納米級結(jié)構(gòu)的制造方法及使用該方法制造的納米級結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及納米級結(jié)構(gòu)的制造領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明涉及在晶圓上制造高縱橫比的納米級支柱陣列以及使用改進(jìn)的制造方法制造這些陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]納米級設(shè)備和結(jié)構(gòu)的作用越來越重要。但有效制造這些結(jié)構(gòu)很具挑戰(zhàn)性。
[0003]例如，目前是使用聚焦離子束(“FIB”)逐個“加工”針尖，從而制造出高縱橫比的原子力顯微鏡(“AFM”)針尖(也俗稱為“AFM探針”)。該方法具有通用性，不僅用于制造AFM探針。但是，由于每個探針都是單獨(dú)制造，制造過程很緩慢，而且成本高昂。此外，還可通過在低縱橫比基礎(chǔ)(可能本身是一個低縱橫比的探針)的頂點(diǎn)處附著或生長一個碳納米管，從而制造出高縱橫比的AFM探針。但是，要使一個碳納米管以固定的方向和長度精確地附著或生長在所需的位置，難度非常大。而且，要規(guī)?；技{米管工藝，也非常有難度。
[0004]AFM技術(shù)發(fā)展地越來越成熟，而且在先進(jìn)研究和工業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中越來越頻繁地使用。AFM探針屬于消耗品。因此，我們需要批量制造、成本低廉的AFM探針。
[0005]要獲得所需的原子或分子級分辨率，AFM探針本身必須具有類似級別的厚度。AFM探針只是納米級制品需求的一個示例。在這里，納米級制品通常是指至少一個結(jié)構(gòu)尺寸(如寬度、半徑、厚度等)更適于以納米測量(即一般為原子和分子級，且一般范圍通常在I納米到幾百納米之間)的制品。越來越多的產(chǎn)品在變得小型化，這需要以更高效和可重復(fù)的方式制造更多納米級結(jié)構(gòu)。
[0006]這對提供更高效的納米級結(jié)構(gòu)和設(shè)備制造方法提出了很多挑戰(zhàn)和制約因素(尤其是使用高效且可重復(fù)的方法制造具有高縱橫比的柱狀結(jié)構(gòu))。本發(fā)明的目的之一就是減輕或消除上述缺點(diǎn)中的至少一個。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明涉及納米級結(jié)構(gòu)的制造。在廣義方面，本發(fā)明涉及納米級結(jié)構(gòu)制造的批量處理，具體而言，是在硅襯底上形成縱橫比為5或更大的硅柱陣列。
[0008]要同時或以批量處理的方式制造多個或陣列式的高縱橫比柱狀結(jié)構(gòu)，該方法首先要在硅(Si)襯底上形成多個或陣列式的金字塔形突起。這些金字塔形突起可通過蝕刻一個平坦的硅襯底形成，從而產(chǎn)生側(cè)壁與硅{111}晶面大致對齊的金字塔形突起。當(dāng)然，可以使用不同的襯底材料，或?qū)⒔鹱炙瓮黄疬M(jìn)行銳化，因此這些側(cè)壁也可比硅{111}晶面限定的更加陡峭。首先用一種或幾種硬質(zhì)材料覆蓋金字塔形突起的頂部。要對這些金字塔形突起的頂部進(jìn)行覆蓋，使用兩步法，即先形成一種或幾種硬質(zhì)材料保護(hù)層覆蓋各金字塔，至少覆蓋其頂點(diǎn)表面，然后去除金字塔側(cè)壁的一種或幾種硬質(zhì)材料保護(hù)層，使側(cè)壁(而非頂部)裸露，稍后將進(jìn)行解釋。接下來蝕刻金字塔，將覆蓋在金字塔頂點(diǎn)區(qū)域的硬質(zhì)材料作為掩模，從而形成一個從頂點(diǎn)區(qū)域向下延伸的柱，該柱體的橫截面輪廓由頂部硬質(zhì)材料掩模的形狀決定。最后一步可將硬質(zhì)材料掩模去除。
[0009]本發(fā)明的第一方面提供了一種在一個襯底上制造多個柱狀結(jié)構(gòu)的方法。該襯底上面形成了多個突起，每個突起都有一個頂點(diǎn)，和從頂點(diǎn)區(qū)域向下延伸的側(cè)壁。該方法包括步驟:用掩模材料保護(hù)層覆蓋多個突起中的每個突起，以至少覆蓋每個突起的頂點(diǎn)，去除各突起的側(cè)壁上的掩模材料保護(hù)層，使側(cè)壁裸露，并留下覆蓋在頂點(diǎn)的掩模材料島心區(qū)，在各突起的頂點(diǎn)上形成一個掩模，并用刻蝕氣體以各向異性的方式在各突起上批量蝕刻，形成多個柱狀結(jié)構(gòu)，每個柱狀結(jié)構(gòu)通過蝕刻一個突起產(chǎn)生，并具有從掩模延伸到襯底的柱體，該柱體在其長度范圍內(nèi)的橫截面形狀基本上由掩模的形狀決定。
