專利名稱：一種用于微納材料的尺寸縮減方法及電極制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于材料微加工領域，尤其涉及基于聚焦離子束(FIB)低束流掃描刻蝕的 用于微納材料的尺寸縮減方法及電極制作方法。
背景技術：
納米電子器件是繼微電子器件之后的下一代固體電子器件，其發(fā)展目標是克服突 破微電子領域器件集成發(fā)展很快就會達到的物理及/或經(jīng)濟上的極限；其主要思想是基于 納米功能材料的量子效應來設計并制備納米量子器件，以達到將集成電路進一步減小、替 代傳統(tǒng)的硅器件的終極目標。一維/準一維納米材料由于其獨特的物理特性以及其在電子、光子及生物傳感等 納米器件上的應用而備受關注。隨著電子器件尺寸朝著小尺度、低維度方向的發(fā)展，研究人 員們不斷地合成出形貌豐富的納米材料。然而，有些材料尺度受生長合成技術特點的約束， 無法達到真正的準一維/一維尺寸，因此，這就需要人們在不改變微納材料原始空間布局 的情況下，通過空間納米加工，將這些材料進行縮減，從而對其量子效應與尺寸效應進行研 允。在現(xiàn)有研究中，通常采用反應離子刻蝕(RIE)及離子束正向刻蝕處理方法，對位 于襯底平面內(nèi)的納米材料進行整體尺寸縮減，例如參見文獻“Size Dependent Breakdown of Superconductivity in Ultranarrow Nanowi res"(《Nano. Lett.》2005, Vol. 5 :1029) 禾口 "Superconducting transition in Nb nanowires fabricated using focused ion beam” ( ((Nanotechnology)), 2009, Vol. 20 =465302) 0 但隨著科學技術不斷發(fā)展，為 了更深 入地研究某些微小結構的量子效應及尺寸效應，需要單獨對一些所關注的微小材料進行縮 減加工，而上述這些傳統(tǒng)的刻蝕工藝根本無法實現(xiàn)這一要求，尤其是對于自由站立的空間 微小材料，因此如何單獨對微納材料進行三維尺寸縮減是一個亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術問題，提供一種微納材料尺寸縮減方 法，該方法可較準確地在原子尺度精度下實現(xiàn)對單個材料的尺寸縮減，在不改變微納材料 原始空間布局的情況下，實現(xiàn)真正意義上的空間納米加工。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于微納材料的尺寸縮減方法，其中，采用FIB 低束流掃描刻蝕方法實現(xiàn)尺寸縮減。在上述方法中，所述FIB低束流掃描刻蝕方法包括如下步驟1)將具有微納材料的支撐襯底固定在樣品臺上；2)獲取微納材料的圖像，并根據(jù)該圖像調(diào)整微納材料待減薄部分與離子束入射方 向之間的夾角，使之位于O到90度之間；3)以步驟2)所確定的微納材料待減薄部分與離子束的位置，對所述微納材料進行FIB單禎成像，根據(jù)該成像結果確定縮減區(qū)域；4)以步驟3)所確定的縮減區(qū)域，采用離子束束流小于20pA的離子束刻蝕微納材 料。在上述尺寸縮減方法中，所述步驟2)的夾角在40到90度之間。在上述尺寸縮減方法中，所述步驟3)還包括根據(jù)上述成像結果、通過設備圖形發(fā) 生器生成離子束掃描區(qū)域形狀與面積以及確定縮減區(qū)域位置。
