CN109164679B - 一种基于写场套刻精确制作微电极的方法 - Google Patents

一种基于写场套刻精确制作微电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于写场套刻精确制作微电极的方法，可以为宽度在1微米以下的单根纳米线上制作间距几十至几百纳米的霍尔电极提供便利；通过以高倍扫描照片为依据绘制电极图，提高电极图形的精确定位；利用写场套刻，采用不同的参数曝光，保证图形精度：用小写场曝光纳米尺寸的电极线图形，精度高；用大写场曝光微米尺寸的电极头图形，时间短；每个写场用对应的标记校准，保证定位的精确性。并行使用两种方法制作标记，效率高：利用紫外曝光曝光时间短面积大的特点，制作大尺寸图形的校准标记；利用电子束曝光精度高的优势，制作小尺寸图形的校准标记。

Description

一种基于写场套刻精确制作微电极的方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种基于写场套刻精确制作微电极的方法。
背景技术
纳米线材料具有特殊的物理性质，从而在微电子、光电、信息、医学等领域具有极大的应用潜力。对这纳米线材料的电、光、磁学性质测试都需要制作微电极。因此能够精确、快速的制作微电级是深入研究材料新奇物理性质的基础。
独立的电子束曝光系统或者聚焦离子束系统，造价高至千万，对于大部分实验室来说成本过高。
另有一种基于SEM的电子束曝光系统，通过搭载图形发生器，也可以实现电子束曝光，成本只有一两百万，对实验室更具普适性。一些常用的曝光方法，对于尺寸较精细微米以下的图形加工，往往不能做出预期电极。比如将电极图形放在一个文件曝光，采用相同的写场等曝光条件，这样对于尺寸较宽的电极头图形往往可行，而对于间距几十或几百纳米的电极线，容易连上，无法制作出预期电极；另一些方法，如在带绝缘层SiO2的空硅片上，用电子束曝光曝所有写场的校准标记，对于精细图形，需使用小写场。小写场面积小，制作的标记尤其是在电极线附近的标记由于与图形距离近，同时镀金溶脱，容易和图形部分连到一起，效率低，无法获得预期图形。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于写场套刻精确制作微电极的方法，可使用简单设备，制作高精度的微电极。
一种基于写场套刻制作微电极的方法，包括如下步骤：
步骤一、带数字紫外标记硅片的制作，具体为：
绘制标记图形，标记图形以阵列的形式在平面内排布，得到掩模板；
将硅片旋涂光刻胶，通过紫外曝光机，将掩模板上的标记图形曝光转移到硅片的光刻胶上；再通过显影和金属沉积过程，将掩模板上标记图形对应的位置上沉积金属，如此获得带有紫外标记的硅片；
步骤二，采集含纳米材料的扫描照片；
将表面含有纳米材料的硅片放入电子束曝光机中，打开电子束开关，将目标纳米材料移至视野，拍摄扫描照片；
步骤三、在画图软件中，插入步骤二得到的扫描照片，并设置两个绘制层：电极层及校准层；在电极层中，依据纳米材料的位置，绘制纳米材料的电极的起始线、连接部分以及电极头图形并分别存到三个不同的文件中；在电极的起始线的周围，绘制能够刚好包围电极起始线并在50μm写场范围内的四个小标记图形
先绘制用于校准小标记的校准图形：在硅片上找到四个小标记图形外围最邻近的4个紫外标记，然后在校准层绘制四个方框，方框的中心正好与对应的紫外标记图形的中心重合；再绘制电极三部分图形的校准方框：在电极的起始线周围的四个小标记图形上绘制一组共四个方框，每个方框的中心正好与对应的小标记图形的中心重合；找到电极的连接线和电极头图形各自周围最相邻的四个紫外标记图形，分别为电极的连接部分以及电极头图形绘制一组共四个方框，每组方框的中心正好与对应的紫外标记图形的中心重合；
