麦满芳， 马信洲

(佛山科学技术学院 a.物理与光电工程学院；b.材料科学与能源工程学院，广东 佛山 528000)

0 引 言

随着现代工业的发展以及器件的微型化，人们对微纳加工技术的需求越来越高。目前已经开发了各种各样的微纳加工技术，例如常规的光刻技术和电子束光刻等[1-7]。相比于光束，电子束更加容易被聚焦，使得电子束直写技术成为加工微纳米结构的一个强大的工具，在微纳米加工领域有着非常广泛的应用[5-7]。然而，一般来说，扫描电子显微镜并不具备电子束直写的功能,额外添加电子束直写功能的成本昂贵，这在一定程度限制了此方法的广泛应用。为了使用常规的扫描电子显微镜实现低成本的电子束直写加工微纳结构，本文提出了一个基于Igor Pro的简易电子束直写方法。此方法的基本原理是通过Igor Pro程序控制NI PCI-6251 多功能板卡的电压输出,从而控制电子束的运动以实现微纳加工的目的。本文所提出的方法具有成本低、简单易行的优点。

1 基于Igor Pro实现控制电子束运动

Igor Pro是美国WaveMetrics公司开发的一个功能强大的数据分析和图像处理软件[8]，为了实现使用Igor Pro程序，直接从美国国家仪器公司(National Instruments,NI)的多功能数据采集板卡读取测量数据，WaveMetrics公司开发了Igor NIDAQ Tools MX package。Igor NIDAQ Tools MX package建立于NI-DAQmx驱动程序之上，通过用户编写的Igor Pro程序，能够非常便利地与NI的多功能DAQ板卡通讯，从而实现数据的采集和输出[9]。如图1(a)所示，本文提出的基于Igor Pro的电子束直写系统主要由自主编写的Igor Pro程序和一个NI PCI-6251多功能板卡组成。PCI-6251是NI公司生产的一款16位的高速多功能M系列的DAQ板卡，具有16个模拟输入端口(AI),2个模拟输出端口 (AO)[10]。如图1(a)所示，此简易电子束直写方法的基本工作原理是：通过Igor Pro程序控制PCI-6251板卡的模拟输出。由于PCI-6251板卡的输出电压范围是-10～10 V，为了增加电子束的扫描范围，从PCI-6251板卡输出的电压波形经过一个电压放大器(10倍)输入到一个扫描电子显微镜的电子束扫描线圈，从而实现电子束在xy方向的偏转，以此控制电子束的运动。为了能够实时地监测电子束的运动，Igor Pro通过PCI-6251的2个模拟输入端口(AI)测量输出的电压波形。由此可见，实现此简易的电子束直写微加工方法所需要的配置并不高，在硬件方面，需要一台个人电脑和一个NI PCI-6251板卡；而在软件方面则需要Igor Pro软件和Igor NIDAQ Tools MX package。

(a) 基于Igor Pro的简易电子束直写方法的原理示意图

(b) 实现控制电子束直写的Igor Pro程序的结构流程图

图1 Igor Pro电子束直写方法原理示意图和结构流程图

实现电子束直写的Igor Pro程序的结构流程如图1(b)所示。首先，通过自定义程序生成图案，生成的图案实际上是一个二维数组(xoutputwave和youtputwave)。然后将生成的图案组从PCI-6251板卡输出两个电压波形，并使用板卡的模拟输入实时监测图案的输出。最后，当电子束直写完成或者被终止时，程序会停止监测图案输出,同时将电子束最大程度地偏转。下面详细地介绍和讨论实现电子束直写和监测的Igor Pro 代码。DAQmx_WaveformGen是NiDAQ Tools MX package自带的可实现任意电压波形输出的函数[9]。

