一种内嵌式纳米森林结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种内嵌式纳米森林结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]大面积的纳米结构，因具有大表体比、大粗糙度、大表面积、尖端、多孔隙/缝隙等结构特点，而呈现出超亲/疏水、表面等离子体振荡增强、场发射、滤光、吸光等特性，因而常常适用于自清洁表面、微流控器件、表面增强拉曼散射器件、表面等离子体红外吸收器件、生物医学检测器件如DNA分子分离器件或功能器件、光电子器件、光学传感器件、太阳能电池等新能源器件，以及一些其他应用。近年来，大面积的纳米结构成为研究的热点。而大面积纳米结构因其形貌呈森林状，亦称为纳米森林结构。
[0003]目前，纳米结构的制备主要采用电子束光刻(Electron-Beam Lithography)、聚焦离子束(Focused 1n Beam,FIB)刻蚀、飞秒激光辅助刻蚀、自催化VLS化学合成生长技术、电化学湿法腐蚀技术和纳米小球蚀刻等技术来制备纳米结构，这些技术由于成本高昂和/或工艺复杂等问题，难以实现大规模的商业化生产。同时，采用这些制备方法得到的纳米森林结构大多至少部分位于衬底表面之上，呈现为凸起状，如图1所示。在一些特定应用环境下，这些凸起状的纳米森林结构在应用过程中存在一些问题，例如:对于DNA分子分离器件，需要将该纳米森林结构与微流道结构相键合以获得DNA分子分离器件，由于该纳米森林结构为凸起状，需要与一个具有和该纳米森林结构尺寸相互匹配的微流道结构进行精确对准键合，否则无法确保微流道内纳米森林结构与微流道一侧壁间隙A、微流道另一侧壁间隙B和上表面间隙C为纳米量级，继而导致DNA分子从上述间隙位置流过，无法获得DNA分子的有效分离结果，如图2所示。然而，制备一个具有和该纳米森林结构尺寸相互匹配的微流道，并进行精确对准键合，且要保证结合和/或键合过程中不发生相对位移非常困难。
[0004]此外，在实际应用中，常常需要图形化的纳米森林结构，现有技术在形成图形化纳米森林结构的过程中，由于形成图形化纳米掩模结构时容易在图形化区域之外残留纳米材料，如图3所示，导致通过刻蚀形成的纳米森林结构之外区域表面不平整，如图4所示，上述不平整在特定的应用场景下会影响图形化纳米森林结构的应用，例如，不平整的表面不利于进行键合，也不利于获取用于器件性能标定的比对信号。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种内嵌式纳米森林结构及其制备方法，以解决现有技术不易形成具有和已制备纳米森林结构尺寸相互匹配的微流道结构并进行精确对准键合的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]—种内嵌式纳米森林结构的制备方法，包括:
[0008]提供衬底；
[0009]在所述衬底之上形成具有开口的刻蚀阻挡层；
[0010]在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构；
[0011]进行各向异性刻蚀，在所述衬底的开口处形成内嵌式纳米森林结构；
[0012]去除所述纳米掩模结构及所述刻蚀阻挡层。
[0013]优选地，所述开口暴露/不暴露所述衬底，当所述开口不暴露所述衬底时，所述开口底部与衬底表面之间的剩余刻蚀阻挡层厚度为50-100nm。
[0014]优选地，所述在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构包括:
[0015]在所述衬底表面之上形成聚合物层，所述聚合物层的材料包括以下任意一种:正性光刻胶、负性光刻胶、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯及其叠层；
[0016]采用等离子体对所述聚合物层进行轰击，以形成纳米掩模结构。
