CN103030098A - 一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法 - Google Patents
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Abstract
一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，将金属薄膜图形结构置于PMMA光刻胶表面，利用光致膨胀机理使PMMA产生膨胀凸起，位于其表面的金属薄膜受到拉伸作用发生断裂产生纳米缝，通过控制PMMA的凸起高度实现纳米缝结构的尺寸调控，本发明采用的纳米缝加工方法能够一次性加工出所有尺度一致的纳米缝隙结构群，因此具有极高的加工效率，同时整个过程不需昂贵设备和复杂工艺，适合于大批量低成本的工业生产；是一种符合批量化、低成本和一致性等制造特征的纳米缝成形工艺。
Description
技术领域
本发明涉及纳米制造技术领域，具体涉及一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法。
背景技术
目前，国内外研究学者对纳米缝隙结构的制造进行了大量的探索。电子迁移方法是常见的纳米缝隙结构制造方法之一。该方法利用原子在大电流作用下产生运动的电迁移效应，通过电子流动获得金属原子迁移，最终使纳米线断裂形成纳米缝电极。电子迁移方法的缺点在于该方法在制备纳米电极之前，必须首先制备出特征宽度在数十纳米级的超薄厚度纳米线(需要采用电子束光刻等手段，成本较高)，由于该纳米线熔断的电流极低，因此限制了此类纳米缝隙电极的应用(工作电流高于熔断电流就可能造成电极破坏)。另外，该方法所成形结构尺度也不能灵活控制。焦耳热熔断制备纳米缝的方法可以避免电迁移方法制造的纳米缝工作电压过小问题，该方法首先用光刻和Lift-off等方法制备出微米级连通的对电极，然后采用脉冲电压产生焦耳热的方式使对电极熔断。由于该过程属于热熔断过程，此时所形成的纳米缝隙通常较宽，在数百纳米量级，需要后续工艺缩小缝隙的宽度。电化学沉积(气相或液相)或电镀等制备纳米缝隙的方法利用已有的缝隙结构，通过材料生长的方式在原始缝隙处逐步形成纳米级的缝隙结构。该方法可以实现特征尺度小于1nm的缝隙结构，但该方法需要事先制备出数十纳米的原始缝隙结构，并且在尺度缩小过程中还涉及复杂、耗时的电化学过程，工艺过程复杂。另外，采用电子束光刻、聚焦离子束刻蚀、原子力探针刻划、扫描隧道探针刻划等制造工艺方法也可制造出纳米级的缝隙结构，但这些串行的加工方法只能作为纳米缝隙制造的实验室手段，而不能作为大规模制造的工艺方法加以利用。
已有纳米缝隧道电极制造方法为器件原理的研究提供了有力的支撑，但由于这些方法存在的种种缺陷，使其还不能作为批量化的加工手段加以利用。纳米尺度缝隙的制造问题仍是此类纳米研究领域尚待解决的难点问题，也可能是制约器件产业化的重要瓶颈之一。因此，要推动以纳米缝隙电极结构为基础的电子器件的产业化，就必须探索原创性的、符合批量化、低成本和一致性等制造特征的纳米缝成形方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，能够实现符合批量化、低成本、一致性等制造特征的纳米缝结构制备。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，将金属薄膜图形结构置于PMMA光刻胶表面，利用光致膨胀机理使PMMA产生膨胀凸起，位于其表面的金属薄膜受到拉伸作用发生断裂产生纳米缝，通过控制PMMA的凸起高度实现纳米缝结构的尺寸调控。
一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，具体步骤如下：
1）在基底材料上进行光刻胶材料的制备，基底材料拟选择石英玻璃材料，基底材料经过清洗后，在其表面旋涂一层PMMA光刻胶，光刻胶的薄膜厚度大于500nm，光刻胶的薄膜厚度通过控制转速实现；
