專利名稱：矢量式afm納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種納米制造和納米光電子器件等領域的方法，具體涉及一種基于矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，即在矢量式AFM(原子力顯微鏡) 納米加工系統(tǒng)下，利用電場誘導陽極氧化加工方法結合高選擇性各向異性濕法刻蝕技術進行納米壓印模版的制備。
背景技術：
自八十年代以來，以掃描隧道顯微鏡(STM)為代表的掃描探針顯微鏡(SPM)得到迅速發(fā)展，其特點是分辨力高、可在真空、大氣和液體環(huán)境下工作，因此在納米技術領域得到了廣泛應用。三十年來，SPM已經發(fā)展成一個強有力的表面分析工具，大大擴展了表面信息研究的空間，對納米科學的發(fā)展起著重要的推動作用。在將SPM作為觀測儀器的同時，研究者也發(fā)現(xiàn)了它對樣品表面的加工能力，掃描探針加工技術也就在此基礎上應運產生。掃描探針納米加工技術，作為掃描探針成像的延伸，是一項二十年來才發(fā)展起來的新技術。由于掃描探針加工技術能夠有效地實現(xiàn)單原子、分子操縱和納米級圖形結構的刻蝕，因而得到了廣泛的關注。基于原子力顯微鏡(AFM)針尖的納米結構制備技術是國際上研究十分活躍的研究課題，也是迄今為止最為簡單的一種納米加工技術。其中，利用AFM的電場誘導氧化加工具有最高的加工精度、最小的加工尺度、寬松的加工環(huán)境、加工與測量的實時集成、良好的可控性好與穩(wěn)定性、低廉的成本、生成氧化物的絕緣性和抗刻蝕性與微電子工藝相兼容等優(yōu)點，因此被普遍認為是一種非常有發(fā)展前途的納米加工技術。基于SPM的微納結構的加工有兩種實現(xiàn)方式光柵式掃描加工與矢量式掃描加工。光柵式掃描加工即點陣加工方式，其工作原理類似于點針式打印機的工作原理。SPM以這種方式實現(xiàn)加工時，探針在表面的掃描方式與掃描成像的工作方式相同，即在表面的正方形區(qū)域內進行逐行掃描。在進行加工之前，首先必須對所需加工的圖形結構進行編碼，即將正方形掃描區(qū)域初始化為一位圖(即BMP文件)，圖形結構則由一系列點組成。在初始狀態(tài)下，SPM設置成正常的成像模式，掃描參數(shù)的設置應該能夠實現(xiàn)樣品表面形貌的獲取，并盡量減少探針對樣品表面的刻蝕作用。探針在進行逐行掃描的過程中，SPM系統(tǒng)依據(jù)探針的掃描位置和圖形點陣編碼來調整探針與樣品的作用參數(shù)(電場或相互作用力)，這樣在樣品表面一定位置上將產生點狀結構，這些點狀結構將共同構成連續(xù)的圖形。與矢量式加工相比，該模式更利于實現(xiàn)復雜圖形的加工。矢量式掃描加工與繪圖儀的工作原理類似。SPM以這種方式實現(xiàn)加工時，不需要在樣品表面進行探針的逐行掃描，但要求依據(jù)加工的圖形結構制定出探針的移動路徑和相應的加工參數(shù)。在矢量加工過程中，需要對圖形結構進行矢量化，其結果是保證了結構的連續(xù)性，并且在加工過程中，探針與樣品之間相互作用的反饋環(huán)需要被一直保持，以控制探針與樣品的相互位置，避免探針在移動過程中與樣品表面的劇烈碰撞。與點陣式加工相比不同的是矢量式加工的時間與所加工結構的尺寸大小、復雜程度和探針移動速度等多個因素相關。在圖形結構較簡單的情況下，矢量式加工的優(yōu)勢將體現(xiàn)得更為明顯。由于DI公司所提供的Nanoscript函數(shù)能夠實現(xiàn)探針的移動和空閑通道信號的觸發(fā)，信號接入模塊(SAM)則能夠提供掃描線的同步信號，這就使兩種加工方式都有實現(xiàn)的可能性。與光柵掃描式加工相比，矢量式加工具有的最大優(yōu)勢是可靈活地實現(xiàn)納米級結構的加工與修補，所加工納米結構的高度也容易得到控制。這主要是由于加工步驟容易進行拆分。另外，矢量式加工方式也便于實現(xiàn)對加工過程中信號的監(jiān)測。在加工簡單圖形時，矢量加工方式的優(yōu)點將表現(xiàn)得更加明顯。國際上微電子、光電子、納米電子及納米光電子研究領域普遍認為納米壓印技術是最有希望的下一代納米加工技術。利用納米壓印技術開發(fā)納米結構信息存儲器、納米結構生物傳感器和納米結構亞波長光學器件經濟效益是明顯的，就納米結構亞波長光學器件一項，在光通信器件領域就有數(shù)億市場空間。由于納米壓印技術是最有希望的下一代納米加工技術，因此對于提高我國未來微電子、光電子、納米電子及納米光電子的戰(zhàn)略競爭力是十分明顯的。然而，目前納米壓印工藝的靈魂-模版的制備技術，嚴重制約了納米壓印技術的發(fā)展。因此研究有效的納米壓印模版制備技術迫在眉睫。