的移动路径和加工参数，并且将相应的程序源代码生成相应的动态链接库文件(.dll)，随后载入Scripts程序库中。

第四步、AFM进入成像模式扫描状态，设置合适的扫描范围(1μm～50μm)、扫描速率(0.1μm/s～1μm/s)、积分增益(对于AFM接触模式：～2.00，对于敲击模式：～0.30)、比例增益(对于AFM接触模式：～3.00，对于敲击模式：～0.50)以及针尖-样品间接触力参数，然后开始扫描样品表面，使得扫描图像的稳定性、重复性效果等达到最好；

第五步、待扫描过程稳定并得到稳定的重复性好的扫描图像后，进入脚本程序模式，调出Nanoscript接口进而调用前面所编好的加工宏文件，控制调制电压信号的波形、占空比、频率和幅度，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构进行相应的矢量式移动，并且在矢量线的指定位置经由SAM来激发信号发生器的空闲通道，从而触发调制信号源，产生指定信号，载入电压荷载并施加到样品与探针之间，实现场致诱导加工，同时相应的精密测量设备数字万用表实时测量电路中的微弱电流信号、加工电压并自动存储到外接的存储器上，示波器则显示信号发生器及加工电压的波形示意图；

第六步、待加工完成后，进入实时成像模式，再次扫描来获得加工结构的表面形貌结构示意图。

第七步、利用所制备的纳米图形结构作为掩膜，结合高选择性各向异性湿法刻蚀技术，将AFM电场诱导阳极氧化制备出的纳米结构图形转移到基底上，进而制造出相对高深宽比的纳米结构模版。

如图1-图3所示，本实施例在具体应用时的操作步骤如下：

施加调制电信号下的接触模式加工

本实施例中，通过对所需要的纳米结构信息进行矢量化处理得到加工路线信息，并采集待处理样品的表面扫描图像并用探针在待处理样品的表面根据加工路线信息及表面扫描图像进行矢量式移动，当到达加工区域后由矢量式纳米加工系统的信号接口激发信号发生器的空闲通道并通过调制信号发送电压载荷信息至探针，实现场致诱导加工，具体步骤包括：

第一步、样品的制备。采用改进的RCA清洗方案制备表面氢钝化的硅片样品，以免样品暴露于大气中时容易被氧化，并且使得清洗后的样品表面粗糙度在0.1nm左右。

选用p型(110)硅片(电阻率为20～35欧姆厘米)

(待选用硅片：n型(111)硅片(电阻率0.004欧姆厘米)、p型(100)硅片(电阻率为1～10欧姆厘米))

在化学清洗方法当中，基于RCA清洗方法的一些改进方案在半导体工艺研究中比较普遍。本专利在清洗样品时，根据RCA清洗方法并结合实践探讨与摸索，对清洗方案加以改进，将样品的清洗分为两大步：

(1)硅片表面的清洁处理。

a：将硅片浸泡在三氯乙烯溶液中，并用超声波清洗15分钟；

b：然后将硅片浸泡在丙酮中，并用超声波清洗15分钟；

c：再将硅片浸泡在无水乙醇中，并用超声波清洗15分钟；

d：最后浸泡在去离子水中，同时用超声波清洗15分钟；

(2)去原生氧化膜及硅片表面氢钝化处理。

a：将上述硅片浸泡在SPM溶液(H₂SO₄(98％)∶H₂O₂(30％)＝4∶1)当中，同时使得温度稳定在90℃，浸泡15分钟；

b：然后将硅片浸泡在浓度为4％的氢氟酸溶液中1分钟；

c：最后将上述样品浸泡在去离子水中，并同时使用超声波清洗15分钟后用氮气枪吹干。

如图4所示，硅片样品经过上述两大步处理后，其表面平均粗糙度极低，可达0.066nm，完全满足AFM纳米加工的要求。

硅片样品表面粗糙度分析AFM照片。粗糙度平均值为0.066nm，样品粗糙度的均方根值为0.110nm。

第二步、将制备好的硅片样品用铜导电胶或导电银浆固定在载物片上，放入AFM载物台，根据样品的电导率等选择合适的导电探针，安装好探针架，打开矢量式AFM纳米加工系统开关，并等待温湿度与AFM电路加工系统至稳定状态，温、湿度的变化范围分别控制在20℃～28℃和40％～80％，然后打开信号发生器和测量微弱电流等物理量的数字万用表，使仪器预热并等待其稳定；

