CN104370270B - 一种精确定位制备氧化硅纳米岛阵列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确定位制备氧化硅纳米岛阵列的方法，其特征在于所述的方法是利用牺牲层腐蚀技术，使用接触式曝光光刻和湿法腐蚀工艺，即通过三次光刻工艺和进行三次BOE腐蚀工艺制备。本发明在传统“自上而下”方法的基础上，结合独特的设计，不借助于电子束或聚焦离子束直写，仅用接触式曝光技术结合精确控制地牺牲层腐蚀技术，实现了氧化硅纳米岛阵列的精确定位加工制造。方法设计精巧，工艺简单，制作成本低，易于批量制造。

Description

一种精确定位制备氧化硅纳米岛阵列的方法

技术领域

本发明涉及一种制备氧化硅纳米岛阵列的方法，更确切地说本发明涉及一种精确定位制备氧化硅纳米岛阵列的方法，属于半导体技术领域。

背景技术

纳米技术是指在纳米尺度空间(1nm～100nm)内研究电子、原子及其他类型物质运动规律、相互作用和特性，并在该尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工，并在应用中实现特有功能和智能作用的多学科交叉的科学技术。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或者某些特性会发生显著变化，表现出许多体材料不具有的特殊物理效应，使纳米技术成为了研究的热点。

纳米加工技术则是纳米技术的重要分支，目前制备纳米材料的方法主要可以分为两类。一种是“自下而上”(bottom-up)的方法，即采用化学气相淀积、物理汽相淀积、激光烧蚀等方法，在催化剂的辅助下在大面积的衬底上随机地或者部分定向地生长出纳米材料。这种加工方式充分利用了材料自身的特点，理论上可以实现对器件的结构、尺寸等参数的精确控制。但该方法加工效率相对较低，可重复性较差，操作不便，难于定位，不能满足大规模集成制造的要求。另一种是“自上而下”(top-down)的方法，即采用类似于传统的集成电路的工艺方法来制作纳米材料。这种方法是在已经制备好的材料层上，通过光刻、刻蚀和沉积等方式，制作出所需要的图形。这一方法的优点是制作工艺精确度较高，纳米线的尺寸便于控制，且图形定位准确。但是传统的加工工艺由于光源的固有特性使得其加工的精度难于进一步提高，目前采用“自上而下”制作的纳米图形多采用电子束或者聚焦离子束曝光，由此带来的不足是制作成本昂贵，生产效率低，不利于批量生产。而本发明拟利用精确可控的牺牲层腐蚀技术，设计了一种工艺简单，制作成本低，易于批量制造的纳米加工方法，不借助于电子束或聚焦离子束曝光，即可实现尺寸可控的氧化硅纳米岛阵列的加工制造。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种精确定位制备氧化硅纳米岛阵列的方法，也即本发明提出一种利用牺牲层腐蚀技术精确定位地制备氧化硅纳米岛阵列的方法。本方法是在传统“自上而下”方法的基础上，结合独特的设计，不借助于电子束或聚焦离子束曝光，仅用接触式曝光技术结合精确控制的牺牲层腐蚀技术，实现了氧化硅纳米岛阵列的精确定位加工制造。本方法设计精巧，工艺简单，制作成本低，易于批量制造，为硅纳米材料的大规模精确定位制造奠定了良好的基础。

所述的方法是利用牺牲层腐蚀技术，使用接触式曝光光刻和湿法腐蚀工艺，即通过三次光刻工艺和进行三次BOE腐蚀工艺制备。

具体地说，本发明所述的方法具体包括如下步骤：将单抛片放入氧化炉中，使用热氧化方法生长一层氧化硅(SiO₂)薄膜；进行光刻工艺，定义出微米级别图形的阵列；进行BOE(bufferedoxideetching)腐蚀工艺，去除未被光刻胶保护的氧化层薄膜，制备得到微米级别氧化硅图形的阵列；再次进行光刻工艺，在已制备的微米级别氧化硅图形区域内定义一比图形稍小的腐蚀窗口；再次进行BOE腐蚀工艺，通过精确控制的牺牲层腐蚀，制备得到氧化硅纳米线；再次进行光刻工艺，在已制备的氧化硅纳米线上定义出腐蚀窗口；再次进行BOE腐蚀工艺，通过精确控制的牺牲层腐蚀，制备得到氧化硅纳米岛阵列。本发明所提供的制备氧化硅纳米岛阵列的方法是利用微米精度的接触式曝光光刻工艺，结合精确控制的牺牲层腐蚀技术，精确定位地制备氧化硅纳米岛阵列，具体设计精确、工艺简单、制作成本低，并可批量制造的优点。

