一种4H-碳化硅复合贵金属薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及纳米光子学及周期性多孔半导体器件制备技术领域，更确切地说是一种4H-碳化硅复合贵金属薄膜及其制备方法。

背景技术：

表面等离激元(SPP)是纳米光子学的重要研究方向，它被广泛应用于传感器、增强光辐射、光电探测等领域。但是，以金属为衬底的等离激元系统普遍具有较高的光学固有损耗，激发出来的SPP模式衰减很快，限制了其进一步的发展应用。研究发现极性晶体(例如SiC、SiO₂和Ⅲ-Vs等)具有较低的光学固有损耗和独特的光学性质，它在中红外波段具有高反射率(例如SiC在Restastrahlen带内，即波数793cm^-1至969cm^-1这一波段范围，反射率接近100％)，因此，在Restastrahlen这个波段内，极化晶体具有表面声子激元(SPhP)模式。SPhP共振是电磁场与极性晶体光学波声子之间的耦合。它和SPP相似，都属于系统的机械模式，可以在满足某些外在条件的情况下(动量守恒和能量守恒)被共振激发；并且在材料表面产生强电磁场。由于SPhP来源于声子，所以相比SPP，SPhP共振具有很高的Q因数，具有长寿命的特征。通过对极性晶体表面图案化，可以实现SPhP激发。尤其是SiC，通过在其表面制作各式各样的几何图案，理论上可以在SiC/空气交界面激发出SPhP共振。2010年Chinese Science Bulletin上由西班牙课题组AMEEN Mohamed理论上提出SiC纳米圆盘可以在中红外波段产生很强的局域SPhP响应，其品质因数值高达50～60，可以作为红外光学天线，高效地接收、传输、发射共振波长附近的电磁波。2013年Nano Letters上由美国课题组Joshua D.Caldwell发表的文章中通过标准的电子束光刻和反应离子刻蚀的方法制备出基于6H-SiC的纳米柱天线阵列结构，在Restastrahlen band内实现了表面声子激元(SPhP)的激发，激发出的SPhP态具有特别窄的线宽7～24cm^-1且Q因数高达40～135，这超过了等离激元系统的理论极限。但是在他们制备中需要在复杂的气氛和苛刻的温度条件下进行保护，否则反应离子刻蚀的方 法很容易破坏SiC的表面晶格，导致SPhP寿命的衰减甚至是无法激发；另外，利用电子束光刻价格昂贵，这带来了该材料的成产成本问题。因此，该发明旨在寻找工艺简单、制备成本相对低廉的表面声子激元新型激发方法。

技术实现要素：

本发明基于SPhP激发困难等问题，提出一种4H-碳化硅复合贵金属薄膜及其制备方法，其可以解决现有技术中的光-声器件效率低下的缺点。

一种4H-碳化硅复合贵金属薄膜，包括4H-碳化硅和淀积于4H-碳化硅的贵金属薄膜层，且所述贵金属薄膜层设有微结构，所述微结构为周期性的微腔，且所述微腔呈正方格子排列。

所述微腔为圆形。

所述微腔的孔径范围为6～10μm。

相邻两所述微腔的圆心间距大于12μm。

所述贵金属为金。

所述4H-碳化硅和贵金属薄膜层之间淀积有一层镍。

一种4H-碳化硅复合贵金属薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将低掺杂n型4H-碳化硅预刻蚀样品固定于匀胶机托盘上，样品Si面朝上，通过匀胶机旋涂正性光刻胶；

步骤2：将步骤1得到的产品放置在烘胶台上软烘，样品Si面朝上，烘胶台加热温度100℃，烘胶时间3～5分钟；

步骤3：用光刻机对步骤2得到的产品进行紫外曝光，将掩膜版上的周期性圆形阵列微图案转移到样品光刻胶上，曝光时间60s，且掩膜版上的周期性圆形阵列微图案的圆形直径8μm，相邻圆心间距18μm；

