一种亚10纳米间隙结构的制备方法及其应用
阅读：213发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种亚10纳米间隙结构的制备方法及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种亚10纳米间隙结构的制备方法及其应用，包括如下步骤：(1)设计对顶结构的交叠型图形作为掩模图形；(2)按步骤(1)设计好的图形利用 电子 束对电子束胶曝光，并经过显影、定影，得到所述亚10纳米间隙结构。本发明提供的制备方法可以克服当设计的对顶结构的顶 角 小于40°时存在的欠曝光问题，成功制备得到了亚10纳米间隙结构。，下面是一种亚10纳米间隙结构的制备方法及其应用专利的具体信息内容。
1.一种亚10纳米间隙结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设计对顶结构的交叠型图形作为掩模图形；
(2)按步骤(1)设计好的图形利用电子束对电子束胶曝光，并经过显影、定影，得到所述亚10纳米间隙结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对顶结构的顶角为5-40°；
优选地，所述交叠的长度为300nm以下。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述电子束胶选自聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯共聚物；
优选地，所述电子束胶的厚度为50-200nm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电子束胶为聚甲基丙烯酸甲酯，所述电子束的曝光剂量为600-900μC/cm2；
2
优选地，所述电子束胶为聚苯乙烯共聚物，所述电子束的曝光剂量为170-300μC/cm。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电子束的束流为
100-500pA；
优选地，所述电子束的步长为1-4nm；
优选地，所述电子束的加速电压为100kV。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的制备方法，其特征在于，所述显影和定影的时间各自独立的选自30-60s。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的制备方法，其特征在于，所述间隙结构的最小线宽尺寸在10nm以下。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的制备方法在制备具有亚10纳米结构的材料或器件中的应用。
9.一种图案化二维材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法使用的掩模由权利要求1-7中的任一项所述的制备方法得到；
优选地，所述图案的特征尺寸为亚10纳米宽度。
10.一种金属电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法使用的掩模由权利要求1-7中的任一项所述的制备方法得到；
优选地，所述金属电极具有10nm以下的间隙结构。
一种亚10纳米间隙结构的制备方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明属于纳米加工技术领域，涉及一种亚10纳米间隙结构的制备方法及其应用。
背景技术
[0002] 电子同时具有粒子性和波动性，在纳米尺度元器件中，电子传输过程会像光波一样发生干涉，不仅能量耗散非常少，而且能保存和传递电子相位信息，是理想的信息处理元件。因此纳米电子器件即相位电子器件是微电子器件进一步小型化的必然结果。在纳米电子器件的制作中，尺寸小、导电性好、具有纳米量级间隙的纳米对电极的制作是一个关键，也是一个难点。
[0003] 特征尺寸为亚10纳米的二维金属或其他材料结构能够对电磁场高度局域化，因而通常表现出等离子体增强、电荷隧穿、库伦阻塞、近藤效应等物理现象，在等离激元器件、增强传感探测、单光子源/探测、单分子/单粒子量子器件等基础和应用研究方面受到广泛关注。
[0004] 目前，电子束曝光技术是制备该类纳米结构最直接的有效手段，尽管在操作复杂性与时间成本等方面存在不足，但仍然是当前纳米结构制备技术中行之有效的方法之一。一方面，该技术不需要掩模，可通过软件设计加工任意形状图形的结构；另一方面，可直接制备纳米图形并能够进行多次套刻。尽管电子束光刻技术具有很高的分辨率，但由于其邻近效应因而直接制备亚10纳米的间隙存在很大技术困难。
[0005] CN101067719A公开了一种构筑亚10纳米间隙及其阵列的方法，该方法是利用电子束光刻技术中的邻近效应，将两个图案设计成连续，通过控制电子束的刻蚀能量与图形转移将两个图案的间隙控制在亚10纳米级。CN104465327A公开了一种纳米对电极及其制备方法，包括设置衬底并在其上设置抗蚀剂，确定曝光版图，曝光版图具有用于形成纳米对电极的图案，由沿一直线延伸的两个长条形部分构成，并且呈轴对称分布，每一长条形部分包括一个长方形和一个三角形，长方形的短边与三角形的一条边重合，两个长条形部分的三角形相互面对，按照曝光版图对抗蚀剂进行电子束曝光、显影、定影，形成刻蚀凹槽，在具有刻蚀凹槽的衬底上沉积金属，溶解残留抗蚀剂，得到纳米对电极。在上述专利中，设计的掩模图案的对顶角均在40°以上，利用电子束邻近效应实现了亚10纳米间隙结构的制备。