第三步、对所需要的纳米结构进行编程，程序控制探针针尖的运动。

根据所要加工的纳米结构的几何形状，通过Visual Basic可视化程序编程方法进行纳米结构图形的程序设计以制定出探针的移动路径和相应的加工参数等，并且将相应的程序源代码生成相应的动态链接库文件(.dll)，随后载入Scripts程序库中。本例是对一维光栅结构进行加工，所编写的相应的加工程序如下：

第四步、AFM进入成像模式扫描状态，设置合适的扫描范围(1μm～50μm)、扫描速率(0.1μm/s～1μm/s)、积分增益(对于AFM接触模式：～2.00，对于敲击模式：～0.30)、比例增益(对于AFM接触模式：～3.00，对于敲击模式：～0.50)以及针尖-样品间接触力参数，然后开始扫描样品表面，使得扫描图像的稳定性、重复性效果等达到最好；

第五步、待扫描过程稳定并得到稳定的重复性好的扫描图像后，进入脚本程序模式，调出Nanoscript接口进而调用前面所编好的加工宏文件，控制调制电压信号的波形、占空比、频率和幅度，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构进行相应的矢量式移动，并且在矢量线的指定位置经由SAM来激发信号发生器的空闲通道，从而触发调制信号源，产生指定信号，载入电压荷载并施加到样品与探针之间，实现场致诱导加工，同时相应的精密测量设备数字万用表实时测量电路中的微弱电流信号、加工电压并自动存储到外接的存储器上，示波器则显示信号发生器及加工电压的波形示意图；

利用AFM在接触模式下控制调制电压信号的波形(此例采用方波电信号脉冲)、占空比、频率和幅度等进行氧化加工试验。

加工参数：加工过程中的电压如图5所示；

通道1表示施加的信号电压14V，通道2表示实际的加工电压，并显示出明显的电容充放电效应。

占空比：0.5；周期：1ms；频率：1000HZ；最高电平：14V；限流电阻：1兆欧；针尖移动速率：0.1μm/s

加工过程中探测到的电流(程序中设定加工10条结构，其对应的加工电流全部显示出)如图6所示。

第六步、待加工完成后，进入实时成像模式，再次扫描来获得加工结构的表面形貌结构示意图，相应的AFM加工结果照片见后面图7。线宽：156nm，线高：2.4nm。

利用AFM在接触模式下控制调制电压信号的波形、占空比、频率和幅度等进行氧化加工试验。与施加直流电压加工相比，调制电压信号加工可以减弱空间电荷积累导致的影响，进而减小加工结构的线宽并且提升其高度。

实施例2

施加稳恒电信号下的接触模式加工，此时亦可使用系统自身的直流电信号来进行场致诱导加工。

第一步、样品的制备参考实施例1。

第二步、将制备好的硅片样品用铜导电胶或导电银浆固定在载物片上，放入AFM载物台，根据样品的电导率等选择合适的导电探针，安装好探针架，打开矢量式AFM纳米加工系统开关，并等待温湿度与AFM电路加工系统至稳定状态，温、湿度的变化范围分别控制在20℃～28℃和40％～80％，然后打开信号发生器和测量微弱电流等物理量的数字万用表，使仪器预热并等待其稳定；

第三步、对所需要的纳米结构进行编程，程序控制探针针尖的运动。

根据所要加工的纳米结构的几何形状，通过Visual Basic可视化程序编程方法进行纳米结构图形的程序设计以制定出探针的移动路径和相应的加工参数等，并且将相应的程序源代码生成相应的动态链接库文件(.dll)，随后载入Scripts程序库中。本例分别对一维光栅结构、二维光栅结构和点阵光栅结构进行加工，所编写的相应的加工程序如下：

一维光栅结构的加工程序见实施例1；

二维光栅结构的加工程序：

第四步、AFM进入成像模式扫描状态，设置合适的扫描范围(1μm～50μm)、扫描速率(0.1μm/s～1μm/s)、积分增益(对于AFM接触模式：～2.00，对于敲击模式：～0.30)、比例增益(对于AFM接触模式：～3.00，对于敲击模式：～0.50)以及针尖-样品间接触力参数，然后开始扫描样品表面，使得扫描图像的稳定性、重复性效果等达到最好；