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，通過對AFM氧化加工參數(shù)比如加工過程中探針與樣品之間的微弱電流、電容效應、加工電壓與電場強度等因素進行監(jiān)控和理論分析，加工出基于AFM針尖電場誘導的更加穩(wěn)定、可重復性、具有更快的加工速度、良好性能的納米氧化圖形結構，并以此氧化結構作為刻蝕掩膜，然后利用各向異性濕法刻蝕技術將AFM針尖制備的納米氧化圖形結構應用于納米壓印模版的制備，既發(fā)揮AFM針尖在納米結構制備上的特點和優(yōu)勢，又能夠通過納米壓印技術(就像半導體微電子工藝的光刻技術一樣)，使納米結構能夠低成本復制到不同材料的基片上，進而開展各類納米電子與納米光學的研究和應用。當然基于AFM 針尖的納米結構制備技術制備速度很慢，對基片有特殊要求，只能應用于某些領域的基礎研究。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟包括以下步驟第一步、采用改進的RCA清洗方式制備表面氫鈍化的硅片樣品；第二步、裝載硅片樣品并設置測試環(huán)境，具體為將制備好的硅片樣品用銅導電膠或導電銀漿固定在載物片上，放入AFM載物臺，根據(jù)樣品的電導率等選擇合適的導電探針， 安裝好探針架，打開矢量式AFM納米加工系統(tǒng)開關，并等待溫濕度與AFM電路加工系統(tǒng)至穩(wěn)定狀態(tài)，溫度和濕度的變化范圍分別控制在20°C 和40% 80%，然后打開信號發(fā)生器和測量微弱電流等物理量的數(shù)字萬用表，使儀器預熱并等待其穩(wěn)定。第三步、對所需要的納米結構進行矢量化編程得到加工宏文件以控制針尖的運動，具體為根據(jù)所要加工的納米結構的幾何形狀，通過Visual Basic可視化程序編程方法進行納米結構圖形的程序設計以制定出探針的移動路徑和加工參數(shù)，并且將相應的程序源代碼生成相應的動態(tài)鏈接庫文件，即dll文件，隨后載入Scripts程序庫中。第四步、AFM進入成像模式掃描狀態(tài)，然后開始掃描樣品表面；
所述的成像模式掃描狀態(tài)是指設置掃描范圍為Iym 50 μπκ掃描速率為 0. 1 μ m/s lym/s ；對于AFM接觸模式的積分增益為2. 00，對于敲擊模式的積分增益為 0. 30 ；對于AFM接觸模式的比例增益為3. 00，對于敲擊模式的比例增益為0. 50。第五步、待掃描過程穩(wěn)定并得到穩(wěn)定的重復性好的掃描圖像后，進入腳本程序模式，通過調用第三步中得到的加工宏文件并導入加工系統(tǒng)中開始加工，具體為調出 Nanoscript接口進而調用前面所編好的加工宏文件，控制調制電壓信號的波形、占空比、頻率和幅度，根據(jù)Nanoscript宏文件指令，探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構進行相應的矢量式移動，并且在矢量線的指定位置經由SAM來激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道，從而觸發(fā)調制信號源，產生指定信號，載入電壓荷載并施加到樣品與探針之間，實現(xiàn)場致誘導加工，同時相應的精密測量設備數(shù)字萬用表實時測量電路中的微弱電流信號、加工電壓并自動存儲到外接的存儲器上，示波器則顯示信號發(fā)生器及加工電壓的波形示意圖。第六步、待加工完成后，進入實時成像模式，再次掃描來獲得加工結構的表面形貌結構圖；第七步、利用所制備的納米圖形結構作為掩膜，結合高選擇性各向異性濕法刻蝕技術，將AFM電場誘導陽極氧化制備出的納米結構圖形轉移到基底上，進而制造出納米結構模版。所述的高選擇性各向異性濕法刻蝕技術是指首先通過對所需要的納米結構信息進行矢量化處理得到加工路線信息，并采集待處理樣品的表面掃描圖像，然后探針在待處理樣品的表面根據(jù)加工路線信息及表面掃描圖像進行矢量式移動，當?shù)竭_加工區(qū)域后由矢量式納米加工系統(tǒng)的信號接口激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道并通過調制信號發(fā)送電壓載荷信息至探針，實現(xiàn)場致誘導加工，進而制備出所需的納米結構模版。所述的矢量化處理是指通過Visual Basic可視化程序編程方法進行納米結構圖形的程序設計以制定出探針的移動路徑和相應的加工參數(shù)等，并且將相應的程序源代碼生成相應的動態(tài)鏈接庫文件，即dll宏文件，隨后載入Scripts程序庫中。然后進入腳本程序模式，調出Nanoscript編程接口進而調用編好的dll宏文件，根據(jù)Nanoscript宏文件指令，探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構移動，即矢量式移動。所述的表面掃描是指:AFM進入成像模式后，掃描并實時觀測樣品的表面形貌，盡量采集表面粗糙度低的樣品表面區(qū)域，以在此區(qū)域進行納米結構的加工。所述的矢量化移動是指根據(jù)所要加工的納米結構的幾何形狀，利用宏語言進行宏編程，程序中規(guī)定了探針的移動路徑和一些所要加工時的參數(shù)，隨后探針在宏文件指令下進行矢量式移動。所述的調制信號包括直流電壓脈沖波信號、調制電壓脈沖波信號、三角波信號、 梯形波信號、正弦波信號和鋸齒波信號?