一种将庞磁阻锰氧化物薄膜在纳米尺度图形化的方法与流程
本发明属于微纳加工技术领域,具体涉及一种庞磁阻锰氧化物薄膜图形化的方法。
背景技术：
强关联复杂电子体系的研究一直是凝聚态物理研究领域的核心之一。强关联电子体系是指电子间的交互作用不可忽略的系统。在强关联体系中，由于电子之间的强相互作用，导致了许多新奇的物理现象：如高温超导体、多铁性、二维电子气中的分数量子霍尔效应、锰氧化物材料中的庞磁阻效应等。由于这些效应在不同的领域内都有很强的应用前景，从而吸引了广泛的关注，激发了极大的研究热情。在强关联体系中，由于电子自旋、轨道、电荷和晶格间的相互作用，使其具有很强的可调控性，改变参数往往可以得到很强的非线性响应，具有很高的研究价值与应用前景。
钙钛矿结构的庞磁阻锰氧化物是强关联电子体系的一个代表，由于外磁场能够引发金属-绝缘体相变，所以它的磁电阻变化率最大能够达到100000%，这也是其被命名为庞磁阻的原因。在庞磁阻锰氧化物体系中，电子相分离（即金属和绝缘体两相共存）是一个广泛存在的现象，而如何调控电子相分离一直是一个热门的研究方向。电子之间的相互作用，就如其它任何相互作用一样，都具有一个特征长度。当材料的空间尺寸接近这个特征长度时，其物理性质、呈展现象甚至电子关联作用本身，都可能发生根本变化。当材料空间尺寸被减小到接近或小于物理特征长度时，新的物理现象将出现，比如在庞磁阻锰氧化物中普遍存在的电子相分离现象。由于电子的强关联相互作用，即便是庞磁阻锰氧化物的单晶体系，电子态在空间的分布也常常是不均匀的，并形成具有特征尺度的电子畴。电子畴的存在往往会直接减低庞磁阻锰氧化物对外界物理参数改变的响应敏感度。如果材料的空间尺度缩小到与电子畴的尺度可比拟，则量子调控能力将能充分发挥，进而可以通过局域外场实现对其的量子调控，制成氧化物自旋电子器件。
在庞磁阻锰氧化物纳米器件的制备过程中，我们发现现有的电子束光刻后直接用氩离子刻蚀的技术有很大的局限性。首先，庞磁阻锰氧化物纳米线的宽度希望能够尽可能的缩小，达到一百纳米甚至几十纳米的量级，对电子束光刻所用的胶的型号和厚度都有很高的要求；其次，在满足第一条要求的情况下，如果使用电子束胶图形作为刻蚀掩蔽层，在氩刻时，由于庞磁阻锰氧化物与电子束胶的刻蚀速率相近，无法对庞磁阻锰氧化物薄膜做有效的保护，而且电子束胶在氩刻后变性，无法用现有办法去除残胶；最后，庞磁阻锰氧化物薄膜在氩刻后会发生物性的变化，这也是不希望得到的。
技术实现要素：
鉴于上述的问题，本发明的目的是提供一种将庞磁阻锰氧化物薄膜在纳米尺度图形化的方法，此方法能在庞磁阻锰氧化物薄膜上形成所需纳米尺度图形。
本发明提供的将庞磁阻锰氧化物薄膜在纳米尺度图形化的方法，具体步骤为：
（1）在已经生长了庞磁阻锰氧化物薄膜的钛酸锶衬底上旋涂电子束光刻胶，并烘烤；
（2）使用电子束直写光刻技术曝光所需的纳米尺度图形版图；
（3）显影定影，得到所需图形的胶掩蔽图形；
（4）在胶掩蔽图形上沉积铝金属薄膜；
（5）去胶剥离出铝金属掩蔽图形；
（6）使铝金属掩蔽层氧化后转化为氧化铝掩蔽层；
（7）用离子束刻蚀庞磁阻锰氧化物薄膜形成庞磁阻锰氧化物图形；
（8）去掉氧化铝掩蔽层并清洗衬底。
本发明步骤（1）中，所述的庞磁阻锰氧化物为所述的庞磁阻锰氧化物为镧镨钙锰氧（La1-xPrx)yCa1-yMnO3）、镧钙锰氧（La1-xCaxMnO3）、镧锶锰氧（La1-xSrxMnO3）、钕锶锰氧（Nd1-xSrxMnO3）、镧钡锰氧（La1-xBaxMnO3）等具有钙钛矿结构（ABO3）的且具有庞磁阻效应的锰氧化物。庞磁阻锰氧化物薄膜厚度为10纳米~100纳米，优选值为60纳米。所述的电子束光刻胶为正性电子束光刻胶。
本发明步骤（2）中，所述的使用电子束直写光刻技术曝光所需的纳米尺度图形版图，使用高斯束电子束光刻系统。
本发明步骤（4）中，所述的在胶掩蔽图形沉积铝金属薄膜，使用的是电子束蒸发工艺沉积铝金属薄膜，并且铝金属薄膜的厚度要小于电子束胶的厚度的一半，以方便剥离工艺的完成。
本发明步骤（6）中，所述使铝金属掩蔽层氧化后转化为氧化铝掩蔽层，使用的是等离子体反应刻蚀设备，气体为氧气。
本发明步骤（7）中，所述的用离子束刻蚀庞磁阻锰氧化物薄膜形成庞磁阻锰氧化物图形，使用的是氩离子束刻蚀。
本发明与现有制造方法相比，本发明解决了电子束胶在离子束刻蚀时与庞磁阻锰氧化物刻蚀速率比差的问题，能很好的降低电子束胶的厚度需求，电子束胶越薄则做出的纳米图形尺度越小，这样就能提高电子束直写光刻的分辨率；本发明也解决了有些电子束胶在刻蚀后难以去除的问题。
附图说明
