一种混合曝光快速精确制作微电极的方法与流程

本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种混合曝光快速精确制作微电极的方法。

背景技术

以石墨烯为代表的范德瓦尔斯层状材料，是近年来科学研究的热点。随后mos2为代表的二维材料由于薄层、单层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。对这些薄层材料的电、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二维材料新奇物理性质的基础。

独立的电子束曝光系统，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。但对于新手，如果没有足够的经验积累，往往会出现曝光精准度低、曝光效率低的难题。笔者根据多年经验，介绍一种精确、快速的制作微电级的方法。

目前常用的曝光方法，一种是不在基底上做任何标记，直接在样品周围选取几个有明显形状的颗粒来校准。由于这些颗粒在涂胶后可能看不清或者颗粒会发生移动，都会导致校准误差大，曝光位置偏差大。另外一种，涂胶后先用电子束曝光曝出标记，显影后，将样品再次放入电子束曝光系统，曝电极图形。由于标记可能会正好曝在了样品上，需要重新多次曝光标记，也会占用大量电子束曝光机时。通常机器机时紧张，还需要收取费用，成本高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种混合曝光快速精确制作微电极的方法，成本低、工艺简单且易于操作，所制备的电极测试效果好。

一种制作微电极的方法，包括如下步骤：

步骤一，带数字标记的硅片制作，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，如此获得带有标记的硅片；

步骤二，曝光图形的准备，具体为：

在画图软件上，设置两个绘制层：校准层和电极层；将样品放置在步骤一制作好的硅片上，通过光学显微镜拍摄含样品的图片，该图片包括样品及周围的四个标记；

以该图片中样品所在位置为参考，在画图软件的电极层中的样品处绘制电极；

在校准层绘制四个方框，四个方框的中心与所述图片中四个标记的中心一一对应重合；

步骤三，样品定标：将带着样品的硅片，旋涂pmma胶；在硅片上待曝光区域之外，选择一个标记图形中心，作为原点；通过原点位置，以及标记图形之间的距离，计算出待曝光区域中心位置的坐标；

步骤四，校准电子束具体为：

将步骤二得到的带有样品的硅片置于电子束曝光机样品室中，根据步骤三计算得到的曝光区域中心位置的坐标，将电子束移到曝光区域中心；

首先打开电子束开关开始曝光校准层；曝光完成后，如果四个方框中心偏离四个标记的中心，调整电子束中心的位置，重新曝光校准层，并再次根据四个方框中心偏离四个标记的中心的情况调整电子束中心的位置，直到四个方框的中心与四个标记中心一一对应重合；

步骤五，曝光电极层：

电子束曝光系统的软件选择电极层，电子束曝光系统的电子束按照电极层图形开始扫描，完成电极的曝光；最后再通过显影和金属沉积过程，在电极对应的位置沉积金属，完成金属微电极制备。

较佳的，所述标记图形为“十”形和数字，用于区别不同的标记。

较佳的，所述步骤一中，选择大尺寸硅片，步骤五完成最后的曝光后，将硅片切割，获得多个带标记的小硅片。

本发明具有如下有益效果：本发明的方法是先在基底上通过紫外曝光方法设计制作带标记图形的基底，再将材料转移或生长在带有标记的基底上。在电子束曝光机以外的电脑上进行曝光图形的绘制。样品放入电子束曝光机后，只需曝光电极图形，无需曝光制作标记、画图形的时间，所以效率高。同时，利用紫外曝光制作标记，时间短、效率高。曝光前再次通过数字标记校准写场，曝光精度高。

附图说明

图1为实施例中紫外曝光制作的数字标记的光学显微照片。

图2为实施例1中photoshop软件裁下的包含样品及周围四个“+”号的光学显微图片；

图3是实施例1中photoshop软件裁下的包含样品、周围四个“+”号及更外围“+”号的光学显微图片；

图4为实施例1中通过软件绘制的电极的起始部分(350×350μm写场)及校准层；

图5为实施例1中通过软件绘制的电极头部分(1000×1000μm写场)及校准层；

图6为实施例中曝光前进行校准层写场校准的扫描照片；

图7为实施例1中电子束曝光显影后电极的光学显微照片；

图8为实施例1中电子束蒸发镀膜溶脱后电极的光学显微照片。

图9为实施例2中电子束蒸发镀膜溶脱后电极的光学显微照片。

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：长度为1cm、宽度为1cm的硅片，表面覆盖有285nm的sio2；

