CN1309027C

CN1309027C - 基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法

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Publication number: CN1309027C
Application number: CNB2004100542088A
Authority: CN
Inventors: 王英; 蔡炳初; 徐东; 张效岩; 张亚非
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: CN1606137A

Abstract

一种基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法，用于电子器件制造领域。本发明包括如下步骤：a.将单分散的无机纳米材料均匀排布在基底表面，形成纳米点、纳米线、纳米网状图形排列；b.以上述纳米阵列和图形作为掩膜，采用反应离子刻蚀或离子束刻蚀工艺，进行纳米图形和阵列的刻蚀，在基底表面形成纳米阵列图案；c.去除表面的纳米材料，获得纳米图形和阵列。本发明所采用的刻蚀工艺与传统工艺兼容，同时在刻蚀过程中以制备好的纳米材料作为掩膜，扩大了所能刻蚀的基底材料种类，而且使刻蚀工艺简化、图形方便可调，易于控制，本发明方法具有简单易行，效率高，表面的图形可控等特点，所制得的图形缺陷少，该方法适用范围广，便于推广和应用。

Description

基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法

技术领域

本发明涉及的是一种纳米刻蚀方法，特别是一种基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法。用于电子器件制造技术领域。

背景技术

利用纳米技术缩小图形尺寸，提高器件的集成密度和灵敏度对发展纳米器件、纳米传感器、高密度存储以及生物芯片制造等方面具有的重要意义。但由于传统刻蚀技术受到光学衍射、制作透镜及支撑光刻掩模板材料透明度的限制，随着图形尺寸接近100nm，传统刻蚀技术的发展遇到了极大的阻碍。近年来人们已探索了许多先进的刻蚀技术，如电子束、极紫外、X射线、深紫外加波前工程、干涉光刻、用原子力显微镜修改结构、原子光刻以及软刻蚀等，这些技术的出现进一步发展了纳米刻蚀技术。但这些方法通常需要昂贵的设备，投资成本较大、应用步骤复杂，难以在要求低成本、高产出的商业中得到广泛的应用。

经文献检索，发现相关的中国发明专利，其专利号为02136120.7、授权公告号为CN 1391264A，名称为“一种基于自组织的纳米颗粒图案的光刻方法”，其自述为“一种纳米光刻方法，其特征在于，以控制纳米粒子的阵列图案结构来实现纳米光刻，具体是根据纳米粒子系统的光电性质随粒子间的距离和组装结构而发生显著变化的特性，通过气相或液相过程形成的纳米粒子自组织阵列构成的图案掩膜取代传统光刻等工艺中的曝光形成的掩膜，采用干法刻蚀技术获得纳米图案。”，它公开了一种以纳米粒子为掩膜的刻蚀方法。这种方法主要采用有机物质作为模版衬底，在有机模板的引导下，通过纳米粒子流高定向气相沉积和液相沉积获得二维定向有序排列。由于这种方法在纳米掩膜制作过程中需要沉积有机模版，并通过有机模版引导纳米粒子的有序组装。因此容易受到有机模板和纳米粒子沉积方法的限制，从而限制纳米粒子图案的形状和尺寸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于纳米材料为掩膜的纳米刻蚀方法。其主要是通过纳米材料的排布技术控制纳米图形和阵列的排布，并以此为掩膜采用干法刻蚀技术实现纳米图形的刻蚀。由于纳米材料的尺寸可以由几纳米到几百纳米，因此可以克服传统光刻技术的限制，同时由于采用较为成熟的纳米材料排布技术，可以不需要其他有机聚合物作纳米材料自组装的导向模版，从而进一步简化了工艺步骤。本发明具有简单、实用的特点，所得纳米图形分布均匀、有序、可控。能够实现在不同的固态基底上纳米级图形刻蚀的操作。为大规模快速、高效、低成本地实现纳米刻蚀技术提供了新的方案。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的具体步骤如下：

a.将单分散的无机纳米材料均匀排布在基底表面，形成纳米点、纳米线、纳米网状图形排列。

b.以上述纳米阵列和图形作为掩膜，采用反应离子刻蚀或离子束刻蚀工艺，进行纳米图形和阵列的刻蚀，在基底表面形成纳米阵列图案。

c.去除表面的纳米材料，获得纳米图形和阵列。

本发明所使用的纳米材料的排布技术可以是自组装、LB膜技术、旋涂、液相沉积法，不需要有机聚合物模版作衬底。所使用的无机纳米材料主要为零维和一维纳米材料，零维纳米材料主要是纳米粒子。一维纳米材料包括纳米线、纳米棒和纳米管。纳米材料的组成可以是金属、合金、金属氧化物以及硅、氧化硅、碳化硅和碳材料。基底可采用各种材料，较为实用的主要为硅、氧化硅、云母、砷化镓、玻璃、金刚石和氮化硅。

