CN105869990A - 制备硅基纳米图形阵列结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备硅基纳米图形阵列结构的方法，所述方法包括：设置硅衬底；在硅衬底上沉积阻挡层，在阻挡层上沉积铝膜；利用第一酸溶液对铝膜进行一次阳极氧化处理，以将铝膜的远离硅衬底一侧的表面形成为第一纳米图形阵列结构；利用第二酸溶液去除第一纳米图形阵列结构；利用第三酸溶液对铝膜进行二次阳极氧化处理，以将铝膜形成为氧化铝纳米图形阵列结构；利用氧化铝纳米图形阵列结构作为掩膜来刻蚀阻挡层和硅衬底，以将硅衬底和阻挡层形成为具有与氧化铝纳米图形阵列结构相对应的纳米图形阵列结构；利用缓冲氧化刻蚀剂将硅衬底上的氧化铝纳米图形阵列结构和形成为纳米图形阵列结构的阻挡层去除，从而得到硅基纳米图形阵列结构。

Description

制备硅基纳米图形阵列结构的方法

技术领域

本发明涉及一种制备图形化衬底的方法，具体地讲，本发明涉及一种制备硅基纳米图形阵列结构的方法。

背景技术

随着硅基半导体器件尺寸的缩小，传统的体硅材料正在接近其物理极限。锗以及Ⅲ-Ⅴ主族材料由于其与硅材料相比在应用中有着优越的性能，因此受到了人们的广泛关注。但是，锗以及Ⅲ-Ⅴ主族材料价格昂贵，并且其无法与硅基工艺兼容。此外，当硅基外延时，锗以及Ⅲ-Ⅴ主族材料无法与硅形成很好的晶格匹配，导致位错缺陷较高。为了解决上述问题，已经提出和发展了一系列的图形化衬底技术，特别是砷化镓外延对于图形衬底的尺寸要求达到了百纳米以内。然而，由于需要使用光刻或者是纳米压印的方法来制备这种尺寸的图形化衬底，这便提高了制作成本，且对工艺要求严格。鉴于此，如何提供一种能够替代原有的光刻或者纳米压印的方法来制备小尺寸图形化衬底就显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种工艺过程简单、稳定的制备硅基纳米图形阵列结构的方法。根据本发明的示例性实施例，提供一种制备硅基纳米图形阵列结构的方法，所述方法包括：设置硅衬底；在硅衬底上沉积阻挡层，在阻挡层上沉积铝膜；利用第一酸溶液对铝膜进行一次阳极氧化处理，以将铝膜的远离硅衬底一侧的表面形成为第一纳米图形阵列结构；利用第二酸溶液去除第一纳米图形阵列结构；利用第三酸溶液对铝膜进行二次阳极氧化处理，以将铝膜形成为氧化铝纳米图形阵列结构；利用氧化铝纳米图形阵列结构作为掩膜来刻蚀阻挡层和硅衬底，以将硅衬底和阻挡层形成为具有与氧化铝纳米图形阵列结构相对应的纳米图形阵列结构；利用缓冲氧化刻蚀剂(BOE)将硅衬底上的氧化铝纳米图形阵列结构和形成为纳米图形阵列结构的阻挡层去除，从而得到硅基纳米图形阵列结构。

根据本发明的示例性实施例，阻挡层可以为钛层或铂层并且具有10nm～30nm的厚度，铝膜厚度可以在500nm～1000nm。

根据本发明的示例性实施例，在进行一次阳极氧化处理的步骤中，处理温度可以为0℃～5℃，氧化电压可以为40v～200v，处理时间可以为1min～30min，处理过程中可以恒温恒压搅拌，处理后可以利用去离子水将残余的第一酸溶液酸和副产物清洗干净，其中，第一酸溶液可以为浓度是0.1mol/L-1mol/L的草酸溶液，第一纳米图形阵列结构中的每个纳米图形的孔径可以不小于40nm。

根据本发明的示例性实施例，在去除第一纳米图形阵列结构的步骤中，处理时间可以为1min～180min，处理后可以利用去离子水将残余的第二酸溶液和副产物清洗干净，其中，第二酸溶液可以为2wt％-10wt％的磷酸与1wt％-4wt％的铬酸的混合酸，其中，被去除了第一纳米图形阵列结构的铝膜的厚度可以为50nm～200nm。

