一种在二维材料上加工光栅的方法与流程

1.本发明属于半导体材料加工技术领域，具体涉及一种在二维材料上加工光栅的方法。


背景技术：

2.众所周知，二维材料中的过渡金属硫化物，例如二硫化钼、二硒化钨等，具有优异的光学与电学性能，这类材料具有可调的光子带隙结构，已经成为纳米光电子材料器件研究领域的研究热点之一。单层过渡金属硫化物具有直接带隙，其在可见光波段，自由空间单层二硫化钼的吸收为10
‑
20％。近年来，基于过渡金属硫化物类二维材料的光电器件研究快速发展，在能源、光电检测、生物传感等领域展示出重要的应用价值。
3.针对机械剥离办法制备的二维材料，由于机械剥离制备的二维材料在片源上是随机位置和角度分布的，并且尺寸较小，所以想在特定二维材料的特定位置和方向上加工，需要一种高定位精度的加工方法。


技术实现要素：

4.本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种在二维材料上加工光栅的方法，通过fib在待加工位置周边直接刻蚀标记，然后将包括标记和待加工位置的sem照片导入画图软件，根据sem照片可以直观的判断出待加工位置的相对坐标和方向，然后通过ebl自动套刻的方式，将图形曝光在待加工区域。该方法可以实现加工位置误差小于500nm，角度误差小于0.1
°
；并且该方法工艺步骤较少，成本低，出错率低。
5.本发明的目的是提供一种在二维材料上加工光栅的方法，包括如下步骤：
6.s1、fib加工套刻标记：利用fib在距离二维材料待加工区域200微米的位置刻蚀1个大十字标记和4个小十字标记，刻蚀深度大于200nm，四个小十字标记的周期为200微米，大十字标记在小十字标记左上方向300微米处，后续ebl曝光找标记时，先找大标记；
7.s2、sem拍照：将4个小十字标记的方向转正，在合适的放大倍数下，将小十字标记和待加工区域移到同一个视场下拍照；
8.s3、制作加工版图：首先在l
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edit软件中画出上述1个大十字标记和4个小十字标记，然后将sem照片导入l
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edit软件中，调整sem照片的单个像素点的大小以及照片的旋转角度，使得sem照片上的每个标记与版图中对应的每个标记重叠，此时在sem图片中二维材料上待加工的位置画出需要加工的图形；
9.s4、片源预处理：将片源放在180℃热板烘烤5min，然后使用氮气枪吹扫片源，去除表面颗粒污染物；
10.s5、涂胶：利用涂胶机旋涂电子束光刻胶zep 520a，使用180℃热板烘烤2min，去除光刻胶中多余溶剂；
11.s6、ebl套刻：将涂好光刻胶的片源放入ebl设备后，先在背散射电子探头下寻找大十字标记，然后再通过大十字标记和小十字标记的相对坐标，找到小十字标记，最后根据小
标记和待加工位置的相对坐标进行自动套刻；
12.s7、显影：常温下，在zedn50中显影90s，接着在ipa中定影30s；进行高温坚膜烘烤，使用120℃热板烘烤2min；
13.s8、rie刻蚀：对做好光刻胶图形的二维材料进行rie刻蚀，气体为ar，流量为25sccm，偏压功率为50w，时间为30s
‑
1min，将光刻胶的图形转移到二维材料上；
14.s9、去胶：将片源放入70℃去胶液中静态浸泡10min
‑
30min，去除表面光刻胶。
15.优选地，所述二维材料为二硫化钼或二硒化钨。
16.优选地，所述大十字标记的尺寸为200微米
×
10微米。
17.优选地，所述小十字标记的尺寸为100微米
×
5微米。
18.本发明具有的优点和积极效果是：
19.本发明主要针对机械剥离办法制备的二维材料，通过fib在待加工位置周边直接刻蚀标记，然后将包括标记和待加工位置的sem照片导入画图软件，根据sem照片可以直观的判断出待加工位置的相对坐标和方向，然后通过ebl自动套刻的方式，将图形曝光在待加工区域。该方法可以实现加工位置误差小于500nm，角度误差小于0.1
°
