专利名称：一种制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法
技术领域：
本发明涉及纳米加工技术，具体是一种在室温下制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法。
背景技术：
纳米尺度结构的制备和加工技术对纳电子学、光电子学和光子学等领域有重要意 义。现有的微纳结构主要通过光刻技术来制备，但受限于光的波长，即使利用电子束光刻技 术，目前尚无法制备数纳米的结构，光刻技术在制备纳米尺度结构方面逐渐失去优势，为此 数十年来人们一直探索各种制备纳米结构的技术。 碳纳米管直径极小，若单壁碳纳米管，其直径通常只有l-3nm，该尺度特征可为纳 米结构制备提供了一种新的思路，即利用碳纳米管作为母体，通过各种技术手段将碳纳米 管的尺度特征转移至其它各种材料表面，从而实现纳米尺度的结构。2004年，Feng Hua 等人利用纳米压印技术，利用单壁碳纳米管为模板，在聚合物衬底上获得了仅为2nm的单 分子尺度的人工结构(Feng Hua， etal. ， NanoLett. 4， 2467 (2004))，但该方法衬底受限， 只能在聚合物上进行加工。2005年，Michael等利用多壁碳纳米管为掩膜，利用反应离子 刻蚀(RIE)技术在硅表面得到了数十纳米的微结构(Michael Stenbk Schmidt, et al.， Nanotechnology 16， 750 (2005))，但该方法所有结构均会因RIE受一定程度的损伤，且不 易控制。 最近Hye Ryung Byon等在1700°C的高温下对生长在氧化硅的衬底上的碳纳米管 处理时发现，碳管可以直接可以与氧化硅反应，在表面获得了 10nm线宽的纳米沟槽(Hye RyungByon， etal. Naturenanotechnology2， 162 (2007)，但该方法得问题是温度太高，无法 与现有硅基工艺兼容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用碳纳米管增强刻蚀特性、在室温下制备纳米尺度 氧化硅沟槽的方法。 本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的
—种制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法，包括如下步骤
1)在氧化硅衬底上直接生长或沉积碳纳米管；
2)在上述碳纳米管上沉积一层氧化硅薄膜； 3)用腐蚀溶液刻蚀掉上述氧化硅薄膜，在氧化硅衬底上得到纳米尺度的沟槽。
所述氧化硅衬底为表面有热氧化硅层的单晶硅片、石英、玻璃或沉积有氧化硅薄 层的PET塑料、PDMS等柔软基底。 碳纳米管可为单壁碳纳米管、单壁碳纳米管束、双壁或多壁碳纳米管。 在绝缘衬底上直接生长碳纳米管的方法可为化学气相沉积(CVD)。 在碳纳米管上沉积氧化硅薄膜可用磁控溅射法和等离子增强化学气相沉积(PECVD);厚度以完全盖住碳纳米管为最小值，一般为20nm—100nm。 单晶硅片衬底上的热氧化硅层可以是平面状的、也可是三维立体、呈陡坡状的，厚 度不限，一般为20nm以上。 刻蚀氧化硅的腐蚀溶液为氢氟酸溶液或碱性溶液，例如TMAH((CH3)4N+OH—)，其中
氢氟酸溶液的水和氢氟酸的体积比在10 : l—3 : 1范围，刻蚀时间取决于覆盖在碳纳米
管上氧化硅薄膜厚度。 本发明的技术优点和效果 本发明利用碳纳米管增强刻蚀特性、在室温下制备纳米尺度氧化硅沟槽。其原理 为在碳纳米管上沉积氧化硅薄膜，碳纳米管表面的缺陷会增加，随后用腐蚀溶液刻蚀氧 化硅薄膜，碳纳米管表面的缺陷会增加腐蚀溶液中包裹在碳纳米管周围的双电层中离子的 局域浓度。以氢氟酸溶液为例，氢氟酸刻蚀氧化硅的反应方程式2HF+H20 —— H30++HF2—、 3HF2—+Si02+3H30+ — H2SiF6+5H20。可以看出上述H30+离子的局域浓度增加会加快氢氟酸刻 蚀衬底氧化硅的速率，从而导致了沿着原来碳纳米管的取向方向的纳米尺度沟槽的形成。
本发明工艺简单、效率高、成本低。且纳米尺度氧化硅沟槽形状取决于碳纳米管的 形状，刻蚀时不受表面形貌变化的影响，该沟槽的位置和方向可通过预先调整碳纳米管的 位置和取向来控制，沟槽的宽度和深度可通过控制刻蚀时间和碳纳米管的直径等控制。
本发明与现有硅基工艺兼容，可实现大规模、大面积的纳米尺度氧化硅沟槽的制 备。
下面结合附图对本发明进一步详细地说明 图1为纳米尺度氧化硅沟槽的原子力显微镜示意图。
具体实施例方式
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
实施例一 选用覆盖有400nm的热氧化硅的单晶硅片作为衬底。 通过化学气相沉积(CVD)方法直接在热氧化硅上生长单壁碳纳米管(采用普通的 工艺条件90(TC /95(TC、气氛/H2与CH4和催化剂/Fe)，碳纳米管形状随意。
