CN101508419B - 一种纳米柱森林的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米柱森林的加工方法，其步骤包括：1)准备并清洗所选用的衬底；2)在衬底的表面上旋涂光刻胶，并对光刻胶依次进行前烘、曝光和显影，最后形成光刻胶图形；3)对光刻胶图形进行氧等离子体干法刻蚀，在衬底上形成一层图形化的纳米点状结构；4)用纳米点状结构为掩模，各向异性刻蚀衬底，形成初始纳米柱；5)在初始纳米柱表面保形沉积薄膜；6)通过各向异性刻蚀薄膜，在初始纳米柱的周围形成侧墙；7)以包裹侧墙的初始纳米柱为掩模，各向异性刻蚀衬底，形成纳米柱；8)去除纳米柱表面上的侧墙残留，得到图形化的纳米柱森林结构。使用本发明制作的图形化纳米柱森林可广泛应用于新能源器件、生物医学检测器件、微流控器件、电子器件以及纳米压印中。

Description

一种纳米柱森林的加工方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料的加工领域，特别是关于一种纳米柱森林的加工方法。

背景技术

纳米柱森林是指在材料表面上具有较大密度的大面积纳米尺度柱状结构。纳米柱森林在新能源器件、生物医学检测器件、微流控器件、电子器件以及纳米压印中具有广阔、重要的应用前景。例如，纳米柱森林可作为催化结构应用于液态微燃料电池，可作为生物分子的载体结构应用于生物医学检测器件，可用于形成亲、疏水性质不同的区域，可作为电子发射针尖应用于场发射器件，还可作为纳米压印的模具，实现纳米图形的批量转移。因此，如何加工制造纳米柱森林正逐渐成为人们极感兴趣、持续关注的重要事情，也是纳米科技的研究热点之一。目前，纳米结构的制备一般采用电子束光刻(Electron-Beam Lithography)、聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)刻蚀等方法。

电子束光刻是指在计算机的控制下，利用聚焦后的电子束对样品表面上的电子抗蚀剂进行曝光，从而制造图形的工艺。电子束光刻是常规光学光刻技术的延伸应用，根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波。因此，电子束光刻的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米结构提供了很有用的工具。聚焦离子束刻蚀是一种可在微米/纳米尺度上进行结构加工和原位成像的先进技术，其基本工作原理如下：液态金属离子源(通常是Ga+)在高压电场(如30KeV)作用下发射出高能离子束；离子束经过聚焦系统在样品表面形成纳米量级的离子束斑，利用纳米量级的离子束斑在样品表面进行扫描，在一定能量和剂量下，被扫描区域的样品材料将被溅射出来，从而实现纳米尺度的结构刻蚀功能。电子束光刻和聚焦离子束刻蚀都属于“自上而下”加工纳米结构的方法，它们需要依赖于相应的尖端设备，而这类设备的价格昂贵，且多是串行加工模式。这使得纳米柱森林结构的加工备受限制，极大地影响了其在研究、开发、产品化等各方面的推广应用。

近年来提出了采用“自下而上”化学生长的方法制备大面积的纳米柱结构，如自催化VLS(Vapor-Liquid-Solid)生长机制。然而，利用自催化VLS生长机制制备纳米结构时，金属催化剂的准备和均匀分布增加了工艺的复杂程度，且这种方法很难控制纳米结构高度的一致性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种有效克服电子束和离子束刻蚀技术在批量加工方面的限制，并可很好地控制纳米结构尺度的一致性的纳米柱森林的加工方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种纳米柱森林的加工方法，其步骤包括：1)准备并清洗所选用的衬底；2)在所述衬底的表面上旋涂光刻胶，并对所述光刻胶依次进行前烘、曝光和显影，最后形成光刻胶图形；3)对所述光刻胶图形进行氧等离子体干法刻蚀，在所述衬底上形成一层图形化的纳米点状结构；4)用所述纳米点状结构为掩模，各向异性刻蚀所述衬底，形成初始纳米柱；5)在所述初始纳米柱表面保形沉积薄膜；6)通过各向异性刻蚀所述薄膜，在所述初始纳米柱的周围形成侧墙；7)以包裹所述侧墙的所述初始纳米柱为掩模，各向异性刻蚀所述衬底，形成纳米柱；8)去除所述纳米柱表面上的侧墙残留，得到图形化的纳米柱森林结构。

