一种循环交替刻蚀同质多级坡面台阶引导生长纳米线阵列的方法技术

一种循环交替刻蚀同质多级坡面台阶引导生长纳米线阵列的方法，1)以晶硅、玻璃、聚合物或者介质层覆盖的金属薄膜作为衬底；2)利用光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术，定义引导台阶预定的坡面位置即将台阶边缘图案转移到衬底上；再用ICP或者RIE交替循环刻蚀方法刻蚀出坡面多级台阶结构直到衬底表面；3)利用光刻工艺和蒸发或者溅射等金属淀积工艺，在坡面台阶之一端，制备包括铟或锡金属的催化层；4)通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在样品表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；5)生长纳米线；6)剩余非晶前驱体层通过氢气等离子体或者相应的ICP、RIE刻蚀工艺清除。

A circular alternating etching method for growth of nanowire arrays by homogenous multi-step slope step guidance

A cyclic alternating etching method for guiding nanowire arrays on homogeneous multi-step slopes, i.e. using silicon, glass, polymer or dielectric-coated metal films as substrates, and 2) using photolithography, electron beam etching or mask technology, defines the predetermined slope position of the steering step to be transferred to the edge pattern of the step. On the substrate, the slope multi-step structure is etched by ICP or RIE alternate cyclic etching method until the substrate surface; 3) A catalytic layer including indium or tin metal is prepared at one end of the slope step by photolithography and metal deposition processes such as evaporation or sputtering; 4) A sample surface is deposited by PECVD, CVD or PVD. The surface of the amorphous semiconductor precursor is covered with a film layer corresponding to the required nanowires; 5) the nanowires are grown; 6) the remaining amorphous precursor layer is removed by hydrogen plasma or the corresponding ICP and RIE etching process.