2）PMMA光刻胶材料制备完成后，对PMMA光刻胶进行掩模板接触式的光束曝光，掩模板设置的透射区域尺寸及相对位置与纳米缝阵列相对应，每一个纳米缝对应一个曝光区域，曝光光束光源采用紫外激光、电子源、离子源或X射线，曝光完成后曝光区域的长键结构断裂为短键,具体曝光光束能量密度设定为0.27-0.8J/cm2；
3）通过对准光刻、磁控溅射、剥离工艺在曝光后的PMMA表面形成金属薄膜图形阵列，金属薄膜预设应力集中开口，用于在薄膜拉伸过程中产生应力集中，在薄膜制备过程中，通过叠层对准，保证凹槽位置位于曝光图形区域的中心；
4）将基底/PMMA/金属薄膜图形样本置于30-50°的MMA单体分子气氛环境中，使单体分子扩散到PMMA曝光图形材料中去，在曝光区域吸收大量单体分子“隆起”膨胀后，施加拉伸应力作用于金属薄膜，使金属薄膜预设开口的位置在受力作用下发生断裂，产生纳米缝。
在纳米缝形成过程中，利用电极的电学参数变化作为纳米缝隙尺度的反馈值，当反馈的监测值到达至确定的阈值时，立即停止MMA单体分子的扩散吸收，进行凸起PMMA结构的定型，终止缝隙的扩展生长，形成所需宽度的纳米缝。
本发明的优点为：本发明采用的纳米缝加工方法能够一次性加工出所有尺度一致的纳米缝隙结构群，因此具有极高的加工效率，同时整个过程不需昂贵设备和复杂工艺，适合于大批量低成本的工业生产；是一种符合批量化、低成本和一致性等制造特征的纳米缝成形工艺。
附图说明
图1为本发明原理示意图。
图2为本发明过程示意图。
图3为界面结合力调制方法示意图。
图4为在金属薄膜上获得的纳米缝结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，首先利用能量束5（紫外光、电子束、离子束和X射线等）对基底材料1上旋涂的PMMA光刻胶2在曝光区域3处利用掩模板4进行光束曝光，曝光结束后PMMA长键分子变为短键分子，参见图1(a)；然后，在PMMA光刻胶表面制备金属电极薄膜6，在需要产生纳米缝的位置预设应力集中开口7，用于在薄膜拉伸过程中产生应力集中，更容易在指定位置生成纳米缝，参见图1(b)；最后，曝光后的短键PMMA分子吸收MMA单体分子8后发生膨胀，施加作用力给上层的金属薄膜，薄膜发生断裂产生纳米缝结构9，参见图1（c）。
参见图2，一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，具体步骤如下：
1)在基底材料上进行光刻胶材料的制备，基底材料拟选择石英玻璃材料，基底材料经过清洗后，在其表面旋涂一层PMMA光刻胶，光刻胶的薄膜厚度大于500nm，PMMA光刻胶的薄膜厚度通过控制转速实现，PMMA光刻胶的厚度是影响单体分子的扩散吸收率和相关工艺后的PMMA光刻胶“隆起”高度的重要参数，需要精确控制；
2)PMMA光刻胶制备完成后，对PMMA光刻胶进行掩模板接触式的光束曝光，见图2(a)，掩模板4设置的曝光区域3尺寸及相对位置根据电极阵列的特征决定，每一个电极对应一个曝光区域3，曝光光源采用紫外激光、电子源、离子源或X射线，曝光完成后曝光区域3的长键结构断裂为短键，为MMA单体材料在PMMA曝光区域内生长膨胀奠定基础，具体曝光光束能量密度设定为0.27-0.8J/cm2；
3)通过对准光刻、磁控溅射、剥离工艺在曝光后的PMMA表面形成金属薄膜电极6的阵列，金属薄膜预设应力集中开口7，用于在薄膜拉伸过程中产生应力集中，在薄膜制备过程中，通过叠层对准保证凹槽位置位于曝光图形区域的中心，见图2(b)，
图形化的薄膜电极阵列制备完成后，采用上述工艺过程制备连接电极的电路图形11，其中电路间交叠处采用材料喷墨打印的方式制备一层绝缘材料10，见图2（c)；
4)将上述工艺过程制备的基底/PMMA/金属薄膜图形样本置于30-50°的MMA单体分子8的气氛环境中，使单体分子8扩散到曝光区域3的PMMA图形材料中去，见图2(d)，由于短键结构的吸收能力远远高于长键结构，曝光区域在吸收大量单体分子后“隆起”膨胀，施加拉伸应力作用于金属薄膜，
