CN1944237A - 一种加工周期性纳米结构器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工周期性纳米结构器件的方法。本发明所提供的加工周期性纳米结构器件的方法，包括如下步骤：1)准备并清洗所选用的衬底，在衬底上图形化出结构层；2)选择与所述结构层材料不同的另一种材料，在所述结构层的侧面进行侧墙沉积，各向异性刻蚀后在所述结构层的侧面形成一侧墙；3)以不同的材料重复步骤2)，经过多次沉积、刻蚀，在所述衬底上形成所述周期性纳米结构器件。基于本发明制作的周期性纳米栅、纳米“网格”、纳米柱等，可应用于光学器件、生物医学检测器件、传感器件、电子器件等领域。

Description

一种加工周期性纳米结构器件的方法

技术领域

本发明涉及一种加工周期性纳米结构器件的方法。

背景技术

周期性纳米结构器件，是指按照一定规律排列的，结构尺寸在一维、两维甚至三维上达到纳米尺度的器件，具有广泛、重要的应用价值。例如，周期性纳米栅结构可应用于原子波惯性器件和亚波长光学；周期性纳米“网格”结构或柱状阵列结构可应用于微流体，实现纳米级物体如某种生物粒子的过滤、分离；高密度周期性纳米柱阵列结构可应用于新型高密度存储器和先进纳机电器件；这些周期性纳米结构还可作为纳米压印的模具；等等。因此，如何加工制造周期性纳米结构是近几年人们极感兴趣、持续关注的重要事情，也是纳米科技的研究热点之一。目前，一般采用“自上而下”方式制备周期性纳米结构，但这种加工方法需要依赖尖端曝光或刻蚀设备，由于这类尖端设备的价格昂贵，数量很少，而且多是串行加工模式，这使得周期性纳米结构的加工量受到很大限制，极大地影响了其在研究、开发、产品等各方面的推广应用。

侧墙沉积技术是利用传统微电子工艺的保型性淀积和各向异性刻蚀技术，将支撑图形侧壁材料保留的一种加工方法。侧壁材料的高度决定于支撑图形高度，宽度决定于沉积薄膜的厚度。

发明内容

本发明的目的是提供一种加工周期性纳米结构器件的方法。

本发明所提供的加工周期性纳米结构器件的方法，包括如下步骤：

1)准备并清洗所选用的衬底，在衬底上图形化出结构层；

2)选择与所述结构层材料不同的另一种材料，在所述结构层的侧面进行侧墙沉积，各向异性刻蚀后在所述结构层的侧面形成一侧墙；

3)在所述侧墙侧面以不同的材料重复步骤2)，经过多次沉积、刻蚀，在所述衬底上形成所述周期性纳米结构器件。

其中，常用衬底为硅衬底。侧墙沉积采用保型性淀积(如低压化学气相淀积)方法。

本发明还提供了一种柱状周期性纳米结构器件，柱状结构的顶部为亲水材料，底部和衬底均为疏水材料。

其中，亲水材料可选用二氧化硅，所述疏水材料可选用硅。

本发明以侧墙沉积技术为基础，可以在不受光刻条件限制的前提下，依赖薄膜淀积来实现纳米尺度的周期性结构，突破了普通光刻工艺的限制。而且，侧墙沉积技术由于其源自于微电子制造技术，可方便的实现批量、并行加工，并具有良好的控制精度，还可通过改变工艺参数如薄膜厚度等而方便地调整周期性纳米结构的参数，大大提高了纳米结构的生产效率和集成度，有利于降低工业化生产成本，促进纳米器件的研究和生产开发。基于本发明制作的周期性纳米栅、纳米“网格”、纳米柱等，可应用于光学器件、生物医学检测器件、传感器件、电子器件等领域。

