悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法与流程

技术领域本发明涉及纳米间隙领域，特别是涉及一种悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法。

背景技术：
金属纳米间隙对，或纳米间隙电极对，是具有纳米尺寸间隙的金属电极结构。它可以作为纳米尺度器件或电路的基石，同时对于纳米尺度尤其是分子尺度的材料物性研究是一种尤为重要的工具。在光学方面，纳米间隙对结构中的等离激元耦合效应具有将光能集中于亚波长尺寸的能力，从而导致电磁场几个数量级幅度的增强。这种间隙中较强的近场增强有望应用于表面增强拉曼散射、非线性光学、荧光增强、单分子探测等诸多领域。更值得一提的是，随着技术的不断突破，结构的尺寸突破经典尺度的极限到达量子范畴，光整合、等离激元的电子发射等现象均会发生，将更有利于未来等离激元光子学与电子学的整合。而从半导体工艺的发展来看，由于对器件小型化和高密度的要求，分子器件以其突出的小尺寸和低能耗，有望被广泛应用于电子电路中。通过在间隙之间放置特定分子，即可获得具有特殊机械、光学、电学和热电性质的分子元器件。同时，纳米间隙对可作为电极，将分子与宏观电路相连接，从而真正实现微电子器件的小型化。在纳米结构加工方面，虽然基于电子束曝光等传统加工技术已经可以实现尺寸小至10nm的纳米结构的加工，但是它们对于可重复性且可靠地制备特征尺寸小于20nm的纳米结构仍然存在限制。现在已开发出的诸多纳米间隙对的制备方法，包括机械力断裂、电迁移断裂、电镀/化学镀、透射电子束曝光、选区刻蚀和聚焦离子束刻蚀等，然而上述工艺都或多或少存在不足之处，如利用电迁移断裂制备的纳米间隙对在后续的透射电镜和电学测试中易形变。而且制备的间隙形貌不规则、间隙间有碎屑或其他污染物、与微电子工艺不兼容等因素始终限制着纳米间隙对结构应用的快速发展。因此继续开发新的纳米间隙对的制备工艺十分必要。

技术实现要素：
本发明的一个目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种新的悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，以获得可重复性好、稳定性好的悬浮金属纳米间隙对结构。特别地，本发明提供了一种悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，包括以下步骤：s1、在清洗好的硅(100)衬底基片上，沉积预定厚度的氮化硅薄膜；s2、旋涂光刻胶，采用电子束曝光方法在所述光刻胶上制备具有预定图形的纳米桥结构；s3、采用反应离子刻蚀方法将所述图形转移至所述氮化硅薄膜上，得到纳米间隙对结构；s4、采用湿法腐蚀方法部分去除所述纳米间隙对结构下的硅，得到悬浮的纳米间隙对结构；s5、采用镀膜方法在所述悬浮的纳米间隙对结构上沉积一层金属薄膜，从而获得悬浮金属纳米间隙对结构；其中所述(100)为硅的晶面。进一步地，所述s1中所述硅(100)衬底清洗依次采用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，清洗时间各3-5min，最后用氮气吹干。进一步地，所述硅(100)衬底清洗后放置于热板上烘烤5-10min。进一步地，所述s1中所述氮化硅薄膜的厚度为200nm。进一步地，所述s2中所述光刻胶为对电子束敏感光刻胶；旋涂所述光刻胶后，放置于热板上烘烤1-2min；可选地，烘烤温度为180℃。进一步地，所述s2中通过修改所述纳米桥的宽度和长度调节所述纳米间隙对结构的尺寸；曝光后进行显影和定影；可选地，显影时间为40s，定影时间为30s。进一步地，所述s3中所述反应离子刻蚀方法采用CHF3和O2刻蚀；可选地，腔内气压为55mTorr，CHF3流量为50sccm，O2流量为5sccm，射频功率为250W，刻蚀时间为4-5min。进一步地，所述s4中所述湿法腐蚀方法采用的腐蚀液为对硅衬底有各向异性腐蚀效果的腐蚀溶液；腐蚀完毕后用氢氟酸稀释液清洗2-3min。进一步地，所述腐蚀液为氢氧化钾和异丙醇的混合溶液；可选地，氢氧化钾固体和水的质量比为1:4，异丙醇与水的体积比为1:8，腐蚀温度为90℃，腐蚀时间为2-3min。进一步地，所述s5中沉积的金属可以附着在所述纳米间隙对结构的正面和侧面；可选地，所述金属是金或银。