專利名稱：一種簡單制備有序v形納米硅孔陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米結(jié)構(gòu)制備和應用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種簡單制備有序V形納米硅孔陣列的方法。
背景技術(shù)：
在半導體材料領(lǐng)域中，量子點受量子限制效應作用具有許多獨特的光學和電學特性，使得量子點在光電子、微電子領(lǐng)域具有極大的應用潛力，可制備效率更高、速度更快、熱穩(wěn)定性更好的光電器件。硅(Si)作為半導體工藝中最為重要的材料之一，通過在硅襯底上制備硅基量子點結(jié)構(gòu)來提升硅基材料發(fā)光性能具有重要的意義。
在硅基量子點材料的制備中，通常采用的方法有兩種，其一是自組裝生長，其能制備出高密度、無缺陷的硅基量子點，但是量子點屬無序生長，尺寸大小，位置均不統(tǒng)一，影響材料發(fā)光性能的進一步提升；其二是采用納米光刻和干法刻蝕等納米加工技術(shù)，直接制備硅基量子點，能精確控制量子點尺寸大小，且高度有序，但由于刻蝕造成量子點表面損傷，產(chǎn)生缺陷，影響發(fā)光性能的提升。如何實現(xiàn)無缺陷硅基量子點的定位、可控生長正成為硅基量子點材料的研究熱點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種簡單制備有序V形納米硅孔陣列的方法，以滿足無缺陷的硅基量子點材料在硅襯底上的定位、可控生長。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種簡單制備有序V形納米硅孔陣列的方法，包括如下步驟步驟I，在硅(Si)襯底上沉積二氧化硅(SiO2)掩膜層；步驟2，在所述SiO2掩膜層之上旋涂光刻膠，制備周期性納米光刻膠點陣圖形；步驟3，采用干法刻蝕技術(shù)將該光刻膠點陣圖形轉(zhuǎn)移至SiO2掩膜層，同時在刻蝕過后的Si層上留下可充當刻蝕掩膜作用的氟碳基有機聚合物層；步驟4，將步驟3得到的襯底放入腐蝕液進行腐蝕，得到有序V形納米硅孔陣列襯底；步驟5，利用氫氟酸溶液去除襯底上殘留的SiO2，采用干法刻蝕技術(shù)去除氟碳基有機聚合物層，得到清潔的有序V形納米硅孔陣列襯底。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點在所述步驟I中，采用如下方式之一在Si襯底上沉積SiO2掩膜層化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺射法、電子束沉積、氫化物氣相沉積、熱氧化法。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點在所述步驟2中，采用如下方式之一制備周期性納米光刻膠點陣圖形電子束曝光、聚焦離子束曝光、納米壓印、激光干涉曝光等。
優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點在所述步驟3中，所采用的干法刻蝕技術(shù)為反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕氣體為三氟化碳(CF3)和氬(Ar)的混合氣體。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點 所述腐蝕液為氫氧化鉀溶液。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點在所述步驟4中，腐蝕的溫度為3(T70°C，腐蝕的時間為f 10分鐘，所述腐蝕液為質(zhì)量分數(shù)為13%的氫氧化鉀溶液。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點 在所述步驟5中，所采用的干法刻蝕技術(shù)為反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕氣體為氧氣(O2)或氯氣(Cl2)。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點所述Si襯底為N型Si (100)襯底。本發(fā)明具有如下優(yōu)點I、制備V形納米硅孔的方法相對于傳統(tǒng)的圖形反轉(zhuǎn)技術(shù)減少了金屬蒸鍍和光刻膠剝離的步驟，一步到位，易于操作控制，且與傳統(tǒng)的硅基微電子工藝兼容。2、所制成的V形納米硅孔，尺寸均一，高度有序，且與各種納米光刻技術(shù)兼容。3、本發(fā)明的方法簡單實用，成本低廉，兼顧科研和生產(chǎn)的需求。4、本發(fā)明制備的有序V形納米硅孔陣列適用于硅基量子點的定位、可控外延生長，可廣泛應用于光子晶體，量子信息以及磁性介質(zhì)存儲等領(lǐng)域。
