CN102560565B - 一种基于soi和电铸技术的金属纳米线阵及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于绝缘硅(SOI)和电铸技术的金属纳米线阵及其制备方法，该金属纳米线阵的各金属线之间由掺杂硅介质材料填充，其制备流程包括：选取SOI，并在其上下表面各沉积一层氮化硅薄膜；采用光刻及干法刻蚀，在SOI下底面氮化硅膜层上制作一个开口，露出体硅表面；采用氢氧化钾湿法腐蚀，以氮化硅为掩蔽层将露出的体硅表面腐蚀完毕，露出二氧化硅表面；在SOI的上表面涂覆光刻胶，通过光刻和刻蚀制作纳米通孔；将具有纳米通孔的SOI器件电铸，获得掺杂硅包裹的金属线条；采用干法刻蚀将氮化硅去除，并用氢氟酸溶液去除二氧化硅，完成金属纳米线阵的制备。本发明不易损伤，且采用SOI片进行制作，避免了掺杂不均、掺杂层厚度难控制等缺点。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域中金属纳米线阵及其制备的领域，特别涉及一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵及其制备方法，用于亚波长人工电磁材料的结构单元。
技术背景
金属纳米线是一种在横向上被局限在数百纳米以下，而纵向无限制的一维纳米结构。金属纳米线中的电子在横向受到量子束缚，能级不连续，因此具有许多在大块或三维材料中没有发现的有趣性质，如电阻的量子化、优良的电催化性质等，存在广泛的应用。而随着亚波长人工电磁材料的兴起，金属纳米线的应用得到了进一步的扩展。由于金属纳米线也是一种金属纳米结构，在和电磁波相互作用时会产生局域表面等离子体效应。在亚波长人工电磁材料中，可以将金属纳米线排列成金属纳米线阵，相邻金属纳米线产生的局域表面等离子体之间会产生共振响应，使整个阵列结构表现出负的介电常数，实现亚波长尺度能量隧穿现象、负折射现象等。这些奇异的特性不仅出现在紫外波段，也可以由可见光激发，因此利用金属纳米线阵列可以对可见光的传播进行调控。同亚波长人工电磁材料的其他结构，如金属网格相比，金属纳米线阵的排列方式较为灵活，可以形成波导，也可以形成其他功能器件。同时金属纳米线阵的加工制备也相对容易，因此金属纳米线阵的制备成为了一个研究热点。
目前制作金属纳米线阵的常用手段是氧化铝模板法和高分子聚合物模板法，即采用电化学沉积法、无电镀合成、化学聚合、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法将金属组装到模板的孔洞中，最后再去除模板。氧化铝模板法制备工艺比较简单，孔洞的直径比较小，通常在几十纳米的范围，孔密度高，适合大规模批量生产；高分子聚合物模板法孔洞直径较大(通常为几百个纳米)，孔密度较低，但孔洞分布无序，且通常不垂直膜面。而对应可见光的金属纳米线阵列中纳米线的直径一般在百纳米量级，对纳米线排列的要求也较高，所以利用上述方式难于制备。同时，对于纳米线周围介质需要掺杂的情况，上述方法也不适用。因此需要一种可以在掺杂介质中加工金属纳米线阵列的工艺方法，获得由掺杂介质包裹的金属纳米线阵。纳米线的直径、周期、长度都可控，能够用于亚波长人工电磁材料的结构单元。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对亚波长人工电磁材料金属结构单元，提供一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其步骤如下：
步骤(1)选择双面抛光的SOI基片，将表面清洗干净；
步骤(2)在SOI的硅表面和掺杂硅表面分别沉积一层厚度为400～600nm的氮化硅薄膜；
步骤(3)在SOI下底面的氮化硅膜层上均匀涂覆一层厚度为1～2μm的光刻胶，光刻制作出腐蚀的开口区，并置于烘箱或热板进行坚膜；
步骤(4)以光刻胶为掩蔽层，采用干法刻蚀将开口区的氮化硅刻蚀完毕，露出下底面的体硅表面；
步骤(5)以氮化硅为掩蔽层，采用湿法腐蚀将露出的下底面体硅腐蚀完毕，露出二氧化硅表面；
步骤(6)在SOI掺杂硅表面的氮化硅膜层上均匀涂覆一层电子束光刻胶，用双面对准光刻系统确定图形区在湿法腐蚀的棱台面上，并通过电子束曝光获得光刻胶图形；
步骤(7)采用干法刻蚀将光刻胶图形传递到SOI的掺杂层和二氧化硅层；
步骤(8)将具有纳米开孔的SOI器件置于电铸液里电铸，获得掺杂硅包裹的高深宽比亚波长金属线条；
步骤(9)采用干法刻蚀将氮化硅去除，并用氢氟酸溶液去除二氧化硅，完成金属纳米线阵的制备。
优选的，所述步骤(1)的SOI片是由底层单晶硅、中间层二氧化硅和顶层掺杂硅组成，底层厚度为300～450μm，中间层厚度为100～300nm，顶层是厚度为1～2μm的高浓度均匀掺杂的N型硅或P型硅，掺杂浓度为1015～1020cm-1；
