一种硅纳米结构的制备方法及激光器技术

本公开提供一种硅纳米结构的制备方法及激光器，包括：在衬底上形成具有刻蚀图形的光刻胶层；在光刻胶层上依次蒸镀铬掩膜层、铝掩膜层；剥离光刻胶层；根据铬掩膜层、铝掩膜层的图形，刻蚀衬底，依次去除铝掩膜层、铬掩膜层，得到含纳米狭缝的双硅线结构。本公开的制备方法可制备含纳米狭缝的双硅线结构，制造工艺简单，且当外层涂覆一层含增益材料的薄膜时，此结构的光学特性体现出激光的性能，此结构可用于纳米激光器。本公开还提供了一种含双硅线结构的激光器。构的激光器。构的激光器。

【技术实现步骤摘要】
一种硅纳米结构的制备方法及激光器


[0001]本公开涉及纳米结构制备
，具体涉及一种硅纳米结构的制备方法及激光器。

技术介绍

[0002]随着微电子技术的发展，摩尔定律的进一步拓展，器件正朝着小型化、微型化发展，器件的小型化很大程度上依赖于微纳加工技术的不断发展。对于各种体硅MEMS器件来说，硅的干法刻蚀技术的普遍采用和发展对器件的小型化至关重要，其中包括高深宽比干法刻蚀技术，纳米尺度刻蚀技术等。纳米尺度刻蚀技术作为纳米器件的关键加工步骤，其相关的纳米尺度掩膜的加工和剥离技术直接决定待加工器件的纳米尺寸。
[0003]目前，制作纳米尺寸硅结构的方法主要分二种，一是从下至上，即利用硅的外延生长技术在以光刻胶为掩膜的基片上生长一层符合要求的硅结构，但是这种技术生长的硅质量有待提高；二是比较常用的利用掩膜的硅刻蚀技术，此技术的关键是制造符合纳米尺寸要求的掩膜。当刻蚀深度比较大的时候，若只利用光刻胶做掩膜，则需要较厚的胶，一旦胶厚度比较大时，尺寸很难做得小，故这种情况下，一般先利用光刻胶做掩膜蒸发一层金属作刻蚀的掩膜，此时掩膜的选择和剥离就显得至关重要。因此，在利用传统的半导体平面制造工艺下，选择合适的掩膜金属与剥离工艺在制造硅纳米器件，是目前制造硅纳米结构技术需要解决的问题。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]针对上述问题，本公开提供了一种硅纳米结构的制备方法及激光器，用于至少部分解决传统方法难以制备出含纳米狭缝的双硅线结构的技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本公开一方面提供了一种硅纳米结构的制备方法，包括：在衬底上形成具有刻蚀图形的光刻胶层；在光刻胶层上依次蒸镀铬掩膜层、铝掩膜层；剥离光刻胶层；根据铬掩膜层、铝掩膜层的图形，刻蚀衬底，依次去除铝掩膜层、铬掩膜层，得到含纳米狭缝的双硅线结构。
[0008]进一步地，依次蒸镀铬掩膜层、铝掩膜层包括：依次电子束蒸发铬掩膜层、铝掩膜层，铬掩膜层的厚度范围为3～8nm，铝掩膜层的厚度范围为10～20nm。
[0009]进一步地，去除铝掩膜层包括：将衬底置于稀盐酸溶液中浸泡，去除铝掩膜层。
[0010]进一步地，去除铬掩膜层包括：将衬底置于去铬液中浸泡，去除铬掩膜层。
[0011]进一步地，衬底为SOI衬底，刻蚀衬底包括：等离子体刻蚀SOI衬底的顶硅层，刻蚀气体包括SF6，刻蚀时间为20～50s。
[0012]进一步地，在衬底上形成具有刻蚀图形的光刻胶层包括：在衬底上旋涂光刻胶，电子束光刻光刻胶并显影，形成刻蚀图形。
[0013]进一步地，双硅线结构中两条硅线之间狭缝的宽度范围为20～40nm，高度范围为100～200nm。
[0014]进一步地，双硅线结构中双硅线与双硅线之间周期为2～10um。
[0015]本公开另一方面提供了一种基于硅纳米结构的激光器，包括根据前述硅纳米结构的制备方法制备得到的双硅线结构。
[0016]进一步地，还包括增益材料，增益材料包括染料分子、量子点、稀土粒子。
[0017](三)有益效果
[0018]本公开实施例提供的一种硅纳米结构的制备方法及激光器，以铬掩膜层、铝掩膜层双层金属作掩膜，铬掩膜层增加了铝掩膜层与下层硅衬底表面的粘附性，即综合了铬掩膜层的高粘附性，也利于后续的剥离工艺，制备出了含纳米狭缝的双硅线结构；且该双硅线结构与增益材料结合，表现出窄半高宽的激射特性，可用于制造纳米激光器。
附图说明
[0019]图1示意性示出了根据本公开实施例中硅纳米结构的制备方法的流程图；
[0020]图2示意性示出了根据本公开实施例中硅纳米结构的制备方法的结构示意图；
[0021]图3示意性示出了根据本公开实施例中硅纳米结构的制作方法的Cr/Al掩膜电镜图；
