[发明专利]一种基于冰刻的三维悬空纳米结构加工方法

说明书

本发明公开了一种基于冰刻的三维悬空纳米结构加工方法，包括：根据待加工三维悬空纳米结构的结构特征，确定层数以及每层冰膜厚度、电子束曝光参数；按照顺序进行逐层的加工；针对每一层，按照如下顺序形成该层结构：(i)首先在相邻层表面形成冰膜；(ii)在冰膜上进行冰膜的电子束曝光；加工完成后，去除未曝光部分的冰膜，得到所述的三维悬空纳米结构。通过本发明可以完成任意三维悬空纳米结构的制造，例如传统微纳加工技术难以轻松加工的悬空纳米网格、纳米桥状、三维光子晶体等精细结构。本发明加工精度可达百纳米以下，且全程无环境污染且一次性加工成型，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于微纳加工制备领域，具体涉及无机/有机纳米材料制备技术，尤其涉及一种基于冰刻技术实现任意三维悬空纳米结构的加工工艺。

背景技术

纳米加工方法是纳米技术和纳米科学发展的基础，在能源、电子、化学工程、生物医学和量子技术等领域均有重要应用。电子束光刻技术(Electron beam lithography简称EBL)是当前实现精细纳米制造的主要途径之一。

传统的EBL加工流程包含三个主要步骤：首先，将光刻胶材料旋涂在抛光的平面样品上。然后，聚焦电子束将指定图案在胶层上曝光。最后，将样品浸入有机溶剂中进行显影，得到图案化的光刻胶。

虽然利用传统技术(包括EBL技术)也可以实现三维纳米结构的加工，但目前实现对悬空纳米结构的加工存在巨大困难。该处对于悬空的定义为所有的加工部位都是具有支撑结构，如典型结构为自下而上尺寸逐渐缩小的塔型结构。目前，利用传统技术实现。

冰刻技术通过使用水冰或冷冻的有机分子作为电子束光刻胶，已被证明是一种前景广泛的纳米制造技术。公开号为US 8,790,863 B2的美国专利文献(公开日：2014.07.29)公开了水冰作为电子束光刻胶的加工方法。该技术尤其适用于非平面衬底或脆弱结构(如AFM探针，纳米管和纳米线)的加工。

发明内容

本发明提供了一种基于冰刻技术实现任意三维悬空纳米结构的加工方法。与传统的EBL相比，冰刻可重复多次原位叠加冰膜、制备步骤简化。通过本发明提出的加工方法，可以完成悬空纳米网格、纳米桥状、三维光子晶体等精细结构的制作。

为达到上述目的，本发明选用以下技术方案。

一种基于冰刻的三维悬空纳米结构加工方法，包括：根据待加工三维悬空纳米结构的结构特征，确定层数以及每层冰膜厚度、电子束曝光参数；按照顺序进行逐层的加工；针对每一层，按照如下顺序形成该层结构：(i)首先在相邻层表面形成冰膜；(ii)在冰膜上进行冰膜的电子束曝光；加工完成后，去除未曝光部分的冰膜，得到所述的三维悬空纳米结构。

为方便操作，作为优选，本发明形成冰膜采用的原材料为常温下为固体、气态或液态，低温下为固态，且在电子束曝光作用下能够转化为常温下稳定的固体结构的物质；加工完成后，采用升温升华去除未曝光部分的冰膜。为便于控制，作为进一步优选，本发明形成所述冰膜采用的原材料为常温下为液态，低温下为固态，且在电子束曝光作用下能够转化为常温下稳定的固体结构的物质。

本发明所使用电子束掩膜为冰膜，不同于传统光刻胶，去除其未经曝光区域的方法因此可以为升温-升华去除。升华去除的优势在于绿色环保、快速便捷，不需要额外化学试剂清洗处理，仅通过温度控制，避免了化学污染。

作为优选，所述原材料包括醚化合物、醛化合物、酮化合物、醇化合物、羧基化合物、烃类化合物中的一种或多种。

作为进一步优选，形成冰膜采用的物质包括苯甲醚、苯乙醚、取代苯醚类、其他醚类、C3以上烷烃醇类、C4以上烷烃类等。作为更进一步优选，形成冰膜采用的物质包括苯甲醚、苯乙醚、取代苯醚类、其他醚类、C3-C20的烷烃醇类、C4～C40的烷烃类。

本发明中，所述注入有机分子气体可以是单一或者多种气体的混合，也包括有机气体与水蒸气(或者其他化合物)的混合。