一种基于冲量差颗粒脱附的微纳结构与器件直写方法

本发明涉及微纳结构与半导体器件领域，特别是涉及一种基于冲量差颗粒脱附的微纳结构与器件直写方法。

背景技术：

电子束在微纳结构与器件构筑等方面展现了强大的功能，形成了电子束诱导原位合成(ebis)、电子束刻蚀(ebl)、电子束诱导沉积(ebid)及电子束碳化直写等微纳加工技术。

ebis技术基于电子束的物理、化学效应，如样品原子的碰撞位移及溅射、荷电效应及晶化、knotek-feibelman(k-f)机制相关的脱附和氧化还原反应等制备微纳结构，特点是控制电子束辐照在材料源样品上实现局部结构的修饰与结构构筑。ebl技术利用电子束轰击抗蚀剂分子，使抗蚀剂分子链断裂，或发生交联反，或碳化等形成图案化的模板，结合相应的工艺来制备平面特征的微纳结构。一些ebl改进方法也可用于3d结构构筑，如灰度ebl(grayscaleelectronbeamlithography)、加速电压调控的ebl(controlled-acceleration-voltageebl,)、冰辅助ebl3d纳米结构构筑技术等，上述构筑方法都是基于ebl技术的工艺流程，显然，对于具有大高宽比、3d特征的金属和半导体微纳结构及器件，显得步骤繁琐、存在一定的局限性。ebid技术弥补了ebl相关加工方法在高精度、大高宽比、3d结构构筑方面的缺点，通过控制电子束和气态前驱体源反应，使金属、半导体材料等非挥发性物资沉积形成微纳结构，实现高灵敏度，复杂3d纳米结构的无模板直写构筑。ebid的缺点是结构构筑过程易出现碳、氯等前驱体碎片杂质，影响微纳结构与器件的性能。另外，ebid方法的材料源利用低，都耗散在结构构筑过程中，会增加构筑成本，以及带来可能的环境危害。

利用电子束焦点直接驱动材料源原子迁移扩散，也能实现高精度、高纯度微纳结构的构筑。然而，在材料源中的原子、小团簇等通过键合，如离子键、范德华力、及氢键等相互作用，形成相当牢固的块体或薄膜，这就使得组成材料源的亚纳米粒子具有很强的脱附阻力，阻碍粒子的扩散迁移，使结构构筑效率很低。因此，采用有效的方法，促进粒子解离脱附及扩散迁移，提高微纳结构与半导体器件的直写构筑效率成为商业化应用必须解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于冲量差颗粒脱附的微纳结构与器件直写方法，能够提高微纳结构构筑效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于冲量差颗粒脱附的微纳结构与器件直写方法，包括：

在衬底上固定材料源；

将所述衬底和材料源放入电子束设备；

对所述电子束设备进行抽真空处理；

控制电子束斜入射到所述材料源表面；

控制所述电子束以光栅式振荡扫描场做空间扫描，并按照预定的结构形状逐步移动，直至得到完整的微纳结构。

可选的，所述光栅式振荡扫描场指电子束焦点以任一顶点为起点按照一定的轮廓逐行扫描或逐列扫描。

可选的，所述光栅式振荡扫描场在一定的轮廓内包括多条扫描路径，所述多条扫描路径之间相互平行，相邻两条扫描路径之间扫描方向相反且首尾相连。

可选的，所述光栅式振荡扫描场的轮廓尺寸或直径小于或等于200nm，扫描频率在电子显微镜成像的电子束扫描频率范围内。

可选的，所述材料源为半导体或金属材料。

可选的，所述材料源为sno2。

可选的，通过高精密位移台来实现所述按照预定的结构形状逐步移动。

可选的，通过改变电子束偏转程度来实现所述按照预定的结构形状逐步移动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明利用电子束作光栅式振荡扫描时产生的振荡变化电场吸引力，耦合叠加亚纳米颗粒间的振荡库伦斥力，在带电粒子之间产生冲量差，从而打开颗粒间的键合，增进亚纳米粒子迁移扩散，提高纳米结构构筑效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例第一种光栅式扫描场的轮廓和扫描路径示意图；

