一种平面内纳米结构的精确可控制造方法与流程

本发明涉及微纳加工的技术领域，更具体地，涉及一种平面内纳米结构的精确可控制造方法。

背景技术：

目前，纳米结构的制造方法可以分为“自上而下”方法和“自下而上”方法两类。“自上而下”的纳米结构制造主要采用电子束光刻、深反应离子刻蚀等工艺获得。由于制造纳米掩膜板的尺寸精度限制，只能实现0.6微米的亚微米线宽分辨率而采用电子束光刻也无法实现纳米结构的精准可控制造，并且成本较高；深反应离子刻蚀技术由于其特定材料限制且反应条件不易控制，很难实现所需纳米级尺寸的精度可控制造。最常见“自下而上”的纳米结构制造方法是采用化学气相沉积（cvd）技术。但是，cvd方法同样无法实现平面内纳米图形的精确可控制造。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种平面内纳米结构的精确可控制造方法，能够实现特定尺寸、形状、数量、位置的纳米图案或纳米线的可控制造，适用范围广泛。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种平面内纳米结构的精确可控制造方法，包括以下步骤：

s1.提供一块薄膜基板，所述薄膜基板的上部设有纳米自支撑薄膜；

s2.在步骤s1中所述的纳米自支撑薄膜上加工所需形状的纳米结构；

s3.将步骤s2中加工得到的纳米结构收缩至所需尺寸，制成纳米掩膜板；

s4.将步骤s3中所述的纳米掩膜板放置于待沉积的基片上方，并在纳米掩膜板及基片上方沉积所需材料；

s5.去除纳米掩膜板，在基片上得到所需形状尺寸的纳米结构。

本发明的平面内纳米结构的精确可控制造方法，使用聚焦离子束等多种加工方式，在纳米级单层或多层复合薄膜上加工出所需位置，形状，数量的纳米结构，适用范围广；可以使用离子束或电子束将纳米结构准确收缩为所需尺寸，制成纳米掩膜板，沉积所需单层或多层复合材料；本发明可以实现特定尺寸、形状、数量、位置的纳米图案或纳米线的可控制造，具有广泛的应用前景及实用价值。

优选地，步骤s1中，所述薄膜基板包括自上而下顺次设置的第一氮化硅层、硅层以及第二氮化硅层，所述纳米自支撑薄膜设于第一氮化硅层。薄膜基板底部设有上窄下宽的锥形孔，纳米自支撑薄膜设于锥形孔的上方；锥形孔的设置便于纳米自支撑薄膜的放置与加工。

优选地，步骤s2中，所述纳米自支撑薄膜为由耐碱性溶液腐蚀的薄膜结构，所述碱性溶液选自koh溶液、naoh溶液、tmah溶液中的一种或多种的组合。

优选地，步骤s2中，所述纳米自支撑薄膜为氮化硅薄膜或氮化硅/氧化硅/氮化硅三层复合薄膜。

优选地，步骤s2中，所述纳米自支撑薄膜的厚度为10nm~1μm；所述纳米自支撑薄膜形状选自正方形、长方形、圆形中的一种。

优选地，步骤s2中，所述纳米结构的形状选自正方形、圆形、三角形、菱形、星形、纳米线中的一种或多种组合；所述加工采用的加工方式为激光加工、聚焦离子束加工、透射电子显微镜加工中的一种或多种组合；所述纳米结构的最小尺寸大于20nm。纳米结构的加工位置及加工数量可以为纳米薄膜上指定单个位置或阵列，加工形状可以为正方形、圆形、三角形、菱形、星形等形状，或纳米线，或由其组合而成的其他形状；实现指定位置，形状，尺寸，数量的纳米图形精确可控制造，适用范围广泛。

优选地，步骤s3中，采用电子束或聚焦离子束收缩，收缩后的纳米结构的最小孔径小于10nm；所述电子束与聚焦离子束的加速电压为0.5kv~30kv，所述电子束与聚焦离子束的加速电流为1pa~50na。

优选地，步骤s3中，所述纳米结构的孔径随着电子束或离子束的加工时间的延长逐渐均匀减小。

优选地，步骤s4中，所述沉积的方法选自电子束蒸镀、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种或多种的组合，所述沉积采用的材料选自金、银、铂、钛、铝、镍、铜中的一种或多种的组合，所述沉积的材料的厚度为5nm~50nm。