在上述尺寸縮減方法中，所述掃描圖形的橫向尺寸比微納材料的橫向尺寸大約大 50% -100%。在上述尺寸縮減方法中，所述成像視場一定包含所述微納材料的待縮減部分，為 實現(xiàn)工藝優(yōu)化，所述掃描圖形被設置為對稱分布在該待縮減部分的兩側。在上述尺寸縮減方法中，還包括重復步驟2)至4)，以實現(xiàn)材料的分段縮減。在上述尺寸縮減方法中，所述尺寸縮減方法利用雙束掃描電子顯微鏡/聚焦離子 束系統(tǒng)或單束聚焦離子束系統(tǒng)實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種電極制作方法，包括以下步驟1)采用權利要求1至7之一所述的縮減方法對微納材料進行縮減；2)制作與該縮減后的微納材料相連的電極接觸塊及連線。在上述電極制作方法中，所述步驟2)包括步驟21)使縮減后的微納材料與襯底分離，使之著陸于襯底平面；步驟22)在襯底平面內(nèi)制備與微納材料連接的電極接觸塊及連線。與現(xiàn)有的材料減薄或尺寸縮減工藝相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1.可以用來對三維復雜納米結構從不同入射角度、不同部位進行選擇性尺寸縮 減，即具有精確的局部定位功能，使多維復雜納米材料與圖形制備成為可能。2.可原位對尺寸縮減后的納米材料進行三維電極接觸與器件的制備，具有時間及 成本優(yōu)勢。


以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中圖1 (a)示意了在本發(fā)明的示例中的未縮減的鎢納米線的SEM圖；圖1 (b)為圖1 (a)的納米線在離子束垂直于其軸向入射下的FIB圖像；圖1(c)為離子束刻蝕縮減后的逐漸變細的納米線的SEM側視圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個例子的電極制作方法所得到的四電極納米接觸的SEM俯 視圖。
具體實施例方式在本發(fā)明中，“微納材料”指的是至少在一個尺寸上為微米或納米量級的材料，并 且可以具有不同的形貌，包括但不限于線、管、棒等，該材料的例子包括但不限于諸如Pt， Au, Co, Cu, Ni的金屬，諸如Si，GaN，InP，Zn0，Si02的半導體，或者其他材料，例如Pt-W-Ga-C 或C等。上述材料可以直接生長在襯底上，或者用傳統(tǒng)的刀片刮離方法將材料轉移至襯底 上后，再采用本發(fā)明下面的FIB (聚焦離子束)低束流掃描刻蝕方法進行尺寸縮減。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種基于FIB低束流掃描刻蝕的微納材料尺寸縮 減方法，包括如下步驟1)將具有微納材料的襯底固定在SEM/FIB系統(tǒng)真空腔室的樣品臺上。具體而言，樣品臺通常配有樣品托，所述襯底首先固定在樣品托上，然后再固定在 樣品臺上。為了防止刻蝕過程中的電荷積累，應保證樣品與樣品臺之間為電導通。一般襯 底有兩種情況(i)若襯底是具有表面絕緣層的導電襯底(即襯底包括表面層和底層，表面層為 絕緣層，底層為導電層)，可用導電物質從襯底背面將其固定在樣品托上。樣品托具有良好 的導電性，因此 樣品托與樣品臺是電導通的。所述絕緣層包括SiO2, Si3N4，Al2O3，HfO2或其 組合等；所述導電襯底包括Si，GaAS，GaN，InP或金屬等；此外，也可用普通光學光刻-金屬 沉積_剝離工藝在長有電介質薄膜的襯底上制作金屬接觸圖形并用其為襯底；(ii)若襯底是具有表面導電層的絕緣襯底(即襯底包括表面層和底層，表面層為 導電層，底層為絕緣層)，可將樣品固定在樣品托上后，再用導電物質將樣品表面與樣品托 連接起來。其中，所述導電層包括諸如ITO薄膜的導電氧化物或單層的或多層的金屬，所述 金屬包括Au，Ni, Cr, Cu或Al等；所述絕緣襯底包括玻璃、石英或藍寶石等絕緣材料；所述 導電物質包括導電銀膠，導電碳帶，銅帶等。