步骤四，将带着纳米材料的硅片，旋涂PMMA胶；将电子束移到曝光区域中心；
曝光校准层中小标记图形外围的四个方框，当电子束扫描到方框处，打开电子束开关；如果方框图形中心偏离硅片上紫外标记中心，调整方框中心的位置，然后继续曝光，直到方框图形中心对准紫外标记中心，如此完成中心校准；此时电子束位于曝光区域中心；
设置合适的写场，曝光电极层中小标记图形，完成后取出硅片，通过显影，在硅片上完成小标记图形制备；
步骤五、将步骤四处理过的带着纳米材料的硅片再次放入曝光机中；设置合适的写场及曝光参数，然后曝光校准层中电极起始部分图形周围的四个方框，当电子束进行到方框处电子束打开，判断方框图形中心是否对准小标记的中心，如果未对准，调整方框中心位置，直到两者的中心重合，完成中心校准；然后曝光电极层中极起始线图形；
随后设置合适的写场及曝光参数，曝光校准层中电极连接部分图形周围的四个方框，并利用该四个方框以及硅片上对应的紫外标记图形进行电子束中心校准，然后曝光电极层中电极连接部分图形；
随后设置合适的写场及曝光参数，曝光校准层中电极头图形周围的四个方框，并利用该四个方框以及硅片上对应的紫外标记图形进行中心校准，然后曝光电极层中电极头图形；
步骤六、最后再通过显影和金属沉积过程，在硅片中各曝光图形对应的位置沉积金属，完成微电极制备。
进一步的，所述步骤二中，在拍摄所述扫描照片前，在硅片上找到目标纳米材料周围临近的4个标记图形，确定目标纳米材料周围4个标记图形的中心与扫描照片的中心重合后，再进行拍摄；
较佳的，所述步骤四中，曝光电极层中小标记图形时，写场大小选择350μm。
较佳的，所述步骤四中，曝光电极层中小标记图形时，在电子束曝光系统的软件上设置曝光参数：20μm光阑，20kv电压，线条形式曝光,曝光剂量29991μc/cm2。
较佳的，所述步骤五中，曝光校准层中电极起始线图形时，写场选择50μm。
较佳的，所述步骤五中，曝光校准层中电极连接部分图形时，写场选择350μm。
较佳的，所述步骤五中，曝光校准层中电极头图形时，写场选择1000μm。
本发明具有如下有益效果：本发明的一种基于写场套刻精确制作微电极的方法，可以为宽度在1微米以下的单根纳米线上制作间距几十至几百纳米的霍尔电极提供便利；通过以高倍扫描照片为依据绘制电极图，提高电极图形的精确定位；利用写场套刻，采用不同的参数曝光，保证图形精度：用小写场曝光纳米尺寸的电极线图形，精度高；用大写场曝光微米尺寸的电极头图形，时间短；每个写场用对应的标记校准，保证定位的精确性。并行使用两种方法制作标记，效率高：利用紫外曝光曝光时间短面积大的特点，制作大尺寸图形的校准标记；利用电子束曝光精度高的优势，制作小尺寸图形的校准标记。
附图说明
图1为本发明实施例中紫外曝光制作的数字标记的光学显微照片。
图2(a)为本发明实施例中包含纳米线的低放大倍数扫描照片；图2(b)为本发明实施例中包含纳米线的高放大倍数扫描照片；
图3为本发明实施例中通过软件绘制的电极的起始线部分(50×50μm写场)及校准层；
图4为本发明实施例中通过软件绘制的电极的连接部分(350×350μm写场)及校准层；
图5为本发明实施例中通过软件绘制的电极头层(1000×1000μm写场)及校准层；
图6为本发明实施例中通过软件绘制的小标记图形
图7为本发明实施例中曝光前进行写场校准的扫描照片，其中图7(a)中方框图形中心偏离“十”字中心；图7(b)中方框图形中心对准“十”字中心；
图8为实施例中电子束曝光显影后小标记图形的光学显微照片；
