一种异质交替叠层台阶引导生长三维坡面纳米线阵列的方法与流程

技术特征：

1.一种利用异质交替叠层台阶引导生长三维坡面纳米线阵列的方法，其特征是步骤包括：1)采用晶硅、玻璃、聚合物或者介质层薄膜覆盖的金属薄膜作为衬底，利用薄膜淀积技术，在衬底上淀积异质交替的介质薄膜层或非晶半导体薄膜层；交替薄膜叠层结构其中包括至少两种异质交替的多层薄膜结构，每层介质薄膜层或非晶半导体薄膜层厚度在1～1000纳米范围，循环叠层周期可为1～100，相邻的各层之间具有不同的气相或溶液刻蚀速度，以有利于后续刻蚀步骤中形成纳米台阶结构；2)利用光刻、电子束直写或掩模板技术实现所需的平面图案在淀积层上形成，即定义坡面引导沟道台阶位置，利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀或者反应离子体刻蚀RIE刻蚀整个淀积层形成刻蚀面；3)随后，针对非晶氧化硅以及氮化硅介质层薄膜、利用含有HF刻蚀或者与非晶半导体薄膜层对应的刻蚀成分的湿法或气相干法刻蚀技术，对所形成的刻蚀面进行刻蚀处理，形成凹凸交替的陡直侧壁台阶或多级倾斜坡面台阶结构；4)在坡面台阶，利用光刻、蒸发或者溅射金属淀积工艺，制备带状的铟或锡金属催化层，作为纳米线的生长起点位置；在还原性气体等离子体作用下，在高于催化层金属熔点的温度进行处理，使覆盖在侧壁坡面引导沟道上的催化金属层转变成为分离的金属纳米颗粒；5)将温度降低到金属催化颗粒熔点以下，整个结构表面淀积覆盖与所需生长纳米线相应非晶半导体前驱体薄膜层；6)将温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属催化颗粒重新融化，并开始在生长时纳米线前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构；借助坡面侧壁上形成的多级台阶结构作为引导沟道，获得平行排布生长于侧壁坡面台阶之上的高密度纳米线阵列；7)剩余非晶前驱体层通过氢气等离子体或者相应的ICP、RIE刻蚀工艺清除。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是1)中以晶硅、玻璃、聚合物或者介质层覆盖的金属薄膜作为衬底，利用化学气相沉积(CVD)，等离子体增强PECVD，原子层淀积(ALD)、热蒸发和各种溅射物理气相沉积(PVD)技术的一种或者多种技术；多层异质薄膜叠层中的薄膜层为不同本征或具有不同掺杂成分的淀积异质交替的多层非晶硅、非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅薄膜；每层薄膜的厚度在1nm～1000nm范围，叠层循环周期可以为1～100范围之内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是2)中利用光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术，定义引导台阶预定的坡面位置，再用ICP或者RIE刻蚀方法刻蚀整个多层薄膜结构直到衬底表面。刻蚀过程中可使用C4F8、CF4、SF6或其混合气体具有不同陡直特性和表面钝化特性的反应气体进行刻蚀、或者交替循环使用不同刻蚀气氛，以形成异质叠层的坡面侧壁，根据不同的反应气体配比和交替工艺，获得平直陡面或倾斜坡面的坡面侧壁。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是3)中利用含有HF、Cl或磷酸成分或者与薄膜层对应的刻蚀成分的湿法或气相干法刻蚀技术，对所暴露形成的坡面结构进行处理，在坡面上形成凹凸交替的陡直侧壁台阶或多级倾斜坡面台阶结构。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是利用0.5％～40wt％HF溶液刻蚀SiO2/SiNx叠层，处理时间控制在1～100s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是4)中在坡面台阶一段上，通过光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术，定义图案并通过热蒸发，再以CVD，PECVD或者PVD技术制备一层在坡面台阶上厚度在1～500nm范围内的铟、锡、镓、铋、金、铜、镍、钛、银、铅以及其合金金属催化层；在高于金属熔点的温度，利用氢气或氨气还原性气体的等离子体在200～500℃氛围在PECVD中的之间处理金属催化层，使之转变成为分离的纳米颗粒，并通过控制其处理时间，将坡面上的金属颗粒的直径控制在10～1000nm范围内。

7.根据权利要6所述的方法，其特征是在PECVD系统中，处理功率密度为1mW/cm²～10W/cm²之间，气压在1Pa～100Torr之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是5)中，将温度降低到金属催化颗粒熔点以下，即在低于催化金属液滴熔点的温度下，通过PECVD，CVD或者PVD沉积技术，在表面覆盖一层或多层，与所需要生长纳米线成分相对应的非晶薄膜前驱体层；前驱体层为非晶硅a-Si、非晶锗a-Ge、非晶碳a-C或者其中的非晶合金层，以及异质叠层(如a-Ge/a-Si)结构；在坡面台阶上，每层薄膜覆盖厚度在2～500nm之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是6)中，在真空或者惰性气体保护的环境中，将温度升高到金属熔点(或金属与薄膜前驱体和合金eutectic温度)以上，坡面上的金属颗粒将重新变为液滴，并开始在纳米线生长的前端不断吸收非晶前驱体，而在后端界面淀积出晶态的纳米线结构。由于坡面纳米台阶的引导作用，纳米线将平行生长与坡面之上，生长方向由引导坡面整体走向决定。故而，纳米线的线形可以通过对引导台阶的设计而精确编程设计，既不仅仅是生长简单直线阵列，而是可以生长出可编程的平面线形纳米线结构。同时，相邻纳米线的间距由台阶间隔决定，可利用叠层膜厚精确调控在几纳米到几百纳米之间。通过调节刻蚀条件可控制坡面陡直度，从而获得高密度3D平行坡面纳米线阵列。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征是7)中由于坡面台阶生长的纳米线直径大于坡面上剩余非晶薄膜前驱体层，通常直径是薄膜厚度的2～3倍，且在ICP，RIE刻蚀工艺中，非晶层的刻蚀速率通常高于对晶态纳米线沟道的刻蚀，坡面台阶上的非晶层被选择性地清除。