基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法
【專利摘要】一種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，主要應(yīng)用于單晶硅表面納米結(jié)構(gòu)的加工。其具體操作方法是：先用濕法氧化的方法在單晶硅表面生長SiOx薄層，然后將生長有SiOx薄層的單晶硅取出清洗并固定在樣品臺上，然后將二氧化硅球形探針安裝在掃描探針顯微鏡或多點接觸微納米加工設(shè)備上，啟動設(shè)備，控制探針按設(shè)定的參數(shù)在樣品表面進行掃描，再將樣品置于KOH溶液與異丙醇的混合溶液中進行刻蝕加工，即可完成。該方法所用SiOx的掩膜制作簡易，成本低廉；探針掃描過程中接觸壓力極低，不會引起單晶硅基底的屈服，加工得到的單晶硅納米結(jié)構(gòu)服役壽命長；濕法氧化所獲得的SiOx薄層掩膜作用良好，可以提高加工深度。
【專利說明】基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單晶硅表面的納米加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米科技對于現(xiàn)代制造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響，作為器件微型化的基礎(chǔ)，微納制造技術(shù)成為制造業(yè)向前發(fā)展的重要方向，在一定程度上反映了一個國家的高新技術(shù)發(fā)展水平。而納米制造科學(xué)是支撐納米科技走向應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著器件小型化的發(fā)展，超精密和微細(xì)加工成為微/納機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)的關(guān)鍵技術(shù)，
[0003]單晶硅因其出色的機械性能和物理性能，被廣泛地應(yīng)用于MEMS/NEMS。目前常用的單晶硅加工方法面臨著低分辨率、低效率、操作復(fù)雜等挑戰(zhàn)。伴隨著微納米器件微小化的發(fā)展趨勢，當(dāng)前的技術(shù)很難滿足未來微納米加工的要求。
[0004]近年來，探針技術(shù)因其功能多樣性，實施靈活性被逐漸應(yīng)用到微納米加工領(lǐng)域。常見的針對單晶硅的探針加工方法一般依賴于陽極氧化或摩擦作用，陽極氧化的影響因素繁雜，對環(huán)境的要求高，因此加工成本高；而摩擦誘導(dǎo)方法所使用的掃描探針一般是高硬度的金剛石，在加工過程中，對基底施加的壓力大于5GPa，不可避免地對單晶硅基底造成一定的損傷，從而影響結(jié)構(gòu)的服役壽命。另外，摩擦誘導(dǎo)形成的“掩膜”一般取決于化學(xué)反應(yīng)或者結(jié)構(gòu)變形，該“掩膜”不夠致密，抗刻蝕能力較差，也限制了所加工結(jié)構(gòu)的深度/高度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)選擇性刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，該方法對基底無損傷，加工得到的單晶硅納米結(jié)構(gòu)服役壽命長；微納米結(jié)構(gòu)的高寬比大；且其簡單、高效、精確。KOH溶液刻蝕過程中的掩膜通過濕法氧化工藝獲得，制膜方法簡單，成本低廉。
[0006]本發(fā)明為實現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案為，一種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)選擇性刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，其具體操作步驟依次為:
[0007]A、將質(zhì)量濃度為98%的H2SO4溶液和質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液按7:2-3的體積比混合得到混合溶液；將混合溶液加熱到80-90°C ;再將HF溶液鈍化處理過的單晶硅置于混合溶液中處理25-35分鐘，使其表面上生長出SiOx薄層；然后將生長有SiOx薄層的單晶硅取出，并清洗；
[0008]B、將尖端呈球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將A步得到的單晶硅固定在樣品臺上，啟動設(shè)備，控制探針以IGPa的接觸壓力、按照設(shè)定的掃描軌跡在樣品表面進行掃描，使掃描區(qū)域的SiOx薄層被去除，基底暴露；
[0009]C、將異丙醇加入到質(zhì)量濃度為10-25%的KOH溶液中得混合溶液，加入時異丙醇與KOH溶液的體積比為1:4-6 ;將B步處理后的單晶硅置于混合溶液中刻蝕2-60分鐘。
[0010]本發(fā)明的過程和機理如下:(I)將HF溶液鈍化后的單晶硅置于加熱至90°C的H2SO4, H2O2混合溶液(俗稱SPM溶液)中進行處理，在其表面生長厚度約2nm的SiOx薄層；(2)在大氣環(huán)境下，單晶硅表面的SiOx層在二氧化硅探針的摩擦化學(xué)作用下被逐漸去除，為后續(xù)的KOH溶液提供了刻蝕缺口，進而完成加工。由于該方法依賴于摩擦化學(xué)作用，探針掃描過程中接觸壓力遠(yuǎn)低于引起單晶硅發(fā)生屈服的臨界接觸壓力，不引起材料的屈服變形，所獲得的納米溝槽結(jié)構(gòu)仍然是單晶硅，故為一種無損傷的納米加工方法。
[0011]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0012]一、該方法主要依賴于摩擦化學(xué)，探針掃描過程中探針與單晶硅的接觸壓力僅為lGPa，遠(yuǎn)小于引起單晶硅屈服的臨界接觸壓力(llGPa)，因此不會引起材料的屈服。
