硅襯底上的硅柱陣列的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種硅襯底上的硅柱陣列，每個(gè)硅柱在襯底上一體成型，每個(gè)硅柱包括：與襯底相距的頂點(diǎn)，在襯底上一體成型的基座，和延伸于頂點(diǎn)和基座之間的柱體，所述柱體的橫截面形狀在其長度范圍內(nèi)相同，其中，該柱體的軸縱橫比大于基座的縱橫比。
【專利說明】硅襯底上的硅柱陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]總體而言，本實(shí)用新型與納米級(jí)結(jié)構(gòu)制造的領(lǐng)域相關(guān)。具體而言，本實(shí)用新型涉及在晶圓上使用改進(jìn)的制造方法制造的高縱橫比的納米級(jí)支柱陣列。

【背景技術(shù)】
[0002]納米級(jí)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的作用越來越重要。但有效制造這些結(jié)構(gòu)很具挑戰(zhàn)性。
[0003]例如，目前是使用聚焦離子束(“FIB”)逐個(gè)“加工”針尖，從而制造出高縱橫比的原子力顯微鏡(“AFM”)針尖(也俗稱為“AFM探針”)。該方法具有通用性，不僅用于制造AFM探針。但是，由于每個(gè)探針都是單獨(dú)制造，制造過程很緩慢，而且成本高昂。此外，還可通過在低縱橫比基座(可能本身是一個(gè)低縱橫比的探針)的頂點(diǎn)處附著或生長一個(gè)碳納米管，從而制造出高縱橫比的AFM探針。但是，要使一個(gè)碳納米管以固定的方向和長度精確地附著或生長在所需的位置，難度非常大。而且，要規(guī)?；技{米管工藝，也非常有難度。
[0004]AFM技術(shù)發(fā)展得越來越成熟，而且在先進(jìn)研究和工業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中越來越頻繁地使用。AFM探針屬于消耗品。因此，需要更加一致地制造成本低廉的AFM探針。
[0005]要獲得所需的原子或分子級(jí)分辨率，AFM探針本身必須具有類似級(jí)別的厚度。AFM探針只是納米級(jí)制品需求的一個(gè)示例。在這里，納米級(jí)制品通常是指至少一個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸(如寬度、半徑、厚度等)更適于以納米測量(即一般為原子和分子級(jí)，且一般范圍通常在I納米到幾百納米之間)的制品。越來越多的產(chǎn)品在變得小型化，這需要以更高效和可重復(fù)的方式制造更多納米級(jí)結(jié)構(gòu)。
[0006]這對(duì)提供更高效的納米級(jí)結(jié)構(gòu)和設(shè)備制造方法提出了很多挑戰(zhàn)和制約因素(尤其是使用高效且可重復(fù)的方法制造具有高縱橫比的柱狀結(jié)構(gòu))。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠減輕或消除上述缺點(diǎn)中的至少一個(gè)的形成于硅襯底上的硅柱陣列。
[0008]本實(shí)用新型涉及納米級(jí)結(jié)構(gòu)的制造。在廣義方面，本實(shí)用新型與納米級(jí)結(jié)構(gòu)制造的批量處理有關(guān)，具體而言，是在一硅襯底上形成的一個(gè)適于制造AFM探針、縱橫比為5或更大的硅柱陣列。
