一种无损伤摩擦诱导纳米加工方法与流程

本发明属于纳米加工技术领域，具体涉及一种无损伤摩擦诱导纳米加工方法。

背景技术：

随着纳米技术的不断发展，微/纳传感器和执行器展现出优异的稳定性、极高的分辨率和灵敏度、较强的抗干扰性能，在军事和民用领域的应用都更为广泛。其中，硅基微/纳结构仍是这些性能优异功能器件的核心。研究发现，硅基微/纳结构表面的污染物对器件的综合性能具有较大的影响，因此，硅基微/纳结构表面污染物的有效去除在半导体工业中显得越来越重要。目前常用的污染物去除方法主要有干法和湿法清洗两大类，其中，常用的干法清洗方法有uv/ozone清洗、微波诱导辉光放电、氧等离子体清洗等；常用湿法清洗主要包括丙酮、氢氟酸、双氧水以及含氟的易挥发有机溶剂等清洗方法。

近年来，摩擦诱导选择性刻蚀纳米加工技术因其简单、高效、成本低而受到越来越多的关注，但是，基于该方法加工的大面积微/纳结构表面会残留大量反应物，会对器件的性能产生较大的影响。因此，如何快速有效去除大面积微/纳结构表面残留的反应物显得越来越必要。虽然上述常用的干法和湿法清洗技术可以有效去除单晶硅表面的少量的有机或无机污染物，但是对于摩擦诱导选择性刻蚀加工过程中产生的大量无机反应物却无能为力。因此，亟待提出一种新的辅助纳米加工方法来迅速有效地去除大面积微/纳结构表面无机污染物。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种无损伤摩擦诱导纳米加工方法，该方法通过在化学刻蚀中施加外场的方法来保持刻蚀溶液的高速流动，从而及时有效地带走单晶硅表面生成的反应产物，保证单晶硅表面微/纳结构的质量，同时加快了化学刻蚀的效率且无结构损伤。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种无损伤摩擦诱导纳米加工方法，包括以下步骤：

s1、对单晶硅样品表面进行清洗以去除表面杂质；

s2、通过机械刻划加工设备利用探针在单晶硅样品表面按设定的加工参数进行扫描加工；

s3、配置刻蚀溶液，并将盛有刻蚀溶液的容器放置于磁力搅拌器中水浴加热并保持恒温，调制转子转速并保持恒定；

s4、将经步骤s2处理后的单晶硅样品用去离子水冲洗之后，浸入到步骤s3的容器中进行刻蚀，刻蚀时间为10～30min，取出并再次分别对单晶硅样品表面进行清洗，获得所需单晶硅表面纳米结构。

上述技术方案中，刻蚀时恒温温度优选为20～30℃，进一步优选为25℃，转子转速优选为300～700转/分。

上述技术方案中，优选刻蚀溶液为质量浓度为10％～30％的氢氧化钾溶液/异丙醇混合溶液，氢氧化钾溶液/异丙醇的体积比5：1。

上述技术方案中，机械刻划加工设备为原子力显微镜、摩擦力显微镜或纳米压/划痕仪等常用设备中的一种，而本发明中的探针，优选球形或锥形的金刚石探针、二氧化硅探针、氮化硅探针或氧化铝探针。值得说明的是，本发明加工方法中，对探针针尖曲率半径，以及加工载荷、刻划速度并无特殊限定，根据实际需要及本领域常规使用的金刚石探针加工参数进行加工即可。

上述技术方案中，所述步骤s1中，优选依次分别采用丙酮、无水乙醇和去离子水(二次去离子水)对单晶硅样品进行超声清洗，清洗时间各为3～5min，以去除样品表面的污染物。所述步骤s4中，依次分别采用丙酮、无水乙醇和去离子水(二次去离子水)对单晶硅样品进行超声清洗，清洗时间各为3～5min，以去除样品表面残余刻蚀溶液及其他异物。需要说明的是，对单晶硅表面的清洗方式并不限于上述优选方式，采用丙酮、无水乙醇、去离子水对单晶硅表面进行清洗的目的是去除附着于单晶硅表面的污染物或残余刻蚀溶液及其它异物。因而凡是在本发明思想指导下，以达到上述目的而采用的本领域中其他常规清洗方式均属于本发明保护范围内。

以下对本发明的反应过程和机理进行进一步的说明，以进一步展示本发明的优点：

(1)氢氧化钾(koh)溶液与单晶硅反应会生成难溶于水的络合物粘附在刻蚀结构的表面，影响单晶硅表面微/纳结构的形成。刻蚀结束之后，及时使用其他辅助手段也无法保证在无结构损伤的情况下有效去除残留的反应产物。因此，只有在化学刻蚀过程中通过施加外场的方式来持续不断地带走这些反应产物，保持单晶硅表面的洁净程度，从而确保微/纳结构的形成；

(2)在单晶硅样品的化学刻蚀过程中，利用集热式磁力搅拌器持续地搅拌刻蚀溶液，让刻蚀溶液始终保持高速流动的状态，单晶硅与刻蚀溶液所产生的反应产物就会持续不断地从单晶硅表面脱离，从而达到有效去除单晶硅表面反应产物的目的，同时也加快了化学刻蚀的速率，提高了加工效率。磁力搅拌这种较温和的外场不会对微/纳结构造成损伤，从而有利于保证大面积微/纳结构的一致性。

