一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法

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1.本发明属于原子及近原子尺度制造与半导体加工技术领域，特别涉及一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法。

背景技术：

2.随着微纳米技术与微机电系统技术的深入发展，组成系统的器件结构变得更加复杂，对高分辨率微纳加工的要求越来越高。例如，在量子、光学量子、电子等应用领域，核心器件的最小特征尺寸已经达到几个纳米甚至更小。通过优化现存微纳制造技术与半导体加工工艺很难实现几个纳米量级结构的批量加工，因为它们的加工方式已经逼近其物理极限。但是新一代极端微小器件的出现是必然的，而实现新一代器件的制造技术必然是原子尺度。
3.早在1990年，美国ibm研究部利用扫面隧道显微镜首次实现对单个原子的操纵，这一重要的研究证明了原子尺度制造的可能性。自天津大学微纳制造实验室在2013年提出了制造的三个范式，并指出原子与近原子尺度制造(acsm)是制造iii的核心技术后，这个全新的领域受到国内外学者的广泛关注。在原子及近原子尺度制造功能上，已经有很多优秀的科研人员在从事该领域的研究，其中关键难点是如何通过制造的技术手段构建原子尺度结构实现特定功能，并实现批量生产，这是突破当前前沿科技技术瓶颈着眼于下一代制造技术的发展趋势，对未来科学技术发展和高端元器件制造具有意义重大。
4.但是，实现新一代元器件原子及近原子尺度制造需要开发新的制造装备，这是一个漫长的过程。相反，基于目前制造技术的优势，从制造新方法角度可以尽早切入展开研究。电子束光刻技术已经表明对精细结构加工的超高分辨率，截止目前报道的研究发现其最小可实现的线宽尺寸为6nm；原子层沉积技术可以实现薄膜的单原子厚度可控沉积；电铸技术具有对表面原子级的复制精度。综合这些制造技术对微小结构卓越的加工极限，通过合理的设计加工方法，原子及近原子尺度功能结构器件的制造将会成为可能。

技术实现要素：

5.本发明提供了一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，旨在突破当前半导体加工技术在制造几纳米甚至原子及近原子尺度功能结构器件的瓶颈问题。
6.本发明所提供的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，顺序包括下述步骤：
7.(1)电子束光刻步骤；
8.首先，在硅片基底上涂覆电子胶，前烘后利用电子束曝光处理电子胶制备纳米尺度的图案结构，后烘显影定形后在硅片上得到电子胶图案结构；
9.(2)原子层沉积步骤；
10.利用原子层沉积技术在所述电子胶图案上逐层各向同性沉积具有原子层厚度的金属薄膜，使得电子束光刻制作的纳米图案结构的线宽尺寸尽可能被弥合；
11.(3)电铸步骤；
12.对所述原子层沉积后的图案结构进行电铸，将电子胶图案电沉积精准复制到金属模具上，得到金属凸型模具；
13.(4)金属模具脱模步骤；
14.利用氢氧化钾/氢氧化钠对金属模具与硅基底结合体进行腐蚀，硅片被彻底化学腐蚀并释放得到残留有所述原子层沉积的金属薄膜覆盖的金属凸型模具；
15.(5)金属薄膜腐蚀步骤；
16.根据所述原子层沉积的金属薄膜与金属模具材料的化学特性的差异性，选择腐蚀剂将残留的金属薄膜腐蚀掉，得到纯金属凸型模具；
17.(6)纳米压印步骤；
18.预先给所述金属凸型模具表面进行分子镀膜，促进模具与聚合物无损脱模，然后以金属凸型模具为模板，利用纳米压印将金属凸型模具的图案结构转印到聚合物材料上；
19.(7)聚合物功能器件的脱模步骤；
20.将压印得到聚合物件清洗，得到具有特殊用途的凹型聚合物功能器件。