[0013]同時， 申請人:發(fā)現(xiàn)在H2S04、H2O2混合溶液中生長出的SiOx層，在高于IGPa的接觸壓力時探針會接觸到單晶硅表面，造成不必要的摩擦損耗，并可能形成非晶結(jié)構(gòu)，損傷單晶硅的結(jié)構(gòu)，也增加后續(xù)溶液刻蝕的難度；小于IGPa的接觸壓力會使SiOx去除不夠充分，表面不平整，后續(xù)刻蝕獲得的溝槽結(jié)構(gòu)粗糙度高。而IGPa的接觸壓力既足以將掃描區(qū)域的SiOx薄層徹底去除，使后續(xù)的純化學(xué)的表面刻蝕行為能獲得粗糙度低的溝槽結(jié)構(gòu)，又不會使探針接觸到單晶硅表面，避免摩擦損耗，不引起基體晶體結(jié)構(gòu)的改變。因此加工出的納米結(jié)構(gòu)無損傷。
[0014]二、與傳統(tǒng)的掩膜制作工藝(如熱氧化、化學(xué)沉積等)相比，本發(fā)明通過濕法氧化的方法來生長硅的氧化層，其成本更低，制膜過程更簡易。
[0015]三、刻蝕過程中的KOH溶液與HF溶液易于得到，刻蝕過程在常溫、常壓下完成，只需控制刻蝕時間即可得到一定的刻蝕深度。
[0016]四、該方法脫離了固定結(jié)構(gòu)的掩?；蚰０?，加工的結(jié)構(gòu)取決于掃描軌跡。而本方法的掃描形狀、掃描中心可方便地通過操作系統(tǒng)進行設(shè)置，具有高度的靈活性。
[0017]下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1a為實施例一加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖；圖1b實施例一加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的橫截面輪廓圖。
[0019]圖2為實施例二加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖。
[0020]圖3為實施例三加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖。
[0021]圖4為實施例四加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖。
[0022]圖5為實施例五加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖。
[0023]圖6為實施例六加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖。
[0024]圖7a為實施例七加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖。
[0025]圖7b為實施例七加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的橫截面輪廓圖。
【具體實施方式】
[0026]實施例一
[0027]—種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，其具體操作步驟依次為:
[0028]A、將質(zhì)量濃度為98%的H2SO4溶液和質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液按7:3的體積比混合得到混合溶液；將混合溶液加熱到90°C;再將HF溶液鈍化處理過的單晶硅置于混合溶液中處理30分鐘，使其表面上生長出SiOx薄層；然后將生長有SiOx薄層的單晶硅取出，并清洗；
[0029]B、將尖端呈球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將A步得到的單晶硅固定在樣品臺上，啟動掃描探針顯微鏡，控制探針以IGPa的接觸壓力、按照2μπιΧ2μπι的面掃描軌跡在樣品表面進行面掃描；即可使掃描區(qū)域的SiOx薄層被去除，基底暴露；
[0030]C、將異丙醇加入到質(zhì)量濃度為20%的KOH溶液中得混合溶液，加入時異丙醇與KOH溶液的體積比為1:5 ;再將B步處理后的單晶娃置于混合溶液中刻蝕8分鐘；
[0031]圖1a為本例加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖；圖1b為本例加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的橫截面輪廓圖。圖1a和圖1b表明，本例加工得到的單晶娃在其表面形成了長、寬均為2 μ m,而深度為200nm的溝槽。
[0032]實施例二
[0033]一種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，其具體操作步驟依次為:
[0034]A、將質(zhì)量濃度為98%的H2SO4溶液和質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液按7:3的體積比混合得到混合溶液；將混合溶液加熱到90°C;再將HF溶液鈍化處理過的單晶硅置于混合溶液中處理30分鐘，使其表面上生長出SiOx薄層；然后將生長有SiOx薄層的單晶硅取出，并清洗；
[0035]B、將尖端呈球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將A步得到的單晶硅固定在樣品臺上，啟動掃描探針顯微鏡，控制探針以IGPa的接觸壓力、按照2μπιΧ2μπι的面掃描軌跡在樣品表面進行面掃描；即可使掃描區(qū)域的SiOx薄層被去除，基底暴露；
[0036]C、將異丙醇加入到質(zhì)量濃度為20%的KOH溶液中得混合溶液，加入時異丙醇與KOH溶液的體積比為1:5 ;將B步處理后的單晶娃置于混合溶液中刻蝕2分鐘。
