[發(fā)明專利]一種基于SOI和電鑄技術(shù)的金屬納米線陣及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210027790.3
• 申請(qǐng)日: 2012-02-07
• 公開（公告）號(hào): CN102560565A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘麗;岳衢;胡承剛;張鐵軍;李飛;羅先剛;邱傳凱;周崇喜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): C25D1/04
• 分類號(hào): C25D1/04;C25D1/10;C30B29/02;C30B29/62;C30B30/02;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 李新華;成金玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域中金屬納米線陣及其制備的領(lǐng)域，特別涉及一種基于SOI和電鑄技術(shù)的金屬納米線陣及其制備方法，用于亞波長人工電磁材料的結(jié)構(gòu)單元。

技術(shù)背景

金屬納米線是一種在橫向上被局限在數(shù)百納米以下，而縱向無限制的一維納米結(jié)構(gòu)。金屬納米線中的電子在橫向受到量子束縛，能級(jí)不連續(xù)，因此具有許多在大塊或三維材料中沒有發(fā)現(xiàn)的有趣性質(zhì)，如電阻的量子化、優(yōu)良的電催化性質(zhì)等，存在廣泛的應(yīng)用。而隨著亞波長人工電磁材料的興起，金屬納米線的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。由于金屬納米線也是一種金屬納米結(jié)構(gòu)，在和電磁波相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生局域表面等離子體效應(yīng)。在亞波長人工電磁材料中，可以將金屬納米線排列成金屬納米線陣，相鄰金屬納米線產(chǎn)生的局域表面等離子體之間會(huì)產(chǎn)生共振響應(yīng)，使整個(gè)陣列結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出負(fù)的介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)亞波長尺度能量隧穿現(xiàn)象、負(fù)折射現(xiàn)象等。這些奇異的特性不僅出現(xiàn)在紫外波段，也可以由可見光激發(fā)，因此利用金屬納米線陣列可以對(duì)可見光的傳播進(jìn)行調(diào)控。同亞波長人工電磁材料的其他結(jié)構(gòu)，如金屬網(wǎng)格相比，金屬納米線陣的排列方式較為靈活，可以形成波導(dǎo)，也可以形成其他功能器件。同時(shí)金屬納米線陣的加工制備也相對(duì)容易，因此金屬納米線陣的制備成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前制作金屬納米線陣的常用手段是氧化鋁模板法和高分子聚合物模板法，即采用電化學(xué)沉積法、無電鍍合成、化學(xué)聚合、溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法將金屬組裝到模板的孔洞中，最后再去除模板。氧化鋁模板法制備工藝比較簡單，孔洞的直徑比較小，通常在幾十納米的范圍，孔密度高，適合大規(guī)模批量生產(chǎn)；高分子聚合物模板法孔洞直徑較大(通常為幾百個(gè)納米)，孔密度較低，但孔洞分布無序，且通常不垂直膜面。而對(duì)應(yīng)可見光的金屬納米線陣列中納米線的直徑一般在百納米量級(jí)，對(duì)納米線排列的要求也較高，所以利用上述方式難于制備。同時(shí)，對(duì)于納米線周圍介質(zhì)需要摻雜的情況，上述方法也不適用。因此需要一種可以在摻雜介質(zhì)中加工金屬納米線陣列的工藝方法，獲得由摻雜介質(zhì)包裹的金屬納米線陣。納米線的直徑、周期、長度都可控，能夠用于亞波長人工電磁材料的結(jié)構(gòu)單元。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)亞波長人工電磁材料金屬結(jié)構(gòu)單元，提供一種基于SOI和電鑄技術(shù)的金屬納米線陣及其制備方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于SOI和電鑄技術(shù)的金屬納米線陣的制備方法，其步驟如下：

步驟(1)選擇雙面拋光的SOI基片，將表面清洗干凈；

步驟(2)在SOI的硅表面和摻雜硅表面分別沉積一層厚度為400～600nm的氮化硅薄膜；

步驟(3)在SOI下底面的氮化硅膜層上均勻涂覆一層厚度為1～2μm的光刻膠，光刻制作出腐蝕的開口區(qū)，并置于烘箱或熱板進(jìn)行堅(jiān)膜；

步驟(4)以光刻膠為掩蔽層，采用干法刻蝕將開口區(qū)的氮化硅刻蝕完畢，露出下底面的體硅表面；

步驟(5)以氮化硅為掩蔽層，采用濕法腐蝕將露出的下底面體硅腐蝕完畢，露出二氧化硅表面；

步驟(6)在SOI摻雜硅表面的氮化硅膜層上均勻涂覆一層電子束光刻膠，用雙面對(duì)準(zhǔn)光刻系統(tǒng)確定圖形區(qū)在濕法腐蝕的棱臺(tái)面上，并通過電子束曝光獲得光刻膠圖形；

步驟(7)采用干法刻蝕將光刻膠圖形傳遞到SOI的摻雜層和二氧化硅層；

步驟(8)將具有納米開孔的SOI器件置于電鑄液里電鑄，獲得摻雜硅包裹的高深寬比亞波長金屬線條；

步驟(9)采用干法刻蝕將氮化硅去除，并用氫氟酸溶液去除二氧化硅，完成金屬納米線陣的制備。

優(yōu)選的，所述步驟(1)的SOI片是由底層單晶硅、中間層二氧化硅和頂層摻雜硅組成，底層厚度為300～450μm，中間層厚度為100～300nm，頂層是厚度為1～2μm的高濃度均勻摻雜的N型硅或P型硅，摻雜濃度為10¹⁵～10²⁰cm^-1；

優(yōu)選的，所述步驟(2)中的沉積法有磁控濺射法或者氣相沉積法；

優(yōu)選的，所述步驟(3)中堅(jiān)膜的溫度為100～120℃，時(shí)間為10～20min；

優(yōu)選的，所述步驟(4)中干法刻蝕可以為等離子刻蝕、離子束刻蝕或者電感耦合等離子刻蝕；

優(yōu)選的，所述步驟(5)的體硅濕法腐蝕是采用KOH溶液，其重量比濃度為30～40wt％，腐蝕溫度在50～60℃，并在超聲波攪拌的條件下進(jìn)行；

優(yōu)選的，所述步驟(6)的電子束光刻膠厚度為0.5～1μm；