一种内嵌式纳米森林结构及其制备方法

摘要

本发明公开了一种内嵌式纳米森林结构及其制备方法，包括：提供衬底；在所述衬底之上形成具有开口的刻蚀阻挡层；在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构；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；去除所述纳米掩模结构及所述刻蚀阻挡层。由于内嵌式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，且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，避免DNA分子从纳米森林结构与微流道的间隙流过。

权利要求

1.一种内嵌式纳米森林结构的制备方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底为：半导体衬底、绝缘体上半导体衬底、氧化物晶体衬底或玻璃衬底；

在所述衬底之上形成具有开口的刻蚀阻挡层；

在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构；

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，其中，所述内嵌式纳米森林结构的纳米结构的底部直径为10-200nm，锥高为50-1500nm，所述内嵌式纳米森林结构的上表面与衬底表面齐平；

去除所述纳米掩模结构及所述刻蚀阻挡层；

其中，所述在所述衬底表面之上形成纳米掩模结构包括：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，聚合物层的厚度为

0.2um-5um；

采用氩等离子体对所述聚合物层进行轰击，以形成纳米掩模结构，氩等离子体气源的流量为50-400sccm，射频功率为150-350W，处理时间为30-180min。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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或多种：锥状、台状、柱状。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米掩模结构为图形化的纳米掩模结构。

5.根据权利要求1所述的制备方法，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：在所述衬底表面之上形成光敏聚酰亚胺层；

采用光刻工艺形成图形化的光敏聚酰亚胺层。

6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：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；

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。

7.一种内嵌式纳米森林结构，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底为：半导体衬底、绝缘体上半导体衬底、氧化物晶体衬底或玻璃衬底；

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；

平整部分，与所述内嵌于衬底表面的纳米森林结构的底部持平，该平整部分对应无纳米掩模结构覆盖的位置；

所述内嵌式纳米森林结构的纳米结构形状为锥状、台状或柱状，内嵌式纳米森林结构的顶部可与另一衬底的平整表面无缝贴合，且内嵌式纳米森林结构的边缘部分不存在空缺，纳米结构的底部直径为10-200nm，高为50-1500nm，以对DNA分子进行分离。

8.根据权利要求7所述的内嵌式纳米森林结构，其特征在于，所述衬底还包括：与所述内嵌式纳米森林结构底部持平的平整部分。

说明书

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 Ion 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] 一种内嵌式纳米森林结构的制备方法，包括：

[0008] 提供衬底，所述衬底为：半导体衬底、绝缘体上半导体衬底、氧化物晶体衬底或玻璃衬底；

[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，其中，所述内嵌式纳米森林结构的纳米结构的底部直径为10-200nm，锥高为50-1500nm，所述内嵌式纳米森林结构的上表面与衬底表面齐平；

[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，聚合物层的厚度为0.2um-5um；

[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，氩等离子体气源的流量为50-400sccm，射频功率为150-350W，处理时间为30-180min。

[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或多种：锥状、台状、柱状。

[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，所述衬底包括：半导体衬底、绝缘体上半导体衬底、氧化物晶体衬底以及玻璃衬底；

[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] 平整部分，与所述内嵌于衬底表面的纳米森林结构的底部持平，该平整部分对应无纳米掩模结构覆盖的位置。

[0029] 优选地，所述内嵌式纳米森林结构的纳米结构形状为锥状、台状或柱状，内嵌式纳米森林结构的顶部可与另一衬底的平整表面无缝贴合，且内嵌式纳米森林结构的边缘部分不存在空缺，纳米结构的底部直径为10-200nm，高为50-1500nm，以对DNA分子进行分离。

[0030] 优选地，所述衬底还包括：

[0031] 与所述内嵌式纳米森林结构底部持平的平整部分。

[0032] 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。

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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衬底表面，可以使得图形化的光敏聚酰亚胺层仅覆盖需要形成纳米掩模结构的区域，最终形成内嵌式的图形化纳米森林结构，该内嵌式的图形化纳米森林结构具备与所述内嵌式纳米森林结构底部持平的衬底平整部分，同时形成一空槽部分，能满足一些特定应用的需求。此外，由于光敏聚酰亚胺层为光敏材料，可以仅进行光刻工艺就实现图形化，能提高效率且对其它层影响较小。

