CN1588236A - 利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于纳米光刻技术领域的一种利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列方法。该方法是利用等离子刻蚀控制纳米球模板中沉积通道的尺寸，通过结合纳米球光刻技术中的镀膜和清洗步骤，可以得到单元尺寸可控的纳米点阵列。演示实验中纳米点阵列的密度为42G/in2，同时单元尺寸控制在26－100nm。该方法直接基于模板中沉积通道的控制，适用于各种材料点阵列的制备。通过与不同材料薄膜制备技术的结合，应用本方法改进的纳米球光刻技术可以制备出不同材料的、单元尺寸可控的高密度纳米点阵列。可用于基于纳米点阵列的器件如磁存储、传感器等的制备和基于单元尺寸调制的器件性能优化。

Description

利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列的方法
技术领域
本发明属于纳米光刻技术领域。特别涉及利用等离子刻蚀控制纳米球模板中沉积通道的尺寸的一种利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列的方法。
背景技术
利用纳米球光刻技术制备点阵列，是一种相对光刻廉价、简单的方法。J.C.Hulteen and R.P.V.Duyne，等在文献“J.Vac.Sci.Technol.A 13，1553(1995)”的《Nanosphere lithography：A materials general fabricationprocess for periodic particle array surfaces》中报导，利用纳(微)米球模板中规则的孔洞作为沉积通道，可制备出规则的点阵列，点阵列的密度随模板用球的缩小而提高，而点阵列单元尺寸随之减小。但在高分子纳(微)米球模板的高密度应用中，当模板中高分子球减小到200nm或以下时，由于球的明显变形，模板中原有的沉积通道阻塞，导致模板不可用。
C.-W.Kuo，等在“J.Phys.Chem.B，107，9950(2003)”的《Fabricationof Size-Tunable Large-Area Periodic Sillicon Nanopillar Arrays withSub-10-nm Resolution》和“Chem.Mater.15，2917(2003)”的《Size-andShape-Controlled Fabrication of Large-Area Periodic Nanopillar Arrays》中报导，针对不同材料的点阵列，进行选择性氧化等后续处理，可以实现对点阵列单元尺寸的部分独立控制，但这类方法的设计受限于不同的材料。目前还没有直接基于模板的，适用于各种材料的阵列单元尺寸控制技术。
C.Haginoya，M.Ishibashi and K.Koike在“Appl.Phys.Lett.71，2934(1997)”的《Nanostructure array fabrication with a size-controllablenatural lithography》中讲述用等离子刻蚀将单层的纳米球阵列刻蚀成分立的单元，并将其应用于孔阵列的制备。是一种将高分子单层球模板中的球刻蚀成不同的分立程度的尺寸可控的孔阵列的方法，但那将破坏模板中原有的沉积通道，无法用于点阵列的制备。