21.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，顺序包括下述步骤：
22.(1)光刻步骤；
23.首先，在硅片基底上涂覆光刻胶，前烘后利用紫外光/电子束曝光处理光刻胶制备微米/纳米尺度的图案结构，后烘显影定形后在硅片上便可以得到线宽为微米/纳米尺度的光刻胶图案结构；
24.(2)原子层沉积步骤；
25.利用原子层沉积技术在所述光刻胶图案上各向同性沉积具有原子层厚度的金属薄膜；
26.(3)选择性刻蚀步骤；
27.利用溅射反向刻蚀，选择性地去除沉积在光刻胶图案水平面的金属薄膜材料，保留光刻胶图案内部侧壁的金属薄膜；
28.(4)除胶步骤；
29.利用除胶剂将所述光刻胶图案去除；
30.(5)硅刻蚀步骤；
31.以所述侧壁保留的金属薄膜为掩模，干法刻蚀硅基底，在其上得到线宽为微米/纳米范围、深度为纳米范围的图案结构；
32.(6)侧墙刻蚀步骤；
33.利用侧墙金属薄膜对应的腐蚀液将侧墙薄膜腐蚀掉，得到具有原子及近原子尺度线宽、纳米级高度的刻蚀硅片图案；
34.(7)原子层沉积步骤；
35.利用原子层沉积技术在所述刻蚀硅片图案上各向同性沉积金属薄膜；
36.(8)电铸步骤；
37.对所述原子层沉积后的图案结构进行电铸，得到金属凹模具；
38.(9)金属脱模步骤；
39.利用氢氧化钾/氢氧化钠对金属模具与硅基底结合体进行腐蚀，硅片被彻底化学腐蚀并释放得到残留有所述原子层沉积的金属薄膜覆盖的金属凹型模具；
40.(10)金属薄膜腐蚀步骤；
41.根据所述原子层沉积的金属薄膜与金属模具材料的化学特性的差异性，选择腐蚀剂将残留的金属薄膜腐蚀掉，进而得到纯金属凹型模具；
42.(11)纳米压印步骤；
43.预先给所述金属凹型模具表面进行分子镀膜促进模具与聚合物无损脱模，然后以金属凹型模具为模板，利用纳米压印将金属凹型模具的图案结构转印到聚合物材料上；
44.(12)聚合物功能器件脱模步骤；
45.将压印得到聚合物件清洗，得到具有特殊用途的凸型聚合物功能器件。
46.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中电子胶具有超高分辨率、高耐刻蚀特征，要求通过简单工艺可以得到小于10nm甚至更小的结构。
47.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)在硅片基底上原子层沉积的金属薄膜是一种不但起导电作用而且可以作为粘接层的材料。
48.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中金属凸型模具的线宽及高度由原子层沉积金属薄膜的厚度精准控制。
49.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)在硅片基底上原子层沉积的金属薄膜是金或铬，作为粘接层的材料，。
50.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(7)在硅片基底上原子层沉积的金属薄膜是金或铬，不但起导电作用而且可以作为粘接层的材料。
51.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(8)中金属凸型模具的线宽及高度由原子层沉积金属薄膜的厚度精准控制。
52.本发明的显著优势在于：
53.(1)充分结合了电子束光刻对纳米级精细结构的极限加工能力、原子层沉积技术的原子级厚度可控沉积与电铸技术原子顺序电沉积的优势，通过多种微纳制造技术的叠加，突破现存半导体加工技术的极限，实现原子及近原子尺度功能结构器件的制造。
54.(2)无需利用专用原子及近原子尺度制造设备，充分利用现在成熟的电子束光刻、原子成沉积、电铸、纳米压印技术与设备。