本发明提供的悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，在清洗好的硅衬底基片上，采用镀膜设备沉积预定厚度的氮化硅薄膜，旋涂光刻胶，利用电子束曝光方法在光刻胶上制备出具有预定图形的纳米桥结构，采用反应离子刻蚀方法将所述图形转移至所述氮化硅薄膜上，此过程中氮化硅纳米桥会因应力释放而断裂成为纳米间隙对结构，再采用湿法腐蚀方法去除所述纳米间隙对结构下方的硅，最后采用镀膜方法在所述悬浮的纳米间隙对结构上沉积一层金属薄膜，从而获得悬浮金属纳米间隙对结构。本发明提供的悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，制备过程中金属纳米间隙是由氮化硅纳米桥结构在刻蚀过程中的断裂，而后沉积金属薄膜形成的，有效避免了金属刻蚀过程。本发明提供了一种新的悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，可以获得可重复性好、稳定性好的悬浮金属纳米间隙对结构。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是根据本发明一个实施例的一种悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法的制作过程示意图；图2是根据本发明实施例一制备的悬浮金属纳米间隙对结构的扫描电子显微镜俯视照片；图3是根据本发明实施例二制备的悬浮金属纳米间隙对结构的扫描电子显微镜俯视照片；图4a是根据本发明实施例三制备的悬浮金属纳米间隙对结构(腐蚀金属后)的扫描电子显微镜俯视照片；图4b是根据本发明实施例三制备的悬浮金属纳米间隙对结构(腐蚀并二沉积金属后)的扫描电子显微镜俯视照片。具体实施方式图1是根据本发明一个实施例的一种悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法的制作过程示意图。如图1所示，本发明提供的一种悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，利用电子束曝光、刻蚀、湿法腐蚀、金属沉积等技术，制备出尺寸均匀的悬浮纳米间隙对结构，包括以下步骤：s1、在清洗好的硅(100)衬底基片1上，沉积预定厚度的氮化硅薄膜2；s2、旋涂光刻胶3，采用电子束曝光方法在光刻胶3上制备具有预定图形的纳米桥结构4；s3、采用反应离子刻蚀方法将所述图形转移至氮化硅薄膜2上，得到纳米间隙对结构5；s4、采用湿法腐蚀方法部分去除纳米间隙对结构5下的硅，得到悬浮的纳米间隙对结构6；s5、采用镀膜方法在悬浮的纳米间隙对结构6上沉积一层金属薄膜7，从而获得悬浮金属纳米间隙对结构8，其中所述(100)为硅的晶面。具体地，在s1中，所述硅(100)衬底清洗依次采用丙酮、酒精、去离子水进行三步超声清洗，每步各3-5min，用氮气吹干后，在热板上烘烤15min。镀膜方法包括等离子体增强化学气相沉积法(英文全称：PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，英文简称：PECVD)、低压力化学气相沉积法(英文全称：LowPressureChemicalVaporDeposition，英文简称：LPCVD)等化学气相方法，优选地，生长氮化硅薄膜2的厚度为200nm。在s2中，所述光刻胶3为对电子束敏感光刻胶3，优选为聚甲基丙烯酸甲酯(英文简称：PMMA)，旋涂在s1得到的生长有氮化硅薄膜2的硅衬底基片1上后，需放置于热板上烘烤1-2min，优选地，烘烤温度为180℃。进一步地，可以通过修改纳米桥的宽度和长度来调节纳米间隙对的尺寸，曝光后先后进行显影和定影，优选地，显影时间为40s，定影时间为30s。在s3中，反应离子刻蚀技术，包括利用氩气、氧气(O2)、三氟甲烷(CHF3)、六氟化硫(SF6)等工艺气体，在外加射频源的作用下，产生较高能量的和较高均匀性的等离子体进行反应刻蚀。反应离子刻蚀，对光刻胶3也有刻蚀作用，采用CHF3和O2工艺气体。作为一个优选地实施方式，腔内气压为55mTorr，CHF3流量为50sccm，O2流量为5sccm，射频功率为250W，刻蚀时间为4-5min。反应离子刻蚀后，纳米桥结构4会因应力释放而断裂成为纳米间隙对结构5。在s4中，湿法腐蚀之前，需先用丙酮溶解刻蚀过程后残余的光刻胶3，并用缓冲氧化硅蚀刻液溶液(英文全称BufferOxideEtcher，英文简称：BOE，体积比6:1的氟化铵(40％)与氢氟酸(49％))腐蚀暴露的硅衬底上面的氧化硅层，腐蚀完毕后用氢氟酸稀释液清洗。湿法腐蚀对硅衬底有各向异性腐蚀效果，其对硅(100)的晶面腐蚀效果小于对硅(100)其他的晶面腐蚀效果。