專利名稱：構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的部件的工藝方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的部件的工藝方法。
背景技術(shù)：
具有按照特定的形狀或幾何尺寸排列的納米表面結(jié)構(gòu)或凸起的金屬部件當前用于某些技術(shù)領域如微電力一機械系統(tǒng)即MEMS中，從而獲得衍射光學裝置、醫(yī)藥器件、微渦輪機等。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于指示一種以簡單而經(jīng)濟的方式來制造具有納米尺寸的凸起、空腔或結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)部件，特別用于例如為了制造光子晶體的光子學領域和例如為了制造能通過電流而導致白熾的輻射體的光源領域。
所述目的是按照本發(fā)明通過一種制造納米結(jié)構(gòu)的部件的工藝方法而達到的，其特征在于，該工藝方法使用至少一層陽極化的多孔氧化鋁作為用于選擇地構(gòu)造該部件的犧牲元件。
使用一個或多個氧化鋁層能夠獲得在該感興趣的部件中的多個凸起或空腔，它們是按照一個預定的幾何形狀而設置的。
按照本發(fā)明的該工藝方法的優(yōu)選特征可參考作為本發(fā)明的一個整體部分的權(quán)利要求書。
附圖簡述從僅作為例示的不起限制作用的例子的下列詳細描述和附圖，可以清楚本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點，附圖中

圖1是一種多孔氧化鋁膜的一部分的示意透視圖；圖2～5是表示一種用于作為圖1中所示膜的氧化鋁膜的薄膜制造工藝方法的一些步驟的示意圖；圖6是一種可以按照本發(fā)明制成的第一納米結(jié)構(gòu)部件的示意透視圖；
圖7是一種可以按照本發(fā)明制成的第二納米結(jié)構(gòu)部件的示意透視圖；圖8、9、10是表示按照本發(fā)明工藝方法的三種不同的可能實施方案的示意區(qū)段，它們可能用于制造如圖6中所示的納米結(jié)構(gòu)的部件；圖11、12、13是表示按照本發(fā)明工藝方法的三種不同的可能實施方案的示意區(qū)段，它們可以用于制造如圖7中所示的納米結(jié)構(gòu)的部件；圖14表示按照本發(fā)明工藝方法的另一種可能實施方案的示意區(qū)段，它可以用于制造如圖6中所示的納米結(jié)構(gòu)的部件；圖15表示按照本發(fā)明工藝方法的另一種可能實施方案的示意區(qū)段，它可以用于制造如圖7中所示的納米結(jié)構(gòu)的部件；圖16表示按照本發(fā)明工藝方法的另一種可能實施方案的示意區(qū)段，它可以用于制造如圖6中所示的納米結(jié)構(gòu)的部件；圖17表示按照本發(fā)明工藝方法的另一種可能實施方案的示意區(qū)段，它可以用于制造如圖7中所示的納米結(jié)構(gòu)的部件；圖18表示按照本發(fā)明工藝方法的另一種可能實施方案的示意區(qū)段，它可以用于制造一種形狀如三維光子晶體的納米結(jié)構(gòu)部件；圖19是一種可用圖18的工藝方法制造的三維光子晶體的一部分的示意透視圖；圖20表示按照本發(fā)明工藝方法的另一種可能實施方案的示意區(qū)段，它可以用于制造一種形狀如三維光子晶體的納米結(jié)構(gòu)部件。
優(yōu)選實施例說明在本發(fā)明的所有可能的實施方案中，按照本發(fā)明的工藝方法預計使用至少一個由陽極化多孔氧化鋁制成的高度規(guī)則的薄膜作為犧牲元件或模板、根據(jù)情況，直接使用一個或多個氧化鋁層來獲得所要的納米結(jié)構(gòu)的部件，或間接地制造另一個為獲得上述部件而需要的犧牲元件。
多孔氧化鋁薄膜在過去已引人注意地用于諸如鋁電容器中的介電薄膜、用于保持有機涂層的薄膜和用于保護鋁襯底等用途。
