制造自排序纳米管道阵列及纳米点的方法

摘要

本发明公开制造自排序纳米管道阵列及纳米点的方法。该纳米管道阵列制造方法包括：进行第一阳极氧化，以在铝衬底上形成具有管道阵列的第一铝层，管道阵列由多个孔穴形成；蚀刻第一铝层到预定深度并在铝衬底上形成多个凹入部分，其中每个凹入部分对应于第一铝层的每个管道的底部；以及进行第二阳极氧化，以在铝衬底上形成具有对应于多个凹入部分的多个管道的阵列的第二铝层。该阵列制造方法能够获得精细排序的孔穴，并能使用孔穴形成纳米尺度的点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造垂直纳米管道(nanochannel)的阵列的方法和使用该阵列制造纳米点(nanodot)的方法，更具体地涉及一种通过两步阳极氧化形成自排序纳米管道阵列(self-ordered nanochannel-array)的方法和使用该纳米管道阵列制造纳米点的方法。

背景技术

近年来，积极地进行了研究，以在存储器、激光二极管(LD)、光电二极管(PD)、晶体管、远红外探测器、太阳能电池、光学调制器等中形成纳米尺度的图案或结构。例如，结合电子控制的纳米点对应于其尺寸改变了束缚电子的数目。由于同传统电子器件相比，可用较小数量的电子来驱动使用纳米点的电子器件，所以降低了阈值电流电平从而允许低压驱动。使用纳米点的器件还具有用低电压提供高输出的优势。

传统纳米点制作方法利用包括低压化学气相沉积(LPCVD)的常规沉积工序来形成Si/Si₃N₄核或喷洒纳米颗粒到衬底上。然而，传统方法很难控制纳米颗粒的尺寸。此外，喷洒相等尺寸的纳米颗粒不能保证均匀的纳米点分布。

另一种传统方法是使用电子束光刻或激光束光刻。这种方法不仅因工艺的局限很难获得所需尺寸的纳米点，而且在减小其尺寸方面受到限制。此外，众所周知，光刻是复杂而昂贵的工艺。

同时，Stephen Y.Chou等人提出了一种在硅衬底上形成金属纳米点的方法。该方法包括：用模具压印(imprint)形成在硅衬底上的PMMA层；形成管道阵列到预定深度；从管道底部除去残留的PMMA并在所得的结构上形成金属层；以及把衬底浸泡在蚀刻溶液中，并剥离其上的PMMA层和残留金属(Appl.Phys.Lett.，Vol.67.No.21，1995年11月20日)。根据该技术，模具确定了纳米点的尺寸和间隔。即，纳米点尺寸受限于模具的微尺度构图，诸如光刻。从而，其尺寸不能降低到比光刻工艺中所允许的极限小。

Hideki Masuda等人提出了一种制造能有效用于开发各种纳米尺度器件的纳米管道阵列的方法(Appl.Phys.Lett.，71(19)，1997年11月10日)。该方法包括在浅凹面上进行压模成型、执行阳极氧化工艺、以及形成自排序管道阵列。然而，该方法的问题在于每个管道或阵列的尺寸受限于该模具。

发明内容

本发明提供一种用于使用自对准技术容易地形成更小和高度有序的纳米管道阵列的方法。

本发明还提供一种使用该高度有序的纳米管道阵列制造纳米点的方法，其被设计成允许简化和更快的工艺、以及低制造成本。

根据本发明的一个方面，提供一种制造自排序纳米管道阵列的方法，其包括步骤：进行第一阳极氧化，从而在铝衬底上形成具有管道阵列的第一铝层，该管道阵列由多个孔穴(cavity)形成；蚀刻该第一铝层到预定深度；且在该铝衬底上形成多个凹入部分(concave portion)，其中每个凹入部分对应于该第一铝层的每个管道的底部；以及进行第二阳极氧化，从而在铝衬底上形成具有对应于该多个凹入部分的多个管道的阵列的第二铝层。

根据本发明的另一方面，提供一种制造纳米点的方法，包括步骤：进行第一阳极氧化，以在含有铝层的模板(template)上形成具有多个管道的阵列的第一铝层；蚀刻第一铝层到预定厚度并在该铝层上形成多个凹入部分，每个该凹入部分对应于第一铝层的每个管道的底部；进行第二阳极氧化，以在该铝层上形成具有对应于该多个凹入部分的多个管道的阵列的第二铝层；在形成有处理目标层的衬底上形成覆盖处理目标层的掩模层；使用模板中的第二铝层在该掩模层上进行压模成型，并把第二铝层中管道阵列的轮廓(profile)转移到该掩模层；以及蚀刻该掩模层和下方的处理目标层，并且把掩模层的压模成型的轮廓转移到处理目标层上。

在该纳米点制造方法中，掩模层可以由光致抗蚀剂或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethyacrylate，PMMA)构成。处理目标层(processing object layer)可以由硅构成。