[0009]要同時(shí)或以批量處理的方式制造多個(gè)或陣列式的高縱橫比柱狀結(jié)構(gòu)，該方法首先要在硅(Si)襯底上形成多個(gè)或陣列式的金字塔形突起。這些金字塔形突起可通過蝕刻一個(gè)平坦的硅襯底形成，從而產(chǎn)生側(cè)壁與硅{111}晶面大致對(duì)齊的金字塔形突起。當(dāng)然，可以使用不同的襯底材料，或?qū)⒔鹱炙瓮黄疬M(jìn)行銳化，因此這些側(cè)壁也可比硅{111}晶面限定的更加陡峭。首先用一種或幾種硬質(zhì)材料涂覆金字塔形突起的頂部。要對(duì)這些金字塔形突起的頂部進(jìn)行涂覆，使用兩步法，即先用一種或幾種硬質(zhì)材料涂覆金字塔形突起，至少覆蓋其頂點(diǎn)表面，然后去除金字塔側(cè)壁的一種或幾種硬質(zhì)材料，使側(cè)壁(而非頂部)裸露，稍后將進(jìn)行解釋。接下來蝕刻金字塔，將覆蓋在金字塔頂點(diǎn)區(qū)域的硬質(zhì)材料作為掩模，從而形成一個(gè)從頂點(diǎn)區(qū)域向下延伸的柱體，該柱體的橫截面輪廓由頂部硬質(zhì)材料掩模的形狀決定。最后一步可將硬質(zhì)材料掩模去除。
[0010]本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供硅襯底上的硅柱陣列，所述硅柱陣列形成于襯底上，每個(gè)硅柱在所述襯底上單獨(dú)形成，每個(gè)硅柱包括:與所述襯底相距的頂點(diǎn)，在所述襯底上一體成型的基座，和延伸于頂點(diǎn)和基座之間的柱體，柱體的橫截面形狀在其長度范圍內(nèi)相同，其中，所述柱體的軸縱橫比大于所述基座的縱橫比。
[0011]所述柱體朝著頂點(diǎn)呈現(xiàn)錐形，或柱體的中部可比兩端細(xì)。該柱體的縱橫比至少為5，或至少為10。該陣列可以具有較高的密度，如陣列的密度為至少480個(gè)硅柱/100cm2。
[0012]本實(shí)用新型的其它技術(shù)方案提供了上述方面的各種組合和子集。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果是:為進(jìn)一步制造如AFM探針的納米級(jí)制品或產(chǎn)品，僅需要首先以大致相同的方式在硅襯底上制造各個(gè)硅柱，這樣制造出的硅柱更有可能具有相同的特性。此外，由于該制造過程的一部分是首先以批量處理的方法來形成此類陣列，而不是逐個(gè)形成單一硅柱，所以可使整個(gè)制造成本降低，并且可使整個(gè)制造過程更容易規(guī)?；涂芍貜?fù)化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]出于說明而非限制的目的，根據(jù)附圖對(duì)本實(shí)用新型的前述方面和其它方面進(jìn)行了詳細(xì)說明，其中:
[0015]圖1所示為在其上形成金字塔形狀突起陣列的硅襯底照片，以及一個(gè)金字塔形突起的詳圖；
[0016]圖2所示為硅柱(由圖1中的金字塔形突起制造產(chǎn)生)的掃描電子顯微鏡(“SEM”)照片；
[0017]圖3是對(duì)圖2照片中所不娃柱進(jìn)行說明的圖表；
[0018]圖4A、4B、4C和4D對(duì)按照本實(shí)用新型的制造方法制造硅柱的步驟加以圖示；
[0019]圖5A、5B和5C對(duì)涂覆金字塔形突起頂點(diǎn)區(qū)域的一種替代方法的步驟加以圖示；
[0020]圖6A對(duì)使用本文所述方法制造的硅柱的錐形柱體加以圖示，圖6B對(duì)的硅柱柱體(中間部分較細(xì))進(jìn)行圖示；
[0021]圖7是一個(gè)過程圖，對(duì)在一個(gè)平坦的襯底上形成多個(gè)金字塔形結(jié)構(gòu)，以便使用本文所述的批量處理方法制造硅柱陣列的步驟加以圖示；
[0022]圖8對(duì)具有一個(gè)彎曲壩體，用于使用本文所述的制造方法制造納米級(jí)側(cè)壁或大量具有相似或不同形狀側(cè)壁的突起加以圖示。