【技术实现步骤摘要】
一种循环交替刻蚀同质多级坡面台阶引导生长纳米线阵列的方法
本专利技术涉及一种平面纳米线三维坡面阵列生长方法，特别是通过对掩模层与衬底进行循环刻蚀形成坡面纳米引导台阶，从而实现高密度坡面平行纳米线阵列的方法。本专利技术提供了一种获得高密度三维纳米线沟道阵列的可靠方法，可广泛应用于半导体微纳电子器件，尤其针对大面积电子(平板显示TFT应用)、3D逻辑、柔性/可穿戴电子和场效应生物化学传感器件。
技术介绍
晶硅或相关半导体纳米线(Nanowire)是开发新一代高性能微纳电子逻辑、传感和显示应用的关键构建单元。基于自上而下的电子束直写(EBL)技术制备直径在10～100nm范围的纳米线结构，已经验证各种新型纳米线功能器件的优异特性，但由于其制备成本极其昂贵、产量低等因素，一直以来都难以得到规模化应用。相比之下，通过纳米金属液滴催化的自下而上的自组装(Self-assembly)纳米线生长，可以大批量制备直径在百纳米以下的晶态硅、锗和各种合金半导体纳米线。然而，通常采用的气-液-固(VLS)生长模式所制备的纳米线多为竖直随机阵列，难以直接在目前的平面电子工艺中实现可靠且低成本的定位集成。为了更好地与平面电子工艺相兼容，并实现定位集成，本申请人最早提出了一种平面固液固(IPSLS)生长模式：其中，采用非晶硅作为前驱体，由低熔点金属铟、锡纳米颗粒吸收非晶硅而生长出晶硅纳米线结构。同时，基于此方法，可利用平面衬底上定义的简单的单边台阶作为引导，金属液滴在台阶边缘覆盖的非晶硅吸引下，顺延台阶边缘运动，从而将纳米线生长在台阶边缘，实现平面纳米线的定位、定形生长。然而，基于此前方法，仍然需要光刻来定义引导台阶，台阶之间的间距由光刻工艺的精度决定。对于常规光刻技术，在小面积衬底上，光刻精度在～1微米以上，而对于大面积衬底(如尺寸在若干平方米的平板显示应用中)，光刻精度仅能达到2～5微米。由于每个台阶一般只能引导一条纳米线生长，所以所能实现的平面纳米线阵列密度(间距的倒数)受到限制。目前，最高密度只能达到2微米间距，既0.5根纳米沟道/微米的平面密度。对于面向平板显示的纳米线TFT应用，这也就限制了纳米线阵列的单位沟道宽度的电流承载和驱动能力(难以满足新型AMOLED显示所需要的较大驱动电流)。
技术实现思路
：针对上述问题：本专利技术目的是，提出了一种利用硅片、玻璃、金属、化合物或其他衬底作为基础，通过光刻、电子束刻蚀和掩模板技术定义台阶位置，再利用湿法或者干法气相刻蚀，在坡面上形成间距可控的密排引导纳米台阶。如此，可以将纳米线直接引导到3D坡面上生长，从而制备高密度(间隔可达到百纳米以下)的纳米线沟道。基于此方法，不需要引入昂贵的超高精度光刻技术(如电子束曝光刻蚀EBL)，既能在现有大面积衬底上，在指定的位置和方向，可靠地制备高密度3D坡面纳米线阵列沟道。将纳米线沟道的间距由原来的2微米缩小到至少0.2微米以下，从而实现一个纳米沟道至少一个数量级的提高。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种循环交替刻蚀同质多级坡面台阶引导生长(三维坡面)纳米线阵列的方法，即利用循环交替刻蚀获得多级坡面纳米台阶，以用于引导生长高密度三维坡面纳米线阵列的方法。1)首先，准备好晶硅、玻璃、聚合物或者介质层覆盖的金属薄膜作为衬底，或者利用薄膜淀积技术，淀积非晶薄膜作为衬底；2)其次，利用光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术在硅片衬底，化合物衬底(如氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝)，玻璃衬底，柔性衬底(多为聚合物)，铝箔或其它金属衬底上定义台阶边缘图案；，定义引导台阶预定的坡面位置即将台阶边缘图案转移到衬底上；再用ICP或者RIE交替循环刻蚀方法刻蚀出坡面多级台阶结构直到衬底表面；刻蚀过程中先使用C4F8、CF4、SF6或其混合气体等具有不同陡直特性和表面钝化特性的反应气体进行刻蚀或者交替循环使用上述C4F8、CF4、SF6不同刻蚀气氛；再用包括O2、Cl2等在横向和纵向具有不同刻蚀速率的反应气体刻蚀掩模层，如此交替循环刻蚀，直至掩模层被刻完，形成多级坡面台阶；利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)或者反应离子体刻蚀(RIE)等气相刻蚀技术时，首先采用C4F8、CF4、SF6(或其混合)气体进行第一步刻蚀，将边缘图案转移如衬底；再用氧气(O2)或氯气(Cl2)等刻蚀气体对掩模层(可为光刻胶及各种相对于衬底材料有刻蚀选择性的薄膜，如氧化物掩模、金属掩模等)进行第二步刻蚀，使掩膜层的边缘往内缩进一定距离。如此两步循环交替进行，从而制备两级或多级台阶形状坡面结构；3)随后，在坡面台阶之一端，利用光刻工艺和蒸发或者溅射等金属淀积工艺，制备包括铟或锡金属的催化层，厚度在1～500nm范围内，此端点可作为纳米线的生长起点位置；随后在氢气等还原性气体的等离子体作用下，在高于金属熔点的温度进行处理，使覆盖在侧壁坡面引导沟道上的催化金属层转变成为分离的铟或锡金属纳米颗粒；4)通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在铟或锡金属纳米颗粒样品表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；即降低温度到金属催化颗粒熔点以下，覆盖非晶半导体层作为前驱体；5)生长纳米线：当温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属颗粒重新融化，并开始在前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构；借助坡面侧壁上形成的多级纳米台阶的引导沟道作用，获得平行排布于三维坡面侧壁之上的高密度纳米线阵列；6)最后，剩余非晶前驱体层可通过氢气等离子体或者相应的ICP、RIE刻蚀工艺清除。步骤2)中所获得多层坡面台阶结构包括至少两级台阶结构(可以多级)，每级台阶高度在1～1000纳米范围，台阶级数范围为2～100。步骤3)中通过控制其处理时间、温度、功率和气压等参数，将坡面上的金属颗粒的直径控制在10～1000nm范围内。步骤4)中通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在表面覆盖一层或多层，与所需要生长纳米线成分相对应的，非晶薄膜前驱体层(覆盖非晶半导体层作为前驱体)；前驱体层为非晶硅a-Si、非晶锗a-Ge、非晶碳a-C或者其中的非晶合金层，以及异质叠层(如a-Ge/a-Si)结构。步骤5)中纳米线将平行生长于三维坡面侧壁之上的高密度纳米线阵列；生长方向由引导坡面整体走向决定；相邻纳米线的间距由台阶间隔决定，利用台阶厚度精确调控在几纳米到几百纳米之间。步骤2)中根据不同的反应气体配比和交替工艺，能够获得不同倾斜程度的倾斜坡面；即同质多级坡面台阶结构。形成多级台阶的衬底为晶硅片、非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、玻璃、聚合物、铝箔或其它金属；以及本征或具有掺杂成分的硅片、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅等半导体材料组成；衬底制备工艺可以由化学气相沉积(CVD)，等离子体增强PECVD，原子层淀积(ALD)、热蒸发和各种溅射物理气相沉积(PVD)技术的一种或者多种来完成；衬底的厚度范围大于5nm，循环周期可以为1～100范围之内。步骤2)中利用含有C4F8、CF4、SF6、(或其混合气体)或者与衬底对应的刻蚀成分的湿法或气相干法刻蚀技术，对所暴露形成的坡面结构进行处理，利用O2、Cl2或与掩模层相对应刻蚀成分的湿法或气相干法刻蚀技术对光刻胶进行处理，使其产生由于掩模层与衬底之间对刻蚀氛围的不同刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种循环交替刻蚀同质多级坡面台阶引导生长纳米线阵列的方法，其特征在于：1）首先，准备好晶硅、玻璃、聚合物或者介质层覆盖的金属薄膜作为衬底，或者利用薄膜淀积技术，淀积非晶薄膜作为衬底；2）其次，利用光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术，定义引导台阶预定的坡面位置即将台阶边缘图案转移到衬底上；再用ICP或者RIE交替循环刻蚀方法刻蚀出坡面多级台阶结构直到衬底表面；刻蚀过程中先使用C4F8、CF4、SF6或其混合气体等具有不同陡直特性和表面钝化特性的反应气体进行刻蚀或者交替循环使用上述C4F8、CF4、SF6不同刻蚀气氛；再用包括O2、Cl2等在横向和纵向具有不同刻蚀速率的反应气体刻蚀掩模层，如此交替循环刻蚀，直至掩模层被刻完，形成坡面多级台阶；3）随后，利用光刻工艺和蒸发或者溅射等金属淀积工艺，在坡面台阶之一端，制备包括铟或锡金属的催化层，厚度在1~500nm范围内，此端点可作为纳米线的生长起点位置；随后在还原性气体的等离子体作用下，在高于金属熔点的温度进行处理，使覆盖在侧壁坡面引导沟道上的催化金属层转变成为分离的铟或锡金属纳米颗粒；4）通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在样品表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；5）生长纳米线：当温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属颗粒重新融化，并开始在前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构；借助坡面侧壁上形成的多级纳米台阶的引导沟道作用，获得平行排布于三维坡面侧壁之上的高密度纳米线阵列；6）最后，剩余非晶前驱体层可通过氢气等离子体或者相应的ICP、RIE刻蚀工艺清除。...