多孔氧化鋁的結(jié)構(gòu)可以理想地示意為一個浸潤在氧化鋁基質(zhì)中的空心柱的網(wǎng)架。多孔氧化鋁可以通過對高純鋁片或玻璃、石英、硅、鎢等襯底上的鋁膜進行陽極化而獲得。
圖1只作為例子表示一個通過在一方便的襯底上陽極氧化一鋁膜而獲得的總的用標號1表示的多孔氧化鋁膜的一部分，該襯底用標號2表示。如可以看到的，氧化鋁層1包括一系列彼此直接緊靠的基本上六邊形的晶粒子，每個晶粒有一形成基本上垂直于襯底2的表面的孔4的直線形中心洞穴。安置在襯底2上的每個晶粒3的端部有一基本上半球形的閉合部分，所有閉合部分在一起形成薄膜1的非多孔部分或阻擋層5。
如從先有技術(shù)中已知，薄膜1可以通過合適選擇電解液與工藝方法的物理和電化學參數(shù)而發(fā)展為具有一個受控的表面形態(tài)在酸性電解液(如磷酸、草酸和硫酸)中和在合適的工藝方法條件(電壓、電流、攪拌和溫度)下，可以獲得高度規(guī)則的多孔薄膜。為此目的，晶粒子的大小和密度、孔4的直徑和薄膜1的高度都可以變化。例如，孔4的通常為50～500nm的直徑可以通過化學處理而增大或縮小。
如圖2中示意地所示，當制造一個多孔氧化鋁膜1時，第一步是在例如用硅或鎢制成的襯底2上沉積鋁層6。所述操作需要沉積厚1微米～30微米的高純材料。對于層3的優(yōu)選的沉積技術(shù)為通過電子束的熱蒸發(fā)和濺射。
包括沉積鋁層6的步驟后隨一個其中對所述鋁層進行陽極化的步驟。鋁層6的陽極化工藝方法可以利用不同的電解液來完成，取決于孔4的所要尺寸和距離。
如果電解液相同，那么其濃度、電流密度和溫度是更大地影響孔4的直徑的參數(shù)。為了獲得具有相應的陽極工藝均勻度的電場輪廓線的正確分布，電解槽的構(gòu)型也很重要。
圖3示意表示襯底2上鋁層6的第一次陽極化的結(jié)果；如示意指出的，通過層6的第一次陽極化而獲得的氧化鋁膜1A不能得到規(guī)則的結(jié)構(gòu)。為了獲得如圖1中用標號1所示的高度規(guī)則的結(jié)構(gòu)，需要進行接連的陽極化工藝，特別是至少進行i)其結(jié)果能在圖3中看到的第一次陽極化工藝；ii)一個通過利用酸溶液(如H2CrO4和H3PO4)進行蝕刻不規(guī)則氧化鋁膜的減小步驟；圖4示意表示在所述蝕刻步驟后的襯底2；iii)對尚未通過蝕刻除去的部分氧化鋁膜1A進行第二次陽極化。
用ii)表示的蝕刻步驟很重要，以便在殘余的氧化鋁部分1A上限定用于第二次陽極化步驟中氧化鋁生長的優(yōu)先區(qū)域。
通過接連進行幾次包括蝕刻和陽極化的操作，改進該結(jié)構(gòu)直到它變成如圖5中所示的均勻的結(jié)構(gòu)，其中用標號1表示的氧化鋁膜現(xiàn)在已是規(guī)則的。
如下面將看到的，在按照本發(fā)明的工藝方法的某些實施方案中，在獲得規(guī)則的多孔氧化鋁膜1之后，進行一個包括全部或局部除去阻擋層5的步驟。阻擋層5隔開氧化鋁結(jié)構(gòu)而保護下面的襯底2，因此減小所述層5是基本的，從而如果需要就完成要求電接觸的接連的電沉積工藝和蝕刻工藝，如果應當在襯底2上直接得到三維的納米結(jié)構(gòu)的話。
上述包括除去或減小阻擋層5的工藝可以包括兩個接連的階段在如先前的陽極化過程中同樣的電解液中完成的不通過電流地拓寬孔4；在如先前的陽極化過程中同樣的電解液中通過非常小的電流而減小阻擋層5；在該階段沒有獲得典型的陽極化平衡，因此有利于有關氧化鋁構(gòu)造過程的蝕刻工藝。
如上所述，按照本發(fā)明，通過上述工藝產(chǎn)生的氧化鋁膜1用作納米結(jié)構(gòu)的模板，即作為制造再生同一氧化鋁型式的結(jié)構(gòu)的基底。如將看到的，取決于選擇的實施方案，因此可以制造反面的納米結(jié)構(gòu)(即基本上與氧化鋁互補而因此在薄膜1的孔上有凸柱)或制造正面的納米結(jié)構(gòu)(即與氧化鋁基本上相同而因此有薄膜1的孔4上的空腔)。
