反转金字塔微腔阵列的制备

周期性三维微纳结构的制备一直是微纳加工领域的一项亟待解决的问题。现有微纳加工工艺多维平面工艺，不能很好的兼容到三维结构的制备上。各向异性的湿法腐蚀方法广泛应用在各种晶体材料的加工中，比如利用TMAH或KOH腐蚀(100)单晶硅，由于(111)面的腐蚀速率最快，导致腐蚀过程不是垂直向下，而是与硅片表面有一定夹角，形成空心的金字塔结构。利用这一特性，我们开发了一种三维微腔阵列的制备工艺，可以获得大面积、亚微米尺寸、覆盖有氮化硅纳米孔的微腔结构，可以用作化学反应容器、表面增强拉曼散射衬底等。

该工艺的流程如下：在(100)硅片上沉积60nm厚的SiNx薄膜（图1a），用作腐蚀阻挡层。旋涂光刻胶AR-P 5350后，利用激光干涉曝光工艺以正交方式两次曝光，获得光刻胶的点阵图形（图1b）。在样品表面沉积20nm厚的金属Ni（图1c），溶脱剥离后获得Ni的孔阵列结构（图1d）。接下来利用反应离子刻蚀工艺将Ni薄膜孔阵列的图形转移到SiNx上（图1e），使用10%的硝酸溶液可以去除表面的Ni薄膜。最后将样品置于25%的KOH溶液中进行各向异性腐蚀，可以获得最终的表面覆盖有SiNx孔的反转金字塔微腔结构。

图1 反转金字塔结构的制备流程图。

 

图2所示为金字塔微腔的尺寸在不同腐蚀时间时的变化情况，腐蚀时间分别为60s，120s和180s。从尺寸-时间关系曲线上可以看出，金字塔微腔的宽度和深度随时间呈线性增长，说明腐蚀速率基本保持稳定。图2右侧给出了三种腐蚀时间时的结构SEM图。尽管SiNx孔的形状为圆形，其下方空心结构依然保持了各向异性的金字塔形。

图2 不同腐蚀时间下微腔结构的尺寸变化以及对应的SEM图。

 

图3a和b给出了结构表面放大后的SEM图和AFM图。其中图b的表明了在腐蚀之后，SiNx薄膜依然保持了很好的平整度。图3c和d结构的横截面图，可以看出金字塔锥的侧边角度为54°，符合根据晶面计算的夹角数值。

图3 样品放大后的俯视图和截面图。