附图说明

通过参考附图详细地说明其优选实施例，本发明的上述目的和有益效果将变得更清楚，其中：

图1A-1E示出了根据本发明使用两步阳极氧化制造自排序纳米管道阵列的方法的步骤；

图2示出了显示根据本发明一实施例制造的纳米管道阵列的纳米孔阵列的截面图(左)和顶视图(右)；以及

图3A-3H示出了根据本发明一实施例使用图2的纳米管道阵列作为模板制造纳米点的方法的步骤。

具体实施方式

以下，将参考附图介绍根据本发明优选实施例的自排序纳米管道阵列的制造方法和使用该纳米管道阵列作为模板制造纳米点的方法。

首先，将介绍在铝衬底上制造纳米管道阵列的方法。

根据本发明的纳米管道阵列制造方法包括两步阳极氧化工艺。

如图1A所示，准备铝衬底11。这里，铝衬底11可以由纯铝板构成，或是在分离的支撑衬底上形成有铝层的结构。

参照图1B，通过第一阳极氧化来氧化铝衬底11到预定深度，从而形成多孔铝层13。在通过第一阳极氧化使铝层13自原始铝表面11的表面延伸期间，由于开始被氧化的铝衬底11的形态(morphology)的不一致，不规则地歪曲了管道13a的垂直形状。

在图1C中，用蚀刻溶液清除铝层13。在这种情况下，留下相等纳米尺寸的凹入部分11a，以在蚀刻后暴露的铝衬底11上形成阵列。

参照图1D，在与用于第一阳极氧化的条件相同的条件下进行第二阳极氧化，从而形成具有多个管道14a的多孔铝层14至预定深度。

如图1E所示，仅在必要时，通过适合地调整溶液的温度和浓度以及外加电压的值来加宽管道14a。

图2示出了通过两步阳极氧化工艺形成的纳米管道阵列的横截面(左)，以及展现纳米管道的排列的纳米管道阵列的顶视图(右)。

上述纳米管道阵列可在根据本发明的形成纳米点的方法中作为模板。

参照图3A，准备衬底5，其上形成有由晶态或非晶硅制成的处理目标层4。这里，衬底5可以是硅衬底，并且在处理目标层4和硅衬底5之间夹有氧化硅5a。由于氧化硅仅是可以存在于处理目标层4下方的材料的一个例子，所以可以使用除氧化硅之外的材料。此外，处理目标层4可以用不同于硅的材料构造。即，根据本发明的纳米点制造方法不受形成处理目标层4的材料所限制，并且一种采用此材料的方法提供了本发明的另一实施例。

参照图3B，在处理目标层4上形成由光致抗蚀剂或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成的掩模层6至预定厚度。这里，考虑压模成型的因素来设定掩模层6的厚度。

如图3C所示，使用模板10在掩模层6上进行压模成型(compressionmolding)，在模板10中在铝衬底11上形成有具有多个管道的阵列的铝层14。此时，铝层14面对掩模层6，使得铝层14中的管道阵列的轮廓能转移到掩模层6。

在图3D中，从掩模层6上分离模板10，并且如图3G所示，在掩模层6的整个表面上进行蚀刻。在这种情况下，进行RIE(反应离子蚀刻)或离子铣削(ion milling)以将掩模层6蚀刻掉一均匀厚度。在这些条件下进行充分的蚀刻，使得转移到掩模层6上的模板轮廓能转移到处理目标层4上。在转移工艺之后，处理目标层4以纳米点的形式保留。

如图3E所示，如果在以纳米点形式处理了处理目标层4之后保留有掩模层6的残余物6’，那么如图3F所示除去残余物6’。如果没有留下残余物，那么可以略去此步骤而到下一步骤。

如图3H所示，如果处理目标层4由非晶硅构成，那么通过加热来对处理目标层4进行退火。如果需要和特别是当使非晶硅成为晶体硅时执行退火工艺。

这里一般地介绍了用于以处理目标层4形成纳米点的上述步骤。即，这些步骤仅是制造电子器件的工艺的一部分，因此本发明不受制作具体电子器件的方法所限制。

根据本发明的纳米管道阵列制作方法包括通过第一阳极氧化和蚀刻形成自排序凹入部分，以及然后通过第二阳极氧化形成自排序管道。本发明允许以此方法获得一管道阵列以代替通过光刻形成的模具用作模板，从而消除了进行昂贵光刻工艺的需要并提供了一种能应用于大面积的较快工艺。此外，本发明能够通过阳极氧化工艺容易地调整纳米管道阵列的管道间隔和尺寸，并然后调整使用该纳米管道阵列制作的纳米点阵列的尺寸和间隔。

根据本发明的管道阵列制造方法和使用该管道阵列制作纳米点的方法能应用于各种类型电子器件的制造，所述电子器件包括存储器、激光二极管(LD)、光电二极管(PD)、晶体管、远红外线探测器、太阳能电池和光学调制器。

虽然已经参考本发明的优选实施例具体地示出和介绍了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解，在不背离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可对其作形式和细节上的各种改变。