图2为本发明实施例第二种光栅式扫描场的轮廓和扫描路径示意图；

图3为本发明实施例第三种光栅式扫描场的轮廓和扫描路径示意图；

图4为本发明实施例的微纳结构直写示意图；

图5为本发明实施例的微纳结构pn结原型器件直写示意图；

其中：1-扫描场的轮廓；2-水平扫描路径；3-水平回归换行路径；4-垂直回归路径；5-垂直扫描路径；6-垂直回扫路径；7-水平回归路径；8-水平换列(行)路径；9-水平回扫路径；10-扫描路径示意；11-扫描场移动方向；12-带有sio2层的硅衬底；13-材料源一；14-第一纳米结构；15-入射电子束；16-金属电极；17-金属电极；18-材料源二；19-材料源三；20-第二纳米线；21-第三纳米线；22-纳米线接触结。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的目的是提供一种基于冲量差颗粒脱附的微纳结构与器件直写方法，以解决上述现有技术粒子扩散能垒大、效率低的技术难题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明利用电子束作光栅式扫描时产生的振荡变化电场吸引力，耦合叠加亚纳米颗粒间的振荡库伦斥力，在带电粒子之间产生冲量差，从而打开颗粒间的键合，增进亚纳米粒子迁移扩散，提高纳米结构构筑效率。

本发明的主要技术构思如下：

(1)在衬底上准备材料源，放入电子束设备，抽真空达到设备正常工作条件；

(2)控制电子束斜入射到材料源表面，并以光栅式振荡扫描场做空间扫描，光栅式振荡扫描场会导致组成材料源表层亚纳米粒子受力的振荡变化，且不同位置的亚纳米粒子之间的冲量不同，这种冲量差使表层亚纳米粒子之间的键合断开、解离脱附，并向受力方向扩散。

(3)控制电子束的光栅式振荡扫描场按照设计的微纳结构形状逐步移动，解离脱附的亚纳米粒子向扫描场中的受力平衡位置迁移、积聚，并根据扫描场的位移轨迹形成相应的微纳结构。

具体的，上述步骤(1)中材料源可以为半导体或金属材料。上述步骤(2)中的光栅式振荡扫描场指电子束焦点在程序控制下以一定的轮廓逐行扫描或逐列扫描，要求扫描场轮廓尺寸或直径在200nm以下，扫描频率在电子显微镜成像的电子束扫描频率范围内。上述步骤(2)中亚纳米粒子的受力指在静电感应作用下，表层亚纳米粒子受到的强电场引力和粒子间的库伦斥力的耦合叠加力。上述步骤(2)中冲量差指不同位置的表层亚纳米粒子之间的耦合叠加力随时间积累量差别。上述步骤(3)中扫描场中的受力平衡位置指亚纳米粒子受到的电场耦合叠加力和粒子间毛细作用相互平衡的空间位置。上述步骤(3)中控制电子束的光栅式扫描场按照设计的微纳结构形状逐步移动，指光栅式扫描场和纳米结构生长初始点的相对位置变化，可通过程序控制下的电子束偏转程度变化来实现，或通过高精密位移台的空间位移来完成。

基于此，本发明提供了一种基于冲量差颗粒脱附的微纳结构与器件直写方法，微纳结构的制备如图4所示，该方法包括以下步骤：

(1)在硅衬底12上制备sno2固体材料源13，放入电子束设备抽真空达到电子束工作条件；

(2)控制电子束15斜入射到sno2固体材料源13表面，使电子束焦点在sno2固体材料源表面，扫描场移动方向11为由下至上，扫描场移动方向还可以为从左至右，扫描路径10还可以按照图2所示的扫描场轮廓和扫描路径作光栅式振荡扫描，形成纳尺度振荡交变的强电场，强电场会使sno2薄膜表面正负电荷分离，表层带正电荷的sno2亚纳米粒子受到强电场引力和带正电荷粒子之间的斥力作用。在上述引力和粒子间斥力耦合叠加下，表层带正电荷的sno2亚纳米粒子获得瞬时冲量，不同sno2粒子间的瞬时冲量不同，这种瞬时冲量差会打开粒子间的键合作用，使带正电sno2亚纳米颗粒成为可定向迁移的粒子，向扫描场中的受力平衡位置迁移；