此外S.I.Matsushita，Y.Yagi and A.Fujishima，等在“Chem.Lett.524(2002)”的《Sub-Microstructure Formed by Means of Reactive Ion Etchingin Multilayers of Two-Dimensional Fine-Particle Arrays》的文章中讲述用等离子体刻蚀双层的纳米球模板，在原先的模板上修饰出亚微米的结构和D.-G.Choi，H.K.Yu，S.G.Jang，and S.-M.Yang，等在“J.Am.Chem.Soc.126，7019(2004)”的《Colloidal Lithographic Nanopatterning via Reactive IonEtching》的文章中讲述用等离子体刻蚀双层和多层的纳米球模板，在原先的模板上修饰出不同的图形结构。这些技术都是利用等离子体刻蚀，在双、多层聚苯乙烯球模板上刻蚀出有序、规则的结构。但该技术未研究对模板中沉积通道进行可控的扩展，并且未应用于点阵列的制备，也未应用于制备单元尺寸可控的纳米点阵列。
综上所述，目前还没有直接基于纳(微)米球模板修饰的、可适用于各种材料的、能对点阵列单元尺寸进行独立控制的高密度点阵列制备技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列方法。是基于纳米球光刻技术，利用等离子刻蚀控制纳米球模板中沉积通道的尺寸，从而制备出单元尺寸可控的高密度纳米点阵列的方法，该方法直接基于模板中沉积通道的控制，适用于各种材料点阵列的制备。其特征在于：在单层、双层或多层的纳米球模板上利用刻蚀，对模板中的沉积通道进行可控的扩展，其刻蚀仓内真空度为10-1-102Pa，功率10-100W，刻蚀时间0.1-30分钟。然后通过薄膜制备技术在模板上沉积一层薄膜，并对纳米球模板进行常规清洗后得到规则排列的单元尺寸独立可控的纳米点阵列。在演示实验中纳米点阵列的密度为42Gdot/in2，同时单元尺寸控制在26-100nm。
所述纳米球模板材料为聚苯乙烯、聚丁二烯、聚异戊二烯、SiO2、Ag、Au、Co或FePt。
所述模板上沉积一层薄膜的材料为Al、Cu、Au、Ag、Ti、Zn、Cr、Fe、Co、Ni、FePt、CoPt、GaN、GaAs、SiO2或TiO2等。
本发明的有益效果是：
1.利用刻蚀对模板进行修饰，对纳(微)米球模板中的沉积通道进行可控的扩展，发展可独立控制阵列单元尺寸的纳米点阵列制备技术。
2.明显打开了高密度的高分子纳米球模板中原先封闭的沉积通道，开拓高分子纳米球模板法制备高密度点阵列的应用。
3.点阵列单元尺寸的可控直接基于对模板中沉积通道的控制，所以适用于各种材料的点阵列制备。
4.在演示实验中制备的纳米点阵列密度为42G/in2，同时单元尺寸控制在26-100nm。
附图说明
图1(a)为高密度(球直径200nm，点阵列密度42G/in2)聚苯乙烯球模板图；(b)为球直径440nm的聚苯乙烯球模板图。
图2(a)利用等离子体刻蚀，扩展模板中沉积通道后的图示；(b)利用修饰后模板制备的点阵列图。
图3为通过控制刻蚀时间获得的一系列单元尺寸可控的纳米点阵列。
图4为经等离子体刻蚀后扩展了沉积通道的双层模板图。
图5(a)、(b)为利用控制双层球模板中沉积通道的大小，制备出尺寸可控的纳米点阵列示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列方法。是基于纳米球光刻技术，利用等离子刻蚀控制纳米球模板中沉积通道的尺寸，从而制备出单元尺寸可控的高密度纳米点阵列的方法，该方法直接基于模板中沉积通道的控制，适用于各种材料点阵列的制备。利用该方法控制单层、双层或多层的纳米球模板中沉积通道的尺寸时，刻蚀仓内真空度为10-1-102Pa，功率10-100W，刻蚀时间0.1-30分钟。然后结合纳米球光刻技术中的镀膜和清洗步骤得到单元尺寸可控的纳米点阵列(如图3、图5(a)(b)所示)。通过与不同材料薄膜制备技术的结合，应用本方法改进的纳米球光刻技术可以制备出不同材料的、单元尺寸可控的高密度纳米点阵列，可用于基于纳米点阵列的器件制备和性能优化。演示实验中纳米点阵列的密度为42G/in2，同时单元尺寸控制在26-100nm。下面例举实施例对本发明予以进一步说明。
实施例1
利用氧等离子体刻蚀，对单层和双层的聚苯乙烯纳米球模板(球直径200nm)中的沉积通道进行可控的扩展。然后通过在模板上蒸镀一层金属铝，并在甲苯溶剂中将聚苯乙烯球溶解，得到规则排列的纳米点阵列。
