一种小周期阵列结构的制备方法与流程

本发明涉及二维微纳器件技术领域，特别是涉及一种小周期纳米阵列结构的制备方法

背景技术：

随着电子器件以及光学器件的发展，小周期的纳米阵列结构已经越来越多的用到所使用的器件中。例如在光学材料中，光学超材料的响应频率与所用超材料结构的线度与周期直接相关。光学超材料的响应频率越高，其对应的超材料线度和周期就要越小，如果要得到可见光波段的超材料，结构周期需要控制在500纳米以下。在制作电子器件时，越小的电子器件提供的集成度越高。而且当前对集成度要求越来越高，现有技术中已经有各种方式来提高集成度，例如通过制备三维的电子器件来增加高度方向上的集成度、通过先进的设备减小器件的特征尺寸等。

通常小周期结构的实现是通过传统的电子束光刻工艺或者极紫外曝光工艺获得的。这些途径虽然可以大大减小器件或结构的特征尺寸，但是这些方法也存在一些问题，例如电子束光刻工艺在制备小周期阵列时速度太慢，而极紫外曝光设备相对昂贵等。而随着小周期结构需求的不断扩大，以上工艺已经不能满足现在科研与加工的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新的小周期阵列结构的制备方法。

特别地，本发明提供了一种小周期阵列结构的制备方法，用于在衬底上制备小周期阵列结构，包括：

步骤一：在衬底上旋涂光刻胶；

步骤二：在所述光刻胶上采用电子束光刻工艺扫描曝光图形，得到光刻胶图形，其中，所述电子束光刻工艺曝光的步长为大步长，以保证两电子束斑之间的光刻胶不会被曝光；

步骤三：将所述光刻胶图形转移到所述衬底上，得到样品；

步骤四：将所述样品置于去胶液中，获得所述衬底上的小周期阵列结构。

进一步地，所述步骤一中的所述衬底为硅衬底、二氧化硅衬底、蓝宝石衬底或在平面上进行加工的带有薄膜材料的任意平面衬底；

优选地，所述衬底为在所述硅衬底基片上生长氮化硅膜、二氧化硅膜或碳化硅膜。

进一步地，所述步骤一中的所述光刻胶为正胶或负胶；

优选地，所述正胶为聚甲基丙烯酸甲酯；

优选地，所述负胶为氢硅倍半环氧乙烷。

进一步地，所述步骤二中曝光图形为单个图形或复杂图形，其中，复杂图形为两个或者多个图形的错位重叠。

进一步地，所述步骤二中的电子束光刻工艺的曝光的步长为100nm～500nm，曝光剂量可调，通过调整曝光的步长控制所述小周期阵列结构的周期，通过调整曝光剂量控制所述单个图形的半径。

进一步地，所述步骤三中是利用沉积工艺将所述光刻胶图形转移到所述衬底上；

优选地，所述沉积工艺为热蒸发工艺、电子束沉积工艺或脉冲激光沉积工艺。

进一步地，所述沉积工艺所用材料为金属材料、介质材料或半导体材料；

优选地，所述金属材料为金、银或铬；

优选地，所述介质材料为氧化铟锡或氧化铝；

优选地，所述半导体材料为氧化锌或氮化镓。

进一步地，其特征在于，所述步骤三中是利用刻蚀工艺将所述光刻胶图形转移到所述衬底上；

优选地，所述刻蚀工艺为离子束刻蚀、等离子体刻蚀或湿法腐蚀。

进一步地，所述去胶液为去胶液丙酮或去胶液N,N-二甲基乙酰胺。

采用本发明的制备方法，利用电子束曝光工艺的步长与剂量控制，在大面积图案上扫描时曝光区域成为小周期的纳米柱。并且可以通过控制步长与剂量精确控制纳米阵列的周期与半径，利用曝光图形的错位重叠实现多次曝光，与传统的套刻工艺相比精度更高，可以形成复杂的纳米图形，是一种非常灵活的制备方法。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明一实施例的小周期阵列结构的制备方法的流程图；

图2是本发明另一实施例的小周期阵列结构的制备方法的流程图；

图3是当电子束曝光的步长大于单个图形的直径时的小周期纳米阵列结构的示意性平面图；

图4是当电子束曝光的步长小于单个图形的直径时的小周期纳米阵列结构的示意性平面图；

图5是采用本发明的制备方法制备出的周期为150nm的小周期纳米阵列结构的扫描电子显微镜照片；

图6是采用本发明的制备方法制备出的周期为450nm的小周期纳米阵列结构的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

图1是本发明一实施例的小周期阵列结构的制备方法的流程图。如图1所示，一种小周期阵列结构的制备方法，包括：

步骤一：在衬底2上旋涂光刻胶1。

步骤一中所用的衬底2可以为硅衬底、二氧化硅衬底或蓝宝石衬底，也可以是在所述硅衬底基片上生长氮化硅膜、二氧化硅膜或碳化硅膜，还可以是在平面上进行加工的带有薄膜材料的任意平面衬底。