本发明具有实质性特点和显著进步。本发明利用排布在基底表面的无机纳米材料作掩膜，通过反应离子刻蚀或离子束刻蚀技术实现了纳米点、线、网图形的刻蚀。由于纳米材料的制备和排布技术较为成熟，纳米材料的尺寸和排布间距可调，因此对克服传统刻蚀工艺对尺寸的限制，丰富纳米刻蚀手段，获得多样的纳米阵列和图形具有重要的意义。所采用的刻蚀工艺与传统工艺兼容。同时由于在刻蚀过程中以制备好的纳米材料作为掩膜，因此扩大了所能刻蚀的基底材料种类，而且由于该方法不需要有机聚合物作模版，从而使刻蚀工艺简化、图形方便可调，易于控制。本发明具有简单易行，效率高，表面的图形可控等特点，所制得的图形缺陷少，该方法适用范围广，便于推广和应用。

附图说明

图1纳米材料排布示意图

图2刻蚀表面杂质及有机分子的示意图

图3基底刻蚀示意图

图4清除纳米材料掩膜的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步介绍。

1、无机纳米材料均匀排布(图1)

(1)零维纳米材料的排布

将纳米粒子涂布于基底表面，通过不同的排布技术可以获得不同分布的纳米颗粒膜，形成分布均匀有序的纳米颗粒阵列。为了获得较好的刻蚀效果，薄膜控制厚度应小于200纳米。其中以可获得单层膜的排布方式为最佳，如自组装和LB膜技术。

(2)一维纳米材料的的排布

将一维纳米材料如纳米棒、纳米线和纳米管采用自组装、旋涂或拉膜技术涂布于基底表面，形成分布均匀的线状阵列，其中采用LB膜技术可以实现有序的单层一维纳米材料的排列和多层的纳米网格结构，多层的纳米网格结构以二层为最佳。

2、纳米图形和阵列的刻蚀(图2，图3)

以上述纳米图案为掩膜进行基底的刻蚀。由于在纳米材料制备和排布过程中，通常纳米材料表面包覆有一些有机分子，因此通常先利用氧气或氢气刻蚀去除表面的有机分子和杂质，而后再刻蚀基底表面，也可以在刻蚀气体中混入氧气或氢气，实现对有机分子、杂质和基底的同时刻蚀。

3、去除表面的纳米材料(图4)

根据所采用的纳米材料和基底，可通过控制刻蚀深度去除表面的纳米材料，也可以利用物理方法，如高温蒸发，和化学方法去除表面的无机纳米材料掩膜。

实施例1

将硅片放入体积比为1∶1∶40的3-巯基丙基-三甲氧基硅烷∶水∶异丙醇的溶液中24小时，取出后用超纯水清洗，再置于烘箱内110℃保温处理30min，得到巯基修饰的单晶硅片。然后将硅片放入硫醇修饰的15纳米金粒子溶液中24小时，使金纳米粒子自组装在巯基修饰的硅基底表面，形成纳米阵列。将所得的纳米阵列放入反应离子刻蚀设备中进行刻蚀。首先利用六氟化硫和氧气混合气体进行刻蚀，流量分别为40sccm，压力80mτ，功率20W，刻蚀时间240s。之后，在1100℃真空蒸发金纳米粒子掩膜，得到纳米锥状图形，顶部直径约12纳米，高度约25纳米。

