基于Igor Pro實現(xiàn)的低成本電子束直寫微加工

麥滿芳， 馬信洲

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 a.物理與光電工程學(xué)院；b.材料科學(xué)與能源工程學(xué)院，廣東 佛山 528000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展以及器件的微型化，人們對微納加工技術(shù)的需求越來越高。目前已經(jīng)開發(fā)了各種各樣的微納加工技術(shù)，例如常規(guī)的光刻技術(shù)和電子束光刻等[1-7]。相比于光束，電子束更加容易被聚焦，使得電子束直寫技術(shù)成為加工微納米結(jié)構(gòu)的一個強大的工具，在微納米加工領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用[5-7]。然而，一般來說，掃描電子顯微鏡并不具備電子束直寫的功能,額外添加電子束直寫功能的成本昂貴，這在一定程度限制了此方法的廣泛應(yīng)用。為了使用常規(guī)的掃描電子顯微鏡實現(xiàn)低成本的電子束直寫加工微納結(jié)構(gòu)，本文提出了一個基于Igor Pro的簡易電子束直寫方法。此方法的基本原理是通過Igor Pro程序控制NI PCI-6251 多功能板卡的電壓輸出,從而控制電子束的運動以實現(xiàn)微納加工的目的。本文所提出的方法具有成本低、簡單易行的優(yōu)點。

1 基于Igor Pro實現(xiàn)控制電子束運動

Igor Pro是美國WaveMetrics公司開發(fā)的一個功能強大的數(shù)據(jù)分析和圖像處理軟件[8]，為了實現(xiàn)使用Igor Pro程序，直接從美國國家儀器公司(National Instruments,NI)的多功能數(shù)據(jù)采集板卡讀取測量數(shù)據(jù)，WaveMetrics公司開發(fā)了Igor NIDAQ Tools MX package。Igor NIDAQ Tools MX package建立于NI-DAQmx驅(qū)動程序之上，通過用戶編寫的Igor Pro程序，能夠非常便利地與NI的多功能DAQ板卡通訊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和輸出[9]。如圖1(a)所示，本文提出的基于Igor Pro的電子束直寫系統(tǒng)主要由自主編寫的Igor Pro程序和一個NI PCI-6251多功能板卡組成。PCI-6251是NI公司生產(chǎn)的一款16位的高速多功能M系列的DAQ板卡，具有16個模擬輸入端口(AI),2個模擬輸出端口 (AO)[10]。如圖1(a)所示，此簡易電子束直寫方法的基本工作原理是：通過Igor Pro程序控制PCI-6251板卡的模擬輸出。由于PCI-6251板卡的輸出電壓范圍是-10～10 V，為了增加電子束的掃描范圍，從PCI-6251板卡輸出的電壓波形經(jīng)過一個電壓放大器(10倍)輸入到一個掃描電子顯微鏡的電子束掃描線圈，從而實現(xiàn)電子束在xy方向的偏轉(zhuǎn)，以此控制電子束的運動。為了能夠?qū)崟r地監(jiān)測電子束的運動，Igor Pro通過PCI-6251的2個模擬輸入端口(AI)測量輸出的電壓波形。由此可見，實現(xiàn)此簡易的電子束直寫微加工方法所需要的配置并不高，在硬件方面，需要一臺個人電腦和一個NI PCI-6251板卡；而在軟件方面則需要Igor Pro軟件和Igor NIDAQ Tools MX package。

(a) 基于Igor Pro的簡易電子束直寫方法的原理示意圖

(b) 實現(xiàn)控制電子束直寫的Igor Pro程序的結(jié)構(gòu)流程圖

圖1 Igor Pro電子束直寫方法原理示意圖和結(jié)構(gòu)流程圖

實現(xiàn)電子束直寫的Igor Pro程序的結(jié)構(gòu)流程如圖1(b)所示。首先，通過自定義程序生成圖案，生成的圖案實際上是一個二維數(shù)組(xoutputwave和youtputwave)。然后將生成的圖案組從PCI-6251板卡輸出兩個電壓波形，并使用板卡的模擬輸入實時監(jiān)測圖案的輸出。最后，當電子束直寫完成或者被終止時，程序會停止監(jiān)測圖案輸出,同時將電子束最大程度地偏轉(zhuǎn)。下面詳細地介紹和討論實現(xiàn)電子束直寫和監(jiān)測的Igor Pro 代碼。DAQmx_WaveformGen是NiDAQ Tools MX package自帶的可實現(xiàn)任意電壓波形輸出的函數(shù)[9]。