2)獲取微納材料的圖像，并調(diào)整微納材料待減薄部分與離子束的入射方向之間的夾角。一般通過旋轉樣品臺來調(diào)整上述夾角。在本發(fā)明中，離子束的入射方向與微納材 料待減薄部分的夾角可以從0-90°，該夾角根據(jù)所期望得到的縮減效果來確定。例如對于 一端固定在襯底上而另一端自由伸展的納米線來說，當希望縮小其軸向(長度方向)尺寸 時，可以設定上述夾角為0°，使FIB離子流平行于材料軸向入射，此時不僅使長度減小， 還在納米線的端部形成錐狀形貌，使其徑向尺寸也減小；當期望縮小材料的徑向尺寸時，使 FIB離子流傾斜入射到材料縮減部分，一般地，如果入射夾角增大，入射離子與樣品中的粒 子、原子或分子間的相互碰撞幾率增大，被濺射出來的粒子有更多的機會再次以更高的入 射角入射到樣品表面，并具有更高能量，因此具有一定傾斜角度的刻蝕會提高尺寸縮減速 度，特別地，對垂直生長于襯底上的材料，離子流垂直材料軸向入射時還可以使對襯底的損 傷最小，因此該入射夾角優(yōu)選在40-90°的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，當傾斜入射時，可以通過對稱設 置，使離子束在材料相對應的兩面進行輻照減薄，實現(xiàn)如RIE、離子束正向刻蝕的其他工藝 無法實現(xiàn)的從不同角度對材料進行多方位尺寸縮減。3)以步驟2)所設定的微納材料的位置，對所述微納材料進行成像，根據(jù)成像結果 確定縮減區(qū)域。具體地，利用50pA及以下的離子束束流成像并獲取微納材料的FIB圖像，利用FIB 中的圖形發(fā)生器在所獲取FIB圖像上產(chǎn)生一掃描圖形(掃描區(qū)域)，該圖形的的尺寸一般比 材料需要縮減部分的尺寸更大，優(yōu)選地，離子束掃描圖形的尺寸一般比材料的實際尺寸大 50%左右，例如對于實際橫向尺寸為500nm的，其掃描圖形的橫向尺寸可以在700-1000nm。 過大的掃描圖形的設置會增加整個縮減時間，同時造成其它部分的離子輻照損傷，過小的 掃描圖形的設置會由于離子束能量分布的展寬，刻蝕過程中的二次沉積以及樣品及樣品臺 的微小漂移等因素影響縮減尺寸與位置的精確度。優(yōu)選地，當離子束掃描區(qū)域對稱分布在微納材料的待減薄部分的兩側時，可有效的避免離子束能量高斯分布以及減薄掃描過程中 可能存在的樣品位移，離子束隨時間的漂移等引起的對材料邊緣部位的過程差異，從而具 有更好的工藝一致性?？蛇x地，還可以使用SEM對微納材料成像。4)利用離子束對步驟3)的縮減區(qū)域進行掃描刻蝕。具體地，首先設定離子束束流，之后打開離子槍，使離子束在定義的圖形區(qū)域掃 描。在一些情況下，還需要對材料進行分段縮減，那么此時需要在完成一次掃描后，再設定 新的掃描區(qū)域、掃描時間及離子束束流，以實現(xiàn)在材料不同部位具有不同的尺寸(這種重 復掃描的次數(shù)應根據(jù)具體需要而定)。在該步驟4)中，離子束束流與 能量對縮減刻蝕效果有較大影響。一般離子束流越 大，能量越高，刻蝕速度也越高，但過高的刻蝕速率使得可控性變差，而且容易造成對微納 材料與襯底的損傷。因此，在本發(fā)明中，一般優(yōu)選采用低束流離子束刻蝕，即束流小于20pA， 其不僅能夠精確定位每一微納材料的位置，還能夠在加工過程中避免對襯底的損傷。在需 要對材料進行分段縮減的情況下，可以先采用10-20pA的低束流，后采用小于IOpA的束流， 以兼顧刻蝕速率并避免對材料與襯底不必要的注入與損傷。如本領域普通技術人員所公知的，在步驟4)進行尺寸縮減時的掃描時還可以通 過系統(tǒng)設定的具有不同掃描步長(st印size)、束斑重疊(spot overlap)比及駐留時間 (dwell time)的圖形掃描模式，也可以采用FIB成像掃描模式，或掃描面積縮小光柵掃描 模式(reduced rater)。