优选的，所述步骤(2)中的沉积法有磁控溅射法或者气相沉积法；
优选的，所述步骤(3)中坚膜的温度为100～120℃，时间为10～20min；
优选的，所述步骤(4)中干法刻蚀可以为等离子刻蚀、离子束刻蚀或者电感耦合等离子刻蚀；
优选的，所述步骤(5)的体硅湿法腐蚀是采用KOH溶液，其重量比浓度为30～40wt％，腐蚀温度在50～60℃，并在超声波搅拌的条件下进行；
优选的，所述步骤(6)的电子束光刻胶厚度为0.5～1μm；
优选的，所述步骤(6)的光刻胶图形的半径为50～100nm，周期为500～700nm，深度为0.5～1μm；
优选的，所述步骤(7)的干法刻蚀可以为等离子刻蚀、离子束刻蚀或者电感耦合等离子刻蚀；
优选的，所述步骤(7)的刻蚀掺杂硅层的厚度为1～2μm，刻蚀二氧化硅层的厚度为100～300nm；
优选的，所述步骤(8)的电铸金属可以为银、金或者铜；
优选的，所述步骤(8)的电铸金属长度为2～3μm，图形的半径为50～100nm，周期为500～700nm，深度为0.5～1μm；
优选的，所述步骤(9)的干法刻蚀可以为等离子刻蚀、离子束刻蚀或者电感耦合等离子刻蚀。
一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵，该金属纳米线阵由上述任一方法加工制成。其特点是：各金属线之间由掺杂硅介质材料填充，金属线的深宽比可达40∶1；所述金属线的半径为50至100纳米、深度为2至3微米、阵列的周期为500至700纳米。所述金属材料为银、金或者铜；所述介质材料为N型掺杂硅或P型掺杂硅。
本发明与现有技术相比所具有的优点：
1、本发明基于SOI材料，利用湿法腐蚀体硅工艺和电铸技术，完成亚波长人工电磁材料金属纳米线阵的制作，可实现深宽比达40∶1的金属线结构，该金属结构由掺杂硅包裹，不易损伤。
2、本发明使用SOI片，避免了掺杂不均、掺杂层厚度难控制等缺点，保证了掺杂的浓度和均匀度。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明步骤2中在SOI片的掺杂硅表面和硅表面分别沉积氮化硅膜层的结构示意图；
图3是本发明步骤3中在SOI下底面体硅表面的氮化硅膜层上涂覆光刻胶示意图；
图4是本发明步骤4中的光刻制作氮化硅刻蚀窗口示意图；
图5是本发明步骤5中以氮化硅为掩蔽层腐蚀SOI下底面体硅的示意图；
图6是本发明步骤6中在SOI掺杂硅表面的氮化硅膜层上涂覆电子束光刻胶示意图；
图7是本发明步骤6中光刻获得光刻胶图形的示意图；
图8是本发明步骤7中以光刻胶为掩蔽层，干法刻蚀氮化硅和氢氟酸湿法腐蚀体硅的示意图；
图9是本发明步骤8中电铸制作掺杂硅包裹的高深宽比亚波长金属线条的示意图；
图10是本发明步骤9中干法刻蚀将氮化硅去除，并用氢氟酸溶液去除二氧化硅的示意图。
图中：1-SOI片的底层单晶硅；2-SOI片的中间层二氧化硅；3-SOI片表面掺杂硅层；4、5-氮化硅膜层；6-光刻胶；7-光刻胶；8-金属纳米线阵。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
该图形的制作流程如图1所示，具体实现步骤如下：
(1)基片的选择及清洗：取单面抛光的SOI片，用丙酮超声清洗，之后将清洗完的基片烘烤，去除基片上的残留液体。
(2)在SOI的上下表面制备氮化硅保护层：采用化学气相沉积技术，在SOI片P型掺杂硅表面3和下底硅表面1分别沉积氮化硅膜层4和5，膜厚为400nm，完成后如图2。
(3)在SOI下底面的氮化硅保护层上涂覆抗蚀剂：在步骤(2)镀膜完成后的基片上采用旋涂的方式在氮化硅膜层5上涂覆抗蚀剂6，旋涂抗蚀剂的厚度2um；涂覆完成后对基片进行烘烤，热板温度100℃，烘烤时间20分钟，完成后如图3。
(4)光刻、RIE刻蚀氮化硅制备腐蚀窗口：采用接近接触式光刻法在光刻胶上制作出腐蚀的开口区，以光刻胶为掩蔽层，采用RIE干法刻蚀将开口区的氮化硅刻蚀完毕，露出下底面的体硅表面，完成后如图4。
(5)以氮化硅为掩蔽层湿法腐蚀SOI的下底体硅：以氮化硅为掩蔽层，采用湿法腐蚀将露出的下底面体硅腐蚀完毕，露出二氧化硅表面，完成后如图5。
(6)在SOI上表面涂覆抗蚀剂、光刻：在SOI掺杂硅表面的氮化硅膜层上均匀涂覆一层电子束光刻胶，用双面对准光刻系统确定图形区在湿法腐蚀的棱台面上，并通过电子束曝光获得光刻胶图形，完成后如图7。
(7)以抗蚀剂为掩蔽层刻蚀SOI的掺杂层和SiO2层：采用离子束刻蚀方法将光刻胶图形传递到SOI的掺杂层和二氧化硅层，完成后如图8。
(8)将结构放入电铸液里电铸获得金属线条：将具有纳米开孔的SOI器件置于电铸液里电铸，获得掺杂硅包裹的高深宽比亚波长金属线条，完成后如图9。