55.(3)金属模具制造成本低、聚合物功能器件利用纳米压印技术可以实现批量化生产。
附图说明
56.图1为其中一种原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法流程示意图。
57.图2为另一种原子及近原子尺度结构功能结构器件的制造方法流程示意图。
58.图中：1硅片基底；2电子胶；3多层原子厚度金属薄膜；4金属凸型模具；5凹型聚合物器件；6光刻胶；7单原子层金属薄膜；8金属凹型模具；9凸型聚合物器件。
具体实施方式
59.下面结合技术方案和附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。
60.本发明以一种面向原子及近原子尺度光刻胶结构、镍模具、聚甲基丙烯酸甲酯功能器件的制造方法为具体实施例。
61.实施例1，其制造方法顺序步骤如下：
62.(1)电子束光刻步骤；
63.首先，利用紫外臭氧清洗硅片，然后在硅片基底上涂覆30nm厚的ar-p6200电子胶并进行前烘，再利用电子束曝光处理电子胶得到纳米尺度的图案结构，后烘显影定形后在硅片上，得到如图1(a)所示线宽小于10nm的图案结构；
64.(2)原子层沉积步骤；
65.利用原子层沉积技术在所述线宽小于10nm的电子胶图案上逐层各向同性沉积具有原子层厚度的铬薄膜(如图1(b)所示)，使得电子束光刻制作的纳米图案结构的线宽尺寸被弥合到几个纳米范围甚至原子及近原子尺度；
66.(3)电铸步骤；
67.对所述原子层沉积后的图案结构用氨基磺酸活化处理并进行镍电铸，在纳米结构电沉积填充阶段使用小于0.01a/dm2的脉冲电流密度，将电子胶图案电沉积精准复制到镍模具上，当纳米结构被填充后，使用1a/dm2的电流密度电沉积加厚镍模具基底至数百微米；
68.(4)金属模具脱模步骤；
69.利用60％浓度的氢氧化钾/氢氧化钠在90
°
的条件下对金属镍模具与硅基底结合体(如图1(c))进行腐蚀，硅片被彻底化学腐蚀并释放得到残留有所述原子层沉积的铬薄膜覆盖的金属镍凸型模具；
70.(5)金属薄膜腐蚀步骤；
71.使用浓度为80％的氢氧化钾/氢氧化钠将残留在镍模具上的铬薄膜(如图1(d)所示)腐蚀掉，得到纯镍凸型模具(如图1(e)所示)，所述金属镍凸型模具具有线宽为原子及近原子尺度、高度为数纳米到几十纳米，具体取决于原子层沉积工艺控制；
72.(6)纳米压印步骤；
73.为了防止细小结构在脱模过程中的变形失真，需要预先给金属镍凸型模具表面利用蒸发镀一层bgl-gz-83分子膜来促进模具与聚合物无损脱模，在8小时后，以金属镍凸型模具为模板，利用纳米压印技术将金属镍凸型模具的图案结构转印到聚甲基丙烯酸甲酯聚合物材料上(如图1(f))；
74.(7)聚合物功能器件的脱模步骤；
75.将纳米压印得到凹型聚甲基丙烯酸甲酯聚合物件清洗便可以得到具有特殊用途的功能器件。
76.实施例2，其制造方法顺序步骤如下：
77.(1)光刻步骤；
78.首先，利用紫外臭氧清洗硅片，然后在硅片基底上涂覆50nm厚的稀释后的su-8光刻胶并进行前烘，再利用紫外曝光处理光刻胶得到纳米尺度的图案结构，后烘显影定形后在硅片上便可以得到如图2(a)所示线宽为微/纳米范围的图案结构；
79.(2)原子层沉积步骤；
80.利用原子层沉积技术在所述光刻胶图案上各向同性沉积具有原子层厚度的金薄膜(如图2(b)所示)；
81.(3)选择性刻蚀步骤；
82.利用氩等离子体溅射反向刻蚀，选择性地去除沉积在光刻胶图案水平面的金薄膜材料，保留光刻胶图案内部侧壁的金薄膜(如图2(c))；
83.(4)除胶步骤；
84.利用除胶剂和氧等离子体清洗去除硅片上的光刻胶，残留的侧壁金薄膜作为下一步刻蚀工艺的掩膜(如图2(d))；
85.(5)硅刻蚀步骤；