；贏FM的電場誘導氧化加工的原理基于電場誘導陽極氧化的電化學機制，能夠實現(xiàn)對加工電路中微弱電流的精密實時探測，實現(xiàn)對加工電壓的實時精確測量，實現(xiàn)對電容效應的實時觀測等，從而對于分析電場誘導陽極氧化加工的機理有了較為深刻的認識。 AFM的電場誘導氧化加工具有最高的加工精度、最小的加工尺度、寬松的加工環(huán)境、加工與測量的實時集成、良好的可控性與穩(wěn)定性、低廉的成本、生成氧化物的絕緣性和抗刻蝕性與微電子工藝相兼容等優(yōu)點，因此將原子力顯微鏡針尖的納米結構制備技術應用于納米壓印模版的制備，既發(fā)揮原子力顯微鏡針尖在納米結構制備上的特點和優(yōu)勢，又能夠通過納米壓印技術(就像半導體微電子工藝的光刻技術一樣)，使納米結構能夠低成本復制到不同材料的基片上，進而開展各類納米電子與納米光學的研究和應用。針對目前納米壓印技術在壓印模版制備技術上的瓶頸，本專利開發(fā)基于AFM針尖局部超強電場誘導方法并結合高選擇性的各向異性濕法刻蝕工藝的納米壓印模版制備技術。本發(fā)明首先在調制電信號AFM 接觸模式與穩(wěn)恒電信號AFM接觸模式和敲擊模式下，通過對一系列AFM加工參數(shù)的最優(yōu)化組合，選擇合適的加工環(huán)境進行納米圖形結構的制備，均取得了良好的加工效果，然后以此作為掩膜，進行后續(xù)的各向異性濕法刻蝕技術，將AFM電場誘導陽極氧化制備出的納米結構圖形轉移到基底上，進而制造出高深寬比的納米結構模版。本發(fā)明基于AFM的電場誘導氧化加工具有最高的加工精度、最小的加工尺度、寬松的加工環(huán)境、加工與測量的實時集成、良好的可控性與穩(wěn)定性、低廉的成本、生成氧化物的絕緣性和抗刻蝕性與微電子工藝相兼容等優(yōu)點，因此將原子力顯微鏡針尖的納米結構制備技術應用于納米壓印模版的制備，既發(fā)揮原子力顯微鏡針尖在納米結構制備上的特點和優(yōu)勢，又能夠通過納米壓印技術(就像半導體微電子工藝的光刻技術一樣)，使納米結構能夠低成本復制到不同材料的基片上，進而開展各類納米電子與納米光學的研究和應用。針對目前納米壓印技術在壓印模版制備技術上的瓶頸，本專利開發(fā)基于原子力顯微鏡針尖電場誘導和高選擇性各向異性濕法刻蝕的納米壓印模版制備技術。本發(fā)明首先在調制電信號與穩(wěn)恒電信號下通過對一系列AFM加工參數(shù)的最優(yōu)化組合，選擇合適的加工環(huán)境進行納米圖形的制備，然后以此作為掩膜，進行后續(xù)的各向異性濕法刻蝕技術，將AFM電場誘導陽極氧化制備出的納米結構圖形轉移到基底上，進而制造出高深寬比的納米結構模版。上述方法能夠制備得到更加穩(wěn)定、可重復性、具有更快的加工速度、良好性能的一維光柵模版、二維光柵模版、點陣光柵模版等。


圖1為矢量式AFM納米加工原理示意圖。圖2為納米壓印模版的制備流程示意圖。圖3為矢量加工程序框圖。圖4為實施例中經氫鈍化處理的硅片表面示意圖。圖5為調制電壓信號波形圖。圖6為實施例加工電流示意圖。圖7為接觸式AFM調制電信號下加工的一維光柵納米結構圖。圖8為接觸式AFM穩(wěn)恒電信號下加工的一維光柵、二維光柵和點陣光柵納米結構圖。圖9為敲擊式AFM穩(wěn)恒電信號下加工的納米線結構圖。圖10為納米壓印模版結構的AFM圖像。圖11為納米壓印模版結構的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1本實施例主要包括以下步驟第一步、樣品的制備。采用改進的RCA清洗方案制備表面氫鈍化的硅片樣品，以免樣品暴露于大氣中時容易被氧化，并且使得清洗后的樣品表面粗糙度在0. Inm左右；第二步、將制備好的硅片樣品用銅導電膠或導電銀漿固定在載物片上，放入AFM 載物臺，根據(jù)樣品的電導率等選擇合適的導電探針，安裝好探針架，打開矢量式AFM納米加工系統(tǒng)開關，并等待溫濕度與AFM電路加工系統(tǒng)至穩(wěn)定狀態(tài)，溫、濕度的變化范圍分別控制在20°C 和40% 80%，然后打開信號發(fā)生器和測量微弱電流等物理量的數(shù)字萬用表，使儀器預熱并等待其穩(wěn)定；第三步、對所需要的納米結構進行矢量化編程以控制針尖的運動，具體步驟為根據(jù)所要加工的納米結構的幾何形狀，通過Visual Basic可視化程序編程方法進行納米結構圖形的程序設計以制定出探針的移動路徑和加工參數(shù)，并且將相應的程序源代碼生成相應的動態(tài)鏈接庫文件(.dll)，隨后載入Scripts程序庫中。第四步、AFM進入成像模式掃描狀態(tài)，設置合適的掃描范圍(1 μ m 50 μ m)、掃描速率(0. 1 μ m/s 1 μ m/s)、積分增益(對于AFM接觸模式 2. 00,對于敲擊模式 0. 30)、比例增益(對于AFM接觸模式 3. 00，對于敲擊模式 0. 