[发明专利]一种半导体纳米圆环的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体纳米材料的加工方法，尤其涉及半导体材料的纳米尺寸圆环结构的制备方法。

背景技术

纳米尺寸的圆环结构在半导体领域具有重要的应用前景。例如，对垂直结构的太阳能电池而言，圆环结构比柱状结构更能有效吸收光生载流子，从而提高电池的效率；在LED领域，研究者通常采用图形衬底技术增加光的出射效率，与常规的柱状结构的蓝宝石图形衬底相比，圆环形结构的图形衬底可更有效增加光的反射，从而有望使LED获得更高的发光效率。

由于受到光学光刻最小线宽的限制，很难通过常规的光学光刻制备出纳米尺寸的圆环结构。纳米尺寸圆环的制备往往依赖于先进的、昂贵的加工技术，例如电子束光刻、聚焦离子束光刻等等，这无疑会增加产品的生产成本。当然还可以基于化学生长技术自组装制备纳米尺寸圆环结构，例如基于气-液-固(Vapor-Liquid-Solid)的生长机制。但采用自组装技术很难保证纳米结构的一致性和均匀性。此外，与制备纳米线相比，自组装制备纳米尺度圆环结构的技术更不成熟。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种基于泊松衍射的基本原理，利用微米尺度光刻设备低成本制备半导体材料的纳米尺寸圆环结构的方法。

为实现以上目的，本发明采取以下技术方案：

一种半导体纳米圆环的制备方法，包括以下步骤：

1)清洗半导体衬底并对衬底进行前烘；

2)在衬底上旋涂正性光刻胶；

3)在掩膜版的保护下对光刻胶进行曝光，其中掩膜版的图形区域为微米级直径的圆形；

4)对曝光后的光刻胶进行显影操作，在衬底上形成圆环形的光刻胶，然后进行后烘；

5)在圆环形光刻胶的保护下对衬底进行等离子体刻蚀；

6)去胶清洗，在衬底表面形成壁厚为纳米尺寸的圆环形结构。

本发明的方法基于泊松衍射的原理，当光照到不透光的小圆板上时，在圆板的阴影中心会出现亮斑，即所谓泊松亮斑。上述步骤3)掩膜版的图形区域为不透光的圆形，为了在曝光时发生泊松亮斑现象，使不透光的圆形掩膜版的中心下方对应的光刻胶区域也发生曝光，从而保证显影后在衬底上留下的是圆环形而非圆形的光刻胶，所述圆形的直径不能太大，需要根据曝光光线的波长进行选择。同时，圆形的直径也受光刻胶灵敏度的限制，直径太小的话可能造成显影后光刻胶完全消失。在选定光刻胶后，本领域的技术人员可以通过有限次的实验来确定匹配的波长和圆形直径。例如，对于一般的正性光刻胶(如正性光刻胶瑞红304-25)，采用通过紫外光刻设备进行紫外曝光，掩膜版圆形的直径d应该在1μm＜d＜2μm的范围内。

上述步骤1)所述衬底的材料可以为微电子和光电子领域常见的半导体材料，例如Si、Ge、GaAs等常用作器件衬底的材料，也可以为各种外延生长的半导体材料，如GaN等。

上述步骤2)可采用的正性光刻胶例如正性光刻胶瑞红304-25、AR-P 3100、AR-P 3200、AR-P 3500、AR-P 5900/4等，光刻胶的厚度优选在300纳米～4微米，更优选为1微米～3微米。

上述步骤4)优选采用波长为10nm～400nm的紫外光进行曝光，掩膜版圆形的直径d为1μm＜d＜2μm。在此条件下步骤6)形成的半导体圆环的外径在1.5微米～2微米，环壁厚(即内外径之差)约80纳米～120纳米。

本发明的技术方案具有以下优点：1、由于光刻胶灵敏度的限制，是无法基于微米尺寸的光刻设备直接利用纳米尺寸的掩膜图形制备纳米结构的，本发明利用了泊松衍射原理，采用微米尺寸的光刻设备和微米尺寸的圆形掩膜，制备出纳米尺寸的圆环形结构，克服了对先进光刻技术的依赖，从而有效降低了这种纳米结构的制备成本。2、这种技术具有可缩比性，即可以基于泊松亮斑现象，通过采用更短的波长、更小半径的圆形掩膜版、灵敏度更高的光刻胶，制备出圆环厚度和半径均在纳米范围内的各种半导体材料的圆环结构，即纳米管结构，克服了许多半导体材料纳米管无法制备的困难，为研究各种半导体材料纳米管的奇特特性奠定基础。

附图说明

图1为微米尺寸的不透光圆形掩膜图形的示意图。

图2(a)和图2(b)为在Si衬底上制备出的纳米尺寸圆环结构的扫描电子显微镜照片，其中，图2(a)为俯视图；图2(b)为45度角侧视图。

具体实施方式

下边结合附图，通过实施例对本发明进行详细的描述，但不以任何方式限制本发明的范围。

通过下述步骤制备Si纳米圆环：

1)准备并清洗Si衬底；