CN104986725A

CN104986725A - 一种周期性碗状结构模板及其制备方法

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Publication number: CN104986725A
Application number: CN201510414119.8A
Authority: CN
Inventors: 李海鸥; 徐文俊; 李思敏; 李琦; 首照宇; 高喜; 肖功利
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2015-10-21

Abstract

本发明公开一种周期性碗状结构模板及其制备方法，包括：在基底上沉积二氧化硅掩膜层，在其上旋涂光刻胶，制备周期性微纳米光刻胶点阵图形，在光刻胶结构上沉积一层金属薄膜，经过剥离后得到金属孔阵图形，再以金属孔阵结构为掩膜，采用湿法腐蚀技术形成二氧化硅的碗状阵列结构，最后除去金属掩膜。本发明制备的周期性碗状模板面积大，结构均匀完整，在制备图形衬底、光子晶体、表面粗化、表面制绒和微纳米器件等方面有很好的应用前景，能广泛应用于LED、太阳能电池、光子晶体、量子器件等方面，或作为基底材料的刻蚀掩膜层，用于其它微纳米结构的制造。

Description

一种周期性碗状结构模板及其制备方法

技术领域

本发明涉及微纳米结构制备和应用技术领域，具体设计一种周期性碗状结构模板及其制备方法。

背景技术

材料与结构在微纳米尺度展现了许多不同于宏观尺度的新特征，纳米技术已经成为当前科学研究与工业开发的热门领域之一，而半导体器件技术的发展很大程度上依赖于微纳米加工技术的不断进步，半导体微小型化依赖于微纳米尺度的功能结构与器件，实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。

在现有的半导体平面工艺技术中，随着光刻精度的不断提升，平面二维图形的分辨能力已经能达到十纳米级别；但是基于平面工艺的传统半导体技术(例如刻蚀、淀积等)均只能实现垂直侧壁或倾斜侧壁等直线条结构，无法实现曲面结构的制造；这严重限制了微纳米器件的设计思路，阻碍了一些特殊结构的实现；而以3D打印为代表的新兴技术虽然结构自由度较大，但其精度还远远达不到微纳米级别。

因此为了适应微纳米器件和结构的制作，迫切需要寻找一种简单实用、高效率、低成本的微纳米级别曲面结构的制备技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种周期性碗状结构模板及其制备方法，其具有简单实用、高效率和低成本的特点。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种周期性碗状结构模板及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，在基底上沉积二氧化硅，形成衬底；

步骤2，在二氧化硅之上旋涂光刻胶，采用微纳米光刻方法在衬底上制备周期性微纳米光刻胶点阵图形，形成带有光刻胶的基体；

步骤3，在带有光刻胶的基体的上方，即周期性光刻胶点阵图形及其二氧化硅上沉积一层金属薄膜，形成带有金属薄膜的基体；

步骤4，带有金属薄膜的基体经过剥离后，其上的光刻胶点阵图形被反转为金属薄膜孔阵图形，得到带有周期性金属薄膜孔阵图形的基底；

步骤5，将带有周期性金属薄膜孔阵图形的基底放入腐蚀液中进行腐蚀，在二氧化硅上部形成多个碗状的金属孔，且这些金属孔在二氧化硅上部呈周期性排布，得到具有周期性碗状金属孔的基底；

步骤6，去除具有周期性碗状金属孔的基底上的金属薄膜，清洁基底，得到周期性碗状结构模板。

步骤2中，所述微纳米光刻方法为紫外曝光法、深紫外曝光法、电子束曝光法、聚焦离子束曝光法、纳米压印法或激光干涉曝光法。

步骤4中，所制备的金属孔的周期范围为10纳米～10微米之间。

步骤4中，所制备的金属孔的周期性排布方式为十字排布或六方排布。

采用上述方法所制备的一种周期性碗状结构模板，包括基底和位于基底上方的二氧化硅，其特征是，二氧化硅上部形成多个碗状的金属孔，且这些金属孔在二氧化硅上部呈周期性排布。