【具體實(shí)施方式】
[0023]通過本實(shí)用新型的原理的一個(gè)或多個(gè)特定實(shí)施范例提供下方說明和其中描述的實(shí)施范例。這些示例用于解釋而非限制這些原理和本實(shí)用新型。在下方說明中，說明書和附圖中相同的部分用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)出。
[0024]本實(shí)用新型與納米級(jí)結(jié)構(gòu)的制造方法和使用該改進(jìn)方法制造的硅柱陣列有關(guān)。參閱圖1，要在一個(gè)平晶圓上制造具有高縱橫比柱體的硅柱陣列，首先在硅襯底102上形成具有金字塔形狀的多個(gè)或陣列式的突起104。這些金字塔形突起104可通過蝕刻平坦的硅襯底形成，從而產(chǎn)生具有側(cè)壁106的金字塔形突起。首先用一種或幾種硬質(zhì)材料涂覆金字塔形突起的頂部108。在這里，“硬質(zhì)”的意思是該材料相對(duì)于襯底/金字塔材料(此處為硅)具有足夠高的蝕刻速度選擇性(如，至少1:10)，S卩，蝕刻掩模材料的速度比襯底材料要慢得多(在本例中要慢10倍)。后面將會(huì)知道，選擇性是相對(duì)的，而且取決于將用于蝕刻工藝的氣體、襯底材料和掩模材料。如果對(duì)襯底材料使用一種不同的材料，或使用一種不同的氣體進(jìn)行蝕刻，掩模的選擇性也會(huì)不同。要對(duì)這些金字塔形突起的頂部進(jìn)行涂覆，使用兩步法，即用一種或幾種硬質(zhì)材料對(duì)金字塔形突起進(jìn)行涂覆，至少覆蓋其頂點(diǎn)，然后去除金字塔104側(cè)壁106的一種或幾種硬質(zhì)材料，使側(cè)壁裸露，但仍覆蓋頂點(diǎn)108，稍后將進(jìn)行解釋。然后對(duì)金字塔進(jìn)行蝕刻，將覆蓋金字塔頂點(diǎn)區(qū)域的硬質(zhì)材料作為掩模110，從而形成一個(gè)從頂點(diǎn)區(qū)域108向下延伸并在一個(gè)低縱橫比基座114處結(jié)束的柱體112，形成一個(gè)柱，該柱體的橫截面形狀由頂部硬質(zhì)材料掩模110的形狀決定，可在圖2和圖3中所示的照片中看到。最后一步可去除硬質(zhì)材料掩模110。下面將對(duì)該過程進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]在以批量處理的方式制造多個(gè)或陣列式硅柱的過程中，首先在襯底102 (其上面已形成多個(gè)或陣列式突起104)頂面形成多個(gè)掩模110。如圖1所示,這些突起104具有金字塔形狀。為方便起見，可在一個(gè)平坦襯底上通過蝕刻步驟形成這些金字塔形突起，后面將進(jìn)行說明。但也可以使用任何其它合適的方法形成這些金字塔形突起。事實(shí)上，可使用其上已形成金字塔形突起陣列的任何襯底，通過本文所述的方法制造硅柱。若是硅襯底，這些金字塔形突起的側(cè)壁一般會(huì)與硅晶面{111}對(duì)齊。因此，任何側(cè)壁和金字塔對(duì)稱軸之間的角度α通常在30-40°左右(理論值為35.3° )。一些市售的硅金字塔陣列可能對(duì)金字塔頂部進(jìn)行了銳化，或使用更改的硅蝕刻工藝，使角度α可能小于30°。用于制造納米級(jí)產(chǎn)品時(shí)，也可能使用不同的襯底材料，這也可能導(dǎo)致α角度不同。然而α —般至少約為15°。這是由于實(shí)際原因。具有高縱橫比的探針針尖的α角度非常小。如果α角度已經(jīng)很小，那么無需進(jìn)行進(jìn)一步加工，包括使用本文所述的制造方法進(jìn)行加工。另一方面，當(dāng)α角度接近90°時(shí)，“金字塔”會(huì)非常平坦。一般期望α角度在15-40°之間。