其中采用圖像掃描模式進行尺寸縮減的工藝手段最為靈活，且可將 襯底的輻照損傷面積降到最??；掃描面積縮小光柵掃描模式(reduced rater)可進行較大 面積同等條件下的尺寸縮減加工，具有比圖像掃描模式高的工作效率以及工藝一致性，而 且可克服成像掃描模式(整個視場范圍掃描)對襯底造成的不必要的輻照。由于本發(fā)明采用低束流FIB刻蝕，作為一種脫離掩模版及抗蝕劑的直寫圖形加工 技術，其能夠精確定位每一微納材料的位置、設定特定的刻蝕掃描區(qū)域以及掃描圖形，因此 能夠在加工過程中避免對襯底的損傷。此外，低束流具有極高的材料濺射精度，具有原子尺 度的圖形加工精度，這有利于尺寸縮減過程的可控制性和精確性。尤其是與其他相關技術 相比，F(xiàn)IB具有成像功能，可原位監(jiān)測整個工藝過程。下面給出上述根據(jù)本發(fā)明的用于微納材料的尺寸縮減方法的示例。示例1 對一端垂直固定于襯底上，而另一端自由伸展的直徑為SOnm的鎢納米線進行分 段縮減，該縮減的方法包括1)直徑為80nm的鎢納米線位于SiO2 (200nm)/Si上，將該襯底利用導電碳帶固定 在具有45°傾斜面的樣品托的傾斜面上，再送入FIB/SEM腔體內(nèi)并固定在樣品臺上；2)打開電子槍(5kV電子束加速電壓，30 μ m的電子束光闌)和離子槍(30kV離子 束加速電壓，IpA的離子束束流)，將樣品臺上升到工作高度為5mm處，對納米線圖像進行聚 焦與其它參數(shù)調(diào)整，如圖1(a)所示，為鎢納米線的SEM圖像觀測；所用的系統(tǒng)FIB入射方向 與水平面夾角為38°，將樣品臺順時針傾斜7°，從而使入射離子束垂直于鎢納米線的軸 向(長度)方向入射；3)成像并收集一 FIB圖像，然后采用圖形發(fā)生器定義大小為120nmX700nm的離子 束掃描區(qū)域，并將此圖形放置到納米線自由伸展端部分3 (如圖1(b)所示)，4)選用IpA的離子束束流，設定掃描時間為300秒，打開離子束束閘，啟動離子束掃描進行刻蝕；5)重復步驟3)和4)，將掃描時間設定為120秒，離子束掃描區(qū)域設為 120nmX 1400nm,并使圖形覆蓋到納米線1與2兩部分，最終縮減后的鎢納米線的SEM圖見 圖 1 (c)。從圖1(c)中可以看出，1為原始尺寸部分，徑向尺寸為80nm，2的徑向尺寸縮減到 31nm，3的徑向尺寸縮減到17nm。由此可以看出，依據(jù)本發(fā)明的縮減方法實現(xiàn)了對納米材料 的納米尺度可控縮小，具有高精度三維納米加工的特點。盡管上述示例用到的是雙束掃描電子顯微鏡/聚焦離子束(SEM/FIB)系統(tǒng)，但應 該理解，本發(fā)明的縮減方法也可以在單束聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)或其他FIB系統(tǒng)中實施。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，還提供一種電 極制作方法，包括1)采用上述縮減方法對微納材料進行縮減；2)制作與該縮減后的微納材料相連的電極接觸塊及連線?？蛇x地，上述電極制作方法還包括步驟3)清除襯底上的殘余沉積。具體地，將 樣品臺傾斜一定的角度，使離子束以一定的角度側向入射，使步驟2)中加工的納米電極周 圍，尤其是三維結構的正下方完全無遮擋的暴露在FIB視場中，然后設定掃描區(qū)域，將殘余 沉積去除。在所述步驟2)的制作與該縮減后的微納材料相連的電極接觸塊及連線的步驟， 一般通過以下兩種方式實現(xiàn)一種是采用FIB-CVD原位生長三維結構，使之與所縮減后的 材料形成電極接觸。