50)以及針尖-樣品間接觸力參數(shù)，然后開始掃描樣品表面，使得掃描圖像的穩(wěn)定性、重復性效果等達到最好；第五步、待掃描過程穩(wěn)定并得到穩(wěn)定的重復性好的掃描圖像后，進入腳本程序模式，調出Nanoscript接口進而調用前面所編好的加工宏文件，控制調制電壓信號的波形、 占空比、頻率和幅度，根據(jù)Nanoscript宏文件指令，探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構進行相應的矢量式移動，并且在矢量線的指定位置經由SAM來激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道，從而觸發(fā)調制信號源，產生指定信號，載入電壓荷載并施加到樣品與探針之間，實現(xiàn)場致誘導加工，同時相應的精密測量設備數(shù)字萬用表實時測量電路中的微弱電流信號、加工電壓并自動存儲到外接的存儲器上，示波器則顯示信號發(fā)生器及加工電壓的波形示意圖；第六步、待加工完成后，進入實時成像模式，再次掃描來獲得加工結構的表面形貌結構示意圖。第七步、利用所制備的納米圖形結構作為掩膜，結合高選擇性各向異性濕法刻蝕技術，將AFM電場誘導陽極氧化制備出的納米結構圖形轉移到基底上，進而制造出相對高深寬比的納米結構模版。如圖1-圖3所示，本實施例在具體應用時的操作步驟如下施加調制電信號下的接觸模式加工本實施例中，通過對所需要的納米結構信息進行矢量化處理得到加工路線信息， 并采集待處理樣品的表面掃描圖像并用探針在待處理樣品的表面根據(jù)加工路線信息及表面掃描圖像進行矢量式移動，當?shù)竭_加工區(qū)域后由矢量式納米加工系統(tǒng)的信號接口激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道并通過調制信號發(fā)送電壓載荷信息至探針，實現(xiàn)場致誘導加工，具體步驟包括
第一步、樣品的制備。采用改進的RCA清洗方案制備表面氫鈍化的硅片樣品，以免樣品暴露于大氣中時容易被氧化，并且使得清洗后的樣品表面粗糙度在0. Inm左右。選用ρ型(110)硅片(電阻率為20 35歐姆厘米)(待選用硅片m型(111)硅片(電阻率0.004歐姆厘米)、p型(100)硅片(電阻率為1 10歐姆厘米))在化學清洗方法當中，基于RCA清洗方法的一些改進方案在半導體工藝研究中比較普遍。本專利在清洗樣品時，根據(jù)RCA清洗方法并結合實踐探討與摸索，對清洗方案加以改進，將樣品的清洗分為兩大步(1)硅片表面的清潔處理。a 將硅片浸泡在三氯乙烯溶液中，并用超聲波清洗15分鐘；b 然后將硅片浸泡在丙酮中，并用超聲波清洗15分鐘；c 再將硅片浸泡在無水乙醇中，并用超聲波清洗15分鐘；d 最后浸泡在去離子水中，同時用超聲波清洗15分鐘；(2)去原生氧化膜及硅片表面氫鈍化處理。a:將上述硅片浸泡在SPM溶液(H2SO4 (98% ) H2O2 (30% ) =4:1)當中，同時使得溫度穩(wěn)定在90°C，浸泡15分鐘；b 然后將硅片浸泡在濃度為4%的氫氟酸溶液中1分鐘；c 最后將上述樣品浸泡在去離子水中，并同時使用超聲波清洗15分鐘后用氮氣槍吹干。如圖4所示，硅片樣品經過上述兩大步處理后，其表面平均粗糙度極低，可達 0. 066nm,完全滿足AFM納米加工的要求。硅片樣品表面粗糙度分析AFM照片。粗糙度平均值為0. 066nm，樣品粗糙度的均方根值為0. IlOnm0第二步、將制備好的硅片樣品用銅導電膠或導電銀漿固定在載物片上，放入AFM 載物臺，根據(jù)樣品的電導率等選擇合適的導電探針，安裝好探針架，打開矢量式AFM納米加工系統(tǒng)開關，并等待溫濕度與AFM電路加工系統(tǒng)至穩(wěn)定狀態(tài)，溫、濕度的變化范圍分別控制在20°C 和40% 80%，然后打開信號發(fā)生器和測量微弱電流等物理量的數(shù)字萬用表，使儀器預熱并等待其穩(wěn)定；第三步、對所需要的納米結構進行編程，程序控制探針針尖的運動。根據(jù)所要加工的納米結構的幾何形狀，通過Visual Basic可視化程序編程方法進行納米結構圖形的程序設計以制定出探針的移動路徑和相應的加工參數(shù)等，并且將相應的程序源代碼生成相應的動態(tài)鏈接庫文件(.dll)，隨后載Akripts程序庫中。本例是對一維光柵結構進行加工，所編寫的相應的加工程序如下
#include <litho.h> #include <gui.h> #include "lithoLine.h"extern "C" —declspec(dllexport) int macroMainO
{ 一
Il Parameters with default values
Aoatlength = IO-Of; int count = 1; float interval = 0.0;
// length of line Il number of lines // distance between lines
float rate = l.Of; float bias = O.Of;
// tip velocity, l.Oum/s // tip bias.
