本發(fā)明涉及納米光子學(xué)及周期性多孔半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域，更確切地說是一種4H-碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

表面等離激元(SPP)是納米光子學(xué)的重要研究方向，它被廣泛應(yīng)用于傳感器、增強(qiáng)光輻射、光電探測(cè)等領(lǐng)域。但是，以金屬為襯底的等離激元系統(tǒng)普遍具有較高的光學(xué)固有損耗，激發(fā)出來的SPP模式衰減很快，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)極性晶體(例如SiC、SiO₂和Ⅲ-Vs等)具有較低的光學(xué)固有損耗和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，它在中紅外波段具有高反射率(例如SiC在Restastrahlen帶內(nèi)，即波數(shù)793cm^-1至969cm^-1這一波段范圍，反射率接近100％)，因此，在Restastrahlen這個(gè)波段內(nèi)，極化晶體具有表面聲子激元(SPhP)模式。SPhP共振是電磁場(chǎng)與極性晶體光學(xué)波聲子之間的耦合。它和SPP相似，都屬于系統(tǒng)的機(jī)械模式，可以在滿足某些外在條件的情況下(動(dòng)量守恒和能量守恒)被共振激發(fā)；并且在材料表面產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)。由于SPhP來源于聲子，所以相比SPP，SPhP共振具有很高的Q因數(shù)，具有長(zhǎng)壽命的特征。通過對(duì)極性晶體表面圖案化，可以實(shí)現(xiàn)SPhP激發(fā)。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(fā)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(chǎn)生很強(qiáng)的局域SPhP響應(yīng)，其品質(zhì)因數(shù)值高達(dá)50～60，可以作為紅外光學(xué)天線，高效地接收、傳輸、發(fā)射共振波長(zhǎng)附近的電磁波。2013年Nano Letters上由美國課題組Joshua D.Caldwell發(fā)表的文章中通過標(biāo)準(zhǔn)的電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕的方法制備出基于6H-SiC的納米柱天線陣列結(jié)構(gòu)，在Restastrahlen band內(nèi)實(shí)現(xiàn)了表面聲子激元(SPhP)的激發(fā)，激發(fā)出的SPhP態(tài)具有特別窄的線寬7～24cm^-1且Q因數(shù)高達(dá)40～135，這超過了等離激元系統(tǒng)的理論極限。但是在他們制備中需要在復(fù)雜的氣氛和苛刻的溫度條件下進(jìn)行保護(hù)，否則反應(yīng)離子刻蝕的方 法很容易破壞SiC的表面晶格，導(dǎo)致SPhP壽命的衰減甚至是無法激發(fā)；另外，利用電子束光刻價(jià)格昂貴，這帶來了該材料的成產(chǎn)成本問題。因此，該發(fā)明旨在尋找工藝簡(jiǎn)單、制備成本相對(duì)低廉的表面聲子激元新型激發(fā)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于SPhP激發(fā)困難等問題，提出一種4H-碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜及其制備方法，其可以解決現(xiàn)有技術(shù)中的光-聲器件效率低下的缺點(diǎn)。

一種4H-碳化硅復(fù)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(shè)有微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)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(fù)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(yù)刻蝕樣品固定于勻膠機(jī)托盤上，樣品Si面朝上，通過勻膠機(jī)旋涂正性光刻膠；

步驟2：將步驟1得到的產(chǎn)品放置在烘膠臺(tái)上軟烘，樣品Si面朝上，烘膠臺(tái)加熱溫度100℃，烘膠時(shí)間3～5分鐘；

步驟3：用光刻機(jī)對(duì)步驟2得到的產(chǎn)品進(jìn)行紫外曝光，將掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案轉(zhuǎn)移到樣品光刻膠上，曝光時(shí)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(shí)間24s，其中浸泡12s，在顯影液中輕微抖動(dòng)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(chǎn)品的同一面沉積約20nm厚的金屬鎳，功率75W，濺射時(shí)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(chǎn)品的同一面再沉積約100nm厚的金，功率75W，濺射時(shí)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(jìn)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(xiàn)；

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(fù)合貴金屬薄膜。

步驟1中的低摻雜n型4H-碳化硅預(yù)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(jīng)預(yù)刻蝕，樣品由晶圓片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再經(jīng)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(fā)明將利用該方法在中紅外波段實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的SPhP響應(yīng)。此方法未破壞碳化硅表面的結(jié)晶性能，得到的圓形微腔孔徑規(guī)則統(tǒng)一，可保證大面積周期性，并且可重復(fù)性強(qiáng)，成品率高，對(duì)于其衍生器件制備帶來了便利。

