[發明專利]納米級結構的制造方法及使用該方法制造的納米級結構

有效

• 申請號: 201480021763.2
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN105189821B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 崔波;里彭·庫馬爾·戴
• 申請（專利權）人: 崔波;里彭·庫馬爾·戴
• 主分類號: C23F1/02
• 分類號: C23F1/02;B82Y40/00;C23F1/12;G01Q70/16
• 代理公司: 北京商專永信知識產權代理事務所(普通合伙)11400
• 代理人: 方挺,葛強

技術領域

本發明一般涉及納米級結構的制造領域。特別地，本發明涉及在晶圓上制造高縱橫比的納米級支柱陣列以及使用改進的制造方法制造這些陣列。

背景技術

納米級設備和結構的作用越來越重要。但有效制造這些結構很具挑戰性。

例如，目前是使用聚焦離子束(“FIB”)逐個“加工”針尖，從而制造出高縱橫比的原子力顯微鏡(“AFM”)針尖(也俗稱為“AFM探針”)。該方法具有通用性，不僅用于制造AFM探針。但是，由于每個探針都是單獨制造，制造過程很緩慢，而且成本高昂。此外，還可通過在低縱橫比基礎(可能本身是一個低縱橫比的探針)的頂點處附著或生長一個碳納米管，從而制造出高縱橫比的AFM探針。但是，要使一個碳納米管以固定的方向和長度精確地附著或生長在所需的位置，難度非常大。而且，要規模化碳納米管工藝，也非常有難度。

AFM技術發展地越來越成熟，而且在先進研究和工業研發實驗室中越來越頻繁地使用。AFM探針屬于消耗品。因此，我們需要批量制造、成本低廉的AFM探針。

要獲得所需的原子或分子級分辨率，AFM探針本身必須具有類似級別的厚度。AFM探針只是納米級制品需求的一個示例。在這里，納米級制品通常是指至少一個結構尺寸(如寬度、半徑、厚度等)更適于以納米測量(即一般為原子和分子級，且一般范圍通常在1納米到幾百納米之間)的制品。越來越多的產品在變得小型化，這需要以更高效和可重復的方式制造更多納米級結構。

這對提供更高效的納米級結構和設備制造方法提出了很多挑戰和制約因素(尤其是使用高效且可重復的方法制造具有高縱橫比的柱狀結構)。本發明的目的之一就是減輕或消除上述缺點中的至少一個。

發明內容

本發明涉及納米級結構的制造。在廣義方面，本發明涉及納米級結構制造的批量處理，具體而言，是在硅襯底上形成縱橫比為5或更大的硅柱陣列。

要同時或以批量處理的方式制造多個或陣列式的高縱橫比柱狀結構，該方法首先要在硅(Si)襯底上形成多個或陣列式的金字塔形突起。這些金字塔形突起可通過蝕刻一個平坦的硅襯底形成，從而產生側壁與硅{111}晶面大致對齊的金字塔形突起。當然，可以使用不同的襯底材料，或將金字塔形突起進行銳化，因此這些側壁也可比硅{111}晶面限定的更加陡峭。首先用一種或幾種硬質材料覆蓋金字塔形突起的頂部。要對這些金字塔形突起的頂部進行覆蓋，使用兩步法，即先形成一種或幾種硬質材料保護層覆蓋各金字塔，至少覆蓋其頂點表面，然后去除金字塔側壁的一種或幾種硬質材料保護層，使側壁(而非頂部)裸露，稍后將進行解釋。接下來蝕刻金字塔，將覆蓋在金字塔頂點區域的硬質材料作為掩模，從而形成一個從頂點區域向下延伸的柱，該柱體的橫截面輪廓由頂部硬質材料掩模的形狀決定。最后一步可將硬質材料掩模去除。

本發明的第一方面提供了一種在一個襯底上制造多個柱狀結構的方法。該襯底上面形成了多個突起，每個突起都有一個頂點，和從頂點區域向下延伸的側壁。該方法包括步驟：用掩模材料保護層覆蓋多個突起中的每個突起，以至少覆蓋每個突起的頂點，去除各突起的側壁上的掩模材料保護層，使側壁裸露，并留下覆蓋在頂點的掩模材料島心區，在各突起的頂點上形成一個掩模，并用刻蝕氣體以各向異性的方式在各突起上批量蝕刻，形成多個柱狀結構，每個柱狀結構通過蝕刻一個突起產生，并具有從掩模延伸到襯底的柱體，該柱體在其長度范圍內的橫截面形狀基本上由掩模的形狀決定。

本發明第一方面的一個特征中，使用一種等離子體工藝(如ICP-RIE工藝)蝕刻各個突起。襯底材料可以是硅。掩模材料可以是Cr，其可以采用蒸發鍍膜的方式涂覆，然后用Ar離子進行物理濺射，將其從側壁上去除。掩模材料也可以是Al，ICP-RIE工藝中可以使用Cl2或BCl3去除側壁上涂覆的Al。一般來說，掩模材料可以是合適的金屬(如Cr、Ti、Ni和Al)或非金屬(如SiO₂)。

本發明第一方面的另一個特征中，該方法的其它步驟包括，在用掩模材料覆蓋多個突起后，用第二掩模材料層覆蓋多個突起中的每個突起，第二掩模材料層至少覆蓋涂覆在各突起頂點的掩模材料，然后將各突起的側壁上的第二掩模材料層去除，在去除側壁上的掩模材料后，裸露出被第二掩模材料覆蓋的側壁。掩模材料和掩模材料對可以是Cr/Ti或Al/Si。第二掩模材料可以比掩模材料更耐去除金字塔突起側壁上的氣體離子刻蝕，或第二掩模材料的涂覆厚度更厚。