第五步、待扫描过程稳定并得到稳定的重复性好的扫描图像后，进入脚本程序模式，调出Nanoscript接口进而调用前面所编好的加工宏文件，控制调制电压信号的波形、占空比、频率和幅度，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构进行相应的矢量式移动，并且在矢量线的指定位置经由SAM来激发信号发生器的空闲通道，从而触发调制信号源，产生指定信号，载入电压荷载并施加到样品与探针之间，实现场致诱导加工，同时相应的精密测量设备数字万用表实时测量电路中的微弱电流信号、加工电压并自动存储到外接的存储器上，示波器则显示信号发生器及加工电压的波形示意图；

第六步、待加工完成后，进入实时成像模式，再次扫描来获得加工结构的表面形貌结构示意图，相应的AFM加工结果照片见后面图8。

一维光栅加工参数：加工电压：-10V；针尖移动速率：0.5μm/s；RH＝66.7％；T＝25℃

一维光栅线宽：294nm，线高：1.5nm

二维光栅加工参数：加工电压：-8V；针尖移动速率：0.1μm/s；RH＝59.5％；T＝24℃

二维光栅线宽：214nm，线高：0.6nm

点阵光栅加工参数：加工电压：-10V；施加脉冲时间：10s；RH＝60.7％；T＝24℃

点阵光栅直径：195nm，点高：0.6nm

与施加直流电压加工相比，调制电压信号加工可以减弱空间电荷积累导致的影响，进而减小加工结构的线宽并且提升其高度。

实施例3

施加稳恒电信号下的敲击模式加工。

加工过程的第一步和第二步与实施例2相同，加工过程的第三步同实施例1。

第四步、AFM进入成像模式扫描状态，设置合适的扫描范围(1μm～50μm)、扫描速率(0.1μm/s～1μm/s)、积分增益(对于AFM接触模式：～2.00，对于敲击模式：～0.30)、比例增益(对于AFM接触模式：～3.00，对于敲击模式：～0.50)以及探针振荡振幅等参数，然后开始扫描样品表面，使得扫描图像的稳定性、重复性效果等达到最好；

第五步、待扫描过程稳定并得到稳定的重复性好的扫描图像后，进入脚本程序模式，调出Nanoscript接口进而调用前面所编好的加工宏文件，控制调制电压信号的波形、占空比、频率和幅度，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构进行相应的矢量式移动，并且在矢量线的指定位置经由SAM来激发信号发生器的空闲通道，从而触发调制信号源，产生指定信号，载入电压荷载并施加到样品与探针之间，实现场致诱导加工，同时相应的精密测量设备数字万用表实时测量电路中的微弱电流信号、加工电压并自动存储到外接的存储器上，示波器则显示信号发生器及加工电压的波形示意图；

第六步、待加工完成后，进入实时成像模式，再次扫描来获得加工结构的表面形貌结构示意图，相应的AFM加工结果照片见后面图9。

加工参数：加工电压：-12V；针尖移动速率：0.1μm/s；加工振幅：6nm；偏转灵敏度：40.27nm/V；加工振幅驱动：0.149V；阻尼比：38％

相应的加工结果参见图7。线宽：37nm，线高：2.8nm。

比较发现轻敲模式下针尖的调制作用不仅减小了加工时横向力的影响，利于得到更窄的线宽和更高的结构高度，而且加快了氧化物的生长速度，利于增大纳米结构的高宽比和提高加工效率。

如图10和图11所示，为各向异性湿法刻蚀技术进行图形转移，制备纳米压印模版。

第七步、利用所制备的纳米图形结构作为掩膜，结合各向异性湿法刻蚀技术，将AFM电场诱导阳极氧化制备出的纳米结构图形转移到基底上，进而制造出相对高深宽比的纳米结构模板，本专利主要制备了一维光栅模版、二维光栅模版、点阵光栅模版等。

(1)刻蚀溶液的配置

a：10wt％～25wt％的TMAH碱液与10wt％～20wt％IPA溶液适当混合制成刻蚀溶液；

b：20wt％的KOH碱性刻蚀液；

(2)将实施例2中的一维光栅纳米结构图形进入到配置好的刻蚀液(1)中，进行图形转移。若用刻蚀溶液a，则80℃下，刻蚀5分钟左右；若用刻蚀溶液b，则60℃下，刻蚀2～5分钟左右；