；并且该方法工艺步骤较少，成本低，出错率低。
附图说明
20.图1为本发明优选实施例的工艺流程图；
21.图2为本发明优选实施例的套刻标记示意图；
22.其中：1、二硫化钼；2、si衬底；3、套刻标记；4、zep 520a；5、曝光图形；6、光栅；7、大十字标记；8、小十字标记。
具体实施方式
23.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
24.如图1和图2所示，本发明的技术方案为：
25.一种在二维材料上加工光栅的方法，二维材料为二硫化钼或二硒化钨，此处以二硫化钼为例；包括如下步骤：
26.步骤一、fib(聚焦离子束，focused ion beam)加工套刻标记3：利用fib在硅衬底2上距离二硫化钼1待加工区域200微米的位置刻蚀1个大十字标记7(200微米
×
10微米)和4个小十字标记8(100微米
×
5微米)，刻蚀深度不能太浅，需要大于200nm，太浅的话，ebl(电子束曝光系统，electron beam lithography)无法自动检测到标记从而影响套刻精度。加工过程避免离子束扫到二硫化钼，对其产生损坏。如图2所示，四个小十字标记的周期为200微米，使其在fib的一个写场内加工，保证其周期的准确性；大十字标记在小十字标记左上方向300微米处，后续ebl(100kv)曝光找标记时，先找大十字标记，避免高能电子束扫到待曝光区域，破坏图形。
27.步骤二、sem(扫描电子显微镜scanning electron microscope)拍照：在sem下，将4个小十字标记按照附图2所示的方向尽量转正，在合适的放大倍数下，将小十字标记和待加工区域移到同一个视场下拍照。
28.步骤三、制作加工版图：首先在l
‑
edit软件中画出步骤1所述的5个标记(1个大十字标记和4个小十字标记)，然后将sem照片导入l
‑
edit软件中，调整sem照片的单个像素点的大小以及照片的旋转角度，使得sem照片上的每个标记与版图中对应的每个标记重叠，此时在sem图片中二硫化钼上待加工的位置画出想要加工的图形。
29.步骤四、片源预处理：将片源放在180℃热板烘烤5min，然后使用氮气枪吹扫片源，去除表面颗粒污染物。
30.步骤五、涂胶：利用涂胶机旋涂电子束光刻胶zep 520a4，为了增强光刻胶的稳定性和强度，使用180℃热板烘烤2min，去除光刻胶中多余溶剂。
31.步骤六、ebl套刻：将涂好光刻胶的片源放入ebl设备后，先在背散射电子探头下寻找大十字标记，由于大十字标记距离待曝光区域较远，可以避免高能电子束扫到待曝光区域，破坏图形；然后再通过大十字标记和小十字标记的相对坐标，找到小十字标记，最后根据小十字标记和待加工位置的相对坐标进行自动套刻曝光。
32.步骤七、显影：常温下，在zedn50中显影90s，接着在ipa中定影30s，得到曝光图形5。为了增加电子束光刻胶zep 520a的抗刻蚀性以及套刻标记的稳定性，进行高温坚膜烘烤，使用120℃热板烘烤2min。
33.步骤八、rie刻蚀：对已经做好光刻胶图形的二硫化钼进行rie刻蚀，气体ar，流量25sccm，偏压功率50w，时间30s
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1min，将光刻胶的图形转移到二硫化钼上，得到二硫化钼光栅6。
34.步骤九、去胶：将片源放入70℃去胶液中静态浸泡10min
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30min，去除表面光刻胶。
35.本发明通过fib在待加工位置周边直接刻蚀标记，然后将包括标记和待加工位置的sem照片导入画图软件，根据sem照片可以直观的判断出待加工位置的相对坐标和方向，然后通过ebl自动套刻的方式，将图形曝光在待加工区域。该方法可以实现加工位置误差小于500nm，角度误差小于0.1
°
；并且该方法工艺步骤较少，成本低，出错率低。
36.以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。