圖6和圖7以部分的和示意的方式表示兩種納米結(jié)構(gòu)的部件，例如具有上述兩種結(jié)構(gòu)的可以按照本發(fā)明實施的白熾光源的燈絲；在圖6中用10表示的部件具有上述反面結(jié)構(gòu)，其特征在于從基底部分11上開始標號為12的上述凸柱；在圖7中用13表示的部件具有上述正面結(jié)構(gòu)，其特征在于在主體14中限定用15表示的上述空腔。
如可以看到的，這兩種燈絲10、13的構(gòu)造為二維光子晶體，即具有一系列按照兩個彼此正交的方向而周期出現(xiàn)的凸柱12或空腔15。
建議用來制造圖6和圖7中那種構(gòu)造的部件10、13的技術(shù)可以非常不同，并可以包括一種特定的添加技術(shù)(如蒸發(fā)、濺射、化學氣化物沉積、絲網(wǎng)印刷和電沉積)、扣減技術(shù)(蝕刻)和中間技術(shù)(用氧化鋁做底層的金屬的陽極化)。
為此，下面描述本發(fā)明工藝方法的一些可能的實施方案。
第一實施方案圖8示意表示本發(fā)明工藝方法的第一實施方案的一些步驟，從而制造如圖6中燈絲10那樣的反面結(jié)構(gòu)。
該工藝方法的頭四個步驟包括如先前參照圖2～5所述的對一個合適的襯底上的相應的鋁層的至少第一次和第二次陽極化；襯底2例如可以用硅制成，而用于陽極化工藝的鋁層可以通過濺射或電子束來沉積。
在獲得具有規(guī)則的氧化鋁結(jié)構(gòu)的薄膜1(如可在圖5中看到的)之后，待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的材料通過濺射而作為薄膜沉積在氧化鋁上；因此，如作為例子而在圖8的a)中示出的，氧化鋁1的孔填充了沉積的材料20(如鎢)。
這之后通過蝕刻除去氧化鋁1及其襯底2，如圖8中b)所示，從而獲得所要的帶有負面納米結(jié)構(gòu)的部件或燈絲10，此處用鎢制成。
濺射技術(shù)在于沉積厚1～30微米的高純物材料的薄膜20，但不能以理想方式復制縱橫比大的結(jié)構(gòu)；因而，當氧化鋁孔4的直徑處于其最大值時才使用上述實施方案。
因此，取代濺射技術(shù)，可以通過化學氣化物沉積即CVD技術(shù)來沉積材料20，CVD被看作是用于制造高純的或方便摻雜的金屬結(jié)構(gòu)的最合適的技術(shù)。該技術(shù)的主要特點是使用含還原氣體的反應室，該室能使金屬穿透到氧化鋁的空心孔中而在該表面上沉積連續(xù)的一層材料。這保證能準確地復制縱橫比大的結(jié)構(gòu)。
第二實施方案如上述方案一樣，本實施方案制造反面的結(jié)構(gòu)作為圖6中的一個部件或燈絲10；本實施方案基本上包括第一實施方案的同樣的最初步驟，就是將鋁層6沉積在襯底2上(圖2)、第一次陽極化(圖3)和隨后的蝕刻(圖4)。這里進行第二次陽極(圖5)，以便制造一個比第一實施方案中更厚的多孔氧化鋁膜1。
然后從其襯底2上剝離厚的氧化鋁膜1并在其底部開通，從而以已知方式除去阻擋層5。形成的沒有阻擋層的薄膜1的結(jié)構(gòu)可以在圖9的a)中見到。
后隨步驟如圖9中b)是用熱沉積法或濺射沉積法將導電的金屬膜21沉積在氧化鋁1上。然后將鎢合金22電沉積在這樣得到的結(jié)構(gòu)上，如圖9中c)所示，該鎢合金充滿氧化鋁1的孔。然后除去氧化鋁1和結(jié)構(gòu)其上的金屬膜21，從而得到所要的用鎢合金制造的納米結(jié)構(gòu)的部件或燈絲10，如在圖9的d)中看到的。
第三實施方案本實施方案在于制造反面的結(jié)構(gòu)如圖6中的一個部件或燈絲10，具有如上述實施方案中的相同的最初步驟(圖2～5)。
如圖10的a)中所示，第二次陽極化在這里后隨這樣一個步驟，其中在多孔氧化鋁1上沉積絲網(wǎng)印刷糊劑23，從而充滿其孔。
后隨的步驟是燒結(jié)所述糊劑23，如圖10的b)中所示，然后除去氧化鋁1及其襯底2，從而獲得結(jié)構(gòu)10，如圖10的c)中所示。