根据本发明的示例性实施例，在进行二次阳极氧化处理的步骤中，处理温度可以为0℃～5℃，氧化电压可以为40v～200v，处理时间可以为3min～60min，处理过程中可以恒温恒压搅拌，氧化铝纳米图形阵列结构中的每个纳米图形可以为圆形或六方孔形，孔径可以为30nm～200nm，孔间距可以为150nm～500nm，其中，第三酸溶液可以为5wt％-15wt％的磷酸或0.1mol/L-1mol/L的草酸，其中，在执行二次阳极氧化处理步骤之后，可以利用去离子水将残余的第三酸溶液和副产物清洗干净。

根据本发明的示例性实施例，可以利用干法刻蚀来执行刻蚀阻挡层和硅衬底的步骤。

根据本发明的示例性实施例，刻蚀方法可以包括电感耦合等离子体或离子束刻蚀。

根据本发明的示例性实施例，在执行刻蚀步骤之前，可以利用惰性气体将硅衬底、阻挡层和氧化铝纳米图形阵列结构吹干。

根据本发明的示例性实施例，在硅衬底上沉积阻挡层之前，可以利用丙酮或异丙醇清洗硅衬底表面的有机物，并且可以利用氢氟酸去除硅衬底表面的氧化层。

根据本发明的制备硅基纳米图形阵列结构的方法，通过使用两次阳极氧化来制备掩膜，替代了传统制备图形阵列的方法中使用纳米压印或涂胶制作掩膜的步骤，从而简化了操作步骤和降低了制造成本。

附图说明

图1至图4为顺序地示意性地示出根据本发明的示例性实施例的制备硅基纳米图形阵列结构的过程的剖面示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种制备硅基纳米图形阵列结构的方法，该方法通过两次阳极氧化来制备掩膜，从而在根本上降低了生产成本。此外，由于采用阳极氧化的电化学方法比纳米压印和涂胶的方法更简便易行，因此，能够极大地满足生产需要。

以下将结合附图来详细描述本发明的示例性实施例，然而，附图只是示意性地示出了本发明的具体示例，且不具有限制作用。然而，本领域技术人员应理解的是，在不脱离本发明的权利要求所限定的保护范围的情况下，可以对其进行各种修改和变形。

图1至图4顺序地示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的制备硅基纳米图形阵列结构的过程的剖面示意图，其中，图4示意性地示出了利用根据本发明的示例性实施例的方法得到的硅基纳米图形阵列结构的示意图。以下将参照图1至图4来详细描述根据本发明的制备硅基纳米图形阵列结构的方法，但本发明并不限于此。

根据本发明的制备硅基纳米图形阵列结构的方法，首先，提供硅衬底1。根据本发明的示例性实施例所使用的硅衬底1没有特别的限制，可以为普通制备硅基纳米图形阵列结构所使用的硅衬底1。根据本发明的示例性实施例，可以使用丙酮或异丙醇等有机溶剂来对硅衬底1进行清洗，并可以使用氢氟酸等无机酸来去除硅衬底1上的氧化层。

接着，在硅衬底1上沉积阻挡层2，然后在阻挡层2上沉积铝膜3，如图1所示。根据本发明的示例性实施例，沉积阻挡层2的目的在于避免在制备掩膜的过程中对硅衬底1的污染。根据本发明的示例性实施例，可以使用镀膜设备在硅衬底1上沉积厚度可以为10nm～30nm的诸如铂或钛的金属层作为阻挡层2，然后在阻挡层2上沉积一层厚度可以为500nm～1000nm的铝膜3作为掩膜供体，但本发明并不限于此。

然后，利用第一酸溶液对沉积在硅衬底1上的铝膜3进行一次阳极氧化处理，以在阻挡层2上将铝膜3的远离硅衬底一侧的表面形成为第一纳米图形阵列结构。具体地讲，由于沉积在阻挡层2上的铝膜3的晶界处的氧化速度较晶粒表面的氧化速度慢，因此，在受到相同时间的阳极氧化处理后，在铝膜(未示出)的表面会形成以阵列的形式排列的多个凹坑，即第一纳米图形阵列结构(未示出)。根据本发明的示例性实施例，凹坑可以为诸如碗型的结构，但本发明并不限于此。例如，凹坑也可以为圆柱形。

