基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，包括以下步骤：S1、将单晶硅(100)表面清洗干净，对单晶硅(100)表面进行氧化层去除处理；S2、利用Berkovich探针在单晶硅(100)表面做压痕坑；S3、采用氢氧化钾‑水‑异丙醇溶液对单晶硅(100)表面进行刻蚀，得到针尖阵列结构。本发明专利技术所提供的单晶硅表面针尖的加工方法，采用纳米压痕与KOH溶液后续刻蚀相结合的方法，即可用于制备单针尖结构也可用于制备多针尖阵列结构，该方法操作简单、灵活、高效、成本低廉。

Processing method of monocrystalline silicon surface tip based on indentation induced selective etching

The invention discloses a processing method of silicon surface tip indentation induced selective etching based on, which comprises the following steps: S1, the silicon (100) surface cleaning clean, on silicon (100) surface oxide removal process; S2, using Berkovich probe on Si (100) surface indentation, using S3; water KOH isopropanol solution of silicon (100) surface etching, tip array structure. The processing method of silicon tip surface provided by the invention, using nano indentation method and subsequent etching combined with KOH solution, can be used for preparing single needle structure can also be used for preparing multi needle array structure, this method is simple, flexible, efficient, low cost.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米制造
，具体涉及一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法。
技术介绍
纳米科技推动了现代制造科学技术的发展，而纳米制造是支撑纳米科技应用的基础。基于其优良的机械性能及物理性能，单晶硅已成为最典型的半导体材料，被广泛应用于微纳器件与系统中。随着器件的不断超精密化以及功能多样化，目前常用的硅基纳米加工方法遇到了前所未有的挑战，比如低分辨率、低效率、成本昂贵等挑战。而扫描探针加工技术作为微纳加工技术的一种，其最大的优点是加工过程简单，并可灵活设计所加工的结构，且具有较高的分辨率。但是囿于扫描探针显微镜的单探针模式，目前扫描探针纳米加工技术极少应用于工业制造领域。与扫描探针纳米加工技术中单探针加工模式相比，多针尖加工模式是一种有效的大面积高效率的纳米加工方法。如何制造多针尖阵列，成为备受研究人员关注的重要课题。目前，制备针尖阵列采用较多的方法是光刻技术、激光加工和离子刻蚀工艺。而其缺点是，不仅工艺复杂，成本昂贵，而且在制备纳米量级小尺度针尖阵列等方面仍然比较困难。因此急需开发出一种简易灵活的针尖阵列的纳米加工方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述问题，提供一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，包括以下步骤：S1、将单晶硅(100)表面清洗干净，对单晶硅(100)表面进行氧化层去除处理；S2、利用Berkovich探针在单晶硅(100)表面做压痕坑；S3、采用氢氧化钾-水-异丙醇溶液对单晶硅(100)表面进行刻蚀，得到针尖结构。优选地，所述步骤S1中采用5％的HF溶液刻蚀单晶硅(100)表面5min，除去其表面的自然氧化层。优选地，所述步骤S1在室温下进行。优选地，所述步骤S2中，Berkovich探针安装在纳米压痕仪上，单晶硅(100)固定在样品台上，纳米压痕仪控制Berkovich探针的针尖在单晶硅(100)表面产生压痕坑。优选地，所述步骤S3中氢氧化钾-水-异丙醇溶液中氢氧化钾质量分数为20％，异丙醇与氢氧化钾溶液的体积比为1:5。优选地，所述步骤S3中的刻蚀时间为5min-20min。优选地，所述步骤S3在室温下进行。优选地，所述压痕坑为单个压痕坑时，针尖结构为单针尖结构；压痕坑为压痕坑阵列时，针尖结构为多针尖阵列结构。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术所提供的基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，采用纳米压痕与KOH溶液后续刻蚀相结合的方法，在KOH溶液刻蚀过程中，单晶硅表面在Berkovich金刚石针尖的机械作用下产生晶格变形，形成倒金字塔形的压痕坑。压痕坑下方的变形硅结构被刻蚀的速率较周围的单晶硅表面慢，成为掩膜，由于刻蚀速率差的存在，在刻蚀后在压痕区域形成了金字塔形的针尖结构，该方法操作简单、灵活、高效、成本低廉。2、刻蚀过程中的KOH溶液与HF溶液易于得到，刻蚀过程在常温、常压下完成，只需控制刻蚀时间即可得到一定的刻蚀高度，且湿法刻蚀污染少。