[0017]优选地，通过调整所述聚合物层的材料种类、厚度、粘度特性和/或等离子体轰击工艺条件，获取形状为独立的、两两相连的和/或半连接的直立柱状的纳米掩模结构，并以该纳米掩模结构为掩模获得纳米森林结构，所述纳米森林结构的纳米结构形状包括以下任意一种:锥状、台状、柱状及其平面组合。
[0018]优选地，所述纳米掩模结构为图形化的纳米掩模结构。
[0019]优选地，所述聚合物层为图形化的光敏聚酰亚胺层，形成所述图形化的光敏聚酰亚胺层包括:
[0020]在所述衬底表面之上形成光敏聚酰亚胺层；
[0021]采用光刻工艺形成图形化的光敏聚酰亚胺层。
[0022]优选地，所述方法还包括:
[0023]在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构之前，沉积厚度为50-100nm的硬掩模层；
[0024]在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构之后进行刻蚀，在所述硬掩模层中形成纳米硬掩模结构，以该纳米硬掩模结构作为掩模或以该纳米硬掩模结构和所述纳米掩模结构共同作为掩模。
[0025]一种内嵌式纳米森林结构，包括:
[0026]衬底；
[0027]内嵌于衬底表面的纳米森林结构，所述纳米森林结构的上表面与衬底表面齐平。
[0028]优选地，所述内嵌式纳米森林结构的纳米结构形状为锥状、台状、柱状及其平面组入口 ο
[0029]优选地，所述衬底还包括:
[0030]与所述内嵌式纳米森林结构底部持平的平整部分。
[0031]本发明提供的内嵌式纳米森林结构及其制备方法，通过在衬底之上形成具有开口的刻蚀阻挡层，该开口所在区域为需要形成纳米森林结构的区域，由于开口以外区域有刻蚀阻挡层保护，不会如现有技术中在非纳米森林区域由于残留纳米材料，在经过刻蚀后造成非纳米森林结构区域的衬底表面不平整；然后通过在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构；接着进行各向异性刻蚀，在所述衬底的开口处形成内嵌式纳米森林结构，并去除所述衬底之上所有层。由于有直立于衬底表面的纳米掩模结构作掩模，所述开口处形成的内嵌式纳米森林结构的顶部高度不变，而非开口区域的衬底表面有刻蚀阻挡层保护，去除所述刻蚀阻挡层后，所述纳米森林结构顶部与衬底的表面齐平，这可以保证在进行后续键合工艺时，纳米森林结构的顶部可以与另一衬底的平整表面无缝贴合，避免DNA分子从纳米森林结构与微流道上表面间隙C流过；此外，由于所述纳米掩模结构能完全覆盖所述开口区域，进行各向异性刻蚀后形成的内嵌式纳米森林结构的边缘部分不会存在空缺，能有效解决现有技术中因微流道尺寸偏差、对位不准或键合过程发生相对位移导致的上述间隙A和/或间隙B过大，使得DNA分子从间隙A和/或间隙B中流走的问题；进一步地，由于形成的纳米森林结构为内嵌式，无需对准过程，只需将具有平整表面的另一衬底和具有所述内嵌式纳米森林结构的衬底直接进行键合即可，能有效减小制造类似DNA分子分离器等需要键合工艺的制造复杂度和对对位精度的要求等，更适合于大规模生产应用。
[0032]进一步地，所述开口暴露/不暴露所述衬底，优选地，所述开口暴露所述衬底，当该开口处的衬底上形成有纳米掩模结构时，进行各向异性刻蚀可以获得锥状、台状及其平面组合形成的内嵌式纳米森林结构。当然，所述开口也可以不暴露所述衬底，如通过光刻工艺及刻蚀工艺获得所述开口时，该刻蚀工艺不将所述刻蚀阻挡层刻穿，保留50-100nm厚度的刻蚀阻挡层，该50-100nm厚度的刻蚀阻挡层可以作为硬掩模层，在后续形成所述纳米掩模结构之后，先对该50-100nm厚度的刻蚀阻挡层进行刻蚀，形成纳米硬掩模结构，作为后续各向异性刻蚀的掩模，能有效改善以聚合物为掩模进行各向异性刻蚀时，侧壁不够陡直的问题；此外，该过程无需引入任何其他物质作为硬掩模层，仅需控制对刻蚀阻挡层的刻蚀深度即可原位形成一硬掩模层，简单高效。
