[发明专利]纳米柱/针森林结构的图形化加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图形化加工方法，尤其是一种纳米柱/针森林结构的图形化加工方法，属于纳米结构加工的技术领域。

背景技术

大面积纳米柱/针结构，因具有大表体比、大粗糙度、大表面积、尖端、多孔隙/缝隙等结构特点而呈现出超亲/疏水、等离子体振荡增强、场发射、滤光、吸光等特性，因而常常适用于微流控器件、表面增强拉曼散射器件、生物医学检测或功能器件、光电子器件、光学传感器件、新能源器件等，故近年来逐步成为研究热点之一。在很多情况下，大面积、高密度的纳米柱/针结构看似茂密的森林，所以又称其为纳米柱/针森林结构。

目前，纳米结构的制备可以采用电子束光刻(Electron-Beam Lithography)、聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)刻蚀、飞秒激光辅助刻蚀等技术方法。电子束光刻是指在计算机的控制下，利用聚焦后的电子束对样品表面上的电子抗蚀剂进行曝光，从而制造图形的工艺。聚焦离子束刻蚀是一种可在微米/纳米尺度上进行结构加工和原位成像的先进技术，其基本工作原理是利用纳米量级的离子束斑在样品表面进行扫描，在一定能量和剂量下，被扫描区域的样品材料将被溅射出来，从而实现纳米尺度的结构刻蚀功能。飞秒激光辅助刻蚀技术利用飞秒激光从硅基底所处的腐蚀气体氛围中激发出特定的离子，在该离子的腐蚀作用下，硅表面形成纳米结构。这几类纳米结构加工方法均需要依赖于各自对应的尖端设备，而这类设备价格昂贵，且多采用串行加工模式，这就使得纳米柱/针森林结构的加工备受限制，因此极大地影响了其在研究、开发、产品化等各方面的推广应用。

针对大面积纳米结构的并行制备，还有以下几种典型的方法：自催化VLS化学合成生长技术、电化学湿法腐蚀技术和纳米小球蚀刻技术等。利用VLS化学合成生长技术可以制备得到大面积、高密度的纳米柱/针森林结构，且可以对纳米柱/针结构的高度实现有效调控。但是，该方法需要使用金属纳米颗粒作为纳米结构生长的催化剂，而金属催化剂颗粒的形成和分布在一定程度上增加了工艺的复杂程度。另外，由该方法所制得的纳米柱/针森林结构的方向难以精准控制，这些不足将对纳米柱/针森林结构的整体表面性能造成影响。电化学湿法腐蚀技术采用碱或酸腐蚀的方式处理硅片，进而在硅片表面形成尖锥纳米结构或凹孔纳米结构，得到类似于纳米柱/针的森林结构。这其中，酸腐蚀方式利用了原电池工作原理，处理过程中以金纳米颗粒作为催化剂。理论上，电化学湿法腐蚀技术可便捷地得到纳米森林结构，但结构的可控性相对较差，且酸腐蚀方式亦采用了金属纳米颗粒，同样增加了工艺的复杂程度。采用纳米小球蚀刻技术结合各向异性刻蚀也可以用于加工纳米柱/针森林结构，然而，单层排布纳米小球的图形化需要严格的控制条件，且即使在严格控制排布条件的前提下，仍较难实现大面积范围内的单层小球图形化排布。这就限制了纳米柱/针森林结构在特定微纳器件中的集成应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种纳米柱/针森林结构的图形化加工方法，其能有效克服电子束光刻和聚焦离子束刻蚀技术在批量加工方面的限制，并可有效降低工艺复杂程度，实现具有可调控性的图形化纳米柱/针森林结构。

按照本发明提供的技术方案，一种纳米柱/针森林结构的图形化加工方法，所述图形化加工方法包括如下步骤：

a、准备并清洗提供的第一基片和第二基片(；

b、在上述的第二基片的下表面设置与第一基片材料相似的第一基片相似材料层，在第二基片上设置若干穿通结构，所述穿通结构穿通第二基片以及第一基片相似材料层，以形成镂空基片；

c、将上述镂空基片粘结在第一基片的上表面，第一基片相似材料层对应且邻近第一基片上表面，第一基片的上表面与镂空基片的下表面间在粘结后得到引入的距离，以在镂空基片的下表面与第一基片的上表面间改变刻蚀气体等离子体的运动轨迹；

d、采用各向异性刻蚀技术对镂空基片的上表面进行刻蚀，且利用镂空基片的穿通结构对第一基片的上表面进行刻蚀；

e、将镂空基片从第一基片的上表面去除，以在第一基片上得到与穿通结构所在位置相对应的纳米柱/针森林结构。

所述第一基片、第二基片包括单晶硅衬底、玻璃衬底、生长多晶硅层、氧化硅层或氮化硅层的单晶硅衬底或玻璃衬底、金属衬底、生长有金属层的单晶硅衬底或生长有金属层的玻璃衬底。

所述金属衬底包括铝衬底、铜衬底、钛衬底、金衬底、铂衬底或镍衬底，单晶硅衬底或玻璃衬底上的金属层包括铝层、铜层、钛层、金层、铂层或镍层。

所述第一基片相似材料层与第一基片的刻蚀选择比为0.7：1～1：0.7。