一种纳米柱/针森林结构的加工方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米柱/针森林结构的加工方法，属于半导体的技术领域。按照本发明专利技术提供的技术方案，一种纳米柱/针森林结构的加工方法，所述纳米柱/针森林结构的加工方法包括如下步骤：a、准备并清洗所选用的衬底；b、在所述衬底上生长一层多晶硅；c、在所述生长有多晶硅的衬底上生长一层侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖于多晶硅层上；d、对上述覆盖侧墙材料层、多晶硅层的衬底进行多晶硅的各向异性刻蚀；e、调节各向异性刻蚀的时间，直至得到所需的纳米柱/针森林结构。本发明专利技术能有效克服电子束光刻和聚焦离子束刻蚀技术在批量加工方面的限制，并可有效降低工艺复杂程度，实现具有高可调控性、均匀性的大面积或图形化纳米结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米结构的加工领域，尤其是，属于半导体的

技术介绍
大面积纳米柱/针结构，因具有大表体比、大粗糙度、大表面积、尖端、多孔隙/缝隙等结构特点而呈现出超亲/疏水、等离子体振荡增强、场发射、滤光、吸光等特性，因而常常适用于微流控器件、表面增强拉曼散射器件、生物医学检测或功能器件、光电子器件、光学传感器件、新能源器件等，故近年来逐步成为研究热点之一。在很多情况下，大面积、高密度的纳米柱/针结构看似茂密的森林，所以又称其为纳米柱/针森林结构。目前,纳米结构的制备可以采用电子束光刻(Electron-Beam Lithography)、聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)刻蚀、飞秒激光辅助刻蚀等技术方法。电子束光刻是指在 计算机的控制下，利用聚焦后的电子束对样品表面上的电子抗蚀剂进行曝光，从而制造图形的工艺。聚焦离子束刻蚀是一种可在微米/纳米尺度上进行结构加工和原位成像的先进技术，其基本工作原理是利用纳米量级的离子束斑在样品表面进行扫描，在一定能量和剂量下，被扫描区域的样品材料将被溅射出来，从而实现纳米尺度的结构刻蚀功能。飞秒激光辅助刻蚀技术利用飞秒激光从硅基底所处的腐蚀气体氛围中激发出特定的离子，在该离子的腐蚀作用下，硅表面形成纳米结构。这几类纳米结构加工方法均需要依赖于各自对应的尖端设备，而这类设备价格昂贵，且多采用串行加工模式，这就使得纳米柱/针森林结构的加工备受限制，因此极大地影响了其在研究、开发、产品化等各方面的推广应用。针对大面积纳米结构的并行制备，还有以下几种典型的方法自催化VLS化学合成生长技术、电化学湿法腐蚀技术和纳米小球蚀刻技术等。利用VLS化学合成生长技术可以制备得到大面积、高密度的纳米柱/针森林结构，且可以对纳米柱/针结构的高度实现有效调控。但是，该方法需要使用金属纳米颗粒作为纳米结构生长的催化剂，而金属催化剂颗粒的形成和分布在一定程度上增加了工艺的复杂程度。另外，由该方法所制得的纳米柱/针森林结构的方向难以精准控制，这些不足将对纳米柱/针森林结构的整体表面性能造成影响。电化学湿法腐蚀技术采用碱或酸腐蚀的方式处理硅片，进而在硅片表面形成尖锥纳米结构或凹孔纳米结构，得到类似于纳米柱/针的森林结构。这其中，酸腐蚀方式利用了原电池工作原理，处理过程中以金纳米颗粒作为催化剂。理论上，电化学湿法腐蚀技术可便捷地得到纳米森林结构，但结构的可控性相对较差，且酸腐蚀方式亦采用了金属纳米颗粒，同样增加了工艺的复杂程度。采用纳米小球蚀刻技术结合各向异性刻蚀也可以用于加工纳米柱/针森林结构，然而，单层排布纳米小球的图形化需要严格的控制条件，且即使在严格控制排布条件的前提下，仍较难实现大面积范围内的单层小球图形化排布。这就限制了纳米柱/针森林结构在特定微纳器件中的集成应用
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供，其能有效克服电子束光刻和聚焦离子束刻蚀技术在批量加工方面的限制，并可有效降低工艺复杂程度，实现具有高可调控性、均匀性的大面积或图形化纳米结构。按照本专利技术提供的技术方案，，所述纳米柱/针森林结构的加工方法包括如下步骤 a、准备并清洗所选用的衬底； b、在所述衬底上生长一层多晶娃； C、在所述生长有多晶硅的衬底上生长一层侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖于多晶硅层上； d、对上述覆盖侧墙材料层、多晶硅层的衬底进行多晶硅的各向异性刻蚀； e、调节各向异性刻蚀的时间，直至得到所需的纳米柱/针森林结构。所述衬底包括单晶硅衬底、多晶硅衬底、玻璃衬底、铝衬底或铜衬底。所述步骤b中，在所述衬底上生长刻蚀隔离层，所述多晶硅层覆盖于刻蚀隔离层上。所述刻蚀隔离层采用热氧化、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积方法生长于衬底上。所述刻蚀隔离层采用热氧化或低压化学气相沉积方法生长时，则步骤c中，多晶硅层采用LPCVD或PECVD方法生长得到；所述刻蚀隔离层采用PECVD方法生长得到时，则步骤c中，多晶硅层采用PECVD方法生长得到。所述多晶硅层采用LPCVD方法生长得到时，则侧墙材料层采用LPCVD或PECVD方法生长得到；所述多晶硅层采用PECVD方法生长得到时，则侧墙材料层采用PECVD方法生长得到。