步骤4：将样品浸泡在显影液中显影，显影时间24s，其中浸泡12s，在显影液中轻微抖动样品12s，然后立刻取出样品用去离子水冲净，用N₂吹干；

步骤5：用磁控溅射的方法在步骤4得到的产品的同一面沉积约20nm厚的金属镍，功率75W，溅射时间720s，工作气压为在Ar气氛围中0.35Pa；

步骤6：用磁控溅射的方法在步骤5得到的产品的同一面再沉积约100nm厚的金，功率75W，溅射时间1200s，工作气压为在Ar气氛围中0.35Pa；

步骤7：将样品浸泡于丙酮溶液中，使用超声池进行超声波清洗剥离剩余的光刻胶，直至样品表面图案完全出现；

步骤8：取出样品将其浸泡在无水乙醇溶液中5min，然后用去离子水冲净，用N2吹干，即获得所述的4H-碳化硅复合贵金属薄膜。

步骤1中的低掺杂n型4H-碳化硅预刻蚀样品，通过以下方法制备得到：将晶圆尺寸为100cm²，偏4°切割，双面抛光，清洗后得到并经预刻蚀，样品由晶圆片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再经过5％氢氟酸水溶液浸泡除去表面氧化层。

所述步骤7中超声波清洗的超声频率大于75KHz。

如上所述，本发明将利用该方法在中红外波段实现高品质因数的SPhP响应。此方法未破坏碳化硅表面的结晶性能，得到的圆形微腔孔径规则统一，可保证大面积周期性，并且可重复性强，成品率高，对于其衍生器件制备带来了便利。

附图说明

图1是本发明4H-碳化硅复合贵金属薄膜的制备方法流程示意图。

图2是本发明的掩膜版的结构示意图。

图3是本发明的4H-碳化硅复合贵金属薄膜的的红外反射光谱图。

图4是本发明的4H-碳化硅复合贵金属薄膜的SEM图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明公开了一种4H-碳化硅复合贵金属薄膜，包括4H-碳化硅和淀积于4H-碳化硅的贵金属薄膜层，且所述贵金属薄膜层设有微结构，且所述微结构为周期性的微腔，且所述微腔呈正方格子排列。本发明在贵金属薄膜上制备微结构，不在4H-碳化硅表面进行微结构刻蚀，本发明的4H-碳化硅复合贵金属薄膜在分子探测、新型红外光源等领域具有广泛的应用前景。

本发明中所述微腔为圆形，所述微腔的孔径范围为6～10μm，相邻两所述微腔的圆心间距大于12μm。

本发明中的贵金属为金。所述4H-碳化硅和贵金属薄膜层之间淀积有一层镍。

本发明通过在贵金属薄膜上制备微结构，而不对低掺杂n型4H-碳化硅进行刻蚀，贵金属薄膜沉积于4H-碳化硅表面，沉积金属镍用作粘附层，增强4H-碳化硅基底与贵金属的黏附性。本发明使用一种碳化硅复合贵金属薄膜结构，其特点为基于双面抛光的低掺杂n型4H-SiC衬底，生长贵金属薄膜，在贵金属层与4H-SiC之间沉积金属镍用作粘附层，增强黏附性。金属薄膜上刻蚀有周期性圆形微腔，微腔呈正方格子排列。

一种4H-碳化硅复合贵金属薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将低掺杂n型4H-碳化硅预刻蚀样品固定于匀胶机托盘上，样品Si面朝上，通过匀胶机旋涂正性光刻胶，匀胶机转速：前转800rad/min，前转时间9s；后转3100rad/min，后转时间25s；

步骤2：将步骤1得到的产品放置在烘胶台上软烘，样品Si面朝上，烘胶台加热温度100℃，烘胶时间3～5分钟；

步骤3：用光刻机对步骤2得到的产品进行紫外曝光，将掩膜版上的周期性圆形阵列微图案转移到样品光刻胶上，曝光时间60s，且掩膜版上的周期性圆形阵列微图案的圆形直径8μm，相邻圆心间距18μm；