[0022]图4示意性示出了根据本公开实施例中硅纳米结构的制作方法的硅线电镜图；
[0023]图5示意性示出了根据本公开实施例中硅纳米结构的应用示意图；
[0024]图6示意性示出了根据本公开实施例中硅纳米结构应用的发射谱线；
[0025]图7示意性示出了根据本公开实施例中硅纳米结构应用的发射谱线与硅线宽度的扫描图。
具体实施方式
[0026]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0027]本公开的实施例提供了一种硅纳米结构的制备方法及激光器，该硅纳米结构为无限长双线加缝结构，该结构利用绝缘衬底上的硅(Silicon
‑
On
‑
Insulator，SOI)片制作而成，硅纳米线利用SOI片最上面的单晶硅层制作而成，经过电子束曝光直写工艺，电子束蒸发制作Cr/Al掩膜，再经过干法刻蚀形成。硅线的横截面为矩形，两个硅线间隔为纳米尺度，该硅线纳米结构外涂覆一层含增益材料的外壳可用于纳米激光器。此纳米结构设计简单，利用此工艺可制造狭缝宽度尺寸为20～40nm、高度尺寸为100～200nm的双硅线结构，制造工艺简单，且当外层涂覆一层含增益材料的薄膜时，此结构的光学特性体现出激光的性能，此结构可用于纳米激光器。
[0028]图1示意性示出了根据本公开实施例中曲面衬底的刻蚀方法的流程图。
[0029]S1，在衬底上形成具有刻蚀图形的光刻胶层。
[0030]传统利用掩膜的硅刻蚀技术，关键是制造符合纳米尺寸要求的掩膜。当刻蚀深度比较大的时候，若只利用光刻胶做掩膜，则需要较厚的胶，一旦胶厚度比较大时，尺寸很难做得小，故这种情况下，一般先利用光刻胶做掩膜蒸发一层金属作刻蚀的掩膜，故先制备光
刻胶图形层。
[0031]S2，在光刻胶层上依次蒸镀铬掩膜层、铝掩膜层。
[0032]在光刻胶层蒸镀金属掩模层以利于后续高深宽比结构的制备，这里由于狭缝刻蚀深度大，掩膜既不能用纯Cr膜，纯Cr膜粘附性高，蒸发时易于粘附在侧壁，导致不能将中间缝剥离出来；也不能用纯Al膜，纯Al膜粘附性不高，剥离超声时，掩膜易全脱落。当使用Cr+Al双层金属做掩膜时，Cr膜增加了Al层与下层硅衬底表面的粘附性，即综合了Cr膜的高粘附性，也利于后续的剥离工艺。并且蒸发时，狭缝要与圆弧形蒸发台中心在一条直线上，减少因蒸发台弧度的影响导致金属蒸发在侧壁上，以至于剥离不了。
[0033]S3，剥离光刻胶层。
[0034]剥离光刻胶层，以刻蚀图形转移至金属掩模层上。
[0035]S4，根据铬掩膜层、铝掩膜层的图形，刻蚀衬底，依次去除铝掩膜层、铬掩膜层，得到含纳米狭缝的双硅线结构。
[0036]以Cr+Al双层金属做掩膜，刻蚀衬底，可制备出纳米尺度的深宽比为1∶5的基于硅的狭缝；刻蚀完成后，依次去除金属掩膜层，得到狭缝双硅线结构。
[0037]在上述实施例的基础上，依次蒸镀铬掩膜层、铝掩膜层包括：依次电子束蒸发铬掩膜层、铝掩膜层，铬掩膜层的厚度范围为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅纳米结构的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上形成具有刻蚀图形的光刻胶层；在所述光刻胶层上依次蒸镀铬掩膜层、铝掩膜层；剥离所述光刻胶层；根据所述铬掩膜层、铝掩膜层的图形，刻蚀所述衬底，依次去除所述铝掩膜层、铬掩膜层，得到含纳米狭缝的双硅线结构。2.根据权利要求1所述的硅纳米结构的制备方法，其特征在于，所述依次蒸镀铬掩膜层、铝掩膜层包括：依次电子束蒸发铬掩膜层、铝掩膜层，所述铬掩膜层的厚度范围为3～8nm，所述铝掩膜层的厚度范围为10～20nm。3.根据权利要求2所述的硅纳米结构的制备方法，其特征在于，所述去除所述铝掩膜层包括：将所述衬底置于稀盐酸溶液中浸泡，去除所述铝掩膜层。4.根据权利要求3所述的硅纳米结构的制备方法，其特征在于，所述去除所述铬掩膜层包括：将所述衬底置于去铬液中浸泡，去除所述铬掩膜层。5.根据权利要求1所述的硅纳米结构的制备方法，其特征在于，所述衬底为SOI...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈生琼，史丽娜，牛洁斌，李龙杰，尚潇，谢常青，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：