CN102856165A - 一种简单制备有序v形纳米硅孔阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种简单制备有序V形纳米硅孔阵列的方法，包括：在硅衬底上沉积二氧化硅掩膜层，在其上制备周期性纳米光刻胶点阵图形，采用干法刻蚀技术将该光刻胶点阵图形转移至二氧化硅掩膜层，同时在刻蚀过后的硅层上留下可充当刻蚀掩膜作用的氟碳基有机聚合物层，将衬底放入腐蚀液进行腐蚀，利用氢氟酸溶液去除衬底上残留的二氧化硅，采用干法刻蚀技术去除氟碳基有机聚合物层，得到清洁的有序V形纳米硅孔阵列衬底。本发明采用纳米光刻与干湿法刻蚀相结合的技术简单有效的获得了有序V形纳米硅孔阵列衬底，适用于无缺陷的硅基量子点的定位、可控外延生长，可广泛应用于光子晶体，量子信息以及磁性介质存储等领域。

Description

一种简单制备有序V形纳米硅孔阵列的方法
技术领域
本发明涉及纳米结构制备和应用技术领域，尤其涉及一种简单制备有序V形纳米硅孔阵列的方法。
背景技术
在半导体材料领域中，量子点受量子限制效应作用具有许多独特的光学和电学特性，使得量子点在光电子、微电子领域具有极大的应用潜力，可制备效率更高、速度更快、热稳定性更好的光电器件。硅（Si）作为半导体工艺中最为重要的材料之一，通过在硅衬底上制备硅基量子点结构来提升硅基材料发光性能具有重要的意义。
在硅基量子点材料的制备中，通常采用的方法有两种，其一是自组装生长，其能制备出高密度、无缺陷的硅基量子点，但是量子点属无序生长，尺寸大小，位置均不统一，影响材料发光性能的进一步提升；其二是采用纳米光刻和干法刻蚀等纳米加工技术，直接制备硅基量子点，能精确控制量子点尺寸大小，且高度有序，但由于刻蚀造成量子点表面损伤，产生缺陷，影响发光性能的提升。
如何实现无缺陷硅基量子点的定位、可控生长正成为硅基量子点材料的研究热点。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提出一种简单制备有序V形纳米硅孔阵列的方法，以满足无缺陷的硅基量子点材料在硅衬底上的定位、可控生长。
为了解决上述问题，本发明提供一种简单制备有序V形纳米硅孔阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1，在硅（Si）衬底上沉积二氧化硅（SiO2）掩膜层；
步骤2，在所述SiO2掩膜层之上旋涂光刻胶，制备周期性纳米光刻胶点阵图形；
步骤3，采用干法刻蚀技术将该光刻胶点阵图形转移至SiO2掩膜层，同时在刻蚀过后的Si层上留下可充当刻蚀掩膜作用的氟碳基有机聚合物层；
步骤4，将步骤3得到的衬底放入腐蚀液进行腐蚀，得到有序V形纳米硅孔阵列衬底；
步骤5，利用氢氟酸溶液去除衬底上残留的SiO2，采用干法刻蚀技术去除氟碳基有机聚合物层，得到清洁的有序V形纳米硅孔阵列衬底。
优选地，上述方法还具有以下特点：
在所述步骤1中，采用如下方式之一在Si衬底上沉积SiO2掩膜层：
化学气相沉积、物理气相沉积、溅射法、电子束沉积、氢化物气相沉积、热氧化法。
优选地，上述方法还具有以下特点：
在所述步骤2中，采用如下方式之一制备周期性纳米光刻胶点阵图形：
电子束曝光、聚焦离子束曝光、纳米压印、激光干涉曝光等。
优选地，上述方法还具有以下特点：
在所述步骤3中，所采用的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为三氟化碳（CF3）和氩（Ar）的混合气体。
优选地，上述方法还具有以下特点：
所述腐蚀液为氢氧化钾溶液。
优选地，上述方法还具有以下特点：
在所述步骤4中，腐蚀的温度为30~70℃，腐蚀的时间为1~10分钟，所述腐蚀液为质量分数为13%的氢氧化钾溶液。
优选地，上述方法还具有以下特点：
在所述步骤5中，所采用的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为氧气（O2）或氯气（Cl2）。
优选地，上述方法还具有以下特点：
所述Si衬底为N型Si（100）衬底。
本发明具有如下优点：
1、制备V形纳米硅孔的方法相对于传统的图形反转技术减少了金属蒸镀和光刻胶剥离的步骤，一步到位，易于操作控制，且与传统的硅基微电子工艺兼容。
