一种纳米结构的侧壁成形制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米技术领域，特别是一种纳米结构的侧壁成形制造方法。
【背景技术】
[0002] 纳米科学技术是一门涉及物理学、化学、材料学、微电子学、生物学和医学等学科 交叉的综合性科学。由于纳米材料在微小尺寸下表现出特殊的量子尺寸效应，纳米科学技 术在理论上引起广泛注意和在应用上经历着高速的发展。
[0003] 纳米结构是当今科学发展前沿中极具挑战性的研究领域。在大量新兴的纳米材 料和器件在电子器件、集成电路、生物医学、国防等发面展现出前所未有的应用前景的同 时，降低纳微米制造成本是纳米器件工业化应用的前提。随着器件的物理尺寸不断缩小， 对器件制造工艺条件也提出了更高的要求，传统的材料、工艺都将遭遇技术瓶颈。目前几 乎所有的工业化纳米结构制造都要依赖于价格非常昂贵的半导体深紫外光刻（Deep-UV Photolithograph),这些先进的技术都需要用到光刻掩膜技术。电子束曝光光刻（Electron Lithography Beam, EBL)不需要掩膜，但是制造过程耗时过长，不适宜大规模工业化应用。 在小尺度纳米器件制造方面，使用波长最短的Xe光源，由于受到光的干涉、衍射的影响，做 出的最小纳米结构也只能达到12nm。虽然最先进的X射线光刻技术能做出的最小尺寸5nm 的结构，由于X射线穿透力极强，使用X射线做掩膜时是非常困难的。最重要的是这些先 进技术所需的设备价格都非常昂贵，能做到几十个纳米以上结构的光刻机价格都要达到几 千万美元。现有的设备方法存在昂贵及尺寸制造瓶颈的问题。
[0004] 现有的纳米线成型方法使用单层掩膜和化学气相沉积技术沉积硬掩膜。利用单层 光刻胶的掩膜，在曝光定影后，他们的底部不可避免的出现延伸的脚面结构，使定义纳米尺 度变得非常困难。同时化学气相沉积技术沉积硬掩膜的方法，由于化学气相沉积方法的不 均匀性，很难保证硬掩膜在侧壁上均匀厚度分布。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种纳米结构的侧壁 成形制造方法，该方法无需依赖昂贵的光刻曝光设备，薄膜的纳米结构尺寸完全由侧壁硬 掩膜材料的厚度控制，这样可以人工制造任意尺寸和小于5nm的纳米点和线结构。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案： 根据本发明提出的一种纳米结构的侧壁成形制造方法，包括以下步骤： 步骤一、提供衬底； 步骤二、在所述衬底上沉积薄膜； 步骤三、侧壁结构成形，具体为： 301、 在所述薄膜上采用匀胶机旋涂光刻胶，对光刻胶进行前烘； 302、 在光刻胶上采用磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积厚度为5纳米~20纳米的金 属或者氧化物材料； 303、 在所述金属或者氧化物材料上旋涂光刻胶，对光刻胶进行前烘后利用光刻机进行 光刻，显影后采用去离子水清洗，并用氮气吹干得到垂直于金属或者氧化物材料的侧壁结 构； 304、 采用反应离子刻蚀或者离子束刻蚀对金属或者氧化物材料进行刻蚀； 305、 以金属或者氧化物材料为掩膜，采用反应离子刻蚀对位于金属或者氧化物材料上 面的光刻胶进行刻蚀，形成纳米条侧壁； 步骤四、采用原子层沉积技术沉积硬掩膜纳米材料； 步骤五、采用离子束刻蚀对硬掩膜纳米材料进行刻蚀，暴露光刻胶； 步骤六、采用丙酮剥离光刻胶，以形成纳米侧壁图形； 步骤七、以所述纳米侧壁图形为掩膜，采用离子束刻蚀薄膜； 步骤八、采用湿法腐蚀或者化学气相沉积刻蚀硬掩膜材料得到薄膜材料的纳米条侧 壁。