本實施方案能夠利用低費用的工藝并保證材料選擇的靈活性。制備絲網(wǎng)印刷糊劑是該工藝方法的第一個步驟；正確選擇金屬納米粉如鎢粉、溶劑和粘合劑是基本的，從而對不同類型的襯底2獲得一種具有理想的顆粒狀的和流變學的性能的糊劑。
第四實施方案按照本發(fā)明的工藝的本實施方案的目的是從按照先前的實施方案獲得的模板開始而制造如圖7的一個部件或燈絲13的正面結(jié)構(gòu)。
因此，基本上，首先使用一個上述實施例來獲得一個具有如先前用10表示的燈絲的同樣結(jié)構(gòu)的襯底、然后通過濺射或CVD于在圖11的a)中用標號10A表示的所述襯底上沉積一層獲得最終部件所需的材料24(例如鎢)，如圖11的b)中所示；材料24因而覆蓋用作模板的上述襯底10A的凸柱12A。
然后通過選擇蝕刻而剝離襯底10A，從而獲得如可在圖11的c)中看到的設有相應的空腔15的正面的納米多孔結(jié)構(gòu)。
按照上述最先三個實施方案獲得的襯底10A并不必須用鎢制造。在一種可能的變化方案中，在如圖8～9中獲得的襯底10A上沉積一種如圖12的a)和b)中的金屬絲網(wǎng)印刷糊劑25，然后將其燒結(jié)，如圖12的c)中那樣。然后通過選擇蝕刻而剝離襯底10A，從而獲得帶有正面的納米多孔結(jié)構(gòu)的燈絲13，如可在圖12的d)中看到的。
第五實施方案按照本發(fā)明的工藝的本實施方案的目的也是完成正面的納米結(jié)構(gòu)來作為先前用標號13表示的一種部件或燈絲，該方案包括如圖2～5中示出的相同的最初步驟，通過在例如用鎢制成的襯底2上的濺射或電子束作用而沉積一個鋁層6(圖2)，后隨鋁6的第一次陽極化(圖3)和一個蝕刻步驟(圖4)，從而提供帶有在第二次陽極化期間用于生長氧化鋁1的優(yōu)先區(qū)域的襯底2(圖5)。
然的除去氧化鋁1的阻擋層5，從而使孔4開通，如圖13的a)中可以看到的。這一步后隨一個反應離子蝕刻(RIE)的步驟，該步驟允許在襯底2中在氧化鋁1的孔4的開通底部上選擇地“挖掘”，如圖13的b)中可以看到的。
最終除去殘余的氧化鋁1，使得該鎢襯底形成一個具有規(guī)則的納米空腔15的主體14，從而獲得所要的燈絲13。
如果需要，可以用一個選擇的濕法蝕刻或一個電化學蝕刻步驟來替代該反應離子蝕刻步驟。
第六實施方案本工藝方法的本實施方案的目的是制造如圖6以一個部件或燈絲10的反面結(jié)構(gòu)，其最初的步驟與先前的實施方案中相同。因此，在獲得相應的鎢襯底2上的規(guī)則的氧化鋁膜1(圖5)之后，除去阻擋層5，從而使襯底2上的孔4開通，如可在圖14的a)中看到的。這一步后隨用脈沖電流電化學沉積鎢合金26，如圖14的b)中所示，最終除去殘余的氧化鋁1及其襯底2，從而獲得所要的部件或燈絲10，如可在圖14的c)中看到的。
該第六種工藝方法首先在于制備用于將鎢沉積到氧化鋁1的孔4中的濃縮的電解液；該電解液對于正確充滿這些孔是非常重要的，因為它保證溶液中足夠的離子濃度。該脈沖電流步驟能夠進行縱橫比大的結(jié)構(gòu)的復制，并順序包括i)通過外加正電流來沉積鎢合金26；這形成靠近由氧化鋁1及其襯底2做成的陰極處的一定的溶液缺乏；
ii)一個不外加電流的緩和時間，從而使溶液在靠近陰極處重新混合；iii)外加負電流，設計成除去一部分原先沉積在陰極上的合金26，從而能夠更好地弄平沉積的表面。
周期性地重復每個持續(xù)數(shù)毫秒的步驟i)、ii)和iii)，直到獲得所要的結(jié)構(gòu)。
第七實施方案本實施方案的目的是從通過先前的實施方案而獲得的帶有反面結(jié)構(gòu)的襯底來開始制造作為一個部件或燈絲13的正面的納米結(jié)構(gòu)，但是該襯底不一定用鎢制造；在圖15的a)中，上述帶反面結(jié)構(gòu)的襯底用作模板10A。
如可從圖15的b)中看到的，鎢層27通過CVD或濺射而沉積在所述襯底10A上。這一步后隨一個選擇蝕刻步驟，以便除去襯底10A，從而獲得所要的帶有鎢納米一多孔結(jié)構(gòu)的部件或燈絲13，如可在圖15的c)中看到的。
