[发明专利]一种制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米加工技术，具体是一种在室温下制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法。

背景技术

纳米尺度结构的制备和加工技术对纳电子学、光电子学和光子学等领域有重要意义。现有的微纳结构主要通过光刻技术来制备，但受限于光的波长，即使利用电子束光刻技术，目前尚无法制备数纳米的结构，光刻技术在制备纳米尺度结构方面逐渐失去优势，为此数十年来人们一直探索各种制备纳米结构的技术。

碳纳米管直径极小，若单壁碳纳米管，其直径通常只有1-3nm，该尺度特征可为纳米结构制备提供了一种新的思路，即利用碳纳米管作为母体，通过各种技术手段将碳纳米管的尺度特征转移至其它各种材料表面，从而实现纳米尺度的结构。2004年，Feng Hua等人利用纳米压印技术，利用单壁碳纳米管为模板，在聚合物衬底上获得了仅为2nm的单分子尺度的人工结构(Feng Hua，etal.，NanoLett.4，2467(2004))，但该方法衬底受限，只能在聚合物上进行加工。2005年，Michael等利用多壁碳纳米管为掩膜，利用反应离子刻蚀(RIE)技术在硅表面得到了数十纳米的微结构(Michael Stenbk Schmidt，et al.，Nanotechnology 16，750(2005))，但该方法所有结构均会因RIE受一定程度的损伤，且不易控制。

最近Hye Ryung Byon等在1700℃的高温下对生长在氧化硅的衬底上的碳纳米管处理时发现，碳管可以直接可以与氧化硅反应，在表面获得了~10nm线宽的纳米沟槽(Hye RyungByon，etal.Naturenanotechnology2，162(2007)，但该方法得问题是温度太高，无法与现有硅基工艺兼容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用碳纳米管增强刻蚀特性、在室温下制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法，包括如下步骤：

1)在氧化硅衬底上直接生长或沉积碳纳米管；

2)在上述碳纳米管上沉积一层氧化硅薄膜；

3)用腐蚀溶液刻蚀掉上述氧化硅薄膜，在氧化硅衬底上得到纳米尺度的沟槽。

所述氧化硅衬底为表面有热氧化硅层的单晶硅片、石英、玻璃或沉积有氧化硅薄层的PET塑料、PDMS等柔软基底。

碳纳米管可为单壁碳纳米管、单壁碳纳米管束、双壁或多壁碳纳米管。

在绝缘衬底上直接生长碳纳米管的方法可为化学气相沉积(CVD)。

在碳纳米管上沉积氧化硅薄膜可用磁控溅射法和等离子增强化学气相沉积(PECVD)；厚度以完全盖住碳纳米管为最小值，一般为20nm--100nm。

单晶硅片衬底上的热氧化硅层可以是平面状的、也可是三维立体、呈陡坡状的，厚度不限，一般为20nm以上。

刻蚀氧化硅的腐蚀溶液为氢氟酸溶液或碱性溶液，例如TMAH((CH₃)₄N⁺OH^-)，其中氢氟酸溶液的水和氢氟酸的体积比在10∶1--3∶1范围，刻蚀时间取决于覆盖在碳纳米管上氧化硅薄膜厚度。

本发明的技术优点和效果：

本发明利用碳纳米管增强刻蚀特性、在室温下制备纳米尺度氧化硅沟槽。其原理为：在碳纳米管上沉积氧化硅薄膜，碳纳米管表面的缺陷会增加，随后用腐蚀溶液刻蚀氧化硅薄膜，碳纳米管表面的缺陷会增加腐蚀溶液中包裹在碳纳米管周围的双电层中离子的局域浓度。以氢氟酸溶液为例，氢氟酸刻蚀氧化硅的反应方程式：2HF+H₂O←→H₃O⁺+HF₂^-、3HF₂^-+SiO₂+3H₃O⁺→H₂SiF₆+5H₂O。可以看出上述H₃O⁺离子的局域浓度增加会加快氢氟酸刻蚀衬底氧化硅的速率，从而导致了沿着原来碳纳米管的取向方向的纳米尺度沟槽的形成。

本发明工艺简单、效率高、成本低。且纳米尺度氧化硅沟槽形状取决于碳纳米管的形状，刻蚀时不受表面形貌变化的影响，该沟槽的位置和方向可通过预先调整碳纳米管的位置和取向来控制，沟槽的宽度和深度可通过控制刻蚀时间和碳纳米管的直径等控制。