一种EBL直写高精度第三代半导体的方法技术

本发明专利技术公开了一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，包括如下步骤：(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；(b)将麦芽糖加入第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；(c)将前驱体溶液旋涂于导电基底上，随后将导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写；用水清洗导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火，得到所需要半导体的结构。本发明专利技术不仅省去了紫外光刻与反应束离子刻蚀等繁琐的工艺，还为纳米结构器件的制备节省了一定的时间；同时本发明专利技术能够实现不同半导体的图案化，其直写的微纳尺度图案能够完全显示清楚、且尺寸与预设的尺寸一致，并能够直写出最小线宽约30nm高精度的各种半导体纳米线。

A method of EBL direct writing high precision third generation semiconductor

【技术实现步骤摘要】
一种EBL直写高精度第三代半导体的方法
本专利技术具体涉及一种EBL直写高精度第三代半导体的方法。
技术介绍
第三代半导体具备高频、高效、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速列车、能源互联网等产业发展的重点核心材料和电子元器件，是全球半导体技术研究的热点和产业竞争焦点。而当前第三代半导体器件制造产业的技术路径包含两个主要步骤：一是生长单晶的第三代半导体单晶芯片，例如生长单晶SiC、单晶GaN等；二是利用光刻的方法对基片进行刻蚀、图形化、掺杂，从而制备所需的晶体管与集成电路。然而，由于SiC、GaN等第三代半导体晶圆生长条件苛刻、生长速度缓慢，导致晶圆价格昂贵；另一方面，SiC、GaN等第三代半导体化学性质极其稳定，导致刻蚀速度缓慢，生成效率低、且产生的废液、废气污染严重。因此发展一种环保的、能够快速成型制备第三代半导体的方法是目前所需要亟待解决的问题。激光直写技术(3D打印)是通过电脑控制将打印材料逐层堆叠，最终实现目标产物的方法。该方法具有快速成型、产品多样化不增加成本、设计空间无限、便携制造、与多种材料相结合等多种优点，现已经广泛应用于航空航天、建筑业、工业设计等多种领域中。常见的3D打印技术包括光固化成型、选择性激光烧结、熔融沉积快速成型等多种技术，是目前制备各种精细复杂结构的主流方法之一。上述传统的3D打印技术虽然能够制备多种复杂的结构，但是所打印的材料有所局限性,尤其是金属半导体化合物，且打印设备昂贵，不便于推广。此外，所打印的材料精度有限(传统的3D打印的精度最低为5μm左右)，不能达到纳米尺度，因此，限制了其在制备高效的第三代半导体器件的应用。同时，传统的第三代半导体纳米元器件的制备往往需要先在基底上生长高质量的薄膜，在经过工艺繁琐的紫外光刻、反应束离子刻蚀与电子束曝光，最终才能够得到元器件(此过程也被称为“top-down”)。因此，发展一种低价、环保、打印多种材料的高精度分辨技术是十分有必要的。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术存在的缺陷，提供了一种EBL直写高精度第三代半导体的方法。本专利技术中，EBL直写即电子束直写。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它包括以下步骤：(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；(b)将麦芽糖加入所述第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；(c)将所述前驱体溶液旋涂于导电基底上，随后将所述导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写；用水清洗所述导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火，得到单层结构。具体地，所述方法还包括在退火后，多次重复进行步骤(c)，得到三维高精度叠层结构。具体地，步骤(a)中，所述金属盐与所述聚乙烯亚胺的投料质量比为1:0.8-1.5。具体地，步骤(a)中，超滤的目的在于除去分子量小于3000g/mol的成分。具体地，步骤(b)中，所述麦芽糖的投料质量与所述第一溶液的体积比为125-180:1mg/mL。具体地，步骤(c)中，所述导电基底为导电硅基底，所述导电硅基底先经过食人鱼溶液处理，然后用超纯水超声清洗三次，最后再用氮气枪吹干。具体地，步骤(c)中，EBL直写的电压为10-20KV，电流为0.224nA。具体地，步骤(c)中，所述退火的温度为400-800℃，反应时间为10-15min。具体地，步骤(a)中，所述金属盐为选自硝酸锌、四氯化钛、氯化镍和氯化铌中的一种。