优选地，步骤s4中，所述沉积采用的材料选自单晶硅、多晶硅、砷化镓、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钛、二氧化铬中的一种或多种的组合，所述沉积的材料的厚度为5nm~50nm。单晶硅、多晶硅、砷化镓、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钛、二氧化铬这些材料均为半导体工艺常用材料，沉积厚度可控，应用范围广泛。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的薄膜基板加工方式可以选用激光加工、聚焦离子束加工、透射电子显微镜加工及上述加工方式的组合加工纳米结构；收缩可以使用电子束收缩或聚焦离子束收缩；加工位置及数量可以为纳米薄膜上指定单个位置或阵列；加工形状可以为正方形、圆形、三角形、菱形、星形等形状，或纳米线，或由其组合而成的其他形状；实现指定位置，形状，尺寸，数量的纳米图形精确可控制造，适用范围广；且本发明通过物理气相沉积或外延生长等化学气相沉积方法，在纳米掩膜板上沉积半导体工艺常用材料，沉积厚度可控，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明的平面内纳米结构的精确可控制造方法的流程示意图。

图2为本发明的实施例二步骤s1的结构示意图。

图3为本发明的实施例二步骤s2的结构示意图。

图4为本发明的实施例二步骤s3的结构示意图。

图5为本发明的实施例二步骤s3的结构示意图。

图6为本发明的实施例二步骤s4的结构示意图。

图7为本发明的实施例二步骤s5的结构示意图。

图8为本发明的实施例三步骤s2的结构示意图。

图9为本发明的实施例三步骤s2的结构示意图。

图10为本发明的实施例三步骤s4的结构示意图。

图11为本发明的实施例三步骤s4的结构示意图。

图12为本发明的实施例三步骤s5的结构示意图。

附图中：100-薄膜基板；110-第一氮化硅层；120-硅层；130-第二氮化硅层；200-纳米自支撑薄膜；210-圆形；211-收缩后的圆形；220-正方形；221-收缩后的正方形；230-六边形；231-收缩后的六边形；240-三角形；241-收缩后的三角形；250-纳米线；251-收缩后的纳米线；300-电子束；400-纳米掩膜板；500-基片；510-基底；520-第一电极；530-第二电极；600-电子束；700-沉积后的纳米结构；710-沉积后的圆形；720-沉积后的正方形；730-沉积后的六边形；740-沉积后的三角形；750-沉积后的纳米线；800-聚焦离子束。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例一

如图1至图7所示为本发明的平面内纳米结构的精确可控制造方法的第一实施例，包括以下步骤：

s1.提供一块薄膜基板100，所述薄膜基板100的上部设有纳米自支撑薄膜200；

步骤s1中，所述薄膜基板100包括自上而下顺次设置的第一氮化硅层110、硅层120以及第二氮化硅层130，所述纳米自支撑薄膜设于第一氮化硅层110。薄膜基板100底部设有上窄下宽的锥形孔，纳米自支撑薄膜200设于锥形孔的上方；锥形孔的设置便于纳米自支撑薄膜200的放置与加工。

s2.在步骤s1中所述的纳米自支撑薄膜200上加工所需形状的纳米结构；

步骤s2中，所述纳米自支撑薄膜200为由耐碱性溶液腐蚀的薄膜结构，所述碱性溶液选自koh溶液、naoh溶液、tmah溶液中的一种或多种的组合，本实施例的纳米自支撑薄膜为氮化硅薄膜或氮化硅/氧化硅/氮化硅三层复合薄膜；所述纳米自支撑薄膜的厚度为10nm~1μm；所述纳米自支撑薄膜形状选自正方形、长方形、圆形中的一种；所述纳米结构的形状选自正方形、圆形、三角形、菱形、星形、纳米线中的一种或多种组合；所述加工采用的加工方式为激光加工、聚焦离子束800加工、透射电子显微镜加工中的一种或多种组合；所述纳米结构的最小尺寸大于20nm。纳米结构的加工位置及加工数量可以为纳米薄膜上指定单个位置或阵列，加工形状可以为正方形、圆形、三角形、菱形、星形等形状，或纳米线，或由其组合而成的其他形状；实现指定位置，形状，尺寸，数量的纳米图形精确可控制造，适用范围广泛。

s3.将步骤s2中加工得到的纳米结构收缩至所需尺寸，制成纳米掩膜板400；

步骤s3中，采用电子束300或聚焦离子束800收缩，收缩后的纳米结构的最小孔径小于10nm；所述电子束与聚焦离子束800的加速电压为0.5kv~30kv，所述电子束与聚焦离子束800的加速电流为1pa~50na；步骤s3中，所述纳米结构的孔径随着电子束或离子束的加工时间的延长逐渐均匀减小，使得纳米结构的尺寸收缩具有可控性。

s4.将步骤s3中所述的纳米掩膜板放置于待沉积的基片上方，并在纳米掩膜板及基片上方沉积所需材料；

步骤s4中，所述沉积的方法选自电子束蒸镀、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种或多种的组合，所述沉积采用的材料选自金、银、铂、钛、铝、镍、铜中的一种或多种的组合，所述沉积的材料的厚度为5nm~50nm；所述沉积采用的材料选自单晶硅、多晶硅、砷化镓、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钛、二氧化铬中的一种或多种的组合，所述沉积的材料的厚度为5nm~50nm。单晶硅、多晶硅、砷化镓、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钛、二氧化铬这些材料均为半导体工艺常用材料，沉积厚度可控，具有较为广泛的应用范围。

