CN110098319B - 一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：在拓扑绝缘体材料的Al₂O₃层上匀涂电子束胶作为保护层；在保护层上匀涂紫外正性光刻胶；采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶上；采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层；利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料上刻蚀Al₂O₃层及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料上；利用丙酮及异丙醇洗掉剩余的保护层和紫外正性光刻胶，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。本发明避免普通光刻工艺显影阶段对Al₂O₃薄膜的腐蚀，避免电子束曝光电荷积累造成的量子反常霍尔效应无法调控的问题，成功实现微纳加工后的量子反常霍尔效应。

Description

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法。

背景技术

自上世纪60年代，摩尔定律提出以来，半导体芯片技术迅速发展，集成化程度越来越高。但是，随着电路集成化越来越高，电子元器件产生的热量也会越来越高，如果在没有良好散热的技术条件下，这种热量可以烧毁整个芯片。因此，很多人都认为“摩尔定律”将要失效了。

芯片的发热是电子造成的，在芯片的底层，在一定的电势作用下，电流按照一定方向流动，电流的基本单元是电子，电子在大概率事件上是按照一定方向运动。电子它也会相互碰撞。从宏观上讲，这种电子相互碰撞的表现就是芯片发热。因此，为了避免电子相互碰撞，我们就需要让电子“各行其道”，严格按照一定的路线前行。在对电子分完道之后，还要做另外一件事情，就是当前行的电子遇到杂质的时候，电子也不会出现改变设定的方向往回走，即没有电子出现“逆行”的现象，不会由于逆行，电子产生相互碰撞而消耗能量，产生热量。要实现以上的这两条，就需要借助一个神奇的量子霍尔效应(Quantum HallEffect)。

通过对量子霍尔效应的研究，马普所的德国物理学家冯·克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖；崔琦、霍斯特·施特默和亚瑟·戈萨德发现了分数量子霍尔效应，获得了1998年诺贝尔物理学奖。量子霍尔效应被认为是半导体工业的曙光。但是，在实际应用量子霍尔效应的时候，会面对一个巨大的难题，那就是要产生这样的效应，需要外加1特斯拉左右磁场，然而，这种强的磁场会对半导体设备运行产生不良影响。

量子反常霍尔效应(Quantum Anomalous Hall Effect)相当于不需要强磁场的量子霍尔效应，量子反常霍尔效应来自拓扑绝缘体（topological insulator）里的拓扑量子态。在拓扑性质的保护下，特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，而这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关，同时不再需要外加磁场。简单来说，就是通过电子自旋与电子轨道的耦合，来取代了外加的强磁场，而产生的材料只有边缘可以导电，并且通过电子的自旋方向来决定电流的流动方向。张首晟等提出自旋量子霍尔效应的概念，首先预言了这么一个神奇的效应能够在实验上实现，使得电子能够按照高速公路原理来运行。2013年，中国科学院薛其坤院士领衔的合作团队又发现，在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e² ~ 25800欧姆。在Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃薄膜材料上得到近乎完美的量子反常霍尔效应实验结果，此材料在专利《拓扑绝缘体结构》（ZL201210559564.X）进行了详细论述，简而言之，Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃薄膜生长于SrTiO₃基底上，并由表层Al₂O₃保护。

利用Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物薄膜制备用于测量的霍尔效应的器件，一般是采用机械刮除(Mechanical scraping )的方式，这样能够最好地保护Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物的本征特性，但是机械刮除方式在20微米以下尺寸很难实现，效率低。另外，采用电子束曝光方式(electron beam lithography)在Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物材料上制备霍尔效应测量的微结构器件，但是电子束曝光技术很难实现批量微结构的制备，大量电子在绝缘衬底(SrTiO₃)上积累会引入空穴掺杂，批量制备出不受电子束掺杂影响的霍尔结构器件是一个难题。传统紫外曝光光刻技术（Traditional ultraviolet lithography）可以实现微结构的大规模批量生产，但是在此工艺下进行微加工时候也会出现一些难题。紫外曝光技术有一道显影液显影工艺，显影液的主要成分一般采用NaOH等碱性物质，表层Al₂O₃薄膜与NaOH显影液接触以后发生化学反应生成偏铝酸钠，反应式如方程（1）所示：

Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O （1）

Al₂O₃遭到破坏，进而NaOH与Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物接触，对材料Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物腐蚀，破坏了薄膜的结构，微结构器件的量子反常霍尔效应失效。由于Al₂O₃厚度大约为2nm，这要求显影时间把握要非常精确，一旦过显影，NaOH显影液会对Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物薄膜材料造成损伤，因而，对显影时间进行把控是非常困难的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法。采用双层膜结构（Double-layer structure），即保护层与光刻层，利用单层紫外曝光光刻工艺技术，解决了在Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物材料上制备量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的难题。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料的Al₂O₃层上匀涂电子束胶，作为保护层；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层上匀涂紫外正性光刻胶；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶上；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料上刻蚀Al₂O₃层及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层（102），将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料上；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料表面剩余的保护层和紫外正性光刻胶，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。

所述步骤1）中的电子束胶为厚度为100-120nm的PMMA电子束胶。

所述步骤1）中的匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s。

所述步骤2）中的紫外正性光刻胶的厚度为800-900nm。

所述步骤2）中的匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为85-90℃，时间260-300s。

所述步骤3）中，强光照射的曝光照度为10-15W/cm²，曝光时间为20-25s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为18-20s。

所述步骤4）中，通入Ar气10-15sccm，腔体内压强150-200Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，40-60W，刻蚀时间5-6min。

所述步骤5）中，通入Ar气10-15sccm，腔体内压强2.0-2.2×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为180-200s；刻蚀参数：能量：200-220eV，束流：60-70mA。

所述步骤6）中，在丙酮中浸泡60-90s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

如上述的制备方法制备的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。

相对于现有技术，本发明克服了NaOH腐蚀Al₂O₃薄膜的缺点，使得薄膜微结构器件具备量子反常霍尔效应特性。本发明开创了量子反常霍尔效应样品无损伤微纳加工技术，可实现量子反常霍尔效应器件集成化制备。本发明避免普通光刻工艺显影阶段对Al₂O₃薄膜的腐蚀，避免电子束曝光电荷积累造成的量子反常霍尔效应无法调控的问题，成功实现微纳加工后的量子反常霍尔效应。

附图说明

图1是是基体3层结构示意图；

图2是基体表面匀涂PMMA电子束胶后的示意图；

图3是PMMA表面匀涂AR3740光刻胶后的示意图；

图4是AR3740光刻胶光刻的示意图；

图5是PMMA电子束胶刻蚀的示意图；

图6是IBE刻蚀后的示意图；

图7是清洗后结构件示意图；

图8是本发明实施例与机械刮除器件在不同背栅极电压Vg和不同磁场下的霍尔电阻曲线对比图，其中ρ_yx的单位为千欧姆(kΩ)，9 A为本发明实施例3，9B为机械刮除器件；

图9是本发明实施例与机械刮除器件在不同背栅极电压Vg和不同磁场下的纵向磁电阻曲线对比图，其中ρ_xx的单位为千欧姆(kΩ)，10A为本发明实施例3，10B为机械刮除器件；

图10是本发明实施例与机械刮除器件在不同背栅极电压Vg和磁场为1.5 T下的反常霍尔电阻和纵向磁电阻的曲线对比图，其中11A为本发明实施例3，11B为机械刮除器件；

图11是未用PMMA保护的测量器件（传统紫外曝光光刻制备方法）与机械刮除器件在不同背栅极电压Vg和不同磁场下的反常霍尔曲线对比图，其中ρ_yx的单位为千欧姆(kΩ)，12A未PMMA保护器件，12B为机械刮除器件；

图12是未用PMMA保护的测量器件与机械刮除器件在不同背栅极电压Vg和不同磁场下的纵向磁电阻曲线对比图，其中ρ_xx的单位为千欧姆(kΩ)，13A未PMMA保护器件，13B为机械刮除器件；