附图说明

图1A-图1G，图1A’-图1G’分别为实施例1加工过程中结构的剖面图及俯视图；

图2为实施例1所得结构的三维示意图；

图3A-图3D，图3A’-图3D’分别为实施例2加工过程中结构的剖面图及俯视图；

图4为实施例2所得结构的三维示意图；

图5A-图5C，图5A’-图5C’分别为实施例3加工过程中结构的剖面图及俯视图；

图6为实施例3所得结构的三维示意图；

图7A-图7D为所得纳米器件结构的电镜照片；

图8A，图8A’为实施例4带柱状纳米结构的悬臂梁的剖面图和俯视图；

图9为利用实施例5所得结构来转移、提取生物材料的示意图；

图10为实施例5纳米柱顶端提取目标溶液后的电镜照片。

具体实施方式

本发明加工周期性纳米结构器件的方法，主要技术思路是：

在衬底(如硅片)上通过普通光刻图形化手段定义构建侧墙所需的结构层(如可以多晶硅作为结构层材料)，然后通过另一种材料(或称牺牲层材料，例如二氧化硅薄膜)的淀积与各向异性刻蚀，在结构层侧面留下由薄膜厚度所决定的纳米尺度牺牲层(二氧化硅)掩膜。之后，再次淀积、刻蚀结构层材料，形成由结构层材料构成的侧墙。多次重复上述过程，在同一平面内可形成纳米尺度的周期性“栅格”图形。

在此基础上，如果采用两层(或多层)周期性“栅”图形，按一定交叉角度(如90度)堆叠，即可加工出周期性纳米“网格”结构；如果进一步以纳米“网格”为掩模向下刻蚀该“网格”材料甚至衬底材料，即可在周期性线条交叉点的位置形成纳米尺度柱状结构。

加工过程中，可以根据各种周期性纳米结构的周期及周期形式来改变工艺参数，加工过程方便，并且能得到多种结构形式的器件。基于现有微电子制造技术，上述工艺都能够方便的获得，并可得到足够的控制精度。

本发明可以采用多种不同材料进行加工，只需要满足刻蚀(或腐蚀)材料的高选择性。微电子工业中常用的几种材料，有二氧化硅、多晶硅以及氮化硅等。以下以二氧化硅和多晶硅作为侧墙材料和结构层材料，氮化硅作为保护材料为例进行说明。针对不同的应用需要，还可以适当增加工艺步骤(例如背面腐蚀)，以便与其他微米/纳米结构集成。

实施例1、制备周期性栅格结构的纳米器件

制备过程中，结构的剖面图如图1A-图1G和以及相应的俯视图如图1A’-图1G’，具体操作过程如下：

1)准备并清洗所选用的衬底1。

2)热氧化或淀积二氧化硅层2，见图1A和图1A’；

3)淀积多晶硅层，光刻，形成所需的图形，并对多晶硅进行刻蚀，形成多晶硅结构层3，见图1B和图1B’；

4)沿多晶硅结构层3保型淀积另一层二氧化硅21，见图1C和图1C’；

5)各向异性刻蚀前一层淀积的二氧化硅21，在多晶硅侧面留下二氧化硅侧墙22，见图1D和图1D’；

6)保型淀积一层多晶硅，各向异性刻蚀该层多晶硅，在前层侧墙外再形成多晶硅侧墙32，见图1E和图1E’；

7)重复步骤(5)、(6)，直至形成所需的栅格数，见图1F和图1F’；

8)选择性刻蚀(或腐蚀)其中一种材料(二氧化硅侧墙22)，留下另一种侧墙材料(多晶硅侧墙32)，即得到具有周期性网格结构的纳米器件，见图1G和图1G’。

可以根据需要，对所得纳米器件在背面进行相应的操作获得腔体，从而形成所需的透射栅格，三维示意图如图2所示。图中7为衬底，8为结构层，9为侧墙。

实施例2、制备网格结构的纳米器件

以实施例1中步骤7)所得器件为基础，可以进一步进行加工，形成网格结构的纳米器件，结构的剖面图如图3A-图3D和以及相应的俯视图如图3A’-图3D’，具体操作过程如下：

