本發(fā)明涉及微納加工制備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列及其制備方法。

背景技術(shù)：

硅是一種使用范圍最廣的半導(dǎo)體材料，在當前信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，二極管、三極管、晶閘管、場效應(yīng)管和各種集成電路，包括計算機中的CPU等，都是用硅作為原材料。同時，硅還能被做成太陽能電池，將輻射能轉(zhuǎn)換為電能，在清潔能源的開發(fā)利用方面具有重要價值。此外，純二氧化硅可以制成高透明度的玻璃纖維，可用于光導(dǎo)纖維通訊，具有重量小、信息量大、抗干擾能力強、保密性高等優(yōu)點。

隨著納米科技的不斷發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)了納米材料具有顯著的界面和表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊性質(zhì)。這些特性使得納米材料呈現(xiàn)出了不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的電磁學、光學、熱力學和化學性質(zhì)，從而在光電器件、傳感芯片等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

納米材料作為新興的材料，目前最大的問題是如何制備批量、均勻、純凈的這種微型物質(zhì)，從而進一步研究這類材料的實際性能及其機理。從目前的研究情況來看，在諸多納米材料中，一維的碳納米管和二維的石墨烯材料的研究熱度最高，而準三維納米結(jié)構(gòu)的報道比較少，更多樣化的準三維納米結(jié)構(gòu)及其制備方法仍然具有重要的價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列及其制備方法，從而在電子信息、清潔能源、生化傳感等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段：一種硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列，所述的準三維納米結(jié)構(gòu)為納米級的兩頭大中間小的柱狀結(jié)構(gòu)；所述的柱狀結(jié)構(gòu)的兩頭的直徑和柱狀結(jié)構(gòu)的中間的直徑的比例為3~20：1。

同時還提供了一種硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列的制備方法，包括基底，制備方法包括以下步驟：

S1.洗片：選取單晶硅片進行清洗，吹干，得到一個干凈平整的硅基底；

S2.甩膠：將S1獲得的硅基底表面涂上一層電子束光刻膠薄層，電子束光刻膠薄層的厚度為50~1000nm；

S3.曝光：設(shè)計好曝光圖案并校正，然后對硅基底的電子束光刻膠薄層進行電子束曝光處理；

S4.顯影：將曝光后的硅基底浸沒于10%的四甲基氫氧化銨水溶液中，除去未交聯(lián)的電子束光刻膠；

S5.刻蝕：將硅基底放于載盤上，對硅基底帶有電子束光刻膠的面進行反應(yīng)離子刻蝕；

S6.去膠：用10%的氟化氫水溶液洗去殘留的電子束光刻膠，清洗并吹干，得到硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述S1包括以下過程：選取大小合適的硅片，先用無菌布蘸取無水乙醇擦拭硅基底表面；然后將硅片浸沒于丙酮中，以180 W的功率超聲清洗5 min；接著將硅片浸沒于酒精中，以180 W的功率超聲清洗5 min，用純水將硅片清洗干凈；最后將硅片用干燥氮氣流吹干，得到干凈平整的硅基底。

作為本發(fā)明的進一步改進，S4的步驟為：先將曝光后的硅片樣品浸沒于10%的四甲基氫氧化銨水溶液中，輕輕搖晃1 min；接著用清水清洗硅片樣品；最后用緩慢的干燥氮氣流吹干硅片樣品。

特別的，步驟S5的操作為：將硅基放置于載盤上進行反應(yīng)離子刻蝕，通過控制載盤材質(zhì)及尺寸調(diào)節(jié)反應(yīng)離子氣體的相對含量，保證硅基底不發(fā)生過刻蝕產(chǎn)生斷裂，得到一種硅基準三維納米柱狀結(jié)構(gòu)。

特別的，步驟S5的操作為：將硅基放置于載盤上進行反應(yīng)離子過刻蝕，得到一種錐狀納米結(jié)構(gòu)；該錐狀納米結(jié)構(gòu)的母線為弧形。

本發(fā)明主要利用了反應(yīng)離子氣體在硅片內(nèi)刻蝕的各向同性和各向異性，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)離子氣體的濃度和待刻蝕面積的比例，實現(xiàn)尺寸多樣化的硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列的可控制備。