图13是未用PMMA保护的测量器件与机械刮除器件在不同背栅极电压Vg和磁场为1.5 T下反常霍尔电阻和纵向磁电阻的曲线对比图，其中，14A未PMMA保护器件，14B为机械刮除器件。

具体实施方式

本发明中，匀胶设备为EZ4，烘胶设备为金豪迈X150，紫外曝光机光刻设备为canonpla500光刻机，激光直写曝光机设备为microlab lite 光刻仪，清洗设备为合肥科晶PCE-8清洗机，刻蚀机型号为LKJ-1D-150IBE，引线设备为model7476D，电学测试设备交流源的型号为Keithley 6221，电学测试设备锁相发大器的型号为SR830。

本发明中，PMMA电子束胶、AR3740光刻胶及AR400稀释剂均采购于北京汇德信科技有限公司，显影液是自配的浓度为5g/LNaOH溶液。

下面将结合附图及具体实例对本发明提出的结构进一步详细说明。

拓扑绝缘体材料1由绝缘基底101、Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102以及Al₂O₃层103组成，如图1所示；其制备方法参见授权公告号为CN103022341B、发明名称为拓扑绝缘体结构的发明专利，以及文章名称为：Experimental Observation of the Quantum Anomalous HallEffect in a Magnetic Topological Insulator Cui-Zu Chang, Jinsong Zhang等，Science，2013，340，167；Enhancing the Quantum Anomalous Hall Effect by MagneticCodoping in a Topological Insulator，Yunbo Ou，Chang Liu等，Advanced Materials，2018，30，1703062。

绝缘基底101的材料为钛酸锶，Al₂O₃层103的涂覆方法为：在3-5nm的Cr掺杂 (Bi,Sb)₂Te₃薄膜表面，采用MBE方式（分子束外延）继续外延1.5nm左右Al原子层。分子束喷射出的分子到达衬底表面时，由于受到表面力场的作用而被吸咐于衬底表面，经过表面上的迁移、再排列等，最后在适当的位置上释放出汽化热，形成Al晶核或嫁接到Al晶格结点上，形成Al外延薄膜。样品暴露空气后，Al原子接触外部的氧气，从而生成致密的1.5-2.5nm厚度的Al₂O₃薄膜保护层，从而阻隔了Cr掺杂 (Bi,Sb)₂Te₃薄膜与空气的接触，起到了保护作用。

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料1的Al₂O₃层103上匀涂电子束胶，作为保护层201；电子束胶为厚度为100-120nm的PMMA电子束胶；匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s；如图2所示；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层201上匀涂紫外正性光刻胶301；紫外正性光刻胶的厚度为800-900nm，匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为85-90℃，时间260-300s；如图3所示；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶301上；强光照射的曝光照度为10-15W/cm²，曝光时间为20-25s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为18-20s；如图4所示；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层201；通入Ar气10-15sccm，腔体内压强150-200Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，40-60W，刻蚀时间5-6min；如图5所示；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料1上刻蚀Al₂O₃层103及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料1上；通入Ar气10-15sccm，腔体内压强2.0-2.2×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为180-200s；刻蚀参数：能量：200-220eV，束流：60-70mA；如图6所示；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料1表面剩余的保护层201和紫外正性光刻胶301，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2，如图7所示。具体为将拓扑绝缘体材料1在丙酮中浸泡60-90s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

如上述的制备方法制备的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。

本发明采用了紫外正性光刻胶与PMMA电子束胶的双层膜结构，上层紫外正性光刻胶在350-450nm紫外波段的光源的曝光后，经过NaOH溶液显影，做出了结构。PMMA电子束胶对450-500nm波长的光线不敏感，在350-450nm紫外波段中起不到曝光作用，PMMA电子束胶完整的保存了下来，PMMA电子束胶可以作为隔阻NaOH显影液对Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102以及保护层Al₂O₃层103的破坏，进而保证了拓扑绝缘体材料1性能的完整性。