所述纳米点状结构的材料可作为所述衬底的刻蚀掩模材料。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明以氧等离子体干法去胶技术为基础，仅由氧等离子体与光刻胶的物理化学反应，实现纳米点状结构在衬底材料上的大面积分布，且纳米点状结构之间的距离也在纳米量级，整个过程中不依赖于尖端光刻设备，从而突破了电子束光刻技术在批量加工方面的限制。2、本发明与常规光学光刻工艺相结合，在衬底材料上实现纳米点状结构的图形化，从而得到图形化的纳米柱森林结构，同时由于氧等离子体干法去胶技术源自于微电子制造技术，因此可方便地实现批量、并行加工。3、本发明通过改变光刻胶的厚度可方便地调整纳米点状结构的参数，实现纳米柱森林中各纳米柱尺寸的控制，大大提高了纳米结构的生产效率和集成度，有利于降低工业化生产成本，促进纳米器件的研究和生产开发。使用本发明制作的图形化纳米柱森林可广泛应用于新能源器件、生物医学检测器件、微流控器件、电子器件以及纳米压印中。

附图说明

图1是本发明图形化光刻胶的示意图

图2是本发明刻蚀光刻胶的示意图

图3是本发明制备初始纳米柱的示意图

图4是本发明在初始纳米柱上沉积薄膜的示意图

图5是本发明形成纳米侧墙的示意图

图6是本发明形成纳米柱森林的示意图

图7是本发明腐蚀掉侧墙后的纳米柱森林的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

本发明利用传统微电子工艺中，氧等离子干法去胶过程的特殊物理化学性质和各向异性干法刻蚀技术，提出了“自下而上”和“自上而下”相结合的纳米柱森林并行加工方法。

本发明的纳米柱森林并行加工方法，其原理为：

如图1所示，在衬底1表面旋涂光刻胶2，之后采用常规光学光刻设备对光刻胶进行曝光，使用相应的显影液对光刻胶2进行显影，去除多余的光刻胶2，在衬底1上只留下预先设计的纳米柱森林的位置处的光刻胶2图形，也即纳米柱森林对应的形状。如图2所示，利用氧等离子体干法刻蚀图形化的光刻胶2，由于氧等离子体干法刻蚀光刻胶过程的特殊物理化学性质，在衬底1表面上留下图形化的随机分布纳米点状结构3，纳米点状结构3之间的距离为纳米量级。如图3所示，在衬底1上利用上述纳米点状结构3作为掩模，通过各向异性干法刻蚀工艺在衬底1上制备由初始纳米柱4构成的图形化纳米柱森林。在本发明的实施例中，光刻胶图形化可以通过紫外光刻设备实现，而无需使用电子束光刻或聚焦离子束刻蚀等尖端光刻设备。另外，本发明使用氧等离子体干法刻蚀光刻胶，以便在衬底1上得到图形化的随机分布纳米点状结构3的过程，可以采用常规去胶机实现，而无需使用其他价格昂贵的设备。

如图4所示，在初始纳米柱4的表面沉积与衬底1材料不同的另一种材料，形成薄膜5。如图5所示，通过各向异性刻蚀薄膜5，在初始纳米柱4周围包裹纳米侧墙41。如图6所示，以包裹了纳米侧墙41的初始纳米柱4为掩模，通过各向异性干法刻蚀工艺，形成纳米柱。腐蚀掉纳米柱表面上的纳米侧墙41后，在衬底1上得到尺寸、间距均可控的图形化纳米柱森林。

