[发明专利]高度有序的小尺寸硅基纳米坑阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构制备技术领域，具体涉及一种小尺寸硅基纳米坑阵列的制备方法。

背景技术

近年来，随着各种半导体集成工艺的不断发展与成熟，半导体低维纳米材料的制备与表征也取得了长足发展，并逐步进入了实用化。半导体低维量子结构（如量子点、量子线、量子环等）由于具有低空间维度和极小尺寸引起的量子限制效应，呈现出了很多新奇的物理特性，成为当前低维纳米结构领域的研究热点之一。然而利用自组装技术生长的量子结构，它的空间分布，形貌及尺寸等一般都难以精确控制，限制了其在器件领域的应用。为了实现低维量子结构可控制生长，研究人员提出了多种在具有有序分布纳米坑或纳米孔的衬底上来实现量子结构可控生长的方法。常见的制备有序纳米坑（或纳米孔）结构的方法有电子束刻蚀（EBL），聚焦离子束技术刻蚀（FIB）和X光全息光刻技术等。这些方法是在涂有光刻胶的衬底上首先精确地刻蚀出纳米尺寸掩模，然后利用刻蚀技术，刻蚀出纳米坑或纳米孔等结构。这类有序纳米结构制备方法的优点是精确性高，其空间分布和量子结构的尺寸等都易于精确控制。但是它的设备昂贵，工艺技术复杂，生产成本高，刻蚀后也容易引入缺陷。

利用纳米球自组装技术制备有序图形阵列是一种低成本高产出的纳米材料制备工艺。早期的工作主要是探索在半导体或金属表面制备有序纳米结构阵列的方法。随着这项技术的发展，人们利用有序纳米球阵列制备了磁性有序纳米颗粒薄膜、有序纳米线等，并发现了它们的新的物理特性。这些具有有序纳米结构的新型材料在场发射器件、红外光子晶体、相变存储器和太阳能电池等领域获得了应用，显现出了它们重要的应用价值。有关利用聚苯乙烯纳米球自组装技术制备纳米坑的报导始于2009年。但是该报道中所述及的纳米坑尺寸较大，且不可控制。这不利于对其量子特性的研究。本项发明所提出的制备纳米坑的方法，可以同时调控纳米坑的周期和尺寸。所制备的纳米坑排列高度有序，尺寸仅为数十纳米。用这种纳米坑可以制作得尺寸极其微小的量子结构。这对于研究它们的量子效应，探索新的物理特性，提高应用价值将十分有利。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用设备简单、工艺操作方便、制作成本低廉的制备高度有序的小尺寸硅基纳米坑阵列的方法。

本发明提出的制备高度有序的小尺寸硅基纳米坑阵列的方法，是利用大直径聚苯乙烯纳米球在硅衬底上的自组装技术，经过多次刻蚀，溅射，选择性腐蚀等工艺，在单晶硅衬底上制备出纳米坑阵列。使用的设备主要有培养皿、20微升容量的注射器、载玻片，制备的具体步骤为：

1、将经过清洗的硅衬底平放于培养皿底部，把经过清洗的载玻片以一定的倾斜角度放置于培养皿中，载玻片的下侧对着硅衬底，见图2所示；在培养皿中注入去离子水。

2、利用自组装技术，在硅衬底表面覆盖单层聚苯乙烯纳米球。其方法如下：将甲醇溶液与直径为400-800nm的聚苯乙烯纳米球乳胶悬浮液（聚苯乙烯纳米球乳胶悬浮液为从商业性公司购买所得，纳米球微粒密度为1.05g/cm³，乳胶悬浮液中微粒浓度为10% solids by weight）按照体积比1:1的比例均匀混合；然后用注射器将4-6微升的聚苯乙烯纳米球甲醇混合溶液滴在载玻片上，让此溶液缓慢流入水中；4-6分钟后，用注射器将去离子水缓慢抽出。此时，在硅衬底上即得到二维六角点阵排列的单层聚苯乙烯纳米球薄膜（参阅图3）。

3、将表面覆盖有聚苯乙烯纳米球的样品进行反应离子刻蚀处理以减小纳米球的尺寸。刻蚀后的聚苯乙烯纳米球剩余的尺寸由欲制备的纳米坑的尺寸决定。其方法如下：利用反应离子刻蚀（RIE）技术，在氧气气氛中进行刻蚀。刻蚀时的氧气压为9-10Pa，氧气流速为20-40sccm，使用功率为 25-35W；刻蚀后，使聚苯乙烯纳米结构呈类锥状（参阅图4）。刻蚀时间由所要求的聚苯乙烯纳米球剩余的尺寸决定。

4、在刻蚀后的聚苯乙烯纳米球样品表面上淀积上一层金膜。其方法如下：用直流溅射技术，在样品表面溅射上一层金膜。直流溅射的工作电压为900V-1000V，溅射电流为35-45mA，工作气体为氩气，溅射时的氩气气压保持在10^-3Torr左右（如10^-3--200～10^-3+200Torr）。溅射时间为1-2分钟。溅射后淀积于样品表面的金膜厚度为1-3nm。