[发明专利]一种三维纳米节距样板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维纳米节距样板及其制备方法，属于纳米计量技术领域。

背景技术

纳米尺寸标准样板是实现纳米尺寸从国家标准器件传递到实际生产、制造中的重要传递介质，而纳米节距标准样板用于纳米尺度的线宽、节距和阶高的测量和控制，以及相关纳米测量仪器的校准和溯源等。由于受限于标准实物设计及制备工艺研究的缺失，我国尚未研制出能够用于量值传递的纳米节距标准样板，严重的影响了我国集成电路、超精加工、纳米机械和MEMS技术等涉及纳米技术的相关技术和产业的发展以及国际竞争力，因此研究准确、实用的纳米节距样板是纳米计量技术领域当前急需解决的问题和研究重点。

根据在纳米节距样板研制方面查询到的国内外相关文献资料，其主要集中在利用刻蚀、激光汇聚原子沉积等技术进行样板的研制。日本NMJ利用微纳加工技术获得了(0.2～8)μm的GaAl/AlAs超晶格节距样板。美国NIST利用激光汇聚原子沉积技术获得了铬原子的节距样板，其平均节距的不确定度为0.0049nm。而西安交通大学采用等离子体增强化学沉积多层Si₃N₄薄膜和Cr薄膜，并将沉积有多层薄膜的硅片进行划片后面对面紧密贴合在一起，相互贴合的沉积有多层薄膜的硅片界面作为纳米节距样板的表面，相邻Cr薄膜厚度的中心线之间的距离即为样板的节距。

但是，作为标准样板其结构稳定性以及材质的均匀性直接影响了量值传递过程的准确性，这在纳米节距标准样板的制备过程中就需要不仅控制层厚的均匀性，还需要对膜层的均匀性、表面和界面的粗糙度进行有效的控制，特别是过渡层的界面结构。采用微纳加工技术制备的纳米节距样板，其Z方向的控制有很大的随机性，可复现性差，且对环境要求严格，加工条件苛刻；利用激光汇聚原子沉积获得的节距样板虽然其平均节距非常准确(相对不确定度为10^-5)，可以直接溯源于绝对原子跃迁频率，但是沉积线比较粗，在一个单线对上的单次测量可能产生很大的不确定性；而对沉积有多层薄膜的硅片采用划片贴合的方式获得的节距样板，其两片划片硅片无法实现原子级的密封，且节距样板的表面形貌无法控制，无法满足节距样板的量值传递需要。

因此，需要研制出节距可控、节距结构具有良好稳定性和复现性的纳米节距样板，满足工业生产中对纳米尺度的线宽、节距以及台阶的量值溯源及传递需求。

发明内容

本发明的目的是针对国内研制的纳米节距样板无法满足量值传递，为实现对微器件、微系统有效检测的需要而提出一种三维纳米节距样板及其制备方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种三维纳米节距样板，包括基底、第一外延膜层和第二外延膜层。其组成关系为：利用分子束外延技术在基底上实现第一外延膜层的生长；然后利用刻蚀技术将节距掩膜结构转移到第一外延膜层上；再利用分子束外延技术在第一外延膜层上进行第二外延膜层的生长。第一外延膜层和第二外延膜层的生长过程中，成膜原子按照层状结构模式生长。由于成膜原子按照层状结构模式生长，因此保留了刻蚀的节距结构，刻蚀的表面节距即为所述三维纳米节距样板的横向节距，刻蚀的结构深度即为所述三维纳米节距样板的侧向节距，从而实现三维纳米节距样板的研制。

为了实现所述成膜原子按照层状结构模式生长，三维纳米节距样板的基底选用具有良好的侵润性以及晶格匹配度的硅(100)(Si(100))单晶结构材料；第一外延膜层和第二外延膜层的成膜材料选用纯度高于99％的铬(Cr)；并在腔体真空度优于1.0×10^-9毫巴(mbar)，基底温度为300℃，蒸发源温度为1350℃的成膜条件下，进行铬原子在硅(100)基底上的分子束外延生长。

其制备方法为：

第1步：利用金刚笔在硅(100)单晶基片上切割出长矩形块状作为基底，并在电子束蒸发源上安装纯度为99％以上的高纯度铬材料蒸发棒，以实现在基底上的铬原子的外延生长。

第2步：对基底进行清洁处理。具体为：将基底在功率为60W的超声波震荡环境下，依次利用质量分数优于99.8％的高纯度无水乙醇、质量分数优于99.8％的丙酮以及去离子水在30℃的温度条件下清洗5分钟，清洗掉基底表面附着的大的杂质颗粒以及有机物，将基底表面的氧化层裸露出来；为了防止硅片再污染，利用质量分数优于99.7％的异丙醇易挥发的特性对基底表面进行干燥处理，并在洁净氮气的气氛下送入真空腔体。