2、所制成的V形纳米硅孔，尺寸均一，高度有序，且与各种纳米光刻技术兼容。
3、本发明的方法简单实用，成本低廉，兼顾科研和生产的需求。
4、本发明制备的有序V形纳米硅孔阵列适用于硅基量子点的定位、可控外延生长，可广泛应用于光子晶体，量子信息以及磁性介质存储等领域。
附图说明
图1是本发明实施例的旋涂完光刻胶后的衬底剖面示意图；
图2是本发明实施例的衬底经纳米光刻后形成光刻胶点阵图形后的剖面示意图；
图3是本发明实施例的以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术将图形转移至SiO2掩膜层上，并在刻蚀过后的Si层上留下可充当刻蚀掩膜作用的氟碳基有机聚合物层的剖面示意图；
图4是本发明实施例的利用氟碳基有机聚合物为掩膜层，采用氢氧化钾溶液腐蚀液优先在SiO2和氟碳基有机聚合物层接触的缝隙处刻蚀衬底，在一定的刻蚀时间后将光刻胶点阵图形直接反转至Si（100）衬底上，形成V形纳米硅孔阵列的剖面示意图；
图5是本发明实施例的利用氢氟酸去除残余的SiO2，并将衬底清洗干净；利用O2或Cl2常规干法刻蚀技术去除氟碳基有机聚合物层，得到清洁的V形纳米硅孔阵列的剖面示意图；
图6是本发明应用示例制备的有序V形纳米硅孔阵列的扫描电子显微镜（SEM）平面图；
图7是本发明应用示例制备的有序V形纳米硅孔阵列的扫描电子显微镜（SEM）剖面图；
其中，1—Si（100）层，2—SiO2掩膜层，3—增附剂和光刻胶层，4—氟碳基有机聚合物层。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明实施例的简单制备有序V形纳米硅孔阵列的方法包括如下步骤：
1）沉积SiO2掩膜层：采用常规技术在N型Si（100）衬底上沉积SiO2掩膜层；
所述的常规沉积SiO2技术包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、溅射法（Sputtering）、电子束沉积（EBV）、氢化物气相沉积（HVPE）、热氧化法。其中CVD方法包括常压、低压（LPCVD）和等离子体增强（PECVD）方法。
2）在1）中所述的SiO2掩膜层上旋涂光刻胶，如图1所示，衬底上由上到下具有Si（100）层1，SiO2掩膜层2，增附剂和光刻胶层3；利用纳米光刻技术在衬底上制备周期性纳米光刻胶点阵图形，如图2所示；
所述的纳米光刻技术包括电子束曝光（EBL）、聚焦离子束曝光（FIB）、纳米压印（NI）、激光干涉曝光（LIL）等。
3）采用常规干法刻蚀技术将该光刻胶点阵图形转移至SiO2掩膜层2，同时在刻蚀过后的Si层1上留下可充当刻蚀掩膜作用的氟碳基有机聚合物层4，如图3所示；
所述干法刻蚀技术包括反应离子刻蚀（RIE）和感应耦合等离子体刻蚀（ICP），刻蚀气体为CF3和Ar的混合气体。
4）湿法腐蚀：将步骤3）得到的衬底放入腐蚀液进行腐蚀，得到有序V形纳米硅孔阵列衬底；
具体地，在步骤4）中可进行如下操作：将步骤3）得到的衬底放入腐蚀液中，在30~70℃腐蚀1~10分钟，腐蚀液优先在SiO2层2和氟碳基有机聚合物层4接触的缝隙处刻蚀Si（100）层1，取出衬底，用去离子水冲洗干净，得到刻蚀深度为10~500nm的有序V形纳米硅孔阵列衬底，如图4所示；所述的腐蚀液通常为氢氧化钾溶液，其最优的浓度为：质量分数13%。
5）掩膜层去除：利用氢氟酸溶液去除衬底上残留的SiO2，采用干法刻蚀技术去除氟碳基有机聚合物层4，如图5所示；
具体地，在步骤5）中可进行如下操作：由于步骤4）得到的经腐蚀的衬底可能还有残留的SiO2掩膜层2，所以先将步骤4）得到的衬底放入氢氟酸溶液中去除残留的SiO2，超声清洗0.5~5分钟，取出衬底，用去离子水冲洗干净，烘干；然后再采用常规干法刻蚀技术去除氟碳基有机聚合物层4，即可得到清洁的图形衬底。
所述干法刻蚀技术包括反应离子刻蚀（RIE）和感应耦合等离子体刻蚀（ICP），刻蚀气体为O2或Cl2气体。
下面以一具体应用示例对本发明的实施以实例方式作进一步描述：
