[發明專利]高度有序的小尺寸硅基納米坑陣列的制備方法

無效

• 申請號: 201110045698.5
• 申請日: 2011-02-25
• 公開（公告）號: CN102173376A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 鐘振揚;馬英杰;崔健;樊永良;蔣最敏
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于納米結構制備技術領域，具體涉及一種小尺寸硅基納米坑陣列的制備方法。

背景技術

近年來，隨著各種半導體集成工藝的不斷發展與成熟，半導體低維納米材料的制備與表征也取得了長足發展，并逐步進入了實用化。半導體低維量子結構（如量子點、量子線、量子環等）由于具有低空間維度和極小尺寸引起的量子限制效應，呈現出了很多新奇的物理特性，成為當前低維納米結構領域的研究熱點之一。然而利用自組裝技術生長的量子結構，它的空間分布，形貌及尺寸等一般都難以精確控制，限制了其在器件領域的應用。為了實現低維量子結構可控制生長，研究人員提出了多種在具有有序分布納米坑或納米孔的襯底上來實現量子結構可控生長的方法。常見的制備有序納米坑（或納米孔）結構的方法有電子束刻蝕（EBL），聚焦離子束技術刻蝕（FIB）和X光全息光刻技術等。這些方法是在涂有光刻膠的襯底上首先精確地刻蝕出納米尺寸掩模，然后利用刻蝕技術，刻蝕出納米坑或納米孔等結構。這類有序納米結構制備方法的優點是精確性高，其空間分布和量子結構的尺寸等都易于精確控制。但是它的設備昂貴，工藝技術復雜，生產成本高，刻蝕后也容易引入缺陷。

利用納米球自組裝技術制備有序圖形陣列是一種低成本高產出的納米材料制備工藝。早期的工作主要是探索在半導體或金屬表面制備有序納米結構陣列的方法。隨著這項技術的發展，人們利用有序納米球陣列制備了磁性有序納米顆粒薄膜、有序納米線等，并發現了它們的新的物理特性。這些具有有序納米結構的新型材料在場發射器件、紅外光子晶體、相變存儲器和太陽能電池等領域獲得了應用，顯現出了它們重要的應用價值。有關利用聚苯乙烯納米球自組裝技術制備納米坑的報導始于2009年。但是該報道中所述及的納米坑尺寸較大，且不可控制。這不利于對其量子特性的研究。本項發明所提出的制備納米坑的方法，可以同時調控納米坑的周期和尺寸。所制備的納米坑排列高度有序，尺寸僅為數十納米。用這種納米坑可以制作得尺寸極其微小的量子結構。這對于研究它們的量子效應，探索新的物理特性，提高應用價值將十分有利。

發明內容

本發明的目的是提供一種使用設備簡單、工藝操作方便、制作成本低廉的制備高度有序的小尺寸硅基納米坑陣列的方法。

本發明提出的制備高度有序的小尺寸硅基納米坑陣列的方法，是利用大直徑聚苯乙烯納米球在硅襯底上的自組裝技術，經過多次刻蝕，濺射，選擇性腐蝕等工藝，在單晶硅襯底上制備出納米坑陣列。使用的設備主要有培養皿、20微升容量的注射器、載玻片，制備的具體步驟為：

1、將經過清洗的硅襯底平放于培養皿底部，把經過清洗的載玻片以一定的傾斜角度放置于培養皿中，載玻片的下側對著硅襯底，見圖2所示；在培養皿中注入去離子水。

2、利用自組裝技術，在硅襯底表面覆蓋單層聚苯乙烯納米球。其方法如下：將甲醇溶液與直徑為400-800nm的聚苯乙烯納米球乳膠懸浮液（聚苯乙烯納米球乳膠懸浮液為從商業性公司購買所得，納米球微粒密度為1.05g/cm³，乳膠懸浮液中微粒濃度為10%?solids?by?weight）按照體積比1:1的比例均勻混合；然后用注射器將4-6微升的聚苯乙烯納米球甲醇混合溶液滴在載玻片上，讓此溶液緩慢流入水中；4-6分鐘后，用注射器將去離子水緩慢抽出。此時，在硅襯底上即得到二維六角點陣排列的單層聚苯乙烯納米球薄膜（參閱圖3）。

3、將表面覆蓋有聚苯乙烯納米球的樣品進行反應離子刻蝕處理以減小納米球的尺寸。刻蝕后的聚苯乙烯納米球剩余的尺寸由欲制備的納米坑的尺寸決定。其方法如下：利用反應離子刻蝕（RIE）技術，在氧氣氣氛中進行刻蝕。刻蝕時的氧氣壓為9-10Pa，氧氣流速為20-40sccm，使用功率為?25-35W；刻蝕后，使聚苯乙烯納米結構呈類錐狀（參閱圖4）。刻蝕時間由所要求的聚苯乙烯納米球剩余的尺寸決定。

4、在刻蝕后的聚苯乙烯納米球樣品表面上淀積上一層金膜。其方法如下：用直流濺射技術，在樣品表面濺射上一層金膜。直流濺射的工作電壓為900V-1000V，濺射電流為35-45mA，工作氣體為氬氣，濺射時的氬氣氣壓保持在10^-3Torr左右（如10^-3--200～10^-3+200Torr）。濺射時間為1-2分鐘。濺射后淀積于樣品表面的金膜厚度為1-3nm。