第八實施方案本實施方案的目的是制造作為圖6的一個燈絲10的反面的納米結(jié)構(gòu)，而其最初的步驟與圖2～5中所示的相同，通過在鎢襯底2(圖2)上濺射或電子束作用而沉積一鋁層6，后隨鋁層6的第一次陽極化(圖3)和一蝕刻步驟(圖4)，從而提供具有在第二次陽極化(圖5)期間用于生長氧化鋁1的優(yōu)先區(qū)域的襯底2。
這一步后隨一個包括鎢襯底2的陽極化的步驟，從而誘導后者的局部生長，這發(fā)生在氧化鋁1的孔4的下面。如圖16的a)中所示，所述步驟基本上包括形成襯底2的表面凸起2A，它們首先使氧化鋁1的阻擋層5破裂，然后在氧化鋁孔4中繼續(xù)生長。
然后通過利用W/W氧化物的選擇腐蝕來除去氧化鋁1，從而獲得如圖16的b)中的帶有反面的納米結(jié)構(gòu)的所要部件或燈絲10。
應當注意到，本實施方案是以某些金屬如鎢和鉭的一個典型特點為基礎的，它們在與鋁相同的化學和電學條件下陽極化；如上所述，所述陽極化發(fā)生在氧化鋁1的孔4的下部中，從而直接建立襯底2的表面結(jié)構(gòu)。
第九實施方案本實施方案的目的在于從一個具有如通過先前的實施方案而獲得的反面結(jié)構(gòu)的襯底開始來制造如圖7的一個部件或燈絲13的正面的納米多孔結(jié)構(gòu)；用作模板的所述襯底用圖17的a)中的標號10A表示。
如圖17的b)中所示，鎢合金27通過電化學沉積、CVD或濺射而沉積在所述襯底10A上。然后通過選擇性腐蝕而除去襯底10A，從而獲得所要的帶有正面的納米-多孔結(jié)構(gòu)的燈絲13。
從上面的描述可以推論，在所有的已描述的實施方案中，按照本發(fā)明的工藝方法都包括使用氧化鋁層1，取決于工藝的情況，該氧化鋁層1或者直接用作模板而獲得所要的帶有納米結(jié)構(gòu)10的部件，或者用于獲得一個模板10A而用于隨后建立所要部件13的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明證明特別有利于建立用作白熾光源的燈絲的結(jié)構(gòu)，并更一般地有利于建立與燈絲形式不同的部件，這種部件可以通過電流而導致白熾。
上述工藝能夠例如在一根由諸如鎢制成的燈絲的一個或多個表面上容易地限定一個包括多個微凸起的抗反射微結(jié)構(gòu)，從而使從燈絲反射到可見光譜中的電磁輻射最大化。
本發(fā)明可以有利地應用于制造其它光子晶體結(jié)構(gòu)，即由鎢或其它合適的材料制成的結(jié)構(gòu)，其特征在于存在一系列規(guī)則的微空腔，這些空腔包含一種介質(zhì)，其折射系數(shù)不同于所用的鎢或其它材料的折射系數(shù)。
在這種架構(gòu)內(nèi)，應當注意到，這些先前描述的技術(shù)可以有利地用于獲得三維的光子晶體，即沿三個垂直方向具有周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體。
作為例子，圖18表示一種可以用于該目的的可能的技術(shù)。這樣一種實施方案提供一個與圖8的a)相似的第一步驟。因此，在已經(jīng)獲得規(guī)則的氧化鋁的第一薄膜1之后，在該氧化鋁上沉積了用10表示的待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的第一層材料，以便填充氧化鋁的孔，如圖8的a)中所示。
該選擇來用于獲得所要的三維光子晶體的填充材料可以是任何材料(如鎢、金、銀、碳、鐵、銅、鎳等等)；用于材料沉積的技術(shù)可以選自簡單的或脈沖的電沉積、熱蒸發(fā)、電子束、濺射、CVD、PECVD、絲網(wǎng)印刷法、自旋法、沉淀、離心作用、溶膠-凝膠等等。
在第一層材料10上沉積一層新的鋁膜，用圖18的a)中的6表示，隨后陽極化該鋁膜，以便形成另一層氧化鋁1’；以這樣的方式完成該陽極化過程，使得為此目的而具有合適厚度的鋁膜6為了獲得氧化鋁層1’的生長而幾乎完全“消耗掉”。
