一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：在拓扑绝缘体材料的Al2O3层上匀涂电子束胶作为保护层；在保护层上匀涂紫外正性光刻胶；采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶上；采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层；利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料上刻蚀Al2O3层及Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3层，将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料上；利用丙酮及异丙醇洗掉剩余的保护层和紫外正性光刻胶，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。本发明专利技术避免普通光刻工艺显影阶段对Al2O3薄膜的腐蚀，避免电子束曝光电荷积累造成的量子反常霍尔效应无法调控的问题，成功实现微纳加工后的量子反常霍尔效应。

A Quantum Anomalous Hall Effect Thin Film Microstructure Device and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法
本专利技术属于电子信息
，具体涉及一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法。
技术介绍
自上世纪60年代，摩尔定律提出以来，半导体芯片技术迅速发展，集成化程度越来越高。但是，随着电路集成化越来越高，电子元器件产生的热量也会越来越高，如果在没有良好散热的技术条件下，这种热量可以烧毁整个芯片。因此，很多人都认为“摩尔定律”将要失效了。芯片的发热是电子造成的，在芯片的底层，在一定的电势作用下，电流按照一定方向流动，电流的基本单元是电子，电子在大概率事件上是按照一定方向运动。电子它也会相互碰撞。从宏观上讲，这种电子相互碰撞的表现就是芯片发热。因此，为了避免电子相互碰撞，我们就需要让电子“各行其道”，严格按照一定的路线前行。在对电子分完道之后，还要做另外一件事情，就是当前行的电子遇到杂质的时候，电子也不会出现改变设定的方向往回走，即没有电子出现“逆行”的现象，不会由于逆行，电子产生相互碰撞而消耗能量，产生热量。要实现以上的这两条，就需要借助一个神奇的量子霍尔效应(QuantumHallEffect)。通过对量子霍尔效应的研究，马普所的德国物理学家冯·克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖；崔琦、霍斯特·施特默和亚瑟·戈萨德发现了分数量子霍尔效应，获得了1998年诺贝尔物理学奖。量子霍尔效应被认为是半导体工业的曙光。但是，在实际应用量子霍尔效应的时候，会面对一个巨大的难题，那就是要产生这样的效应，需要外加1特斯拉左右磁场，然而，这种强的磁场会对半导体设备运行产生不良影响。量子反常霍尔效应(QuantumAnomalousHallEffect)相当于不需要强磁场的量子霍尔效应，量子反常霍尔效应来自拓扑绝缘体（topologicalinsulator）里的拓扑量子态。在拓扑性质的保护下，特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，而这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关，同时不再需要外加磁场。简单来说，就是通过电子自旋与电子轨道的耦合，来取代了外加的强磁场，而产生的材料只有边缘可以导电，并且通过电子的自旋方向来决定电流的流动方向。张首晟等提出自旋量子霍尔效应的概念，首先预言了这么一个神奇的效应能够在实验上实现，使得电子能够按照高速公路原理来运行。2013年，中国科学院薛其坤院士领衔的合作团队又发现，在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆。在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3薄膜材料上得到近乎完美的量子反常霍尔效应实验结果，此材料在专利《拓扑绝缘体结构》（ZL201210559564.X）进行了详细论述，简而言之，Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3薄膜生长于SrTiO3基底上，并由表层Al2O3保护。利用Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3化合物薄膜制备用于测量的霍尔效应的器件，一般是采用机械刮除(Mechanicalscraping)的方式，这样能够最好地保护Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3化合物的本征特性，但是机械刮除方式在20微米以下尺寸很难实现，效率低。另外，采用电子束曝光方式(electronbeamlithography)在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3化合物材料上制备霍尔效应测量的微结构器件，但是电子束曝光技术很难实现批量微结构的制备，大量电子在绝缘衬底(SrTiO3)上积累会引入空穴掺杂，批量制备出不受电子束掺杂影响的霍尔结构器件是一个难题。传统紫外曝光光刻技术（Traditionalultravioletlithography）可以实现微结构的大规模批量生产，但是在此工艺下进行微加工时候也会出现一些难题。紫外曝光技术有一道显影液显影工艺，显影液的主要成分一般采用NaOH等碱性物质，表层Al2O3薄膜与NaOH显影液接触以后发生化学反应生成偏铝酸钠，反应式如方程（1）所示：Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O（1）Al2O3遭到破坏，进而NaOH与Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3化合物接触，对材料Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3化合物腐蚀，破坏了薄膜的结构，微结构器件的量子反常霍尔效应失效。由于Al2O3厚度大约为2nm，这要求显影时间把握要非常精确，一旦过显影，NaOH显影液会对Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3化合物薄膜材料造成损伤，因而，对显影时间进行把控是非常困难的。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件及其制备方法。