本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构加工方法。
背景技术
如何实现高质量的衬底织构在微纳加工技术领域特别是光学显示领域有着重要的意义。分子外延生长或者气相沉积的方法是实现高性能光学显示器件的重要途径。由于一些光学材料昂贵，需要在衬底材料表面采用分子外延生长或者气相沉积技术来沉积相应的光学材料，如在单晶硅衬底表面沉积gan等。在光学材料外延生长过程中，衬底材料表面的缺陷将会传递至外延层，不利于光学器件性能的提升。研究表明，经织构化处理后的衬底，可以有效减弱这种生长缺陷的产生；进一步地，无损织构(织构所包含的结构无晶格损伤)，不仅能避免外延生长缺陷，更能最大程度提高器件发光效率。因此，实现无损的衬底结构的加工尤为重要。
基于阳极氧化-二次刻蚀的加工方法有望加工出无损的衬底织构，该无损衬底织构可以作为光学材料的外延生长衬底。由于其没有损伤，可供形成完美的外延晶格材料(薄膜)，对后续加工高效率激光器、led等发光器件中有着至关重要的作用。阳极氧化-二次刻蚀有着高效率、低成本、无损伤的优点，可以作为加工无损衬底结构的一种新方法。
技术实现要素：
本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构加工方法，该加工方法能加工可作为生长外延层的无损伤衬底。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于阳极氧化-二次刻蚀无损微纳结构的加工方法，包括以下步骤：
s1、将单晶硅(100)基片表面进行氧化层去除处理，再对其表面进行清洗；
s2、利用原子力显微镜探针，通过阳极氧化在单晶硅(100)基片表面上加工一层氧化膜图案作为掩膜；
s3、采用tmah溶液对单晶硅(100)基片表面进行刻蚀，得到所需纳米结构；
s4、采用hf溶液对经过步骤s3处理的单晶硅(100)基片进行刻蚀，以完全去除氧化膜，获得所需无损微纳结构。
上述技术方案中，所述步骤s1中，优选质量浓度5％的氢氟酸(hf)溶液刻蚀单晶硅(100)基片表面5min，再采用无水乙醇和二次去离子水对单晶硅(100)基片表面进行清洗，清洗时间均为5min。在本发明中，采用hf溶液对单晶硅(100)基片进行刻蚀的目的是为除去其表面的自然氧化层，而采用无水乙醇和二次去离子水的目的是清洗净hf溶液残留，因此，对单晶硅(100)基片表面进行氧化层去除处理，再对其表面进行清洗，不限于上述方法，凡在本发明的思想指导下，采用的本领域中其它常规氧化层去除处理及清洗方式，也属于本发明保护范围内。
上述技术方案中，所述步骤s2中，由于在较低的偏压下，加工的氧化掩膜厚度较低，掩膜的效果差；而偏压过高时，生成氧化膜的直径会变大。因此本发明中，优选在原子力显微镜探针的针尖施加的偏压为0.5v～10v，进一步优选为7v～9v。相对湿度对加工亦有影响，在阳极氧化期间一定要保持湿度的稳定性，过大或过小均会导致加工结构的不均匀，优选湿度为40％～70％，进一步优先为45％-55％。此外，由于针尖扫描速度过快，会影响阳极氧化产生的氧化膜的均匀性，进而会影响掩膜的效果。本发明中，优选加工氧化膜的针尖速度为不大于2μm/s，进一步优选为2μm/s。
上述技术方案中，所述步骤s3中，四甲基氢氧化铵(tmah)溶液浓度过高会影响到刻蚀速率和硅表面的粗糙度，而25％的tmah溶液就是速率和粗糙度之间的平衡点。随着刻蚀时间的增加，所加工结构会发生坍塌。故从所加工结构呈现的效果看，优选tmah溶液质量浓度为25％，刻蚀时间为1min～8min，在该刻蚀时间范围内，所加工的纳米结构高度随着刻蚀时间而增加。进一步的，优选刻蚀时间为8min。发明人实验发现，当刻蚀时间为8min时，此时可获得最大刻蚀高度，所得的纳米结构的形状和高度是最均匀的。
