一种硅纳米柱掩膜的制备方法及其应用方法

本发明涉及纳米材料，尤其是一种硅纳米柱掩膜的制备方法及其应用方法。

背景技术：

1、纳米材料具有独特的物理和化学性质，使得它们在微电子、能源材料、催化反应等领域具有广泛的应用前景。其中纳米柱作为一种典型的纳米材料，在光电器件、化学传感器、生物分析等领域中显示出了许多有趣的性质和应用。目前纳米柱的合成方法较为繁琐，往往需要通过水热法、化学气相沉积或电化学方法等复杂的制备工艺来实现。这些方法往往难以精确控制纳米柱的形状和尺寸，限制了其在某些领域的应用。

2、纳米材料在工业技术领域的应用越来越广泛，源自于它的纳米结构特殊的尺寸效应和表面效应。纳米材料的制备是纳米科技的基础，常见的制备纳米材料的方法包括物理法和化学法，物理法包括物理粉碎法、物理凝聚法和喷雾法等；化学法包括化学气相沉积法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法和掩膜法等。其中掩膜法在纳米材料的制备过程中能够有效地控制形貌、粒径和结构，已成为合成纳米材料的前沿方法，而如何高效低成本的获取能够制备纳米结构的掩膜是该领域的核心关键技术。特别在纳米阵列结构的制备中，难以对阵列单元的形状进行控制，光刻机虽然可以很方便的制备各种形状的三维结构，但是生产设备太过昂贵。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硅纳米柱掩膜的制备方法及其应用方法，用于制备纳米柱。

2、本发明采用如下技术方案：

3、根据本公开的第一方面，本发明提供了一种硅纳米柱掩膜的制备方法，将聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇混合配置成聚苯乙烯微球悬浊液；之后将聚苯乙烯微球悬浊液单层平铺在水面上；再滴加十二烷基硫酸钠溶液形成聚苯乙烯胶体球膜；在硅基底上固定环氧树脂有机滤膜；采用提拉法将聚苯乙烯胶体球膜捞出干燥制得纳米柱掩膜。

4、在本公开的一种示例性实施例中，所述硅基底采用单晶硅，单面抛光或双面抛光处理；型号、晶向为n<100>，电阻率1-10ω·cm，厚度为500±10um。

5、在本公开的一种示例性实施例中，所述聚苯乙烯微球溶液浓度为10wt％，聚苯乙烯微球尺寸为3um或4um，标准偏差小于10％；3um的聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇按照1:2比例进行配比配置聚苯乙烯微球悬浊液；4um的聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇按照1:1.5比例进行配比配置聚苯乙烯微球悬浊液。

6、在本公开的一种示例性实施例中，所述环氧树脂有机滤膜的孔径为10um，孔中心间距20um，膜厚10um。

7、在本公开的一种示例性实施例中，硅基底进行预处理：硅基底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中分别进行超声波清洗；之后，浸泡在98％的h2s04与h202的混合溶液中；之后将硅基片浸泡在h20、nh3h2o、h202的混合溶液中；之后放入去离子水中超声清洗；之后烘干，烘干后固定环氧树脂有机滤膜。

8、在本公开的一种示例性实施例中，h2s04与h202的比例为7:3。

9、在本公开的一种示例性实施例中，h20、nh3h2o、h202的比例为5:1:1。

10、根据本公开的第二方面，本发明提供了一种硅纳米柱掩膜的应用方法，在上述制得的纳米柱掩膜基础上，去除环氧树脂有机滤膜，环氧树脂有机滤膜孔内聚苯乙烯微球留在硅基底表面；接着进行热处理；之后进行反应离子刻蚀制得硅纳米柱，反应离子刻蚀气体为sf6与o2的混合气体。

11、在本公开的一种示例性实施例中，热处理为采用温度不低于500℃的退火处理。

12、在本公开的一种示例性实施例中，环氧树脂有机滤膜孔半径为r、聚苯乙烯微球半径为r满足如下条件制备不同硅纳米柱，当2.15r≤r<2.41r时，形成三角形掩膜，对应制备三棱柱硅纳米柱；当2.41r≤r<2.70r时形成矩形掩膜，对应制备四棱柱纳米柱；当2.70r≤r<3r时形成五边形掩膜，对应制备五棱柱纳米柱；当3r≤r<3.32r时形成六边形掩膜，对应制备六棱柱纳米柱；当3.32r≤r<3.6r时形成七边形掩膜，对应制备七棱柱纳米柱。

