[发明专利]一种在（100）型SOI硅片表面自上而下制备纳米结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自上而下制备单晶硅纳米结构的方法，更确切地说本发明涉及一种在(100)型SOI硅片表面自上而下制备纳米结构的方法，属于纳米技术领域。 

背景技术

随着纳米科学技术的发展，材料的纳米结构因为常常表现出与其宏观状态下不同的特性而越来越受到研究者重视，人们希望通过对纳米结构展开诸如电学、热学、光学以及力学等性能的研究，从而能更好的理解纳米尺度下的各种效应，实现更深层次的理解材料微观结构与其性质之间的关系，并且因此设计制造出具有更优异性能的应用器件。 

目前制备纳米线的方法有两类，第一类是自下而上的方法(bottom-up)[1](Xia Y.，Yang P.，Sun Y.，W，Y.，Mayers B.，Gates B.，Yin Y.，Kim F.，Yan H.，One-Dimensional Nanostructures：Synthesis，Characterization，and Applications，Adv.Mater.，2003，15，353-389.)，即通过聚集原子、原子团，定位(或者随机)生长出所需材料的纳米结构，包括各种化学催化生长技术。第二类是自上而下的方法(top-down)[2](Juhasz R.，Elfstrom N.and Linnros J.，Controlled fabrication of SiNWs by electron beam lithography and electrochemical size reduction，Nano Lett.，2005，5，275-80.)，即通过定位去除材料上不需要的部分，留下符合设计要求的纳米结构，包括电子束直写、深紫外光刻等纳米刻蚀技术。自下而上制备工艺原理简单，但需要专用的生长设备与技术条件，而且往往生长形状随机性较大，在与功能器件的集成方面也有很大的局限性；自上而下制备纳米结构对于功能器件结构具有很高的定位性以及尺寸形状可控性，但常规的制备工艺往往昂贵费时，也不甚适用于微纳集成工艺。 

近年来，利用(100)SOI硅片表层硅的各向异性腐蚀形成的单晶硅倾斜 表面的氧化，形成尺度小、准直性好的掩模，或用倾斜刻蚀槽形结构内金属薄膜形成纳米线宽的掩膜，从而制备出线径仅为几十纳米的单晶硅纳米线是新发展的巧妙的可实现大规模制备高质量硅纳米线的技术[3](刘文平，李铁，杨恒，焦继伟，李昕欣，王跃林，基于MEMS工艺制作的硅纳米线及其电学性质，半导体学报，2006，27，1645-1649)[4](Hien Duy Tong，Songyue Chen，Wilfred G.van der Wiel，Edwin T.Carlen，and Albert van den Berg，Novel top-down wafer-scale fabrication of single crystal silicon nanowires，Nano Lett.，2009，9，1015-1022)。这些方法都是通过巧妙设计工艺实现用普通光刻掩模板及低成本工艺实现纳米线宽掩膜的制作，从而克服直接制备纳米结构掩膜线宽太小，普通光刻掩模板受最小线宽的制约不能达到的缺点，以及电子束直写、深紫外光刻等工艺昂贵费时等困难。然而，这些方法都需要多层掩膜材料，进行多次氧化、腐蚀或刻蚀工艺，过程较为繁琐。本发明从另一角度提出一种制备纳米结构的方法，以克服现有技术存在的缺点。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种在(100)型SOI硅片表面自上而下制备纳米结构的方法，也即在(100)型SOI硅片表面制作最小线宽在0.5μm以上的两个或多个任意形状的腐蚀窗口，由于对于(100)型SOI硅片，经过单晶硅各向异性湿法腐蚀后，会在原腐蚀窗口位置上形成两个或多个并列的矩形腐蚀槽，矩形腐蚀槽槽口的上表面为原腐蚀窗口的外接矩形，相邻腐蚀槽之间的位置形成一段特征尺寸的单晶硅纳米结构。槽口上表面的四条边均沿<110>晶向族，槽的侧壁均为{111}晶向面，因此，我们只要通过确定腐蚀窗口几个关键点的位置，利用硅材料的各向异性腐蚀特性在硅片表面腐蚀形成两个或多个并列的上表面为矩形的腐蚀槽结构，相邻槽之间位置将留下一段特征尺寸在5nm至0.999μm的单晶硅纳米结构，厚度通过控制SOI表层硅厚度确定。本发明工艺简单，仅涉及一次光刻、一次各向异性腐蚀掩膜制作及一次腐蚀工艺，能用最小线宽在0.5μm以上的普通光刻掩模板制备特征尺寸在5nm至0.999μm的单晶硅纳米结构，是一种方便低廉的微纳集成工艺技术。 

1.本发明的目的是通过以下工艺步骤达到的(图1)：