[发明专利]一种单晶硅表面纳米坑无损加工方法

说明书

本发明公开了一种单晶硅表面纳米坑无损加工方法，包括以下步骤：S1、对单晶硅样品进行清洗和腐蚀处理，以去除单晶硅样品表面的自然氧化层，并获得氢原子或羟基终止的单晶硅表面；S2、对单晶硅表面进行去离子水冲洗后，依次再放入酒精溶液和去离子水中超声清洗，以去除单晶硅表面污染；S3、利用扫描探针显微镜上的探针对单晶硅表面进行加工，探针以设定接触压力、接触时间或循环次数在加工位置反复进行压入‑分离操作，从而去除加工位置处的硅原子获得无晶格缺陷的纳米坑。该方法对加工环境无特殊要求，加工表面晶格保持完整，基底材料无残余损伤，加工获得的纳米坑结构具有高可靠服役性能；加工步骤简单且灵活性高，加工成本低。

技术领域

本发明属于纳米加工技术领域，具体涉及一种单晶硅表面纳米坑无损加工方法。

背景技术

随着微纳器件的微小化进程，纳米科技及纳米尺度下的加工技术得到长足发展的同时也面临着巨大的挑战。开展纳米加工方面的基础及应用研究，无论对于先进制造技术的发展，还是对于我国在新一轮科技竞争中保持有利地位，都具有十分重要的意义。

表面微织构(纳米坑、纳米线、纳米图案)不仅是制作新型微机电系统(MEMS)的基础和前提，而且还广泛应用于定位生长、表面改性、减磨降摩等，因此受到国内外研究人员的广泛关注。其中，单晶硅表面的纳米坑主要用于量子点的定点生长，传统纳米坑的加工主要有激光全息光刻、纳米压印、离子束刻蚀、电子束刻蚀等方法。这些方法价格昂贵、参数不易控制、步骤较为复杂并且不可避免的对基底造成损伤。在初步加工出纳米坑后，通常还要再沉积一层硅晶体以消除基底非晶、位错等损伤对后续加工的影响。

近年来，由于具有灵活性大、精度较高等优点，扫描探针技术逐渐被广泛应用于微纳加工领域。针对单晶硅的常规扫描探针加工方法主要借助阳极氧化或摩擦刻划。其中阳极氧化需要特殊针尖，环境依存度高，影响因素多，因此加工成本较高；而摩擦刻划一般采用高硬度金刚石针尖在大接触压力下实现表面加工，其不可避免的对基底造成损伤。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种单晶硅表面纳米坑无损加工方法，是一种基于“压入-分离”粘附去除在微小应力下实现单晶硅表面纳米坑无损加工的简易方法，该方法对加工环境无特殊要求，在常温常压环境下进行即可，加工表面晶格保持完整，基底材料无残余损伤，加工获得的纳米坑结构具有高可靠服役性能；仅通过改变接触压力、接触时间或循环次数等参数就可灵活改变纳米坑的高宽比；且加工简单，所需步骤少，加工成本低。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种单晶硅表面纳米坑无损加工方法，包括以下步骤：

S1、对单晶硅样品进行清洗和腐蚀处理，以去除单晶硅样品表面的自然氧化层，并获得氢原子或羟基终止的单晶硅表面；

S2、对单晶硅表面进行去离子水冲洗后，依次再放入酒精溶液和去离子水中超声清洗，以去除单晶硅表面污染；

S3、利用扫描探针显微镜上的探针对单晶硅表面进行加工，探针以设定接触压力、接触时间或循环次数在加工位置反复进行压入-分离操作，从而去除加工位置处的硅原子获得无晶格缺陷的纳米坑。

上述单晶硅表面纳米坑无损加工方法中，只要针尖和表面间能发生机械化学反应、形成键桥即可产生材料去除，氢原子和羟基终止的表面均能够形成键桥，本发明优选氢原子终止单晶硅表面。对于单晶硅衬底氧化层的去除和氢化/羟基终止的单晶硅表面的获得，具体操作为本领域常规操作手段。所述步骤S1中优选将质量浓度为20％的氢氟酸溶液与去离子水以1：4的比例混合、稀释，再将单晶硅样品置于溶液中处理3-5min，以去除单晶硅表面的自然氧化层，并获得氢原子终止的单晶硅表面。