一種4H-碳化硅復合貴金屬薄膜及其制備方法與流程
本發明涉及納米光子學及周期性多孔半導體器件制備技術領域，更確切地說是一種4H-碳化硅復合貴金屬薄膜及其制備方法。
背景技術：
表面等離激元(SPP)是納米光子學的重要研究方向，它被廣泛應用于傳感器、增強光輻射、光電探測等領域。但是，以金屬為襯底的等離激元系統普遍具有較高的光學固有損耗，激發出來的SPP模式衰減很快，限制了其進一步的發展應用。研究發現極性晶體(例如SiC、SiO2和Ⅲ-Vs等)具有較低的光學固有損耗和獨特的光學性質，它在中紅外波段具有高反射率(例如SiC在Restastrahlen帶內，即波數793cm-1至969cm-1這一波段范圍，反射率接近100％)，因此，在Restastrahlen這個波段內，極化晶體具有表面聲子激元(SPhP)模式。SPhP共振是電磁場與極性晶體光學波聲子之間的耦合。它和SPP相似，都屬于系統的機械模式，可以在滿足某些外在條件的情況下(動量守恒和能量守恒)被共振激發；并且在材料表面產生強電磁場。由于SPhP來源于聲子，所以相比SPP，SPhP共振具有很高的Q因數，具有長壽命的特征。通過對極性晶體表面圖案化，可以實現SPhP激發。尤其是SiC，通過在其表面制作各式各樣的幾何圖案，理論上可以在SiC/空氣交界面激發出SPhP共振。2010年Chinese Science Bulletin上由西班牙課題組AMEEN Mohamed理論上提出SiC納米圓盤可以在中紅外波段產生很強的局域SPhP響應，其品質因數值高達50～60，可以作為紅外光學天線，高效地接收、傳輸、發射共振波長附近的電磁波。2013年Nano Letters上由美國課題組Joshua D.Caldwell發表的文章中通過標準的電子束光刻和反應離子刻蝕的方法制備出基于6H-SiC的納米柱天線陣列結構，在Restastrahlen band內實現了表面聲子激元(SPhP)的激發，激發出的SPhP態具有特別窄的線寬7～24cm-1且Q因數高達40～135，這超過了等離激元系統的理論極限。但是在他們制備中需要在復雜的氣氛和苛刻的溫度條件下進行保護，否則反應離子刻蝕的方 法很容易破壞SiC的表面晶格，導致SPhP壽命的衰減甚至是無法激發；另外，利用電子束光刻價格昂貴，這帶來了該材料的成產成本問題。因此，該發明旨在尋找工藝簡單、制備成本相對低廉的表面聲子激元新型激發方法。
技術實現要素：
本發明基于SPhP激發困難等問題，提出一種4H-碳化硅復合貴金屬薄膜及其制備方法，其可以解決現有技術中的光-聲器件效率低下的缺點。
一種4H-碳化硅復合貴金屬薄膜，包括4H-碳化硅和淀積于4H-碳化硅的貴金屬薄膜層，且所述貴金屬薄膜層設有微結構，所述微結構為周期性的微腔，且所述微腔呈正方格子排列。
所述微腔為圓形。
所述微腔的孔徑范圍為6～10μm。
相鄰兩所述微腔的圓心間距大于12μm。
所述貴金屬為金。
所述4H-碳化硅和貴金屬薄膜層之間淀積有一層鎳。
一種4H-碳化硅復合貴金屬薄膜的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將低摻雜n型4H-碳化硅預刻蝕樣品固定于勻膠機托盤上，樣品Si面朝上，通過勻膠機旋涂正性光刻膠；
步驟2：將步驟1得到的產品放置在烘膠臺上軟烘，樣品Si面朝上，烘膠臺加熱溫度100℃，烘膠時間3～5分鐘；
步驟3：用光刻機對步驟2得到的產品進行紫外曝光，將掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案轉移到樣品光刻膠上，曝光時間60s，且掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案的圓形直徑8μm，相鄰圓心間距18μm；
步驟4：將樣品浸泡在顯影液中顯影，顯影時間24s，其中浸泡12s，在顯影液中輕微抖動樣品12s，然后立刻取出樣品用去離子水沖凈，用N2吹干；