其中，图2中电子束焦点在扫描场的轮廓1内以“一条龙”的形式进行路径扫描，垂直扫描路径5和垂直回扫路径6相互平行，水平换列(行)路径8连接垂直扫描路径5的末端和垂直回扫路径6初始端；水平回归路径7连接垂直回扫路径6的末端和下一个垂直扫描路径5的初始端。

(3)控制电子束扫描场的轮廓1按照设计的微纳结构形态逐步移动，从而在扫描场移动空间轨迹上，形成相应的第一纳米结构14。

在上述扫描方式的基础上，电子束扫描场可换用图1或者图3所示的光栅扫描场，其中，图1中电子束焦点在扫描场的轮廓1以任一顶点为起点按照水平扫描路径2、水平回归换行路径3和垂直回归路径4的形式逐行扫描或逐列扫描；图3中电子束焦点的运动形式与图2类似，水平扫描路径2与水平回扫路径9相互平行，但是图3中电子束焦点的水平换列(行)路径8是沿着预设的扫描场的轮廓的边缘进行扫描。

在图1、图2和图3扫描方式的基础上，材料源还可以换用其它金属氧化物、金属非金属化合物半导体材料源，将会形成新的实施例，最终制备出相应的纳米结构。

具体的，本发明提供的基于冲量差颗粒脱附的微纳结构与器件直写方法，还可以以sno2/niopn结直写构筑为例，其结构如图5所示，方法包括以下步骤：

(1)根据制备pn结的形状，在硅衬底12上，特定相邻区域沉积金电极16和17；在金电极上，采用激光直写法定域选区，磁控溅射法沉积sno2薄膜为材料源二18、nio薄膜为材料源三19，放入电子束设备，抽真空处理；

(2)首先控制电子束15斜入射到sno2薄膜材料源18表面，使电子束焦点在材料源18表面，作如图1所示的光栅式振荡扫描，形成表面的纳尺度振荡交变的强电场，强电场会使sno2薄膜表面正负电荷分离，表层带正电荷的sno2亚纳米粒子受到电子束焦点的电场吸引力和带正电荷粒子间的排斥力作用。振荡交变强电场吸引力及sno2粒子间库伦斥力叠加作用下，表层带正电荷的sno2亚纳米粒子获得瞬时冲量，不同sno2粒子间的瞬时冲量可能不同，这种瞬时冲量差会打开粒子间的键合作用，使带电sno2亚纳米颗粒成为可定向迁移的自由粒子。

(3)控制电子束光栅式扫描场1向靠近nio的区域逐步移动，从而在扫描场移动空间轨迹上，形成sno2悬空纳米线为第二纳米线20；

(4)控制电子束斜入射到nio薄膜19表面，重复步骤(2)和(3)，生长nio悬空纳米线为第三纳米线21，并使第二和第三纳米线形成空间接触结22，完成pn结原型器件构筑。

相较于现有技术，本发明的优势在于：

1、本发明通过控制电子束斜入射到材料源表面，并在材料源表面以光栅式振荡扫描场做空间扫描，光栅式振荡扫描场会导致组成材料源表层亚纳米粒子受到的电场引力及粒子间库伦斥力的振荡变化，且不同位置的亚纳米粒子之间的冲量不同，这种冲量差使表层亚纳米粒子之间的键合断开、解离脱附。

2、控制电子束的空间往复扫描场按照设计的微纳结构形状逐步移动，解离脱附的亚纳米粒子向扫描场中的受力平衡位置迁移、积聚，并根据电子束空间扫描场的位移轨迹形成相应的微纳结构。

本发明相对于现有技术还取得了以下技术效果：

本发明利用电子束作光栅式扫描时产生的振荡变化电场吸引力，耦合叠加亚纳米颗粒间的振荡库伦斥力，在带电粒子之间产生冲量差，从而打开颗粒间的键合，增进亚纳米粒子迁移扩散，提高纳米结构构筑效率。通过控制光栅式扫描场的移动来诱导生长纳米结构，结合其他技术直写构筑半导体原型器件，这对于提高纳米结构生长速率及原型器件构筑效率具有重要意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。