[发明专利]一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域中金属纳米线阵及其制备的领域，特别涉及一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵及其制备方法，用于亚波长人工电磁材料的结构单元。

技术背景

金属纳米线是一种在横向上被局限在数百纳米以下，而纵向无限制的一维纳米结构。金属纳米线中的电子在横向受到量子束缚，能级不连续，因此具有许多在大块或三维材料中没有发现的有趣性质，如电阻的量子化、优良的电催化性质等，存在广泛的应用。而随着亚波长人工电磁材料的兴起，金属纳米线的应用得到了进一步的扩展。由于金属纳米线也是一种金属纳米结构，在和电磁波相互作用时会产生局域表面等离子体效应。在亚波长人工电磁材料中，可以将金属纳米线排列成金属纳米线阵，相邻金属纳米线产生的局域表面等离子体之间会产生共振响应，使整个阵列结构表现出负的介电常数，实现亚波长尺度能量隧穿现象、负折射现象等。这些奇异的特性不仅出现在紫外波段，也可以由可见光激发，因此利用金属纳米线阵列可以对可见光的传播进行调控。同亚波长人工电磁材料的其他结构，如金属网格相比，金属纳米线阵的排列方式较为灵活，可以形成波导，也可以形成其他功能器件。同时金属纳米线阵的加工制备也相对容易，因此金属纳米线阵的制备成为了一个研究热点。

目前制作金属纳米线阵的常用手段是氧化铝模板法和高分子聚合物模板法，即采用电化学沉积法、无电镀合成、化学聚合、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法将金属组装到模板的孔洞中，最后再去除模板。氧化铝模板法制备工艺比较简单，孔洞的直径比较小，通常在几十纳米的范围，孔密度高，适合大规模批量生产；高分子聚合物模板法孔洞直径较大(通常为几百个纳米)，孔密度较低，但孔洞分布无序，且通常不垂直膜面。而对应可见光的金属纳米线阵列中纳米线的直径一般在百纳米量级，对纳米线排列的要求也较高，所以利用上述方式难于制备。同时，对于纳米线周围介质需要掺杂的情况，上述方法也不适用。因此需要一种可以在掺杂介质中加工金属纳米线阵列的工艺方法，获得由掺杂介质包裹的金属纳米线阵。纳米线的直径、周期、长度都可控，能够用于亚波长人工电磁材料的结构单元。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对亚波长人工电磁材料金属结构单元，提供一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于SOI和电铸技术的金属纳米线阵的制备方法，其步骤如下：

步骤(1)选择双面抛光的SOI基片，将表面清洗干净；

步骤(2)在SOI的硅表面和掺杂硅表面分别沉积一层厚度为400～600nm的氮化硅薄膜；

步骤(3)在SOI下底面的氮化硅膜层上均匀涂覆一层厚度为1～2μm的光刻胶，光刻制作出腐蚀的开口区，并置于烘箱或热板进行坚膜；

步骤(4)以光刻胶为掩蔽层，采用干法刻蚀将开口区的氮化硅刻蚀完毕，露出下底面的体硅表面；

步骤(5)以氮化硅为掩蔽层，采用湿法腐蚀将露出的下底面体硅腐蚀完毕，露出二氧化硅表面；

步骤(6)在SOI掺杂硅表面的氮化硅膜层上均匀涂覆一层电子束光刻胶，用双面对准光刻系统确定图形区在湿法腐蚀的棱台面上，并通过电子束曝光获得光刻胶图形；

步骤(7)采用干法刻蚀将光刻胶图形传递到SOI的掺杂层和二氧化硅层；

步骤(8)将具有纳米开孔的SOI器件置于电铸液里电铸，获得掺杂硅包裹的高深宽比亚波长金属线条；

步骤(9)采用干法刻蚀将氮化硅去除，并用氢氟酸溶液去除二氧化硅，完成金属纳米线阵的制备。

优选的，所述步骤(1)的SOI片是由底层单晶硅、中间层二氧化硅和顶层掺杂硅组成，底层厚度为300～450μm，中间层厚度为100～300nm，顶层是厚度为1～2μm的高浓度均匀掺杂的N型硅或P型硅，掺杂浓度为10¹⁵～10²⁰cm^-1；

优选的，所述步骤(2)中的沉积法有磁控溅射法或者气相沉积法；

优选的，所述步骤(3)中坚膜的温度为100～120℃，时间为10～20min；

优选的，所述步骤(4)中干法刻蚀可以为等离子刻蚀、离子束刻蚀或者电感耦合等离子刻蚀；

优选的，所述步骤(5)的体硅湿法腐蚀是采用KOH溶液，其重量比浓度为30～40wt％，腐蚀温度在50～60℃，并在超声波搅拌的条件下进行；

优选的，所述步骤(6)的电子束光刻胶厚度为0.5～1μm；