[0037]圖2為本例加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖，圖2表明，本例加工得到的單晶硅在其表面形成了長、寬均為2 μ m，而深度為57nm的溝槽。
[0038]實施例三
[0039]一種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，其具體操作步驟依次為:
[0040]A、將質(zhì)量濃度為98%的H2SO4溶液和質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液按7:2的體積比混合得到混合溶液；將混合溶液加熱到80°C;再將HF溶液鈍化處理過的單晶硅置于混合溶液中處理25分鐘，使其表面上生長出SiOx薄層；然后將生長有SiOx薄層的單晶硅取出，并清洗；
[0041]B、將尖端呈球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將A步得到的單晶硅固定在樣品臺上，啟動掃描探針顯微鏡，控制探針以IGPa的接觸壓力、按照2μπιΧ2μπι的面掃描軌跡在樣品表面進行面掃描；即可使掃描區(qū)域的SiOx薄層被去除，基底暴露；
[0042]C、將異丙醇加入到質(zhì)量濃度為10%的KOH溶液中得混合溶液，加入時異丙醇與KOH溶液的體積比為1:4 ;將B步處理后的單晶娃置于混合溶液中刻蝕5分鐘。
[0043]圖3為本例加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖，圖3表明，本例加工得到的單晶硅在其表面形成了長、寬均為2 μ m，而深度為147nm的溝槽。
[0044]實施例四[0045]本例的操作與實施例二基本相同，不同的僅僅是C步的刻蝕時間改為8分鐘。
[0046]圖4為本例加工得到的單晶硅的原子力顯微鏡圖，圖4表明，本例加工得到的單晶娃在其表面形成了長、寬均為2 μ m,而深度為218nm的溝槽。
[0047]實施例五
[0048]本例的操作與實施例二基本相同，不同的僅僅是C步的刻蝕時間改為13分鐘。
[0049]圖5為本例加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖，圖5表明，本例加工得到的單晶硅在其表面形成了長、寬均為2 μ m，而深度為305nm的溝槽。
[0050]實施例六
[0051]本例的操作與實施例二基本相同，不同的僅僅是C步的刻蝕時間改為15分鐘。
[0052]圖6為本例加工得到的單晶硅表面的溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽的深度為382nm。
[0053]實施例二至實施例六表明:隨著刻蝕時間的增加，溝槽結(jié)構(gòu)的深度越來越大。因此可以通過控制刻蝕時間來獲得所需深度的納米結(jié)構(gòu)。
[0054]實施例7
[0055]一種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，其具體操作步驟依次為:
[0056]A、使用98%H2S04溶液30%H202的混合溶液(體積比為7:2.5)，加熱到85°C，將HF溶液鈍化處理過的單晶硅樣品置于混合溶液中處理35分鐘，使其表面生長一層厚度約2nm的SiOx 層；
[0057]B、將尖端呈球狀二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將A步得到的單晶硅固定在樣品臺上，啟動掃描探針顯微鏡，控制探針以IGPa的接觸壓力、按照四個2 μ mX2 μ m面掃描區(qū)的設(shè)定掃描軌跡進行掃描，即可使四個2 μ mX2 μ m的面掃描區(qū)域的SiOx薄層被去除，基底暴露；
[0058]C、將異丙醇加入到質(zhì)量濃度為25%的KOH溶液中得混合溶液，加入時異丙醇與KOH溶液的體積比為1:6 ;再將B步處理后的單晶娃置于混合溶液中刻蝕60分鐘；
[0059]圖7a為本例加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖；圖7b為本例加工得到的單晶硅表面溝槽結(jié)構(gòu)的橫截面輪廓圖。圖7a和圖7b表明，本例加工得到的單晶硅在其表面形成了長、寬均為2 μ m，而深度為173nm的四個溝槽。
[0060]上述實施例表明，通過控制掃描軌跡、掃描載荷、掃描范圍、刻蝕時間等參數(shù)，可以在單晶硅表面加工出各種納米結(jié)構(gòu)，其中，加工深度與KOH溶液刻蝕時間正相關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于摩擦化學(xué)誘導(dǎo)刻蝕的單晶硅表面無損傷納米加工方法，其具體操作步驟依次為: A、將質(zhì)量濃度為98%的H2SO4溶液和質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液按7:2-3的體積比混合得到混合溶液；將混合溶液加熱到80-90°C ;再將HF溶液鈍化處理過的單晶硅置于混合溶液中處理25-35分鐘，使其表面上生長出SiOx薄層；然后將生長有SiOx薄層的單晶硅取出，并清洗； B、將尖端呈球狀的二氧化硅探針安裝在掃描探針顯微鏡上，將A步得到的單晶硅固定在樣品臺上，啟動設(shè)備，控制探針以IGPa的接觸壓力、按照設(shè)定的掃描軌跡在樣品表面進行掃描，使掃描區(qū)域的SiOx薄層被去除，基底暴露； C、將異丙醇加入到質(zhì)量濃度為10-25%的KOH溶液中得混合溶液，加入時異丙醇與KOH溶液的體積比為1:4-6 ;將B步處理后的單晶娃置于混合溶液中刻蝕2-60分鐘。
【文檔編號】B81C1/00GK103738912SQ201310733086
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】錢林茂, 郭劍, 陳磊, 余丙軍, 宋晨飛 申請人:西南交通大學(xué)