在纳米缝形成过程中，利用电极结构已有的电路引线搭建高灵敏度的电特性反馈回路12，实现电极纳米缝的宽度实时原位测量和修正，见图2(e)，即在纳米缝的扩展过程中，利用电极的电学参数变化作为纳米缝隙尺度的反馈值，当反馈的监测值到达至某一确定的阈值时，立即停止MMA单体分子8的扩散吸收，进行凸起PMMA结构的定型，终止缝隙的扩展生长，形成特定宽度的纳米缝10，见图2(f)。
参见图3，界面结合力调制方法为：在电极材料结合力较弱时，在电极区域制备结合力增强过渡层，在电极材料的结合力较强时，在豁口区域制备结合力减弱过渡层，就是说通过增加过渡层来削弱界面结合力对裂缝生成的影响.在采用本发明进行纳米缝隙的制造过程中，金属薄膜不但受PMMA膨胀产生的拉伸应力作用，还受PMMA与金属薄膜之间的界面结合力约束，金属薄膜上裂缝的产生和演变是拉伸应力与界面结合力综合作用的结果。金属薄膜的这一受力状态增加了缝隙形成过程的控制难度，为解决这一问题，本发明提出采用界面结合力调制来提高裂纹可控性的工艺方法，在电极材料结合力较弱时，在电极区域制备结合力增强过渡层13，见图3(a)，在电极材料的结合力较强时，在豁口区域制备结合力减弱过渡层14，见图3(b)，实现界面结合力的调制，降低成形区域界面结合力对裂纹生长过程的影响，使得整个系统更加接近单纯的薄膜拉伸过程，从而实现纳米缝成形位置和成形宽度的精确控制。
利用激光后向烧蚀，使少量薄膜材料气化，在密闭空间内膨胀，施加应力作用于外层金属薄膜上使其开裂，从而在金属薄膜上获得的纳米缝结构，参见图4，这一实验结果证实了利用下层材料膨胀生长使金属薄膜开裂形成纳米缝结构的可行性。
Claims (3)
1.一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，其特征在于：将金属薄膜图形结构置于PMMA光刻胶表面，利用光致膨胀机理使PMMA产生膨胀凸起，位于其表面的金属薄膜受到拉伸作用发生断裂产生纳米缝，通过控制PMMA的凸起高度实现纳米缝结构的尺寸调控。
2.根据权利要求1所述的一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）在基底材料上进行光刻胶材料的制备，基底材料拟选择石英玻璃材料，基底材料经过清洗后，在其表面旋涂一层PMMA光刻胶，光刻胶的薄膜厚度大于500nm，光刻胶的薄膜厚度通过控制转速实现；
2）PMMA光刻胶材料制备完成后，对PMMA光刻胶进行掩模板接触式的光束曝光，掩模板设置的透射区域尺寸及相对位置与纳米缝阵列相对应，每一个纳米缝对应一个曝光区域，曝光光束光源采用紫外激光、电子源、离子源或X射线，曝光完成后曝光区域的长键结构断裂为短键，具体曝光光束能量密度设定为0.27-0.8J/cm2；
3）通过对准光刻、磁控溅射、剥离工艺在曝光后的PMMA表面形成金属薄膜图形阵列，金属薄膜预设应力集中开口，用于在薄膜拉伸过程中产生应力集中，在薄膜制备过程中，通过叠层对准，保证凹槽位置位于曝光图形区域的中心；
4）将基底/PMMA/金属薄膜图形样本置于30-50°的MMA单体分子气氛环境中，使单体分子扩散到PMMA曝光图形材料中去，在曝光区域吸收大量单体分子“隆起”膨胀后，施加拉伸应力作用于金属薄膜，使金属薄膜预设开口的位置在受力作用下发生断裂，产生纳米缝。
3.根据权利要求1或2所述的一种大面积纳米缝电极阵列并行制造的方法，其特征在于，在纳米缝形成过程中，利用电极的电学参数变化作为纳米缝隙尺度的反馈值，当反馈的监测值到达至确定的阈值时，立即停止MMA单体分子的扩散吸收，进行凸起PMMA结构的定型，终止缝隙的扩展生长，形成所需宽度的纳米缝。
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