所述金属孔的周期范围为10纳米～10微米之间。

所述金属孔的周期性排布方式为十字排布或六方排布。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明所制备的周期性碗状结构通过腐蚀液对非晶SiO₂的各向同性腐蚀，获得了微纳米尺度下的曲面结构，突破了传统半导体平面工艺在第三维度(即剖面)上只能获得直线条的限制因素。

2、所制成的碗状结构尺寸均一，大小可控，且与常规微纳米工艺技术兼容。

3、本发明的碗状结构制备方法简单实用，成本低廉，兼顾科研和生产的需求。

4、本发明制备的碗状结构模板适用于LED、太阳能电池、光子晶体、量子器件等器件和结构的制备，可应用于光电子技术领域。

附图说明

图1是一种周期性碗状结构模板的制备流程示意图；

图2是一种周期性碗状结构模板的结构示意图；

图3是一种周期性碗状结构模板的扫描电子显微镜(SEM)平面图；

图4是一种周期性碗状结构模板的扫描电子显微镜(SEM)剖面图；

图中标号：1、基底，2、二氧化硅，3、光刻胶，4、金属薄膜，5、金属孔。

具体实施方式

下面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。

本发明属于微纳米加工技术领域，具体为一种具有周期性碗状结构模板的制备方法，包括：在基底1上沉积二氧化硅2掩膜层，在其上旋涂光刻胶3，制备周期性微纳米光刻胶3点阵图形，在光刻胶3结构上沉积一层金属薄膜4，经过剥离后得到金属孔5阵图形，再以金属孔5阵结构为掩膜，采用湿法腐蚀技术形成二氧化硅2的碗状阵列结构，最后除去金属掩膜。本发明制备的周期性碗状模板面积大，结构均匀完整，在制备图形衬底、光子晶体、表面粗化、表面制绒和微纳米器件等方面有很好的应用前景，能广泛应用于LED、太阳能电池、光子晶体、量子器件等方面，或作为基底1材料的刻蚀掩膜层，用于其它微纳米结构的制造。

本发明优选实施例的一种周期性碗状结构模板的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1，沉积二氧化硅(SiO₂)2：采用化学气相沉积(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)或热氧化法，在基底1上沉积二氧化硅(SiO₂)2。其中化学气相沉积方法包括常压、低压(LPCVD)和等离子体增强(PECVD)方法。

步骤2，光刻图形：先在所述二氧化硅2之上旋涂光刻胶3，此时衬底由下到上分别依次为基底1，二氧化硅2，增附剂和光刻胶3。后利用微纳米光刻技术在衬底上制备周期性微纳米光刻胶3点阵图形。其中采用的微纳米光刻技术为紫外曝光(UV)、深紫外曝光(EUV)、电子束曝光(EBL)、聚焦离子束曝光(FIB)、纳米压印(NI)或激光干涉曝光(LIL)方法。所制备的微纳米光刻胶3点阵的周期范围为10纳米～10微米，排布方式包括十字排布、六方排布及其他周期性排布。

步骤3，金属沉积：采用电子束蒸发法，在周期性光刻胶3点阵结构上沉积金属薄膜4，此时基体由下到上依次为基底1，二氧化硅2和金属薄膜4。其中所沉积的金属包括镍(Ni)、铑(Rh)、铬(Cr)、铂(Pt)或金(Au)等。

步骤4，图像反转：经过剥离工艺后，周期性光刻胶3点阵图形被反转为金属薄膜4的孔阵图形，得到带有周期性的金属孔5阵结构的基体。

步骤5，湿法腐蚀：将基体放入腐蚀液进行腐蚀，利用湿法腐蚀的各向同性特点在SiO₂层2上得到二氧化硅2的碗状阵列结构。其中腐蚀液为BOE溶液，包含30wt％的氢氟酸、30wt％的氟化铵溶液和去离子水，其中氢氟酸、氟化铵、水的体积比为5:1:100～5:50:100。上述腐蚀的温度为0～90℃，腐蚀的时间为10～1000秒钟，腐蚀液选择性地在无金属薄膜4覆盖的地方腐蚀SiO₂层2，形成SiO₂腐蚀坑，取出基底1，用去离子水冲洗干净，得到具有碗状结构的基底1。