根据本发明的示例性实施例，可利用能够作为电解液的第一酸溶液对铝膜3进行一次阳极氧化处理，执行一次阳极氧化的处理温度可以为0℃～5℃，氧化电压可以为40v～200v，处理时间可以为1min～30min，在执行一次阳极氧化的处理过程中可以保持恒温恒压并不断搅拌。经过一次阳极氧化处理后，可以在铝膜(未示出)的远离硅衬底1的一侧的表面得到孔径不小于40nm的多个凹坑从而形成第一纳米图形阵列结构(未示出)。根据本发明的示例性实施例，当凹坑为诸如碗型的非圆柱形时，该凹坑的口径可以不小于40nm。根据本发明的一个示例性实施例，第一酸溶液可以为浓度是0.1mol/L-1mol/L的草酸溶液，但本发明并不限于此。

根据本发明的示例性实施例，经一次阳极氧化处理后，可利用去离子水将残余在硅衬底1、阻挡层2和具有第一纳米图形阵列结构的铝膜(未示出)上的第一酸溶液以及由第一酸溶液氧化铝膜(未示出)而生成的副产物去除干净。

然后，利用第二酸溶液将上述通过一次阳极氧化形成的第一纳米图形阵列结构(未示出)去除。具体地讲，在铝膜3的沉积过程中由于其厚度方向上的远离硅衬底1一侧的晶粒尺寸较靠近硅衬底1一侧的晶粒尺寸大，且排列不规则，为此，需要利用一次阳极氧化处理来形成第一纳米图形阵列结构(未示出)，并利用第二酸溶液在该过程中形成的纳米图形(未示出)去除(即，去除每个凹坑的侧壁)，从而能够在铝膜3远离硅衬底1一侧的方向上将铝膜3去除一定厚度，并能够将铝膜3的在厚度方向上的晶粒尺寸相对较小的具有规则排列的部分暴露到外部。

根据本发明的示例性实施例，可以利用能够腐蚀氧化铝的第二酸溶液来腐蚀第一纳米图形阵列结构，以将其去除，其中，处理时间可以为1min～180min，但本发明并不限于此。根据本发明的示例性实施例，经上述处理后，可以将铝膜(未示出)的厚度保留在50nm～200nm。根据本发明的示例性实施例，可利用去离子水将硅衬底1、阻挡层2和已去除了第一纳米图形阵列结构的铝膜(未示出)上的残余的第二酸溶液以及由第二酸溶液氧化铝膜3后生成的副产物去除干净。根据本发明的示例性实施例，第二酸溶液可以为诸如2wt％-10wt％的磷酸与1wt％-4wt％的铬酸的混合酸，但本发明并不限于此。

然后，利用第三酸溶液对上述处理后的铝膜(未示出)进行二次阳极氧化处理，以将铝膜(未示出)形成为氧化铝纳米图形阵列结构3’作为掩膜，如图2所示。根据本发明的示例性实施例，可利用能够作为电解液的第三酸溶液来对上述处理后的铝膜(未示出)进行二次阳极氧化处理，其中，处理温度可以为0℃～5℃，氧化电压可以为40V～200V，处理时间可以为3min～60min。经二次阳极氧化处理后，可以得到多个具有圆形或六方孔形的孔径为30nm～200nm且孔间距可以为150nm～200nm的氧化铝纳米图形阵列结构3’。此时，阻挡层2被氧化铝纳米图形阵列结构3’部分地暴露到外部。根据本发明的示例性实施例，可利用去离子水将硅衬底1、阻挡层2和氧化铝纳米图形阵列结构3’上的残余的第三酸溶液以及由第三酸溶液氧化铝膜3而生成的副产物去除干净，并可以利用诸如氮气等的惰性气体将硅衬底1、阻挡层2和氧化铝纳米图形阵列结构3’吹干。根据本发明的示例性实施例，第三酸溶液可以为诸如5wt％-15wt％的磷酸或0.1mol/L-1mol/L的草酸溶液，但本发明并不限于此。

然后，利用氧化铝纳米图形阵列结构3’作为掩膜来刻蚀阻挡层2和硅衬底1，以将硅衬底1和阻挡层2形成为具有与氧化铝纳米图形阵列结构1'相对应的硅基纳米图形阵列结构1’和阻挡层纳米图形阵列结构2’，如图3所示。根据本发明的示例性实施例，可以使用诸如电感耦合等离子体或离子束的干法刻蚀的方法来刻蚀硅衬底1，从而可以通过刻蚀束流4将硅衬底1和阻挡层2形成为具有与氧化铝纳米图形阵列结构相对应的硅基纳米图形阵列结构1’和阻挡层纳米图形阵列结构2’。