[0026]可使用任何合適的方法在這些金字塔頂面上形成硬質(zhì)掩模。本文詳細(xì)說明了兩種不同的方法。兩種方法都是批量處理，即，同時(shí)對(duì)所有金字塔形突起使用該工藝，從而形成一批硬質(zhì)掩模，而不是在每個(gè)金字塔形突起上逐個(gè)形成。根據(jù)形成硬質(zhì)掩模110的一種方法，首先用一層硬質(zhì)材料涂覆(以同時(shí)或批量處理的方式)陣列中的所有金字塔形突起104。涂覆的硬質(zhì)材料可以是鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、銅(Cu)或鋁(Al)等金屬，也可以是二氧化硅(S12)等非金屬，然后將這些金字塔形突起側(cè)壁106上涂覆的材料去除，從而留下僅覆蓋這些金字塔形突起頂面108的硬質(zhì)材料島心區(qū)，形成硬質(zhì)掩模。下面的一個(gè)示例中對(duì)此進(jìn)行詳述，參閱圖4Α至4D。
[0027]在本例中，首先在硅襯底102上以蒸發(fā)鍍膜的方式涂覆了一層很薄(?1nm)的Cr (圖4Α)。掩模層通?？赏ㄟ^物理氣相沉積(特別是蒸發(fā)鍍膜、濺射沉積、脈沖激光沉積等)、化學(xué)氣相沉積甚至硅尖材料的熱氧化(如，用于形成S12掩模)進(jìn)行涂覆。根據(jù)使用的涂覆方法，該方法可以是定向也可以是不定向。一般來說，也會(huì)在金字塔104和金字塔之間襯底102的平面116上覆蓋一層掩模118(圖4Β)。雖然一般掩模層會(huì)較好地覆蓋每個(gè)金字塔，但只有頂點(diǎn)區(qū)域需要覆蓋，稍后將進(jìn)行解釋。
[0028]接下來，將金字塔側(cè)壁106上涂覆的Cr去除，使側(cè)壁(而非金字塔結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)區(qū)域)裸露(圖4C)。使用Ar氣體通過反應(yīng)離子蝕刻(“RIE”)進(jìn)行去除。僅去除涂覆在側(cè)壁106上的Cr。使用惰性氣體(如Ar)的RIE工藝只使用物理轟擊，化學(xué)反應(yīng)微不足道或沒有化學(xué)反應(yīng)；換言之，物理過程很重要，而且在這種情況下，超過了化學(xué)反應(yīng)過程。這通過使用惰性氣體(如Ar)并適當(dāng)調(diào)整Ar離子的入射能量來實(shí)現(xiàn)。Ar離子以總體向下的方向朝向襯底加速，如圖4C中所示，S卩，沿著與金字塔結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸成10°以內(nèi)的方向。因此，Ar離子流和側(cè)壁106表面的入射角度Θ，即離子流的方向和側(cè)壁的法線方向之間的角度，通常為(90- α)度。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，用Ar氣濺射的產(chǎn)額隨著入射角度的不同而不同。產(chǎn)額峰值為60-70°之間，比正常入射角(即零度)的產(chǎn)額大2-3倍。由于濺射產(chǎn)額與角度有關(guān)，涂覆在側(cè)壁上的Cr比涂覆在頂點(diǎn)上的Cr更容易去除，因?yàn)轫旤c(diǎn)處入射Cr流的入射角大致為零。此外，側(cè)壁上的涂層也更薄，因此也更容易去除。在本例中，用于角度相關(guān)的Cr蝕刻的RIE使用以下方法:
[0029]Ar:1sccm, P:7mT, RF:300w, 4 分鐘