附图说明

[0038] 为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0039] 图1为根据现有技术制备的纳米森林结构的截面结构示意图；

[0040] 图2为根据现有技术制备的DNA分子分离器件的截面结构示意图；

[0041] 图3为根据现有技术制备的纳米掩模结构的边界处扫描电镜图；

[0042] 图4为根据现有技术制备的纳米森林结构的边界处扫描电镜图；

[0043] 图5为根据本发明实施例的内嵌式纳米森林结构的制备方法的流程图；

[0044] 图6A至图6F为根据本发明实施例一的内嵌式纳米森林结构的制造过程中的截面结构示意图；

[0045] 图6G为根据本发明实施例一的内嵌式纳米森林结构的扫描电镜图；

[0046] 图7A至图7E为根据本发明实施例二的内嵌式纳米森林结构的制造过程中的截面结构示意图；

[0047] 图7F为根据本发明实施例二的内嵌式纳米森林结构的扫描电镜图；

[0048] 图8A至图8D为根据本发明实施例三的内嵌式纳米森林结构的制造过程中的截面结构示意图。

具体实施方式

[0049] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0050] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0051] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0052] 纳米森林结构因具有特殊的结构特性，可以被用于生物医学检测器件，如DNA分子分离器件。现有技术制备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，为了获得DNA分子的有效分离结果，该纳米森林结构必须和一个具有相互匹配尺寸的微流道结构进行精确对准键合，并且在键合过程中不能发生相对位移，以保证纳米森林结构与微流道侧壁以及上表面间隙为纳米量级，使得DNA分子不能从上述间隙位置流过，获得DNA分子的有效分离结果。此外，由于制备该DNA分子分离器件的过程中需要进行键合，需要保证纳米森林结构区域以外的表面平整以实现键合。

[0053] 本发明提供的内嵌式纳米森林结构，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，由于开口以外区域受刻蚀阻挡层保护，不会如现有技术中在非纳米森林区域由于残留纳米材料，在经过刻蚀后造成纳米森林结构区域以外的衬底表面不平整；此外，由于形成的纳米森林结构为顶部与衬底表面齐平的内嵌式纳米森林结构，可以和一个具有平整表面的衬底进行无对准键合，大大减小键合工艺难度，并且不会出现如图2所示的间隙C过大的问题；由于形成的纳米掩模结构能全覆盖纳米森林结构所在区域，不会出现如图2所示的间隙A和/或间隙B过大的问题，避免DNA分子的分离效果不好。

[0054] 为了更好地理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合流程图和具体的实施例进行详细的描述，流程图如图5所示，制造内嵌式纳米森林结构的过程参考图6A至图8D所示。

[0055] 在本发明实施例中所述衬底100应具有较高的机械强度，以便于实现后续键合等工艺步骤，此外，还应具有较高的热稳定性及化学稳定性以便于后续进行标准半导体工艺。具体地，所述衬底100可以为半导体衬底，例如Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底等。在其他实施例中，所述半导体衬底还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如GaAs、InP或SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等；所述半导体衬底也可以是绝缘体上半导体衬底，例如SOI衬底、GOI衬底、SGOI衬底等。此外，所述衬底100还可以为蓝宝石衬底、石英衬底等氧化物晶体衬底以及玻璃衬底等，在此不再列举。

[0056] 所述刻蚀阻挡层101的材料与所述衬底100的材料的选择刻蚀比应足够大，以保证在后续去除所述刻蚀阻挡层101的过程中减小对所述衬底100的影响，例如上述选择刻蚀比≥5:1。具体地，所述刻蚀阻挡层101的材料包括但不限于：二氧化硅、掺杂的氧化硅（如硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等）、氮氧化硅、氮化硅、不定型碳等常用的掩模材料等，通过化学气相沉积CVD法、物理气相沉积PVD法、热氧化法、原子层沉积ALD法等制备。

