一种基于摩擦诱导构造单晶硅表面纳米凸起结构的加工方法

摘要

一种基于摩擦诱导构造单晶硅纳米凸起结构的加工方法，在扫描探针显微镜上采用尖端部为球冠状的金刚石针尖为加工工具，对单晶硅材料表面进行扫描；金刚石针尖上施加的载荷为单晶硅材料表面发生破坏的临界理论载荷的0.02－1倍，即可在单晶硅材料表面加工形成线状或面状及其他复杂形状的凸起结构。该方法在实施过程中不需要外加电场，不需要对材料表面进行任何化学处理，对环境无污染；只要通过针尖对材料表面施加一定载荷，就可以在表面加工出纳米级凸起结构；加工过程简单；加工重复性好；凸起结构的机械稳定性好。加工中使用大曲率半径的针尖，并且所用的载荷小，针尖的使用寿命长。

说明书

技术领域

本发明属于纳米加工技术领域，可用于材料表面纳米级凸起结构的加工。

背景技术

微纳米加工技术是现代高科技产业的重要组成部分。微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发展，引领集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高。近几十年来，纳米电子器件的研究取得了突飞猛进的进展。但是，将这些研究成果转变为具有运算功能的电路和器件尚依赖于先进的纳米加工制造技术。由于纳米电子器件的典型尺寸在纳米量级，传统的切削等机械加工技术已不适于其部件的加工。此外，随着集成电路的发展，具有极精细结构的新型电路芯片的制造也给传统的纳米加工技术带来巨大的挑战。在改进原有加工工艺的同时，寻求新一代的纳米加工技术迫在眉睫。

纳米电子器件大都由各种纳米点、纳米线和纳米凸区等构成。因此，其制造的关键在于如何实现这些纳米凸起结构的可控加工。按照原理的不同，目前的纳米加工方法主要有：

光刻技术：利用光学一化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，通过模板将电路图形传递到单晶表面或介质层上，是目前唯一用于微/纳米器件批量生产的加工技术。随着加工精度的不断提高，该方法成本也越来越高，其技术局限性也在进一步凸显，如：难以消除掩膜版基版的缺陷、难以提高硅片和掩膜板的表面平整度以及两者之间的平行度、光源光刻胶昂贵、光学系统易污染等问题。总之，随着纳米加工技术的发展，光刻技术已逐渐发展到其“应用极限”。

基于扫描隧道显微镜的单原子操纵：在扫描隧道显微镜的探针和试件表面之间施加偏压，通过针尖移动和排列吸附在基体表面上的原子，即可加工出所需的纳米结构。该方法受精确性和可连续性的限制，且加工效率低，尚难以投入实际生产。

基于扫描探针显微镜的阳极氧化法：通过扫描探针与样品之间的隧道电流作用和电化学反应来形成纳米氧化物结构的加工方法。在加工过程中，探针为电化学反应的阴极，样品为阳极，可使试件表面数个原子层出现氧化。该方法的加工精度受探针的尖锐度、探针和试件间偏压的大小、环境湿度以及扫描速度等因素影响。由于阳极氧化法要求试样可导电，通常可用于加工金属和半导体样品，对非金属和有机物等绝缘样品则无能为力。

扫描探针显微镜能实现原子量级的加工精度，且多探针并行加工等方法可以有效地提高加工效率，探针技术在纳米电子器件的制造中具有广阔的应用前景。然而，现有的扫描探针显微镜纳米加工方法通常需要施加电场，控制条件较多，操作过程复杂。因此，亟需研究提出一种工艺简单的扫描探针加工纳米凸起结构的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作过程简单的单晶硅表面纳米凸起结构加工的方法。该方法操作简单，精度高，重复性好，可靠性高，可为纳米加工提供新途径。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：将尖端部为球冠状的金刚石探针安装在扫描探针显微镜上，将单晶硅片固定在扫描探针显微镜的试样台上，启动扫描探针显微镜，给扫描探针施加设定的载荷F、并使其针尖沿着设定的轨迹在单晶硅片表面进行刻划即可在单晶硅表面加工出纳米凸起结构；其中，给扫描探针施加的载荷F的值，按以下方法确定：

(1)由公式$\frac{1}{E}=\frac{1-v_1^2}{E_1}+\frac{1-v_2^2}{E_2}$算出等效弹性模量E，式中v₁、v₂分别为针尖和单晶硅的泊松比，E₁、E₂分别为针尖和单晶硅的弹性模量；

(2)由公式$F_0=\frac{{{\sigma }_c}^3{\pi }^3{R}^2}{{6E}^2}$算出单晶硅片表面发生破坏的临界应力所对应的理论临界载荷F₀，式中σ_c为单晶硅的硬度，R是金刚石针尖的曲率半径。

(3)扫描探针施加的载荷F为理论临界载荷F₀的0.02-1倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明不需要外加电场，不需要对表面做特殊化学处理，直接采用机械加工的方法即可形成纳米电子器件所需的特定凸起结构，其操作过程简单，加工效率高。