步骤6，掩膜层去除：采用王水腐蚀去除金属掩膜层，即用浓盐酸和浓硝酸按体积比3:1配制王水，将得到的基体放入王水溶液中去除金属薄膜4，漂洗0.5～5分钟，取出衬底，用去离子水冲洗干净，烘干，即可得到清洁的基底1。清洁基底1后得到二氧化硅2的微纳米碗状阵列结构，即周期性碗状结构模板。

采用上述方法所制备的本发明优选实施例的一种周期性碗状结构模板，如图2所示，包括基底1和位于基底1上方的二氧化硅2，二氧化硅2上部形成多个碗状的金属孔5，且这些金属孔5在二氧化硅2上部呈周期性排布。上述金属孔5呈十字排布、六方排布及其他周期性排布，其周期范围为10纳米～10微米。

图3是一种周期性碗状结构模板的扫描电子显微镜(SEM)平面图；图4是一种周期性碗状结构模板的扫描电子显微镜(SEM)剖面图。由图3和图4可看出，采用本发明的方法所制备的周期性碗状结构模板面积大，尺寸均一，结构完整。

综上所述，本发明的方法利用微纳米光刻技术，可以简单有效的获得微纳米周期的光刻胶3点阵，再通过各向同性的湿法腐蚀技术，最终得到周期性微纳米碗状结构模板，该图形结构尺寸均一，分辨率高，且简单实用，与常规半导体工艺兼容，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

1.一种周期性碗状结构模板及其制备方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，在基底(1)上沉积二氧化硅(2)，形成衬底；

步骤2，在二氧化硅(2)之上旋涂光刻胶(3)，采用微纳米光刻方法在衬底上制备周期性微纳米光刻胶(3)点阵图形，形成带有光刻胶(3)的基体；

步骤3，在带有光刻胶(3)的基体的上方，即周期性光刻胶(3)点阵图形及其二氧化硅(2)上沉积一层金属薄膜(4)，形成带有金属薄膜(4)的基体；

步骤4，带有金属薄膜(4)的基体经过剥离后，其上的光刻胶(3)点阵图形被反转为金属薄膜(4)孔阵图形，得到带有周期性金属薄膜(4)孔阵图形的基底(1)；

步骤5，将带有周期性金属薄膜(4)孔阵图形的基底(1)放入腐蚀液中进行腐蚀，在二氧化硅(2)上部形成多个碗状的金属孔(5)，且这些金属孔(5)在二氧化硅(2)上部呈周期性排布，得到具有周期性碗状金属孔(5)的基底(1)；

步骤6，去除具有周期性碗状金属孔(5)的基底(1)上的金属薄膜(4)，清洁基底(1)，得到周期性碗状结构模板。

2.根据权利要求1所述的一种周期性碗状结构模板及其制备方法，其特征是，步骤2中，所述微纳米光刻方法为紫外曝光法、深紫外曝光法、电子束曝光法、聚焦离子束曝光法、纳米压印法或激光干涉曝光法。

3.根据权利要求1所述的一种周期性碗状结构模板及其制备方法，其特征是，步骤4中，所制备的金属孔(5)的周期范围为10纳米～10微米之间。

4.根据权利要求1所述的一种周期性碗状结构模板及其制备方法，其特征是，步骤4中，所制备的金属孔(5)的周期性排布方式为十字排布或六方排布。

5.采用权利要1所述方法制备的一种周期性碗状结构模板，包括基底(1)和位于基底(1)上方的二氧化硅(2)，其特征是，二氧化硅(2)上部形成多个碗状的金属孔(5)，且这些金属孔(5)在二氧化硅(2)上部呈周期性排布。

6.根据权利要求5所述的一种周期性碗状结构模板及其制备方法，其特征是，所述金属孔(5)的周期范围为10纳米～10微米之间。

7.根据权利要求5所述的一种周期性碗状结构模板及其制备方法，其特征是，所述金属孔(5)的周期性排布方式为十字排布或六方排布。