[0057] 所述开口可以暴露/不暴露所述衬底，其形状可以为长方体、正方体、圆柱体、棱柱体等及其平面组合构成立体结构的阵列。优选地，所述开口为预先设定形状的柱体，该柱体的侧面陡直，以减小最终形成纳米森林结构1001的周边区域，参考图3所示。

[0058] 所述纳米掩模结构2011的材料可以为聚合物，包括但不限于：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，当形成所述纳米掩模结构2011的材料为聚合物时，可以通过诸如等离子体轰击等方法形成该纳米掩模结构2011，具体地，可以采用半导体工艺中的等离子体清洗设备进行等离子体轰击的工艺，等离子体可以为氩等离子体、氧等离子体或氮等离子体等，还可以为其他任何能够对聚合物层201进行轰击的等离子体，当然，也可以是通过双重/多重成像技术以及侧墙转移技术形成纳米掩模结构2011，但是成本很高。此外，所述纳米掩模结构2011的材料还可以为无机材料，包括但不限于：二氧化硅、氧化铝、氧化钛等，例如：采用自组装、旋涂、自然蒸发等技术在衬底100表面形成分布均匀有序的纳米颗粒阵列，这些纳米颗粒阵列可以作为纳米掩模结构2011。优选地，所述纳米掩模结构2011的材料为光敏聚酰亚胺，以便于形成图形化的纳米掩模结构
2011。

[0059] 实施例一

[0060] 在本实施例中，所述衬底100为体硅衬底，所述刻蚀阻挡层101为二氧化硅薄膜，所述开口暴露所述衬底100，形成所述纳米掩模结构2011的材料为负性光刻胶，所述纳米森林结构1001的纳米结构形状为锥形，参考图6G所示，该方法包括：

[0061] 步骤S01，提供衬底100，如图6A所示。

[0062] 在本发明的实施例中，该衬底100用于形成内嵌式纳米森林结构1001，以及为后续工艺提供支撑，该衬底100可以是微加工工艺中的任一合适的衬底，在本实施例中，所述衬底100为单晶硅衬底。

[0063] 步骤S02，在所述衬底100之上形成具有开口的刻蚀阻挡层101，如图6B所示。

[0064] 在本实施例中，通过在衬底100之上形成具有开口1011的刻蚀阻挡层101，该开口1011所在区域为需要形成纳米森林结构1001的区域，由于开口1011以外区域有刻蚀阻挡层
101保护，不会如现有技术中在纳米森林区域以外由于残留纳米材料，在经过刻蚀后造成纳米森林结构区域以外的衬底100表面不平整。形成具有开口1011的刻蚀阻挡层101包括：在所述衬底100之上形成刻蚀阻挡层101；通过光刻工艺定义所述开口1011的位置；进行刻蚀形成所述开口1011。所述纳米森林结构1001整体区域的最终图形由常规光刻工艺实现，因此，纳米森林结构1001整体区域的最小尺寸由光刻的最小线宽决定；当所需纳米森林结构
1001整体区域的尺寸较小时，例如小于1μm时，可以通过采用具有更短波长的光源进行光刻，以形成小尺寸纳米森林结构1001。

[0065] 在一个具体实施例中，首先采用标准清洗工艺对硅衬底进行清洗，然后通过等离子体增强化学气相沉积PECVD法在所述衬底100上沉积200-400nm的二氧化硅薄膜，然后采用标准光刻工艺定义开口1011的位置，接着采用干法刻蚀形成所述开口1011，并去除二氧化硅以上所有层。

[0066] 需要说明的是，上述二氧化硅薄膜的厚度为200-400nm，当厚度过薄时，刻蚀硅衬底的过程中，二氧化硅层也会被刻蚀，如果二氧化硅层很薄，这一层材料很快会被刻完，使得衬底100受损；因为在后续形成内嵌式纳米森林结构1001后需要去除该二氧化硅薄膜，所以该薄膜厚度也不能过厚，当该薄膜过厚时，去除时间较长，含有氢氟酸的溶液会对已形成的内嵌式纳米森林结构1001造成较大损伤。

