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)筑等多個方面的應(yīng)用中顯示了獨特的優(yōu)勢,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以下的電極來在納米量級上研究材料的性質(zhì)并實現(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,如直寫靈活的電子束曝光技術(shù)(EBL)、可實現(xiàn)大面積制備的納米壓印技術(shù)(NIL)、能在特定點上沉積的聚焦離子束技術(shù)(FIB)、可實現(xiàn)任意分子直寫的蘸筆印刷(DPN)等等。
　　雖然上述的納米加工技術(shù)均可實現(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,并有望在未來得到很大的發(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)狀和實驗室的具體條件,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)容分為以下三個部分:
　　一、PMMA單層膠

4、納米壓印法制備納米電極。納米壓印過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。實驗中首先以厚度為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型結(jié)構(gòu),經(jīng)RIE刻蝕去殘膠、Ti/ Au金屬沉積和丙酮剝離之后得到與模板結(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過程的影響都有少量的縮小,但它只是簡單的對模板的復(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)用于納米材料的實際測試中探針很容易將金屬層刮傷,而且金屬剝離的過程較困難。
　　二、SF5/ PMMA雙層膠納米壓印法制備納米電極。針對單層膠納米壓印法制備電極的過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)依賴模板等問題。第二部分的實驗中引進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、簡化工藝等方面擁有較強的優(yōu)勢。具體過程如下: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型結(jié)構(gòu);經(jīng)過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行金屬剝離過程后得到了高度約140nm、漏電流為10-14A左右的納米電極。實驗中通過控制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,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間的增加而增加,間距隨顯影時間的增加而減小;同時這種方法可以提高

8、整個聚合物層的縱寬比,這就解決了單層膠納米壓印制備電極過程中金屬層較薄和剝離過程困難的問題。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)計圖形而不會受到模板的限制,因此這部分實