一种硅基准三维纳米结构有序阵列及其制备方法与流程

本发明涉及微纳加工制备领域，更具体地，涉及一种硅基准三维纳米结构有序阵列及其制备方法。

背景技术：

硅是一种使用范围最广的半导体材料，在当前信息技术快速发展的背景下，二极管、三极管、晶闸管、场效应管和各种集成电路，包括计算机中的CPU等，都是用硅作为原材料。同时，硅还能被做成太阳能电池，将辐射能转换为电能，在清洁能源的开发利用方面具有重要价值。此外，纯二氧化硅可以制成高透明度的玻璃纤维，可用于光导纤维通讯，具有重量小、信息量大、抗干扰能力强、保密性高等优点。

随着纳米科技的不断发展，研究发现了纳米材料具有显著的界面和表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特殊性质。这些特性使得纳米材料呈现出了不同于传统结构材料的电磁学、光学、热力学和化学性质，从而在光电器件、传感芯片等方面具有广阔的应用前景。

纳米材料作为新兴的材料，目前最大的问题是如何制备批量、均匀、纯净的这种微型物质，从而进一步研究这类材料的实际性能及其机理。从目前的研究情况来看，在诸多纳米材料中，一维的碳纳米管和二维的石墨烯材料的研究热度最高，而准三维纳米结构的报道比较少，更多样化的准三维纳米结构及其制备方法仍然具有重要的价值。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种硅基准三维纳米结构有序阵列及其制备方法，从而在电子信息、清洁能源、生化传感等领域发挥作用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：一种硅基准三维纳米结构有序阵列，所述的准三维纳米结构为纳米级的两头大中间小的柱状结构；所述的柱状结构的两头的直径和柱状结构的中间的直径的比例为3~20：1。

同时还提供了一种硅基准三维纳米结构有序阵列的制备方法，包括基底，制备方法包括以下步骤：

S1.洗片：选取单晶硅片进行清洗，吹干，得到一个干净平整的硅基底；

S2.甩胶：将S1获得的硅基底表面涂上一层电子束光刻胶薄层，电子束光刻胶薄层的厚度为50~1000nm；

S3.曝光：设计好曝光图案并校正，然后对硅基底的电子束光刻胶薄层进行电子束曝光处理；

S4.显影：将曝光后的硅基底浸没于10%的四甲基氢氧化铵水溶液中，除去未交联的电子束光刻胶；

S5.刻蚀：将硅基底放于载盘上，对硅基底带有电子束光刻胶的面进行反应离子刻蚀；

S6.去胶：用10%的氟化氢水溶液洗去残留的电子束光刻胶，清洗并吹干，得到硅基准三维纳米结构有序阵列。

作为本发明的进一步改进，所述S1包括以下过程：选取大小合适的硅片，先用无菌布蘸取无水乙醇擦拭硅基底表面；然后将硅片浸没于丙酮中，以180 W的功率超声清洗5 min；接着将硅片浸没于酒精中，以180 W的功率超声清洗5 min，用纯水将硅片清洗干净；最后将硅片用干燥氮气流吹干，得到干净平整的硅基底。

作为本发明的进一步改进，S4的步骤为：先将曝光后的硅片样品浸没于10%的四甲基氢氧化铵水溶液中，轻轻摇晃1 min；接着用清水清洗硅片样品；最后用缓慢的干燥氮气流吹干硅片样品。

特别的，步骤S5的操作为：将硅基放置于载盘上进行反应离子刻蚀，通过控制载盘材质及尺寸调节反应离子气体的相对含量，保证硅基底不发生过刻蚀产生断裂，得到一种硅基准三维纳米柱状结构。

特别的，步骤S5的操作为：将硅基放置于载盘上进行反应离子过刻蚀，得到一种锥状纳米结构；该锥状纳米结构的母线为弧形。

本发明主要利用了反应离子气体在硅片内刻蚀的各向同性和各向异性，通过调节反应离子气体的浓度和待刻蚀面积的比例，实现尺寸多样化的硅基准三维纳米结构有序阵列的可控制备。