最后，利用缓冲氧化刻蚀剂(BOE)将硅基纳米图形阵列结构1’上的氧化铝纳米图形阵列结构3’和阻挡层2’纳米图形阵列结构去除，然后可以利用诸如去离子水等将刻蚀后的硅基纳米图形阵列结构1’上的副产物去除，并可以利用诸如氮气的惰性气体将硅基纳米图形阵列结构1’吹干，从而得到如图4所示的硅基纳米图形阵列结构1’。

根据本发明的方法制备的硅基纳米图形阵列结构具有直径在30nm～200nm的规则六方孔型或圆形的阵列结构。根据本发明，制作的图形衬底可用于器件制作、GaAs、GaN等材料的外延生长。该方法工艺简单，成本较低，适宜批量生产。

以上描述了根据本发明的示例性实施例的制备硅基纳米图形阵列结构的方法，该方法通过两次阳极氧化制备氧化铝纳米图形阵列结构以作为掩模来制备硅基纳米图形阵列结构，即，根据本发明的方法，利用电化学制作的氧化膜作为掩模，替代了传统图形阵列所用的纳米压印或者涂胶制作掩膜进行光刻的步骤，因此，其在生产成本上远低于通过纳米压印的方法或涂胶的方法制备掩模的生产成本，且工艺简单，易于操控，因此能够优异地适用于市场需求。

以上描述了根据本发明的示例性实施例的制备硅基纳米图形阵列结构的方法，但本发明的保护范围并不限制于上述特定实施例。

Claims (9)

1.一种制备硅基纳米图形阵列结构的方法，其特征在于，所述方法包括：

设置硅衬底；

在硅衬底上沉积阻挡层，在阻挡层上沉积铝膜；

利用第一酸溶液对铝膜进行一次阳极氧化处理，以将铝膜的远离硅衬底一侧的表面形成为第一纳米图形阵列结构；

利用第二酸溶液去除第一纳米图形阵列结构；

利用第三酸溶液对铝膜进行二次阳极氧化处理，以将铝膜形成为氧化铝纳米图形阵列结构；

利用氧化铝纳米图形阵列结构作为掩膜来刻蚀阻挡层和硅衬底，以将硅衬底和阻挡层形成为具有与氧化铝纳米图形阵列结构相对应的纳米图形阵列结构；

利用缓冲氧化刻蚀剂将硅衬底上的氧化铝纳米图形阵列结构和形成为纳米图形阵列结构的阻挡层去除，从而得到硅基纳米图形阵列结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，阻挡层为钛层或铂层并且具有10nm～30nm的厚度，铝膜的厚度为500nm～1000nm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行一次阳极氧化处理的步骤中，处理温度为0℃～5℃，氧化电压为40v～200v，处理时间为1min～30min处理过程中恒温恒压搅拌，处理后利用去离子水将残余的第一酸溶液和副产物清洗干净，

其中，第一酸溶液为浓度是0.1mol/L-1mol/L的草酸溶液，

其中，第一纳米图形阵列结构中的每个纳米图形的孔径不小于40nm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在去除第一纳米图形阵列结构的步骤中，处理时间为1min～180min，处理后利用去离子水将残余的第二酸溶液和副产物清洗干净，

其中，第二酸溶液为2wt％-10wt％的磷酸与1wt％-4wt％的铬酸的混合酸，

其中，被去除了第一纳米图形阵列结构的铝膜的厚度为50nm～200nm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行二次阳极氧化处理的步骤中，处理温度为0℃～5℃，氧化电压为40v～200v，处理时间为3min～60min，处理过程中恒温恒压搅拌，氧化铝纳米图形阵列结构中的每个纳米图形为圆形或六方孔形，孔径为30nm～200nm，孔间距为150nm～500nm，

其中，第三酸溶液为5wt％-15wt％的磷酸或0.1mol/L-1mol/L的草酸，

其中，在执行二次阳极氧化处理步骤之后，利用去离子水将残余的第三酸溶液和副产物清洗干净。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用干法刻蚀来执行刻蚀阻挡层和硅衬底的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，刻蚀方法包括电感耦合等离子体或离子束刻蚀。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行刻蚀步骤之前，利用惰性气体将硅衬底、阻挡层和氧化铝纳米图形阵列结构吹干。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在硅衬底上沉积阻挡层之前，利用丙酮或异丙醇清洗硅衬底表面的有机物，并且利用氢氟酸去除硅衬底表面的氧化层。