另一種是使縮減后的微納材料與襯底分離，使之著陸于襯底平面，然后 制備襯底平面內(nèi)的電極接觸塊及連線。具體地說，首先，采用圖形發(fā)生器生成一掃描區(qū)域， 從減薄后材料的根部將其從襯底上分離，使之在重力的作用下著陸于襯底平面上，然后進 行襯底平面內(nèi)電極接觸塊及連線的制備。對于本領域技術人員來說應該理解，所述襯底平面內(nèi)電極接觸塊及連線的制備方 式大體有兩種一種是采用傳統(tǒng)的光刻或電子束曝光，另一種是采用聚焦離子束沉積，其中 后一種為優(yōu)選實現(xiàn)方式，因為其好處在于使微納材料的尺寸縮減及制作電極的整個過程在 同一設備上完成，這不僅大大降低了工藝環(huán)境對樣品污染的可能性，也節(jié)約了成本及時間。更優(yōu)選地，在采用聚焦離子束沉積生長電極接觸時，與減薄后的微納材料直接接 觸的連接線采用低束流沉積，而其它連接線及電極接觸塊則采用較大的束流來完成。這是 因為低束流沉積能很好的避免束流掃描時由于束流剖面分布特征(beam profile)及二次 電子散射等因素產(chǎn)生的在設定面積區(qū)域外產(chǎn)生的殘余沉積，嚴重的殘余沉積可造成電極間 的短路或在納米材料周圍形成額外的導電通道；同時低束流可使由于離子轟擊對材料的影 響降至最低甚至沒有。較大的束流大體上可以獲得較大的沉積速率，從而節(jié)省時間。下面給出根據(jù)本發(fā)明的電極制作方法的示例。示例 2 對一端垂直固定于襯底上，而另一端自由伸展的直徑為SOnm的鎢納米線進行尺 寸縮減并制備電極接觸，包括1)采用上述本發(fā)明的縮減方法縮減鎢納米線，得到鎢納米線直徑大約在20nm ；2)縮減后的鎢納米線與襯底的分離對步驟1)中縮減后的鎢納米線進行離子束 成像，并收集一離子束圖像，然后采用圖形發(fā)生器定義大小為120nmX IOOnm的離子束掃描區(qū)域，并將此圖形放置到納米線根部附近，設定掃描時間為90s，選用IpA的離子束束流，打 開離子束束間，啟動離子束掃描；低束流離子束刻蝕將使納米線根部逐漸失去支持并在重 力的作用下，向與離子束入射方向相反的方向傾斜并著陸于根部附近的襯底表面；3)接觸電極的制作改變樣品臺位置，使離子束垂直于襯底表面入射，利用SEM找 到步驟2)分離后的位于襯底表面的鎢納米線；然后利用FIB材料沉積功能，加工納米電極 接觸。該過程具體包括(i)獲取待加工的鎢納米線的FIB圖像；(ii)利用設備的圖形發(fā)生器軟件生成50 μ mX 50 μ m的電極接觸塊四個，設置其 位置，離縮減后的納米線相距約 ο μ m,選取沉積電流50pA ；(iii)引入金屬有機物氣態(tài)分子源；(iv)打開FIB掃描沉積金屬接觸； (ν)選用IpA的離子束流，對鎢納米線與FIB沉積的大的金屬接觸塊成像，利用設 備的圖形發(fā)生器軟件生成200nmX 11 μ m的納米連線2對，使其一端與鎢納米線連接，另一 端與接觸塊連接，引入金屬有機物氣態(tài)分子源，打開FIB掃描沉積金屬連線。如圖2所示，為最終獲得的四電極接觸結構，其中21為尺寸縮減到30nm并通過 FIB刻蝕與襯底分離后的鎢納米線，22為采用FIB誘導生長的鎢連接線。在本發(fā)明中，由于采用低束流FIB刻蝕，使刻蝕具有原子尺度分辨率的圖形加工 精度，此外，還可以用來對三維復雜納米結構從不同入射角度的、不同部位進行選擇性尺寸 縮減，即具有精確的局部定位功能，使對復雜的微納米材料與圖形的加工及制備成為可能。 在一些情況下，還可以用多束離子束同時對多個納米材料，甚至是不同樣品上的納米材料 進行尺寸縮減，這樣可以很大程度上提高工作效率以及工藝可靠性。