等离子体刻蚀对模板中沉积通道的扩展和纳米点阵列的制备效果可通过扫描电子显微镜(SEM)进行表征。高密度聚苯乙烯模板在等离子刻蚀处理前，可以从SEM照片图1(a)中看到直径200nm的聚苯乙烯球由于存在明显变形，导致模板中原有沉积通道被阻塞，从而导致模板不可用。图1(b)所示为直径440nm聚苯乙烯球组装成模板的效果，可以看到球的变形不明显，沉积通道清晰可见。
1)等离子体对聚苯乙烯纳米球模板中的沉积通道进行可控扩展，将单层，双层的聚苯乙烯纳米球模板置于等离子反应刻蚀机内，利用氧气作为刻蚀气体，刻蚀时间为控制沉积通道的参数。刻蚀仓内真空度20Pa，功率30W，刻蚀时间0.5-3分钟。该处理条件不仅可以打开因聚苯乙烯球明显变形而阻塞的沉积通道，并且可以对通道的大小进行控制。沉积通道扩展后的单层和双层模板，见图2(a)和图4所示。
2)在模板上制备薄膜
利用真空蒸镀技术，在模板上蒸镀60nm Al、Cu、Au、Ag、Ti、Zn、Cr、Fe、Co、Ni、FePt、CoPt、GaN、GaAs、SiO2或TiO2。
3)在甲苯中清洗聚苯乙烯纳米球模板
此步骤后聚苯乙烯球和沉积通道以外的金属被清洗，留下一系列单元尺寸可控的纳米点阵列，见图3。其中利用氧等离子体刻蚀1分钟的模板制备出的纳米点阵列单元尺寸43nm，密度为42G/in2，见图2(b)。
实施例2
实施过程类似于实施例1，只是将模板用的球改成其他直径：0.01-10μm。
实施例3
实施过程类似于实施例1，只是将模板用的球改成其他材料的纳(微)米球，如聚丁二烯、聚异戊二烯、SiO2、Ag、Au、Co、FePt等。
实施例4
实施过程类似于实施例1，只是将模板改成3层或3层以上。
实施例5
实施过程类似于实施例1，只是采用不同的刻蚀气体。气体包括：Ar2、CCl4、O2、CF4、Cl2、CHF等。
实施例6
实施过程类似于实施例1，只是采用不同的刻蚀源。刻蚀源包括：离子束、电子束等。
实施例7
实施过程类似于实施例1，只是分别调节刻蚀功率为20W、30W、40W、50W、60W、70W、80W、90W、100W；或调气体分压在10-1Pa、1Pa、10Pa、20Pa、30Pa、40Pa、60Pa、80Pa或100Pa等参数来实现控制沉积通道的尺寸。
通过上述实施例所述，控制等离子体刻蚀条件(控制刻蚀时间、功率、压力或气体种类)对不同的纳米球模板材料，都可以实现对单层、双层和多层模板中沉积通道的大小进行控制，从而制备出不同尺寸的纳米点阵列(如图3、5所示)。

Claims (4)

1.一种利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列方法，其特征在于：在单层、双层或多层的纳(微)米球模板上利用等离子体刻蚀，对模板中的沉积通道进行可控的扩展，其刻蚀仓内真空度为10-1-102Pa，功率10-100W，刻蚀时间0.1-30分钟；然后通过薄膜制备技术在模板上沉积一层薄膜，并对纳米球模板进行常规清洗后得到规则排列的单元尺寸独立可控的纳米点阵列；在演示实验中纳米点阵列的密度为42Gdot/in2，同时单元尺寸控制在26-100nm。
2.根据权利要求1所述利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列方法，其特征在于：所述纳米球模板材料为聚丁二烯、聚异戊二烯、SiO2、Ag、Au、Co或FePt。
3.根据权利要求1所述利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列方法，其特征在于：所述模板上沉积一层薄膜的材料为金属或无机非金属材料为：Al、Cu、Au、Ag、Ti、Zn、Cr、Fe、Co、Ni、FePt、CoPt、GaN、GaAs、SiO2或TiO2。
4.根据权利要求1所述利用纳米球模板制备单元尺寸可控的纳米点阵列方法，其特征在于：所述使用的刻蚀源为等离子、离子束、或电子束刻蚀源。
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