[发明专利]一种半导体表面微纳米结构的加工方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构加工技术领域，具体涉及一种半导体表面微纳米结构的加工方法。

背景技术

金属辅助化学刻蚀是一种在金属/半导体界面形成原电池的湿法腐蚀过程。目前广泛接受的金属辅助刻蚀机理为：强氧化剂在贵金属表面的催化还原，向半导体价带注入空穴导致半导体发生腐蚀。通过控制半导体表面金属结构的图案，金属辅助化学刻蚀可以在半导体表面加工出相应的结构。目前已发展了许多基于模板的金属辅助刻蚀方法，用于加工各种纳米阵列结构。金属辅助刻蚀方法由于其低成本，高效率，高加工分辨率、可加工高深宽比结构的优势，在硅纳米线加工领域得到了广泛研究。然而，目前的方法都是将具有特定结构的金属薄膜通过其他微加工手段转移到半导体上，然后再利用金属辅助刻蚀进行加工。基于上述工艺的金属辅助刻蚀方法存在以下缺点：(1)在加工结束后这些下沉的金属层都要被去除。因而这些通过复杂、昂贵的微/纳加工手段得到的金属结构不能像纳米压印的母模板一样，在加工过程中多次使用。(2)金属层的去除需要用到H₂O₂,H₂SO₄等强刻蚀剂，很容易造成半导体表面刻蚀和损伤。(3)更为重要的是，基于平面工艺的图案化金属结构一般都只能是简单的二维结构，因而传统金属辅助刻蚀只能加工简单二维结构。这就限制了其在加工连续曲面结构和复杂三维结构(特别是多级结构)方面的运用。目前，半导体表面复杂三维多级结构只能够通过多次掩模套刻的光刻技术或能量束(激光束、电子束、离子束)直写技术进行加工。多次掩模套刻的光刻技术需要多次对准套刻，因而其过程复杂，容错率低。能量束直写技术容易造成半导体表面或亚表面的损伤、掺杂和缺陷，破坏半导体器件性能。

纳米压印技术是一种模板成形的复制技术，压印模板在加工过程中可以多次重复使用。同时纳米压印技术也能够加工一些复杂三维多级结构。但是纳米压印可加工的材料对象一般都限制在紫外或热固化聚合物、功能材料凝胶或低维纳米材料。在光伏、能源、传感等领域广泛运用的具有光伏效应和光电导效应的半导体材料却很难成为纳米压印技术的直接加工对象。纳米压印针对半导体的加工一般只能采用间接的加工方法：通过纳米压印在半导体表面制作光刻胶图案，然后再利用干法或湿法刻蚀技术将光刻胶图案转移到半导体表面。上述间接的加工过程仍然属于平面加工工艺，因而针对半导体材料的加工，纳米压印技术也难以加工复杂三维多级结构。目前能够在半导体表面直接压印成形的纳米压印技术只有激光辅助直接纳米压印技术，该方法需要高功率的红外激光加热融化半导体表面，因而激光辅助直接纳米压印技术的设备昂贵且容易造成半导体表面损伤。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种半导体表面微纳米结构的加工方法，以使金属辅助刻蚀能够以电化学纳米压印的工作模式进行加工。

本发明的具体技术方案如下：

一种半导体表面微纳米结构的加工方法，包括如下步骤：

(1)在纳米压印模板的工作表面镀上一层20～70nm厚度的金属催化剂，形成压印模板电极，该纳米压印模板的工作表面的微纳米结构为准三维直立结构、多级台阶结构和/或连续曲面结构；

(2)用该压印模板电极在35～38℃的恒温的金属辅助刻蚀溶液中与待加工的半导体材料通过直接压印的接触方式形成肖特基结，金属辅助刻蚀溶液中的氧化剂在金属表面自发还原的同时，向上述半导体材料注入空穴，使之发生氧化分解，从而将压印模板表面的微纳米结构直接批量复制到上述半导体材料的表面，上述直接压印中压印模板电极和上述半导体材料的接触力始终保持1～10N。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)为：在纳米压印模板的工作表面通过蒸镀或磁控溅射的方式镀上一层20～70nm厚度的金属催化剂，形成压印模板电极。

在本发明的一个优选实施方案中，所述直接压印的接触方式为一次压印成型、多次套印或滚印。

在本发明的一个优选实施方案中，所述半导体材料为Ⅲ-Ⅴ族和/或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料。进一步优选的，所述半导体材料为硅、锗、砷化镓、磷化镓、磷化铟、硫化锌和/或碲化镉。

在本发明的一个优选实施方案中，所述金属催化剂为铂、金、银、铜或镍。

在本发明的一个优选实施方案中，所述金属辅助刻蚀溶液为0.04M KMnO4+2MH₂SO₄。

本发明的有益效果是：