一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，在旋涂的电子束胶层与即将用于制备成微纳结构的薄膜层之间引入一层或多层导电层，增大电子束曝光过程中高能电子的释放速率，减小局域电场，从而有效避免大量电荷累积在绝缘衬底表面，为后续进一步制备出具有小尺寸、高密度以及大面积微纳结构的纳米电子器件奠定了一定的技术基础。的纳米电子器件奠定了一定的技术基础。的纳米电子器件奠定了一定的技术基础。

【技术实现步骤摘要】
一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法


[0001]本专利技术涉及微纳加工技术和红外单光子探测
，特别是涉及一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法。

技术介绍

[0002]微纳加工技术是光电子器件小型化和大规模集成过程中不可缺少的关键技术之一。目前，微纳加工技术的最小精度已经发展到了5nm以下，相关设备性能也在不断提升。在科学实验中，一般采用电子束曝光技术来制备微纳结构，然后再经过刻蚀等后续工艺最终得到所需要的纳米光电子器件。电子束曝光是相关纳米电子器件研发的一大关键工艺过程。因此，电子束曝光的质量是决定能否制备出大面积、均匀性好的微纳结构的重要前提。而降低电子束曝光质量的一大重要因素就是电子束临近效应。因为在电子束曝光过程中，入射到电子束光刻胶上的大量高能电子一部分激发出起曝光作用的二次电子，另一部分穿过电子束光刻胶到达衬底表面。此时，若衬底的导电性好，这些高能电子可以通过衬底被快速导走而避免了在衬底表面产生电荷累积。若衬底导电性能较差，则这些高能电子难以通过衬底释放，会在衬底表面累积从而形成较强的局域电场，局域电场的存在将极大地改变二次电子的运动状态，从而影响曝光图形的分辨率。此外，若曝光的纳米结构分布密集，则会增大高能电子的密度，这对于导电性较差甚至是绝缘衬底来说，无疑会进一步加剧衬底表面的电荷累积效应。因此衬底的导电性的好坏直接影响着电子束临近效应的严重与否。
[0003]在低温器件领域中，电子束曝光技术使用十分普遍。如在二十一世纪初发展起来的超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)，这是一种目前在近红外波段上综合性能最好的单光子探测器。SNSPD的核心探测单元为蜿蜒结构的密集型超导纳米线，纳米线的宽度通常在50～100nm左右，厚度在3～10nm之间，而纳米线的占空比在0.3～0.8之间。大光敏面、宽谱响应以及提高工作温度是SNSPD的几个重要发展方向。一方面，从科学应用上看，具有大光敏面的SNSPD在红外天文探索、生物荧光检测等前沿领域具有十分重要的应用前景。这是因为在这些领域中，探测器接收到的信号光斑尺寸通常有数十甚至数百微米，因此需要SNSPD的光敏面大于信号光斑的面积，从而提高探测效率。另一方面，当前SNSPD的衬底选择广泛，其中如MgO、MgF2以及Al2O3等衬底具有从可见光到中红外宽谱透明、与超导薄膜晶格匹配(如MgO与NbN超导薄膜晶格匹配，可使得NbN最高可以获得超过16K的超导临界转变温度)的优点，因而可以用于制备宽谱响应的SNSPD，同时也可以有效提高SNSPD的工作温度(>4.2K)，大大降低制冷成本。然而，由于MgO、MgF2以及Al2O3这些衬底绝缘，在电子束曝光过程中将导致严重的电子束临近效应，且这一效应将随着曝光图形密度和面积的增大而越加严重，难以制备出大面积且均匀的微纳结构。
[0004]总的来说，如何在导电性较差甚至绝缘的衬底上制备出小尺寸、高密度以及大面积的微纳结构已成为了纳米电子器件发展中亟待解决的重要难题。目前有报道的相关解决方案有图形校正法和曝光剂量校正法，然而，这些方法实际操作比较复杂，且在电子束曝光
过程中存在写场拼接错位等问题。此外，还有通过在样品上旋涂去电荷胶来降低电子束临近效应的方法，但是目前市场上的去电荷胶分辨率不算太高(>30nm)，对制备宽度仅几十nm的纳米结构于事无补。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为解决电子束曝光在绝缘衬底上产生严重的电子束临近效应的问题，本专利技术提出了一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，在旋涂的电子束胶层与即将用于制备成微纳结构的薄膜层之间引入一层或多层导电层，增大电子束曝光过程中高能电子的释放速率，减小局域电场，从而有效避免大量电荷累积在绝缘衬底表面，为后续进一步制备出具有小尺寸、高密度以及大面积微纳结构的纳米电子器件奠定了一定的技术基础。