1)淀积次层多晶硅，光刻，形成所需的图形，并对多晶硅进行刻蚀，并去胶，见图3A和图3A’；

2)重复上述实施例1步骤4)-6)，直至形成所需的栅格数，见图3B和图3B’；

3)背面通过光刻、刻蚀(或腐蚀)等手段形成背腔，见图3C和图3C’；

4)正面涂胶加以保护，背面用氢氟酸腐蚀二氧化硅，去胶，留下所需的网格结构，见图3D和图3D’；其三维示意图如图4所示。

实施例3、制备柱状结构的纳米器件

以实施例2中步骤2)所得器件为基础，可以进一步进行加工，形成网格结构的纳米器件，结构的剖面图如图5A-图5C和以及相应的俯视图如图5A’-图5C’，具体操作过程如下：

1)淀积一层氮化硅10，光刻所需区域，采用湿法腐蚀暴露的氮化硅、多晶硅，并去胶，见图5A和图5A’；

2)各向异性刻蚀二氧化硅，控制大面积刻蚀完毕，只留下二氧化硅交叉点的图形，见图5B和图5B’；

3)各向异性刻蚀硅，最终在硅衬底上形成纳米柱阵列，见图5C和图5C’。

可根据需要选择是否腐蚀掉二氧化硅掩膜，三维示意图如图6。通过上述加工，即可以得到柱状结构的纳米器件，包括衬底41、底部42和顶部43，顶部43通过底部42连接于衬底41上，衬底41和底部42的材料均为疏水材料，为硅；顶部43的材料为亲水材料，为二氧化硅。

图7A-7D为所得周期性纳米器件的电镜照片，图7A对应于实施例2中图3D的网格结构；图7C对应于实施例3图5B；图7B和7D对应于实施例3中图5C。

实施例4、在悬臂梁上加工柱状纳米结构

带柱状纳米结构的悬臂梁的剖面图和俯视图分别如图8A和图8A’，具体操作过程如下：

1.采用SOI(或类似SOI)结构的硅片作为衬底，采用实施例3的流程制作纳米柱状结构，保留柱顶端的二氧化硅。

2.正面光刻定义悬臂梁，刻蚀，去胶；

3.将硅片正面涂胶保护，从背面图形化，腐蚀出腔体，并腐蚀衬底中间的绝缘层；

4.去胶释放悬臂梁，获得该结构。

实施例5、利用纳米柱顶端的亲水材料提取、转移微量生物溶液

可以采用普通光刻、深刻蚀方法在硅衬底上，制作出网格式溶液存储器。利用实施例4所加工的带有柱状纳米结构的悬臂梁，以及该网格式溶液存储器，可以实现生物液体的提取和转移。具体操作过程如下：

1.将网格式溶液存储器按需要注入所需的溶液样品；

2.将悬臂梁及针尖没入所需转移的溶液中；

3.将悬臂梁提起，由于只有纳米柱顶端的二氧化硅为亲水材料，其余均为疏水材料，因此该目标溶液只有少量贮存于纳米柱顶端；

4.转移悬臂梁至操作位置，将提取的溶液粘放在目标位置。

操作示意图可参考图9。图10给出了纳米柱顶端提取目标溶液后的电镜照片。

Claims (5)

1、一种加工周期性纳米结构器件的方法，包括如下步骤：

1)准备并清洗所选用的衬底，在衬底上图形化出结构层；

2)选择与所述结构层材料不同的另一种材料，在所述结构层的侧面进行侧墙沉积，各向异性刻蚀后在所述结构层的侧面形成侧墙；

3)在所述侧墙侧面以不同的材料重复步骤2)，经过多次沉积、刻蚀，在所述衬底上形成所述周期性纳米结构器件。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述衬底为硅衬底。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述侧墙沉积采用保型性淀积(如低压化学气相淀积)方法。

4、一种柱状周期性纳米结构器件，其特征在于：所述纳米结构器件包括顶部和底部，所述顶部通过底部连接于衬底上，所述柱状结构的顶部为亲水材料，底部和衬底均为疏水材料。

5、根据权利要求4所述的柱状周期性纳米结构器件，其特征在于：所述亲水材料为二氧化硅，所述疏水材料为硅。

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