步驟5：用磁控濺射的方法在步驟4得到的產品的同一面沉積約20nm厚的金屬鎳，功率75W，濺射時間720s，工作氣壓為在Ar氣氛圍中0.35Pa；
步驟6：用磁控濺射的方法在步驟5得到的產品的同一面再沉積約100nm厚的金，功率75W，濺射時間1200s，工作氣壓為在Ar氣氛圍中0.35Pa；
步驟7：將樣品浸泡于丙酮溶液中，使用超聲池進行超聲波清洗剝離剩余的光刻膠，直至樣品表面圖案完全出現；
步驟8：取出樣品將其浸泡在無水乙醇溶液中5min，然后用去離子水沖凈，用N2吹干，即獲得所述的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜。
步驟1中的低摻雜n型4H-碳化硅預刻蝕樣品，通過以下方法制備得到：將晶圓尺寸為100cm2，偏4°切割，雙面拋光，清洗后得到并經預刻蝕，樣品由晶圓片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再經過5％氫氟酸水溶液浸泡除去表面氧化層。
所述步驟7中超聲波清洗的超聲頻率大于75KHz。
如上所述，本發明將利用該方法在中紅外波段實現高品質因數的SPhP響應。此方法未破壞碳化硅表面的結晶性能，得到的圓形微腔孔徑規則統一，可保證大面積周期性，并且可重復性強，成品率高，對于其衍生器件制備帶來了便利。
附圖說明
圖1是本發明4H-碳化硅復合貴金屬薄膜的制備方法流程示意圖。
圖2是本發明的掩膜版的結構示意圖。
圖3是本發明的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜的的紅外反射光譜圖。
圖4是本發明的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜的SEM圖。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細描述。
本發明公開了一種4H-碳化硅復合貴金屬薄膜，包括4H-碳化硅和淀積于4H-碳化硅的貴金屬薄膜層，且所述貴金屬薄膜層設有微結構，且所述微結構為周期性的微腔，且所述微腔呈正方格子排列。本發明在貴金屬薄膜上制備微結構，不在4H-碳化硅表面進行微結構刻蝕，本發明的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜在分子探測、新型紅外光源等領域具有廣泛的應用前景。
本發明中所述微腔為圓形，所述微腔的孔徑范圍為6～10μm，相鄰兩所述微腔的圓心間距大于12μm。
本發明中的貴金屬為金。所述4H-碳化硅和貴金屬薄膜層之間淀積有一層鎳。
本發明通過在貴金屬薄膜上制備微結構，而不對低摻雜n型4H-碳化硅進行刻蝕，貴金屬薄膜沉積于4H-碳化硅表面，沉積金屬鎳用作粘附層，增強4H-碳化硅基底與貴金屬的黏附性。本發明使用一種碳化硅復合貴金屬薄膜結構，其特點為基于雙面拋光的低摻雜n型4H-SiC襯底，生長貴金屬薄膜，在貴金屬層與4H-SiC之間沉積金屬鎳用作粘附層，增強黏附性。金屬薄膜上刻蝕有周期性圓形微腔，微腔呈正方格子排列。
一種4H-碳化硅復合貴金屬薄膜的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將低摻雜n型4H-碳化硅預刻蝕樣品固定于勻膠機托盤上，樣品Si面朝上，通過勻膠機旋涂正性光刻膠，勻膠機轉速：前轉800rad/min，前轉時間9s；后轉3100rad/min，后轉時間25s；
步驟2：將步驟1得到的產品放置在烘膠臺上軟烘，樣品Si面朝上，烘膠臺加熱溫度100℃，烘膠時間3～5分鐘；
步驟3：用光刻機對步驟2得到的產品進行紫外曝光，將掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案轉移到樣品光刻膠上，曝光時間60s，且掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案的圓形直徑8μm，相鄰圓心間距18μm；
