一种柱状同轴圆环纳米结构的制作方法与流程

本发明属于微纳米结构制备领域，具体涉及一种柱状同轴圆环纳米结构的制作方法。

背景技术：

纳米技术是当前一大研究热点，各种各样的纳米结构表现出许多新颖的物理特性，被认为在光学、材料、生物、能源以及医学等诸多领域有着极大的应用潜力。柱状同轴纳米结构是一类特殊的纳米结构，尤其是金属化之后，可用以形成特殊的纳米光学谐振腔体，可应用于折射率传感、表面拉曼增强、纳米激光器等场合。这类柱状同轴纳米结构尺度往往在数十纳米至几个微米的量级。当外径尺寸在1微米以内时，其制备对加工工艺有很高的要求。通常，制备这类纳米级的同轴柱状结构主要采取聚焦离子束刻蚀(fib)、电子束曝光(ebl)、纳米压印等工艺，前两种方式工艺设备极其昂贵、且均采用逐点扫描的加工方式，当样品面积大时效率极低；而纳米压印虽然能够大面积制备同轴纳米结构，但是其模板的制备同样需要采用fib、ebl等昂贵且低效的工艺实现，并且模板一旦制备完成就无法更改，使得后续纳米压印的自由度大大降低。因此，需要寻找一种能够低成本、大面积制备柱状同轴纳米结构的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种柱状同轴圆环纳米结构的制作方法，该方法快速高效、可大面积制备，成本低廉，在制备过程中柱状同轴圆环纳米结构的各个尺寸参数(如内外径、周期大小等)可以实现更高的加工自由度。

本发明解决上述技术问题，通过以下技术方案来实现：

一种柱状同轴圆环纳米结构的制作方法，包括：

在基底表面形成图形刻蚀层的工序；

对图形刻蚀层进行处理，在基底表面形成柱状同轴圆环纳米结构的工序；

以基底表面的柱状同轴圆环纳米结构为掩膜，对基底进行刻蚀，将结构转移至基底，并去除基底表面结构的工序。

本发明中，基底为半导体或绝缘体。优选地，所述基底为硅基底、二氧化硅基底。

本发明中，图形刻蚀层在基底表面由从下往上依次为耐有机溶剂腐蚀层、易被有机溶剂腐蚀层和材料保护层构成。

进一步地，耐有机溶剂腐蚀层为光刻胶su8层，易被有机溶剂腐蚀层为正胶ar-p-3740层。

所述材料保护层为钛层或二氧化硅层，材料保护层厚度为10-30nm。优选地，材料保护层为钛层。

本发明中，耐有机溶剂腐蚀层和易被有机溶剂腐蚀层通过涂覆的方法实现，材料保护层通过物理沉积法实现。

本发明中，对图形刻蚀层进行处理包括以下步骤：在图形刻蚀层表面形成图案为有半径r圆孔的第一掩膜层；刻蚀图形刻蚀层中的材料保护层，再刻蚀易被有机溶剂腐蚀层和耐有机溶剂腐蚀层，易被有机溶剂腐蚀层和耐有机溶剂腐蚀层刻蚀半径均为r，且r大于r，暴露出基底；在暴露出基底的表面形成图案为半径r圆的第二掩膜层；去除图形刻蚀层中的易被有机溶剂腐蚀层、材料保护层，以及第一掩膜层，保留耐有机溶剂腐蚀层，在基底表面形成柱状同轴圆环纳米结构。

本发明中，在图形刻蚀层表面形成图案为有半径r圆孔的第一掩膜层通过以下方式获得：在图形刻蚀层表面通过自组装方法排列一层纳米球，对纳米球进行处理，使得纳米球半径为r，通过物理沉积法镀刻蚀掩膜层，再去除纳米球，得到在图形刻蚀层表面形成图案为有半径r圆孔的第一掩膜层。

进一步地，自组装方法为气液界面自组装方法或者垂直沉降方法。

纳米球为聚苯乙烯纳米球或二氧化硅纳米球。

纳米球进行处理为采用感应耦合等离子刻蚀(icp)工艺或等离子清洗机的氩(ar)离子刻蚀工艺对纳米球进行刻蚀。

进一步地，等离子清洗机ar的工作功率为150w-500w，反应腔内压强为200±70mtorr，ar的流量为72sccm。

本发明中，去除纳米球采用腐蚀液或超声清洗机去除。

本发明中，在暴露出基底的表面形成图案为半径r圆的第二掩膜层通过物理沉积法镀刻蚀掩膜层获得。

本发明中，物理沉积法包括电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射。

本发明中，刻蚀掩膜层为铝层、铬层、二氧化硅层或者三氧化二铝层。优选地，所述刻蚀掩膜层为铝层。

进一步的，所述铝层采用电子束蒸镀，速率为

本发明中，刻蚀图形刻蚀层中材料保护层、易被有机溶剂腐蚀层和耐有机溶剂腐蚀层采用干法刻蚀技术。

进一步地，刻蚀掉暴露出的材料保护层、易被有机溶剂腐蚀层和耐有机溶剂腐蚀层采用感应耦合等离子刻蚀(icp)。

本发明中，去除图形刻蚀层中的易被有机溶剂腐蚀层、材料保护层，以及第一掩膜层采用腐蚀液进行处理。

进一步地，去除图形刻蚀层中的易被有机溶剂腐蚀层、材料保护层，以及第一掩膜层采用腐蚀液为丙酮。

本发明中，刻蚀基底采用干法刻蚀技术进行处理。

进一步地，蚀刻基底采用感应耦合等离子刻蚀(icp)。

本发明中，去除基底表面结构采用腐蚀液去除。

进一步地，去除基底表面结构采用的腐蚀液为食人鱼溶液。

本发明中，所述柱状同轴圆环纳米结构的深度h在10-3000nm，圆环的内环半径r为100-1000nm，间隙d(d＝r-r)在10nm-450nm。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明基于纳米小球自组装方法结合镀膜以及刻蚀等方式形成的组合工艺，该方法所涉及的工艺过程，纳米小球自组装、镀膜等方法均具有可快速高效、大面积制备的优点，从而可以实现比传统的fib、ebl等方法具有更经济、更高效的效果；同时与纳米压印相比，该方法不需要昂贵的精细化模板，成本更低；