采用双层膜结构（Double-layerstructure），即保护层与光刻层，利用单层紫外曝光光刻工艺技术，解决了在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3化合物材料上制备量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的难题。本专利技术的目的是以下述方式实现的：一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，具体步骤如下：1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料的Al2O3层上匀涂电子束胶，作为保护层；2）匀涂紫外光刻胶：在保护层上匀涂紫外正性光刻胶；3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶上；4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层；5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料上刻蚀Al2O3层及Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3层（102），将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料上；6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料表面剩余的保护层和紫外正性光刻胶，干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。所述步骤1）中的电子束胶为厚度为100-120nm的PMMA电子束胶。所述步骤1）中的匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s。所述步骤2）中的紫外正性光刻胶的厚度为800-900nm。所述步骤2）中的匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s，在烘胶台上对光刻胶膜层进行坚膜处理，设定温度为85-90℃，时间260-300s。所述步骤3）中，强光照射的曝光照度为10-15W/cm2，曝光时间为20-25s，采用氢氧化钠溶液进行显影，显影时间为18-20s。所述步骤4）中，通入Ar气10-15sccm，腔体内压强150-200Pa，采用RF13.56MHz频率电源，40-60W，刻蚀时间5-6min。所述步骤5）中，通入Ar气10-15sccm，腔体内压强2.0-2.2×10-2Pa，采用考夫曼离子源，刻蚀时间为180-200s；刻蚀参数：能量：200-220eV，束流：60-70mA。所述步骤6）中，在丙酮中浸泡60-90s，再使用异丙醇清洗表面，然后N2气枪迅速吹干器件表面。如上述的制备方法制备的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件。相对于现有技术，本专利技术克服了NaOH腐蚀Al2O3薄膜的缺点，使得薄膜微结构器件具备量子反常霍尔效应特性。本专利技术开创了量子反常霍尔效应样品无损伤微纳加工技术，可实现量子反常霍尔效应器件集成化制备。本专利技术避免普通光刻工艺显影阶段对Al2O3薄膜的腐蚀，避免电子束曝光电荷积累造成的量子反常霍尔效应无法调控的问题，成功实现微纳加工后的量子反常霍尔效应。附图说明图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料（1）的Al2O3层（103）上匀涂电子束胶，作为保护层（201）；2）匀涂紫外光刻胶：在保护层（201）上匀涂紫外正性光刻胶（301）；3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶（301）上；4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层（201）；5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料（1）上刻蚀Al2O3层（103）及Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3层（102），将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料（1）上；6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料（1）表面剩余的保护层（201）和紫外正性光刻胶（301），干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件（2）。

【技术特征摘要】
1.一种量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：1）匀涂保护层：在拓扑绝缘体材料（1）的Al2O3层（103）上匀涂电子束胶，作为保护层（201）；2）匀涂紫外光刻胶：在保护层（201）上匀涂紫外正性光刻胶（301）；3）单层光刻：采用光刻工艺将掩膜的图形转移到紫外正性光刻胶（301）上；4）刻蚀保护层：采用等离子去胶机去除刻蚀图形的保护层（201）；5）刻蚀薄膜：利用离子束刻蚀机在拓扑绝缘体材料（1）上刻蚀Al2O3层（103）及Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3层（102），将掩膜的图形转移到拓扑绝缘体材料（1）上；6）清洗：利用丙酮及异丙醇洗掉拓扑绝缘体材料（1）表面剩余的保护层（201）和紫外正性光刻胶（301），干燥，得到量子反常霍尔效应薄膜微结构器件（2）。2.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的电子束胶为厚度为100-120nm的PMMA电子束胶。3.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的匀胶工艺条件为：转速600r/min下持续6-8s，4000r/min转速下持续50-60s。4.根据权利要求1所述的量子反常霍尔效应薄膜微结构器件的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中的紫外正性光刻胶的厚度为800-900nm。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高志廷，李耀鑫，王永超，李绍锐，张金松，王亚愚，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11