如圖2(a)所示，通過使用DAQmx_WaveformGen/Dev="dev1"/NPRD=1/EOSH="finishedpatterning()""xoutputwave, 0;youtputwave, 1;"命令，將xoutputwave和youtputwave這兩個數(shù)組分別從PCI-6251板卡的模擬端口(AO0和AO1)輸出。使用/NPRD標識，可以設(shè)定圖案的輸出次數(shù)，例如，當NPRD=1時，圖案輸出的次數(shù)為1次。當圖案輸出完成后，使用/EOSH標識，調(diào)用fDAQmx_WriteChan("dev1",0,10,-10,10)命令，從PCI-6251板卡輸出10 V的最大電壓，使得電子束最大程度地偏轉(zhuǎn)并遠離被圖案化的區(qū)域以實現(xiàn)屏蔽的作用。圖2(b)所示為使用PCI-6251板卡的兩個模擬輸入端口監(jiān)測電子束圖案化過程的程序代碼，DAQmx_Scan/DEV="dev1"/AVE=(stepperpoint)/CLK={"/Dev1/ao/SampleClock",0} FIFO=Scanpara是實現(xiàn)這一個功能的核心命令。通過設(shè)定/CLK={"/Dev1/ao/SampleClock",0}，即可使用模擬輸出的時鐘，實現(xiàn)板卡的模擬輸出和輸入的同步。通過sprintfScanparaFIFOName+"; 0/NRSE;1/NRSE;"命令將PCI-6251板卡數(shù)據(jù)采集模式設(shè)置為NRSE(Nonreferenced single-ended)。Igor Pro通過PCI-6251讀取的數(shù)據(jù)可以直接存儲為數(shù)組或先存儲到FIFO(First-in First-out)緩存中。通常，在不確定需要采集數(shù)據(jù)的總量的情況下，讀取的數(shù)據(jù)更加趨向存儲于FIFO緩存中。通過使用DAQmx_ScanFIFO=Scanpara命令，程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)首先存儲在FIFO緩存中。為了能夠使用FIFO 緩存，則需要設(shè)定FIFO通道，其程序代碼如圖2(c)所示。NewFIFOChan命令用于設(shè)定FIFO緩存通道。例如，Igor Pro程序需要使用2個模擬輸入端口采集數(shù)據(jù)，因此需要使用NewFIFOChan命令開通2個FIFO緩存通道。圖2(d)為Igor Pro程序的界面，它主要包括程序代碼窗口、一個控制界面、一個輸出圖案的預(yù)覽窗口和一個正在輸出圖案的監(jiān)測窗口。

2 金微米結(jié)構(gòu)的低成本加工

由于金的化學(xué)穩(wěn)定性好并且具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，金微納結(jié)構(gòu)是重要的納米光子器件，因此，金微納結(jié)構(gòu)的制備工藝對于納米光學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要[11-13]。本文基于Igor Pro的電子束直寫應(yīng)用于加工復(fù)雜金微米結(jié)構(gòu)，證明此方法的可行性。不同于使用常規(guī)的PMMA電子束光刻膠[3]，本文使用在金表面自組裝的十八烷基硫醇分子作為光刻膠[14-15]，能夠進一步降低電子束直寫的成本。圖3 所示為電子束微加工的工藝流程。首先，通過熱蒸鍍在一個潔凈的硅片表面沉積100 nm厚的金薄膜，然后將金薄膜浸泡在1 mmol/L的十八烷基硫醇的乙醇溶液中，放置24 h。金薄膜表面會自組裝單層的長程有序的十八烷基硫醇分子。隨后，使用電子束圖案化自組裝的單層十八烷基硫醇分子。由于電子束的照射，十八烷基硫醇分子會發(fā)生聚合從而在金表面形成一層保護膜。最后，把樣品放置在0.01 mol/L的HCl溶液中，通過電化學(xué)溶解的方法將沒有保護的金溶解,而受保護的金薄膜表面并不溶解，從而獲得金微米結(jié)構(gòu)，如圖3(c)所示。通過Igor Pro程序可以設(shè)置單個結(jié)構(gòu)的掃描次數(shù)和曝光時間。圖4(a)所示的4個結(jié)構(gòu)是使用不同的曝光時間加工得到的。當曝光時間為3.6 s,電子束并沒有使金表面形成非常好的保護膜，因此造成了結(jié)構(gòu)的過腐蝕。隨著曝光時間的增加，金結(jié)構(gòu)的線寬變寬。當曝光時間為7.2 s時得到的金結(jié)構(gòu)的線寬最好，為0.5 μm左右。另外，通過Igor Pro程序的設(shè)置，可以方便地實現(xiàn)金結(jié)構(gòu)距離的連續(xù)調(diào)節(jié)。如圖4(b)所示，位于圓形光柵環(huán)中間的3個三角形的距離逐漸變小。此外，使用此簡易的電子束直寫方法也可以加工如圖4(c)所示的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

(a)控制電子束運動的代碼

(c)設(shè)置FIFO的代碼

(d)控制界面

圖2 用于實現(xiàn)簡易電子束直寫的Igor Pro程序

(a)自組裝烷基硫醇分子

圖3 電子束直寫加工金微米結(jié)構(gòu)的流程示意圖

(a)不同電子曝光時間的影響

圖4 使用基于Igor Pro的簡易電子束直寫方法加工的金微結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖

3 結(jié) 語

電子束直寫是一種非常強大的微納加工技術(shù)，但是昂貴的儀器成本在一定程度上約束了它的廣泛應(yīng)用。本文介紹了一個基于Igor Pro的簡易方法，實現(xiàn)了低成本的電子束直寫微加工。此方法的主要工作原理是通過Igor Pro程序控制PCI-6251板卡從而控制電子束的運動以實現(xiàn)直寫的功能。通過使用此方法，成功地加工了各種復(fù)雜的金微米結(jié)構(gòu),證明了基于Igor Pro的電子束直寫方法的可行性，同時此方法有望擴展到其他材料體系的微加工中。