图9(a)为本发明实施例中电子束曝光显影后电极的低倍数光学显微照片；图9(b)为本发明实施例中电子束曝光显影后电极的高倍数光学显微照片；
图10(a)为本发明实施例中电子束蒸发镀膜溶脱后电极的低倍数光学显微照片；图10(b)为本发明实施例中电子束蒸发镀膜溶脱后电极的高倍数光学显微照片；
图11为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的实施例中，参数如下：
基底：长宽均为0.5～2cm的硅片，表面覆盖有285nm的SiO2；
紫外曝光机：Karl Suss MA6；
扫描电子显微镜：Zeiss Supra 55；
电子束曝光系统：Raith图形发生器；
光学显微镜：Olympus BX53；
电子束蒸发镀膜机：Angstrom Engineering NEXDEP；
电学测试：Quantum design PPMS。
一种写场拼接精确快速制备微电极的方法，如图11所示，步骤如下：
步骤一，如图1所示，数字紫外标记的制作：通过L-edit软件设计绘制标记图形，标记图形以阵列的形式在平面内排布，得到掩模板；其中标记组成如下：“0+1”，“1+2”等等，两个数字和一个“十”号，两个“十”间的间距为300μm。将硅片旋涂光刻胶R1813，通过紫外曝光机曝光，将掩模板上的标记图形曝光转移到光刻胶上。再通过显影，标记图形对应的光刻胶会冲掉，紫外标记图形外的部分仍覆盖光刻胶；将硅片以电子束蒸发的方式沉积镀钛5nm和金20nm，再用丙酮溶脱，有胶的部分随着溶脱全部离开，金属沉积在标记图形对应的位置上，如此获得带有紫外标记的硅片。可通过金刚石刀切割，获得多个带标记的小硅片，可多次使用。
步骤二，采集含纳米线的扫描照片。
将表面含有纳米线的硅片放入电子束曝光机中，打开电子束开关，移动载物台，将目标纳米线移至视野，拍摄扫描照片；其中，在拍摄前，找到目标纳米线周围临近的4个标记图形，确定目标纳米线周围4个标记图形的中心与扫描照片的中心重合后，再进行拍摄，得到的扫描照片如图2所示。
步骤三，曝光电极及小标记图形的准备：在画图软件elephy quantum上，插入步骤二得到的扫描照片，并设置两个绘制层：电极层及校准层。在电极层中，依据纳米线的位置，绘制纳米线的电极起始线、连接部分以及电极头图形，并分别存到三个不同的文件中，得到的三个图形如图3、4和5所示；在电极的起始线的周围，绘制能够刚好包围电极起始线的并在预期曝光的50μm写场范围内的四个小标记图形，并保存到文件中，如图6所示，小标记图形也为“十”字形；在硅片上找到四个小标记图形外围最邻近的4个紫外标记，然后在校准层分别绘制四个方框，方框的中心正好与对应的紫外标记图形的中心重合，如图6所示，用于小标记图形曝光时的校准；然后开始绘制电极图形对应的校准图形：找到电极的起始线周围的四个小标记图形，在校准层绘制一组共四个方框，每个方框的中心正好与对应的小标记图形的中心重合；再根据硅片上电极的连接部分和电极头图形各自周围最相邻的四个标记图形，分别为电极的连接部分以及电极头图形绘制一组共四个方框，每组方框的中心正好与对应的紫外标记图形的中心重合，如图3-5所示。
步骤四，电子束曝光制作小标记图形。
样品定标：将带着纳米线的硅片，旋涂PMMA胶。在硅片上待曝光区域之外，选择一个标记图形，作为原点，可使用三点定标法建立UV坐标系定标：选紫外标记上的“0+0”为UV坐标系原点，在水平方向上选任意标记点(只要不离样品太近)作为第二点定U轴，比如选取离“0+0”右边水平方向的“5+0”，作为第二点坐标(1.5μm，0)。竖直方向也是如此，找第三个点，确定V轴方向。通过这三个点，UV坐标系就建立好了，样品所在位置的UV坐标也随之确定。通过原点位置，以及标记图形的间距，可计算出曝光区域中心的坐标。根据计算得到的坐标位置，将电子束移到曝光区域中心。
