一种纳米结构阵列及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种纳米结构阵列及其制备方法和用途，尤 其涉及一种亚毫米面积近极限尺寸纳米结构阵列及其制备方法和用途。
【背景技术】
[0002] 纳米材料随着尺寸的进一步减小有可能产生新的现象，表现出新的性质和性能。 例如，研究发现等离子体共振在亚l〇nm间隙的金纳米结构中增强效应会有几个数量级的 提升。因此，近极限尺寸纳米结构在各种芯片信息技术、生物和化学传感器、纳米光学、等离 子体共振等领域具有广阔的应用前景。
[0003]目前，制作近极限尺寸纳米结构的方法主要有两种：自下而上的化学合成方法，例 如自组装技术；以及自上而下的纳米加工方法。化学合成方法制作纳米结构通常是指在溶 液中合成纳米颗粒，纳米颗粒之间存在相互作用会形成近极限尺寸的纳米间隙。纳米加工 技术是利用电子束曝光、刻蚀以及镀膜等技术实现纳米级精度的加工，即实现材料表面原 子和分子的去除、搬迀和重组。与化学合成方法相比，利用纳米加工技术制作近极限尺寸纳 米结构具有以下优势：纳米结构尺寸均一可控；纳米结构设计灵活可调；纳米加工技术适 用于各种金属和非金属材料等的加工和制备；制作的纳米结构衬底可重复使用，方便长期 保存；易于开展标准化和定量化研究等。
[0004] 关于纳米阵列结构的研究已有很多，如CN 101486439A公开了一种锗纳米点/硅 纳米线阵列结构薄膜及其制备方法，所述锗纳米点/娃纳米线阵列结构薄膜主要由娃纳米 线阵列和锗纳米点组成，所述锗纳米点分布在娃纳米线阵列的娃纳米线上；其制备方法主 要包括：利用P型或N型单晶硅，多晶硅做原始材料；利用刻蚀法制备大面积硅纳米线阵 列；然后使用低压化学气相沉积技术，使用锗烷为气源，在大面积硅纳米线阵列衬底上制备 锗点。CN 102110597A公开了一种实现亚10nm栅长线条的方法：在衬底上垫积或热氧化生 长介质层、垫积栅电极材料、正性电子束曝光并刻蚀凹槽、垫积氧化物介质层、氧化物介质 层表面平坦化、正性电子束曝光并刻蚀凹槽以及刻蚀栅电极材料等。
[0005] 由于制备形貌尺寸可控的近极限尺寸纳米结构尚存在很多技术困难，因此制作大 面积近极限尺寸纳米结构的方法还未见报道。极限尺寸纳米结构的制作不仅需要解决纳米 加工过程中诸多关键技术，而且需要深入理解、弄清电子束曝光、刻蚀以及镀膜等加工过程 中各种复杂的物理化学作用等基本原理。加工尺寸越小对各种加工工艺过程的参数就越敏 感，就越不易控制。因此，很难完全按照常规工艺思路和方法去发展极限尺寸加工技术，而 必须首先探明在极限尺寸下每个加工过程中影响和控制尺寸和加工质量的最关键参数，这 样才有可能将其发展成为稳定的加工技术。因此，本发明按照这种基本思路精准控制电子 束曝光、镀膜、剥离以及刻蚀等工艺技术，从而实现较大面积近极限尺寸纳米结构阵列的加 工和制备。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种纳米结构阵列及其制备方法和用途，所述纳米结构阵 列的纳米结构尺寸均一，阵列面积达亚毫米级，材料种类多样，能够广泛应用于芯片、生物 及化学传感、纳米光学及等离子体共振技术领域。
[0007] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种纳米结构阵列，所述纳米结构阵列的面积为100-250000 μ m2,所述纳米结构 阵列的线宽为3-15nm〇
[0009] 所述纳米结构阵列为亚毫米面积近极限尺寸的纳米结构阵列。所述纳米结构阵列 的面积为 100_250000 μ m2,如 200 μ m2、500 μ m2、1000 μ m2、5000 μ m2、10000 μ m2、50000 μ m2、 100000 μ m2、150000 μ m2、200000 μ m2或 240000 μ m2等，所述纳米结构阵列的线宽为 3-15nm， 如3nm、4nm、5nm、8nm、1 Onm、12nm或14nm等，所述纳米结构阵列的线宽指线型纳米结构沟槽 的宽度。
[0010] 所述纳米结构阵列可为二维结构阵列，也可为三维结构阵列。
[0011] 所述纳米结构阵列的厚度为 l-100nm，如 2nm、5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、70nm、 80nm 或 90nm 等。