LineArray line;
Il Make a dialog box to prompt user for parameter values DialogBox dig = ModalDialog(,fDiamond Parameters");
AddFloatControl(dlg, "Length (um)"，length, 0.0,100.0); // 100 um for line length in maximum
AddIntControl(dlg, "Count"，count, 0，100); // 100 lines in maximum AddFloatControl(dlg, "Interval (um)", interval, 0.0,100.0); // distance between lines, IOOum in maximum
AddFloatControl(dlg, "Rate (um/s)", rate，0.0,100.0);// tip velocity
AddFloatControl(dlg, "Bias (v)"，bias，-12.0,12.0); // tip bias，-12V 12V
AddButton(dlg, "&Do It"，noID, NULL, uibClose|uibNone); AddButton(dlg, "&Cancel"，0，NULL, uibClose|uibNone);
Il display the dialog box int res = RunDialog(dlg);
Debug("res: %d\n", res); if (res = 0)
return 0; Il 0 makes macro unload
if(count<=0) {
SayError("number of lines is 0，NOT A GRATING !!！\nPlease check the
inputAn");
return 0;
}
else{
line = IithoGrating(count，length, interval); Il calculate each end point in the lines
LITHO_BEGIN
LithoDisplayStatusBox(); Il display litho status box LithoScan(false);Il turn off scanning
for (int i=0; i!=count; i++) {
LithoCenterXYO；// move tip to center of field
LithoTranslate(_line[i].start.x, _line[i].start.y, 10); //move tip to the start point of
the lineLithoSet(lsAna2, bias); Il add bias to the tip
LithoTranslate(0, -length, rate); //move tip to the end point of the line LithoSet(lsAna2, 0); Il turn off bias
LithoSet(lsAna2, 0); Il turn off bias
LITHO_END
return 0;
}第四步、AFM進入成像模式掃描狀態(tài)，設置合適的掃描范圍(1 μ m 50 μ m)、掃描速率(0. 1 μ m/s 1 μ m/s)、積分增益(對于AFM接觸模式 2. 00,對于敲擊模式 0. 30)、比例增益(對于AFM接觸模式 3. 00，對于敲擊模式 0. 50)以及針尖-樣品間接觸力參數(shù)，然后開始掃描樣品表面，使得掃描圖像的穩(wěn)定性、重復性效果等達到最好；第五步、待掃描過程穩(wěn)定并得到穩(wěn)定的重復性好的掃描圖像后，進入腳本程序模式，調出Nanoscript接口進而調用前面所編好的加工宏文件，控制調制電壓信號的波形、 占空比、頻率和幅度，根據(jù)Nanoscript宏文件指令，探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構進行相應的矢量式移動，并且在矢量線的指定位置經由SAM來激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道，從而觸發(fā)調制信號源，產生指定信號，載入電壓荷載并施加到樣品與探針之間，實現(xiàn)場致誘導加工，同時相應的精密測量設備數(shù)字萬用表實時測量電路中的微弱電流信號、加工電壓并自動存儲到外接的存儲器上，示波器則顯示信號發(fā)生器及加工電壓的波形示意圖；利用AFM在接觸模式下控制調制電壓信號的波形(此例采用方波電信號脈沖)、占空比、頻率和幅度等進行氧化加工試驗。加工參數(shù)加工過程中的電壓如圖5所示；通道1表示施加的信號電壓14V，通道2表示實際的加工電壓，并顯示出明顯的電容充放電效應。占空比0. 5 ；周期=Ims ；頻率=IOOOHZ ；最高電平:14V ；限流電阻1兆歐；針尖移動速率0. 1 μ m/s加工過程中探測到的電流(程序中設定加工10條結構，其對應的加工電流全部顯示出)如圖6所示。第六步、待加工完成后，進入實時成像模式，再次掃描來獲得加工結構的表面形貌結構示意圖，相應的AFM加工結果照片見后面圖7。線寬156nm，線高2.4nm。利用AFM在接觸模式下控制調制電壓信號的波形、占空比、頻率和幅度等進行氧化加工試驗。與施加直流電壓加工相比，調制電壓信號加工可以減弱空間電荷積累導致的影響，進而減小加工結構的線寬并且提升其高度。實施例2施加穩(wěn)恒電信號下的接觸模式加工，此時亦可使用系統(tǒng)自身的直流電信號來進行場致誘導加工。第一步、樣品的制備參考實施例1。第二步、將制備好的硅片樣品用銅導電膠或導電銀漿固定在載物片上，放入AFM 載物臺，根據(jù)樣品的電導率等選擇合適的導電探針，安裝好探針架，打開矢量式AFM納米加工系統(tǒng)開關，并等待溫濕度與AFM電路加工系統(tǒng)至穩(wěn)定狀態(tài)，溫、濕度的變化范圍分別控制在20°C 和40% 80%，然后打幵信號發(fā)生器和測量微弱電流等物理量的數(shù)字萬用表，使儀器預熱并等待其穩(wěn)定；第三步、對所需要的納米結構進行編程，程序控制探針針尖的運動。根據(jù)所要加工的納米結構的幾何形狀，通過Visual Basic可視化程序編程方法進行納米結構圖形的程序設計以制定出探針的移動路徑和相應的加工參數(shù)等，并且將相應的程序源代碼生成相應的動態(tài)鏈接庫文件(.dll)，隨后載Akripts程序庫中。本例分別對一維光柵結構、二維光柵結構和點陣光柵結構進行加工，所編寫的相應的加工程序如下一維光柵結構的加工程序見實施例1 ；二維光柵結構的加工程序
#include <litho.h> #include <gui.h> #include "lithoLine.h"
extern "C" —declspec(dllexport) int macroMainO
{
// Parameters with default values
float IengthRow = lO.Of; // length of Row
AoatlengthCol=IO-Of; // length of Column
int countRow = 1; // number of Row
int countCol = 1; // number of Column
float intervalRow = O.Of; // distance between Row
float intervalCol = O.Of;// distance between Column
float rateRow = l.Of; // tip velocity for Row, l.Oum/s
AoatrateCol=LOf;// tip velocity for Col, l.Oum/s
float biasRow = O.Of; // tip bias for Row.
AoatbiasCol = O-Of; // tip bias for Column.