所述步骤d中，各向异性刻蚀的气体包括Cl2气体，或Br2气体，或CF3Br气体，或者Cl2、He的混合气体，或SF6、02、CHF3的混合气体，或SF6、Cl2的混合气体，或Cl2、He、O2的混合气体，或SF6、O2的混合气体，或SF6、Cl2, O2的混合气体。所述衬底上形成纳米柱/针森林结构的底部为相互独立或两两相互连接。所述衬底采用与CMOS工艺兼容的衬底材料。所述多晶硅层采用LPCVD或PECVD生长时，LPCVD或PECVD通过将硅甲烷经加热解离后，实现多晶硅层的生长淀积。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点 I、本专利技术以粗糙的多晶硅表面作为侧墙工艺的支撑结构，仅进行一次各向异性刻蚀工艺，实现高密度纳米柱/针森林结构在衬底材料上的大面积均匀分布，整个过程不依赖于尖端光刻和刻蚀设备，且属于并行加工方法，从而突破了电子束光刻技术、聚焦离子束刻蚀技术以及飞秒激光辅助刻蚀技术在批量加工方面的限制。2、本专利技术在淀积生长多晶硅层之前可以不生长刻蚀隔离层，继而可以实现多晶硅纳米柱/针森林结构向单晶硅衬底材料上的转移制备，从而有利于进一步推广本专利技术在不同
的应用。3、本专利技术可与常规光学光刻工艺相结合，从而实现纳米柱/针森林结构的图形化制备，同时由于加工过程中所用方法与设备都源自于微电子制造技术，因此可方便地实现批量、并行加工。4、本专利技术在获得纳米柱/针森林结构之前还可通过改变刻蚀时间调控衬底表面纳米结构的形貌和尺寸，实现大面积、高密度纳米凹孔、纳米镂空等结构的制备；相应地，通过改变刻蚀时间，本专利技术还可调控纳米柱/针森林结构中各纳米柱/针结构的尺寸 ’另夕卜，本专利技术还可与常规掺杂工艺相结合，从而实现对纳米柱/针森林结构电学性质的调控；本专利技术的这一功能将有利于提高纳米 结构的生产效率和集成度，有利于降低工业化生产成本，促进纳米器件、微纳复合器件的研究和生产开发。5、本专利技术制作的纳米柱/针森林结构具有极大的表面积和表体比，具有极大的粗糙度、特殊的亲疏水性质、特殊的光学吸收特性以及等离子体振荡增强效应等，因此可广泛应用于新能源器件、光学传感器件、生物医学检测器件、微流控器件、电子器件以及其他新型微纳结构、器件和系统中。附图说明图I是本专利技术在硅衬底上生长刻蚀隔离层、多晶硅层与侧墙材料层后形成表面粗糙结构后的示意图。图2是本专利技术在硅衬底上生长刻蚀隔离层、多晶硅层与侧墙材料层后形成表面粗糙结构后的扫描电镜照片。图3是本专利技术刻蚀多晶硅较短时间使粗糙结构顶部的侧墙材料层去除露出多晶硅后的结构示意图。图4是本专利技术刻蚀多晶硅较短时间使粗糙结构顶部的侧墙材料层去除露出多晶娃后的扫描电镜照片。图5是本专利技术刻蚀多晶硅一段时间使侧墙材料层明显减薄并使露出的多晶硅去除一部分，形成纳米镂空后的结构示意图。图6是本专利技术刻蚀多晶硅一段时间使侧墙材料层明显减薄并使露出的多晶硅去除一部分，形成纳米镂空后的扫描电镜照片。图7是本专利技术延长刻蚀多晶硅一段时间使侧墙材料层明显减薄并使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米柱/针森林结构的加工方法，其特征是，所述纳米柱/针森林结构的加工方法包括如下步骤：（a）、准备并清洗所选用的衬底；（b）、在所述衬底上生长一层多晶硅；（c）、在所述生长有多晶硅的衬底上生长一层侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖于多晶硅层上；（d）、对上述覆盖侧墙材料层、多晶硅层的衬底进行多晶硅的各向异性刻蚀；（e）、调节各向异性刻蚀的时间，直至得到所需的纳米柱/针森林结构。

【技术特征摘要】
1.一种纳米柱/针森林结构的加工方法，其特征是，所述纳米柱/针森林结构的加工方法包括如下步骤 (a)、准备并清洗所选用的衬底； (b)、在所述衬底上生长一层多晶娃； (C)、在所述生长有多晶硅的衬底上生长一层侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖于多晶娃层上; (d)、对上述覆盖侧墙材料层、多晶硅层的衬底进行多晶硅的各向异性刻蚀； (e)、调节各向异性刻蚀的时间，直至得到所需的纳米柱/针森林结构。2.根据权利要求I所述的纳米柱/针森林结构的加工方法，其特征是所述衬底包括单晶硅衬底、多晶硅衬底、玻璃衬底、铝衬底或铜衬底。3.根据权利要求I所述的纳米柱/针森林结构的加工方法，其特征是所述步骤(b)中，在所述衬底上生长刻蚀隔离层，所述多晶硅层覆盖于刻蚀隔离层上。4.根据权利要求3所述的纳米柱/针森林结构的加工方法，其特征是所述刻蚀隔离层采用热氧化、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积方法生长于衬底上。5.根据权利要求4所述的纳米柱/针森林结构的加工方法，其特征是所述刻蚀隔离层采用热氧化或低压化学气相沉积方法生长时，则步骤(c)中，多晶硅层采用LPCVD或PECVD方法生长得到；所述刻蚀隔离层采用PECVD方法生长得到时...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛海央，陈媛婧，欧文，谭振新，
申请(专利权)人：江苏物联网研究发展中心，
类型：发明
国别省市：