上述技术方案中，所述步骤s4中，优选hf溶液质量浓度为5％，刻蚀时间为5min。需要说明的是，采用hf溶液对经过步骤s3处理的单晶硅(100)基片进行刻蚀，其目的是为了完全去除步骤s2中所加工的氧化膜，以得到无损的纳米解决。因此，也可采用本领域中其他常规的氧化膜去除方法。凡在本发明思想的指导下，采用本领域常规的其他氧化膜去除方式，也属于本发明的保护范围。
以下对本发明的原理进行详细说明，以进一步展示本发明的优点：本发明先通过在原子力显微镜探针(afm)的导电针尖在样品(单晶硅(100)基片)上施压一定的正偏压，通过阳极氧化生成一层氧化膜，该氧化膜可作为后续刻蚀的掩膜；然后将样品置于tamh溶液中进行选择性刻蚀，此时，掩膜周围区域将被快速刻蚀，有掩膜区域凸显出来；最后，将在tmah刻蚀后的衬底放入hf溶液中，以去除氧化膜。通过afm的导电性测试，若表面导电情形一致，表明加工的表面结构是无损伤的。
本发明提供的基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构加工方法具有以下有益效果：
1、利用本发明提供的方法加工出的衬底织构，相比其他的外延生长的发光衬底，具有不损伤的特点；
2、通过控制原子力显微镜(afm)探针针尖的路径，可以灵活的加工各种需要的图案，适用性强；
3、刻蚀过程中的tmah溶液与hf溶液易于得到，刻蚀过程在常温、常压下完成，只需控制刻蚀时间即可得到一定的刻蚀高度，且湿法刻蚀污染少，相对于其他的方法，刻蚀的成本较低、速度快、表面质量高；
4、该方法在进行阳极氧化时，针尖与硅片之间的接触压力远小于硅片屈服时的临界接触压力，不会损伤硅基底。
附图说明
图1是本发明基于阳极氧化-二次刻蚀的无损伤微纳结构加工方法的步骤流程示意图；
图2是实施例一加工的纳米点在tmah溶液中分别刻蚀0min(a)、2min(b)、6min(c)、8min(d)、10min(e)、16min(f)后的原子力显微镜形貌图；
图3是实施例一加工的纳米点其高度随着在tmah溶液中刻蚀时间增加的变化图；
图4是实施例二加工的纳米结构分别在hf溶液中刻蚀0min(a)、3min(b)、5min(c)、8min(d)、10min(e)后的原子力显微镜形貌图；
图5是实施例二加工的纳米结构其高度随着在hf溶液中刻蚀时间增加的变化图；
图6是实施例三分别经过步骤s2(a)、步骤s3(b)、步骤s4(c)加工的纳米结构的原子力显微镜形貌图和电流图；
图7是采用本发明基于阳极氧化-二次刻蚀的无损伤微纳结构的加工方法制备的无损伤微纳结构的原子力显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明的一种基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构加工方法，包括以下步骤：
s1、采用质量浓度5％的hf溶液刻蚀单晶硅(100)基片表面5min，除去其表面的自然氧化层，再依次采用无水乙醇和二次去离子水对单晶硅(100)基片表面进行超声清洗，清洗时间均为5min；
s2、在原子力显微镜探针的针尖施加0.5v～10v的偏压，并控制湿度在40％～70％，针尖速度为2μm/s，通过阳极氧化在单晶硅(100)基片表面上加工一层氧化膜图案作为掩膜；
s3、采用质量浓度25％的tmah溶液对单晶硅(100)基片表面进行刻蚀，刻蚀时间为1min～8min，得到所需纳米结构；
s4、采用质量浓度5％的hf溶液对经过步骤s3处理的单晶硅(100)基片进行刻蚀，刻蚀时间5min，以去除氧化膜，获得所需无损微纳结构。
经过步骤s1～s4处理后，可以使用导电针尖，将扫描速度控制在1μm/s以下，进行加工表面的导电性测试。根据电流图可知，经过hf去除氧化层后的结构是和硅衬底是一样的，即是加工的结构是无损伤的。