[0007] 作为本发明的一种纳米结构的侧壁成形制造方法进一步的优化的方案，所述硬掩 膜材料为 Al2O3或 Si 3N4或 RuO 或 a-Carbon。
[0008] 作为本发明的一种纳米结构的侧壁成形制造方法进一步的优化的方案，所述步骤 二中沉积薄膜的方法为磁控溅射或电子束蒸发或化学气相沉积或溶胶凝胶或喷涂法。
[0009] 作为本发明的一种纳米结构的侧壁成形制造方法进一步的优化的方案，所述步骤 四中沉积硬掩膜纳米材料的方法为原子层沉积方法或化学气相沉积方法。
[0010] 作为本发明的一种纳米结构的侧壁成形制造方法进一步的优化的方案，步骤八之 后还包括以下步骤： 步骤九、采用匀胶机在衬底及纳米条上旋涂光刻胶，前烘后利用光刻机进行光刻，显 影后浸入到去离子水中清洗，并用氮气吹干得到垂直于衬底方向的侧壁结构； 步骤十、采用原子层沉积技术或化学气相沉积方法沉积硬掩膜材料； 步骤十一、暴露硬掩膜材料掩盖的光刻胶：利用离子束刻蚀对硬掩膜材料进行刻蚀，并 暴露光刻胶； 步骤十二、采用丙酮剥离光刻胶，形成硬掩膜材料垂直于衬底方向的纳米线结构； 步骤十三、在薄膜材料上刻蚀，形成硬掩膜材料垂直于衬底方向的纳米线和薄膜材料 的纳米点共存的纳米结构； 步骤十四、采用湿法腐蚀或者化学气相沉积刻蚀剥离掉硬掩膜材料，得到薄膜材料的 纳米点侧壁。
[0011] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果： (1)全新的纳米点和线制造方法：本专利发明了双层掩膜和原子层沉积技术的纳米结 构的侧壁成形制造方法是一种全新纳米器件制造的方法。该方法可以人工制造任意尺寸和 小于5nm的纳米点和线结构。
[0012] (2)低价的纳微米结构的制造方法：与传统的制造方法相比，"侧壁纳米结构成形" 的方法，无需依赖昂贵的电子束曝光设备和高分辨率的深紫外光刻设备，做到低价的纳米 结构产生方法，可广泛应用于纳米基础科学和应用研究和工业化生产中对纳微米结构制造 的需求。
[0013] (3)宽的纳微米结构制造范围：因为侧壁纳米结构成形方法制备的纳微米结构取 决于沉积的侧壁硬掩膜材料的厚度，这样利用这种方法可以制造任意尺寸的纳微米结构。
[0014] (4)目前唯一可大规模制造和大面积10纳米以下纳米结构的制造方法：在当今的 低维科学研究中，物理尺度量常常在纳米尺度，往往小于5nm。即使使用先进的电子束曝光 技术，纳米尺度也只能达到12nm。这样，新的器件制造方法一侧壁纳米结构成形的方法是目 前唯一的可制造小于10纳米结构的制造方法。
【附图说明】
[0015] 图1是侧壁结构形成示意图。
[0016] 图2是离子束刻蚀光刻胶及金属的示意图。
[0017] 图3是反应离子刻蚀（RIE)各向异性刻蚀光刻胶示意图。
[0018] 图4是原子层沉积技术沉积硬掩膜材料示意图。
[0019] 图5是暴露硬掩膜材料掩盖的光刻胶材料示意图。
[0020] 图6是硬掩膜纳米结构的形成示意图。
[0021] 图7是薄膜材料的纳米结构刻蚀示意图。
[0022] 图8是剥离硬掩膜材料形成纳米条侧壁示意图。
[0023] 图9是形成侧壁结构成形示意图。
[0024] 图10是硬掩模材料沉积示意图。
[0025] 图11是暴露硬掩膜材料覆盖的光刻胶示意图。
[0026] 图12是硬掩膜材料纳米结构的形成示意图。
[0027] 图13是薄膜材料的纳米结构刻蚀示意图。
[0028] 图14是薄膜纳米点侧壁结构的形成示意图。