[0067] 步骤S03，在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011，参考图6C至图6D所示。

[0068] 在本实施例中，形成所述纳米掩模结构2011可以包括：在所述衬底100表面之上形成聚合物层201；采用等离子体对所述聚合物层201进行轰击，以形成纳米掩模结构2011。具体地，所述纳米掩模结构2011的材料为聚合物，所述聚合物可以为正性光刻胶、负性光刻胶、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚对二甲苯（Parylene）等，还可以为其他可以通过等离子体轰击刻蚀的聚合物材料，聚合物层201的厚度可以为0.2um-5um。而后，采用等离子体轰击聚合物层201，以形成纳米掩模结构2011，如图6D所示。在本实施例中，可以采用半导体工艺中的等离子体清洗设备进行该等离子体轰击的工艺，等离子体可以为氩等离子体、氧等离子体或氮等离子体等，还可以为其他任何能够对聚合物层201进行轰击的等离子体。在一个具体的实施例中，在氩等离子体轰击工艺中，等离子体气源的流量为50-400sccm，腔体压力为0.2Pa，射频功率为150-350W，处理时间为10-180min。

[0069] 在本实施例中，所述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。

[0070] 当然，在实际应用中，通过调整聚合物层201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2011。其中，所述等离子体轰击工艺条件包括：等离子体功率、源的种类、源的流量等。所述半连接指的是至少两个纳米掩模结构2011的纳米结构的部分连接在一起而形成的不规则的直立柱状结构，参考图7F所示。

[0071] 在一个具体的实施例中，如图6C所示，可以在衬底100上旋涂一层聚合物材料，来形成聚合物层201，在一个具体的实施例中，所述聚合物层201的材料可以为聚酰亚胺，通过旋涂工艺形成，在旋涂时，转速可以为2500rpm，旋涂时间可以为40s，在旋涂后进行烘烤工艺，可以将上述形成有聚合物层201的衬底100放置于热板上进行烘烤，烘烤的温度为120℃，烘烤的时间为10min，得到厚度为0.9um的聚合物层201。接着以等离子体清洗设备对所述聚合物层201进行等离子体轰击，形成纳米掩模结构2011，如图6D所示，等离子体的气源为氩气，等离子体工艺的腔体的射频功率为270W，腔体压力为0.2Pa，氩气的流量为200sccm，处理的时间为30min。

[0072] 需要说明的是，由于所述纳米掩模结构2011能完全覆盖所述开口1011区域，后续进行各向异性刻蚀后形成的内嵌式纳米森林结构1001的边缘部分不会存在空缺，且由于形成内嵌式纳米森林结构1001，可以不用对准直接进行键合，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B和/或间隙A过大，使得DNA分子从间隙B和/或间隙A中流走的问题。

[0073] 步骤S04，进行各向异性刻蚀，在所述衬底100的开口1011处形成内嵌式纳米森林结构1001，参考图6E所示。

[0074] 在本实施例中，以所述纳米掩模结构2011为掩模进行各向异性刻蚀，在所述衬底100的开口1011处形成内嵌式纳米森林结构1001，由于有纳米掩模结构2011作掩模，所述开口1011处形成的内嵌式纳米森林结构1001的顶部高度基本不变，而非开口1011区域的衬底
100表面有刻蚀阻挡层101保护，所述衬底100表面未受影响，所述纳米森林结构1001顶部与所述衬底100的表面齐平，这可以保证在后续进行键合时，纳米森林结构1001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1001与微流道上表面间隙C流过；进一步地，由于形成的纳米森林结构1001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1001的衬底100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。

[0075] 在实际应用中，采用反应离子刻蚀(RIE)等各向异性刻蚀，对衬底100进行刻蚀，受聚合物的自身特性以及各向异性刻蚀并不能完全实现仅在一个方向进行刻蚀（侧向也存在一定刻蚀速率），使得刻蚀后形成的图形的上部较下部被刻蚀掉更多材料，因此形成了类似锥状的纳米结构。所述纳米结构的底部直径可以为10-200nm，锥高可以为50-1500nm。

