王相和，楊翠萍，張麗娟

(通化師范學(xué)院 物理系,吉林 通化 134002)

1 引言

有序納米結(jié)構(gòu)陣列在微電子學(xué)、磁學(xué)，生物學(xué)和光學(xué)中有廣泛應(yīng)用[1-4].目前工業(yè)生產(chǎn)中多采用光刻技術(shù)來(lái)制備有序納米結(jié)構(gòu)陣列及器件.隨著集成度的提高，器件的特征尺寸已經(jīng)接近光刻極限.為了進(jìn)一步提高集成度，就要開發(fā)出新的光刻技術(shù)，即所謂的新一代光刻技術(shù)，包括極紫外光刻技術(shù)(EUVL)、X射線光刻技術(shù)、電子束曝光刻蝕技術(shù)、納米印章技術(shù)等等.納米印章技術(shù)是1995年由Stephen Chou小組提出來(lái)的一種制備納米結(jié)構(gòu)的高新技術(shù)，被認(rèn)為是當(dāng)前最有前途的制備納米結(jié)構(gòu)的新技術(shù)之一[5].納米印章技術(shù)中模板的制備技術(shù)是一項(xiàng)重要的科研課題，一般采用光刻、電子束刻蝕以及光刻與其他手段相結(jié)合的方法.電子束刻蝕技術(shù)雖然可以制備出很小的納米結(jié)構(gòu)圖形的模板，但設(shè)備價(jià)格昂貴，操作過程復(fù)雜，應(yīng)用范圍受到很大限制.

多層膜在生產(chǎn)、生活及科學(xué)研究中的應(yīng)用十分廣泛.多層膜的制備技術(shù)多種多樣，包括磁控濺射技術(shù)，激光脈沖沉積技術(shù)，分子束外延技術(shù)等等.這些技術(shù)都可以在納米尺度上對(duì)薄膜厚度進(jìn)行控制.這種厚度可調(diào)的薄膜也可以用來(lái)制備納米印章的模板.圖1給出了利用薄膜生長(zhǎng)技術(shù)制備納米模板的過程.利用多層膜沉積技術(shù)在硅片上生長(zhǎng)多層膜，通過解理獲得陡峭的多層膜橫斷面(圖1a，b).然后利用印章技術(shù)將模板圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上(圖1c，d).最后采用選擇刻蝕技實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移.

納米光柵在光學(xué)、微生物學(xué)及醫(yī)藥學(xué)方面具有重要應(yīng)用.2003年N.A.Melosh等人[6]利用多層膜生長(zhǎng)技術(shù)制備了GaAs/Al0.8Ga0.2As超晶格結(jié)構(gòu)，利用選擇性腐蝕在其橫斷面上得到了納米模板，并利用這種模板制備出了超高密度的線條結(jié)構(gòu)，但他們使用的系統(tǒng)更為昂貴，效率也不高.本文利用PECVD技術(shù)制備a-Si/SiNx多層膜，再利用選擇性刻蝕技術(shù)，制備了多層膜浮雕型納米模板，并成功地在硅片上實(shí)現(xiàn)了圖形轉(zhuǎn)移，制備了硅基納米光柵.

圖1 異質(zhì)多層膜為模版進(jìn)行納米印章過程來(lái)制備納米結(jié)構(gòu)示意圖

a、b在多層膜截面上腐蝕或刻蝕出周期結(jié)構(gòu)；c、d用印章技術(shù)將納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到光刻膠上.

2 實(shí)驗(yàn)

利用PECVD系統(tǒng)在Si(100)襯底上制備a-Si/SiNx多層膜，通過改變生長(zhǎng)時(shí)間控制子層厚度范圍為10～100納米.利用機(jī)械解理可以得到平直干凈的Si(111)截面，多層膜截面也很干凈平直.樣品橫截面腐蝕液使用HNO3,HF和H2O的混合溶液，其體積比為3:100:100，腐蝕時(shí)間10～100秒.在腐蝕過程中使用超聲震蕩使樣品表面保持清潔.利用轉(zhuǎn)靶XRD衍射儀表征多層膜結(jié)構(gòu)，利用SEM表征樣品的表面形貌.

3 結(jié)果與討論

圖2 a-Si/SiNx(20nm/20nm)多層膜小角XRD

為了表征樣品的微觀結(jié)構(gòu)，制備了結(jié)構(gòu)為a-Si(4nm)/SiNx(6nm)多層膜.小角X射線衍射圖可以觀察到明顯的小角衍射峰，表明多層膜的界面是非常清晰的(圖2).利用Bragg公式2dsinθ=jλ，計(jì)算表明周期長(zhǎng)度d為10納米，與設(shè)計(jì)值相符，并且利用各個(gè)峰位所得的計(jì)算值與測(cè)量值都吻合得非常好，其中d為多層膜的循環(huán)周期，λ為X射線的波長(zhǎng)，j為衍射級(jí)數(shù).