实施例2

将6纳米的铁铂纳米合金颗粒分散在己烷中配制成0.5mg/ml溶液，采用LB膜技术利用垂直提拉法将纳米粒子转移到氧化硅基底表面，膜压20mN，拉膜速度0.5mm/min。将所得样品放入反应离子刻蚀设备中，首先利用氧气，流量20sccm，压力40mτ，功率10W，刻蚀时间30s，刻蚀表面的有机分子和杂质，然后利用三氟甲烷气体进行刻蚀，流量40sccm，压力50mτ，功率10W，刻蚀时间180s。去除表面的金属纳米粒子掩膜可利用氩气，流量50sccm，压力50mτ，功率40W，刻蚀时间120s，得到纳米柱状图形，柱直径8纳米，高度15纳米。

实施例3

将新制的20纳米的二氧化硅纳米粒子溶胶采用旋涂的方法排布在砷化镓基底表面，转速2000r/min，旋转时间1min，厚度小于50纳米。将所得样品放入反应离子刻蚀设备中，利用氧气，流量8sccm，压力10mτ，功率10W，刻蚀时间30s，刻蚀表面的有机分子和杂质，然后利用氩气刻蚀基底，流量100sccm，压力80mτ，功率50W，刻蚀时间360s，之后将样品放入氢氟酸中10s或延长刻蚀时间，去除表面二氧化硅纳米粒子。得到纳米岛状图形，直径20纳米，高度12纳米。

实施例4

将直径10纳米的金纳米线分散在氯仿中配制成0.5mg/ml溶液，利用LB膜技术采用垂直提拉法转移到硅基底上，膜压25mN，拉膜速度1mm/min。得到单层排列的金纳米线薄膜，以一定的角度重复提拉过程可以得到网状排列的金纳米线薄膜。将所得样品放入反应离子刻蚀设备中利用氢气进行刻蚀，流量20sccm，压力20mτ，功率20W，刻蚀时间30s，刻蚀表面的有机分子和杂质。然后，利用六氟化硫气体进行刻蚀，流量为40sccm，压力40mτ，功率20W，刻蚀时间150s。之后，将所得样品放入碘化钾腐蚀液中(KI∶I₂∶H₂O＝4g∶1g∶40ml)中1-3分钟，以清除图形表面的金纳米粒子掩膜，得到纳米图形阵列，线宽8纳米，高度15纳米。

Claims

1、一种基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将单分散的无机纳米材料均匀排布在基底表面，形成纳米点、纳米线、纳米网状图形排列；

b.以上述纳米阵列和图形作为掩膜，采用反应离子刻蚀或离子束刻蚀工艺，进行纳米图形和阵列的刻蚀，在基底表面形成纳米阵列图案；

c.去除表面的纳米材料，获得纳米图形和阵列。

2、根据权利要求1所述的基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法，其特征是，在步骤a中，所使用的无机纳米材料为零维和一维纳米材料，零维纳米材料是纳米粒子，一维纳米材料包括纳米线、纳米棒和纳米管，纳米材料的组成是金属、合金、金属氧化物以及硅、氧化硅、碳化硅和碳材料。

3、根据权利要求1或2所述的基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法，其特征是，所述的无机纳米材料均匀排布，具体为：

(1)零维纳米材料的排布，将纳米粒子涂布于基底表面，通过排布技术获得纳米颗粒膜，形成分布均匀有序的纳米颗粒阵列，薄膜控制厚度小于200纳米；

(2)一维纳米材料的的排布，将一维纳米材料采用自组装、旋涂或拉膜技术涂布于基底表面，形成分布均匀的线状阵列，其中采用LB膜技术能实现有序的单层一维纳米材料的排列和多层的纳米网格结构。

4、根据权利要求1所述的基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法，其特征是，步骤b中，所述的纳米图形和阵列的刻蚀，具体为：先采用氧气或氢气刻蚀去除纳米材料表面包覆的有机分子和杂质，而后再刻蚀基底表面，或者在刻蚀气体中混入氧气或氢气，实现对有机分子、杂质和基底的同时刻蚀。

5、根据权利要求1或者4所述的基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法，其特征是，所述的基底，其材料为硅、氧化硅、云母、砷化镓、玻璃、金刚石或氮化硅。

6、根据权利要求1所述的基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法，其特征是，步骤c中，所述的去除表面的纳米材料，具体为：通过延长刻蚀时间控制刻蚀深度去除表面的纳米材料，或者利用包括高温蒸发的物理方法，和化学方法去除表面的无机纳米材料掩膜。