本发明提供的无损伤摩擦诱导纳米加工方法的有益效果是：

(1)与传统的干法和湿法清洗方法相比，本发明通过在化学刻蚀过程中施加外场的方式来达到及时有效地去除反应产物的目的，该方法简单、有效、安全而且成本低廉，普通大气环境下即可完成；

(2)本发明所采用的方法不会对微/纳结构造成损伤，有利于保证大面积微/纳结构的一致性；

(3)本发明所采用的方法可以缩短化学刻蚀的刻蚀时间，提高加工效率。

附图说明

图1(a)为实施例一在单晶硅表面加工得到的光栅结构的原子力显微镜图像；

图1(b)为实施例一在单晶硅表面加工得到的光栅结构的横截面轮廓图；

图2(a)为对比实验例一在单晶硅表面加工得到的光栅结构的原子力显微镜图像；

图2(b)为对比实验例一在单晶硅表面加工得到的光栅结构的横截面轮廓图；

图3(a)为对比实验例二在单晶硅表面加工得到的光栅结构的原子力显微镜图像；

图3(b)为对比实验例二在单晶硅表面加工得到的光栅结构的横截面轮廓图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例一

本实施例的无损伤摩擦诱导纳米加工方法，包括以下步骤：

s1、对单晶硅样品分别用丙酮、无水乙醇和二次去离子水超声清洗5分钟；

s2、将经步骤s1清洗过的单晶硅样品放置于多探针纳米加工设备上，利用金刚石探针在单晶硅样品表面按设定的加工参数进行扫描加工；

s3、配置质量浓度为20％的koh溶液和异丙醇的混合溶液，koh溶液和异丙醇的体积比5：1，并将盛有该溶液的塑料烧杯放置于集热式磁力搅拌器中水浴加热并保持恒温25℃左右，调制转子的转速为350转/分并保持恒定；

s4、将经步骤s2处理完成的单晶硅样品用二次去离子水冲洗之后，浸入到步骤s3的塑料烧杯中刻蚀15min后取出，并再次分别用丙酮、无水乙醇和二次去离子水超声清洗5分钟，获得所需单晶硅表面纳米结构。

图1(a)为本实施例在单晶硅表面加工得到的光栅结构的原子力显微镜图像；

图1(b)为本实施例在单晶硅表面加工得到的光栅结构的横截面轮廓图。

图1(a)和图1(b)表明利用本发明的方法，在单晶硅表面获得了高度为345纳米左右的光栅结构，表面无残留的反应产物且无结构损伤。

对比实验例一

该实施例的一种硅表面纳米加工方法，包括以下步骤：

s1、对单晶硅样品分别用丙酮、无水乙醇和二次去离子水超声清洗5分钟；

s2、将经步骤s1清洗过的单晶硅样品放置于多探针纳米加工设备上，利用金刚石探针在单晶硅样品表面按设定的加工参数进行扫描加工；

s3、配置质量浓度为20％的koh溶液和异丙醇的混合溶液，koh溶液和异丙醇的体积比5：1；

s4、将经步骤s2处理完成的单晶硅样品用二次去离子水冲洗之后，浸入到步骤s3的塑料烧杯中刻蚀15min后取出，并再次分别用丙酮、无水乙醇和二次去离子水超声清洗5分钟，对单晶硅表面进行观测。

图2(a)为本实施例在单晶硅表面加工得到的光栅结构的原子力显微镜图像；

图2(b)为本实施例在单晶硅表面加工得到的光栅结构的横截面轮廓图。

图2(a)和图2(b)表明利用常规的处理方法，在单晶硅表面获得了高度为345纳米左右的光栅结构，但是基底表面存在大量无法去除的反应产物。

对比实验例二

该实施例的一种硅表面纳米加工方法，包括以下步骤：

s1、对单晶硅样品分别用丙酮、无水乙醇和二次去离子水超声清洗5分钟；

s2、将经步骤s1清洗过的单晶硅样品放置于多探针纳米加工设备上，利用金刚石探针在单晶硅样品表面按设定的加工参数进行扫描加工；

s3、配置质量浓度为20％的koh溶液和异丙醇的混合溶液，koh溶液和异丙醇的体积比5：1；

s4、将经步骤s2处理完成的单晶硅样品用二次去离子水冲洗之后，浸入到步骤s3的塑料烧杯中刻蚀15min，并且刻蚀过程中持续保持超声处理，取出并再次分别用丙酮、无水乙醇和二次去离子水超声清洗5分钟，对单晶硅表面进行观测。

图3(a)为本实施例在单晶硅表面加工得到的光栅结构的原子力显微镜图像；

图3(b)为本实施例在单晶硅表面加工得到的光栅结构的横截面轮廓图。

图3(a)和图3(b)表明利用本发明的方法，在单晶硅表面获得了高度为190纳米左右的光栅结构，单晶硅基底无残留的反应产物但存在严重的结构损伤。

综上所示，对于摩擦诱导纳米加工而言，磁力搅拌是兼具有效去除化学反应产物、减小表面粗糙度并同时不会对纳米结构造成任何损伤的辅助加工方法。本发明提供的无损伤摩擦诱导纳米加工方法，通过在化学刻蚀过程中施加外场的方式来达到快速、有效且安全地去除单晶硅表面残留的大量反应产物的目的，该方法不但缩短了化学刻蚀的时间，提高了加工效率，而且不会对微/纳结构造成损伤。

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。