步骤一中所用的光刻胶1为正胶或负胶。光刻胶经光照后，在曝光区能很快地发生反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化，经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图形。光照后形成不可溶物质的是负胶；反之，对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正胶。其中，正胶可以为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，负胶可以为氢硅倍半环氧乙烷(HSQ)、及PMMA加苯环的改性胶(ZEP)等。

步骤二：在光刻胶1上采用电子束3光刻工艺扫描曝光图形，得到光刻胶图形，其中，电子束3光刻工艺曝光的步长为大步长，以保证两电子束斑之间的光刻胶1不会被曝光。

步骤二中曝光图形为单个图形或复杂图形，其中，复杂图形为两个或者多个单个图形的错位重叠。

步骤二中的电子束3光刻工艺的曝光的步长为100nm～500nm，曝光剂量可调，通过调整曝光的步长控制所述小周期阵列结构的周期，通过调整曝光剂量控制单个图形的半径R。

图3是当电子束3曝光的步长大于单个图形直径时的小周期纳米阵列结构的示意性平面图。如图3所示，制备出的图形结构为单个图形结构。图4是当电子束3曝光的步长小于单个图形直径时的小周期纳米阵列结构的示意性平面图。

在步骤二中，利用电子束光刻工艺曝光的步长L与剂量控制，在大面积图案上扫描时电子束3曝光区域成为小周期阵列结构。该制备方法可以通过控制电子束光刻工艺曝光的步长L与电子束3的曝光剂量精确控制小周期阵列的周期与单个图形的半径R，利用单个图形的错位重叠实现多次曝光，形成复杂图形。

步骤三：将光刻胶图形转移到衬底2上，得到样品；

在步骤三中，光刻胶图形转移有不同的实现方法。如图1所示，步骤三中是利用沉积工艺将光刻胶图形转移到衬底2上。利用沉积工艺进行材料4沉积。所述材料4通过沉积工艺沉积到衬底表面形成沉积层，得到样品。所述沉积工艺可以为热蒸发工艺、电子束沉积工艺或脉冲激光沉积工艺等。沉积层的厚度L1可根据实际情况而定。沉积工艺中所用的材料可以为金属材料、介质材料或半导体材料。其中，所述金属材料可以为金、银或铬等，所述介质材料可以为ITO或氧化铝等，所述半导体材料可以为氧化锌或氮化镓等。

步骤四：将步骤三得到的样品置于去胶液中，在衬底2上获得小周期纳米阵列结构。

不同的光刻胶1对应不同的去胶液。去胶液可以为氢硅倍半环氧乙烷(HSQ)的去胶液丙酮或ZEP的去胶液N,N-二甲基乙酰胺。

本制备方法具有制备快速、可控性好、低成本和可大面积制备等特点。本方法与传统的套刻工艺相比精度更高，可以形成复杂的纳米级图形，是一种非常灵活的制备方法。

图2是本发明另一实施例的小周期阵列结构的制备方法的流程图。图2中实施例与图1中实施例的区别在于，图2中实施例的步骤三，是利用刻蚀工艺对衬底2进行刻蚀，部分未覆盖光刻胶1的衬底2被刻蚀，具有一定的刻蚀深度L2。上述刻蚀工艺可以为离子束刻蚀、等离子体刻蚀或湿法腐蚀等工艺。刻蚀深度L2可根据实际情况而定。

不同的材料可以选择相对应的结构转移过程。

图5是采用本发明的制备方法制备出的周期为150纳米的小周期纳米阵列结构的扫描电子显微镜照片。通过以下步骤，即可制备出如图5所示的小周期纳米阵列结构：

步骤一：在成品硅衬底上旋涂电子束光刻胶PMMA，转速4000r/min，最后置于180℃热板上烘烤1min。

步骤二：利用电子束曝光工艺在步骤一得到的样品上曝光，电子束曝光的步长设置为150nm，扫描100μm²的矩形区域。

步骤三：将步骤二得到的样品置于甲基异丁基酮(MIBK)的溶液中，显影得到光刻胶图形，利用热蒸发工艺沉积金60nm；

步骤四：将步骤3得到的样品置于丙酮中，浸泡4小时，轻轻吹去样品表面的金属，捞出样品并用氮气吹干，得到周期为150nm的金阵列结构。

图6是采用本发明的制备方法制备出的周期为450纳米的小周期纳米阵列结构的扫描电子显微镜照片。通过以下步骤，即可制备出如图6所示的小周期纳米阵列结构：

步骤一：在生长有300nm二氧化硅的硅衬底上旋涂电子束光刻胶ZEP，转速4000r/min，然后置于180℃热板上烘烤1min。

步骤二：利用大步长电子束曝光工艺在步骤一得到的样品上曝光，电子束曝光的步长设置为300nm，扫描100μm²的矩形区域三次，三次曝光的起始位置构成一个等边三角型，边长为100nm。

步骤三：将步骤二得到的样品置于乙酸丁酯中，显影得到光刻胶图形，利用电子束蒸发工艺沉积镍30nm。

步骤四：将步骤三得到的样品置于丙酮中，浸泡4小时，轻轻吹去样品表面的金属，捞出样品并用氮气吹干，得到周期为300nm的镍阵列结构。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。