CN104677509A - 利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电子、纳米加工技术领域，为解决SNSPD在加工工艺上存在的串行、费时、成本高的问题，进而实现SNSPD的大规模、批量化的生产，推动SNSPD的产业化进程。为此，本发明采取的技术方案是，利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，在一小块薄膜材料上制作出多个SNSPD纳米线图形，以此作为掩模板，在需要加工纳米线的基底上，利用此掩模板进行溅射，从而将纳米图形转移到基底上，且模板可以重复利用。本发明主要应用于SNSPD的大规模、批量化的生产场合。

Description

利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺
技术领域
本发明属于光电子技术领域，也属于纳米加工技术领域。具体讲，涉及利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺。
技术背景
超导纳米线单光子探测器(superconducting-nanowire single-photon detctors；以下简称SNSPD)是2001年之后兴起的一种单光子探测技术。该技术因为具有宽谱范围内高效率、速度快、时域抖动小、极低的暗计数的优点，逐渐成为红外单光子探测领域的一种主流技术。此种探测器用纳米加工方法“自顶向下”加工的超导纳米线构成。纳米线的宽度在100纳米以下，厚度为4-6纳米，长度通常在几百微米。纳米线加工过程中的核心步骤是扫描电子束曝光(scanning-electron-beam lithography)，之后经过显影，反应离子束刻蚀，将图形转移到超导薄膜材料上。该加工工艺方法的一个缺点是：扫描电子束曝光为一串行加工方法，费时，加工成本昂贵。用此方法不适合大规模批量生产，进而阻碍了SNSPD的产业化进程。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明旨在解决SNSPD在加工工艺上存在的串行、费时、成本高的问题，进而实现SNSPD的大规模、批量化的生产，推动SNSPD的产业化进程。为此，本发明采取的技术方案是，利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，在一小块薄膜材料上制作出多个SNSPD纳米线图形，以此作为掩模板，在需要加工纳米线的基底上，利用此掩模板进行溅射，从而将纳米图形转移到基底上，且模板可以重复利用。
所述步骤进一步具体为：
(1)薄膜材料的获取
①取SOI基片一个，用标准RCA清洗步骤将基片洗净；
②在SOI基片上表面用匀胶机涂上PMMA电子束曝光胶；
③利用扫描电子束曝光定义图形；
④利用反应离子束刻蚀上层硅并进行显影；
⑤将刻蚀后的SOI基片放入稀释的HF中，使中间SiO2层反应，形成悬空的上层Si；
⑥将悬空部分取下，用聚焦离子束进行刻蚀；
(2)利用聚焦离子束在薄膜上刻蚀需要的纳米线图形；
(3)将刻蚀好的薄膜模板用顶端涂有硅胶的钨针取出并放置在需要加工纳米线的基底上；
(4)利用磁控建设台，在基地上溅射需要的薄膜，在掩模板的作用下，形成需要的纳米线；
(5)溅射完成之后取走掩模板；
(6)在纳米线两端做上电极。
薄膜材料的获取的第一步中选用的SOI基片尺寸为上层Si厚度在200nm-500nm之间，中间SiO2厚度在200nm-1mm之间；PMMA胶的厚度大约为100nm；PMMA显影用1:3的MIBK与IPA的混合液显影一分钟；
扫描电子书曝光的图形是四个长方形，梯形或不规则图形。
反应离子束刻蚀上层硅，要严格控制刻蚀时间，使刻蚀深度穿透上层Si；将剩余的PMMA先用丙酮进行剥离，然后在IPA或者乙醇里清洗30秒。
薄膜材料的获取的第二步是用光刻方法或反应离子束刻蚀来定义。
掩模板的转移具体为：悬空掩膜设计并制作成与基底有几处弱连接的结构，取顶端涂有硅胶的钨针一枚，将悬空模板钨针粘下，将模板转移至聚焦离子束刻蚀台的腔体，并且在模板上加工需要的纳米线形状；纳米线形状加工完成之后，将模板按照丙酮-甲醇-异丙醇-去离子水的顺序进行清洗；之后再次用钨针将其附着在待加工器件基底上。