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术开发出能够负载金属离子的新型前驱体水溶液，该前驱体溶液有着类似电子束负胶的性质，在电子束EBL直写后，经由水冲洗便能得到刻蚀的图案，随后经退火便能够直接一步成形得到纳米元器件(即“bottom-up”)；此技术颠覆了传统制备半导体纳米器件的方法，因为此技术不仅省去了紫外光刻与反应束离子刻蚀等繁琐的工艺，还为纳米结构器件的制备节省了一定的时间；同时本专利技术能够实现不同半导体的图案化，其直写的微纳尺度图案能够完全显示清楚、且尺寸与预设的尺寸一致，并能够直写出最小线宽约30nm高精度的各种半导体纳米线，为今后制备微纳结构的半导体器件提供了一种全新的思路。附图说明图1为本专利技术利用EBL直写实现高精度的打印第三代半导体的流程图；图2为实施例1中的立体三维SEM图形：(a)退火前的SEM图；(b)退火后的SEM图；图3为实施例2退火后的叠层图片：(a)平面SEM图；(b)立体三维SEM图；图4(a)为实施例3退火后的线宽为300nm、250nm、200nm、150nm、100nm和50nm的AFM图；图4(b)为实施例3中的线宽为30nm的SEM图；图5(a-d)分别为实施例4-7退火后的AFM图；图6(a-c)分别为实施例8-10退火后的分析测试图；其中图6(a)为实施例8的AFM图；图6(b)为实施例9的SEM图；图6(c)为实施例10的AFM图；图7(a-d)分别为对比例1-4退火后的分析测试图；图7(a)为对比例1的显微镜图，图7(b)为对比例2的显微镜图；图7(c)为对比例3的显微镜图；图7(d)为对比例4的AFM图；图8(a-c)分别为对比例5-7退火后的显微镜图。具体实施方式一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，它包括以下步骤：(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺(聚乙烯亚胺的数均分子量通常为10000-30000，采用常规市售的即可)溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；超滤的目的在于除去分子量小于3000g/mol的成分；其中，金属盐为选自硝酸锌、四氯化钛、氯化镍和氯化铌中的一种；金属盐与聚乙烯亚胺的投料质量比为1:0.8-1.5；(b)将麦芽糖加入第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；麦芽糖的投料质量与第一溶液的体积比为125-180:1mg/mL。(c)将前驱体溶液旋涂于导电基底(导电基底为导电硅基底，导电硅基底先经过食人鱼溶液处理，然后用超纯水超声清洗三次，最后再用氮气枪吹干后备用)上，随后将导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写(EBL直写的电压为10-20KV，电流为0.224nA)；用水清洗导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火(退火的温度为400-800℃，反应时间为10-15min)，得到单层结构；(d)必要的时候，多次重复进行步骤(c)，得到三维高精度叠层结构。首先将金属盐与聚乙烯亚胺进行络合反应，再加入麦芽糖得到前驱体溶液；再将前驱体溶液旋涂于表面经过羟基化处理的导电硅基底上，再进行EBL直写出所设置的图案或结构，接着用水除去未固化的成分，将涂层导电基底置于空气中多次加热退火使得溶剂完全挥发并除去聚合物，形成金属氧化物图形；将涂层导电基底置于氨气/氢气/氩气中多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；/n(b)将麦芽糖加入所述第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；/n(c)将所述前驱体溶液旋涂于导电基底上，随后将所述导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写；用水清洗所述导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火，得到所需半导体的单层结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将金属盐和水溶性聚合物聚乙烯亚胺溶于水中，进行络合反应，经超滤得到第一溶液；
(b)将麦芽糖加入所述第一溶液中，搅拌得到前驱体溶液；
(c)将所述前驱体溶液旋涂于导电基底上，随后将所述导电基底置于EBL舱内，进行EBL直写；用水清洗所述导电基底，除去未固化部分，再在反应性气体中退火，得到所需半导体的单层结构。


2.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：所述方法还包括在退火后，多次重复进行步骤(c)，得到三维高精度叠层结构。


3.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述金属盐与所述聚乙烯亚胺的投料质量比为1:0.8-1.5。


4.根据权利要求1所述EBL直写高精度第三代半导体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹贵付，戴晓，汪潇涵，蒋怡宁，高亮，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32