對于裝備有離子束誘導的材料生長功能與原位物性測試的聚焦離子束系統(tǒng)，可原 位對尺寸縮減后的納米材料進行三維電極接觸與器件的制備，即尺寸縮減與器件加工，乃 至物性測試可在SEM/FIB或單束FIB系統(tǒng)上一次性完成，具有時間及成本優(yōu)勢。盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領域的普通技術人 員來說，應該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進行修 改或改進，這些修改和改進都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權利要求
一種用于微納材料的尺寸縮減方法，其特征在于，采用FIB低束流掃描刻蝕方法實現(xiàn)尺寸縮減。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述FIB低束流掃描刻蝕方法包括如下步驟1)將具有微納材料的襯底固定在樣品臺上；2)獲取微納材料的圖像，并根據(jù)該圖像調(diào)整微納材料待減薄部分與離子束入射方向之 間的夾角在O到90度之間；3)以步驟2)所確定的微納材料待減薄部分與離子束的位置，成像所述微納材料，根據(jù) 該成像結果確定縮減區(qū)域；4)以步驟3)所確定的縮減區(qū)域，采用離子束束流小于20pA的離子束刻蝕微納材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的夾角在40到90度之間。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟3)還包括通過在所述成像結果 中形成掃描圖形來確定縮減區(qū)域。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述掃描圖形的尺寸大于微納材料的尺 寸 50% 100%。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述成像結果包含所述微納材料的待縮 減部分，所述掃描圖形被設置為對稱分布在該待縮減部分的兩側。
7.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括重復步驟2)至4)，以實現(xiàn)材料的 分段縮減。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述尺寸縮減方法利用雙束 掃描電子顯微鏡/聚焦離子束系統(tǒng)或單束聚焦離子束系統(tǒng)實現(xiàn)。
9.一種電極制作方法，包括以下步驟1)采用權利要求1至7之一所述的縮減方法對微納材料進行縮減；2)制作與該縮減后的微納材料相連的電極接觸塊及連線。
10.根據(jù)權利要求9的方法，所述步驟2)包括步驟21)使縮減后的微納材料與襯底分離，使之著陸于襯底平面； 步驟22)在襯底平面內(nèi)制備與微納材料連接的電極接觸塊及連線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采用FIB低束流掃描刻蝕方法實現(xiàn)微納材料尺寸縮減的方法及電極制作方法。該方法采用低束流FIB刻蝕，使刻蝕具有原子尺度分辨率的圖形加工精度，還可以用來對三維復雜納米結構從不同入射角度、不同部位進行選擇性尺寸縮減。
文檔編號B82B3/00GK101966977SQ20101025977
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權日2010年8月20日
發(fā)明者崔阿娟, 李無瑕, 顧長志 申請人:中國科學院物理研究所