86.以所述侧壁保留的金薄膜为掩模，干法刻蚀硅基底，在其上得到线宽为微米/纳米范围、深度为纳米范围的图案结构(如图2(e))；
87.(6)侧墙刻蚀步骤；
88.用王水去除金薄膜侧墙，得到具有原子及近原子尺度线宽、纳米级高度的刻蚀硅片图案结构(如图2(f))；
89.(7)原子层沉积步骤；
90.利用原子层沉积技术在所述刻蚀硅片图案上各向同性沉积金属铬薄膜作为电铸的基底粘结层和导电层(如图2(g))；
91.(8)电铸步骤；
92.对所述原子层沉积后的图案结构用氨基磺酸活化处理并进行镍电铸，在微/纳米结构电沉积填充阶段使用小于0.01a/dm2的脉冲电流密度，将光刻胶图案电沉积精准复制到镍模具上，当微/纳米结构被填充后，使用1a/dm2的电流密度电沉积加厚镍模具基底至数百微米；
93.(9)金属脱模步骤；
94.利用60％浓度的氢氧化钾/氢氧化钠在90
°
的条件下对金属镍模具与硅基底结合体(如图2(h))进行腐蚀，硅片被彻底化学腐蚀并释放得到残留有所述原子层沉积的铬薄膜覆盖的金属镍凹型模具；
95.(10)金属薄膜腐蚀步骤；
96.使用浓度为80％的氢氧化钾/氢氧化钠将残留在镍模具上的铬薄膜(如图2(i)所示)腐蚀掉，得到纯镍凹型模具(如图2(j)所示)，所述金属镍凹型模具具有线宽为原子及近原子尺度、高度为数纳米到几十纳米，具体取决于原子层沉积工艺控制；
97.(11)纳米压印步骤；
98.为了防止细小结构在脱模过程中的变形失真，需要预先给金属镍凹型模具表面利用蒸发镀一层bgl-gz-83分子膜来促进模具与聚合物无损脱模，在8小时后，以金属镍凹型模具为模板，利用纳米压印技术将金属镍凹型模具的图案结构转印到聚甲基丙烯酸甲酯聚合物材料上(如图2(k))；
99.(12)聚合物功能器件的脱模步骤；
100.将纳米压印得到凸型聚甲基丙烯酸甲酯聚合物件清洗便可以得到具有特殊用途的功能器件(如图2(l))。
101.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范
围的限制，凡是利用本发明及附图内容的等效工艺流程，或直接或间接运用在其它的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，顺序包括下述步骤：(1)电子束光刻步骤；首先，在硅片基底上涂覆电子胶，前烘后利用电子束曝光处理光刻胶制备纳米尺度的图案结构，后烘显影定形后在硅片上得到电子胶图案结构；(2)原子层沉积步骤；利用原子层沉积技术在所述电子胶图案上逐层各向同性沉积具有原子层厚度的金属薄膜，使得电子束光刻制作的纳米图案结构的线宽尺寸被弥合；(3)电铸步骤；对所述原子层沉积后的图案结构进行电铸，将电子胶图案电沉积精准复制到金属模具上，得到金属凸型模具；(4)金属模具脱模步骤；利用氢氧化钾/氢氧化钠对金属模具与硅基底结合体进行腐蚀，硅片被彻底化学腐蚀并释放得到残留有所述原子层沉积的金属薄膜覆盖的金属凸型模具；(5)金属薄膜腐蚀步骤；根据所述原子层沉积的金属薄膜与金属模具材料的化学特性的差异性，选择腐蚀剂将残留的金属薄膜腐蚀掉，进而得到纯金属凸型模具；(6)纳米压印步骤；预先对金属凸型模具进行分子涂层助力其与聚合物脱模，然后以所述纯金属凸型模具为模板，利用纳米压印将金属凸型模具的图案结构转印到聚合物材料上；(7)聚合物功能器件的脱模步骤；将压印得到聚合物件清洗得到具有特殊用途的凹型聚合物功能器件。2.根据权利要求1所述的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的低成本制造方法，其特征在于，顺序包括下述步骤：(1)光刻步骤；首先，在硅片基底上涂覆光刻胶，前烘后利用紫外光/电子束曝光处理光刻胶制备微米/纳米尺度的图案结构，后烘显影定形后在硅片上得到线宽为微米/纳米的光刻胶图案结构；(2)原子层沉积步骤；利用原子层沉积技术在所述光刻胶图案上各向同性沉积具有原子层厚度的金属薄膜；(3)选择性刻蚀步骤；利用溅射反向刻蚀，选择性地去除沉积在光刻胶图案水平面的金属薄膜材料，保留光刻胶图案内部侧壁的金属薄膜；(4)除胶步骤；利用除胶剂将所述光刻胶图案去除；(5)硅刻蚀步骤；以所述侧壁保留的金属薄膜为掩模，干法刻蚀硅基底，在其上得到线宽为微米/纳米范围、深度为纳米范围的图案结构；(6)侧墙刻蚀步骤；