s5.去除纳米掩膜板，基片上得到所需形状尺寸的纳米结构。

经过以上步骤，本发明可以在不同形状及尺寸、不同厚度、不同材料的单层或多层的复合基底上，使用不同的加工及收缩方式进行组合加工，收缩后得到有纳米结构的掩膜；使用不同沉积方法及材料，在衬底上沉积出所需形状及尺寸的纳米结构；可以制造所需位置、数量、形状及尺寸的纳米级结构，制造方法创新性强，适用范围广泛。

实施例二

本实施例为实施例一的应用实施例，包括以下步骤：

s1.提供一块薄膜基板100，所述薄膜基板100的上部设有纳米自支撑薄膜200；

如图2所示，所述薄膜基板100的纳米自支撑薄膜200为氮化硅薄膜，所述纳米自支撑薄膜200为氮化硅薄膜，所述纳米自支撑薄膜200的厚度为30nm，所述纳米自支撑薄膜200的形状为圆形。

s2.在步骤s1中所述的纳米自支撑薄膜200上加工所需形状的纳米结构；

如图3所示，本实施例的加工位置及数量为靠近中心的四个对称位置，纳米结构形状为上方为正方形220和三角形240，下方为圆形210和六边形230；采取的加工方式为聚焦离子束800，具体的实验步骤为：首先使用聚焦离子束800在纳米自支撑薄膜上，在靠近中心的四个对称位置，分别加工出上方为正方形220和三角形240，下方为圆形210和六边形230的纳米结构。

s3.将步骤s2中加工得到的纳米结构收缩至所需尺寸，制成纳米掩膜板400；

在本实施例中，采用电子束300收缩，电子束300的加速电压为：3kv；所述电子束300加速电压可以为5pa；参考收缩曲线如图4所示，收缩后的纳米结构如图5所示，包括收缩后的圆形211、收缩后的正方形221、收缩后的六边形231、收缩后的三角形241。

s4.将步骤s3中所述的纳米掩膜板400放置于待沉积的基片500上方，并在纳米掩膜板400及基片500上方沉积所需材料，得到沉积后的纳米结构700，包括沉积后的圆形710、沉积后的正方形720、沉积后的六边形730、沉积后的三角形740；

步骤s4中，所述沉积方式为电子束蒸镀，所述沉积材料为单层银纳米颗粒，所述沉积的厚度为5nm，如图6所示。

s5.去除纳米掩膜板400，在基片500上得到所需形状尺寸的纳米结构，如图7所示。

实施例三

如图8至图12所示为实施例一的应用实施例，包括以下步骤：

s1.提供一块薄膜基板100，所述薄膜基板100的上部设有纳米自支撑薄膜200；

如图2所示，所述薄膜基板100的纳米自支撑薄膜200为氮化硅薄膜，纳米自支撑薄膜100厚度为：30nm；所述纳米自支撑薄膜100形状为：圆形。

s2.在步骤s1中所述的纳米自支撑薄膜上加工所需形状的纳米结构；

在本实施例中，所述加工位置及数量为：靠近中心位置三条所述纳米线250；所述纳米结构形状为：l形纳米线；所述纳米线250加工尺寸为：线宽100nm；所述加工方式为：所述聚焦离子束800加工。具体实验步骤为：首先使用所述聚焦离子束800，在所述纳米自支撑薄膜200上，时间设置为210ms，在所述加工位置，加工出所需形状所述纳米结构即纳米线250，如图8所示。

s3.将步骤s2中加工得到的纳米结构收缩至所需尺寸，制成纳米掩膜板；

在本实施例中，所述收缩方式为：所述电子束收缩；所述电子束加速电压为：3kv；所述电子束加速电压可以为：5pa；参考收缩曲线如图4所示，收缩时间45s，所述纳米线收缩后尺寸为：线宽20nm；所述收缩后的纳米线251，如图9所示。

s4.将步骤s3中所述的纳米掩膜板400放置于待沉积的基片500上方，并在纳米掩膜板400及基片500上方沉积所需材料，得到沉积后的纳米线750；

如图10所示，基片500由基底510及第一电极520及第二电极530组成，第一电极520和第二电极530均设于基底510上。所述沉积方式为：所述电子束蒸镀6；所述沉积材料为：单层银纳米颗粒；所述沉积厚度为：5nm，如图11所示；

s5.去除纳米掩膜板400，在基片上得到所需形状尺寸的纳米结构，如图12所示。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求。