(9)干法刻蚀去除氮化硅：采用RIE干法刻蚀将氮化硅去除，并用氢氟酸溶液去除二氧化硅，完成金属纳米线阵的制备，完成后如图10。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (14)
1.一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤1、选择双面抛光的SOI基片，将表面清洗干净；
步骤2、在SOI的硅表面和掺杂硅表面分别沉积一层厚度为400～600nm的氮化硅薄膜；
步骤3、在SOI下底面的氮化硅膜层上均匀涂覆一层厚度为1～2μm的光刻胶，光刻制作出腐蚀的开口区，并置于烘箱或热板进行坚膜；
步骤4、以光刻胶为掩蔽层，采用干法刻蚀将开口区的氮化硅刻蚀完毕，露出下底面的硅表面；
步骤5、以氮化硅为掩蔽层，采用湿法腐蚀将露出的下底面体硅腐蚀完毕，露出二氧化硅表面；
步骤6、在SOI掺杂硅表面的氮化硅膜层上均匀涂覆光刻胶，用双面对准光刻系统确定图形区在湿法腐蚀的棱台面上，并通过光刻获得光刻胶图形；
步骤7、采用干法刻蚀将光刻胶图形传递到SOI的掺杂层和二氧化硅层；
步骤8、将具有纳米开孔的SOI器件置于电铸液里电铸，获得掺杂硅包裹的高深宽比亚波长金属线条；
步骤9、采用干法刻蚀将氮化硅去除，并用氢氟酸溶液去除二氧化硅，完成金属纳米线阵的制备。
2.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤1的SOI基片是由底层单晶硅、中间层二氧化硅、顶层掺杂硅组成，底层厚度为300～450μm，中间层厚度为100～300nm，顶层是厚度为1～2μm的高浓度均匀掺杂的N型硅或P型硅，掺杂浓度为1015～1020cm-1。
3.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的所述沉积采用磁控溅射法、气相沉积法。
4.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤3中坚膜的温度为100～120℃，时间为10～20min。
5.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤4中干法刻蚀可以为等离子刻蚀、离子束刻蚀、电感耦合等离子刻蚀。
6.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤5的体硅腐蚀是采用KOH溶液，其重量比浓度为30～40wt％，腐蚀温度在50～60℃，并在超声波搅拌的条件下进行。
7.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤6的光刻胶为电子束光刻胶，其厚度为0.5～1μm。
8.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤6的光刻胶图形的半径为50～100nm，周期为500～700nm，深度为0.5～1μm。
9.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤7的干法刻蚀可以为等离子刻蚀、离子束刻蚀、电感耦合等离子刻蚀。
10.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤7的采用干法刻蚀将光刻胶图形传递到SOI的掺杂层中干法刻蚀掺杂硅层的厚度为1～2μm，采用干法刻蚀将光刻胶图形传递到SOI的二氧化硅层干法刻蚀二氧化硅层的厚度为100～300nm。
11.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤8的电铸液中电铸金属可以为银、金或者铜。
12.根据权利要求11所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤8的电铸金属长度为2～3μm，图形的半径为50～100nm，周期为500～700nm，深度为0.5～1μm。
13.根据权利要求1所述的基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其特征在于，所述步骤9的干法刻蚀可以为等离子刻蚀、离子束刻蚀或者电感耦合等离子刻蚀。
14.一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵，其特征在于：该金属纳米线阵由权利要求1至12中任一项所述的方法加工制成。
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