本發(fā)明具備以下有益效果。

1.與現(xiàn)有的硅基納米有序結(jié)構(gòu)陣列相比，本發(fā)明的硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列具有更復(fù)雜的準三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)高度有序、高度精密、尺寸極小、結(jié)構(gòu)可控，具有特殊的光學、電學性質(zhì)，在電子信息、太陽能電池、生化傳感等領(lǐng)域有重要價值；

2.本發(fā)明通過調(diào)整反應(yīng)離子刻蝕工藝，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列的制備，并能可控地調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)的尺寸；

3.同時提供了一種硅基準三維納米柱狀有序陣列和一種硅基準三維納米錐狀有序陣列，在光電器件、傳感芯片等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為不同形狀的硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列的制備流程示意圖；

圖2為經(jīng)電子束曝光的硅片樣品顯影后的微觀結(jié)構(gòu)電鏡圖；

圖3為反應(yīng)離子刻蝕后，硅基準三維納米柱狀有序陣列和硅基準三維納米錐狀有序陣列的微觀結(jié)構(gòu)電鏡圖；

圖4為去膠后的硅基準三維納米柱狀有序陣列和硅基準三維納米錐狀有序陣列的微觀結(jié)構(gòu)電鏡圖；

其中，1為基底，2為電子束光刻膠薄層，a為反應(yīng)離子氣體適量條件下合成的硅基準三維納米柱狀有序陣列，b為過刻蝕條件下制備的硅基準三維納米錐狀有序陣列。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步詳細說明本發(fā)明。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、設(shè)備和方法為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)市購的試劑、設(shè)備和常規(guī)使用的方法。

實施例一：硅基準三維納米柱狀有序陣列

1.洗片：裁取2cm×2cm的單晶硅片，依次用丙酮、酒精、清水對硅片進行超聲振蕩清洗，最后用干燥氮氣流吹干，提供一干凈平整的硅基底；

2.甩膠：利用旋涂儀，在硅基底表面旋涂一層700nm厚度的電子束光刻膠，將樣品硅片放置在90 ℃熱臺上前烘處理5 min；

3.曝光：設(shè)計曝光圖案為納米實心圓陣列，圓直徑為360 nm，陣列周期為610 nm，用軟件進行鄰近效應(yīng)校正后，對硅片樣品的光刻膠薄層進行電子束曝光處理；

4.顯影：將曝光后的硅片樣品浸沒于10%的四甲基氫氧化銨水溶液中，輕輕搖晃1 min，除去未交聯(lián)的光刻膠，再用清水清洗干凈，干燥氮氣流吹干；

5.刻蝕：取直徑約為10 cm的二氧化硅圓盤作為載盤，將樣品硅片放置在載盤表面，對硅基底電子束光刻膠薄層所在面進行反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕氣體成分為為15 sccm CHF3，5 sccm SF6，壓強為5 mTorr，溫度為20℃，刻蝕時間為10.5 min；

6.去膠：用10%的氟化氫水溶液洗去殘留的光刻膠，再用清水清洗干凈，干燥氮氣流吹干，最后得到硅基準三維納米結(jié)構(gòu)有序陣列。

制備過程如附圖1 中a所示，電子束曝光并顯影后所得結(jié)果的局部微觀掃描電鏡照片如圖2 所示，反應(yīng)離子刻蝕以及去膠后所得結(jié)果的局部微觀掃描電鏡照片如圖3中a部分、圖4中a部分所示。所得柱狀結(jié)構(gòu)兩頭的直徑與柱狀結(jié)構(gòu)中間的直徑比為8：1。

實施例二：硅基準三維納米錐狀有序陣列

1.洗片：裁取1cm×1 cm的單晶硅片，依次用丙酮、酒精、清水對硅片進行超聲振蕩清洗，最后用干燥氮氣流吹干，提供一干凈平整的硅基底；

2.甩膠：與實施例1操作一致；

3.曝光：與實施例1操作一致；

4.顯影：與實施例1操作一致；

5.刻蝕：與實施例1操作一致；

6.去膠：與實施例1操作一致。

制備過程如附圖1中b部分所示，電子束曝光并顯影后所得結(jié)果的局部微觀掃描電鏡照片如圖2 所示，反應(yīng)離子刻蝕并去膠后所得結(jié)果的局部微觀掃描電鏡照片如圖3中b部分、圖4中b部分所示。