PMMA是一种聚甲基丙烯酸酯及其衍生物，它是一种正性胶，只对高能电子束敏感，对可见光及380-400nm波段光不敏感。

传统紫外曝光光刻技术（Traditional ultraviolet lithography）的正性光刻胶一般由基质树脂、光敏混合物、有机溶剂三部分组成，光敏混合物PAC以及感光树脂在紫外线的照射下发生分解反应。分子空间结构发生重排，生成了茚酮。茚酮在碱性显影液中被溶解掉，没有被曝光的区域遗留下来，生成了掩膜层。常用的正性光刻胶如AZ系类，AR系列。

离子束刻蚀机（IBE）是采用考夫曼离子源，通过独特结构的双钼栅离子光学系统及SHAG技术，利用双钼栅加速电压产生的偏压对Ar⁺离子束进行加速，产生高能量的Ar⁺离子，Ar⁺离子对样品进行轰击，样品中未被掩膜覆盖部分的Al₂O₃层103和Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102被溅射出，从而达到选择刻蚀的目的，制备出具有量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2。均匀性可以达到±5%，在离子束刻蚀机（IBE）电子中和系统的作用下，可使拓扑绝缘体材料1上的电荷积累几乎为零，减少了电荷积累对拓扑绝缘体材料1的伤害。

本发明采用了Ar等离子体清洗刻蚀机刻蚀PMMA电子束胶（201）保护层的工艺，由于Ar等离子体功率较低，此工艺既可以完全把PPMA电子束胶清理干净，又不会破坏拓扑绝缘体材料1，从而可以通过精确控制刻蚀速度，去除Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃ (102)薄膜材料。Ar等离子体清洗刻蚀机的功率控制在100W以内，没有双钼栅加速电压产生的偏压对Ar⁺离子束进行加速作用，Ar⁺离子能量小，不足以刻蚀在拓扑绝缘体材料1上表层的表层保护Al₂O₃层103，如果不采用Ar等离子体清洗刻蚀PMMA电子束胶，直接使用离子束刻蚀机（IBE）刻蚀约100nm的PMMA以及小于10nm的Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃薄膜材料，由于PMMA与样品材料厚度比为10：1，100nm的 PMMA电子束胶的厚度误差极大影响了后续Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃薄膜材料的刻蚀精度，一旦离子束刻蚀机（IBE）对Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102过度刻蚀，Ar离子会继续刻蚀绝缘基底101，绝缘基底101在IBE设备的Ar离子刻蚀作用下，SrTiO₃会失去氧原子，造成基底导电，这种导电的基底会干扰量子反常霍尔效应特征电阻，采用Ar等离子体刻蚀PMMA保护层以后，就能更好精确的控制Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102的刻蚀厚度。

实验测试

6个电极在器件上的安装方式参考文章：拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应，何珂，王亚愚，薛其坤，科学通报，2014，59（35），3431-3441中图4的安装方式，将量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2安装到探杆上，探杆内部抽真空，真空度在0.1-0.5Pa。将探杆的探头放置到低温强磁装置中，器件在低温下具有铁磁性，在不同的磁场方向下，反常霍尔电阻具有相反的数值，并表现出回滞特性。电学性能在交流电流源（Keithley 6221）锁相放大器（SR830）中测试，交流源给定器件200nA，12Hz电流，锁相器扑捉12 Hz频率的电压信号。在1.5K温度以及不同的背部栅极电压下，测量反常霍尔电阻ρ_yx随着磁场的变化曲线，寻找ρ_yx的最大值的位置。