(2)本发明制作柱状同轴圆环纳米结构的过程中，可以通过调节各个工艺参数方便地控制所得的柱状同轴纳米结构的各个尺寸参数(如内外径、周期大小等)以实现更高的加工自由度；

(3)本发明制作的柱状同轴圆环纳米结构是一类特殊的纳米结构，尤其是金属化之后，可用以形成特殊的纳米光学谐振腔体，可应用于折射率传感、表面拉曼增强、纳米激光器等场合。

附图说明

图1为本发明柱状同轴圆环纳米结构的结构示意图；

图2是本发明柱状同轴圆环纳米结构的制作流程图；

图3是本发明柱状同轴圆环纳米结构放大5k倍的电镜图；

图4是本发明柱状同轴圆环纳米结构截面放大10k倍的电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便本领域技术人员更好理解和实施本发明的技术方案。

实施例1

图1-图2所示的柱状同轴圆环纳米结构的制作方法，其包括以下步骤：

(1)在硅基底上依次涂覆薄膜材料a和薄膜材料b，其中，薄膜材料a是耐有机溶剂腐蚀的光刻胶su8，薄膜材料b是易被有机溶剂腐蚀的正胶ar-p-3740；并且在材料b上表面上用物理沉积法镀一层材料c，材料c是厚度为30nm的钛，如图2a。

(2)在步骤(1)后的基片表面通过自组装的方法排列一层直径为1um的聚苯乙烯(ps)小球，如图2b，此处小球直径的大小将决定最终柱状同轴纳米结构的周期大小，或者当控制自组装过程使小球呈随机分布时，最终可以得到随机排布的柱状同轴纳米结构。

(3)通过等离子清洗机的氩(ar)离子刻蚀工艺将聚苯乙烯(ps)小球其直径减小至合适的尺寸，该尺寸决定最终柱状同轴圆环纳米结构的圆环内环半径(r)尺寸，如图2c。本实施例中，聚苯乙烯(ps)小球的直径被减小至640nm，等离子清洗机ar的工作功率为500w，反应腔内压强为200±70mtorr，ar的流量为72sccm，时间为14min。

(4)在步骤(3)样片表面采用电子束蒸镀，速率为镀一层材料d,材料d是厚度为30nm的金属铝，如图2d。

(5)将样片放在超声清洗机中去掉聚苯乙烯(ps)小球(剥离工艺)，如图2e。

(6)并通过感应耦合等离子刻蚀(icp)工艺将暴露的材料c钛、薄膜材料a光刻胶su8和薄膜材料b正胶ar-p-3740刻蚀掉,刻蚀薄膜材料a和薄膜材料b的程度最终决定柱状同轴圆环纳米结构的圆环外环半径(r)，如图2f。本实施例中，刻蚀薄膜材料a和b的半径r均为470nm。刻蚀ti采用c4f8和sf6混合气体，使用o2作为反应气体除去光刻胶。刻蚀的工艺参数如表1：

表1感应耦合等离子刻蚀(icp)刻蚀ti和除去光刻胶的工艺参数

本实施例中刻蚀ti的时间为50s，刻蚀光刻胶的时间为35s。

(7)在步骤(6)后的样品表面再使用电子束蒸镀在刻蚀过的样片上蒸镀一层材料d厚度为30nm的金属铝，如图2g。

(8)用丙酮将经步骤(7)处理后表面的材料b正胶ar-p-3740、材料c钛层和材料d铝层除去，在基底表面剩下材料a光刻胶su8和材料d铝层,如图2h。

(9)在步骤(8)所得的样品用感应耦合等离子刻蚀(icp)将结构转移至基底，根据工艺需求刻蚀相应的深度h，如图2i。本实施例中，h为950nm，感应耦合等离子刻蚀(icp)采用c4f8和sf6混合气体作为反应气体，刻蚀工艺参数如表2。

表2感应耦合等离子刻蚀(icp)刻蚀基底硅的工艺参数

本实施例中刻蚀基底硅的时间为55s。

(10)步骤(9)残留的材料a光刻胶su8和材料d铝层用食人鱼溶液(体积比7(浓硫酸(98％))：3(过氧化氢(32％)))去除，最终得到柱状同轴圆环纳米结构，如图2j和图2k。

如图3-图4所示，本实施例最终得到的柱状同轴纳米结构的深度h为950nm，间隙宽度d为150nm，内环半径为320nm。

实施例2

本实施例的柱状同轴圆环纳米结构的制作方法与实施例1的不同之处在于，基底为二氧化硅基底。感应耦合等离子刻蚀(icp)刻蚀二氧化硅基底采用c4f8和he混合气体作为反应气体。具体刻蚀工艺参数如表3：

表3感应耦合等离子刻蚀(icp)刻蚀基底二氧化硅的工艺参数

本实施例中刻蚀基底二氧化硅的时间为190s。

以上实施例仅用于阐述本发明，而本发明的保护范围并非仅仅局限于以上实施例。所属技术领域的普通技术人员依据以上本发明公开的内容均可实现本发明的目的，任何基于本发明构思基础上做出的改进和变形，均落入本发明的保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载的为准。