步驟4：將樣品浸泡在顯影液中顯影，顯影時間24s，其中浸泡12s，在顯影液中輕微抖動樣品12s，然后立刻取出樣品用去離子水沖凈，用N2吹干；
步驟5：用磁控濺射的方法在步驟4得到的產品的同一面沉積約20nm厚的金屬鎳，功率75W，濺射時間720s，工作氣壓為在Ar氣氛圍中0.35Pa；
步驟6：用磁控濺射的方法在步驟5得到的產品的同一面再沉積約100nm厚的金，功率75W，濺射時間1200s，工作氣壓為在Ar氣氛圍中0.35Pa；
步驟7：將樣品浸泡于丙酮溶液中，使用超聲池進行超聲波清洗剝離剩余的光刻膠，直至樣品表面圖案完全出現；
步驟8：取出樣品將其浸泡在無水乙醇溶液中5min，然后用去離子水沖凈，用N2吹干，即獲得所述的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜。
本發明步驟1中的低摻雜n型4H-碳化硅預刻蝕樣品，通過以下方法制備得到：將晶圓尺寸為100cm2，偏4°切割，雙面拋光，清洗后得到并經預刻蝕，樣品由晶圓片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再經過5％氫氟酸水溶液浸泡除去表面氧化層。所述步驟7中超聲波清洗的超聲頻率大于75KHz。
本發明公布一種激發4H-碳化硅表面聲子激元的方法。這種方法基于4H-SiC復合貴金屬薄膜結構。其具體制備流程包括如下步驟，如圖1所示：
步驟1：準備低摻雜n型4H-碳化硅預刻蝕樣品。
所述樣品為晶圓尺寸為100cm2，偏4°切割，雙面拋光，由嚴格半導體工藝清洗后得到并經預刻蝕，樣品由晶圓片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再經過5％氫氟酸水溶液浸泡除去表面氧化層。
步驟2：將樣品固定于勻膠機托盤上，樣品Si面朝上，旋涂正性光刻膠。勻膠機轉速：前轉800rad/min，前轉時間9s；后轉3100rad/min，后轉時間25s。
步驟3：將上述樣品放置在烘膠臺上軟烘，樣品Si面朝上，烘膠臺加熱溫度100℃，烘膠時間3～5分鐘。
步驟4：用光刻機對上述樣品進行紫外曝光，將掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案，轉移 到樣品光刻膠上，曝光時間60s，掩膜版的結構如圖2所示，圓形直徑8μm，相鄰圓心間距18μm，其為周期性圓形陣列，陰影區域是未曝光的區域。
步驟5：將樣品浸泡在顯影液中顯影，顯影時間24s(浸泡12s，在顯影液中輕微抖動樣品12s)，然后立刻取出樣品用去離子水沖凈，用N2吹干。
步驟6：用磁控濺射的方法在上述樣品同一面沉積約20nm厚的金屬鎳，功率75W，濺射時間720s，工作氣壓：在Ar氣氛圍中0.35Pa。
步驟7：用磁控濺射的方法在上述樣品同一面再沉積約100nm厚的金，功率75W，濺射時間1200s，工作氣壓：在Ar氣氛圍中0.35Pa。
步驟8：將樣品浸泡于丙酮溶液中，使用超聲池進行超聲波清洗剝離剩余的光刻膠，直至樣品表面圖案完全出現。超聲頻率必須控制在75KHz以上，較低的頻率容易破壞微納結構樣品。
步驟9：取出樣品將其浸泡在乙醇(99％)溶液中5min，然后用去離子水沖凈，用N2吹干，即獲得所述的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜結構，如圖3和圖4所示，圖3是本發明的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜的的紅外反射光譜圖，圖中峰位在931.40cm-1的吸收峰是該材料激發出來的SPhP吸收峰，它具有很高的品質因數。
本發明的4H-碳化硅復合貴金屬薄膜能夠在4H-SiC的全反射Reststrahlen帶內實現共振吸收，實現長壽命的表面聲子激元激發。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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