[0006] 与上述现象相反，当设计掩模图案的顶角在40°以下的对顶结构时，若直接按上述方法进行电子束曝光，中间区域会发生欠曝光现象，导致中间间隙远大于10纳米，完成不了亚10纳米间隙结构的制备。因此，如何实现当对顶结构掩模图案顶角小于40°时亚10纳米间隙结构的制备对于电子束曝光技术是一项挑战和技术难题。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种亚10纳米间隙结构的制备方法及其应用。本发明提供的制备方法可以克服当设计的对顶结构的顶角小于40°时存在的欠曝光问题，成功制备得到了亚10纳米间隙结构。
[0008] 为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] 第一方面，本发明提供了一种亚10纳米间隙结构的制备方法，包括如下步骤：
[0010] (1)设计对顶结构的交叠型图形作为掩模图形；
[0011] (2)按步骤(1)设计好的图形利用电子束对电子束胶曝光，并经过显影、定影，得到所述亚10纳米间隙结构。
[0012] 本发明所述交叠型图形指的是两个图形存在部分交叠，而对顶结构指的是以角对角的形式，因此，本发明所述的对顶结构的交叠型图形指的是，两个图形以角对角的形式交叠，交叠部分的角称为顶角。
[0013] 本发明的图案设计可以利用目前现有的GDSII软件设计。
[0014] 本发明按设计好的交叠型图形利用电子束对电子束胶进行曝光，利用电子束的邻近效应，使交叠区域的中央区域曝光不足的范围缩小至亚10纳米尺寸，然后再经过显影、定影，即可得到亚10纳米间隙结构。
[0015] 在本发明中，所述对顶结构的顶角为5-40°，例如5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°等。
[0016] 优选地，所述交叠的长度为300nm以下，例如250nm、220nm、200nm、150nm、100nm、80nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、10nm、5nm等。
[0017] 本发明所说的交叠长度指的是交叠区域的两个顶角之间的水平距离。
[0018] 优选地，所述电子束胶选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯共聚物(ZEP)。
[0019] 优选地，所述电子束胶的厚度为50-200nm，例如60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm等。
[0020] 本发明的聚苯乙烯共聚物优选ZEP520。
[0021] 在本发明中，所述电子束胶为聚甲基丙烯酸甲酯，所述电子束的曝光剂量为600-900μC/cm2，例如620μC/cm2、640μC/cm2、650μC/cm2、680μC/cm2、700μC/cm2、720μC/cm2、750μC/cm2、780μC/cm2、800μC/cm2、820μC/cm2、850μC/cm2、880μC/cm2等。
[0022] 优选地，所述电子束胶为聚苯乙烯共聚物，所述电子束的曝光剂量为170-300μC/cm2，例如180μC/cm2、200μC/cm2、220μC/cm2、250μC/cm2、240μC/cm2、260μC/cm2、280μC/cm2等。
[0023] 在本发明中，所述电子束的束流为100-500pA。
[0024] 优选地，所述电子束的步长为1-4nm。
[0026] 本发明通过控制顶角度数、交叠长度、电子束步长以及曝光剂量等，得到了亚10纳米间隙结构。
[0028] 优选地，所述显影和定影的时间各自独立的选自30-60s，例如35s、40s、45s、50s、55s等。
[0030] 在本发明中，最后得到的亚10纳米间隙结构的最小线宽尺寸在10nm以下，例如9nm、8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、1nm等。
[0032] 第二方面，本发明提供了根据第一方面所述的制备方法在制备具有亚10纳米结构的材料或器件中的应用。
[0034] 第三方面，本发明提供了一种图案化二维材料的制备方法，所述制备方法使用的掩模由第一方面所述的制备方法得到。
[0035] 优选地，所述图案的特征尺寸为亚10纳米宽度。
[0036] 具体的，包括在二维材料表面根据第一方面所述的制备方法，使用亚10纳米图案化的电子束胶作为掩模，利用化学或物理等方法处理二维材料，制备特征尺寸为亚10纳米宽度的二维材料结构。
[0037] 第四方面，本发明提供了一种金属电极的制备方法，所述制备方法使用的掩模由第一方面所述的制备方法得到。
[0038] 优选地，所述金属电极具有10nm以下的间隙结构。
[0039] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0040] (1)本发明按设计好的交叠型图形利用电子束对电子束胶进行曝光，利用电子束的邻近效应，使交叠区域的中央区域曝光充足，然后再经过显影、定影，即可得到亚10纳米间隙结构；
[0042] 图1是实施例1设计的对顶结构的交叠型图形的结构示意图。
[0043] 图2是实施例2设计的对顶结构的交叠型图形的结构示意图。
[0044] 图3是实施例3设计的对顶结构的交叠型图形的结构示意图。
[0045] 图4是实施例4设计的对顶结构的交叠型图形的结构示意图。
[0046] 图5是对比例1设计的对顶结构的交叠型图形的结构示意图。