（1）采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD），在N型Si（100）衬底上沉积厚度为50nm的SiO2掩膜层；
（2）在步骤（1）中所述的沉积了SiO2掩膜层的N型Si（100）衬底上旋涂光刻胶，利用激光干涉曝光技术制备周期为450nm的光刻胶点阵图形；
（3）采用反应离子刻蚀技术将该二维光刻胶点阵图形转移至SiO2掩膜层，并在刻蚀过后的Si层上留下可充当刻蚀掩膜作用的氟碳基有机聚合物层；
（4）将步骤（3）得到的衬底放入质量分数13%的氢氧化钾腐蚀液，在50℃腐蚀5分钟，取出衬底，用去离子水冲洗干净，得到刻蚀深度为200nm的V形纳米硅孔衬底；
（5）将步骤（4）得到的经腐蚀的衬底放入氢氟酸和去离子水以体积比1:1配制而成的氢氟酸溶液中，超声清洗3分钟，去除残留的SiO2掩膜层，取出衬底，用去离子水冲洗干净，烘干；然后再采用O2干法刻蚀30min去除氟碳基有机聚合物掩膜层，即可得到清洁的有序V形纳米硅孔阵列衬底。
如图6和图7所示，可看出采用本发明的方法所制备的有序V形纳米硅孔阵列衬底尺寸均一，高度有序。
综上所述，本发明的方法利用纳米光刻技术，可以简单有效的获得纳米周期的光刻胶点阵图形，并通过干湿法相结合的刻蚀技术，最终反转点阵图形为有序V形纳米硅孔阵列，该图形结构尺寸均一，分辨率高，且简单实用，与半导体硅工艺兼容，易于满足科学研究和工业生产的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，比如，对实例中的工艺参数进行了简单的改变，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种简单制备有序V形纳米硅孔阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1，在硅衬底上沉积二氧化硅掩膜层；
步骤2，在所述二氧化硅掩膜层之上旋涂光刻胶，制备周期性纳米光刻胶点阵图形；
步骤3，采用干法刻蚀技术将该光刻胶点阵图形转移至二氧化硅掩膜层，同时在刻蚀过后的硅层上留下可充当刻蚀掩膜作用的氟碳基有机聚合物层；
步骤4，将步骤3得到的衬底放入腐蚀液进行腐蚀，得到有序V形纳米硅孔阵列衬底；
步骤5，利用氢氟酸溶液去除衬底上残留的二氧化硅，采用干法刻蚀技术去除氟碳基有机聚合物层，得到清洁的有序V形纳米硅孔阵列衬底。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述步骤1中，采用如下方式之一在硅衬底上沉积二氧化硅掩膜层：
化学气相沉积、物理气相沉积、溅射法、电子束沉积、氢化物气相沉积、热氧化法。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述步骤2中，采用如下方式之一制备周期性纳米光刻胶点阵图形：
电子束曝光、聚焦离子束曝光、纳米压印、激光干涉曝光等。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述步骤3中，所采用的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为三氟化碳和氩的混合气体。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述腐蚀液为氢氧化钾溶液。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，
在所述步骤4中，腐蚀的温度为30~70℃，腐蚀的时间为1~10分钟，所述腐蚀液为质量分数为13%的氢氧化钾溶液。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述步骤5中，所采用的干法刻蚀技术为反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为氧气或氯气。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述硅衬底为N型硅（100）衬底。
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