[0033]进一步地，所述形成纳米掩模结构的材料为聚合物，通过对在衬底表面之上形成的聚合物层进行等离子体轰击，以形成纳米掩模结构。本发明提供的制备纳米掩模结构的步骤简单且可控性强，可以批量、并行加工纳米结构，适用于大规模的商业化生产。所述聚合物层的材料包括以下任意一种:正性光刻胶、负性光刻胶、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯及其叠层。本发明提供的聚合物材料和现有半导体标准工艺，如光刻工艺等完全兼容，可以直接采用现有半导体工艺制造而无需其他研发事项。
[0034]进一步地，本发明可以通过调整聚合物层的材料种类、厚度、粘度等特性和/或等离子体轰击工艺条件，获取形状为独立的、两两相连的和/或半连接的直立柱状的纳米掩模结构，例如，由多个柱状进行平面组合形成的不规则柱状；并以该纳米掩模结构为掩模进行刻蚀，获得形状可控纳米森林结构，所述纳米森林结构的纳米结构形状可以包括以下任意一种:锥状、台状、柱状及其平面组合。
[0035]进一步地，本发明提供的方法在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构之前，沉积厚度为50-100nm的硬掩模层，然后以所述纳米掩模结构为掩模进行对硬掩模层的刻蚀形成纳米硬掩模结构，并以所述纳米硬掩模结构作为掩模或以所述纳米硬掩模结构及所述纳米掩模结构共同作为掩模对所述衬底进行各向异性刻蚀。该硬掩模层的材料可以和所述刻蚀阻挡层的材料不同，优选地，该硬掩模层材料与所述刻蚀阻挡层材料的选择刻蚀比^5:1,以减小刻蚀该硬掩模层时对所述刻蚀阻挡层的影响。由于以聚合物为掩模材料进行刻蚀时，受聚合物材料特性影响，各向异性刻蚀后形成的纳米森林结构的侧壁不够陡直，进而使得纳米森林结构中的纳米结构为锥状或台状等，而对于一些特定应用需求，需要纳米森林结构中的纳米结构为柱状，采用本发明提供的硬掩模，对所述衬底进行各向异性刻蚀形成的纳米森林结构中的纳米结构可以为柱状，以满足一些特定应用需求。
[0036]进一步地，本发明提供的聚合物层为图形化的光敏聚酰亚胺层，例如通过普通光刻工艺、电子束曝光、激光光刻以及纳米压印等技术形成。由于图形化的光敏聚酰亚胺层并不覆盖整个
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种内嵌式纳米森林结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]大面积的纳米结构，因具有大表体比、大粗糙度、大表面积、尖端、多孔隙/缝隙等结构特点，而呈现出超亲/疏水、表面等离子体振荡增强、场发射、滤光、吸光等特性，因而常常适用于自清洁表面、微流控器件、表面增强拉曼散射器件、表面等离子体红外吸收器件、生物医学检测器件如DNA分子分离器件或功能器件、光电子器件、光学传感器件、太阳能电池等新能源器件，以及一些其他应用。近年来，大面积的纳米结构成为研究的热点。而大面积纳米结构因其形貌呈森林状，亦称为纳米森林结构。
[0003]目前，纳米结构的制备主要采用电子束光刻(Electron-Beam Lithography)、聚焦离子束(Focused 1n Beam,FIB)刻蚀、飞秒激光辅助刻蚀、自催化VLS化学合成生长技术、电化学湿法腐蚀技术和纳米小球蚀刻等技术来制备纳米结构，这些技术由于成本高昂和/或工艺复杂等问题，难以实现大规模的商业化生产。同时，采用这些制备方法得到的纳米森林结构大多至少部分位于衬底表面之上，呈现为凸起状，如图1所示。在一些特定应用环境下，这些凸起状的纳米森林结构在应用过程中存在一些问题，例如:对于DNA分子分离器件，需要将该纳米森林结构与微流道结构相键合以获得DNA分子分离器件，由于该纳米森林结构为凸起状，需要与一个具有和该纳米森林结构尺寸相互匹配的微流道结构进行精确对准键合，否则无法确保微流道内纳米森林结构与微流道一侧壁间隙A、微流道另一侧壁间隙B和上表面间隙C为纳米量级，继而导致DNA分子从上述间隙位置流过，无法获得DNA分子的有效分离结果，如图2所示。然而，制备一个具有和该纳米森林结构尺寸相互匹配的微流道，并进行精确对准键合，且要保证结合和/或键合过程中不发生相对位移非常困难。
