[发明专利]一种基于纳米压印技术的图形化生长氧化锌纳米棒阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种图形化生长氧化锌纳米棒阵列的方法。

背景技术

氧化锌是一种近年来引起人们极大兴趣的n型半导体材料，室温下它具有3.3eV的直 接带隙和60meV的激子结合能，使得它在光电子器件如发光二极管(LED)，激光器等方 面具有广泛的应用前景。和一般制备ZnO薄膜的技术如磁控溅射，化学气相淀积等方法相 比，水热法制备的ZnO纳米棒具备单晶性能良好，制备工艺非常简单，生长温度低(＜100℃) 等优点。在氧化锌纳米器件制造中，氧化锌纳米棒的图形化可控生长技术是一个技术难题。 在水热法工艺中，一般可以通过对籽晶层的图形化控制来解决。传统的可控氧化锌纳米棒 生长技术主要是利用阳极氧化铝模板(AAO)和光刻两种方法进行。前者存在的主要问题 是AAO模板很难多次重复使用，图形难易精确控制，且大面积均匀性不好。光刻需要深 亚微米光刻设备，成本高昂而且效率较低。

Stephen.Y.chou于1995年发明了纳米压印技术，纳米压印就是用带有图形的硬模板 利用机械力压软的聚合物(胶)，从而可以将硬模板上的图形转移到胶上。与其他的光刻 技术，如电子束光刻、X射线光刻、极深紫外线光刻相比，纳米压印是一种高产量、廉价 的光刻技术而且分辨率可达到10nm以下。国际半导体技术发展路线图已将其定为32纳米 技术结点以下的光刻技术。经过十几年的发展，纳米压印技术已广泛应用于光学、生物、 微机电系统(MEMS)，以及微电子等领域。

本发明结合了纳米压印技术和水热法生长氧化锌的工艺，发明了一种利用近场光学曝 光获得高分辨率的纳米孔洞结构来控制氧化锌纳米棒图形化定向生长的方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种图形可控性高，定向生长特性好，便利廉价的制备氧化锌 纳米棒阵列的方法。

本发明提出的制备氧化锌纳米棒阵列的方法，是一种在纳米压印进行籽晶层图形化的 基础上结合近场光学曝光并利用水热法生长ZnO纳米棒阵列的方法。具体步骤如下：

(1)利用压印技术在透明衬底上压印出与氧化锌纳米棒直径相同大小的图形，再用 PVD在衬底上先后淀积金属和氧化锌，并进行lift off工艺，形成氧化锌籽晶层/金属的双 层结构。其中用于纳米压印的材料可以是任何一种能够进行压印并进行lift off工艺的材料 (例如PMMA)，压印技术可以是双层胶工艺，也可以是三层胶工艺；

(2)在衬底上旋涂一层负光刻胶，然后用紫外光进行背光刻及显影，利用近场曝光的高 分辨率的特点在光刻胶上制作出与之前形成的氧化锌籽晶层/金属双层结构直径相同纳米 孔洞；

(3)利用水热法在籽晶层上生长氧化锌纳米棒，由于纳米孔洞的限制，纳米棒将会只沿 着纳米孔洞的径向生长，形成方向直径可控的氧化锌纳米棒阵列。

本发明进一步描述如下：

步骤(1)，首先利用纳米压印技术在透明衬底上做出图形。该纳米压印技术可采用常 用的两层胶图形转移工艺或者三层胶图形转移工艺。该透明衬底可以是ITO玻璃、表面镀 掺AlZnO导电薄膜、蓝宝石衬底、Pyrex玻璃等。这里以三层胶压印技术为例进行说明， 首先制备(用旋涂和淀积)SU-8/SiO₂/PMMA的三层结构，三层结构厚度的选取取决于模 板图形的尺寸以及后面需要淀积金属的厚度。SiO₂层是非常薄的，且上层的SU-8一般比 下层的PMMA要薄，这样有助于liftoff以及图形的无失真转移。PMMA胶的旋涂厚度在 150nm～350nm之间；对下层胶前烘后淀积SiO₂层，SiO₂层的厚度为10nm～40nm；最后 旋涂并前烘上层的SU-8胶，厚度为100nm～200nm。

用于压印的模板可以由电子束光刻等高分辨率光刻技术制备，模板上具有与所需氧化 锌纳米棒直径相同的图形。压印前先要在模板上覆盖一层抗粘层，抗粘层可以选择十八烷 基三氯硅烷(OTS)或三甲基一氯硅烷(TMCS)。接着对三层结构进行压印。经过压印， 图形将从模板上转移到上层的SU-8中。如果是双层胶压印，则上述的SiO₂层可以省去。