[0030]在這里，“seem”表示標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，“mT”表示毫乇。在本例中，用Ar氣進(jìn)行的Cr蝕刻速度為約2納米/分鐘。適當(dāng)選擇蝕刻時(shí)間(在本例中，為幾分鐘)，從而和該蝕刻速度相匹配，金字塔側(cè)壁上的Cr涂層完全被去除，同時(shí)留下了覆蓋頂點(diǎn)108的Cr涂層島心區(qū)，從而在頂點(diǎn)108上形成了掩模110。
[0031]雖然這里描述的是用Ar氣進(jìn)行的RIE蝕刻，但也可以采用任何合適的方法去除側(cè)壁Cr涂層，使側(cè)壁裸露，而留下覆蓋頂點(diǎn)的島心層。例如，為了去除側(cè)壁上的掩模層，除了本文說明的RIE或ICP-RIE方法，也可以使用離子蝕刻(純物理濺射工藝，使用惰性氣體，如Ar)或化學(xué)輔助離子束蝕刻(“CAIBE”，在Ar中添加反應(yīng)氣體，如Cl2)。與在壓力為1-1OOmTorr的氣體環(huán)境中使用的RIE或ICP-RIE方法相比，離子蝕刻和CAIBE通常在接近真空(即，遠(yuǎn)低于mTorr壓力)的環(huán)境中使用。對(duì)于RIE，應(yīng)選擇能夠蝕刻掩模的氣體作為反應(yīng)氣體。例如，蝕刻Al時(shí)可使用Cl2或BCl3，蝕刻Cr時(shí)可使用Cl2/02?？蓪CP功率添加到RF功率中(在一個(gè)ICP-RIE過程中)，以增加蝕刻速度。
[0032]參閱圖5A至圖5C，描述了一種使用硬質(zhì)掩模材料涂覆頂點(diǎn)108的不同方法。按照該方法，使用多個(gè)涂層材料涂覆金字塔結(jié)構(gòu)。第一步，用第一涂層材料210 (如Cr)涂覆金字塔結(jié)構(gòu)的一側(cè)。選擇第一涂層材料時(shí)，應(yīng)以其對(duì)襯底材料(本例中為硅)的高選擇性為原貝U。要僅從一個(gè)方向涂覆第一涂層材料(可以是一個(gè)或幾個(gè)側(cè)壁)，對(duì)襯底采用在高真空中蒸發(fā)鍍膜，使沉積大體按照直線式的方式。真空程度只要能足以允許進(jìn)行直線式沉積即可。在這種真空中，通過傾斜襯底(即，改變涂覆角度)，Cr涂層就能大部分覆蓋暴露于Cr涂層流的一個(gè)或幾個(gè)側(cè)面。以同樣方式，用第二涂層材料212涂覆面向大致相反方向的剩余一側(cè)(或幾側(cè))，覆蓋金字塔其余未被覆蓋的部分。正如將要理解的，金字塔的頂部(即頂點(diǎn))被涂覆了兩次，在底部用第一涂層材料(即Cr)，在頂部用第二涂層材料(即Ti)。另一方面，側(cè)壁通常只有一層涂層材料，Cr或Ti，而不是二者都有。
[0033]接下來，去除在側(cè)壁上涂覆的材料，使側(cè)壁裸露。選擇第二涂層材料通過蝕刻將側(cè)壁的第一涂層材料去除，以使下面的一個(gè)(或幾個(gè))側(cè)壁露出時(shí)，頂點(diǎn)上涂覆的材料仍保持足夠厚度。這可通過例如選擇具有更高選擇性的第二涂層材料，涂覆一層更厚的第二材料，或二者兼用的方式實(shí)現(xiàn)，或適當(dāng)選擇蝕刻時(shí)間，從而在去除側(cè)壁的第一涂層材料時(shí)，使第一涂層材料覆蓋的側(cè)壁裸露。而由于受到第二涂層材料的保護(hù)，頂點(diǎn)上仍保留一層或幾層涂層材料，即使第二涂層材料可能被部分或全部去除。在本例中，涂覆了一層比Cr層更厚的Ti層。因此，側(cè)壁上Cr的去除可以更徹底，同時(shí)頂點(diǎn)上仍保留裸露的Ti層。因此，由Ti涂層保護(hù)的Cr涂層部分214，即Ti層212下面頂點(diǎn)上的Cr部分214得到了保護(hù)(圖4B)。接下來，將Ti涂層212去除，使Ti涂層覆蓋的側(cè)壁剩余部分裸露?？墒褂酶煞涛g去除，方式與去除側(cè)壁上Cr的方式類似，或使用濕法刻蝕去除。從側(cè)壁上去除涂層材料，使側(cè)壁裸露后，各金字塔結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)仍被至少一層Cr 214涂覆。