实现本发明的技术方案为：

1)提供一单抛硅片；

2)在所述硅片上生长SiO₂薄膜；

3)进行第一次光刻工艺，将所述SiO₂薄膜图形化，形成第一腐蚀窗口；

4)进行BOE腐蚀工艺，沿第一腐蚀窗口去除暴露的SiO₂薄膜，腐蚀结束后去除光刻胶；

5)进行第二次光刻工艺，将剩余的SiO₂薄膜图形化，形成第二腐蚀窗口；第二腐蚀窗口略小于第一次光刻工艺中的未曝光区域；

6)进行BOE腐蚀工艺，沿第二腐蚀窗口去除暴露的SiO₂薄膜，并继续进行第一次牺牲层腐蚀，形成SiO₂纳米线，腐蚀结束后去除光刻胶；

7)进行第三次光刻工艺，将SiO₂纳米线图形化，形成第三腐蚀窗口；

8)进行BOE腐蚀工艺，沿第三腐蚀窗口去除暴露的SiO₂，并继续进行第二次牺牲层腐蚀，形成SiO₂纳米岛阵列，腐蚀结束后去除光刻胶。

优选地，所述步骤2)SiO₂薄膜厚度为18-22nm。

优选地，所述步骤所述步骤3)、5)、7)中的光刻工艺均为接触式曝光光刻，所述步骤4)、6)、8)中的BOE腐蚀工艺均为常温下的湿法腐蚀工艺。

优选地，所述步骤4)中BOE腐蚀工艺时间为20s-40s。

优选地，所述步骤5)中第二腐蚀窗口上下边缘距SiO₂薄膜边缘为0.8μm-1.2μm。

优选地，所述步骤6)中第一次牺牲层腐蚀时间为12-15min。

优选地，所述步骤7)中第三腐蚀窗口为1×6腐蚀窗口阵列，腐蚀窗口阵列中单个窗口尺寸2μm×6μm，相邻窗口间距2μm。

优选地，所述步骤8)中第二次牺牲层腐蚀时间为10-12min。

本发明在传统“自上而下”方法的基础上，结合独特的设计，不借助于电子束或聚焦离子束曝光，仅用接触式曝光技术结合精确控制地牺牲层腐蚀技术，本发明所提供的制备氧化硅纳米岛阵列的方法是利用微米精度的接触式曝光光刻工艺，结合精确控制的牺牲层腐蚀技术，精确定位地制备氧化硅纳米岛阵列，具体设计精确、工艺简单、制作成本低，并可批量制造的优点。

附图说明

图1显示为本发明工艺流程示意图。

其中，图a显示是已生长有20nmSiO₂薄膜的单抛硅片示意图。

图b显示为经过第一次光刻和沿第一腐蚀窗口的BOE腐蚀后，剩余SiO₂薄膜的示意图。

图c显示为第二次光刻形成的第二腐蚀窗口示意图。

图d显示为第一次牺牲层腐蚀后形成SiO₂纳米线的结构示意图。

图e显示为第三次光刻形成的第三腐蚀窗口示意图。

图f显示为第二次牺牲层腐蚀后形成SiO₂纳米岛阵列的结构示意图。

图2显示为本发明制备的氧化硅纳米岛阵列的SEM与AFM表征图像。

其中，a显示为制备的氧化硅纳米岛阵列的SEM图像，b显示为单个氧化硅矩形纳米岛的SEM图像。

c显示为制备的单个氧化硅矩形纳米岛的AFM3D图像。

具体实施方式

以下通过具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例

实施例1：在硅单抛片上采用如下步骤：

a)将硅单抛片置于热氧化炉中；

b)生长一层SiO₂薄膜，薄膜厚度为20nm；

c)进行光刻工艺，定义出40μm×10μm的矩形图形阵列；

d)进行常温BOE腐蚀工艺，去除未被光刻胶保护的氧化层薄膜，腐蚀时间为30s，腐蚀后去除硅片上的光刻胶；

e)进行光刻工艺，在已制备的微米级别氧化硅图形区域内定义一30μm×8μm的腐蚀窗口，窗口上下边缘距氧化硅图形边缘为1μm；

f)进行常温BOE腐蚀工艺，通过精确控制的牺牲层腐蚀，制备得到氧化硅纳米线，腐蚀时间为15min，腐蚀后去除硅片上的光刻胶；

g)进行光刻工艺，在已制备的氧化硅纳米线上定义出2×6腐蚀窗口阵列，单个窗口大小为2μm×6μm，窗口间距2μm；

h)进行BOE腐蚀工艺，通过精确控制的牺牲层腐蚀，制备得到氧化硅纳米岛阵列，腐蚀时间为10min，腐蚀后去除硅片上的光刻胶。

Claims (8)

1.一种精确定位制备氧化硅纳米岛阵列的方法，其特征在于所述的方法是利用牺牲层腐蚀技术，使用接触式曝光光刻和湿法腐蚀工艺，即通过三次光刻工艺和进行三次BOE腐蚀工艺制备；具体步骤是：

1)提供一单抛硅片；

2)在所述硅片上生长SiO₂薄膜；

3)进行第一次光刻工艺，将所述SiO₂薄膜图形化，形成第一腐蚀窗口；

4)进行BOE腐蚀工艺，沿第一腐蚀窗口去除暴露的SiO₂薄膜，腐蚀结束后去除光刻胶；

5)进行第二次光刻工艺，将剩余的SiO₂薄膜图形化，形成第二腐蚀窗口；第二腐蚀窗口略小于第一次光刻工艺中的未曝光区域；

6)进行BOE腐蚀工艺，沿第二腐蚀窗口去除暴露的SiO₂薄膜，并继续进行第一次牺牲层腐蚀，形成SiO₂纳米线，腐蚀结束后去除光刻胶；

7)进行第三次光刻工艺，将SiO₂纳米线图形化，形成第三腐蚀窗口；

8)进行BOE腐蚀工艺，沿第三腐蚀窗口去除暴露的SiO₂，并继续进行第二次牺牲层腐蚀，形成SiO₂纳米岛阵列，腐蚀结束后去除光刻胶；

所述步骤3)、5)、7)中的光刻工艺为接触式曝光光刻，所述步骤4)、6)、8)中的BOE腐蚀工艺为常温下的湿法腐蚀工艺。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)所述的SiO₂薄膜厚度为18-22nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4)中BOE腐蚀工艺的时间为20s-40s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤5)中第二腐蚀窗口的上下边缘距SiO₂薄膜边缘为0.8μm-1.2μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤6)中第一次牺牲层腐蚀时间为12-15min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤7)中第三腐蚀窗口为1×6腐蚀窗口阵列。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于腐蚀窗口阵列中单个窗口尺寸为2μm×6μm，相邻窗口间距2μm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤8)中第二次牺牲层腐蚀时间为10-12min。