[0010]本發(fā)明第一方面的一個特征中，使用一種等離子體工藝(如ICP-RIE工藝)蝕刻各個突起。襯底材料可以是硅。掩模材料可以是Cr，其可以采用蒸發(fā)鍍膜的方式涂覆，然后用Ar離子進(jìn)行物理濺射，將其從側(cè)壁上去除。掩模材料也可以是Al，ICP-RIE工藝中可以使用C12或BC13去除側(cè)壁上涂覆的Al。一般來說，掩模材料可以是合適的金屬(如Cr、T1、Ni和Al)或非金屬(如S12) ο
[0011]本發(fā)明第一方面的另一個特征中，該方法的其它步驟包括，在用掩模材料覆蓋多個突起后，用第二掩模材料層覆蓋多個突起中的每個突起，第二掩模材料層至少覆蓋涂覆在各突起頂點(diǎn)的掩模材料，然后將各突起的側(cè)壁上的第二掩模材料層去除，在去除側(cè)壁上的掩模材料后，裸露出被第二掩模材料覆蓋的側(cè)壁。掩模材料和掩模材料對可以是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側(cè)壁上的氣體離子刻蝕，或第二掩模材料的涂覆厚度更厚。
[0012]本發(fā)明的第二方面，提供了一種在一個襯底上制造納米級結(jié)構(gòu)的方法。該襯底上至少形成一個突起，該突起的頂面決定納米級結(jié)構(gòu)的形狀，其傾斜的側(cè)壁從頂面向下延伸。該方法包括步驟:用掩模材料保護(hù)層覆蓋該至少一個突起，至少覆蓋頂面，去除該至少一個突起的側(cè)壁上的掩模材料保護(hù)層，使側(cè)壁裸露，并形成覆蓋該至少一個突起的頂面的掩模，同時用刻蝕氣體以各向異性的方式對該至少一個突起的傾斜側(cè)壁進(jìn)行蝕刻，形成基本垂直、從掩模向襯底延伸的側(cè)壁，每個基本垂直的側(cè)壁通過蝕刻一個傾斜側(cè)壁產(chǎn)生。
[0013]在本發(fā)明的另一個方面，提供了在一個硅襯底上形成一個硅柱陣列的方法。每個硅柱均在襯底上整體形成。每個硅柱包括一個與襯底相距的頂點(diǎn)，一個在襯底上整體形成的基礎(chǔ)，和一個延伸于頂點(diǎn)和基礎(chǔ)之間的柱體，該柱體的橫截面形狀在其長度范圍內(nèi)基本相同。該柱體的縱橫比大于基礎(chǔ)的縱橫比。
[0014]該柱體可呈錐形朝向頂點(diǎn)，或柱體的中部可比兩端更細(xì)。該陣列可以具有較高的密度，如至少480個硅柱/100cm2。
[0015]本發(fā)明的其它方面提供了上述方面的各種組合和子集。
【附圖說明】
[0016]出于說明而非限制的目的，根據(jù)附圖對本發(fā)明的前述方面和其它方面進(jìn)行了詳細(xì)說明，其中:
[0017]圖1所示為在其上形成金字塔形狀突起陣列的硅襯底照片，以及一個金字塔形突起的詳圖；
[0018]圖2所示為硅柱(從圖1中的金字塔形突起制造產(chǎn)生)的掃描電子顯微鏡(“SEM”)照片；
[0019]圖3是對圖2照片中所不娃柱進(jìn)彳丁說明的圖表；
[0020]圖4A、4B、4C和4D對按照本發(fā)明的制造方法制造硅柱的步驟加以圖示；
[0021]圖5A、5B和5C對涂覆金字塔形突起頂點(diǎn)區(qū)域的一種替代方法的步驟加以圖示；
[0022]圖6A對使用本文所述方法制造的硅柱的錐形柱體加以圖示，圖6B對的硅柱柱體(中間部分較細(xì))進(jìn)行圖示；
[0023]圖7是一個過程圖，對在一個平坦的襯底上形成多個金字塔形結(jié)構(gòu)，以便使用本文所述的批量處理方法制造硅柱陣列的步驟加以圖示；
[0024]圖8對具有一個彎曲壩體，用于使用本文所述的制造方法制造納米級側(cè)壁或大量具有相似或不同形狀側(cè)壁的突起加以圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0025]通過本發(fā)明的原理的一個或多個特定實(shí)施范例提供下方說明和其中描述的實(shí)施范例。這些示例用于解釋而非限制這些原理和本發(fā)明。在下方說明中，說明書和附圖中相同的部分用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)出。
[0026]本發(fā)明涉及納米級結(jié)構(gòu)的制造方法和使用該改進(jìn)方法制造硅柱陣列。參閱圖1，要在平晶圓上制造具有高縱橫比柱體的硅柱陣列，首先在硅襯底102上形成具有金字塔形狀的多個或陣列式的突起104。這些金字塔形突起104可通過蝕刻平坦的硅襯底形成，從而產(chǎn)生具有側(cè)壁106的金字塔形突起。首先用一種或幾種硬質(zhì)材料覆蓋金字塔形突起的頂部108。在這里，“硬質(zhì)”的意思是該材料具有足