[发明专利]一种在绝缘衬底上制备纳米结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种在绝缘衬底上实现纳米结构的制作方法，特别涉及应用电子束曝光技术在绝缘衬底材料上制备金属纳米结构的制作方法。

背景技术

具有特殊电磁传播特性的亚波长尺寸的人工材料，如高频磁响应材料、左手材料等，一直是近年来人们密切关注的焦点。这种材料通常是通过在衬底介质表面制备亚波长尺寸的金属人工结构而实现的。因此，为实现在近红外和可见光频段的应用，则需要在衬底上实现亚微米或者纳米尺度的人工结构。利用电子束曝光技术，可以导电性较好的衬底上实现亚微米或纳米尺度的图形转移，但在近红外和可见光频段具有良好透过的常见衬底，如石英、玻璃等往往都是绝缘体，而绝缘衬底在电子束曝光的过程中会产生电荷积聚效应，导致曝光图形的扭曲，使电子束曝光不能顺利进行，甚至无法实现曝光。解决这一问题采用的方法通常有两种：一种是采用高分辨率的电子束曝光设备，如文献1，“纳米制备在可见光频域的负磁导率媒质”(Nanofabricated media with negative permeability at visiblefrequencies)，载于《Nature》，2005，Vol.438：335-338所公开。该方法使用较高的电子枪加速电压，提高电子扫描显微镜的分辨率，能够直接地实现图形曝光。但这种方法的缺点同样很明显，高加速电压在提高分辨率的同时，无法避免甚至会加剧电荷积聚的产生，导致边缘效应甚至可能造成样品的损伤，而且高分辨率的电子束曝光设备价格昂贵，进一步限制了应用。另一种方法是选择在样品或电子束抗蚀剂层上沉积一层导电层，如文献2，“用短线对和平板对作磁原子的光学超材料”(Cut-wire pairs and plate pairs as magnetic atoms for opticalmetamaterials)，载于《Optics Letters》，2005，Vol.30，No.23：3198-3200所公开。文献2中，在电子束曝光之前，一层导电的5nm的氧化铟锡(indium tin oxide，即ITO导电玻璃)被沉积在绝缘的玻璃衬底上。这种方法虽然能够较为有效地避免电子束曝光中的电荷积聚，但是在衬底表面的导电层材料如果得不到有效清除，则有可能会造成样品的污染，甚至改变材料的特性，而像ITO玻璃这样的导电层一般只能用刻蚀的方法去除，既增加了工艺的复杂程度同时有可能造成图形的损伤。而且以上所述的两种方法都只是单纯地解决在绝缘衬底上的电子束曝光问题，对后续的溶脱工艺非但任何帮助，还往往还伴随着较严重的副作用，如高加速电压很可能造成严重的边缘效应或使电子抗蚀剂层发生断裂，而不做任何处理、单纯地在衬底或抗蚀剂层表面镀导电层往往会带来不必要的污染或者不得不引入本非必要的刻蚀工艺过程。

发明内容

本发明的目的在于：克服已有在绝缘衬底上制备纳米结构方法的缺陷，从而提供一种高效、精确且对材料没有污染和破坏的、制备绝缘衬底上纳米结构的方法，该方法提高了样品的制作质量与工作效率，在绝缘衬底上实现更精细的纳米结构。

本发明是这样实现的：

本发明用于制作绝缘衬底上纳米结构的方法，包括以下步骤：

1)衬底的选择与处理；首先选择绝缘基片为衬底，利用镀膜设备在衬底上沉积铝膜，所述蒸镀铝膜的厚度应该大于目标纳米结构的厚度，同时必须小于结构图形中线条最小间距的1/2；

2)电子束抗蚀剂的涂覆：将步骤1)铝膜蒸镀完成后的样品应该立刻涂覆电子抗蚀剂，防止铝膜长期暴露在空气中被氧化；然后进行前烘，以使电子束抗蚀剂的曝光特性固定，前烘的温度及时间根据不同电子束抗蚀剂的条件选择；

3)纳米结构图形的设计：根据所要制备纳米结构的尺寸及形状，设计曝光图形；图形中线条的宽度在10—500nm之间，线条之间的最小距离不小于铝膜厚度的两倍；

4)纳米结构图形的曝光：在步骤2)制好的样品右下角涂上用于电子束聚焦的导电胶颗粒，并按观察时一致方位放入电子束曝光系统，同时必须使铝膜与样品台导通，才能保证聚焦电子束不会在样品表面产生电荷积聚；根据曝光图形尺寸和电子抗蚀剂的类型及厚度，选择适当的电子枪加速电压与光栅尺寸，建立样品坐标系；利用导电胶颗粒调整电子束的聚焦、象散及电子束的高压中心，调节写场(写场即曝光时电子束移动的范围，在写场内通过电子束移动完成曝光，写场之间则要靠样品台移动完成)，保证写场间的拼接误差在10纳米以内；用法拉第杯测电子束束流，根据不同电子束抗蚀剂和图形尺寸的选择合适的曝光剂量与扫描步长；

5)将曝光后样品从电子束曝光系统中取出，经显影、定影后，实现了设计的纳米结构图形已经转移到电子束抗蚀剂层；