紫外曝光机：karlsussma6；

扫描电子显微镜：zeisssupra55；

电子束曝光系统：raith图形发生器光学显微镜：olympusbx53；

电子束蒸发镀膜机：angstromengineeringnexdep；

电学测试：quantumdesignppms

实施例1：

一种混合精确快速制备微电极的方法，所述方法步骤如下：

步骤一，如图1所示，带数字标记的硅片制作：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，将掩膜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，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，曝光图形的准备：在画图软件elephyquantum上，设置两个绘制层。将样品放置在步骤1制作好的硅片上，通过光学显微镜拍摄含样品的图片，该图片应该包括样品及周围的四个“十”字标记，如图2和3所示。以该图片中样品所在位置为参考，在画图软件的一个绘制层-——电极层中，在样品处绘制电极的起始部分及电极头部分，如图5所示；在另一个绘制层——校准层绘制四个方框，方框的中心正好与图片中“十”字标记的中心重合，如图4所示。由于电极图形的构成包括尺寸较小的电极起始部分(几微米及以下)和尺寸较大的电极头部分(几百微米)，为了满足精度要求，分别在大小为350×350μm和1000×1000μm的写场分别绘制电极起始部分和电极头部分。

步骤三，样品定标：将带着样品的硅片，旋涂pmma胶。在硅片上待曝光区域之外，选择一个标记图形中心，作为原点，可使用三点定标法建立uv坐标系定标：例如选标记上的“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，以及标记图形的距离，可计算出曝光区域中心的坐标；

步骤四，校准并曝光：将步骤二得到的带有样品的硅片置于电子束曝光机的样品室，根据步骤三计算得到的曝光区域中心的位置，将电子束移到曝光区域中心；首先曝光校准层，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“十”字。如图6所示，如果方框图形中心偏离“+”字的中心，可手动拖动方框中心的线至+”字的中心，以校准电子束中心，使得“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。

随后曝光电极层：在电子束曝光系统的软件上设置曝光参数：30μm光阑，highcurrent,10kv电压，曝光剂量为100μc/cm²，写场选择140×350μm。选文件曝光电极起始部分；随后设置曝光参数：120μm光阑，highcurrent,10kv电压，曝光剂量为200μc/cm²，写场选择49×1000μm。，完成电极头部分的曝光；后期通过显影，将电极图形对应的胶溶掉，如图7所示。将带着胶的基片用电子束蒸发沉积10nmcr/200nmau。再用丙酮溶脱胶，电极对应的位置正好被金属沉积，不会被溶脱掉，如图8所示，这样金属微电极制备完毕。

通过该方法只需要十几分钟就能精确的制出了霍尔微电级。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。

实施例2：

一种精确快速制备微电极的方法，所述方法步骤如下：

步骤一，带数字标记的硅片制作：通过l-edit软件设计绘制标记，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。根据设计的标记制作掩膜板。将硅片旋涂光刻胶r1813，通过紫外曝光机曝光，将掩膜板上的标记图形曝光转移到光刻胶上。再通过显影，标记对应的光刻胶会冲掉，图形外的部分覆盖着胶。将这种带着胶的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，金属沉积在标记对应的位置上。这样，获得带有标记的硅片。后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，曝光图形的准备：曝光图形的准备：在画图软件elephyquantum上完成。通过光学显微镜拍摄含待做电极的样品处的图片，该图片应该包括样品及周围的“十”字标记。以该图片为参考，在电极层绘制电极的起始部分，及引出及电极头部分；在校准层绘制四个方框，方框的中心正好与“十”字标记的中心重合。由于电极图形的构成包括尺寸较小的电极起始部分(几微米及以下)和尺寸较大的电极头部分(几百微米)，为了精度，在100×100μm和700×700μm写成分别绘制不同部分。

步骤三，样品定标：将带着样品及标记的硅片，旋涂pmma胶。使用三点定标法建立uv坐标系定标。可以选标记上的“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。

步骤四，校准曝光：在软件上设置曝光参数：60μm光阑，highcurrent,10kv电压，曝光剂量为100μc/cm²，写场选择49×100μm。选曝光电极起始部分。曝光校准层，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“十”字。如果“十”字的中心偏离方框图像中心，可手动拖动，校准电子束中心，这样校准后可校准电子束在移动过程中出现的位置偏差。随后曝光电极层。用同样的办法曝光电极引线和电极头部分。设置曝光参数：120μm光阑，highcurrent,10kv电压，曝光剂量为300μc/cm²，写场选择700×700μm。后期通过显影，将图形对应的胶溶掉。将带带着胶的基片用电子束蒸发沉积10nmcr/150nmau。再用丙酮溶脱胶，电极对应的位置正好被金属沉积，不会被溶脱掉。这样金属微电极制备完毕。如图9所示，通过ppms测试，电极信号良好。

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。