附圖說明

圖1是本發(fā)明4H-碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜的制備方法流程示意圖。

圖2是本發(fā)明的掩膜版的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的4H-碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜的的紅外反射光譜圖。

圖4是本發(fā)明的4H-碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜的SEM圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明公開了一種4H-碳化硅復(fù)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(shè)有微結(jié)構(gòu)，且所述微結(jié)構(gòu)為周期性的微腔，且所述微腔呈正方格子排列。本發(fā)明在貴金屬薄膜上制備微結(jié)構(gòu)，不在4H-碳化硅表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)刻蝕，本發(fā)明的4H-碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜在分子探測(cè)、新型紅外光源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)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(fā)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(fā)明通過在貴金屬薄膜上制備微結(jié)構(gòu)，而不對(duì)低摻雜n型4H-碳化硅進(jìn)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(qiáng)4H-碳化硅基底與貴金屬的黏附性。本發(fā)明使用一種碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為基于雙面拋光的低摻雜n型4H-SiC襯底，生長(zhǎng)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(qiáng)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(fù)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(yù)刻蝕樣品固定于勻膠機(jī)托盤上，樣品Si面朝上，通過勻膠機(jī)旋涂正性光刻膠，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速：前轉(zhuǎn)800rad/min，前轉(zhuǎn)時(shí)間9s；后轉(zhuǎn)3100rad/min，后轉(zhuǎn)時(shí)間25s；

步驟2：將步驟1得到的產(chǎn)品放置在烘膠臺(tái)上軟烘，樣品Si面朝上，烘膠臺(tái)加熱溫度100℃，烘膠時(shí)間3～5分鐘；

步驟3：用光刻機(jī)對(duì)步驟2得到的產(chǎn)品進(jìn)行紫外曝光，將掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案轉(zhuǎn)移到樣品光刻膠上，曝光時(shí)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(shí)間24s，其中浸泡12s，在顯影液中輕微抖動(dòng)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(chǎn)品的同一面沉積約20nm厚的金屬鎳，功率75W，濺射時(shí)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(chǎn)品的同一面再沉積約100nm厚的金，功率75W，濺射時(shí)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(jìn)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(xiàn)；

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(fù)合貴金屬薄膜。

本發(fā)明步驟1中的低摻雜n型4H-碳化硅預(yù)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(jīng)預(yù)刻蝕，樣品由晶圓片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再經(jīng)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(fā)明公布一種激發(fā)4H-碳化硅表面聲子激元的方法。這種方法基于4H-SiC復(fù)合貴金屬薄膜結(jié)構(gòu)。其具體制備流程包括如下步驟，如圖1所示：

步驟1：準(zhǔn)備低摻雜n型4H-碳化硅預(yù)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(yán)格半導(dǎo)體工藝清洗后得到并經(jīng)預(yù)刻蝕，樣品由晶圓片切割成1.5cm×1.5cm方形片，再經(jīng)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(jī)托盤上，樣品Si面朝上，旋涂正性光刻膠。勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速：前轉(zhuǎn)800rad/min，前轉(zhuǎn)時(shí)間9s；后轉(zhuǎn)3100rad/min，后轉(zhuǎn)時(shí)間25s。

步驟3：將上述樣品放置在烘膠臺(tái)上軟烘，樣品Si面朝上，烘膠臺(tái)加熱溫度100℃，烘膠時(shí)間3～5分鐘。

步驟4：用光刻機(jī)對(duì)上述樣品進(jìn)行紫外曝光，將掩膜版上的周期性圓形陣列微圖案，轉(zhuǎn)移 到樣品光刻膠上，曝光時(shí)間60s，掩膜版的結(jié)構(gòu)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(qū)域是未曝光的區(qū)域。

步驟5：將樣品浸泡在顯影液中顯影，顯影時(shí)間24s(浸泡12s，在顯影液中輕微抖動(dòng)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(shí)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(shí)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(jìn)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(xiàn)。超聲頻率必須控制在75KHz以上，較低的頻率容易破壞微納結(jié)構(gòu)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(fù)合貴金屬薄膜結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示，圖3是本發(fā)明的4H-碳化硅復(fù)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(fā)出來的SPhP吸收峰，它具有很高的品質(zhì)因數(shù)。

本發(fā)明的4H-碳化硅復(fù)合貴金屬薄膜能夠在4H-SiC的全反射Reststrahlen帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)共振吸收，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的表面聲子激元激發(fā)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。