float setpointRow = O.Of; // setpoint for Row
float setpointCol = O.Of; // setpoint for Col
LineArray Row;
LineArray Col;// Make a dialog box to prompt user for parameter values DiaIogBox dig = ModalDialog("Diamond Parameters");
AddFloatControl(dlg, "Length of Row (um)", IengthRow, 0.0,100.0); // 100 um for Row length in maximum
AddIntControl(dlg, "Count of Row", countRow, 0，100); // 100 Rows in maximum
AddFloatControl(dlg, "Interval ofRow(um)", intervalRow, 0.0,100.0); // distance between Rows, IOOum in maximum
AddFloatControl(dlg, "Rate of Row(um/s)", rateRow, 0.0,100.0); // tip velocity in litho Rows
AddFloatControl(dlg, "Bias of Row (V)", biasRow, -12.0,12.0); // tip bias in Utho Rows, -12V 12V
AddFloatControl(dlg, "Length of Column (um)", IengthCol, 0.0,100.0); // 100 um for Col length in maximum
AddIntControl(dlg, "Count of Column", countCol, 0，100);// 100 Cols in
maximum
AddFloatControl(dlg, "Interval of Column(um)", intervalCol, 0.0,100.0); // distance between Cols9 IOOum in maximum
AddFloatControl(dlg, "Rate of Column(um/s)", rateCol, 0.0,100.0);// tip
velocity in litho Cols
AddFloatControl(dlg, "Bias of Column (V)", biasCol, -12.0,12.0); // tip bias in Utho Cols, -12V 12V
AddFloatControl(dlg, "Setpoint of Row(V)", setpointRow, -10.0,10.0); // setpoint in Row lithography
AddFloatControl(dlg, "Setpoint of Col(V)", setpointCol, -10.0,10.0); // setpoint in Col lithography
AddButton(dlg, "&Do It", noID, NULL, uibClose|uibNone); AddButto一dig，"&Cancer，0，NULL, uibClose|uibNone);
// display the dialog box int res = RunDialog(dlg);
Debug("res: %d\n", res); if (res = 0)
return 0; // 0 makes macro unload
if(countRow<=0 && couiitCol<=0)
{
SayError(" number of Rows and Columns is 0，NOT A GRATING !!！\nPlease check the inputAn");
return 0;
}
else{
Row = lithoGratingRow(countRow, IengthRow9 intervalRow); Il calculate each end point in the lines
Col = lithoGratingCol(countCol, IengthCol9 intervalCol);// calculate each end
point in the lines }LITHO_BEGIN
LithoDisplayStatusBox(); Il display litho status box LithoScan(false);Il turn off scanning
for (int i=0; i!=_Row.size(); i++) { _
LithoCenterXYO；// move tip to center of field
LithoTranslate(_Row[i].start.x, _Row[i].start.y, 10); //move tip to the start point of
LithoSet(lsAna2, biasRow); // add bias to the tip LithoSet(lsSetpoint, setpointRow); // set setpoint for Row lithography LithoTranslate(0, -IengthRow, rateRow); //move tip to the end point of the line LithoSet(lsAna2, 0); II turn off bias
the line
the line
for (int j=0; j!=_Col.size0； j++) { _
LithoCenterXYO；// move tip to center of field
LithoTranslate(_Col[j].start.x, _Col[j].start.y, 10); //move tip to the start point of LithoSet(lsAna2, biasCol); // add bias to the tip
LithoSet(lsSetpoint, setpointCol); // set setpoint for Column lithography LithoTranslate(-lengthCol, 0，rateCol); //move tip to the end point of the line LithoSet(lsAna2, 0); II turn off bias
LithoSet(lsAna2, 0); II turn off bias
LITHO_END
return 0;
點陣光柵結構的加工程序:
#include <litho.h> #include <gui.h> #include "matrix.h"
extern "C" —declspec(dllexport) int macroMainO
{ 一
int ptlnRow = 1; //行數(shù) intptInCol=l; //列— float intervalRow = 0.0; //行間隔 float intervalCol = 0.0; //列間隔