[0034]在這里，選擇一對(duì)硬質(zhì)掩模材料時(shí)，可尋找一種等離子體蝕刻方法，使蝕刻第一材料(在金字塔頂點(diǎn)的第二材料下方且由其保護(hù))的速度遠(yuǎn)快于第二材料(如果第一材料的層厚度小于第二材料，則該要求可放寬)，且可在不損傷第一材料的情況下去除第二材料(如，使用等離子體蝕刻或濕法化學(xué)蝕刻)。第一材料也必須是對(duì)于襯底材料(如硅)的良好掩模材料。例如，可適用的材料對(duì)包括Cr/Ti和Al/Si。
[0035]在硬質(zhì)掩模110、214以適當(dāng)方式在金字塔頂部形成后，金字塔形結(jié)構(gòu)(現(xiàn)在每個(gè)金字塔結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)上都形成了一個(gè)硬質(zhì)掩模)被同時(shí)蝕刻(或至少在一個(gè)批量處理中，而不是逐個(gè)進(jìn)行)，形成高縱橫比的柱(圖4D)。對(duì)于硅襯底，從氟基氣體產(chǎn)生的等離子體(如SF6/C4F8等離子體等)是用于蝕刻硅的常用選擇?；蛘咭部梢允褂寐然蜾寤鶜怏w(如Cl2、BCl3*Br2)蝕刻硅。例如，在一個(gè)反應(yīng)離子蝕刻(“RIE”)系統(tǒng)中，等離子體蝕刻可輕松進(jìn)行硅蝕刻?？墒褂秒姼旭詈系入x子體(“ICP”)。因此也可使用ICP-RIE方法以各向異性的方式蝕刻硅，形成幾乎垂直、具有極高縱橫比的側(cè)壁。從而使Cr掩模正下方產(chǎn)生硅柱或柱體，其長度范圍內(nèi)的橫截面形狀主要由Cr掩模決定，或甚至與Cr掩模的形狀大致相同。在一個(gè)示例中，用 1mT、1200W ICP和 20W RIE功率的 C4F8(38sccm)和 SF6(22sccm)氣體在一個(gè)ICP-RIE系統(tǒng)中蝕刻涂覆的金字塔0.5分鐘，產(chǎn)生高縱橫比的硅柱結(jié)構(gòu)。這提供了大約400納米/分鐘的蝕刻速度。在這一蝕刻速度和蝕刻時(shí)間下，在金字塔基座上形成了一個(gè)具有高縱橫比、半徑8納米以下和針尖高度約200納米的納米探針。這在一個(gè)縱橫比低得多的金字塔基座的頂部產(chǎn)生了一個(gè)縱橫比至少為200nm/16nm彡10的柱或柱體。因此，用娃襯底一體和整體形成的一個(gè)柱，由一個(gè)低縱橫比的金字塔基座將一個(gè)高縱橫比柱體連接到硅襯底。正如可以理解的，可通過控制蝕刻速度和蝕刻時(shí)間來選擇柱體或柱的高度。因此，也可通過控制蝕刻速度和蝕刻時(shí)間選擇柱或柱體的縱橫比。
[0036]這種高縱橫比的針尖是通過硬質(zhì)掩模(即，Cr涂層)實(shí)現(xiàn)的，硬質(zhì)掩模在SF6/C4F8等離子體方面提供了非常高的選擇性。由于具有高選擇性，這層很薄的Cr涂層(在本例中，由于之前的蝕刻去除了側(cè)壁覆蓋，因此其厚度低于1nm)足以保護(hù)頂點(diǎn)不受硅蝕刻的破壞，同時(shí)使金字塔結(jié)構(gòu)的傾斜側(cè)壁被SF6/C4F8等離子體蝕刻掉。其中，留在金字塔頂部的掩模的尺寸直接影響硅蝕刻步驟中形成的硅柱或柱體的尺寸或直徑。另一方面，掩模的厚度和掩模材料的選擇性決定了所形成的探針娃柱或柱體的最大可能高度。例如，要制造一個(gè)具有更長柱體的AFM探針(如，在本例中長度在200nm以上)，將需要一個(gè)具有更長柱體的柱，這將需要一種具有比上例中選擇性更高的掩模材料或更厚的掩模，或二者兼有。
