纳米掩膜蚀刻的详细说明

在本文中，使用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻方法进行了阵列制作铁氧化物纳米点的生物纳米过程，ICP法是一种很有前途的方法，用于半导体图案化的干蚀刻方法，这种方法的特点是通过安装在反应室顶部的天线线圈使等离子体高度致密。此外，与其他方法相比，由于低等离子体能量，可以预期对蚀刻表面的低损伤，使用这种ICP蚀刻，检查了由阵列产生的离散铁纳米点氧化物的可能性，生物纳米工艺被用作干法蚀刻的纳米尺寸图案化掩模。

用高分辨型FE-SEM观察了铁蛋白分子的单层结构，蛋白质消除前的SEM图像没有显示核心的清晰图像，因为核心周围的蛋白质壳减弱了氧化铁核心的二次电子发射的强度，在UV-臭氧处理后，SEM图像变得更清晰，并显示出离散的核或纳米点，如下图所示。纳米点的顺序不是很好，但是清楚地观察到放置在硅晶片上的阵列离散的6nm离子氧化物核，因为SEM不能直接观察蛋白质部分，所以通过FTIR研究蛋白质的存在。

在UV-臭氧处理后，氮的XPS信号消失，并且几乎没有与背景水平相同的碳信号，这些FTIR和XPS结果表明蛋白质壳被完全去除。之前在接触模式下的AFM观察表明氧化铁纳米点对硅晶片的粘附力较弱，并且在ICP蚀刻期间，具有高能量的离子化分子有可能撞击纳米点并移动或溅射掉它们。因此首先研究了IPC蚀刻对离散氧化铁纳米点阵列稳定性的影响，使用表中的条件A对具有氧化铁纳米点的硅片进行ICP蚀刻，蚀刻时间从1.5分钟到25分钟不等。

上图总结了样品的SEM图像，蚀刻2.5分钟后，氧化铁纳米点聚集，每个聚集体包含几个纳米点，这一结果表明，在条件A中产生的电离分子不是溅射掉氧化铁纳米点，而是移动它们进行聚集，聚集体的尺寸很小，氧化铁纳米点仅移动了几十纳米，氧化铁纳米点的表面能可能是聚集的原因，聚集体中的纳米点在蚀刻5分钟之前是可检测的，但是在更长的蚀刻之后它们变得模糊，较长的ICP蚀刻以纳米点聚集的速度产生白色叶状结构，并且它们与蚀刻时间成比例地变大，蚀刻25分钟后，白色叶状结构变成具有约30 nm宽线条的迷宫图案，这与原始纳米点阵列无关。该结果表明迷宫图案或叶状结构仅由ICP蚀刻工艺形成。

为了研究叶状蚀刻诱导结构的成分，XPS 进行了测量，记录了来自硅、碳、铁和氟的信号。在显示了CF2和Fls峰附近的XPS数据中，每个信号代表在ICP蚀刻(条件A)和用于去除氧化铁核的附加HCl处理之前、之后来自样品的信号，ICP蚀刻前样品的信号显示在CF2和F1s处没有峰，ICP蚀刻后样品的信号显示F1s峰。

ICP蚀刻后的图像至少由F原子组成，氟原子的存在与早期文献报道的在CHF、ICP蚀刻过程中CF膜的形成是一致的，由于这种CF膜可以用作ICP蚀刻的掩模，所以图中看到的迷宫图案CF结构。 HCl处理容易去除CF膜、叶状结构和氧化铁纳米点，HCl处理后的SEM图像显示了离散点和较大平台的组合。该结果表明单个氧化铁点用作蚀刻掩模；另一方面，平台被认为是由以下过程产生的，被纳米点聚集体覆盖的区域被CF膜进一步覆盖，这种氧化铁点和CF膜用作蚀刻掩模，在条件D的情况下，CF与O2的比率较小，蚀刻速率降低，但是没有观察到CF形成的显著降低，从这些结果来看，在条件C下蚀刻两分钟半得到最好的结果。

众所周知，在CHF的情况下，将样品保持在低温将导致更高的各向异性蚀刻；ICP蚀刻，使用条件E进行蚀刻，除了样品架温度之外，条件E与条件E相同，支架由液氦从背面冷却，样品保持在190 K 蚀刻后样品的SEM图像。在HCl处理之前，存在叶状结构，其与图中看到的相同，这些容易通过HCl处理去除，并且样品表面显示出离散点和较大平台的组合，与条件c的情况相同，离散点看起来更高或看起来呈锥形，而不是圆盘。在刻蚀速率不变的情况下，低温增强了各向异性刻蚀，产生了锥形结构。

SEM图像显示，在短蚀刻时间的情况下，纳米点聚集，在较长蚀刻时间后，纳米点形成叶状结构，它们与蚀刻时间成比例增长，卡莉迷宫图案和线宽可由铁蛋白的老化图案决定，然后进一步的蚀刻离子流导致富CF或F膜的形成，该过程被认为导致具有更宽线宽的迷宫图案，为了避免形成厚的CF膜，短的蚀刻时间是有效的，所有被测条件下的刻蚀速率都不足以制备纳米柱，CF膜或类love结构总是在清晰的蚀刻结构形成之前形成，2分半钟的蚀刻时间，只制作出点状结构而非柱状，纳米蚀刻需要对ICP蚀刻条件进行更全面的调查，相同的腐蚀条件但在190 K下可以产生锥形峰，以及HCl处理后的平台，锥形峰的尺寸略大于离子氧化物纳米点的尺寸，这表明锥形峰是用纳米点掩模腐蚀产生的，尽管蚀刻速率低，1纳米/分钟，但通过SEM仍可观察到锥形的高度，原因尚不清楚，但初始阶段的蚀刻速率可能大于较长蚀刻时间的蚀刻速率。

从获得的所有数据判断，可以合理地宣称直径为6nm的纳米点可以用作纳米尺寸的干法蚀刻掩模，并且可以产生直径为10nm或更小的纳米柱，还声称纳米点阵列具有用作纳米尺寸图案化掩模的潜力，这种纳米蚀刻适用于各种类型的纳米结构，一个例子是量子纳米盘，如果制备在非常浅的位置具有薄导电层的非导电衬底并用纳米点掩模蚀刻，则获得的纳米柱将具有导电纳米盘，由于柱体直径由氧化铁点的大小决定，且导电层的厚度易于控制，因此可以设计导电纳米盘的直径和厚度，这将为量子阱的制备提供一种新的途径。

利用生物纳米工艺制备的硅片上的氧化铁纳米点阵列作为纳米尺寸的图案掩模，用于ICP干法刻蚀，在190K下的ICP蚀刻可以产生锥形结构，并且证明了离散的氧化铁纳米点阵列可以用作纳米尺寸的图案掩模，ICP刻蚀和由生物纳米工艺产生的纳米刻蚀掩模的结合具有制作纳米结构或量子阱的巨大潜力。

审核编辑：符乾江