float time = 0.0; float bias = 0.0; float rate = 10.0; float setpoint = 0.0;Il Make a dialog box to prompt user for parameter values DialogBox dig = ModalDialog("Diamond Parameters"); AddIntControl(dlg, "Row:", ptlnRow, 0,100); AddIntControl(dlg, "Column:", ptlnCol, 0,100); AddFloatControl(dlg, "Interval in Row(um):", intervalRow, 0.0，100.0); AddFloatControl(dlg, "Interval in Column(um):", intervalCol, 0.0，100.0);
AddFloatControl(dlg, "Time(sec):"，time, 0.0,100.0); AddFloatControl(dlg, "Bias(V):", bias, -12.0，12.0); AddFloatControl(dlg, "Setpoint(\0", setpoint, -10.0,10.0);
AddButton(dlg, "&Do It", noID, NULL, uibClose|uibNone); AddButton(dlg, "&Cancer，0，NULL, uibClose|uibNone);
Il display the dialog box int res = RunDialog(dlg);
Debug("res: %d\n", res); if (res = 0)
return 0; Il 0 makes macro unload
if(ptInRow<=0 || ptInCol<=0) {
SayError(" number of Rows and Columns is 0，NOT A MATRIX !!！\nPlease check the input.\n");
return 0;
}
PointMatrix Matrix = lithoMatrix(ptInRow, ptlnCol, intervalRow, intervalCol);
LITHO_BEGIN
LithoDisplayStatusBox(); Il display litho status box LithoScan(false);Il turn off scanning
LithoCenterXYO；Il move tip to the center
LithoSet(lsSetpoint, setpoint); //將刻蝕過程中的 setpoint 修改為設定值
for (int row=0; row!=ptInRow; row++) {
PointArray tmpLine — _Matrix[row];
for (int col=0; col!=ptInCol; col++) {
LithoCenterXYO；
LithoTranslate(tmpLine[col].x, tmpLine[col].y, rate); LithoPulse(lsAna2, bias, time); LithoSet(lsAna2, 0); Il turn off bias
LithoSet(lsAna2, 0); Il turn off bias LITHO_END
return 0;
} 第四步、AFM進入成像模式掃描狀態(tài)，設置合適的掃描范圍(1 μ m 50 μ m)、掃描速率(0. 1 μ m/s 1 μ m/s)、積分增益(對于AFM接觸模式 2. 00,對于敲擊模式 0. 30)、比例增益(對于AFM接觸模式 3. 00，對于敲擊模式 0. 50)以及針尖-樣品間接觸力參數(shù)，然后開始掃描樣品表面，使得掃描圖像的穩(wěn)定性、重復性效果等達到最好；第五步、待掃描過程穩(wěn)定并得到穩(wěn)定的重復性好的掃描圖像后，進入腳本程序模式，調出Nanoscript接口進而調用前面所編好的加工宏文件，控制調制電壓信號的波形、 占空比、頻率和幅度，根據(jù)Nanoscript宏文件指令，探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構進行相應的矢量式移動，并且在矢量線的指定位置經由SAM來激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道，從而觸發(fā)調制信號源，產生指定信號，載入電壓荷載并施加到樣品與探針之間，實現(xiàn)場致誘導加工，同時相應的精密測量設備數(shù)字萬用表實時測量電路中的微弱電流信號、加工電壓并自動存儲到外接的存儲器上，示波器則顯示信號發(fā)生器及加工電壓的波形示意圖；第六步、待加工完成后，進入實時成像模式，再次掃描來獲得加工結構的表面形貌結構示意圖，相應的AFM加工結果照片見后面圖8。一維光柵加工參數(shù)加工電壓-10V ；針尖移動速率0. 5ym/s ；RH = 66. 7%;T = 25 °C一維光柵線寬294nm，線高1. 5nm二維光柵加工參數(shù)加工電壓_8V ；針尖移動速率0. 1 μ m/s ；RH = 59. 5% ；T = 24 0C二維光柵線寬214nm，線高0. 6nm點陣光柵加工參數(shù)加工電壓-lOV ；施加脈沖時間:10s ；RH = 60. 7% ；T = 24°C點陣光柵直徑195nm，點高0. 6nm與施加直流電壓加工相比，調制電壓信號加工可以減弱空間電荷積累導致的影響，進而減小加工結構的線寬并且提升其高度。實施例3施加穩(wěn)恒電信號下的敲擊模式加工。加工過程的第一步和第二步與實施例2相同，加工過程的第三步同實施例1。第四步、AFM進入成像模式掃描狀態(tài)，設置合適的掃描范圍(1 μ m 50 μ m)、掃描速率(0. 1 μ m/s 1 μ m/s)、積分增益(對于AFM接觸模式 2. 00,對于敲擊模式 0. 30)、比例增益(對于AFM接觸模式 3. 00，對于敲擊模式 0. 50)以及探針振蕩振幅等參數(shù)，然后開始掃描樣品表面，使得掃描圖像的穩(wěn)定性、重復性效果等達到最好；第五步、待掃描過程穩(wěn)定并得到穩(wěn)定的重復性好的掃描圖像后，進入腳本程序模式，調出Nanoscript接口進而調用前面所編好的加工宏文件，控制調制電壓信號的波形、 占空比、頻率和幅度，根據(jù)Nanoscript宏文件指令，探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構進行相應的矢量式移動，并且在矢量線的指定位置經由SAM來激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道，從而觸發(fā)調制信號源，產生指定信號，載入電壓荷載并施加到樣品與探針之間，實現(xiàn)場致誘導加工，同時相應的精密測量設備數(shù)字萬用表實時測量電路中的微弱電流信號、加工電壓并自動存儲到外接的存儲器上，示波器則顯示信號發(fā)生器及加工電壓的波形示意圖；第六步、待加工完成后，進入實時成像模式，再次掃描來獲得加工結構的表面形貌結構示意圖，相應的AFM加工結果照片見后面圖9。