采用氢氧化钾和异丙醇的混合溶液，在一个优选的实施方式中，氢氧化钾固体和水的质量比为1:4，异丙醇与水的体积比为1:8，腐蚀温度为90℃，腐蚀时间为2-3min，腐蚀完毕后用氢氟酸稀释液清洗2-3min。在s5中，沉积的金属可以附着在所述悬浮的纳米间隙对结构6的正面和侧面。可选地，所述金属可以是金或银。镀膜方法包括电子束蒸发、热蒸发和磁控溅射，优选为磁控溅射，无需沉积过渡层。实施例一图2是根据本发明实施例一制备的悬浮金属纳米间隙对结构的扫描电子显微镜俯视照片。在清洗好的硅(100)衬底基片1上，采用LPCVD沉积厚度为200nm的氮化硅薄膜2，而后旋涂光刻胶3(PMMA)，利用电子束曝光方法在光刻胶3上制备纳米桥结构4。采用反应离子刻蚀，采用CHF3和O2工艺气体，腔内气压为55mTorr，CHF3流量为50sccm，O2流量为5sccm，射频功率为250W，刻蚀时间为4-5min，将图形转移至氮化硅薄膜2上，再采用湿法腐蚀方法释放所述的纳米间隙对结构5使其悬浮，最后采用镀膜方法在所述结构上沉积厚度为30nm的银薄膜，从而获得悬浮金属纳米间隙对结构8，其中间隙尺寸为8nm。其制备出的悬浮金属纳米间隙对结构的扫描电子显微镜俯视照片如图2所示。实施例二图3是根据本发明实施例二制备的悬浮金属纳米间隙对结构的扫描电子显微镜俯视照片。在清洗好的硅(100)衬底基片1上，采用LPCVD沉积厚度为200nm的氮化硅薄膜2，而后旋涂光刻胶3(PMMA)，利用电子束曝光方法在光刻胶3上制备纳米桥结构4。采用反应离子刻蚀，采用CHF3和O2工艺气体，腔内气压为55mTorr，CHF3流量为50sccm，O2流量为5sccm，射频功率为250W，刻蚀时间为4-5min，将图形转移至氮化硅薄膜2上，再采用湿法腐蚀方法释放所述的纳米间隙对结构5使其悬浮，最后采用镀膜方法在所述结构上沉积厚度为40nm的银薄膜，从而获得悬浮金属纳米间隙对结构8，其中间隙尺寸为16nm。其制备出的悬浮金属纳米间隙对结构的扫描电子显微镜俯视照片如图3所示。实施例三图4a是根据本发明实施例三制备的悬浮金属纳米间隙对结构(腐蚀金属后)的扫描电子显微镜俯视照片。图4b是根据本发明实施例三制备的悬浮金属纳米间隙对结构(腐蚀并二次沉积金属后)的扫描电子显微镜俯视照片。在清洗好的硅(100)衬底基片1上，采用LPCVD沉积厚度为200nm的氮化硅薄膜2，而后旋涂光刻胶3(PMMA)，利用电子束曝光方法在光刻胶3上制备纳米桥结构4。采用反应离子刻蚀，采用CHF3和O2工艺气体，腔内气压为55mTorr，CHF3流量为50sccm，O2流量为5sccm，射频功率为250W，刻蚀时间为4-5min，将图形转移至氮化硅薄膜2上，再采用湿法腐蚀方法释放所述的纳米间隙对结构5使其悬浮，最后采用镀膜方法在所述结构上沉积厚度为40nm的银薄膜，从而获得悬浮金属纳米间隙对结构8，其中间隙尺寸为16nm，利用金属腐蚀液将Ag洗去后再沉积相同厚度的金属银，结构中的间隙尺寸不变。其制备出的悬浮金属纳米间隙对结构的扫描电子显微镜俯视照片如图4a和图4b所示，在实施例二制备的结构基础上将金属腐蚀后再次沉积金属，以证明所制备悬浮金属纳米间隙对结构具有可重复利用性，极大地降低了制备成本。本发明提供的悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，在清洗好的硅(100)衬底基片1上，采用镀膜设备沉积预定厚度的氮化硅薄膜2，旋涂光刻胶3，利用电子束曝光方法在光刻胶3上制备出具有预定图形的纳米桥结构4，采用反应离子刻蚀方法将所述图形转移至所述氮化硅薄膜2上，此过程中氮化硅纳米桥会因应力释放而断裂成为纳米间隙对结构5，再采用湿法腐蚀方法去除所述悬浮的纳米间隙对结构6下方的硅，最后采用镀膜方法在所述悬浮的纳米间隙对结构6上沉积一层金属薄膜7，从而获得悬浮金属纳米间隙对结构8。本发明提供的悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，制备过程中金属纳米间隙是由氮化硅纳米桥结构4在刻蚀过程中的断裂，而后沉积金属薄膜7形成的，有效避免了金属刻蚀过程。采用镀膜方法在所述悬浮的纳米间隙对结构6上沉积一层金属薄膜7时，金属纳米间隙的尺寸可以通过沉积金属薄膜7的厚度进行控制，工艺简单、易操作。利用本发明的制备方法所制备的悬浮金属纳米间隙对结构悬浮于硅衬底上，可以在完成测试后使用金属腐蚀液将金属洗去重复利用，降低了制备成本。本发明提供了一种新的悬浮金属纳米间隙对结构的制备方法，可以获得可重复性好、稳定性好的悬浮金属纳米间隙对结构。至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。