[0037]當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，如果最初的涂層較厚(如:厚度超過1nm),那么從側(cè)壁上去除Cr涂層的時(shí)間更長，反之亦然。這也會(huì)導(dǎo)致掩模的尺寸不同(即，留在金字塔頂部的Cr島心區(qū)的尺寸)。此外，濺射產(chǎn)額曲線取決于金屬(此處為Cr)和氣體(此處為Ar)。因此，適當(dāng)選擇最初厚度將需要考慮產(chǎn)額曲線、入射角度Θ和所制造探針的高度和最終直徑，從而在去除側(cè)壁涂層，使側(cè)壁裸露后，仍留下具有足夠厚度和尺寸的掩模于頂部。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Cr, 1nm的Cr涂層厚度適合形成直徑約15nm的娃柱。
[0038]圖2顯示了使用該工藝制造的高縱橫比硅柱的SEM顯微照片的例子。在一個(gè)例子中，首先在一個(gè)具有380個(gè)金字塔形突起的4英寸(10.16cm)晶圓上形成380個(gè)這種硅柱的陣列，即，密度至少為約380個(gè)柱/78cm2 (約π X 52cm2)，或至少480個(gè)柱/100cm2。
[0039]柱的柱體112可朝向針尖(B卩，頂點(diǎn)區(qū)域)呈錐形，如圖6A中所示。為了獲得更好的力學(xué)性能，側(cè)壁角度β (即側(cè)壁和柱體的縱軸之間的角度)可選擇為3-5°。這可通過改變硅蝕刻方法來實(shí)現(xiàn)，比如通過平衡SF6化學(xué)蝕刻和C4F8鈍化。相同地，也可改變硅蝕刻方法，制造出柱體中間部分比兩端細(xì)的探針，如圖6Β中所示。
[0040]在硅蝕刻步驟后，根據(jù)掩模的厚度、掩模材料的選擇性和所蝕刻的柱高度，某些掩模材料可能仍留在蝕刻出的柱的頂部，從而提供一個(gè)類似柱的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在柱或柱體的頂部有一個(gè)掩模材料罩，柱或柱體在罩和低縱橫比基座之間延伸。該罩可用濕法蝕刻工藝去除(若需要)。
[0041]如前所述，具有金字塔形突起陣列的合適材料(如硅)的任何襯底均可用于制造柱或其它形狀結(jié)構(gòu)的陣列，包括市售的襯底。當(dāng)然，也可用一個(gè)平襯底制造出該襯底。圖7展示了這種襯底(上面有在平襯底形成的突起陣列)制造方法的主要步驟。
[0042]根據(jù)該方法，用溶劑清洗氧化物厚度約為ISOnm的硅晶圓{100}，然后旋涂一層厚度約為300nm的聚苯乙烯(“PS”)。該聚苯乙烯是具有兩種不同分子量的混合物，用于在硅上制造相當(dāng)于550kg/mol (廣泛分布)的聚苯乙烯。接下來是電子束曝光和顯影步驟，在20KeV、0.306nA束流下將方陣列暴光在PS/Si02上。用四氫呋喃顯影I分鐘后，使用PS作為蝕刻掩模，用CHF3氣體通過干法蝕刻S12和Si，將圖案轉(zhuǎn)移到S12層。在氧等離子體RIE清除任何可能的氟碳聚合物后，在約50C的溫度下進(jìn)行K0H(20W/V% )濕法各向異性蝕刻11分鐘，從而在平硅片上制造金字塔結(jié)構(gòu)。在硅結(jié)構(gòu)上形成金字塔結(jié)構(gòu)后，可使用BHF去除S12。
[0043]正如將要理解的，上述示例中的這些突起之所以都有相似的規(guī)則形狀，是因?yàn)樗璧淖罱K產(chǎn)品是柱陣列(即，適合制造具有相同高縱橫比柱體的AFM探針的柱陣列)。因此，在硅襯底上形成了擁有相似形狀和尺寸的各個(gè)突起。這些突起可以是任何其它形狀。例如，可以在一個(gè)襯底上形成一個(gè)或多個(gè)突起。在襯底上形成多個(gè)突起時(shí)，每個(gè)突起可根據(jù)需要或設(shè)計(jì)要求具有相似或不同的形狀和尺寸。