[0004]此外，在实际应用中，常常需要图形化的纳米森林结构，现有技术在形成图形化纳米森林结构的过程中，由于形成图形化纳米掩模结构时容易在图形化区域之外残留纳米材料，如图3所示，导致通过刻蚀形成的纳米森林结构之外区域表面不平整，如图4所示，上述不平整在特定的应用场景下会影响图形化纳米森林结构的应用，例如，不平整的表面不利于进行键合，也不利于获取用于器件性能标定的比对信号。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种内嵌式纳米森林结构及其制备方法，以解决现有技术不易形成具有和已制备纳米森林结构尺寸相互匹配的微流道结构并进行精确对准键合的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]—种内嵌式纳米森林结构的制备方法，包括:
[0008]提供衬底；
[0009]在所述衬底之上形成具有开口的刻蚀阻挡层；
[0010]在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构；
[0011]进行各向异性刻蚀，在所述衬底的开口处形成内嵌式纳米森林结构；
[0012]去除所述纳米掩模结构及所述刻蚀阻挡层。
[0013]优选地，所述开口暴露/不暴露所述衬底，当所述开口不暴露所述衬底时，所述开口底部与衬底表面之间的剩余刻蚀阻挡层厚度为50-100nm。
[0014]优选地，所述在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构包括:
[0015]在所述衬底表面之上形成聚合物层，所述聚合物层的材料包括以下任意一种:正性光刻胶、负性光刻胶、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯及其叠层；
[0016]采用等离子体对所述聚合物层进行轰击，以形成纳米掩模结构。
[0017]优选地，通过调整所述聚合物层的材料种类、厚度、粘度特性和/或等离子体轰击工艺条件，获取形状为独立的、两两相连的和/或半连接的直立柱状的纳米掩模结构，并以该纳米掩模结构为掩模获得纳米森林结构，所述纳米森林结构的纳米结构形状包括以下任意一种:锥状、台状、柱状及其平面组合。
[0018]优选地，所述纳米掩模结构为图形化的纳米掩模结构。
[0019]优选地，所述聚合物层为图形化的光敏聚酰亚胺层，形成所述图形化的光敏聚酰亚胺层包括:
[0020]在所述衬底表面之上形成光敏聚酰亚胺层；
[0021]采用光刻工艺形成图形化的光敏聚酰亚胺层。
[0022]优选地，所述方法还包括:
[0023]在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构之前，沉积厚度为50-100nm的硬掩模层；
[0024]在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构之后进行刻蚀，在所述硬掩模层中形成纳米硬掩模结构，以该纳米硬掩模结构作为掩模或以该纳米硬掩模结构和所述纳米掩模结构共同作为掩模。
[0025]一种内嵌式纳米森林结构，包括:
[0026]衬底；
[0027]内嵌于衬底表面的纳米森林结构，所述纳米森林结构的上表面与衬底表面齐平。
[0028]优选地，所述内嵌式纳米森林结构的纳米结构形状为锥状、台状、柱状及其平面组入口 ο
[0029]优选地，所述衬底还包括:
[0030]与所述内嵌式纳米森林结构底部持平的平整部分。
[0031]本发明提供的内嵌式纳米森林结构及其制备方法，通过在衬底之上形成具有开口的刻蚀阻挡层，该开口所在区域为需要形成纳米森林结构的区域，由于开口以外区域有刻蚀阻挡层保护，不会如现有技术中在非纳米森林区域由于残留纳米材料，在经过刻蚀后造成非纳米森林结构区域的衬底表面不平整；然后通过在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构；接着进行各向异性刻蚀，在所述衬底的开口处形成内嵌式纳米森林结构，并去除所述衬底之上所有层。