二、将扫描探针按设定的线状轨迹进行线扫描(刻划)，即可得到线状的纳米级凸起结构；利用扫描探针在选定的区域上进行面扫描(刻划)，即可制作成面状凸起结构。凸起结构的高度由施加的载荷和刻划次数决定，宽度由探针尖端部的大小决定。其加工重复性好，精度高，可根据实际需要制作不同宽度和高度的凸起结构。

三、本发明方法形成的凸起结构主要是由单晶硅材料的表面受到由探针施加的小于表面破坏临界载荷的力的作用形成；并非外来物质附着形成，化学反应也不占主导作用。凸起结构与基底结合好，机械稳定性好。

四、用于加工的金刚石针尖尖部呈球冠状，其磨损率低，使用寿命长。

五、为了在线观察或评价加工效果，以便实现高精度的定制加工，可以在第一个样品加工后不需取下样品，直接利用专用于扫描形貌的探针对加工区域进行原位扫描(扫描过程中所用载荷＜10nN，为理论临界载荷F₀的1/1000以下，不会对表面产生破坏或其他影响)，即可观察到在样品表面加工出的凸起结构的三维形貌。如样品的凸起高度不够，可利用金刚石探针进行第二次加工，直至加工成合格品。通过少数样品的试验后，即可方便的精确设定加工参数，进行大批量的高精度加工。加工过程中浪费少，合格率高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明实施例一的方法对单晶硅材料表面进行加工得到的线状凸起结构。图中材料加工的具体参数为：单晶硅片的晶面取向为(100)，厚度0.5mm，扫描探针显微镜(SPM)采用SPI3800N型，扫描探针为金刚石针尖，其悬臂梁的弹性系数为180N/m，金刚石针尖球冠状尖端部的曲率半径约为430nm。

其中a1-a4分图对应的加工载荷均为135μN、扫描循环次数分别为1次、20次、100次、500次；

b1-b4分图对应的扫描循环次数均为200次、对应的加工载荷分别为45、55、85、135μN。

图2为利用本发明制作的凸起结构在纯水中经超声波清洗20分钟后无变化。(a)和(b)分别为清洗前后的形貌。

图3为本发明实施例一在Si(100)表面加工的面状凸起结构。所用载荷为85μN，扫描次数为11次，该面状凸起的尺寸为5μm×5μm。

图4为本发明实施例在Si(100)表面加工的纳米点结构。所用载荷为10μN，刻划长度为20nm，刻划次数为100次。

图5为经本发明实施例一方法在Si(100)表面刻写出的“TRI”。刻写时所用载荷为50μN，划痕循环次数为50次。

图6为利用曲率半径R约为100nm的针尖在单晶硅(100)表面加工出的“TRI”字样：所用载荷为150nN，刻划循环次数为100次在单晶硅(100)表面的加工结果。

图7为利用曲率半径R为5000nm的针尖在单晶硅(100)加工出的线状凸起结构：所用载荷为1mN，刻划次数为1次。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是：一种基于摩擦诱导构造单晶硅表面纳米凸起结构的加工方法，其具体作法是：

将尖端部为球冠状的金刚石探针安装在扫描探针显微镜上，将单晶硅片固定在扫描探针显微镜的试样台上，启动扫描探针显微镜，给扫描探针施加设定的载荷F、并使其针尖沿着设定的轨迹在单晶硅片表面进行刻划即可在单晶硅表面加工出纳米凸起结构；其中，给扫描探针施加的载荷F的值，按以下方法确定：

(1)由公式$\frac{1}{E}=\frac{1-v_1^2}{E_1}+\frac{1-v_2^2}{E_2}$算出等效弹性模量E，式中v₁、v₂分别为针尖和单晶硅片的泊松比，E₁、E₂分别为针尖和单晶硅片的弹性模量；

(2)由公式$F_0=\frac{{{\sigma }_c}^3{\pi }^3{R}^2}{{6E}^2}$算出单晶硅片表面发生破坏的临界应力所对应的理论临界载荷F₀，式中σ_c为单晶硅的硬度，R是金刚石针尖的曲率半径。

(3)扫描探针施加的载荷F为理论临界载荷F₀的0.02-1倍。

本例的扫描探针的球冠状尖端部的曲率半径为100nm-5μm(5000nm)。

本例中的单晶硅片在加工前可先进行清洗，清洗的具体做法是，依次在三氯甲烷、丙酮、纯水中超声清洗。这样可避免材料表面的污染物对加工过程及形成结构的不良影响。

以下是采用本例方法进行的几个具体的加工试验过程与结果：

试验1～4选用的金刚石针尖的曲率半径为430nm，由于单晶硅片的硬度为13GPa，金刚石和单晶硅片的泊松比v₁、v₂分别为0.28和0.07，金刚石针尖和单晶硅片的弹性模量E₁、E₂分别为130和1141GPa。根据(1)、(2)的公式得到在试验1～4中，金刚石针尖所施加的临界载荷F₀应为135μN，因此金刚石针尖上施加的载荷应不高于135μN。