本发明的加工过程中，可以通过改变衬底1的材料、光刻胶2的厚度以及纳米侧墙41的沉积厚度等方法，来调控纳米柱森林的结构参数。包括纳米柱的直径、高度、间距、导电特性以及森林的密度等，加工过程简单便捷，可以得到多种结构形式的器件。本发明对衬底1材料的选择标准为，由于纳米点状结构3的材料已经固定，因此衬底1材料的刻蚀速率须远高于纳米点状结构3，使得纳米点状结构3的材料可以作为衬底1的刻蚀掩模材料。在微电子工艺中适用于本发明衬底1的常用材料包括单晶硅、多晶硅和多种金属。相对应地，适用作为纳米侧墙的材料包括二氧化硅、氮化硅和多晶硅等材料。

以单晶硅作为衬底1材料为例，图形化的纳米柱森林并行加工方法步骤如下：

1)准备并清洗所选用的单晶硅衬底1。

2)在单晶硅衬底1的表面上旋涂光刻胶2，采用常用的设备对光刻胶2进行前烘和曝光，之后用与光刻胶2相对应的显影液进行显影，在单晶硅衬底1上形成光刻胶图形。

3)通过氧等离子体干法去胶机对光刻胶图形进行干法刻蚀，在单晶硅衬底1上形成一层图形化的随机分布纳米点状结构3。

4)利用纳米点状结构3作为掩模，各向异性刻蚀单晶硅衬底1，形成初始纳米柱4。

5)在初始纳米柱4表面保形沉积二氧化硅薄膜5。

6)通过各向异性刻蚀二氧化硅薄膜5，在初始纳米柱4的周围形成二氧化硅纳米侧墙41。

7)以包裹了二氧化硅纳米侧墙41的初始纳米柱4为掩模，各向异性刻蚀单晶硅衬底1，形成尺寸、间距均可控的纳米柱。

8)用缓冲氢氟酸腐蚀掉纳米柱表面上残留的二氧化硅纳米侧墙41，得到图形化的单晶硅纳米柱森林。

如图7所示，本发明的方法中，初始纳米柱4构成了单晶硅纳米柱结构的针尖部分，且可以控制刻蚀后得到的单晶硅纳米柱的高度和直径。且刻蚀后得到的单晶硅纳米柱的高度与直径的比，比初始纳米柱4的高度与直径的比大。

本发明的方法基于现有微电子制造技术，无需使用电子束光刻和聚焦离子束刻蚀等尖端设备，上述工艺都可方便地进行。因此本发明方法中纳米柱森林的批量加工成本可以得到很好的控制，同时对纳米柱森林的各种尺寸参数具有足够的控制精度。

Claims (2)

1.一种纳米柱森林的加工方法，其步骤包括：

1)准备并清洗所选用的衬底，所述衬底的材料为单晶硅或多晶硅；

2)在所述衬底的表面上旋涂光刻胶，并对所述光刻胶依次进行前烘、曝光和显影，最后形成光刻胶图形；

3)对所述光刻胶图形进行氧等离子体干法刻蚀，在所述衬底上形成一层图形化的纳米点状结构；

4)用所述纳米点状结构为掩模，各向异性刻蚀所述衬底，形成初始纳米柱；

5)在所述初始纳米柱表面保形沉积薄膜；

6)通过各向异性刻蚀所述薄膜，在所述初始纳米柱的周围形成侧墙，所述侧墙材料为二氧化硅、氮化硅或多晶硅；

7)以包裹所述侧墙的所述初始纳米柱为掩模，各向异性刻蚀所述衬底，形成纳米柱；

8)去除所述纳米柱表面上的侧墙残留，得到图形化的纳米柱森林结构。

2.如权利要求所述的一种纳米柱森林的加工方法，其特征在于：所述纳米点状结构的材料可作为所述衬底的刻蚀掩模材料。

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