由于有直立于衬底表面的纳米掩模结构作掩模，所述开口处形成的内嵌式纳米森林结构的顶部高度不变，而非开口区域的衬底表面有刻蚀阻挡层保护，去除所述刻蚀阻挡层后，所述纳米森林结构顶部与衬底的表面齐平，这可以保证在进行后续键合工艺时，纳米森林结构的顶部可以与另一衬底的平整表面无缝贴合，避免DNA分子从纳米森林结构与微流道上表面间隙C流过；此外，由于所述纳米掩模结构能完全覆盖所述开口区域，进行各向异性刻蚀后形成的内嵌式纳米森林结构的边缘部分不会存在空缺，能有效解决现有技术中因微流道尺寸偏差、对位不准或键合过程发生相对位移导致的上述间隙A和/或间隙B过大，使得DNA分子从间隙A和/或间隙B中流走的问题；进一步地，由于形成的纳米森林结构为内嵌式，无需对准过程，只需将具有平整表面的另一衬底和具有所述内嵌式纳米森林结构的衬底直接进行键合即可，能有效减小制造类似DNA分子分离器等需要键合工艺的制造复杂度和对对位精度的要求等，更适合于大规模生产应用。
[0032]进一步地，所述开口暴露/不暴露所述衬底，优选地，所述开口暴露所述衬底，当该开口处的衬底上形成有纳米掩模结构时，进行各向异性刻蚀可以获得锥状、台状及其平面组合形成的内嵌式纳米森林结构。当然，所述开口也可以不暴露所述衬底，如通过光刻工艺及刻蚀工艺获得所述开口时，该刻蚀工艺不将所述刻蚀阻挡层刻穿，保留50-100nm厚度的刻蚀阻挡层，该50-100nm厚度的刻蚀阻挡层可以作为硬掩模层，在后续形成所述纳米掩模结构之后，先对该50-100nm厚度的刻蚀阻挡层进行刻蚀，形成纳米硬掩模结构，作为后续各向异性刻蚀的掩模，能有效改善以聚合物为掩模进行各向异性刻蚀时，侧壁不够陡直的问题；此外，该过程无需引入任何其他物质作为硬掩模层，仅需控制对刻蚀阻挡层的刻蚀深度即可原位形成一硬掩模层，简单高效。
[0033]进一步地，所述形成纳米掩模结构的材料为聚合物，通过对在衬底表面之上形成的聚合物层进行等离子体轰击，以形成纳米掩模结构。本发明提供的制备纳米掩模结构的步骤简单且可控性强，可以批量、并行加工纳米结构，适用于大规模的商业化生产。所述聚合物层的材料包括以下任意一种:正性光刻胶、负性光刻胶、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯及其叠层。本发明提供的聚合物材料和现有半导体标准工艺，如光刻工艺等完全兼容，可以直接采用现有半导体工艺制造而无需其他研发事项。
[0034]进一步地，本发明可以通过调整聚合物层的材料种类、厚度、粘度等特性和/或等离子体轰击工艺条件，获取形状为独立的、两两相连的和/或半连接的直立柱状的纳米掩模结构，例如，由多个柱状进行平面组合形成的不规则柱状；并以该纳米掩模结构为掩模进行刻蚀，获得形状可控纳米森林结构，所述纳米森林结构的纳米结构形状可以包括以下任意一种:锥状、台状、柱状及其平面组合。
[0035]进一步地，本发明提供的方法在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构之前，沉积厚度为50-100nm的硬掩模层，然后以所述纳米掩模结构为掩模进行对硬掩模层的刻蚀形成纳米硬掩模结构，并以所述纳米硬掩模结构作为掩模或以所述纳米硬掩模结构及所述纳米掩模结构共同作为掩模对所述衬底进行各向异性刻蚀。该硬掩模层的材料可以和所述刻蚀阻挡层的材料不同，优选地，该硬掩模层材料与所述刻蚀阻挡层材料的选择刻蚀比^5:1,以减小刻蚀该硬掩模层时对所述刻蚀阻挡层的影响。由于以聚合物为掩模材料进行刻蚀时，受聚合物材料特性影响，各向异性刻蚀后形成的纳米森林结构的侧壁不够陡直，进而使得纳米森林结构中的纳米结构为锥状或台状等，而对于一些特定应用需求，需要纳米森林结构中的纳米结构为柱状，采用本发明提供的硬掩模，对所述衬底进行各向异性刻蚀形成的纳米森林结构中的纳米结构可以为柱状，以满足一些特定应用需求。
[0036]进一步地，本发明提供的聚合物层为图形化的光敏聚酰亚胺层，例如通过普通光刻工艺、电子束曝光、激光光刻以及纳米压印等技术形成。由于图形化的光敏聚酰亚胺层并不覆盖整个
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