【刻蚀】非导电基底的电子束刻蚀

电子束刻蚀(EBL)是一种无需使用掩膜的刻蚀技术，适用于加工微米及纳米尺度的微观结构。一般的，刻蚀所需的...



电子束刻蚀 (EBL) 是一种无需使用掩膜的刻蚀技术，适用于加工微米及纳米尺度的微观结构。一般的，刻蚀所需的掩膜加工成本较高，而电子束刻蚀技术无需使用掩膜，这是它的一个显著优势。在使用电子束刻蚀过程中，基底被一层电子束敏感物质（抗蚀剂）覆盖，表面位置选择性的暴露于电子束下。之后使用显影剂溶解掉上述暴露于电子束下的抗蚀剂。接着，目标材料被沉积在基材表面，再通过所谓的“剥离”步骤将多余的抗蚀剂溶解掉，达到使目标材料仅存在于暴光位置（正性抗蚀剂）或非暴光位置（负性抗蚀剂）。对于玻璃或其他非导电样品，电子束作用下基底产生的电荷效应往往会极大地影响刻蚀加工的质量和精度。通常，这个问题可以通过在抗蚀剂表面沉积导电层的方法来解决。Espacer300z是一种导电性好的高分子材料，而且Espacer300z可以通过使用与抗蚀剂相同的方法进行沉积，方便快捷。

此应用案例，将介绍等离子体天线、嵌入电介质（如非导电基底或空气）的金属纳米结构以及它们的加工过程。等离子体天线的优点有很多，主要有增强局部光刻的能力以及衍射极限下获得高空间分辨率的能力。目前，等离子体天线是先进材料研究的重要课题。

实验条件

本例中，制备等离子体天线的基体材料有两种（二者均为非导电材料）：分别是玻璃和硅片（表面镀有厚度为650 nm的纳米晶金刚石颗粒-NCD）。首先，对两种基底进行退火处理，去除其表面的凝结水层；之后，在玻璃基体上沉积一种名为MCC Primer 80/20的粘合层；随后，使用旋涂工艺在基底均匀分散140 nm厚的抗蚀剂，抗蚀剂材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。由于玻璃基底样品易受电荷效应干扰，故在其抗蚀剂层上方再沉积一层20 nm厚的Espacer 300z，作为导电层。对于镀NCD的硅基底样品，由于30keV的电子束很容易穿透NCD层，硅基底具有一定的导电性，能够将过多的电荷转移掉，因此NCD样品不存在电荷效应干扰问题，也就无需额外沉积导电高分子层。

TESCANVEGA3型扫描电子显微镜（如图.1）是一款配有DrawBeam软件模块的电镜，本案例中的电子束刻蚀即是使用该设备完成。实验中，电子束加速电压为30 kV，电子束面密度大约为300 µC /cm2。玻璃基底样品与NCD硅基底样品的电子束斑直径分别为10 nm和20 nm。电子束曝光步骤完成后，用水洗去Espacer 300z导电高分子层。对抗蚀剂进行显影后，在蚀刻图案表面进行溅射镀金。最后，使用“剥离”方法将剩余的抗蚀剂移除样品表面。

EBL加工的微观结构

在以上实验条件下，使用电子束刻蚀技术(EBL)在玻璃基底上加工了尺寸范围为40x40µm2的金天线触点阵列，天线触点的形状有长方形和圆形，尺寸在100nm到1µm之间，金天线触点的空间间隔为500nm到2µm,，如图2.和图3.。

EBL也能够加工尺寸小于100nm的天线触点阵列，但此时阵列点的形状尺寸精度将降低。在NCD基底上，加工了尺寸范围为50x50µm2的近/中红外的双天线触点阵列。这种特殊结构的每组天线触点由长500nm到2.1µm、宽450–500nm的两个棒状天线构成，且两个棒状天线的间隙为300nm（如图4.）NCD基底上的天线触点间距为3到5µm。使用电子束刻蚀技术（EBL）加工的样品，结构尺寸小，其几何形状一般仅通过光学显微镜的暗场模式或扫描电子显微镜进行观察研究。

结论

以上图像由扫描近场光学显微镜获取，实验结果表明，聚焦离子束（FIB）技术能够加工制造高精度的纳米尺寸的微观结构。无论是对基础研究，还是对应用技术，搭载FIB的仪器设备能够有效地帮助众多的研究领域进行纳米机构的加工制备。

TESCAN LYRA3型电镜同时搭载SEM和FIB双束粒子显微系统，本例中的刻蚀加工即是使用该电镜完成。LYRA3电镜同时集成了高分辨率的Shottky场发射-SEM系统和性能强大、分辨率高的FIB系统，其配置特点显示了LYRA3在快速、精准的进行纳米结构加工方面的能力，如加工激发光狭缝或其他等离子体结构，这对于使用扫描近场光学显微镜（SNOM）进行实验检测至关重要。





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