本发明具备以下有益效果。

1.与现有的硅基纳米有序结构阵列相比，本发明的硅基准三维纳米结构有序阵列具有更复杂的准三维结构，该结构高度有序、高度精密、尺寸极小、结构可控，具有特殊的光学、电学性质，在电子信息、太阳能电池、生化传感等领域有重要价值；

2.本发明通过调整反应离子刻蚀工艺，实现了结构更复杂的硅基准三维纳米结构有序阵列的制备，并能可控地调节纳米结构的尺寸；

3.同时提供了一种硅基准三维纳米柱状有序阵列和一种硅基准三维纳米锥状有序阵列，在光电器件、传感芯片等方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为不同形状的硅基准三维纳米结构有序阵列的制备流程示意图；

图2为经电子束曝光的硅片样品显影后的微观结构电镜图；

图3为反应离子刻蚀后，硅基准三维纳米柱状有序阵列和硅基准三维纳米锥状有序阵列的微观结构电镜图；

图4为去胶后的硅基准三维纳米柱状有序阵列和硅基准三维纳米锥状有序阵列的微观结构电镜图；

其中，1为基底，2为电子束光刻胶薄层，a为反应离子气体适量条件下合成的硅基准三维纳米柱状有序阵列，b为过刻蚀条件下制备的硅基准三维纳米锥状有序阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。除非特别说明，本发明采用的试剂、设备和方法为本技术领域常规市购的试剂、设备和常规使用的方法。

实施例一：硅基准三维纳米柱状有序阵列

1.洗片：裁取2cm×2cm的单晶硅片，依次用丙酮、酒精、清水对硅片进行超声振荡清洗，最后用干燥氮气流吹干，提供一干净平整的硅基底；

2.甩胶：利用旋涂仪，在硅基底表面旋涂一层700nm厚度的电子束光刻胶，将样品硅片放置在90 ℃热台上前烘处理5 min；

3.曝光：设计曝光图案为纳米实心圆阵列，圆直径为360 nm，阵列周期为610 nm，用软件进行邻近效应校正后，对硅片样品的光刻胶薄层进行电子束曝光处理；

4.显影：将曝光后的硅片样品浸没于10%的四甲基氢氧化铵水溶液中，轻轻摇晃1 min，除去未交联的光刻胶，再用清水清洗干净，干燥氮气流吹干；

5.刻蚀：取直径约为10 cm的二氧化硅圆盘作为载盘，将样品硅片放置在载盘表面，对硅基底电子束光刻胶薄层所在面进行反应离子刻蚀，刻蚀气体成分为为15 sccm CHF3，5 sccm SF6，压强为5 mTorr，温度为20℃，刻蚀时间为10.5 min；

6.去胶：用10%的氟化氢水溶液洗去残留的光刻胶，再用清水清洗干净，干燥氮气流吹干，最后得到硅基准三维纳米结构有序阵列。

制备过程如附图1 中a所示，电子束曝光并显影后所得结果的局部微观扫描电镜照片如图2 所示，反应离子刻蚀以及去胶后所得结果的局部微观扫描电镜照片如图3中a部分、图4中a部分所示。所得柱状结构两头的直径与柱状结构中间的直径比为8：1。

实施例二：硅基准三维纳米锥状有序阵列

1.洗片：裁取1cm×1 cm的单晶硅片，依次用丙酮、酒精、清水对硅片进行超声振荡清洗，最后用干燥氮气流吹干，提供一干净平整的硅基底；

2.甩胶：与实施例1操作一致；

3.曝光：与实施例1操作一致；

4.显影：与实施例1操作一致；

5.刻蚀：与实施例1操作一致；

6.去胶：与实施例1操作一致。

制备过程如附图1中b部分所示，电子束曝光并显影后所得结果的局部微观扫描电镜照片如图2 所示，反应离子刻蚀并去胶后所得结果的局部微观扫描电镜照片如图3中b部分、图4中b部分所示。