[0076] 在优选的实施例中，所述内嵌式纳米森林结构1001的纳米结构的形状为锥状，且呈现大面积的分布，每平方微米的面积内有锥状纳米结构约为 3-40根，每个纳米结构底部可以两两相连或两两不相连。采用本发明实施例提供的内嵌式纳米结构的制备方法进行各向异性刻蚀衬底100后的扫描电镜照片如图6G所示，可以看到，在刻蚀后，纳米结构形成锥状纳米森林结构1001，在该实施例中，纳米结构的高度大约为0.9um，且较均匀的分布在所述衬底100的表面。

[0077] 在本发明的实施例中，可以采用RIE法对衬底100进行各向异性刻蚀，刻蚀气体可以为Cl2、Br2、CF3Br等，或者SF6/O2/CHF3、SF6/Cl2、Cl2/He/O2、SF6/O2、SF6/Cl2/O2等的按照一定比例进行混合的混合气体。在一个具体的实施例中，采用Cl2和He的混合气体，气体流量分别为100、400sccm，在反应离子刻蚀的腔体中，射频功率为350W，腔体内的压力为400mTorr，刻蚀的时间为240s。

[0078] 步骤S05，去除所述纳米掩模结构2011及所述刻蚀阻挡层101，参考图6F所示。

[0079] 在具体的实施例中，采用湿法或干法刻蚀去除所述纳米掩模结构2011；接着，采用湿法腐蚀去除所述刻蚀阻挡层101，湿法腐蚀的溶液为BOE溶液或者稀释氢氟酸，稀释氢氟酸为HF:NH4F=1:7的溶液，湿法腐蚀的时间为60s。在腐蚀之后，在衬底100上只留下内嵌式纳米森林结构1001。

[0080] 至此，形成了本发明实施例的内嵌式纳米森林结构1001，该纳米结构为锥状纳米结构，可以应用于新能源器件、生物医学检测器件如DNA分子分离器件、微流控器件、光电子器件以及其他新型微纳结构、器件和系统中。

[0081] 在一个具体应用中，可以将该具有内嵌式纳米森林结构1001的衬底100与另一个具有平整表面的衬底进行键合，形成一个纳米级的过滤腔室。

[0082] 在本发明实施例中，由于在所述衬底100之上形成具有开口1011的刻蚀阻挡层101，然后在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011，并通过各向异性刻蚀在衬底100的该开口1011处形成内嵌式纳米森林结构1001，使得该内嵌式纳米森林结构1001顶部与衬底100表面齐平，且该纳米森林结构1001的周围没有空缺，能有效解决现有技术制备的纳米森林结构无法满足DNA分子分离器件要求的问题。

[0083] 实施例二

[0084] 内嵌式纳米森林结构1001的制造方法，如实施例一所述，所不同的是，在本实施例中，所述衬底100为绝缘体上硅(SOI)衬底；所述刻蚀阻挡层101为氮化硅薄膜；所述方法还包括：在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011之前，沉积厚度为50-100nm的硬掩模层501，在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011之后，进行各向异性刻蚀在所述硬掩模层501中形成纳米硬掩模结构5011，以该纳米硬掩模结构5011作为掩模；所述内嵌式纳米森林结构1001的纳米结构形状为柱状、台状及其平面组合；所述纳米掩模结构2011的材料为二氧化硅，通过旋涂法在所述衬底100上形成分布均匀有序的纳米颗粒阵列作为纳米掩模结构2011，如图7A至图7F所示。

[0085] 步骤S11，提供衬底100。

[0086] 在本发明的实施例中，该衬底100为SOI衬底，该SOI衬底中的掩埋氧化物层与硅的选择刻蚀比较大，可以作为刻蚀停止层；在实际应用中，可以通过控制绝缘体上硅层的厚度，配合上述刻蚀停止层精确控制最终形成纳米森林结构1001的高度。当然，当所需的纳米森林结构1001的高度较小时，可以通过化学机械平坦化CMP法调整绝缘体上硅层的厚度，以实现对纳米森林结构1001高度的精确控制。

