[发明专利]纳米级结构的制造方法及使用该方法制造的纳米级结构

说明书

技术领域

本发明一般涉及纳米级结构的制造领域。特别地，本发明涉及在晶圆上制造高纵横比的纳米级支柱阵列以及使用改进的制造方法制造这些阵列。

背景技术

纳米级设备和结构的作用越来越重要。但有效制造这些结构很具挑战性。

例如，目前是使用聚焦离子束(“FIB”)逐个“加工”针尖，从而制造出高纵横比的原子力显微镜(“AFM”)针尖(也俗称为“AFM探针”)。该方法具有通用性，不仅用于制造AFM探针。但是，由于每个探针都是单独制造，制造过程很缓慢，而且成本高昂。此外，还可通过在低纵横比基础(可能本身是一个低纵横比的探针)的顶点处附着或生长一个碳纳米管，从而制造出高纵横比的AFM探针。但是，要使一个碳纳米管以固定的方向和长度精确地附着或生长在所需的位置，难度非常大。而且，要规模化碳纳米管工艺，也非常有难度。

AFM技术发展地越来越成熟，而且在先进研究和工业研发实验室中越来越频繁地使用。AFM探针属于消耗品。因此，我们需要批量制造、成本低廉的AFM探针。

要获得所需的原子或分子级分辨率，AFM探针本身必须具有类似级别的厚度。AFM探针只是纳米级制品需求的一个示例。在这里，纳米级制品通常是指至少一个结构尺寸(如宽度、半径、厚度等)更适于以纳米测量(即一般为原子和分子级，且一般范围通常在1纳米到几百纳米之间)的制品。越来越多的产品在变得小型化，这需要以更高效和可重复的方式制造更多纳米级结构。

这对提供更高效的纳米级结构和设备制造方法提出了很多挑战和制约因素(尤其是使用高效且可重复的方法制造具有高纵横比的柱状结构)。本发明的目的之一就是减轻或消除上述缺点中的至少一个。

发明内容

本发明涉及纳米级结构的制造。在广义方面，本发明涉及纳米级结构制造的批量处理，具体而言，是在硅衬底上形成纵横比为5或更大的硅柱阵列。

要同时或以批量处理的方式制造多个或阵列式的高纵横比柱状结构，该方法首先要在硅(Si)衬底上形成多个或阵列式的金字塔形突起。这些金字塔形突起可通过蚀刻一个平坦的硅衬底形成，从而产生侧壁与硅{111}晶面大致对齐的金字塔形突起。当然，可以使用不同的衬底材料，或将金字塔形突起进行锐化，因此这些侧壁也可比硅{111}晶面限定的更加陡峭。首先用一种或几种硬质材料覆盖金字塔形突起的顶部。要对这些金字塔形突起的顶部进行覆盖，使用两步法，即先形成一种或几种硬质材料保护层覆盖各金字塔，至少覆盖其顶点表面，然后去除金字塔侧壁的一种或几种硬质材料保护层，使侧壁(而非顶部)裸露，稍后将进行解释。接下来蚀刻金字塔，将覆盖在金字塔顶点区域的硬质材料作为掩模，从而形成一个从顶点区域向下延伸的柱，该柱体的横截面轮廓由顶部硬质材料掩模的形状决定。最后一步可将硬质材料掩模去除。

本发明的第一方面提供了一种在一个衬底上制造多个柱状结构的方法。该衬底上面形成了多个突起，每个突起都有一个顶点，和从顶点区域向下延伸的侧壁。该方法包括步骤：用掩模材料保护层覆盖多个突起中的每个突起，以至少覆盖每个突起的顶点，去除各突起的侧壁上的掩模材料保护层，使侧壁裸露，并留下覆盖在顶点的掩模材料岛心区，在各突起的顶点上形成一个掩模，并用刻蚀气体以各向异性的方式在各突起上批量蚀刻，形成多个柱状结构，每个柱状结构通过蚀刻一个突起产生，并具有从掩模延伸到衬底的柱体，该柱体在其长度范围内的横截面形状基本上由掩模的形状决定。

本发明第一方面的一个特征中，使用一种等离子体工艺(如ICP-RIE工艺)蚀刻各个突起。衬底材料可以是硅。掩模材料可以是Cr，其可以采用蒸发镀膜的方式涂覆，然后用Ar离子进行物理溅射，将其从侧壁上去除。掩模材料也可以是Al，ICP-RIE工艺中可以使用Cl2或BCl3去除侧壁上涂覆的Al。一般来说，掩模材料可以是合适的金属(如Cr、Ti、Ni和Al)或非金属(如SiO₂)。

本发明第一方面的另一个特征中，该方法的其它步骤包括，在用掩模材料覆盖多个突起后，用第二掩模材料层覆盖多个突起中的每个突起，第二掩模材料层至少覆盖涂覆在各突起顶点的掩模材料，然后将各突起的侧壁上的第二掩模材料层去除，在去除侧壁上的掩模材料后，裸露出被第二掩模材料覆盖的侧壁。掩模材料和掩模材料对可以是Cr/Ti或Al/Si。第二掩模材料可以比掩模材料更耐去除金字塔突起侧壁上的气体离子刻蚀，或第二掩模材料的涂覆厚度更厚。