低温刻蚀引领硅纳米线制备新突破，AFM/SEM二合一显微镜原位揭秘极高深宽比纳米结构！

发布日期：2024-06-05

文章名称：Deep-reactive ion etching of silicon nanowire arrays at cryogenic temperatures

期刊：Applied Physics Reviews IF 17

文章DOI：https://doi.org/10.1063/5.0166284

【引言】

在过去的二十年中，大面积具有高深宽比的纳米结构对于光学，电学，力学和热力学等领域的研究具有十分重要的意义，制备相关纳米结构的方法在学术和工业界都获得了持续的关注。目前，主流制备高深宽比纳米线阵列的方法是刻蚀法。刻蚀法通常包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种。湿法刻蚀工艺在进行制备高深宽比结构时，所制结构容易发生倒塌，严重影响器件质量。为了制备高质量的具有高深宽比的硅纳米线阵列，研究人员开发出了各种的干法刻蚀工艺。其中，低温刻蚀法由于具有可大面积制备纳米结构的潜能，被赋予众望。

【成果概述】

近日，德国Technische Universitat Braunschweig相关课题组通过低温刻蚀法制备了具有高深宽比的纳米线阵列并对其进行了系统性的研究。该研究针对刻蚀气氛，刻蚀时间，刻蚀功率和刻蚀温度等条件对最终制备的纳米结构的形貌进行了深入研究。文中使用先进的AFM/SEM二合一显微镜-FusionScope对不同刻蚀结果的高度、形貌、均匀性和粗糙度等方面进行了细致的分析和总结。相关研究内容以《Deep-reactive ion etching of silicon nanowire arrays at cryogenic temperatures》为题，发表于美国物理学会顶级期刊《Applied Physics Reviews》上。

值得注意的是，本文中使用的AFM/SEM二合一显微镜-FusionScope是由美国Quantum Design设计研发。该设备通过创新性的共坐标系将SEM和AFM进行结合。在使用过程中，只需在SEM成像结果中点击相关位置，FusionScope就可以自动引导AFM探针到相关位置，然后进行AFM表征。在测量过程中，无需转移样品，原位进行80°AFM与样品台同时旋转，适合于任何纳米材料的表征，复杂样品的形貌也可精准表征。FusionScope的出现为本实验大面积高深宽比的纳米线阵列表征提供了坚实的技术支撑。

AFM/SEM二合一显微镜-FusionScope

【图文导读】

图1.具有极高深宽比的硅纳米线阵列的制备工艺流程图。(a)-(c)通过光刻胶作为刻蚀掩模或（a）-(c*)金属刻蚀掩模的路径来制备硅纳米线阵列。(d)在刻蚀完成后，进行掩模剥离工艺获得高深宽比硅纳米线阵列。

图2.通过cryo-DRIE，经过不同刻蚀时间所获得的刻蚀结果。(a1)-(d1)不同刻蚀时间纳米线阵列的俯视图。（a2）-(d2)为(a1)-(d1)中样品在倾斜30o后的SEM表征结果。

图3.刻蚀后的硅纳米线阵列，通过FusionScope获得的AFM表征结果。

图4. 硅纳米线阵列的SEM和AFM表征。（a）刻蚀后的的硅纳米线阵列的SEM表征结果。（b）红色方框中的硅纳米线的AFM表征结果。（c）和（d）单个硅纳米线的三维形貌图。(e)为（c）中纳米线顶部绿色方框区域内的表面粗糙度表征。（f）为图（c）中底部的粉色方框区域的表面粗糙度表征。

图5.通过FusionScope对刻蚀后的高深宽比纳米线的侧向表面粗糙度进行测量。（a）通过FusionScope中所集成的Kleindiek纳米操作手臂将制备的硅纳米线折断，并放置在基底上。（b）被折断的硅纳米线的三维形貌图。（c）和（d）在图（b）中，蓝色方框部分硅纳米线侧壁部分的粗糙度测量。

【结论】

从论文中可以看出，研究人员利用FusionScope对所制备的硅纳米线进行了SEM及AFM表征和指定纳米区域的原位粗糙度表征。FusionScope为通过低温刻蚀制备具有高深宽比的硅纳米线阵列的技术探索提供了丰富全面的表征方法。除了论文中所展示出的原位粗糙度表征外，FusionScope还具有微区的力学、电学、磁学的表征能力，可以迅速实现高精度的各类原位表征，能够满足科研中对原位微区表征的多样化需求。