[0087] 步骤S12，在所述衬底100之上形成具有开口1011的刻蚀阻挡层101；所述刻蚀阻挡层101为厚度为100-300nm的氮化硅薄膜，其它同实施例一所述，在此不再详述，如图7A所示。

[0088] 步骤S13，在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011，如图7B所示。

[0089] 如实施例一所述，所不同的是：在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011之前，沉积厚度为50-100nm的硬掩模层501；在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011之后，进行刻蚀在所述硬掩模层501中形成纳米硬掩模结构5011，以该纳米硬掩模结构5011作为掩模。

[0090] 需要说明的是，当以聚合物为掩模时，受聚合物的自身特性以及各向异性刻蚀并不能完全实现仅在一个方向进行刻蚀（侧向也存在一定刻蚀速率），使得刻蚀后形成的图形的上部较下部被刻蚀掉更多材料，因此形成了类似锥状的纳米结构，本实施例在形成所述纳米掩模结构2011之前先沉积了一个薄层硬掩模层501，然后在其上形成纳米掩模结构2011，并进行刻蚀形成纳米硬掩模结构5011，以纳米硬掩模结构5011作为掩模，在后续各向异性刻蚀时，可以有效减缓上述侧向刻蚀的问题，使得后续各向异性刻蚀后形成纳米森林结构1001的纳米结构侧壁更加陡直，以最终形成柱体或类似柱体的纳米森林结构1001。

[0091] 在一个具体实施例中，在所述刻蚀阻挡层101之上通过PECVD法沉积厚度为50-100nm的二氧化硅薄膜，然后通过旋涂法将分散有二氧化硅纳米颗粒的溶剂覆盖在所述衬底100表面上，在所述衬底100上形成分布均匀有序的二氧化硅纳米颗粒阵列作为纳米掩模结构2011，接着进行各向异性刻蚀在所述二氧化硅薄膜中形成纳米硬掩模结构5011。

[0092] 步骤S14及步骤S15参考实施例一中步骤S04至步骤S05，如图7D至7E所示，在此不再详述。

[0093] 本发明实施例提供的内嵌式纳米森林结构1001的制备方法，由于在形成纳米掩模结构2011之前，先形成了一硬掩模层501，在形成纳米掩模结构2011之后对所述硬掩模层501进行刻蚀形成纳米硬掩模结构5011，然后以所述纳米掩模结构2011和所述纳米硬掩模结构5011共同作为掩模，使得以该掩模进行各向异性刻蚀时，能形成具有陡直侧壁的纳米结构，导致最终形成的纳米掩模结构2011的纳米结构形状可以为台状、柱状及其平面组合，如图7F所示。

[0094] 实施例三

[0095] 在本实施例中，不同于实施例一，所述衬底100为石英衬底；所述刻蚀阻挡层为100-300nm氮化硅薄膜；所述开口1011不暴露所述衬底100，通过控制刻蚀阻挡层101的刻蚀深度形成；所述聚合物层201为图形化的聚合物层201’，所述图形化的聚合物层201’为光敏聚酰亚胺层或纳米压印膜层；如图8A至图8D所示。

[0096] 步骤S21，提供衬底100。

[0097] 在本实施例中，所述衬底100为石英衬底，该石英衬底的成本低于硅衬底，更适合于大规模生产应用中。

[0098] 步骤S22，在所述衬底100之上形成具有开口1011的刻蚀阻挡层101，与实施例一所不同的是，该开口1011不暴露所述衬底100，优选地，通过光刻工艺及刻蚀工艺获得所述开口1011时，该刻蚀工艺不将所述刻蚀阻挡层101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501，在后续形成所述纳米掩模结构2011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5011，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。在实际应用中，在形成纳米硬掩模结构5011之后，可以先去除纳米掩模结构2011，以纳米硬掩模结构5011作为后续各向异性刻蚀的掩模；当然，在形成纳米硬掩模结构之后，也可以不去除纳米掩模结构2011，以纳米硬掩模结构5011和纳米掩模结构2011共同作为后续各向异性刻蚀的掩模，具体以实际应用效果而定，在此不做限定。

