納米掩膜蝕刻的詳細(xì)說明

在本文中，使用電感耦合等離子體(ICP)蝕刻方法進(jìn)行了陣列制作鐵氧化物納米點(diǎn)的生物納米過程，ICP法是一種很有前途的方法，用于半導(dǎo)體圖案化的干蝕刻方法，這種方法的特點(diǎn)是通過安裝在反應(yīng)室頂部的天線線圈使等離子體高度致密。此外，與其他方法相比，由于低等離子體能量，可以預(yù)期對(duì)蝕刻表面的低損傷，使用這種ICP蝕刻，檢查了由陣列產(chǎn)生的離散鐵納米點(diǎn)氧化物的可能性，生物納米工藝被用作干法蝕刻的納米尺寸圖案化掩模。

用高分辨型FE-SEM觀察了鐵蛋白分子的單層結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)消除前的SEM圖像沒有顯示核心的清晰圖像，因?yàn)楹诵闹車牡鞍踪|(zhì)殼減弱了氧化鐵核心的二次電子發(fā)射的強(qiáng)度，在UV-臭氧處理后，SEM圖像變得更清晰，并顯示出離散的核或納米點(diǎn)，如下圖所示。納米點(diǎn)的順序不是很好，但是清楚地觀察到放置在硅晶片上的陣列離散的6nm離子氧化物核，因?yàn)镾EM不能直接觀察蛋白質(zhì)部分，所以通過FTIR研究蛋白質(zhì)的存在。

在UV-臭氧處理后，氮的XPS信號(hào)消失，并且?guī)缀鯖]有與背景水平相同的碳信號(hào)，這些FTIR和XPS結(jié)果表明蛋白質(zhì)殼被完全去除。之前在接觸模式下的AFM觀察表明氧化鐵納米點(diǎn)對(duì)硅晶片的粘附力較弱，并且在ICP蝕刻期間，具有高能量的離子化分子有可能撞擊納米點(diǎn)并移動(dòng)或?yàn)R射掉它們。因此首先研究了IPC蝕刻對(duì)離散氧化鐵納米點(diǎn)陣列穩(wěn)定性的影響，使用表中的條件A對(duì)具有氧化鐵納米點(diǎn)的硅片進(jìn)行ICP蝕刻，蝕刻時(shí)間從1.5分鐘到25分鐘不等。

上圖總結(jié)了樣品的SEM圖像，蝕刻2.5分鐘后，氧化鐵納米點(diǎn)聚集，每個(gè)聚集體包含幾個(gè)納米點(diǎn)，這一結(jié)果表明，在條件A中產(chǎn)生的電離分子不是濺射掉氧化鐵納米點(diǎn)，而是移動(dòng)它們進(jìn)行聚集，聚集體的尺寸很小，氧化鐵納米點(diǎn)僅移動(dòng)了幾十納米，氧化鐵納米點(diǎn)的表面能可能是聚集的原因，聚集體中的納米點(diǎn)在蝕刻5分鐘之前是可檢測(cè)的，但是在更長(zhǎng)的蝕刻之后它們變得模糊，較長(zhǎng)的ICP蝕刻以納米點(diǎn)聚集的速度產(chǎn)生白色葉狀結(jié)構(gòu)，并且它們與蝕刻時(shí)間成比例地變大，蝕刻25分鐘后，白色葉狀結(jié)構(gòu)變成具有約30 nm寬線條的迷宮圖案，這與原始納米點(diǎn)陣列無關(guān)。該結(jié)果表明迷宮圖案或葉狀結(jié)構(gòu)僅由ICP蝕刻工藝形成。

為了研究葉狀蝕刻誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的成分，XPS 進(jìn)行了測(cè)量，記錄了來自硅、碳、鐵和氟的信號(hào)。在顯示了CF2和Fls峰附近的XPS數(shù)據(jù)中，每個(gè)信號(hào)代表在ICP蝕刻(條件A)和用于去除氧化鐵核的附加HCl處理之前、之后來自樣品的信號(hào)，ICP蝕刻前樣品的信號(hào)顯示在CF2和F1s處沒有峰，ICP蝕刻后樣品的信號(hào)顯示F1s峰。

