[发明专利]一种通过操纵衬底宏观移动轨迹实现纳米结构书写的方法

说明书

本发明公开了一种通过操纵宏观衬底移动轨迹设计制备微纳米结构的方法，包括：采用微米尺度的物体将掩膜版隔空支撑于衬底上，在蒸镀或溅射等材料生长或离子束刻蚀或光刻蚀过程中，通过控制衬底的宏观移动轨迹，使材料或刻蚀源通过掩膜版在衬底表面形成与衬底宏观移动轨迹相同、尺寸缩小的微纳米结构。所述衬底的宏观移动轨迹不在以蒸镀源或溅射源为球心的球面上。本发明方法操作简便、设计灵活且制备的微纳米结构的尺寸和形状精准可控，在微纳米结构相关的超表面、等离激元、磁性材料、半导体器件制造等领域具有巨大的实际应用潜力。

技术领域

本发明属于微纳米加工技术领域，具体涉及通过控制掩膜版隔空覆盖的衬底在热蒸镀或离子束刻蚀过程中的宏观移动轨迹，制备任意形状的微纳米结构，实现衬底宏观移动向纳米结构纳米尺度移动的转换。

背景技术

当材料的结构尺寸降低到纳米区间时，它们往往表现出与宏观材料不同的性质和特征，当前制备纳米尺度的材料与结构已成为微纳科学及技术研究中最热门的领域之一。近几十年来，各种微纳米技术应运而生并不断发展，如光刻工艺、电子束曝光工艺等。对于光刻工艺来说，制备的微纳米图案的分辨率与光束的波长成正比关系，所以其制备的微纳米结构分辨率受到光束波长的限制，已经逐渐无法满足工业上日趋苛刻的对精细结构需求，而且昂贵的设备和复杂的曝光系统在很大程度上增加了成本。根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波，所以电子束曝光或者刻蚀相较于光学曝光技术最大的优点就是它突破了光学衍射的极限，可以制备出更高分辨率的纳米结构。但是流程十分耗时，很难应用于大面积纳米结构制备。所以，亟待发展价格低廉、操作简便、能够制备高结构分辨率纳米结构的技术。

热蒸镀法是指在真空室内，将金属等材料加热气化形成蒸汽流，气体分子沉积在衬底或者工件表面，凝结形成固态薄膜或涂层的方法。相较于光刻工艺，利用热蒸镀法制备微纳米图案具有价格低廉、操作简便等特点。目前，将掩模板紧贴在衬底上，并利用热蒸镀法制备与掩模板图形相同的微纳米图案是工业和科研领域常用的微纳结构制备方法，但是这种方法制备的微纳米结构受到掩模板结构分辨率的限制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种通过操纵宏观衬底移动轨迹设计制备微纳米结构的方法。

本发明采用的技术方案具体如下：

一种通过操纵宏观衬底移动轨迹设计制备微纳米结构的方法(微距悬网纳米直写技术)，包括：

采用微米尺度的物体将掩膜版隔空支撑于衬底上，在蒸镀或溅射过程中，通过控制衬底(包括隔空支撑于衬底上的掩膜版)的宏观移动轨迹，使蒸镀或溅射的材料通过掩膜版在衬底表面形成与衬底宏观移动轨迹相同、尺寸缩小的微纳米结构。所述衬底的宏观移动轨迹不在以蒸镀源或溅射源为球心的球面上。

或采用微米尺度的物体将掩膜版支撑于衬底上，在离子束刻蚀或光刻蚀过程中，通过控制衬底的宏观移动轨迹，使离子束或光束通过掩膜版在衬底表面刻蚀出与衬底宏观移动轨迹相同、尺寸缩小的微纳米结构。所述衬底的宏观移动轨迹不在以离子源为球心的球面上。

该方法利用微米尺度的柱子(或球等)将掩膜版悬空并支撑于衬底(如硅等任何材料)之上，通过热蒸镀或者电子束蒸镀等材料生长技术或刻蚀技术，在宏观尺度下移动衬底即可在衬底上制备出与宏观移动轨迹相同的微纳米结构，将该技术命名为微距悬网纳米直写技术。本发明提供的微距悬网微纳米结构的制备方法，只需要从所需制备的微纳米结构的形状和大小出发，来设计衬底的宏观移动轨迹(通常在厘米尺度)。所获得微纳米结构相对于宏观移动轨迹的缩小倍数等于掩膜版到源的距离除以掩膜版到衬底的距离，通常可达上百万倍(即宏观移动1厘米，微观结构移动1纳米)。通过执行多次微距悬网纳米直写过程，既能将多种不同成分和不同形状的纳米结构制备在任何衬底光滑或粗糙表面。

进一步地，所述的微米尺度的物体为微米球或通过光刻等加工工艺制备的纳米柱等。