曝光小标记图形的校准层：针对小标记图形外围的四个方框，当电子束扫描到方框处时电子束开关会打开，正好可看到硅片上的紫外标记。如图7(a)所示，如果方框图形中心偏离“十”字的中心，可手动拖动方框中心的线至“十”字的中心，然后继续曝光，直到方框图形中心对准“十”字的中心，如图7(b)所示，这样校准后电子束就位于曝光区域中心。
随后曝光电极层中小标记图形：在电子束曝光系统的软件上设置曝光参数：20μm光阑，high current,20kv电压，线条形式曝光,曝光剂量29991μc/cm2，选择350μm写场，开始曝光。完成后取出硅片，通过显影，小标记图形制备完毕，如图8所示。
步骤五，利用写场套刻曝光电极层各部分图形：
将步骤四处理过的带着纳米线的硅片再次放入曝光机中。如步骤四所述定标，完成后将电子束移动至曝光区域中心。随后在电子束曝光系统的软件上设置曝光参数：10μm光阑，20kv电压，选择50μm写场；曝光电极起始线对应的校准层的四个方框，当电子束进行到方框处电子束开关会打开，正好可看到硅片上的小标记“十”字。如果方框图形中心偏离小标记“十”字的中心，可手动拖动方框中心的线至“十”字的中心，再次进行曝光，直到方框的中心与标记中心“十”字重合，这样校准后电子束就位于曝光区域中心。然后曝光电极层中极起始部分图形：设置曝光剂量为273.6μc/cm2，电极线图形完成。
随后在软件上重新设置曝光参数：20μm光阑，20kv电压，选择350μm写场，曝光电极连接图形对应的校准层的四个方框，当电子束进行到方框处电子束开关会打开，正好可看到硅片上的小标记“十”字。如果方框图形中心偏离小标记“十”字的中心，可手动拖动方框中心的线至“十”字的中心，再次进行曝光，直到方框的中心与标记中心“十”字重合，完成中心校准；然后曝光电极层中电极连接部分图形：设置曝光剂量为248μc/cm2，电极连接图形曝光完成。
最后在软件上设置曝光参数：120μm光阑，20kv电压，选择1000μm写场，曝光电极头图形对应的校准层的四个方框，当电子束进行到方框处电子束开关会打开，正好可看到硅片上的小标记“十”字。如果方框图形中心偏离小标记“十”字的中心，可手动拖动方框中心的线至“十”字的中心，再次进行曝光，直到方框的中心与标记中心“十”字重合，完成中心校准；校准完成后，曝光电极层中电极头图形：设置曝光剂量为228.7μc/cm2，电极头图形曝光完成，后取出硅片，显影，如图9(a)和(b)所示。
步骤六、金属沉积获得微电极
后期通过显影，将电极图形对应的胶溶掉。将带着胶的硅片用电子束蒸发沉积10nmCr/100nm Au。再用丙酮溶液浸泡5—10小时溶脱胶，电极对应的位置正好被金属沉积，不会被溶脱，这样精细的金属霍尔电极制备完毕，如图10(a)和(b)所示。
通过该方法可精确的制出霍尔微电级。经电学设备测试，电极通。这种方法在微电子、光电、信息、二维材料等领域具有极大的潜在应用价值。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于写场套刻制作微电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、带数字紫外标记硅片的制作，具体为：
绘制标记图形，标记图形以阵列的形式在平面内排布，得到掩模板；
将硅片旋涂光刻胶，通过紫外曝光机，将掩模板上的标记图形曝光转移到硅片的光刻胶上；再通过显影和金属沉积过程，将掩模板上标记图形对应的位置上沉积金属，如此获得带有紫外标记的硅片；
