[发明专利]湿环境下电子束直接纳米刻蚀或印刷的方法

说明书

技术领域

本发明设计一种新的纳米尺度微结构电子束刻蚀或印刷方法，该方法属于电子曝光领域，具体是采用一种湿环境电子束曝光的方法，可用于制作各种形状的纳米尺度图案。

背景技术

随着微电子技术的不断发展以及应用市场需求的不断提升，纳米尺度材料的精加工日趋成为微加工产业的核心基础。由于光的波长限制，传统的光刻加工技术已经不能满足人类日益对纳米尺度精细加工的需求。而光刻技术的精度主要受到光子在波长尺度上散射的影响，因此使用的波长越短，光刻的精度越高。根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极端的波，因此电子束曝光的精度可以达到纳米量级。电子束曝光作为一种新的纳米尺度电路集成以及纳米器件加工技术，已经取得了长足的进步，并且实现了规模化的生产。例如德国公司生产的EBL Raith150、日本电子的JBX5500ZA等电子束光刻、印刷设备也取得了商业化生产。到目前为止电子束刻蚀或印刷的基本操作步骤如下：首先将特定的电子束抗蚀剂的溶液旋涂于要刻蚀的基片衬底之上，然后将抗蚀剂烘干，形成一层固态的抗蚀剂光阻薄膜；此时再将其放置于电子束曝光系统之下，进行曝光，刻画出器件所需的图案；将器件取出，放置于对应的显影剂下进行显影，从而祛除需要进一步进行印刷或者刻蚀的基片衬底上的光阻；将基片转移至刻蚀机或者蒸发镀膜机之上，对暴漏基片衬底部分进行等离子刻蚀或者镀膜处理；然后将基片放置于特定的清洗液中，除去基片表面的剩余光阻。从以上操作步骤可以看出，电子束刻蚀所需的工艺非常复杂，并且所需的设备价格非常昂贵。另外，由于电子束光刻中用到了大量的光阻、显影液、清洗剂等有机溶剂，对环境污染极其严重，而且生产效率低下。因此到目前为止，电子束曝光技术仍然没有得到广泛的大规模生产应用，所有的这些问题急需工业界提出一种成本低更低，环境污染更下，加工效率更高的电子束曝光技术来解决。

发明内容

基于以上问题，本发明提出一种在湿环境下，利用电子束曝光，对材料表面进行刻蚀或者印刷纳米图案的方法。该方法在传统电子束曝光系统基础上，对被曝光基片表面附着一层湿环境层，此湿环境层包括纯液体层、蒸汽层、含结晶水或吸附水的固体层，从而可以实现对包括氧化物、硫化物、氮化物、硅及硅化物、氟化物无机半导体，绝缘体，还包括卤化物离子晶体、有机物各种基片材质表面直接进行电子束曝光下的纳米尺度图案刻蚀以及印刷。

湿环境下电子束直接纳米刻蚀或印刷的方法，其特征在于依次包括如下步骤：

(1)制作湿环境覆膜

通过在基片表面，悬滴去离子水、含无机离子的水溶液或有机络合物溶液，从而在基片表面形成厚度为1nm-1cm的液态覆膜层。另外可在基片表面密封水蒸汽层或含结晶水、吸附水的固体层，此层厚度需首先换算成水的含量，并保证换算后水层平均厚度在1nm-1cm之间。

(2)电子束曝光

对于允许湿环境操作的电子束曝光设备可直接对基片进行电子束曝光；

对于不允许湿环境操作的电子束曝光设备，需首先密封湿环境覆膜层，然后将基片放置于电子束下进行曝光，从而刻蚀或印刷出所需的纳米尺度微加工图案。

(3)清洗基片

对曝光后的基片进行清洗，然后将基片烘干。

进一步，对于半导体材料利用去离子水作为湿环境进行刻蚀或者采用弱酸、碱、有机或无机盐类湿环境刻蚀剂进行刻蚀。

进一步，对于印刷器件选用含有金属离子、无机物盐的水溶液或者金属有机络合物作为湿环境。

进一步，电子束刻蚀或印刷纳米图案是通过移动电子束来实现图案的绘制根据或者通过移动样品台来实现图案的绘制。

在电子束曝光源与需刻蚀、印刷的基片之间存在湿环境层。湿环境为纯液体、湿环境气氛或湿环境固化层。

对于大部分半导体材料，例如VO₂，CeO₂，ZnO，TiO₂，均可以利用去离子水作为湿环境进行刻蚀。

对于传统半导体，例Si，Ge，包括金属、绝缘体材质器件，则可以采用弱酸、碱、有机或无机盐类湿环境刻蚀剂进行刻蚀。

对于绝大对数印刷器件，可以选用各种含有金属离子、无机物盐的水溶液，金属有机络合物作为湿环境，来进行基片表面纳米尺度金属、金属氧化物、无机化合物图案沉积印刷。

对于其它材质的纳米印刷图案，例如C基，氧化物基，可以通过改变湿环境的成分来实现，例如利用大分子有机溶液，受电子束轰击，便可形成C基纳米图案。

电子束刻蚀或印刷纳米图案是通过移动电子束来实现图案的绘制，电子束不限定电压以及电流密度。