如图2(a)所示，通过使用DAQmx_WaveformGen/Dev="dev1"/NPRD=1/EOSH="finishedpatterning()""xoutputwave, 0;youtputwave, 1;"命令，将xoutputwave和youtputwave这两个数组分别从PCI-6251板卡的模拟端口(AO0和AO1)输出。使用/NPRD标识，可以设定图案的输出次数，例如，当NPRD=1时，图案输出的次数为1次。当图案输出完成后，使用/EOSH标识，调用fDAQmx_WriteChan("dev1",0,10,-10,10)命令，从PCI-6251板卡输出10 V的最大电压，使得电子束最大程度地偏转并远离被图案化的区域以实现屏蔽的作用。图2(b)所示为使用PCI-6251板卡的两个模拟输入端口监测电子束图案化过程的程序代码，DAQmx_Scan/DEV="dev1"/AVE=(stepperpoint)/CLK={"/Dev1/ao/SampleClock",0} FIFO=Scanpara是实现这一个功能的核心命令。通过设定/CLK={"/Dev1/ao/SampleClock",0}，即可使用模拟输出的时钟，实现板卡的模拟输出和输入的同步。通过sprintfScanparaFIFOName+"; 0/NRSE;1/NRSE;"命令将PCI-6251板卡数据采集模式设置为NRSE(Nonreferenced single-ended)。Igor Pro通过PCI-6251读取的数据可以直接存储为数组或先存储到FIFO(First-in First-out)缓存中。通常，在不确定需要采集数据的总量的情况下，读取的数据更加趋向存储于FIFO缓存中。通过使用DAQmx_ScanFIFO=Scanpara命令，程序将采集的数据首先存储在FIFO缓存中。为了能够使用FIFO 缓存，则需要设定FIFO通道，其程序代码如图2(c)所示。NewFIFOChan命令用于设定FIFO缓存通道。例如，Igor Pro程序需要使用2个模拟输入端口采集数据，因此需要使用NewFIFOChan命令开通2个FIFO缓存通道。图2(d)为Igor Pro程序的界面，它主要包括程序代码窗口、一个控制界面、一个输出图案的预览窗口和一个正在输出图案的监测窗口。

2 金微米结构的低成本加工

由于金的化学稳定性好并且具有优异的光学性质，金微纳结构是重要的纳米光子器件，因此，金微纳结构的制备工艺对于纳米光学的发展至关重要[11-13]。本文基于Igor Pro的电子束直写应用于加工复杂金微米结构，证明此方法的可行性。不同于使用常规的PMMA电子束光刻胶[3]，本文使用在金表面自组装的十八烷基硫醇分子作为光刻胶[14-15]，能够进一步降低电子束直写的成本。图3 所示为电子束微加工的工艺流程。首先，通过热蒸镀在一个洁净的硅片表面沉积100 nm厚的金薄膜，然后将金薄膜浸泡在1 mmol/L的十八烷基硫醇的乙醇溶液中，放置24 h。金薄膜表面会自组装单层的长程有序的十八烷基硫醇分子。随后，使用电子束图案化自组装的单层十八烷基硫醇分子。由于电子束的照射，十八烷基硫醇分子会发生聚合从而在金表面形成一层保护膜。最后，把样品放置在0.01 mol/L的HCl溶液中，通过电化学溶解的方法将没有保护的金溶解,而受保护的金薄膜表面并不溶解，从而获得金微米结构，如图3(c)所示。通过Igor Pro程序可以设置单个结构的扫描次数和曝光时间。图4(a)所示的4个结构是使用不同的曝光时间加工得到的。当曝光时间为3.6 s,电子束并没有使金表面形成非常好的保护膜，因此造成了结构的过腐蚀。随着曝光时间的增加，金结构的线宽变宽。当曝光时间为7.2 s时得到的金结构的线宽最好，为0.5 μm左右。另外，通过Igor Pro程序的设置，可以方便地实现金结构距离的连续调节。如图4(b)所示，位于圆形光栅环中间的3个三角形的距离逐渐变小。此外，使用此简易的电子束直写方法也可以加工如图4(c)所示的复杂结构。

(a)控制电子束运动的代码

(c)设置FIFO的代码

(d)控制界面

图2 用于实现简易电子束直写的Igor Pro程序

(a)自组装烷基硫醇分子

图3 电子束直写加工金微米结构的流程示意图

(a)不同电子曝光时间的影响

图4 使用基于Igor Pro的简易电子束直写方法加工的金微结构的扫描电子显微镜图

3 结 语

电子束直写是一种非常强大的微纳加工技术，但是昂贵的仪器成本在一定程度上约束了它的广泛应用。本文介绍了一个基于Igor Pro的简易方法，实现了低成本的电子束直写微加工。此方法的主要工作原理是通过Igor Pro程序控制PCI-6251板卡从而控制电子束的运动以实现直写的功能。通过使用此方法，成功地加工了各种复杂的金微米结构,证明了基于Igor Pro的电子束直写方法的可行性，同时此方法有望扩展到其他材料体系的微加工中。