步骤4：将样品浸泡在显影液中显影，显影时间24s，其中浸泡12s，在显影液中轻微抖动样品12s，然后立刻取出样品用去离子水冲净，用N2吹干；

步骤5：用磁控溅射的方法在步骤4得到的产品的同一面沉积约20nm厚的金属镍，功率75W，溅射时间720s，工作气压为在Ar气氛围中0.35Pa；

步骤6：用磁控溅射的方法在步骤5得到的产品的同一面再沉积约100nm厚的金，功率75W，溅射时间1200s，工作气压为在Ar气氛围中0.35Pa；

步骤7：将样品浸泡于丙酮溶液中，使用超声池进行超声波清洗剥离剩余的光刻胶，直至样品表面图案完全出现；

步骤8：取出样品将其浸泡在无水乙醇溶液中5min，然后用去离子水冲净，用N2吹干，即获得所述的4H-碳化硅复合贵金属薄膜。

本发明步骤1中的低掺杂n型4H-碳化硅预刻蚀样品，通过以下方法制备得到：将晶圆尺寸为100cm²，偏4°切割，双面抛光，清洗后得到并经预刻蚀，样品由晶圆片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再经过5％氢氟酸水溶液浸泡除去表面氧化层。所述步骤7中超声波清洗的超声频率大于75KHz。

本发明公布一种激发4H-碳化硅表面声子激元的方法。这种方法基于4H-SiC复合贵金属薄膜结构。其具体制备流程包括如下步骤，如图1所示：

步骤1：准备低掺杂n型4H-碳化硅预刻蚀样品。

所述样品为晶圆尺寸为100cm²，偏4°切割，双面抛光，由严格半导体工艺清洗后得到并经预刻蚀，样品由晶圆片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再经过5％氢氟酸水溶液浸泡除去表面氧化层。

步骤2：将样品固定于匀胶机托盘上，样品Si面朝上，旋涂正性光刻胶。匀胶机转速：前转800rad/min，前转时间9s；后转3100rad/min，后转时间25s。

步骤3：将上述样品放置在烘胶台上软烘，样品Si面朝上，烘胶台加热温度100℃，烘胶时间3～5分钟。

步骤4：用光刻机对上述样品进行紫外曝光，将掩膜版上的周期性圆形阵列微图案，转移 到样品光刻胶上，曝光时间60s，掩膜版的结构如图2所示，圆形直径8μm，相邻圆心间距18μm，其为周期性圆形阵列，阴影区域是未曝光的区域。

步骤5：将样品浸泡在显影液中显影，显影时间24s(浸泡12s，在显影液中轻微抖动样品12s)，然后立刻取出样品用去离子水冲净，用N2吹干。

步骤6：用磁控溅射的方法在上述样品同一面沉积约20nm厚的金属镍，功率75W，溅射时间720s，工作气压：在Ar气氛围中0.35Pa。

步骤7：用磁控溅射的方法在上述样品同一面再沉积约100nm厚的金，功率75W，溅射时间1200s，工作气压：在Ar气氛围中0.35Pa。

步骤8：将样品浸泡于丙酮溶液中，使用超声池进行超声波清洗剥离剩余的光刻胶，直至样品表面图案完全出现。超声频率必须控制在75KHz以上，较低的频率容易破坏微纳结构样品。

步骤9：取出样品将其浸泡在乙醇(99％)溶液中5min，然后用去离子水冲净，用N2吹干，即获得所述的4H-碳化硅复合贵金属薄膜结构，如图3和图4所示，图3是本发明的4H-碳化硅复合贵金属薄膜的的红外反射光谱图，图中峰位在931.40cm-1的吸收峰是该材料激发出来的SPhP吸收峰，它具有很高的品质因数。

本发明的4H-碳化硅复合贵金属薄膜能够在4H-SiC的全反射Reststrahlen带内实现共振吸收，实现长寿命的表面声子激元激发。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。