13、本发明的有益效果在于：本发明的目的在于提供一种硅纳米柱掩膜的制备方法及其应用方法，利用刻蚀气体对聚苯乙烯微球的刻蚀速率远低于对硅的刻蚀速率原理，将热处理之后的聚苯乙烯微球作为掩膜版来保护其下面的硅，从而形成硅纳米柱阵列结构。

技术特征：

1.一种硅纳米柱掩膜的制备方法，其特征是：将聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇混合配置成聚苯乙烯微球悬浊液；之后将聚苯乙烯微球悬浊液单层平铺在水面上；再滴加十二烷基硫酸钠溶液形成聚苯乙烯胶体球膜；在硅基底上固定环氧树脂有机滤膜；采用提拉法将聚苯乙烯胶体球膜捞出干燥制得纳米柱掩膜。

2.根据权利要求1所述的硅纳米柱掩膜的制备方法，其特征是：所述硅基底采用单晶硅，单面抛光或双面抛光处理；型号、晶向为n<100>，电阻率1-10ω·cm，厚度为500±10um。

3.根据权利要求1所述的硅纳米柱掩膜的制备方法，其特征是：所述聚苯乙烯微球溶液浓度为10wt％，聚苯乙烯微球尺寸为3um或4um，标准偏差小于10％；3um的聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇按照1:2比例进行配比配置聚苯乙烯微球悬浊液；4um的聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇按照1:1.5比例进行配比配置聚苯乙烯微球悬浊液。

4.根据权利要求1所述的硅纳米柱掩膜的制备方法，其特征是：所述环氧树脂有机滤膜的孔径为10um，孔中心间距20um，膜厚10um。

5.根据权利要求1所述的硅纳米柱掩膜的制备方法，其特征是：硅基底进行预处理：硅基底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中分别进行超声波清洗；之后，浸泡在98％的h2s04与h202的混合溶液中；之后将硅基片浸泡在h20、nh3h2o、h202的混合溶液中；之后放入去离子水中超声清洗；之后烘干，烘干后固定环氧树脂有机滤膜。

6.根据权利要求5所述的硅纳米柱掩膜的制备方法，其特征是：h2s04与h202的比例为7:3。

7.根据权利要求5所述的硅纳米柱掩膜的制备方法，其特征是：h20、nh3h2o、h202的比例为5:1:1。

8.一种硅纳米柱掩膜的应用方法，其特征是：在权利要求1-7任一制得的纳米柱掩膜基础上，去除环氧树脂有机滤膜，环氧树脂有机滤膜孔内聚苯乙烯微球留在硅基底表面；接着进行热处理；之后进行反应离子刻蚀制得硅纳米柱，反应离子刻蚀气体为sf6与o2的混合气体。

9.根据权利要求8所述的硅纳米柱掩膜的应用方法，其特征是：热处理为采用温度不低于500℃的退火处理。

10.根据权利要求8所述的硅纳米柱掩膜的应用方法，其特征是：环氧树脂有机滤膜孔半径为r、聚苯乙烯微球半径为r满足如下条件制备不同硅纳米柱，当2.15r≤r<2.41r时，形成三角形掩膜，对应制备三棱柱硅纳米柱；当2.41r≤r<2.70r时形成矩形掩膜，对应制备四棱柱纳米柱；当2.70r≤r<3r时形成五边形掩膜，对应制备五棱柱纳米柱；当3r≤r<3.32r时形成六边形掩膜，对应制备六棱柱纳米柱；当3.32r≤r<3.6r时形成七边形掩膜，对应制备七棱柱纳米柱。

技术总结本发明公开了一种硅纳米柱掩膜的制备方法及其应用方法，属于纳米材料技术领域；将聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇混合配置成聚苯乙烯微球悬浊液；之后将聚苯乙烯微球悬浊液单层平铺在水面上；再滴加十二烷基硫酸钠溶液形成聚苯乙烯胶体球膜；在硅基底上固定环氧树脂有机滤膜；采用提拉法将聚苯乙烯胶体球膜捞出干燥制得纳米柱掩膜；利用刻蚀气体对聚苯乙烯微球的刻蚀速率远低于对硅的刻蚀速率原理，将热处理之后的聚苯乙烯微球作为掩膜版来保护其下面的硅，从而形成硅纳米柱阵列结构；在掌握单层聚苯乙烯（PS）小球平铺技术的基础上，结合有机滤膜的阵列结构，利用PS球和滤膜阵列单元尺寸关系，进而实现表面掩膜纳米阵列单元尺寸和形状的控制。技术研发人员：孙士阳,钱远近,柯龙,刘学杰,谭心受保护的技术使用者：内蒙古科技大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15