【技术特征摘要】
1.一种循环交替刻蚀同质多级坡面台阶引导生长纳米线阵列的方法，其特征在于：1）首先，准备好晶硅、玻璃、聚合物或者介质层覆盖的金属薄膜作为衬底，或者利用薄膜淀积技术，淀积非晶薄膜作为衬底；2）其次，利用光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术，定义引导台阶预定的坡面位置即将台阶边缘图案转移到衬底上；再用ICP或者RIE交替循环刻蚀方法刻蚀出坡面多级台阶结构直到衬底表面；刻蚀过程中先使用C4F8、CF4、SF6或其混合气体等具有不同陡直特性和表面钝化特性的反应气体进行刻蚀或者交替循环使用上述C4F8、CF4、SF6不同刻蚀气氛；再用包括O2、Cl2等在横向和纵向具有不同刻蚀速率的反应气体刻蚀掩模层，如此交替循环刻蚀，直至掩模层被刻完，形成坡面多级台阶；3）随后，利用光刻工艺和蒸发或者溅射等金属淀积工艺，在坡面台阶之一端，制备包括铟或锡金属的催化层，厚度在1~500nm范围内，此端点可作为纳米线的生长起点位置；随后在还原性气体的等离子体作用下，在高于金属熔点的温度进行处理，使覆盖在侧壁坡面引导沟道上的催化金属层转变成为分离的铟或锡金属纳米颗粒；4）通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在样品表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；5）生长纳米线：当温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属颗粒重新融化，并开始在前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构；借助坡面侧壁上形成的多级纳米台阶的引导沟道作用，获得平行排布于三维坡面侧壁之上的高密度纳米线阵列；6）最后，剩余非晶前驱体层可通过氢气等离子体或者相应的ICP、RIE刻蚀工艺清除。2.根据权利要求1所述的生长纳米线阵列的方法，其特征在于：2）中所获得多层坡面台阶结构包括至少两级台阶结构（可以多级），每级台阶高度在1~1000纳米范围，台阶级数范围为2~100。3.根据权利要求1所述的生长纳米线阵列的方法，其特征在于，3）中通过控制其处理时间、温度、功率和气压等参数，将坡面上的金属颗粒的直径控制在10~1000nm范围内。4.根据权利要求1所述的生长纳米线阵列的方法，其特征在于，4）中通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在表面覆盖一层或多层，与所需要生长纳米线成分相对应的，非晶薄膜前驱体层（覆盖非晶半导体层作为前驱体）；前驱体层为非晶硅a-Si、非晶锗a-Ge、非晶碳a-C或者其中的非晶合金层，以及异质叠层（如a-Ge/a-Si）结构。5.根据权利要求1所述的生长纳米线阵列的方法，其特征在于，5）中纳米线将平行生长于三维坡面侧壁之上的高密度纳米线阵列；生长方向由引导坡面整体走向决定；相邻纳米线的间距由台阶间隔决定，利用台阶厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：余林蔚，马海光，雷亚奎，吴小祥，尹涵，王军转，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32