圖I是本發(fā)明實施例的旋涂完光刻膠后的襯底剖面示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的襯底經(jīng)納米光刻后形成光刻膠點陣圖形后的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明實施例的以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移至SiO2掩膜層上，并在刻蝕過后的Si層上留下可充當刻蝕掩膜作用的氟碳基有機聚合物層的剖面示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的利用氟碳基有機聚合物為掩膜層，采用氫氧化鉀溶液腐蝕液優(yōu)先在SiO2和氟碳基有機聚合物層接觸的縫隙處刻蝕襯底，在一定的刻蝕時間后將光刻膠點陣圖形直接反轉(zhuǎn)至Si (100)襯底上，形成V形納米硅孔陣列的剖面示意圖；圖5是本發(fā)明實施例的利用氫氟酸去除殘余的SiO2,并將襯底清洗干凈；利用O2或Cl2常規(guī)干法刻蝕技術(shù)去除氟碳基有機聚合物層，得到清潔的V形納米硅孔陣列的剖面示意圖；圖6是本發(fā)明應用示例制備的有序V形納米硅孔陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)平面圖；圖7是本發(fā)明應用示例制備的有序V形納米硅孔陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)剖面圖；其中，I—Si (100)層，2—SiO2掩膜層，3—增附劑和光刻膠層，4一氟碳基有機聚合物層。
具體實施例方式下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。本發(fā)明實施例的簡單制備有序V形納米硅孔陣列的方法包括如下步驟I)沉積SiO2掩 膜層采用常規(guī)技術(shù)在N型Si (100)襯底上沉積SiO2掩膜層；所述的常規(guī)沉積SiO2技術(shù)包括化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、濺射法(Sputtering)、電子束沉積(EBV)、氫化物氣相沉積(HVPE)、熱氧化法。其中CVD方法包括常壓、低壓(LPCVD)和等離子體增強(PECVD)方法。2)在I)中所述的SiO2掩膜層上旋涂光刻膠，如圖I所示，襯底上由上到下具有Si
(100)層1，SiO2掩膜層2，增附劑和光刻膠層3 ;利用納米光刻技術(shù)在襯底上制備周期性納米光刻膠點陣圖形，如圖2所示；所述的納米光刻技術(shù)包括電子束曝光(EBL)、聚焦離子束曝光(FIB)、納米壓印(NI)、激光干涉曝光(LIL)等。3)采用常規(guī)干法刻蝕技術(shù)將該光刻膠點陣圖形轉(zhuǎn)移至SiO2掩膜層2，同時在刻蝕過后的Si層I上留下可充當刻蝕掩膜作用的氟碳基有機聚合物層4，如圖3所示；所述干法刻蝕技術(shù)包括反應離子刻蝕(RIE)和感應耦合等離子體刻蝕(ICP)，刻蝕氣體為CF3和Ar的混合氣體。4)濕法腐蝕將步驟3)得到的襯底放入腐蝕液進行腐蝕，得到有序V形納米硅孔陣列襯底；具體地，在步驟4)中可進行如下操作將步驟3)得到的襯底放入腐蝕液中，在3(T70°C腐蝕f 10分鐘，腐蝕液優(yōu)先在SiO2層2和氟碳基有機聚合物層4接觸的縫隙處刻蝕Si (100)層1，取出襯底，用去離子水沖洗干凈，得到刻蝕深度為l(T500nm的有序V形納米硅孔陣列襯底，如圖4所示；所述的腐蝕液通常為氫氧化鉀溶液，其最優(yōu)的濃度為質(zhì)量分數(shù)13%。5)掩膜層去除利用氫氟酸溶液去除襯底上殘留的SiO2，采用干法刻蝕技術(shù)去除氟碳基有機聚合物層4,如圖5所不；具體地，在步驟5)中可進行如下操作由于步驟4)得到的經(jīng)腐蝕的襯底可能還有殘留的SiO2掩膜層2，所以先將步驟4)得到的襯底放入氫氟酸溶液中去除殘留的SiO2，超聲清洗O. 5飛分鐘，取出襯底，用去離子水沖洗干凈，烘干；然后再采用常規(guī)干法刻蝕技術(shù)去除氟碳基有機聚合物層4，即可得到清潔的圖形襯底。所述干法刻蝕技術(shù)包括反應離子刻蝕(RIE)和感應耦合等離子體刻蝕(ICP)，刻蝕氣體為O2或Cl2氣體。下面以一具體應用示例對本發(fā)明的實施以實例方式作進一步描述(I)采用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)(PECVD)，在N型Si (100)襯底上沉積厚度為50nm的SiO2掩膜層；(2)在步驟(I)中所述的沉積了 SiO2掩膜層的N型Si (100)襯底上旋涂光刻膠，利用激光干涉曝光技術(shù)制備周期為450nm的光刻膠點陣圖形；(3)采用反應離子刻蝕技術(shù)將該二維光刻膠點陣圖形轉(zhuǎn)移至SiO2掩膜層，并在刻蝕過后的Si層上留下可充當刻蝕掩膜作用的氟碳基有機聚合物層；(4)將步驟(3)得到的襯底放入質(zhì)量分數(shù)13%的氫氧化鉀腐蝕液，在50°C腐蝕5分鐘，取出襯底，用去離子水沖洗干凈，得到刻蝕深度為200nm的V形納米硅孔襯底；(5)將步驟(4)得到的經(jīng)腐蝕的襯底放入氫氟酸和去離子水以體積比1:1配制而成的氫氟酸溶液中，超聲清洗3分鐘，去除殘留的SiO2掩膜層，取出襯底，用去離子水沖洗干凈，烘干；然后再采用O2干法刻蝕30min去除氟碳基有機聚合物掩膜層，即可得到清潔的有序V形納米硅孔陣列襯底。