利用侧墙金属薄膜对应的腐蚀液将侧墙薄膜腐蚀掉，得到具有原子及近原子尺度线宽、纳米级高度的刻蚀硅片图案；(7)原子层沉积步骤；利用原子层沉积技术在所述刻蚀硅片图案上各向同性沉积金属薄膜；(8)电铸步骤；对所述原子层沉积后的图案结构进行电铸，得到数百微米厚度的金属凹模具，所述金属凹模具具有线宽为原子及近原子尺度、高度为纳米尺度范围；(9)金属脱模步骤；利用氢氧化钾/氢氧化钠对金属模具与硅基底结合体进行腐蚀，硅片被彻底化学腐蚀并释放得到残留有所述原子层沉积的金属薄膜覆盖的金属凹模具；(10)金属薄膜腐蚀步骤；根据所述原子层沉积的金属薄膜与金属模具材料的化学特性的差异性，选择合适的腐蚀剂将残留的金属薄膜腐蚀掉，进而得到纯金属凹模具；(11)纳米压印步骤；预先对金属凹模具进行分子涂层助力其与聚合物脱模，然后以所述纯金属凹模具为模板，利用纳米压印将金属凹槽模具的图案结构转印到聚合物材料上；(12)聚合物功能器件脱模步骤；将压印得到聚合物件清洗得到具有特殊用途的凸型聚合物功能器件。3.如如权利要求1所述的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中电子胶具有超高分辨率、高耐刻蚀特征，得到小于10nm结构。4.如权利要求1所述的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)在硅片基底上原子层沉积的金属薄膜是一种不但起导电作用而且作为粘接层的材料。5.如权利要求1所述的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中金属凸型模具的线宽及高度由原子层沉积金属薄膜的厚度控制。6.如权利要求2所述的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)在硅片基底上原子层沉积的金属薄膜是金或铬，作为粘接层的材料。7.如权利要求2所述的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(7)在硅片基底上原子层沉积的金属薄膜是金或铬。8.如权利要求2所述的一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法，其特征在于，所述步骤(8)中金属凸型模具的线宽及高度由原子层沉积金属薄膜的厚度控制。

技术总结

本发明公开了一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法。本发明的一种制造方法，顺序包括电子束光刻、原子层沉积、电铸、模具脱模、金属薄膜腐蚀、纳米压印、聚合物功能器件的脱模步骤；本发明的另一种制造方法，顺序包括光刻、原子层沉积、选择性刻蚀、除胶、硅刻蚀、侧墙刻蚀、原子层沉积、电铸、模具脱模、腐蚀、纳米压印、聚合物功能器件的脱模步骤。本发明结合电子束光刻对纳米级结构的极限加工能力、原子层沉积技术的原子级厚度可控沉积与电铸技术原子顺序电沉积的优势，通过多种微纳制造技术的叠加，突破现存半导体加工技术的极限，在纳米结构的基础上实现更小尺度结构的精准制造，也就是面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造。器件的制造。器件的制造。