[0029] 图中的附图标记解释为：1为衬底，2为薄膜，3为光刻胶，4为金属，5为硬掩膜纳 米材料，6为纳米条侧壁，7为纳米点侧壁。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明： 图1-图8是纳米条侧壁的形成过程，如图1是侧壁结构形成示意图。图2是离子束刻 蚀光刻胶及金属的示意图。图3是反应离子刻蚀（RIE)各向异性刻蚀光刻胶示意图。图4 是原子层沉积技术沉积硬掩膜材料示意图。图5是暴露硬掩膜材料掩盖的光刻胶材料示意 图。图6是硬掩膜纳米结构的形成示意图。图7是薄膜材料的纳米结构刻蚀示意图。图8 是剥离硬掩膜材料形成纳米条侧壁示意图。具体过程如下步骤： 一种纳米结构的侧壁成形制造方法，包括以下步骤： 步骤一、提供衬底1 ; 步骤二、在所述衬底上沉积薄膜2 ; 步骤三、侧壁结构成形，具体为： 301、 在所述薄膜2上采用匀胶机旋涂光刻胶3,对光刻胶3进行前烘； 302、 在光刻胶3上采用磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积厚度为5纳米~20纳米的 金属4或者氧化物材料； 303、 在所述金属4或者氧化物材料上旋涂光刻胶，对光刻胶进行前烘后利用光刻机进 行光刻，显影后采用去离子水清洗，并用氮气吹干得到垂直于金属或者氧化物材料的侧壁 结构；如图1 ; 304、 采用反应离子刻蚀或者离子束刻蚀对金属或者氧化物材料进行刻蚀；如图2 ; 305、 以金属或者氧化物材料为掩膜，采用反应离子刻蚀对位于金属或者氧化物材料上 面的光刻胶进行刻蚀，形成纳米条侧壁；如图3 ; 步骤四、采用原子层沉积技术沉积硬掩膜纳米材料5 ;如图4 ; 步骤五、采用离子束刻蚀对硬掩膜纳米材料5进行刻蚀，暴露光刻胶；如图5 ; 步骤六、采用丙酮剥离光刻胶，以形成纳米侧壁图形；如图6 ; 步骤七、以所述纳米侧壁图形为掩膜，采用离子束刻蚀薄膜；如图7 ; 步骤八、采用湿法腐蚀或者化学气相沉积刻蚀硬掩膜材料得到薄膜材料的纳米条侧壁 6,如图8。
[0031] 所述硬掩膜材料为Al2O3或Si 3N4或RuO或a-Carbon。所述步骤二中沉积薄膜的 方法为磁控溅射或电子束蒸发或化学气相沉积或溶胶凝胶或喷涂法。所述步骤四中沉积硬 掩膜纳米材料的方法为原子层沉积方法或化学气相沉积方法。
[0032] 图9-图14是纳米点的形成过程。图9是形成侧壁结构成形示意图。图10是硬 掩模材料沉积示意图。图11是暴露硬掩膜材料覆盖的光刻胶示意图。图12是硬掩膜材料 纳米结构的形成示意图。图13是薄膜材料的纳米结构刻蚀示意图。图14是薄膜纳米点侧 壁结构的形成示意图。
[0033] 步骤八之后还包括以下步骤： 步骤九、采用匀胶机在衬底及纳米条上旋涂光刻胶，前烘后利用光刻机进行光刻，显 影后浸入到去离子水中清洗，并用氮气吹干得到垂直于衬底方向的侧壁结构；如图9所示； 步骤十、采用原子层沉积技术或化学气相沉积方法沉积硬掩膜材料；如图10所示； 步骤十一、暴露硬掩膜材料掩盖的光刻胶：利用离子束刻蚀对硬掩膜材料进行刻蚀，并 暴露光刻胶；如图11所示； 步骤十二、采用丙酮剥离光刻胶，形成硬掩膜材料垂直于衬底方向的纳米线结构；如图 12所示； 步骤十三、在薄膜材料上刻蚀，形成硬掩膜材料垂直于衬底方向的纳米线和薄膜材料 的纳米点共存的纳米结构；如图13所示； 步骤十四、采用湿法腐蚀或者化学气相沉积刻蚀剥离掉硬掩膜材料，得到薄膜材料的 纳米点侧壁7,如图14所示。
[0034] 实例1，10纳米ZnO纳米条的侧壁纳米结构成形方法 第一步，ZnO