ICP蝕刻后的圖像至少由F原子組成，氟原子的存在與早期文獻(xiàn)報(bào)道的在CHF、ICP蝕刻過程中CF膜的形成是一致的，由于這種CF膜可以用作ICP蝕刻的掩模，所以圖中看到的迷宮圖案CF結(jié)構(gòu)。 HCl處理容易去除CF膜、葉狀結(jié)構(gòu)和氧化鐵納米點(diǎn)，HCl處理后的SEM圖像顯示了離散點(diǎn)和較大平臺(tái)的組合。該結(jié)果表明單個(gè)氧化鐵點(diǎn)用作蝕刻掩模；另一方面，平臺(tái)被認(rèn)為是由以下過程產(chǎn)生的，被納米點(diǎn)聚集體覆蓋的區(qū)域被CF膜進(jìn)一步覆蓋，這種氧化鐵點(diǎn)和CF膜用作蝕刻掩模，在條件D的情況下，CF與O2的比率較小，蝕刻速率降低，但是沒有觀察到CF形成的顯著降低，從這些結(jié)果來看，在條件C下蝕刻兩分鐘半得到最好的結(jié)果。

眾所周知，在CHF的情況下，將樣品保持在低溫將導(dǎo)致更高的各向異性蝕刻；ICP蝕刻，使用條件E進(jìn)行蝕刻，除了樣品架溫度之外，條件E與條件E相同，支架由液氦從背面冷卻，樣品保持在190 K 蝕刻后樣品的SEM圖像。在HCl處理之前，存在葉狀結(jié)構(gòu)，其與圖中看到的相同，這些容易通過HCl處理去除，并且樣品表面顯示出離散點(diǎn)和較大平臺(tái)的組合，與條件c的情況相同，離散點(diǎn)看起來更高或看起來呈錐形，而不是圓盤。在刻蝕速率不變的情況下，低溫增強(qiáng)了各向異性刻蝕，產(chǎn)生了錐形結(jié)構(gòu)。

SEM圖像顯示，在短蝕刻時(shí)間的情況下，納米點(diǎn)聚集，在較長(zhǎng)蝕刻時(shí)間后，納米點(diǎn)形成葉狀結(jié)構(gòu)，它們與蝕刻時(shí)間成比例增長(zhǎng)，卡莉迷宮圖案和線寬可由鐵蛋白的老化圖案決定，然后進(jìn)一步的蝕刻離子流導(dǎo)致富CF或F膜的形成，該過程被認(rèn)為導(dǎo)致具有更寬線寬的迷宮圖案，為了避免形成厚的CF膜，短的蝕刻時(shí)間是有效的，所有被測(cè)條件下的刻蝕速率都不足以制備納米柱，CF膜或類love結(jié)構(gòu)總是在清晰的蝕刻結(jié)構(gòu)形成之前形成，2分半鐘的蝕刻時(shí)間，只制作出點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)而非柱狀，納米蝕刻需要對(duì)ICP蝕刻條件進(jìn)行更全面的調(diào)查，相同的腐蝕條件但在190 K下可以產(chǎn)生錐形峰，以及HCl處理后的平臺(tái)，錐形峰的尺寸略大于離子氧化物納米點(diǎn)的尺寸，這表明錐形峰是用納米點(diǎn)掩模腐蝕產(chǎn)生的，盡管蝕刻速率低，1納米/分鐘，但通過SEM仍可觀察到錐形的高度，原因尚不清楚，但初始階段的蝕刻速率可能大于較長(zhǎng)蝕刻時(shí)間的蝕刻速率。

從獲得的所有數(shù)據(jù)判斷，可以合理地宣稱直徑為6nm的納米點(diǎn)可以用作納米尺寸的干法蝕刻掩模，并且可以產(chǎn)生直徑為10nm或更小的納米柱，還聲稱納米點(diǎn)陣列具有用作納米尺寸圖案化掩模的潛力，這種納米蝕刻適用于各種類型的納米結(jié)構(gòu)，一個(gè)例子是量子納米盤，如果制備在非常淺的位置具有薄導(dǎo)電層的非導(dǎo)電襯底并用納米點(diǎn)掩模蝕刻，則獲得的納米柱將具有導(dǎo)電納米盤，由于柱體直徑由氧化鐵點(diǎn)的大小決定，且導(dǎo)電層的厚度易于控制，因此可以設(shè)計(jì)導(dǎo)電納米盤的直徑和厚度，這將為量子阱的制備提供一種新的途徑。

利用生物納米工藝制備的硅片上的氧化鐵納米點(diǎn)陣列作為納米尺寸的圖案掩模，用于ICP干法刻蝕，在190K下的ICP蝕刻可以產(chǎn)生錐形結(jié)構(gòu)，并且證明了離散的氧化鐵納米點(diǎn)陣列可以用作納米尺寸的圖案掩模，ICP刻蝕和由生物納米工藝產(chǎn)生的納米刻蝕掩模的結(jié)合具有制作納米結(jié)構(gòu)或量子阱的巨大潛力。

審核編輯：符乾江