1、线状凸起的加工试验：

加工时选用的具体条件和参数：样品为厚度约0.5mm的单晶硅片，其晶面取向为(100)，采用SPI3800N型扫描探针显微镜作为加工设备，所采用的扫描探针为金刚石针尖，其悬臂梁的弹性系数为180N/m，金刚石针尖球冠状尖端部的曲率半径约为430nm。试验中载荷分别选取为45、55、85、135μN，刻划时的循环次数分别选取为1、20、50、100、200、500次，刻划时设定的轨迹为一条直线。

采用以上参数条件对多个单晶硅晶片进行加工试验，结果表明，均可在单晶硅表面形成良好的凸起结构。

对以上加工后的单晶硅片，可利用专用于扫描形貌的小曲率半径(约30nm)的尖锐状氮化硅针尖在低载荷(小于10nN)条件下，对加工区域进行原位扫描，得到加工好的线状凸起结构。附图1给出了其中的部分形貌图。其中a1-a4分图对应的加工载荷均为135μN、扫描循环次数分别为1次、20次、100次、500次；b1-b4分图对应的扫描循环次数均为200次、对应的加工载荷分别为45、55、85、135μN。从各个形貌图中可以看出，线状凸起结构的宽度可控制在几十纳米至几百纳米，高度可达到10nm；凸起结构的宽度和高度与循环次数和施加载荷呈正相关关系。

图2则给出了纯水中超声波清洗20分钟前、后的凸起结构的外观形貌图，图2表明本发明制得的凸起结构机械稳定性好，在清洗前、后无任何变化。

2、面状凸起的加工试验：

加工时选用的具体参数载荷为50μN；采用面扫描方式(即相邻两条线扫描的轨迹紧邻)，扫描区域为5μm×5μm，扫描步长(相邻两条扫描线的间距)为19.5nm，扫描频率设为2Hz(即每秒钟完成两次线扫描)。扫描次数为11次，其余加工条件和参数与以上线状凸起的加工相同。

采用氮化硅针尖对加工区域进行原位扫描，得到如图3的面状凸起结构，其高度为4nm。

面状凸起的加工试验也表明，随着载荷和扫描次数的增加，面状隆起的高度也会相应增加。面积最小可控制在几十平方纳米。

3、纳米凸点的加工试验：

加工时选用的具体参数，载荷为10μN，设定的金刚石针尖轨迹为定点，刻划(循环)100次，刻划长度为20nm。其余参数、条件则与以上线状凸起的加工完全相同。

刻划完成后，采用灵敏度高的氮化硅针尖原位扫描表征刻划效果，结果如附图4所示，该纳米点的高度约为1.4nm，直径约为100nm。

4、复杂形状凸起结构的加工试验：

加工时选用的具体参数：载荷为50μN，循环次数50次，扫描频率为2Hz。其余参数、条件则与以上线状凸起的加工完全相同。设定的扫描轨迹为“TRI”三字中的逐笔逐画。每个笔画均设定其相应的角度和长度，如“T”的横“—”及竖“丨”分别设定为0°、2μm和90°、3.5μm的扫描线轨迹；其余的加工参数条件也与线状凸起结构的加工完全相同。

选用扫描灵敏度高的氮化硅针尖，对刻写区域进行扫描，得到的刻画效果见附图5。由图5可见，采用本发明的方法可以按设定要求刻写出形状为“TRI”的复杂形状的凸起结构。

显然，本发明可以根据需要设定不同的刻划轨迹，加工出不同的各种复杂形状的凸起结构。

5、曲率半径为100nm的金刚石针尖的加工试验

加工时选用的具体参数为：金刚石针尖尖端部的曲率半径约为100nm，经公式(1)、(2)计算出单晶硅片表面发生破坏的理论临界载荷F₀为7500nN；本试验中所用载荷为150nN(为理论临界载荷的0.02倍)，刻划循环次数为100次，其余的加工条件、参数及工艺均与以上试验4的复杂形状凸起结构的加工完全相同，扫描得到的形状为“TRI”凸起结构的形貌如图6。

6、曲率半径为5μm的金刚石针尖的加工试验

加工时选用的具体参数为：金刚石针尖尖端部的曲率半径为5μm，经公式(1)、(2)计算出单晶硅片表面发生破坏的理论临界载荷F₀为18mN，本试验中所用载荷为1mN(为理论临界载荷的0.06倍)，刻划循环次数为1次，其余的加工条件、参数及工艺均与以上试验1的线状凸起结构的加工完全相同，扫描得到的形貌如图7。

试验证明，本发明加工的凸起结构的厚度与循环次数正相关，但只要施加的载荷在理论临界载荷的0.02-1倍的范围内，就可在单晶硅表面加工出凸起结构。施加的载荷在理论临界载荷的0.02倍、循环100次或者施加的载荷在理论临界载荷的0.2倍、循环1次即能加工成明显的凸起结构。若需要加工更厚的凸起结构，则可通过施加更大的载荷和/或增加循环次数实现。