3、本方法即可用于制备单针尖结构也可用于制备多针尖阵列结构，且压痕坑的中心间距和排布方式可方便地通过压痕仪自带的操作系统进行设置，具有较高的灵活性。附图说明图1是实施例一中单个压痕坑的示意图。图2是实施例一刻蚀5min后所得到的单晶硅表面单针尖结构的原子力显微镜图。图3是实施例一刻蚀10min后所得到的单晶硅表面单针尖结构的原子力显微镜图。图4是实施例一刻蚀20min后所得到的单晶硅表面单针尖结构的原子力显微镜图。图5是实施例一的单针尖结构的高度随着刻蚀时间的变化曲线图。图6是实施例二中加工得到的单晶硅表面多针尖阵列结构的原子力显微镜图。图7是实施例二中多针尖阵列结构中多针尖阵列结构的三维图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的说明：本专利技术提供的一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，包括以下步骤：S1、将单晶硅(100)表面清洗干净，在室温下采用5％的HF溶液刻蚀单晶硅(100)表面5min进行氧化层去除处理，除去其表面的自然氧化层，保证加工的可控性。S2、利用Berkovich探针在单晶硅(100)表面做压痕坑，Berkovich探针安装在纳米压痕仪上(如美国Hysitron公司的原位纳米力学测试系统、CSM公司的纳米压/划痕仪等)，单晶硅(100)固定在样品台上，启动设备，控制Berkovich针尖且施加载荷(加载、保载、卸载的时间可根据设备要求选取，其对最终针尖的加工影响可忽略)，在单晶硅(100)表面产生压痕坑(载荷选取的可依据最大切应力理论/第三强度理论，即：载荷所对应的最大剪应力，不低于单晶硅的屈服强度的50％；或采用直观的实验方法，只要能出现明显的纳米级压痕坑即可)。S3、在室温下采用氢氧化钾-水-异丙醇溶液对单晶硅(100)表面刻蚀5min-20min，得到针尖结构，其中，KOH溶液质量分数为20％，异丙醇与氢氧化钾溶液的体积比为1:5。上述单晶硅表面针尖阵列的加工方法中，步骤S2中做的压痕坑为单个压痕坑时，针尖结构为单针尖结构。压痕坑为压痕坑阵列时，针尖结构为多针尖阵列结构，通过实验发现，针尖结构在KOH溶液中刻蚀时间高于30分钟的情况下，所制备的针尖结构会出现高度不均的现象，这是由于非晶硅掩膜逐渐失效造成的。以下通过具体的实施例对本专利技术作进一步说明。实施例一本实施例中的一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面单针尖结构的加工方法，包括以下步骤：S1、将单晶硅(100)表面清洗干净，在室温下采用5％的HF溶液刻蚀单晶硅(100)表面5min进行氧化层去除处理，除去其表面的自然氧化层。S2、将Berkovich探针安装在原位纳米力学测试系统上，将去除自然氧化层后的单晶硅(100)固定在样品台上，启动设备，控制探针且施加载荷为F＝2mN。设定压痕过程中加载时间、载荷保持时间和卸载时间分别固定为5秒、2秒和5秒，按照设定的轨迹在样品表面做单个压痕坑，在压痕区域得到倒金字塔形的凹槽(如图1)。S3、将步骤S2处理后的单晶硅(100)置于氢氧化钾-水-异丙醇溶液中(KOH溶液质量分数为20％，异丙醇与氢氧化钾溶液的体积比为1:5)分别刻蚀5min、10min、20min、25min、30min。在每次刻蚀后，分别利用原子力显微镜扫描单针尖结构的形貌，图2、图3和图4分别是刻蚀5min、10min和20min后所得到的单晶硅表面单针尖结构的原子力显微镜图。利用原子力显微镜软件测量针尖结构的高度，并制作单针尖结构的高度随着刻蚀时间的变化曲线图(如图5)。从图5可以看出，随着单晶硅(100)表面在KOH溶液中刻蚀时间的增加，超过20min后，所制备的针尖结构随着的刻蚀时间增加而减小。实施例二本实施例中提供了一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面4×4多针尖阵列的加工方法，包括以下步骤：S1、将单晶硅(100)表面清洗干净，在室温下采用5％的HF溶液刻蚀单晶硅(100)表面5min进行氧化层去除处理，除去其表面的自然氧化层。S2、将Berkovich探针安装在原位纳米力学测试系统上，将去除自然氧化层后的单晶硅(100)固定在样品台上，启动设备，控制探针且施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，其特征在于包括以下步骤：S1、将单晶硅(100)表面清洗干净，对单晶硅(100)表面进行氧化层去除处理；S2、利用Berkovich探针在单晶硅(100)表面做压痕坑；S3、采用氢氧化钾‑水‑异丙醇溶液对单晶硅(100)表面进行刻蚀，得到针尖结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，其特征在于包括以下步骤：S1、将单晶硅(100)表面清洗干净，对单晶硅(100)表面进行氧化层去除处理；S2、利用Berkovich探针在单晶硅(100)表面做压痕坑；S3、采用氢氧化钾-水-异丙醇溶液对单晶硅(100)表面进行刻蚀，得到针尖结构。2.根据权利要求1所述的基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，其特征在于：所述步骤S1中采用5％的HF溶液刻蚀单晶硅(100)表面5min，除去其表面的自然氧化层。3.根据权利要求2所述的基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，其特征在于：所述步骤S1在室温下进行。4.根据权利要求1所述的基于压痕诱导选择性刻蚀的单晶硅表面针尖的加工方法，其特征在于：所述步骤S2中，Berkovich探针安装在纳米压痕...

【专利技术属性】
技术研发人员：余丙军，金晨宁，钱林茂，刘潇枭，肖晨，汪红波，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51