[发明专利]一种在晶体硅表面刻蚀加工纳米图案的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米图案加工技术领域，具体涉及一种在晶体硅表面刻蚀加工纳米图案的方法。

背景技术

随着纳米科技的兴起和纳米技术的发展，纳米制造逐渐使纳米科技走向应用，纳米材料的各种优势逐步的显现出来。硅材料是目前半导体工艺中使用最多的材料，是现代半导体产业的基石。半导体器件的微型化、高集成和高密度存储对其制备和加工工艺的要求越来越高，人们对集成电路的线宽和系统结构的微型化提出的要求也越来越高，传统的加工技术（如光刻技术、激光技术等）已经不能满足其发展的需要。因此，在纳米尺度下加工硅材料是当前半导体发展的一个重要的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精确、可控、简单的在晶体硅表面刻蚀加工纳米图案的方法。

本发明采用以下技术方案：

一种在晶体硅表面刻蚀加工纳米图案的方法，利用原子力显微镜直接刻蚀加工晶体硅表面。

所述原子力显微镜的探针为类金刚石薄膜包覆的探针。

所述类金刚石薄膜包覆的探针的形状是三棱锥形，探针的弹性系数20-100N/m，金刚石薄膜的厚度15nm，针尖的高度为15-19μm，探针针尖的曲率半径小于15nm。

所述原子力显微镜的探针刻蚀加工时的施加力为10μN,刻蚀速度1μm/s。

所述晶体硅加工前的处理过程为：经过无水乙醇超声波清洗两遍，再用丙酮超声波清洗一遍，每次清洗时间为15-20分钟，然后用去离子水超声清洗5-10分钟，最后经氮气吹干。

本发明采用原子力显微镜直接刻蚀加工晶体硅表面，其加工过程不受环境的影响，比传统的光刻、电子束刻蚀等方法刻蚀精度要高，操作方便，无须后续处理，能直接在位观测加工结果，且系统及其配套相对简单和廉价，是一种很有潜力的纳米加工工具；刻蚀过程中使用的探针是类金刚石薄膜包覆的探针，探针形状是三棱锥，曲率半径小于15nm,比较尖锐，能用于高精度的机械刻蚀，具有一个锋利的切削边，有利于切削晶体硅；探针外包覆的类金刚石薄膜是一种非晶态薄膜，具有较高的硬度和耐磨性，减小针尖刻蚀过程中的磨损，表面平整且成本低。本发明方法条件要求低，操作步骤简单，可操作性强，重复性好，加工精度高，成本低。

附图说明

图1为类金刚石薄膜包覆的探针的扫描电子显微镜图；

图2为实施例1刻蚀得到硅线性阵列的AFM图；

图3为实施例1刻蚀得到的硅方形阵列的AFM图。

具体实施方式

实施例1

一种在晶体硅表面刻蚀加工纳米图案的方法，晶体硅加工前先进行如下预处理：经过无水乙醇超声波清洗两遍，再用丙酮超声波清洗一遍，每次清洗时间为20分钟，然后用去离子水超声清洗5分钟，最后经氮气吹干；利用原子力显微镜的类金刚石薄膜包覆的探针直接刻蚀加工晶体硅表面，类金刚石薄膜包覆的探针的形状是三棱锥形，形状如图1所示，探针的弹性系数48N/m，金刚石薄膜的厚度15nm，针尖的高度为17μm，探针针尖的曲率半径小于15nm，原子力显微镜的探针刻蚀加工时的施加力为10μN,刻蚀速度1μm/s。

刻蚀加工之前，应预先编好刻蚀程序，将预处理后的晶体硅放于原子力显微镜的载物台上，扫描器在驱动电压的控制下促使晶体硅与探针接触；待探针与晶体硅接触后，这时反馈回路关闭，然后载入预先编好的刻蚀程序采用矢量扫描刻蚀方式，原子力显微镜就可以通过预设施加在探针上的力、刻蚀速度、循环刻蚀次数，直接在晶体硅上横向刻蚀出纳米线性阵列结构和横向和纵向两个方向的刻蚀出方形结构。待刻蚀完成后探针回复到开始状态，这时转换到AFM扫描图像模式，采用扫描图像模式观察刻蚀效果。由于编写程序中探针施加的力参数、探针移动速度参数、探针刻蚀循环参数的大小直接关系到刻蚀后图案的效果。选择合适的参数横向刻蚀出线性阵列，先横向后纵向刻蚀出方形阵列。整个过程在常温常压下进行。

从图1中可以看到类金刚石薄膜包覆的探针的形状是三棱锥形，正向为一个棱，背向为一个面。

图2线性阵列的刻蚀条件是：探针施加的力10μN,刻蚀速度1μm/s，循环刻蚀4次。经过剖面分析，刻蚀得到的线性阵列线宽约90nm,深度约2nm。

图3方形阵列的刻蚀条件是：探针施加的力10μN，刻蚀速度1μm/s，循环刻蚀6次。刻蚀得到的硅方形阵列的AFM图。刻蚀得到每个方形面积是约100×110nm²,刻蚀深度约10nm。

实施例2