[0012] 优选地，所述纳米结构阵列的组成物质为金属、金属氧化物或除金属氧化物外的 半导体材料中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合为：金属与金属氧化 物，金属氧化物与半导体材料，金属与半导体材料，金属、金属氧化物与半导体材料。所述纳 米结构阵列的组成物质不局限于金属、金属氧化物或半导体材料，本领域的技术人员可根 据实际的需要选择合适的组成物质。
[0013] 优选地，所述金属为金、铂、银、铜、铬、铝、镍、钛、锗、铌或钽中的任意一种或至少 两种的组合，典型但非限制性的组合为：金与铂，银、铜与铬，铂、银与铜，铬、铝、镍、钛与锗， 错、银、钛、锗、银与组。
[0014] 优选地，所述金属氧化物为氧化钛、氧化锌、氧化铝、氧化镉、氧化铟中的任意一种 或至少两种的组合，典型但非限制性的金属氧化物组合为：氧化钛与氧化锌，氧化铝、氧化 镉与氧化铟，氧化铝与氧化镉，氧化锌、氧化铝与氧化镉。
[0015] 优选地，所述除金属氧化物外的半导体材料为氮化铌、氮化钛、氮化锆、砷化镓、磷 化铟、氮化镓中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的半导体材料组合可为：氮 化钛与氮化锆，氮化铌、砷化镓与磷化铟，磷化铟与氮化镓，砷化镓、磷化铟与氮化镓。
[0016] 本发明还提供了一种纳米结构阵列的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0017] (1)对衬底进行表面处理；
[0018] (2)采用电子束曝光技术在衬底上制备纳米结构阵列图案；
[0019] (3)在纳米结构阵列图案上沉积待沉积物，剥离沉积物并对其进行后处理，得到纳 米结构阵列。
[0020] 本发明提供的纳米结构阵列先采用电子束曝光方法在衬底上制备纳米结构阵列 图案，之后在纳米结构阵列图案上沉积待沉积物，再将沉积物剥离并进行后处理得到。
[0021] 步骤（1)所述衬底为硅、石英或SOI (绝缘衬底上的硅）。所述衬底不局限于这三 种材料，本领域的技术人员可根据实际情况选择不同的衬底。
[0022] 优选地，步骤（1)所述表面处理为：用RCA标准清洗法清洗衬底，并用氧等离子体 处理衬底表面。
[0023] 优选地，所述氧等离子体处理在等离子体表面处理仪上进行。由于所述衬底用于 制备纳米结构阵列，衬底表面的状况将会影响制得产品的形态，因此对衬底表面的处理非 常重要。
[0024] 优选地，所述等离子体表面处理仪的功率为50-150W，如55W、60W、70W、80W、100W、 120W、130W 或 140W 等。
[0025] 优选地，所述氧等离子体处理的时间为0. 5_5min，如lmin、1. 5min、2min、2. 5min、 3min、3. 5min、4min 或 4. 5min 等。
[0026] 步骤（2)所述电子束曝光技术具体为：先在表面处理后的衬底上旋涂电子抗蚀 剂，再用电子束曝光电子抗蚀剂并显影。
[0027] 优选地，所述电子抗蚀剂可为正性电子抗蚀剂和/或负性电子抗蚀剂，优选为负 性电子抗蚀剂。负性电子抗蚀剂的曝光灵敏度比正性电子抗蚀剂的要高得多。
[0028] 优选地，旋涂后的电子抗蚀剂的厚度为30_300nm，如30nm、50nm、80nm、100nm、 150nm、200nm、250nm、300nm 等。
[0029] 优选地，所述电子束的束斑尺寸为0. 5-10nm，如lnm、l. 5nm、2nm、3nm、4nm、5nm、 6nm、8nm 或 9nm 等。
[0030] 加工尺寸越小对各种加工工艺过程的参数就越敏感，越不易控制。而电子抗蚀剂 的种类、旋涂厚度及电子束的束斑尺寸对纳米结构阵列的制备影响很大，这些参数相互配 合，才能得到预设的纳米结构阵列。
[0031] 优选地，所述显影使用的显影液为丙酮、丙酮溶液、氢氧化钠溶液、甲基异丁基酮 或甲基异丁基酮溶液中的任意一种。
[0032] 优选地，所述显影的时间为0· 5_5min，如lmin、2min、3min或4min等。
[0033] 步骤（3)采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射沉积待沉积物。
[0034] 优选地，步骤⑶所述沉积的速度为0.1-2.0A/S，如0.2A/S、OJA/s、0.5A/S、 0.8A/s、l.〇A/s、1.2A/s、1.5A/s或 1.8A/s等。
[0035] 优选地，步骤（3)所述沉积物的厚度