实施例1：

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料1的Al₂O₃层103上匀涂电子束胶，作为保护层201；电子束胶为厚度为100nm的PMMA电子束胶；匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6s，4000r/min转速下持续50s；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层201上匀涂紫外正性光刻胶301；紫外正性光刻胶的厚度为800nm，匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6s，4000r/min转速下持续50s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为85℃，时间260s；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶301上；强光照射的曝光照度为10W/cm²，曝光时间为20s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为18s；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层201；通入Ar气10sccm，腔体内压强150Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，40W，刻蚀时间5min；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料1上刻蚀Al₂O₃层103及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料1上；通入Ar气10sccm，腔体内压强2.0×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为180s；刻蚀参数：能量：200eV，束流：60mA；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料1表面剩余的保护层201和紫外正性光刻胶301，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2。具体为将拓扑绝缘体材料1在丙酮中浸泡60s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

实施例2：

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料1的Al₂O₃层103上匀涂电子束胶，作为保护层201；电子束胶为厚度为105nm的PMMA电子束胶；匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续7s，4000r/min转速下持续52s；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层201上匀涂紫外正性光刻胶301；紫外正性光刻胶的厚度为820nm，匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续7s，4000r/min转速下持续52s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为86℃，时间270s；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶301上；强光照射的曝光照度为12W/cm²，曝光时间为21s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为19s；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层201；通入Ar气11sccm，腔体内压强160Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，45W，刻蚀时间6min；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料1上刻蚀Al₂O₃层103及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料1上；通入Ar气12sccm，腔体内压强2.1×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为185s；刻蚀参数：能量：205eV，束流：62mA；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料1表面剩余的保护层201和紫外正性光刻胶301，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2。具体为将拓扑绝缘体材料1在丙酮中浸泡70s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

实施例3：

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料1的Al₂O₃层103上匀涂电子束胶，作为保护层201；电子束胶为厚度为110nm的PMMA电子束胶；匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续8s，4000r/min转速下持续55s；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层201上匀涂紫外正性光刻胶301；紫外正性光刻胶的厚度为850nm，匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续8s，4000r/min转速下持续55s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为87℃，时间280s；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶301上；强光照射的曝光照度为13W/cm²，曝光时间为22s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为20s；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层201；通入Ar气12sccm，腔体内压强180Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，50W，刻蚀时间5min；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料1上刻蚀Al₂O₃层103及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料1上；通入Ar气13sccm，腔体内压强2.2×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为190s；刻蚀参数：能量：210eV，束流：65mA；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料1表面剩余的保护层201和紫外正性光刻胶301，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2。具体为将拓扑绝缘体材料1在丙酮中浸泡80s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

实施例4：

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料1的Al₂O₃层103上匀涂电子束胶，作为保护层201；电子束胶为厚度为115nm的PMMA电子束胶；匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6s，4000r/min转速下持续58s；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层201上匀涂紫外正性光刻胶301；紫外正性光刻胶的厚度为880nm，匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6s，4000r/min转速下持续58s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为88℃，时间290s；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶301上；强光照射的曝光照度为14W/cm²，曝光时间为23s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为18s；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层201；通入Ar气13sccm，腔体内压强190Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，55W，刻蚀时间6min；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料1上刻蚀Al₂O₃层103及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料1上；通入Ar气14sccm，腔体内压强2.0×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为195s；刻蚀参数：能量：215eV，束流：67mA；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料1表面剩余的保护层201和紫外正性光刻胶301，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2。具体为将拓扑绝缘体材料1在丙酮中浸泡90s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

实施例5：

一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料1的Al₂O₃层103上匀涂电子束胶，作为保护层201；电子束胶为厚度为120nm的PMMA电子束胶；匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续8s，4000r/min转速下持续60s；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层201上匀涂紫外正性光刻胶301；紫外正性光刻胶的厚度为900nm，匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续7s，4000r/min转速下持续60s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为90℃，时间300s；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶301上；强光照射的曝光照度为15W/cm²，曝光时间为25s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为20s；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层201；通入Ar气15sccm，腔体内压强200Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，60W，刻蚀时间5min；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料1上刻蚀Al₂O₃层103及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层102，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料1上；通入Ar气15sccm，腔体内压强2.2×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为200s；刻蚀参数：能量：220eV，束流：70mA；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料1表面剩余的保护层201和紫外正性光刻胶301，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件2。具体为将拓扑绝缘体材料1在丙酮中浸泡65s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

