用納米壓印和電子束曝光技術(shù)構(gòu)筑納米電極.pdf

1、納米電極在納米材料光電特性的研究、納米電子學(xué)、納米器件構(gòu)筑等多個(gè)方面的應(yīng)用中顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),得到了廣大學(xué)者的密切關(guān)注。而隨著納米科技的發(fā)展,納米材料和器件的特征尺寸逐漸趨于100nm以下,這樣就要求有相應(yīng)的100nm以下的電極來(lái)在納米量級(jí)上研究材料的性質(zhì)并實(shí)現(xiàn)更小尺寸器件的組裝。然而,在納米電極的制備上往往由于缺少低成本、大面積而又間距可控的方法而受到了很大的限制,這就在一定程度上限制了納電子學(xué)的發(fā)展。因此,發(fā)展可達(dá)到上述要求的納米電

2、極的制備方法具有重要的科學(xué)意義。很多納米加工技術(shù)在納米電極的制備上都凸顯了各自的優(yōu)勢(shì),如直寫(xiě)靈活的電子束曝光技術(shù)(EBL)、可實(shí)現(xiàn)大面積制備的納米壓印技術(shù)(NIL)、能在特定點(diǎn)上沉積的聚焦離子束技術(shù)(FIB)、可實(shí)現(xiàn)任意分子直寫(xiě)的蘸筆印刷(DPN)等等。
　　雖然上述的納米加工技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)較小尺寸的納米電極的制備,但只有納米壓印技術(shù)在制備低成本、大面積和較高分辨率的納米電極中有突出的優(yōu)勢(shì),并有望在未來(lái)得到很大的發(fā)展。而且電子束曝光

3、技術(shù)以其圖形設(shè)計(jì)的靈活性也將在納米電極的制備上發(fā)揮重要的作用。因此,根據(jù)這些現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)室的具體條件,本文分別利用納米壓印技術(shù)和電子束曝光技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)不同的納米電極,其中最小尺寸做到了70nm。將納米壓印技術(shù)和雙層膠剝離技術(shù)結(jié)合制備了間距可調(diào)的納米電極,得到了在顯影濃度一定的情況下納米電極的間距隨著顯影時(shí)間的增加而減小的結(jié)論;并用電子束曝光技術(shù)制備具有不同間距和不同結(jié)構(gòu)的納米電極。主要內(nèi)容分為以下三個(gè)部分:
　　一、PMMA單層膠

4、納米壓印法制備納米電極。納米壓印過(guò)程所用的電極模板由四種不同間距(100nm、200nm、400nm、800nm)的結(jié)構(gòu)組成,線寬為300nm,模板結(jié)構(gòu)高度為170 nm。實(shí)驗(yàn)中首先以厚度為200nm左右的單層聚丙烯酸甲酯(PMMA)光刻膠作為阻擋層旋涂在干凈的Si基底上,利用納米壓印系統(tǒng)在PMMA聚合物上形成電極模板負(fù)型結(jié)構(gòu),經(jīng)RIE刻蝕去殘膠、Ti/ Au金屬沉積和丙酮?jiǎng)冸x之后得到與模板結(jié)構(gòu)相似的四種納米電極。這四種電極的間距受壓印

5、和RIE過(guò)程的影響都有少量的縮小,但它只是簡(jiǎn)單的對(duì)模板的復(fù)制,其間距與線寬受到模板的限制并不能得到有效的調(diào)控;而且這種方法制備的電極由于其阻擋層厚度較小加之一些后續(xù)的處理使得其制備的電極金屬層高度較低(23nm左右),應(yīng)用于納米材料的實(shí)際測(cè)試中探針很容易將金屬層刮傷,而且金屬剝離的過(guò)程較困難。
　　二、SF5/ PMMA雙層膠納米壓印法制備納米電極。針對(duì)單層膠納米壓印法制備電極的過(guò)程中存在的金屬剝離較為困難、金屬層厚度較低以及電極

6、結(jié)構(gòu)依賴模板等問(wèn)題。第二部分的實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)了用于剝離的光刻膠 SF5(lift off resist,LOR),這種光刻膠在金屬剝離過(guò)程、“undercut(SF5層結(jié)構(gòu)側(cè)壁與 PMMA層結(jié)構(gòu)側(cè)壁之間的距離)”控制、高分辨率、簡(jiǎn)化工藝等方面擁有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。具體過(guò)程如下:首先是將SF5光刻膠旋涂于干凈的基底上作為剝離層,再在其上旋涂一層PMMA光刻膠作為納米壓印的阻擋層;利用納米壓印系統(tǒng)在其上形成電極模板的負(fù)型結(jié)構(gòu);經(jīng)過(guò)RIE氧離子刻蝕去殘

7、膠(PMMA)和TMAH溶液顯影SF5之后在其上濺射一層金屬Ti和Au,將樣品放入N-2甲基吡咯烷酮溶液中進(jìn)行金屬剝離過(guò)程后得到了高度約140nm、漏電流為10-14A左右的納米電極。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制TMAH顯影條件可以有效的調(diào)節(jié)undercut的大小,當(dāng)undercut的大小發(fā)生變化時(shí),最終制備的納米電極的線寬也將發(fā)生變化,發(fā)現(xiàn)在顯影濃度不變的情況下納米電極的線寬隨著顯影時(shí)間的增加而增加,間距隨顯影時(shí)間的增加而減小;同時(shí)這種方法可以提高

8、整個(gè)聚合物層的縱寬比,這就解決了單層膠納米壓印制備電極過(guò)程中金屬層較薄和剝離過(guò)程困難的問(wèn)題。因此,這種方法制備的納米電極的結(jié)構(gòu)不完全依賴于模板,可以對(duì)其線寬和間距做到一定程度的調(diào)節(jié)。
　　三、EBL技術(shù)制備納米電極。雖然第二種制備方法可以調(diào)控納米電極的線寬和間距,但卻無(wú)法調(diào)控電極的整體結(jié)構(gòu)和周期,所以上述兩種方法制備的納米電極的結(jié)構(gòu)都受到了模板的一些限制。電子束曝光技術(shù)(EBL)則可以任意設(shè)計(jì)圖形而不會(huì)受到模板的限制,因此這部分實(shí)