(3)刻蚀完成后，清洗模版：

a：将硅片浸泡在三氯乙烯溶液中，并用超声波清洗15分钟；

b：然后将硅片浸泡在丙酮中，并用超声波清洗15分钟；

c：再将硅片浸泡在无水乙醇中，并用超声波清洗15分钟；

d：最后浸泡在去离子水中，同时用超声波清洗15分钟，并用氮气枪吹干。

(4)模版的结构表征，参见图10和图11：

一维光栅模版的线宽：296nm，线高：108nm。显然，湿法刻蚀工艺后模版的深宽比远远大于湿法刻蚀前的深宽比(湿法刻蚀前的结构见实施例2中的一维光栅纳米结构图形)。

Claims (1)

1.一种矢量式AFM纳米加工系统的纳米压印模版的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、采用改进的RCA清洗方式制备表面氢钝化的硅片样品；

第二步、装载硅片样品并设置测试环境，具体是指：将制备好的硅片样品用铜导电胶或导电银浆固定在载物片上，放入AFM载物台，根据样品的电导率选择合适的导电探针，安装好探针架，打开矢量式AFM纳米加工系统开关，并等待温湿度与AFM电路加工系统至稳定状态，温度和湿度的变化范围分别控制在20℃～28℃和40％～80％，然后打开信号发生器和测量微弱电流的数字万用表，使仪器预热并等待其稳定；

第三步、对所需要的纳米结构进行矢量化编程得到加工宏文件以控制针尖的运动，具体是指：根据所要加工的纳米结构的几何形状，通过Visual Basic可视化程序编程方法进行纳米结构图形的程序设计以制定出探针的移动路径和加工参数，并且将相应的程序源代码生成相应的动态链接库文件，即dll文件，随后载入Scripts程序库中；

第四步、AFM进入成像模式扫描状态，然后开始扫描样品表面，所述的成像模式扫描状态是指：设置扫描范围为1μm～50μm、扫描速率为0.1μm/s～1μm/s；对于AFM接触模式的积分增益为2.00，对于敲击模式的积分增益为0.30；对于AFM接触模式的比例增益为3.00，对于敲击模式的比例增益为0.50；

第五步、待扫描过程稳定并得到稳定的重复性好的扫描图像后，进入脚本程序模式，通过调用第三步中得到的加工宏文件并导入加工系统中开始加工，具体是指：调出Nanoscript接口进而调用前面所编好的加工宏文件，控制调制电压信号的波形、占空比、频率和幅度，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构进行相应的矢量式移动，并且在矢量线的指定位置经由SAM来激发信号发生器的空闲通道，从而触发调制信号源，产生指定信号，载入电压荷载并施加到样品与探针之间，实现场致诱导加工，同时相应的精密测量设备数字万用表实时测量电路中的微弱电流信号、加工电压并自动存储到外接的存储器上，示波器则显示信号发生器及加工电压的波形示意图；

第六步、待加工完成后，进入实时成像模式，再次扫描来获得加工结构的表面形貌结构图；

第七步、利用所制备的纳米图形结构作为掩膜，结合高选择性各向异性湿法刻蚀技术，将AFM电场诱导阳极氧化制备出的纳米结构图形转移到基底上，进而制造出纳米结构模版；

所述的高选择性各向异性湿法刻蚀技术是指：首先通过对所需要的纳米结构信息进行矢量化处理得到加工路线信息，并采集待处理样品的表面扫描图像，然后探针在待处理样品的表面根据加工路线信息及表面扫描图像进行矢量式移动，当到达加工区域后由矢量式纳米加工系统的信号接口激发信号发生器的空闲通道并通过调制信号发送电压载荷信息至探针，实现场致诱导加工，进而制备出所需的纳米结构模版；

所述的矢量化处理是指：通过Visual Basic可视化程序编程方法进行纳米结构图形的程序设计以制定出探针的移动路径和相应的加工参数，并且将相应的程序源代码生成相应的动态链接库文件，即dll宏文件，随后载入Scripts程序库中，然后进入脚本程序模式，调出Nanoscript编程接口进而调用编好的dll宏文件，根据Nanoscript宏文件指令，探针在样品表面根据所要加工的图形结构移动，即矢量式移动；

所述的表面扫描是指：AFM进入成像模式后，扫描并实时观测样品的表面形貌，尽量采集表面粗糙度低的样品表面区域，以在此区域进行纳米结构的加工；

所述的矢量式移动是指：根据所要加工的纳米结构的几何形状，利用宏语言进行宏编程，程序中规定了探针的移动路径和一些所要加工时的参数，随后探针在宏文件指令下进行矢量式移动；

所述的调制信号包括：直流电压脉冲波信号、调制电压脉冲波信号、三角波信号、梯形波信号、正弦波信号和锯齿波信号。