如圖6和圖7所示，可看出采用本發(fā)明的方法所制備的有序V形納米硅孔陣列襯底尺寸均一，聞度有序。綜上所述，本發(fā)明的方法利用納米光刻技術(shù)，可以簡單有效的獲得納米周期的光刻膠點陣圖形，并通過干濕法相結(jié)合的刻蝕技術(shù)，最終反轉(zhuǎn)點陣圖形為有序V形納米硅孔陣列，該圖形結(jié)構(gòu)尺寸均一，分辨率高，且簡單實用，與半導體硅エ藝兼容，易于滿足科學研 究和エ業(yè)生產(chǎn)的要求。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。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、改進等，比如，對實例中的エ藝參數(shù)進行了簡單的改變，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種簡單制備有序V形納米硅孔陣列的方法，包括如下步驟 步驟I，在硅襯底上沉積ニ氧化硅掩膜層； 步驟2，在所述ニ氧化硅掩膜層之上旋涂光刻膠，制備周期性納米光刻膠點陣圖形；步驟3，采用干法刻蝕技術(shù)將該光刻膠點陣圖形轉(zhuǎn)移至ニ氧化硅掩膜層，同時在刻蝕過后的硅層上留下可充當刻蝕掩膜作用的氟碳基有機聚合物層； 步驟4，將步驟3得到的襯底放入腐蝕液進行腐蝕，得到有序V形納米硅孔陣列襯底；步驟5，利用氫氟酸溶液去除襯底上殘留的ニ氧化硅，采用干法刻蝕技術(shù)去除氟碳基有機聚合物層，得到清潔的有序V形納米硅孔陣列襯底。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 在所述步驟I中，采用如下方式之一在硅襯底上沉積ニ氧化硅掩膜層 化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺射法、電子束沉積、氫化物氣相沉積、熱氧化法。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 在所述步驟2中，采用如下方式之ー制備周期性納米光刻膠點陣圖形 電子束曝光、聚焦離子束曝光、納米壓印、激光干渉曝光等。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 在所述步驟3中，所采用的干法刻蝕技術(shù)為反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕氣體為三氟化碳和IS的混合氣體。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 所述腐蝕液為氫氧化鉀溶液。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在干， 在所述步驟4中，腐蝕的溫度為3(T70°C，腐蝕的時間為f 10分鐘，所述腐蝕液為質(zhì)量分數(shù)為13%的氫氧化鉀溶液。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 在所述步驟5中，所采用的干法刻蝕技術(shù)為反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕氣體為氧氣或氯氣。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干， 所述硅襯底為N型硅(100)襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開一種簡單制備有序V形納米硅孔陣列的方法，包括在硅襯底上沉積二氧化硅掩膜層，在其上制備周期性納米光刻膠點陣圖形，采用干法刻蝕技術(shù)將該光刻膠點陣圖形轉(zhuǎn)移至二氧化硅掩膜層，同時在刻蝕過后的硅層上留下可充當刻蝕掩膜作用的氟碳基有機聚合物層，將襯底放入腐蝕液進行腐蝕，利用氫氟酸溶液去除襯底上殘留的二氧化硅，采用干法刻蝕技術(shù)去除氟碳基有機聚合物層，得到清潔的有序V形納米硅孔陣列襯底。本發(fā)明采用納米光刻與干濕法刻蝕相結(jié)合的技術(shù)簡單有效的獲得了有序V形納米硅孔陣列襯底，適用于無缺陷的硅基量子點的定位、可控外延生長，可廣泛應用于光子晶體，量子信息以及磁性介質(zhì)存儲等領(lǐng)域。
文檔編號B82Y40/00GK102856165SQ20121033226
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者戴隆貴, 丁芃, 陳弘, 賈海強, 王文新 申請人:中國科學院物理研究所