随后，利用磁控溅射方法在碳纳米管上方沉积30nm厚的氧化硅薄膜。(溅射时 间:2hours ;Ar气体流量2. 5mTorr ;02气体流量:2mTorr ;样品台温度300K ;射频功率: 100W ;) 用氢氟酸和水的体积比为l : IO氢氟酸溶液刻蚀碳纳米管上方沉积的氧化硅薄 膜，经30秒钟后，碳纳米管上方沉积的氧化硅薄膜全部刻蚀掉，在热氧化硅表面获得了纳 米尺度的沟槽，如图l所示。(其中图1(a)、图l(b)和图(c)为不同放大倍数的原子力显 微镜图)用原子力显微镜测量表面形貌，沟槽长度取决于碳纳米管的长度，且沟槽的深度 随着碳纳米管直径的增加而加深，并且在一些沟槽内还可以看到碳纳米管，如图(c)中白 色箭头所指。
实施例二
选用覆盖有400nm的热氧化硅的单晶硅片作为衬底。 通过电弧法生长碳纳米管，将在DMF溶液中超声后的碳纳米管分散沉积到氧化硅 衬底上。 随后，利用化学气相沉积方法(PECVD)在碳纳米管上沉积30nm厚的氧化硅薄膜。
随即用氢氟酸和水的体积比为l : 3氢氟酸溶液刻蚀碳纳米管上方沉积的氧化硅 薄膜，经30秒钟后，碳纳米管上方沉积的氧化硅薄膜全部刻蚀掉，最终在氧化硅衬底表面 可获得与原先碳纳米管取向一致纳米沟槽图案。 本发明中，上述二个实施例提供了一种优化了的纳米尺度氧化硅沟槽制备方案， 本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改，例如
实施例中提供的衬底除了有热氧化硅的单晶硅片以外，还可以是石英、玻璃或沉 积有氧化硅薄层的PET塑料、PDMS等柔软基底。 另外，碳纳米管除单壁碳纳米管外，还可以是单壁碳纳米管束、双壁或多壁碳纳米管。 此外，腐蚀溶液除氢氟酸溶液外，还可以是碱性溶液，例如TMAH((CH3) 4N+0H—)。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附 图，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内， 各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
权利要求
一种制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法，包括如下步骤1)在氧化硅衬底上直接生长或沉积碳纳米管；2)在上述碳纳米管上沉积一层氧化硅；3)用腐蚀溶液刻蚀掉上述氧化硅层，在氧化硅衬底上得到纳米尺度的沟槽。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化硅衬底为表面有热氧化硅层的单 晶硅片、石英、玻璃或沉积有氧化硅层的PET塑料、PDMS柔软基底。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、单壁碳 纳米管束、双壁或多壁碳纳米管。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在氧化硅衬底上采用化学气相沉积方法直 接生长碳纳米管。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，用磁控溅射法或等离子增强化学气相沉积 方法在碳纳米管上沉积氧化硅层。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腐蚀溶液为氢氟酸溶液或TMAH碱性溶液。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的水和氢氟酸的体积比为io : 1—3 : i。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述氧化硅层的厚度为20nm—100nm。
全文摘要
本发明提供了一种制备纳米尺度氧化硅沟槽的方法，属于纳米加工技术领域。该方法包括在氧化硅衬底上直接生长或沉积碳纳米管，在碳纳米管上再沉积一氧化硅薄膜，随后，用氢氟酸溶液刻蚀掉氧化硅薄膜，即可在氧化硅衬底上得到纳米尺度沟槽。本发明利用碳纳米管增强刻蚀特性，在室温下制备纳米尺度氧化硅沟槽。该沟槽形状取决于碳纳米管的形状，刻蚀时不受表面形貌变化的影响；沟槽的位置和方向可通过预先调整碳纳米管的位置和取向来控制，沟槽的宽度和深度可通过控制刻蚀时间和碳纳米管的直径来控制。本发明与现有硅基工艺兼容，可实现大规模、大面积的纳米尺度氧化硅沟槽的制备。
文档编号B81C1/00GK101780943SQ20091031296
公开日2010年7月21日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者严峰, 傅云义, 应轶群, 张岩, 张朝晖, 李彦, 赵华波 申请人:北京大学