專利名稱：一種半導(dǎo)體納米圓環(huán)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體納米材料的加工方法，尤其涉及半導(dǎo)體材料的納米尺寸圓 環(huán)結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
納米尺寸的圓環(huán)結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。例如，對垂直結(jié)構(gòu)的太 陽能電池而言，圓環(huán)結(jié)構(gòu)比柱狀結(jié)構(gòu)更能有效吸收光生載流子，從而提高電池的效率；在 LED領(lǐng)域，研究者通常采用圖形襯底技術(shù)增加光的出射效率，與常規(guī)的柱狀結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石圖 形襯底相比，圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的圖形襯底可更有效增加光的反射，從而有望使LED獲得更高的 發(fā)光效率。由于受到光學(xué)光刻最小線寬的限制，很難通過常規(guī)的光學(xué)光刻制備出納米尺寸的 圓環(huán)結(jié)構(gòu)。納米尺寸圓環(huán)的制備往往依賴于先進(jìn)的、昂貴的加工技術(shù)，例如電子束光刻、聚 焦離子束光刻等等，這無疑會增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。當(dāng)然還可以基于化學(xué)生長技術(shù)自組裝 制備納米尺寸圓環(huán)結(jié)構(gòu)，例如基于氣-液-固(Vapor-Liquid-Solid)的生長機(jī)制。但采用 自組裝技術(shù)很難保證納米結(jié)構(gòu)的一致性和均勻性。此外，與制備納米線相比，自組裝制備納 米尺度圓環(huán)結(jié)構(gòu)的技術(shù)更不成熟。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于泊松衍射的基本原理，利用微米尺 度光刻設(shè)備低成本制備半導(dǎo)體材料的納米尺寸圓環(huán)結(jié)構(gòu)的方法。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種半導(dǎo)體納米圓環(huán)的制備方法，包括以下步驟1)清洗半導(dǎo)體襯底并對襯底進(jìn)行前烘；2)在襯底上旋涂正性光刻膠；3)在掩膜版的保護(hù)下對光刻膠進(jìn)行曝光，其中掩膜版的圖形區(qū)域?yàn)槲⒚准壷睆降?圓形；4)對曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影操作，在襯底上形成圓環(huán)形的光刻膠，然后進(jìn)行后
烘5)在圓環(huán)形光刻膠的保護(hù)下對襯底進(jìn)行等離子體刻蝕；6)去膠清洗，在襯底表面形成壁厚為納米尺寸的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法基于泊松衍射的原理，當(dāng)光照到不透光的小圓板上時(shí)，在圓板的陰 影中心會出現(xiàn)亮斑，即所謂泊松亮斑。上述步驟幻掩膜版的圖形區(qū)域?yàn)椴煌腹獾膱A形，為 了在曝光時(shí)發(fā)生泊松亮斑現(xiàn)象，使不透光的圓形掩膜版的中心下方對應(yīng)的光刻膠區(qū)域也發(fā) 生曝光，從而保證顯影后在襯底上留下的是圓環(huán)形而非圓形的光刻膠，所述圓形的直徑不 能太大，需要根據(jù)曝光光線的波長進(jìn)行選擇。同時(shí)，圓形的直徑也受光刻膠靈敏度的限制， 直徑太小的話可能造成顯影后光刻膠完全消失。在選定光刻膠后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過有限次的實(shí)驗(yàn)來確定匹配的波長和圓形直徑。例如，對于一般的正性光刻膠(如正性 光刻膠瑞紅304-25)，采用通過紫外光刻設(shè)備進(jìn)行紫外曝光，掩膜版圓形的直徑d應(yīng)該在 1μ < d< 2μπ 的范圍內(nèi)。上述步驟1)所述襯底的材料可以為微電子和光電子領(lǐng)域常見的半導(dǎo)體材料，例 如Si、Ge、GaAs等常用作器件襯底的材料，也可以為各種外延生長的半導(dǎo)體材料，如GaN等。上述步驟2)可采用的正性光刻膠例如正性光刻膠瑞紅304-25、AR-P 3100、AR-P 3200、AR-P 3500、AR-P 5900/4等，光刻膠的厚度優(yōu)選在300納米 4微米，更優(yōu)選為1微 米 3微米。上述步驟4)優(yōu)選采用波長為IOnm 400nm的紫外光進(jìn)行曝光，掩膜版圓形的直 徑d為lym<d<2ym。在此條件下步驟6)形成的半導(dǎo)體圓環(huán)的外徑在1. 5微米 2微 米，環(huán)壁厚(即內(nèi)外徑之差)約80納米 120納米。本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于光刻膠靈敏度的限制，是無法基于微米 尺寸的光刻設(shè)備直接利用納米尺寸的掩膜圖形制備納米結(jié)構(gòu)的，本發(fā)明利用了泊松衍射原 理，采用微米尺寸的光刻設(shè)備和微米尺寸的圓形掩膜，制備出納米尺寸的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，克服 了對先進(jìn)光刻技術(shù)的依賴，從而有效降低了這種納米結(jié)構(gòu)的制備成本。2、這種技術(shù)具有可 縮比性，即可以基于泊松亮斑現(xiàn)象，通過采用更短的波長、更小半徑的圓形掩膜版、靈敏度 更高的光刻膠，制備出圓環(huán)厚度和半徑均在納米范圍內(nèi)的各種半導(dǎo)體材料的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，即 納米管結(jié)構(gòu)，克服了許多半導(dǎo)體材料納米管無法制備的困難，為研究各種半導(dǎo)體材料納米 管的奇特特性奠定基礎(chǔ)。