[0047] 图6是应用例1得到的金属电极的扫描电镜照片。
[0048] 图7是应用例2得到的金属电极的扫描电镜照片。
[0049] 图8是应用例3得到的金属电极的扫描电镜照片。
[0050] 图9是应用例4得到的金属电极的扫描电镜照片。
[0051] 图10是对比应用例1得到的金属电极的扫描电镜照片。
具体实施方式
[0052] 下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0053] 实施例1
[0054] 一种亚10纳米间隙结构，制备方法如下：
[0055] (1)利用GDSII软件设计如图1所示的对顶结构的交叠型图形，其中，顶角为5°，交叠长度为200nm。
[0057] (3)对衬底进行电子束曝光，所使用的电子束加速电压为100kV，束流为100pA，曝2
光步长1nm，曝光剂量为700μC/cm。
光步长1nm，曝光剂量为700μC/cm。
[0058] (4)在甲基异丁基戊酮和异丙醇(1:3)混合液中显影30s，在异丙醇液体中定影30s，氮气轻轻吹干后，得到亚10纳米间隙结构掩模。
[0059] 实施例2
[0060] 一种亚10纳米间隙结构，制备方法如下：
[0061] (1)利用GDSII软件设计如图2所示的对顶结构的交叠型图形，其中，顶角为10°，交叠长度为40nm。
[0062] (2)将硅晶片利用丙酮、异丙醇和去离子水浸泡超声清洗干净，氮气吹干，然后旋涂一层PMMA胶，厚度80nm，在烘箱上烘烤，烘烤温度为180℃，时间为5分钟。
[0063] (3)对衬底进行电子束曝光，所使用的电子束加速电压为100kV，束流为100pA，曝光步长1nm，曝光剂量为700μC/cm2；
[0064] (4)在甲基异丁基戊酮和异丙醇(1:3)混合液中显影30s，在异丙醇液体中定影30s，氮气轻轻吹干后，得到亚10纳米间隙结构掩模。
[0065] 实施例3
[0066] 一种亚10纳米间隙结构，制备方法如下：
[0067] (1)利用GDSII软件设计如图3所示的对顶结构的交叠型图形，其中，顶角为30°，交叠长度为16nm。
[0068] (2)将硅晶片利用丙酮、异丙醇和去离子水浸泡超声清洗干净，氮气吹干，然后旋涂一层PMMA胶，厚度80nm，在烘箱上烘烤，烘烤温度为180℃，时间为5分钟。
[0069] (3)对衬底进行电子束曝光，所使用的电子束加速电压为100kV，束流为100pA，曝光步长1nm，曝光剂量为700μC/cm2；
[0070] (4)在甲基异丁基戊酮和异丙醇(1:3)混合液中显影30s，在异丙醇液体中定影30s，氮气轻轻吹干后，得到亚10纳米间隙结构掩模。
[0071] 实施例4
[0072] 一种亚10纳米间隙结构，制备方法如下：
[0073] (1)利用GDSII软件设计如图4所示的对顶结构的交叠型图形，其中，顶角为40°，交叠长度为5nm。
[0074] (2)将硅晶片利用丙酮、异丙醇和去离子水浸泡超声清洗干净，氮气吹干，然后旋涂一层PMMA胶，厚度80nm，在烘箱上烘烤，烘烤温度为180℃，时间为5分钟。
[0075] (3)对衬底进行电子束曝光，所使用的电子束加速电压为100kV，束流为100pA，曝光步长1nm，曝光剂量为700μC/cm2；
[0076] (4)在甲基异丁基戊酮和异丙醇(1:3)混合液中显影30s，在异丙醇液体中定影30s，氮气轻轻吹干后，得到亚10纳米间隙结构掩模。
[0077] 对比例1
[0078] 一种亚10纳米间隙结构，制备方法如下：
[0079] (1)利用GDSII软件设计如图5所示的对顶结构，其中，顶角为10°，交叠长度为0nm。
[0080] (2)按照CN101067719A实施例1的制备方法进行操作，得到带有纳米间隙结构的电子束胶。
[0081] 应用例1-4
[0082] 一种金属电极，制备方法如下：
[0084] 其中，应用例1的金属电极具有6nm间隙结构，应用例2的金属电极具有5nm间隙结构，应用例3的金属电极具有7nm间隙结构，应用例4的金属电极具有8nm间隙结构。
[0085] 应用例5-8
[0086] 一种图案化二维材料，制备方法如下：
[0088] (2)按照实施例1-4设计交叠型图形，对电子束胶进行电子束曝光，所使用的电子束加速电压为100kV，束流为100pA，曝光步长1nm，曝光剂量为700μC/cm2，在石墨烯上制备间隙为亚10纳米的结构掩模；
[0090] 对比应用例1
[0091] 与应用例1的区别在于，将实施例1得到的电子束胶替换为对比例1得到的电子束胶。
[0092] 性能测试：
[0093] 对应用例1-4和对比应用例1的金属电极进行表征，方法如下：
[0094] (1)形貌表征：利用扫描电子显微镜观察其纳米间隙结构的具体线宽度；
[0095] 图6为应用例1得到的金属电极的扫描电镜照片，由图可知，其具有6nm的间隙结构；图7为应用例2得到的金属电极的扫描电镜照片，由图可知，其具有5nm的间隙结构；图8为应用例3得到的金属电极的扫描电镜照片，由图可知，其具有7nm的间隙结构；图9为应用例4得到的金属电极的扫描电镜照片，由图可知，其具有8nm的间隙结构；图10为对比应用例1得到的金属电极的扫描电镜照片，由图可知，其具有90nm的间隙结构。
[0096] 由性能测试可知，本发明的制备方法可以成功制备得到亚10纳米间隙结构，而由于设计的图案顶角小于40°，无法利用现有技术中的制备方法制备得到亚10纳米间隙结构。
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