例如，圖8所示為一個(gè)具有帶傾斜側(cè)表面312的彎曲壩體310形狀的突起。襯底為彎曲壩體提供了一個(gè)基座。該彎曲壩體可作為制造彎曲(大體垂直)墻壁的基座。要制造彎曲(大體垂直)的墻壁，用硬質(zhì)掩模材料(如Cr)涂覆彎曲壩體的頂部或上部表面，從而限定最后制造出的納米級(jí)結(jié)構(gòu)的形狀?？赏ㄟ^用一層薄的Cr對(duì)整個(gè)彎曲壩體310進(jìn)行第一次蒸發(fā)鍍膜，形成堅(jiān)硬掩模，然后以和去除金字塔側(cè)壁Cr相同的方式去除彎曲壩體310的傾斜側(cè)表面312上的Cr，如與制造硅柱陣列相關(guān)的內(nèi)容中所述。在形成一個(gè)適合的硬質(zhì)掩模后，用硅蝕刻頂部掩模的彎曲壩體，形成大體垂直的壁，從彎曲壩體頂部的硬質(zhì)掩模向下延伸向基座表面316。如將要理解的，這些垂直墻壁可略微傾斜，不是完全垂直。例如，該垂直墻壁可具有一個(gè)較小的側(cè)壁角度β，以和形成錐形柱相似的方式形成。垂直墻壁也可凹陷，即，頂部下方的部分比頂部或朝向底部的厚度薄。此外，如果彎曲壩體要采取其它形狀，且掩模根據(jù)彎曲壩體頂部形成，所產(chǎn)生的墻壁將按照在彎曲壩體頂部形成的掩模的形狀。因此，可使用本文所述方法制造具有更復(fù)雜形狀的壁，或具有更復(fù)雜形狀的微/納米結(jié)構(gòu)。
[0044]現(xiàn)在對(duì)本實(shí)用新型的各種實(shí)施范例進(jìn)行了詳細(xì)說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可在不偏離本實(shí)用新型范圍(由所附的權(quán)利要求書限定)的情況下，對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行各種修改、改變和變化。對(duì)權(quán)利要求范圍的解釋應(yīng)從整體解釋且符合與說明一致的最寬范圍，并不限于示例或詳細(xì)說明中的實(shí)施范例。
【權(quán)利要求】
1.硅襯底上的硅柱陣列，其特征在于，所述硅柱陣列形成于襯底上，，每個(gè)硅柱在所述襯底上單獨(dú)形成，每個(gè)硅柱包括:與所述襯底相距的頂點(diǎn)，在所述襯底上一體成型的基座，和延伸于頂點(diǎn)和基座之間的柱體，柱體的橫截面形狀在其長度范圍內(nèi)相同，其中，所述柱體的軸縱橫比大于所述基座的縱橫比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硅襯底上的硅柱陣列，其特征在于，所述柱體朝著頂點(diǎn)呈現(xiàn)錐形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的硅襯底上的硅柱陣列，其特征在于，所述柱體的中間部分比兩端細(xì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的硅襯底上的硅柱陣列，其特征在于，所述柱體的縱橫比至少為5。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的硅襯底上的硅柱陣列，其特征在于，所述柱體的縱橫比至少為10。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的硅襯底上的硅柱陣列，其特征在于，所述陣列的密度為至少480個(gè)娃柱 /10cm2。
【文檔編號(hào)】B81B1/00GK204138341SQ201420171106
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月18日
【發(fā)明者】崔波, 里彭·庫馬爾·戴 申請人:崔波, 里彭·庫馬爾·戴