[0006]技术方案：一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：在导电性差甚至绝缘的衬底表面生长用于制备成微纳结构的薄膜；
[0008]步骤2：在薄膜表面生长一层或多层导电层；
[0009]步骤3：在导电层的上表面旋涂电子束光刻胶，烘干电子束光刻胶后，得到样品；
[0010]其中，导电层所用材料具备以下物理特性：
[0011]导电层所用材料在所处温度>280K时导电，所处温度<10K时绝缘；
[0012]导电层所用材料对可见光或红外光无吸收或吸收率低于10％；
[0013]导电层所用材料易大面积生长且结构均匀；
[0014]导电层在后续的各个工艺过程中不会变性，以及不会影响薄膜的物理、化学性质。进一步的，所述衬底包括但不限于MgO衬底、MgF2衬底和Al2O3衬底中的一种。
[0015]进一步的，所述薄膜包括但不限于NbN薄膜、Nb薄膜和NbTiN薄膜中的一种。
[0016]进一步的，所述导电层所用材料包括但不限于非晶Si或Nb5N6。
[0017]进一步的，所述电子束光刻胶包括但不限于HSQ、PMMA、ZEP520和AR
‑
P 6200中的一种。
[0018]本专利技术还公开了一种微纳结构材料制备方法，包括：
[0019]采用上述公开的一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，制备得到样品；
[0020]通过导入微纳结构设计图文件至电子束曝光系统和设置曝光参数，在样品的电子束光刻胶上曝光微纳结构图形，曝光完成后，得到曝光样品；
[0021]对曝光样品进行显影、后烘，获得超导纳米线图形；
[0022]采用刻蚀气体将电子束光刻胶上的超导纳米线图形转移到薄膜上，得到微纳结构材料。
[0023]进一步的，所述微纳结构设计图文件包括超导纳米线的图形、超导纳米线图形的占空比、超导纳米线的总面积、超导纳米线的线宽以及超导纳米线之间的间距。
[0024]进一步的，所述刻蚀气体包括但不限于CF4、SF6、CHF3、Ar、O2中的一种或多种气体组合。
[0025]本专利技术还公开了一种纳米光电子器件的制备方法，在采用上述公开的一种微纳结
构材料制备方法制备得到的微纳结构材料的基础上，制备得到纳米光电子器件。
[0026]有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0027](1)本专利技术在弱导电性或绝缘衬底上生长用于制备成微纳结构的薄膜，并在薄膜表面引入导电层结构后再旋涂电子束光刻胶以达到降低电子束曝光过程中产生的电子束领近效应的目的；
[0028](2)采用本专利技术所处提出的方法，可以在导电性差或绝缘衬底上制备大面积、均匀性好的微纳结构；对于低温器件尤其对于SNSPD制备大有益处，可以使得SNSPD同时实现大光敏面、宽谱响应以及提高工作温度的目标(如在MgO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在导电性差甚至绝缘的衬底表面生长用于制备成微纳结构的薄膜；步骤2：在薄膜表面生长一层或多层导电层；步骤3：在导电层的上表面旋涂电子束光刻胶，烘干电子束光刻胶后，得到样品；其中，导电层所用材料具备以下物理特性：导电层所用材料在所处温度>280K时导电，所处温度<10K时绝缘；导电层所用材料对可见光或红外光无吸收或吸收率低于10％。2.根据权利要求1所述的一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，其特征在于：所述衬底包括MgO衬底、MgF2衬底和Al2O3衬底中的一种。3.根据权利要求1所述的一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，其特征在于：所述薄膜包括NbN薄膜、Nb薄膜和NbTiN薄膜中的一种。4.根据权利要求1所述的一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，其特征在于：所述导电层所用材料包括非晶Si或Nb5N6。5.根据权利要求1所述的一种在绝缘衬底上制备高精度、大面积纳米结构的方法，其特征在于：所述电子束光刻胶包...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蜡宝，陈奇，刘梦欣，李飞燕，何广龙，康琳，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：