加工參數(shù)加工電壓_12V ；針尖移動速率0. 1 μ m/s ；加工振幅6nm ；偏轉靈敏度40. 27nm/V ；加工振幅驅動0. 149V ；阻尼比38%相應的加工結果參見圖7。線寬37nm，線高2.8nm。比較發(fā)現(xiàn)輕敲模式下針尖的調制作用不僅減小了加工時橫向力的影響，利于得到更窄的線寬和更高的結構高度，而且加快了氧化物的生長速度，利于增大納米結構的高寬比和提高加工效率。如圖10和圖11所示，為各向異性濕法刻蝕技術進行圖形轉移，制備納米壓印模版。第七步、利用所制備的納米圖形結構作為掩膜，結合各向異性濕法刻蝕技術，將 AFM電場誘導陽極氧化制備出的納米結構圖形轉移到基底上，進而制造出相對高深寬比的納米結構模板，本專利主要制備了一維光柵模版、二維光柵模版、點陣光柵模版等。(1)刻蝕溶液的配置a :10wt% TMAH堿液與IOwt % 20wt% IPA溶液適當混合制成刻蝕溶液；b 20wt %的KOH堿性刻蝕液；(2)將實施例2中的一維光柵納米結構圖形進入到配置好的刻蝕液(1)中，進行圖形轉移。若用刻蝕溶液a，則80°C下，刻蝕5分鐘左右；若用刻蝕溶液b，則60°C下，刻蝕 2 5分鐘左右；(3)刻蝕完成后，清洗模版a 將硅片浸泡在三氯乙烯溶液中，并用超聲波清洗15分鐘；b 然后將硅片浸泡在丙酮中，并用超聲波清洗15分鐘；c 再將硅片浸泡在無水乙醇中，并用超聲波清洗15分鐘；d 最后浸泡在去離子水中，同時用超聲波清洗15分鐘，并用氮氣槍吹干。(4)模版的結構表征，參見圖10和圖11 一維光柵模版的線寬296nm，線高108nm。顯然，濕法刻蝕工藝后模版的深寬比遠遠大于濕法刻蝕前的深寬比(濕法刻蝕前的結構見實施例2中的一維光柵納米結構圖形)。
權利要求
1.一種矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、采用改進的RCA清洗方式制備表面氫鈍化的硅片樣品；第二步、裝載硅片樣品并設置測試環(huán)境；第三步、對所需要的納米結構進行矢量化編程得到加工宏文件以控制針尖的運動；第四步、AFM進入成像模式掃描狀態(tài)，然后開始掃描樣品表面；第五步、待掃描過程穩(wěn)定并得到穩(wěn)定的重復性好的掃描圖像后，進入腳本程序模式，通過調用第三步中得到的加工宏文件并導入加工系統(tǒng)中開始加工；第六步、待加工完成后，進入實時成像模式，再次掃描來獲得加工結構的表面形貌結構圖；第七步、利用所制備的納米圖形結構作為掩膜，結合高選擇性各向異性濕法刻蝕技術， 將AFM電場誘導陽極氧化制備出的納米結構圖形轉移到基底上，進而制造出納米結構模版。
2.根據(jù)權利要求1所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的第二步具體是指將制備好的硅片樣品用銅導電膠或導電銀漿固定在載物片上，放入AFM載物臺，根據(jù)樣品的電導率等選擇合適的導電探針，安裝好探針架，打開矢量式AFM納米加工系統(tǒng)開關，并等待溫濕度與AFM電路加工系統(tǒng)至穩(wěn)定狀態(tài)，溫度和濕度的變化范圍分別控制在20°C 和40% 80%，然后打開信號發(fā)生器和測量微弱電流等物理量的數(shù)字萬用表，使儀器預熱并等待其穩(wěn)定。
3.根據(jù)權利要求1所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的第三步具體是指根據(jù)所要加工的納米結構的幾何形狀，通過Visual Basic 可視化程序編程方法進行納米結構圖形的程序設計以制定出探針的移動路徑和加工參數(shù)， 并且將相應的程序源代碼生成相應的動態(tài)鏈接庫文件，即dll文件，隨后載入Scripts程序庫中。
4.根據(jù)權利要求1所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，第四步中所述的成像模式掃描狀態(tài)是指設置掃描范圍為1 μ m 50 μ m、掃描速率為 0. 1 μ m/s lym/s ；對于AFM接觸模式的積分增益為2. 00，對于敲擊模式的積分增益為 0. 30 ；對于AFM接觸模式的比例增益為3. 00，對于敲擊模式的比例增益為0. 50。
5.根據(jù)權利要求1所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的第五步是指調出Nanoscript接口進而調用前面所編好的加工宏文件，控制調制電壓信號的波形、占空比、頻率和幅度，根據(jù)Nanoscript宏文件指令，探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構進行相應的矢量式移動，并且在矢量線的指定位置經由SAM來激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道，從而觸發(fā)調制信號源，產生指定信號，載入電壓荷載并施加到樣品與探針之間，實現(xiàn)場致誘導加工，同時相應的精密測量設備數(shù)字萬用表實時測量電路中的微弱電流信號、加工電壓并自動存儲到外接的存儲器上，示波器則顯示信號發(fā)生器及加工電壓的波形示意圖。
6.根據(jù)權利要求1所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的高選擇性各向異性濕法刻蝕技術是指首先通過對所需要的納米結構信息進行矢量化處理得到加工路線信息，并采集待處理樣品的表面掃描圖像，然后探針在待處理樣品的表面根據(jù)加工路線信息及表面掃描圖像進行矢量式移動，當?shù)竭_加工區(qū)域后由矢量式納米加工系統(tǒng)的信號接口激發(fā)信號發(fā)生器的空閑通道并通過調制信號發(fā)送電壓載荷信息至探針，實現(xiàn)場致誘導加工，進而制備出所需的納米結構模版。
7.根據(jù)權利要求6所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的矢量化處理是指通過Visual Basic可視化程序編程方法進行納米結構圖形的程序設計以制定出探針的移動路徑和相應的加工參數(shù)等，并且將相應的程序源代碼生成相應的動態(tài)鏈接庫文件，即dll宏文件，隨后載入Scripts程序庫中，然后進入腳本程序模式，調出Nanoscript編程接口進而調用編好的dll宏文件，根據(jù)Nanoscript宏文件指令， 探針在樣品表面根據(jù)所要加工的圖形結構移動，即矢量式移動。
8.根據(jù)權利要求6所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的表面掃描是指AFM進入成像模式后，掃描并實時觀測樣品的表面形貌，盡量采集表面粗糙度低的樣品表面區(qū)域，以在此區(qū)域進行納米結構的加工。
9.根據(jù)權利要求6所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的矢量化移動是指根據(jù)所要加工的納米結構的幾何形狀，利用宏語言進行宏編程，程序中規(guī)定了探針的移動路徑和一些所要加工時的參數(shù)，隨后探針在宏文件指令下進行矢量式移動。
10.根據(jù)權利要求6所述的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，其特征是，所述的調制信號包括直流電壓脈沖波信號、調制電壓脈沖波信號、三角波信號、梯形波信號、正弦波信號和鋸齒波信號。
全文摘要
一種納米制造技術領域的矢量式AFM納米加工系統(tǒng)的納米壓印模版的制備方法，通過對所需要的納米結構進行矢量化編程得到加工宏文件以控制針尖的運動，并AFM進入成像模式掃描狀態(tài)，然后開始掃描樣品表面，待掃描過程穩(wěn)定并得到穩(wěn)定的重復性好的掃描圖像后，進入腳本程序模式，通過調用第三步中得到的加工宏文件并導入加工系統(tǒng)中開始加工；待加工完成后，進入實時成像模式，再次掃描來獲得加工結構的表面形貌結構圖；最后利用所制備的納米圖形結構作為掩膜，結合高選擇性各向異性濕法刻蝕技術，將AFM電場誘導陽極氧化制備出的納米結構圖形轉移到基底上，進而制造出納米結構模版。
文檔編號B81C1/00GK102303840SQ20111017254
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權日2011年6月24日
發(fā)明者萬霞, 王慶康, 王陽培華, 胡克想 申請人:上海交通大學