溅射超导薄膜材料步骤为：将加上掩膜的基底放入磁控溅射台的腔体中，溅射需要包括Nb、Nb、NbTiN的超导材料；溅射完毕之后再次用顶端涂有硅胶的钨针取下模板，掩膜板可以重复使用。
其中器件基底是蓝宝石sapphire，或者是Si，MgO，GaN中的一种；溅射的超导材料是Nb或者NbTiN。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
利用掩膜板来进行纳米线的加工，相比之前的加工方法，只需在生产掩膜板的时候使用一次聚焦离子束刻蚀这一串行方法就可以，之后多次纳米线的加工都可以用模板和磁控溅射这些并行加工方法来进行，这无疑大大降低了纳米线加工的时间成本和金钱成本，与现有的加工工艺相比，其成本预计降低一半以上。
附图说明
图1.悬空掩膜的制作全过程：(a)SOI晶片；(b)涂上PMMA胶，并且经过电子束曝光和显影之后的晶片；(c)经过反应离子束刻蚀，并且将上层PMMA胶去除之后的晶片；(d)在HF中腐蚀的SiO2层(为表示清楚腐蚀层，上层硅画成了半透明)。
图2.用聚焦离子束刻蚀的纳米线镂空结构。左侧为俯视图，右侧为透视图。
具体实施方式
发明的总体技术方案为：在一小块薄膜材料上制作出多个SNSPD纳米线图形，以此作为掩模板，在需要加工纳米线的基底上，利用此掩模板进行溅射，从而将纳米图形转移到基底上，且模板可以重复利用。具体可以分为如下几步：
一、薄膜材料的获取：由于纳米线的厚度通常为几个纳米，因此对模板的厚度要求也比较高，通常直接从市面买来的单个硅片的厚度远远大于我们理想值，所以薄膜只能通过如下方式获得：①选择一块绝缘衬底上的硅(silicon on insulator:SOI)晶片并洗净；②在SOI晶片上表面涂上电子刻蚀胶进行电子束曝光；③在显影液中将经过曝光后的晶片进行显影；④对显影之后的晶片进行反应离子束刻蚀，之前经过电子束曝光的区域经过刻蚀后就会穿透SOI 晶片上层的Si形成空心区域；⑤去除SOI晶片上层的电子束曝光胶；⑥把SOI晶片放入盛有HF的烧杯中，控制其反应时间，使空心区域包围的Si薄膜层覆盖下的SiO2反应完全，使上层Si薄膜形成悬空结构；⑦取一顶端涂有硅胶的钨针，用钨针粘住薄膜，将其取下；
二、利用聚焦离子束在薄膜上刻蚀需要的纳米线图形；首先将设计好的图形导入聚焦离子束刻蚀系统，根据图形对薄膜进行刻蚀；
三、将刻蚀好的薄膜模板用顶端涂有硅胶的钨针取出并放置在需要加工纳米线的基底上；
四、利用磁控溅射台，在基底上溅射需要的NbN膜，在掩模板的作用下，形成需要的纳米线；
五、溅射完成之后取走掩模板；
六、在纳米线两端做上电极给纳米线提供偏置电流，使SNSPD正常工作；
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
一.悬空掩模的制作：
1.取SOI基片一个，SiO2层厚度可在200nm-1μm之间，上层Si的厚度可在200nm-500nm之间。用标准RCA清洗步骤第一步将基片洗净。
2.表面用匀胶机涂上一层100nm厚的PMMA电子束曝光胶。扫描电子束曝光定义图形。用PMMA显影的标准方法，即比例为1:3的MIBK与IPA的混合液显影一分钟。
3.反应离子束刻蚀上层硅，即用离子束对准PMMA上的凹槽，对其下Si进行刻蚀，严格控制刻蚀时间，使刻蚀深度穿透上层Si，通过这种方法便将图形转移到了上层Si。将剩余的PMMA先用丙酮进行剥离，然后在IPA或者乙醇里清洗30秒。腐蚀用的沟槽也可以用光刻方法定义，之后显影、反应离子束刻蚀。
4.将基片放入稀释的HF中，通过上层硅的沟槽，将下层SiO2部分腐蚀形成悬空结构。需要注意的是一定要控制好腐蚀时间，防止腐蚀过度造成上层悬空部分坍塌。
5.纳米线的结构直接用聚焦离子束进行写入刻蚀，形成镂空结构。
二.悬空掩膜的转移
悬空掩膜设计并制作成与基底有几处弱连接的结构，取顶端涂有硅胶的钨针一枚，将悬空模板钨针粘下，将模板转移至聚焦离子束刻蚀台的腔体，并且在模板上加工需要的纳米线形状。纳米线形状加工完成之后，将模板按照丙酮-甲醇-异丙醇-去离子水的顺序进行清洗。之后再次用钨针将其附着在待加工器件基底上(如sapphire，MgO，GaN等)。
三.溅射超导薄膜材料