[0099] 步骤S23，在所述衬底100表面之上形成纳米掩模结构2011，如图8B所示。

[0100] 在本实施例中，形成纳米掩模结构2011包括：在所述衬底100表面之上形成聚合物层201；采用等离子体对所述聚合物层201进行轰击，以形成纳米掩模结构2011。与实施例一所不同的是，所述聚合物层201为图形化的聚合物层201’， 所述聚合物层201材料为光敏聚酰亚胺，形成图形化的光敏聚酰亚胺层包括：在所述衬底表面之上形成光敏聚酰亚胺层；采用光刻工艺形成图形化的光敏聚酰亚胺层。由于光敏聚酰亚胺层为光敏材料，可以仅进行光刻工艺而无需刻蚀工艺就实现图形化，能提高效率且对其它层影响较小。当图形化的聚合物层201’仅覆盖部分所述开口1011区域时，后续进行各向异性刻蚀时，未被覆盖的开口1011区域由于没有掩模保护，会被刻蚀形成与纳米森林结构1001底部齐平的平坦区域，该区域可以被用作微流道等。在其它实施例中，所述聚合物层201还可以为正性光刻胶层，由于正性光刻胶易于形成更薄的膜层作为聚合物层201，且正性光刻胶的分辨率较高，这有利于形成侧壁更加陡直的纳米结构。然后对所述图形化的聚合物层201’进行等离子体轰击形成纳米掩模结构2011。

[0101] 需要说明的是，所述纳米掩模结构2011还可以通过纳米压印等技术形成于所述衬底100之上，例如将形成有图形化的纳米掩模结构2011’的压印膜进行对准后，通过纳米压印技术设置于所述衬底100表面之上，在此不做限定。

[0102] 在一个具体实施例中，通过旋涂法在衬底表面之上形成光敏聚酰亚胺层之后，通过光刻、显影的方法仅在所需要形成纳米森林结构1001区域的衬底100上保留图形化的光敏聚酰亚胺层，如图8A至图8B所示。

[0103] 步骤S24至步骤S25同实施例二，如图8C至图8D所示，在此不再详述。

[0104] 本发明实施例提供的内嵌式纳米森林结构1001的制备方法，通过在所述衬底100表面之上形成图形化的纳米掩模结构2011’，图形化的聚合物层201’仅覆盖部分所述开口1011区域，后续进行各向异性刻蚀时，未被覆盖的开口1011区域由于没有掩模保护，会被刻蚀形成与纳米森林结构1001底部齐平的平坦区域，也即形成了图形化的内嵌式纳米森林结构1001’。该图形化的内嵌式纳米森林结构1001’的平坦区域可以被用作微流道等特殊用途。

[0105] 此外，本发明还提供了由上述方法形成的内嵌式纳米森林结构1001，参考图6F及图7E所示，包括：衬底100；内嵌于衬底100表面的纳米森林结构1001。

[0106] 其中，所述内嵌式纳米森林结构1001的纳米结构形状为锥状、台状、柱状及其平面组合，参考图6F、图7E所示。在一个具体实施例中，所述锥状、台状、柱状的底部直径可以为10-200nm，高度可以为50-1500nm。

[0107] 在本发明的优选实施例中，所述纳米森林结构1001中的纳米结构为柱状，并且多个纳米结构连接在一起，且呈现大面积的随机分布，如图7F所示。

[0108] 进一步地，所述衬底100还包括：与所述内嵌式纳米森林结构1001底部持平的平整部分，即形成图形化的内嵌式纳米森林结构1001’。该平整部分的位置对应开口1011处未被图形化的纳米掩模结构2011’覆盖的位置，参考图8D所示。

[0109] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

[0110] 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。