將已經(jīng)解理的樣品放入腐蝕液中，HNO3將a-Si氧化生成SiO2，在此過程中有氧氣放出，因此把樣品放入腐蝕液中，可以看到有微小氣泡從樣品表面逸出；而后SiO2被HF腐蝕溶解于水中.溶液中過程進(jìn)行的非常迅速，室溫條件下對(duì)a-Si腐蝕率可達(dá)10納米/秒.溶液中HNO3濃度很低，而HF的濃度相對(duì)很高，因此可以保證形成的SiO2被迅速溶解不會(huì)阻礙腐蝕過程的進(jìn)一步進(jìn)行.而此種溶液對(duì)SiNx腐蝕作用很慢，速率低于1納米/秒，因此這種溶液在所給的實(shí)驗(yàn)條件下有很好的選擇性腐蝕用.在試驗(yàn)中使用超聲震蕩，一是為了使形成的氧氣氣泡迅速釋放出來(lái)，使反應(yīng)順利進(jìn)行，二是防止樣品表面受到污染.

圖3 化學(xué)腐蝕a-Si/SiNx多層膜100秒鐘可以看到大范圍保持很好的周期結(jié)構(gòu)

圖3給出了化學(xué)腐蝕變周期a-Si/SiNx多層膜100秒鐘后的SEM圖，得到的條(100nm)/槽(100nm)結(jié)構(gòu)在很大范圍內(nèi)都非常平直，尺寸均勻.同樣的腐蝕條件下，SiNx層厚度大的區(qū)域納米結(jié)構(gòu)保持完好，而厚度小的區(qū)域發(fā)生了扭曲.不使用超聲振蕩時(shí)，樣品表面沾污了許多雜質(zhì)，使用超聲振蕩以后，可以發(fā)現(xiàn)樣品表面非常清潔.槽結(jié)構(gòu)的寬度為100納米與a-Si子層厚度相吻合；條狀結(jié)構(gòu)側(cè)壁起伏度在1納米之內(nèi)，棱角垂直，尺寸為100納米，與SiNx子層厚度相吻合；周期結(jié)構(gòu)為a-Si(50nm)/SiNx(50nm)的區(qū)域結(jié)構(gòu)也發(fā)生了扭曲(圖4).這也證明薄膜生長(zhǎng)過程厚度可以精確控制，并且用簡(jiǎn)單溶液就可以實(shí)現(xiàn)選擇性腐蝕得到納米量級(jí)的微小結(jié)構(gòu).

圖4 襯底表面微小凸起導(dǎo)致曲形模板

當(dāng)襯底表面有微小的凸起時(shí)，模板結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變，變成彎曲形狀，這表明可以通過改變襯底形貌來(lái)設(shè)計(jì)模板結(jié)構(gòu).圖5給出的是超聲震蕩中化學(xué)腐蝕a-Si/SiNx(20納米/20納米)多層膜10秒鐘后的表面形貌，在腐蝕過程中進(jìn)行超聲清洗，得到的樣品表面清潔，周期結(jié)構(gòu)保持很好.

圖5 a-Si/SiNx(20納米/20納米)多層膜

以周期為40納米的等間距一維條/槽結(jié)構(gòu)為模板，利用印章技術(shù)在硅的表面制備了一維條狀結(jié)構(gòu)，展示了這種模板和技術(shù)的可能性(圖6).雖然使用的是等間距模板，但得到的光柵間距并不相等.這是由于壓印時(shí)模板與光刻膠表面不嚴(yán)格垂直，使得模板形貌沒有完全保真地轉(zhuǎn)移到光刻膠上.

圖6 利用印章技術(shù)制備一維硅基納米周期結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

在多層膜生長(zhǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上,利用選擇性濕法腐蝕制備了一維浮雕型納米模板.在化學(xué)腐蝕過程中，a-Si和SiNx子層復(fù)式速度不同，形成一維納米模板.多層膜中子層間界面清晰陡峭，因此得到納米尺度上平滑的模板.模板的周期和特征尺寸大小控制可以通過調(diào)節(jié)多層膜子層的生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn).改變襯底形貌可以制備出曲形模板.我們現(xiàn)在制備的最小線條結(jié)構(gòu)是20納米，周期40納米.在此模板基礎(chǔ)上，成功地利用印章技術(shù)制備了硅基光柵.

參考文獻(xiàn)：

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