将加上掩膜的基底放入磁控溅射台的腔体中，溅射需要的超导材料(Nb，Nb，NbTiN等)。溅射完毕之后再次用顶端涂有硅胶的钨针取下模板，掩膜板可以重复使用。
四.制作电极，与纳米线相连接
1.本发明的工艺的实施过程中一定要保持超净，实验必须在超净间里进行。
2.在模板加工完成转移到待加工基底之前也需要对模板进行清洁。在掩模板和器件衬底之间应该保持紧密接触，不能有灰尘或其他颗粒物。
3.要掌握好曝光和显影时间。
4.掌握好SiO2在HF中的反应时间，时间太短，会造成模板不能彻底取下，时间太长，会导致上层Si坍塌。
5.该工艺的实施可用于各种结构的超导纳米线单光子探测器，如并行结构，迂回结构。

Claims (9)

1.一种利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，包括如下步骤，在一小块薄膜材料上制作出多个SNSPD纳米线图形，以此作为掩模板，在需要加工纳米线的基底上，利用此掩模板进行溅射，从而将纳米图形转移到基底上，且模板可以重复利用。
2.如权利要求1所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，所述步骤进一步具体为：
(1)薄膜材料的获取
①取SOI基片一个，用标准RCA清洗步骤将基片洗净；
②在SOI基片上表面用匀胶机涂上PMMA电子束曝光胶；
③利用扫描电子束曝光定义图形；
④利用反应离子束刻蚀上层硅并进行显影；
⑤将刻蚀后的SOI基片放入稀释的HF中，使中间SiO2层反应，形成悬空的上层Si；
⑥将悬空部分取下，用聚焦离子束进行刻蚀；
(2)利用聚焦离子束在薄膜上刻蚀需要的纳米线图形；
(3)将刻蚀好的薄膜模板用顶端涂有硅胶的钨针取出并放置在需要加工纳米线的基底上；
(4)利用磁控建设台，在基地上溅射需要的薄膜，在掩模板的作用下，形成需要的纳米线；
(5)溅射完成之后取走掩模板；
(6)在纳米线两端做上电极。
3.如权利要求2所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，薄膜材料的获取的第一步中选用的SOI基片尺寸为上层Si厚度在200nm-500nm之间，中间SiO2厚度在200nm-1mm之间；PMMA胶的厚度大约为100nm；PMMA显影用1:3的MIBK与IPA的混合液显影一分钟。
4.如权利要求2所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，扫描电子书曝光的图形是四个长方形，梯形或不规则图形。
5.如权利要求2所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，反应离子束刻蚀上层硅，要严格控制刻蚀时间，使刻蚀深度穿透上层Si；将剩余的PMMA先用丙酮进行剥离，然后在IPA或者乙醇里清洗30秒。
6.如权利要求2所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，薄膜材料的获取的第二步是用光刻方法或反应离子束刻蚀来定义。
7.如权利要求1所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，掩模板的转移具体为：悬空掩膜设计并制作成与基底有几处弱连接的结构，取顶端涂有硅胶的钨针一枚，将悬空模板钨针粘下，将模板转移至聚焦离子束刻蚀台的腔体，并且在模板上加工需要的纳米线形状；纳米线形状加工完成之后，将模板按照丙酮-甲醇-异丙醇-去离子水的顺序进行清洗；之后再次用钨针将其附着在待加工器件基底上。
8.如权利要求1所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，溅射超导薄膜材料步骤为：将加上掩膜的基底放入磁控溅射台的腔体中，溅射需要包括Nb、NbTiN 的超导材料；溅射完毕之后再次用顶端涂有硅胶的钨针取下模板，掩膜板可以重复使用。
9.如权利要求1所述的利用微纳掩模板加工纳米线单光子探测器的工艺，其特征是，其中器件基底是蓝宝石，或者是Si，MgO，GaN中的一种；溅射的超导材料是Nb或者NbTiN。
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