如图7所示，是发明人通过图1所示的加工步骤流程示意图，采用本发明提供的基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构的加工方法加工出来的无损伤微纳结构图案的原子力显微镜图。本发明尤其适合加工高性能光学显示的无损衬底。
以下通过具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例的一种基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构加工方法，包括以下步骤：
s1、采用质量浓度5％的hf溶液刻蚀单晶硅(100)基片表面5min，除去其表面的自然氧化层，再依次分别采用无水乙醇和二次去离子水对单晶硅(100)基片表面进行超声清洗5min；
s2、在原子力显微镜探针的针尖施加+7v的偏压，并控制相对湿度为50％，针尖速度2μm/s，通过阳极氧化在单晶硅(100)基片表面上加工一层氧化膜图案作为掩膜；
s3、采用质量浓度25％的tmah溶液对单晶硅(100)基片表面进行刻蚀，刻蚀时间分别为0min、2min、6min、8min、10min、16min，得到所需纳米点；
s4、采用质量浓度5％的hf溶液对经过步骤s3处理的单晶硅(100)基片进行刻蚀，刻蚀时间为5min，以去除氧化膜，获得所需无损微纳结构。
如图2所示，可以看出在tmah溶液中，不同的时间点刻蚀出的纳米点的高度和形状。
如图3所示，在本次加工条件下，tmah溶液刻蚀8min后，纳米结构的形状相对而言更好，高度也更合适。
实施例二
本实施例的一种基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构加工方法，包括以下步骤：
s1、采用质量浓度5％的hf溶液刻蚀单晶硅(100)基片表面5min，除去其表面的自然氧化层，再依次分别采用无水乙醇和二次去离子水对单晶硅(100)基片表面进行超声清洗5min；
s2、在原子力显微镜探针的针尖施加+7v的偏压，并控制相对湿度为50％，针尖速度2μm/s，通过阳极氧化在单晶硅(100)基片表面上加工一层氧化膜图案作为掩膜；
s3、采用质量浓度25％的tmah溶液对单晶硅(100)基片表面进行刻蚀，刻蚀时间2min，得到所需纳米结构；
s4、采用质量浓度5％的hf溶液对经过步骤s3处理的单晶硅(100)基片进行刻蚀，刻蚀时间分别为0min、3min、5min、8min、10min，获得所需无损微纳结构。
如图4-5所示，在5％的hf溶液刻蚀5min后，氧化膜已完全去除，并且可以计算出氧化膜的厚度大约为4nm。
实施例三
本实施例的一种基于阳极氧化-二次刻蚀的无损微纳结构加工方法，包括以下步骤：
s1、采用质量浓度5％的hf溶液刻蚀单晶硅(100)基片表面5min，除去其表面的自然氧化层，再依次分别采用无水乙醇和二次去离子水对单晶硅(100)基片表面进行超声清洗5min；
s2、在原子力显微镜探针的针尖施加+7v的偏压，并控制相对湿度为50％，针尖速度2μm/s，通过阳极氧化在单晶硅(100)基片表面上加工一层氧化膜图案作为掩膜；
s3、采用质量浓度25％的tmah溶液对单晶硅(100)基片表面进行刻蚀，刻蚀时间2min，得到纳米结构；
s4、采用质量浓度5％的hf溶液对经过步骤s3处理的单晶硅(100)基片进行刻蚀，刻蚀时间5min，获得所需无损微纳结构。
利用afm的导电模块进行扫导电图，由于扫描速度对其结果会产生影响，为了得到更准确的数据，扫描速度设置为0.6μm/s，扫描的偏压为-2v。
如图6所示，在使用5％的hf溶液刻蚀5min后，由电流图可以看出，在电流通过时，硅基底和加工的结构是一致的，没有任何差异性，表明加工的结构是无损伤的。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。