对比实验

（1）机械刮除法（Mechanical scraping）：在体式镜下，采用尖状物机械刻画出电路图案，电路的最小尺寸可以控制在30μm，在低温强磁测量设备中进行测量。

（2）未用PMMA保护的进行激光直写法（Laser direct writing）：在样品上匀涂光刻胶，然后在激光直写下曝光，参数如下：1：1配比AR3740光刻胶与AR400稀释剂；匀胶机高速段转速5000r，持续60s；AR3740厚度为300-320nm，曝光时间40ms，氢氧化钠显影液显影时间6，而后在离子束刻蚀机（IBE）进行刻蚀，做出电路，在低温强磁测量设备中进行测量。

（3）本发明实施例3的双层光刻胶膜结构法制备的量子器件与机械刮除法（Mechanical scraping）进行对比，如表1和图8-10所示；机械刮除法（Mechanicalscraping）与未PMMA保护进行激光直写法进行对比，如表2和图11-13所示。

从表1对比数据可以看出：两种方式制备的器件的反常霍尔电阻在1.5 K时ρ_yx在20kΩ左右，如果降低到极低温30 mK下，反常霍尔电阻的数值将会量子化，严格为25.8 kΩ。所以，此对比数据说明了，双层膜结构法（Double-layer structure）可以实现制备出具有量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。

机械刮除方式是机械地进行剥离，整个过程不需要加热以及与其他化学物质接触，可以得到原始的基础参数，但是此工艺不能进行批量制备，也无法制备更精细的器件结构。

实施例3公开的双层膜结构法提供的PMMA电子束胶可以作为隔阻NaOH腐蚀溶液对Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物的保护层Al₂O₃的破坏，进而保证了材料性能的完整性。又不同于电子束曝光方法对样品掺杂的影响以及电子束曝光技术效率慢的问题，可以实现大规模量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的无损伤制备，加工效率高，能够保证尺寸与加工精度。

从表2对比数据可以看出：未PMMA保护进行激光直写方式（Laser directwriting）制备的器件的霍尔电阻ρ_yx在3.3 kΩ，此种工艺制备出的薄膜微结构器件，即使降低到30 mK的温度下也无法观测到量子反常霍尔效应。因为未用PMMA对材料进行保护，氢氧化钠显影液在显影阶段与Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃化合物接触，腐蚀了薄膜，造成薄膜失去了原有的电学特性。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料（1）的Al₂O₃层（103）上匀涂电子束胶，作为保护层（201）；其中，拓扑绝缘体材料是一种Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃薄膜生长于SrTiO₃基底上，并由表层Al₂O₃保护；

2）匀涂紫外光刻胶：在保护层（201）上匀涂紫外正性光刻胶（301）；

3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶（301）上；

4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层（201）；

5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料（1）上刻蚀Al₂O₃层（103）及Cr掺杂(Bi,Sb)₂Te₃层（102），将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料（1）上；

6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料（1）表面剩余的保护层（201）和紫外正性光刻胶（301），干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件（2）。

2.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的电子束胶为厚度为100-120nm的PMMA电子束胶。

3.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s。

4.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中的紫外正性光刻胶的厚度为800-900nm。

5.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中的匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为85-90℃，时间260-300s。

6.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，强光照射的曝光照度为10-15W/cm²，曝光时间为20-25s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为18-20s。

7.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中，通入Ar气10-15sccm，腔体内压强150-200Pa，采用RF 13.56MHz频率电源，40-60W，刻蚀时间5-6min。

8.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中，通入Ar气10-15sccm，腔体内压强2.0-2.2×10^-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为180-200s；刻蚀参数：能量：200-220eV，束流：60-70mA。

9.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤6）中，在丙酮中浸泡60-90s，再使用异丙醇清洗表面，然后N₂气枪迅速吹干器件表面。

10.如权利要求1-9任一所述的制备方法制备的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。

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