圖1為微米尺寸的不透光圓形掩膜圖形的示意圖。圖2(a)和圖2(b)為在Si襯底上制備出的納米尺寸圓環(huán)結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡 照片，其中，圖2(a)為俯視圖；圖2(b)為45度角側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式下邊結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，但不以任何方式限制本發(fā) 明的范圍。 通過下述步驟制備Si納米圓環(huán)1)準(zhǔn)備并清洗Si襯底；2)對Si襯底進(jìn)行前烘；3)在Si襯底上旋涂正性光刻膠瑞紅304-25，1. 7微米；4)在掩膜版的保護(hù)下進(jìn)行紫外曝光，波長365nm，時(shí)間9秒其中掩膜版的圖形區(qū)域 為不透光的微米尺寸的圓形，如圖1所示。圓形的直徑分別取1微米、1. 5微米和2微米；5)對曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影操作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直徑為2微米的圓形掩膜圖形對 應(yīng)的光刻膠圖形仍然為圓形；由于受光刻膠靈敏度的限制，直徑為1微米的圓形掩膜圖形 對應(yīng)的光刻膠顯影后完全消失；而直徑為1. 5微米的圓形掩膜圖形對應(yīng)的光刻膠圖形為納 米尺度的圓環(huán)形；6)在圓環(huán)形光刻膠的保護(hù)下等離子體刻蝕Si襯底材料；
7)去膠清洗，在Si襯底表面形成壁厚約為IOOnm左右的納米尺寸圓環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖 2(a)和圖2(b)所示。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體納米圓環(huán)的制備方法，包括以下步驟1)清洗半導(dǎo)體襯底并對襯底進(jìn)行前烘；2)在襯底上旋涂正性光刻膠；3)在掩膜版的保護(hù)下對光刻膠進(jìn)行曝光，其中掩膜版的圖形區(qū)域?yàn)槲⒚准壷睆降膱A形；4)對曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影操作，在襯底上形成圓環(huán)形的光刻膠，然后進(jìn)行后烘；5)在圓環(huán)形光刻膠的保護(hù)下對襯底進(jìn)行等離子體刻蝕；6)去膠清洗，在襯底表面形成壁厚為納米尺寸的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中所述襯底的材料為Si、Ge、GaAs 或 GaN0
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中所述正性光刻膠為瑞紅304-25、 AR-P3100,AR-P 3200、AR-P 3500 或 AR-P 5900/4。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中所旋涂的正性光刻膠的厚度為 300納米 4微米。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟2)中所旋涂的正性光刻膠的厚度為1 微米 3微米。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4)通過紫外光刻設(shè)備進(jìn)行紫外曝光，掩 膜版的圖形區(qū)域?yàn)橹睆絛在1μπι< d< 2μπι范圍內(nèi)的圓形。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，紫外曝光中紫外光的波長為365nm，掩膜版 的圖形區(qū)域?yàn)橹睆?. 5 μ m的圓形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體納米圓環(huán)的制備方法，該方法首先在半導(dǎo)體襯底上涂正性光刻膠，然后基于泊松衍射的原理，通過微米級直徑的圓形掩膜版對光刻膠進(jìn)行曝光，得到圓環(huán)形的光刻膠，再在圓環(huán)形光刻膠的保護(hù)下對襯底進(jìn)行等離子體刻蝕，在襯底表面形成壁厚為納米尺寸的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用微米尺寸的光刻設(shè)備和微米尺寸的圓形掩膜制備出納米尺寸的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，克服了對先進(jìn)光刻技術(shù)的依賴，從而有效降低了圓環(huán)形納米結(jié)構(gòu)的制備成本。
文檔編號G03F7/00GK102097296SQ201010506128
公開日2011年6月15日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者孫帥, 安霞, 樊捷聞, 浦雙雙, 王潤聲, 艾玉杰, 郝志華, 黃如 申請人:北京大學(xué)