[发明专利]基于摩擦化学诱导刻蚀的单晶硅表面无损伤纳米加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及单晶硅表面的纳米加工方法。

背景技术

纳米科技对于现代制造科学技术的发展具有深远的影响，作为器件微型化的基础，微纳制造技术成为制造业向前发展的重要方向，在一定程度上反映了一个国家的高新技术发展水平。而纳米制造科学是支撑纳米科技走向应用的基础。随着器件小型化的发展，超精密和微细加工成为微/纳机电系统（MEMS/NEMS）的关键技术，

单晶硅因其出色的机械性能和物理性能，被广泛地应用于MEMS/NEMS。目前常用的单晶硅加工方法面临着低分辨率、低效率、操作复杂等挑战。伴随着微纳米器件微小化的发展趋势，当前的技术很难满足未来微纳米加工的要求。

近年来，探针技术因其功能多样性，实施灵活性被逐渐应用到微纳米加工领域。常见的针对单晶硅的探针加工方法一般依赖于阳极氧化或摩擦作用，阳极氧化的影响因素繁杂，对环境的要求高，因此加工成本高；而摩擦诱导方法所使用的扫描探针一般是高硬度的金刚石，在加工过程中，对基底施加的压力大于5GPa,不可避免地对单晶硅基底造成一定的损伤，从而影响结构的服役寿命。另外，摩擦诱导形成的“掩膜”一般取决于化学反应或者结构变形，该“掩膜”不够致密，抗刻蚀能力较差，也限制了所加工结构的深度/高度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于摩擦化学诱导选择性刻蚀的单晶硅表面无损伤纳米加工方法，该方法对基底无损伤，加工得到的单晶硅纳米结构服役寿命长；微纳米结构的高宽比大；且其简单、高效、精确。KOH溶液刻蚀过程中的掩膜通过湿法氧化工艺获得，制膜方法简单，成本低廉。

本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案为，一种基于摩擦化学诱导选择性刻蚀的单晶硅表面无损伤纳米加工方法，其具体操作步骤依次为：

A、将质量浓度为98%的H₂SO₄溶液和质量浓度为30%的H₂O₂溶液按7:2-3的体积比混合得到混合溶液；将混合溶液加热到80-90℃；再将HF溶液钝化处理过的单晶硅置于混合溶液中处理25-35分钟，使其表面上生长出SiO_x薄层；然后将生长有SiO_x薄层的单晶硅取出，并清洗；

B、将尖端呈球状的二氧化硅探针安装在扫描探针显微镜上，将A步得到的单晶硅固定在样品台上，启动设备，控制探针以1GPa的接触压力、按照设定的扫描轨迹在样品表面进行扫描，使扫描区域的SiO_x薄层被去除，基底暴露；

C、将异丙醇加入到质量浓度为10-25%的KOH溶液中得混合溶液，加入时异丙醇与KOH溶液的体积比为1:4-6；将B步处理后的单晶硅置于混合溶液中刻蚀2-60分钟。

本发明的过程和机理如下：（1）将HF溶液钝化后的单晶硅置于加热至90℃的H₂SO₄、H₂O₂混合溶液（俗称SPM溶液）中进行处理，在其表面生长厚度约2nm的SiO_x薄层；（2）在大气环境下，单晶硅表面的SiO_x层在二氧化硅探针的摩擦化学作用下被逐渐去除，为后续的KOH溶液提供了刻蚀缺口，进而完成加工。由于该方法依赖于摩擦化学作用，探针扫描过程中接触压力远低于引起单晶硅发生屈服的临界接触压力，不引起材料的屈服变形，所获得的纳米沟槽结构仍然是单晶硅，故为一种无损伤的纳米加工方法。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

一、该方法主要依赖于摩擦化学，探针扫描过程中探针与单晶硅的接触压力仅为1GPa，远小于引起单晶硅屈服的临界接触压力（11GPa），因此不会引起材料的屈服。

同时，申请人发现在H₂SO₄、H₂O₂混合溶液中生长出的SiO_x层，在高于1GPa的接触压力时探针会接触到单晶硅表面，造成不必要的摩擦损耗，并可能形成非晶结构，损伤单晶硅的结构，也增加后续溶液刻蚀的难度；小于1GPa的接触压力会使SiO_x去除不够充分，表面不平整，后续刻蚀获得的沟槽结构粗糙度高。而1GPa的接触压力既足以将扫描区域的SiO_x薄层彻底去除，使后续的纯化学的表面刻蚀行为能获得粗糙度低的沟槽结构，又不会使探针接触到单晶硅表面，避免摩擦损耗，不引起基体晶体结构的改变。因此加工出的纳米结构无损伤。