利用激光干涉光刻制备纳米图形衬底的研究

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1、密级中国科学院大学Universit)’ofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：越隆蚩指导教师：睦塾班嚣虽主国型堂瞳物堡班基压学位类别：堡堂监主学科专业：凝塞盔物堡研咒所：主重科堂瞳塑堡班嚣压2013年5月ByDaiLongguiADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScien

2、ceInstituteofPhysicsMay,2013摘要一维或零维半导体纳米材料相对于半导体体材料呈现出诸多优越的物理性能，制备尺寸均匀、分布规则的半导体纳米材料，并研究其优异的光电性能是目前半导体材料研究领域的一个前沿课题。在纳米光刻技术制备的图形衬底上进行半导体纳米材料的自组织生长时，既可发挥自组织生长纳米结构的优点，又能克服其分布随机和尺寸涨落大的不足，从而获得分布及尺寸都较均匀且缺陷少的半导体纳米结构。激光干涉光刻技术相对于其他纳米光刻技术，如电子束光刻、聚焦离子束光刻、软X射线、纳米压印等，具有成

3、本低、效率高和大面积等图形制备优势。本论文使用激光干涉光刻方法，并结合微纳加工技术进行了大面积纳米图形衬底制备的研究。主要的研究内容及实验结果如下：基于激光干涉光刻理论，在本实验室条件下，自主搭建了一套完整的激光干涉光刻系统。在激光干涉光刻系统搭建过程中，通过整体减震设计，光刻系统实现了较强的抵抗外界复杂震动和噪声的能力；并通过激光光束的平行均匀化，光刻系统实现了图形大面积范围制备的均匀性。通过制备工艺条件的优化，能够利用此激光干涉光刻系统，在二英寸的衬底上连续稳定制备均匀的纳米光栅或二维阵列的图形衬底。所制备

4、的图形排布有序，尺寸均匀，晶面清晰。其中，制备的GaAsV形槽图形衬底的周期为530nm，V形槽宽为330nm，台面宽为200nm；Si上Si02孔阵图形衬底的周期为460nm，孔的直径为150--200nm；蓝宝石三棱台图形衬底的周期为460nm，上台面为135nm，下台面为370nm。本论文发展了一种将激光干涉光刻方法与干法刻蚀和湿法刻蚀技术有效地结合起来，制备出了更短周期的V形槽阵列结构的新技术。此方法的关键点在于利用干法刻蚀产生的氟碳有机聚合物作为湿法刻蚀的掩膜，以及干法刻蚀时对样品中国科学院大学博士学

5、位论文进行的轻微过刻蚀，使Si02图形下形成一层很薄的硅台面。最终，以325nm的He．cd激光器为干涉光源，在硅衬底上成功制备了周期分别为250nm和225nm的硅基v形槽阵列图形，打破了传统激光干涉光刻最小周期为五／2的限制。本论文在上述方法的基础上，还发展了一种直接将光刻胶点阵刻蚀为倒金字塔形孔阵列硅纳米二维图形的简化工艺，省去了常规图形反转工艺中必须使用的金属蒸镀和光刻胶剥离等步骤，在二英寸的硅(00i)衬底上制备了大面积高度有序的二维纳米孔阵列结构。为了得到适用于GaN材料外延生长要求的、大面积尺寸均

6、一的三棱锥状蓝宝石图形衬底，本论文发展了反应离子束过刻蚀法、湿法侧蚀法和金属缩球法等三种方法。反应离子束过刻蚀法和湿法侧蚀法能够减小掩膜的图形大小，但当需要尺寸很小的掩膜时，均暴露出大面积均匀性不好的缺点，造成湿法刻蚀后蓝宝石图形阵列不完整，出现空缺。金属缩球法可以有效并精确的控制SiO：掩膜的大小，减小不同图形尺寸相对误差，大大提高掩膜的均一性。关键词：纳米光刻，激光干涉光刻，图形衬底，光栅，阵列IIAbstractOne．dimensionaIandzero．dimensionaIsemiconductor

7、nanomaterialsaresuperiortothebulksemiconductormaterialsinmanyphysicalproperties．Itisafrontierresearchsubjectofsemiconductormaterialstopreparethesemiconductornanomaterialswithuniformsizeandregulardistribution，andtoresearchtheirexcellentopticalandelectricalpro

8、perties。Whentheself-organizedgrowthisperformedonapatternedsubstratepreparedbynanolithographytechnology,theformednanostructurescantaketheadvantageofself-organizedgrowth，andovercometherandomdistri