步骤二，采集含纳米材料的扫描照片；
将表面含有纳米材料的硅片放入电子束曝光机中，打开电子束开关，将目标纳米材料移至视野，拍摄扫描照片；其中，在拍摄所述扫描照片前，在硅片上找到目标纳米材料周围临近的4个标记图形，确定目标纳米材料周围4个标记图形的中心与扫描照片的中心重合后，再进行拍摄；
步骤三、在画图软件中，插入步骤二得到的扫描照片，并设置两个绘制层：电极层及校准层；在电极层中，依据纳米材料的位置，绘制纳米材料的电极的起始线、连接部分以及电极头图形并分别存到三个不同的文件中；在电极的起始线的周围，绘制能够刚好包围电极起始线并在50μm写场范围内的四个小标记图形
先绘制用于校准小标记的校准图形：在硅片上找到四个小标记图形外围最邻近的4个紫外标记，然后在校准层绘制四个方框，方框的中心正好与对应的紫外标记图形的中心重合；再绘制电极三部分图形的校准方框：在电极的起始线周围的四个小标记图形上绘制一组共四个方框，每个方框的中心正好与对应的小标记图形的中心重合；找到电极的连接线和电极头图形各自周围最相邻的四个紫外标记图形，分别为电极的连接部分以及电极头图形绘制一组共四个方框，每组方框的中心正好与对应的紫外标记图形的中心重合；
步骤四，将带着纳米材料的硅片，旋涂PMMA胶；将电子束移到曝光区域中心；
曝光校准层中小标记图形外围的四个方框，当电子束扫描到方框处，打开电子束开关；如果方框图形中心偏离硅片上紫外标记中心，调整方框中心的位置，然后继续曝光，直到方框图形中心对准紫外标记中心，如此完成中心校准；此时电子束位于曝光区域中心；
设置合适的写场，曝光电极层中小标记图形，完成后取出硅片，通过显影，在硅片上完成小标记图形制备；
步骤五、将步骤四处理过的带着纳米材料的硅片再次放入曝光机中；设置合适的写场及曝光参数，然后曝光校准层中电极起始部分图形周围的四个方框，当电子束进行到方框处电子束打开，判断方框图形中心是否对准小标记的中心，如果未对准，调整方框中心位置，直到两者的中心重合，完成中心校准；然后曝光电极层中极起始线图形；
随后设置合适的写场及曝光参数，曝光校准层中电极连接部分图形周围的四个方框，并利用该四个方框以及硅片上对应的紫外标记图形进行电子束中心校准，然后曝光电极层中电极连接部分图形；
随后设置合适的写场及曝光参数，曝光校准层中电极头图形周围的四个方框，并利用该四个方框以及硅片上对应的紫外标记图形进行中心校准，然后曝光电极层中电极头图形；
步骤六、最后再通过显影和金属沉积过程，在硅片中各曝光图形对应的位置沉积金属，完成微电极制备。
2.如权利要求1所述的一种基于写场套刻制作微电极的方法，其特征在于，所述步骤四中，曝光电极层中小标记图形时，写场大小选择350μm。
3.权利要求1所述的一种基于写场套刻制作微电极的方法，其特征在于，所述步骤四中，曝光电极层中小标记图形时，在电子束曝光系统的软件上设置曝光参数：20μm光阑，20kv电压，线条形式曝光,曝光剂量29991μc/cm2。
4.如权利要求1所述的一种基于写场套刻制作微电极的方法，其特征在于，所述步骤五中，曝光校准层中电极起始线图形时，写场选择50μm。
5.如权利要求1所述的一种基于写场套刻制作微电极的方法，其特征在于，所述步骤五中，曝光校准层中电极连接部分图形时，写场选择350μm。
6.如权利要求1所述的一种基于写场套刻制作微电极的方法，其特征在于，所述步骤五中，曝光校准层中电极头图形时，写场选择1000μm。
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