为了清楚地说明本发明或现有技术的技术方案，下面对描述本发明实施例或现有技术的技术方案时需要用到的附图进行简要说明。显而易见地，这些附图所示的实施例仅是本发明的部分实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其它的附图。
图1是本发明将庞磁阻锰氧化物薄膜在纳米尺度图形化的方法流程图。
图2是本发明在（La1-xPrx)yCa1-yMnO3（镧镨钙锰氧）薄膜上制作的铝金属掩蔽图形的1万2千倍电镜图片。
图3是本发明在（La1-xPrx)yCa1-yMnO3（镧镨钙锰氧）薄膜上制作的铝金属掩蔽图形的16万7千倍电镜图片。
图4是本发明在（La1-xPrx)yCa1-yMnO3（镧镨钙锰氧）薄膜上制作的（La1-xPrx)yCa1-yMnO3（镧镨钙锰氧）纳米图形的2万4千倍电镜图片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的核心内容是：在已经生长了庞磁阻锰氧化物薄膜的钛酸锶衬底上旋涂电子束光刻胶并烘烤；使用电子束直写光刻技术曝光所需纳米尺度图形版图；显影定影后得到所需纳米尺度图形的胶掩蔽图形；在胶掩蔽图形上沉积铝金属薄膜；去掉胶剥离出铝金属掩蔽图形；使铝金属掩蔽层氧化后转化为氧化铝掩蔽层；用离子束刻蚀庞磁阻锰氧化物薄膜层形成庞磁阻锰氧化物图形；去掉氧化铝掩蔽层并清洗衬底。
图1是依照本发明将庞磁阻锰氧化物薄膜在纳米尺度图形化的方法流程图，具体包括以下步骤：
步骤101，在已经生长了庞磁阻锰氧化物薄膜的钛酸锶衬底上旋涂电子束光刻胶并烘烤。本例中以镧镨钙锰氧（La1-xPrx)yCa1-yMnO3薄膜为例，因为其室温下表现为绝缘体，物性对工艺参数偏差最为敏感，所以难度最大。在该步骤中，优选的镧镨钙锰氧薄膜层厚度是60纳米，使用旋转匀胶法旋涂PMMA-A3电子束光刻胶，胶厚度由纳米图形尺度决定，一般为50纳米~200纳米,优选值为100纳米，匀胶转速是6000转/分钟，旋涂1分钟~2分钟，优选值为1分钟，然后在180℃热板上烘烤1分钟~3分钟，优选值为2分钟。
步骤102，使用电子束直写光刻技术曝光所需纳米尺度图形版图。在该步骤中，使用高斯束电子束光刻系统，优选的，100kV，5透镜模式，200pA束流，1纳米扫描步距，800uc/cm2。
步骤103，显影定影后得到所需图形的胶掩蔽图形。在该步骤中，优选的，使用甲基异丁基酮和异丙醇按照1:3比例配置的显影液显影60秒，使用异丙醇定影30秒，然后用氮气枪吹干衬底。
步骤104，在胶掩蔽图形层上沉积铝金属薄膜。在该步骤中，优选的使用电子束蒸发技术沉积铝金属薄膜，铝金属薄膜的厚度要小于电子束胶的厚度的一半，以方便剥离工艺的完成，厚度优选值为30纳米。
步骤105，去胶剥离出铝金属掩蔽图形。在该步骤中，使用丙酮去胶剥离铝金属掩蔽图形，然后使用乙醇和去离子水清洗衬底。
步骤106，使铝金属掩蔽层氧化后转化为氧化铝掩蔽层。在该步骤中，使用等离子体反应刻蚀设备，功率200瓦，反应气体是氧气，流量是120sccm，反应时间由铝金属层的厚度决定，为10分钟~30分钟，对应30纳米铝金属层完全氧化的优选值为15分钟。
步骤107，用离子束刻蚀镧镨钙锰氧（La1-xPrx)yCa1-yMnO3薄膜层，形成镧镨钙锰氧图形。在该步骤中，使用氩离子束刻蚀工艺刻蚀镧镨钙锰氧薄膜层，电压是300eV，束流是80mAmps，刻蚀时间由镧镨钙锰氧薄膜的厚度决定，为10分钟~20分钟，对应60纳米镧镨钙锰氧薄膜的优选值为13分钟。
步骤108，去掉氧化铝掩蔽层并清洗衬底。在该步骤中，使用1%氢氧化钠溶液去除氧化铝层，然后使用去离子水清洗衬底。
综上所述，本发明提供了一种将庞磁阻锰氧化物薄膜在纳米尺度图形化的方法，此方法解决了电子束胶在离子束刻蚀时与氧化物刻蚀速率比差的问题，能很好的降低电子束胶的厚度需求，这样就能提高电子束直写光刻的分辨率；本发明也解决了有些电子束胶在刻蚀后难以去除的问题。镧镨钙锰氧（La1-xPrx)yCa1-yMnO3只是其中的一个典型例子，La1-xCaxMnO3（镧钙锰氧）、La1-xSrxMnO3（镧锶锰氧）、Nd1-xSrxMnO3（钕锶锰氧）La1-xBaxMnO3（镧钡锰氧）等具有钙钛矿结构（ABO3）的且具有庞磁阻效应的锰氧化物，都适合本方法实现在纳米尺度的图形化。
上述只是本发明的一个具体实施例，仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明的限制，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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