然后例如用濕法蝕刻局部除去該阻擋層或?qū)谙鄳目锥_通，直到這些孔直接面對下面的材料層10，如圖18的b)中可見的。
然后例如通過電沉積或濺射而在氧化鋁1’上沉積在圖18的c)中用10’表示的待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的第二層材料，以便填充其孔，直到與選擇用來獲得所要的光子晶體的第一層材料10接觸。然后在第二層10’上沉積另一層在圖18的d)中用6’表示的鋁膜，該膜隨后用先前關于層1’說明的同一方法進行陽極化，以便形成另一層氧化鋁。
再一次，然后跟隨一個用濕法蝕刻進行的對氧化鋁1”的阻擋層進行開通或局部除去的及沉積又一層目的在于形成該三維光子晶體的材料的階段，使這樣一種材料能夠通過氧化鋁1”的開孔而接觸層10’的材料。
顯然，上述各階段(鋁沉積、鋁形成、局部減少阻擋層、沉積一層新的所要材料)可以重復任何數(shù)目，隨待獲得的結(jié)構(gòu)的類型而定。
然后提供一個氧化鋁1、1’、1”......的蝕刻步驟，該氧化鋁已使用一納米模板，并且屬于幾乎最小的鋁殘余6、6’、......；作為所述蝕刻步驟的結(jié)果，如果該步驟是最后步驟，就留下該三維的光子晶體結(jié)構(gòu)，或者通過沉積一個或多個另外的所要材料層完成這些步驟。
為此，圖19示意表示一種三維光子晶體16的一部分，它們可以按照參考圖18而描述的那種類型的工藝方法而獲得。
如可以看到的，在圖19中例示的三維光子晶體16基本上通過疊加圖6中示出的那種類型的結(jié)構(gòu)而形成(增加一個端部層11’)，其特點是有一系列周期性的基底部分11，它們基本上平行并利用支柱12相互連接，這些支柱12按照兩個互相正交的方向具有周期性并在其間限定相應的空隙。
在這種情況下，光子晶體16可以通過由不同材料制成的多個層10、10’......的疊合而得到；氧化鋁的各個模板層1、1’、1”......可以沿三個正交的方向具有周期性、循環(huán)和也彼此不同的填充因子。
在圖18的實施方案的情況下，待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的材料的各層10、10’每個包括一個為了填充相應的鋁膜1、1’、1”的孔而設置的下部和一個蓋在同一氧化鋁頂上的基本上平坦的上部。但是所述平坦部分可以省略，或者不管用什么方式具有這樣一個減小的厚度(如2～3nm)，從而呈現(xiàn)與氧化鋁晶粒的上端相對應的不連續(xù)性。
圖20中示意地表示一個相似的實施例。
在該情況中，在已獲得第一層規(guī)則的氧化鋁后，在同一氧化鋁上沉積第一層待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的材料，沉積的方式是僅僅填充氧化鋁的孔，直到相應的上邊緣，而不蓋住薄膜1的上端。這樣一種狀態(tài)示意地表示于圖20的a)中，其中標號1和10分別表示第一氧化鋁層和第一層待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的材料。
然后在如圖20的a)中可見的結(jié)構(gòu)上沉積一個新的鋁膜，隨后陽極化該鋁膜，以便形成用圖20的b)中的1’表示的另一氧化鋁膜；此處該陽極化過程再一次這樣完成，使得為此目的一個厚度合適的鋁層為了獲得鋁膜1’的生長而幾乎完全耗盡。然后局部除去氧化鋁1’的阻擋層，或者使阻擋層在其相應的孔中開通，使得這些孔至少部分面對由第一層材料10填充的下面的氧化鋁膜1的孔，而氧化鋁1’的晶粒的下端至少與氧化鋁1的晶粒的上端部分接觸。
這樣一種狀態(tài)示意地表示于圖20的b)中。
此時在氧化鋁1’上沉積用圖20的c)中的10’表示的第二層待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的材料(為了如先前的步驟中那樣僅僅填充其孔，或者為了如圖中所示的情況中那樣形成一個平面表面)，直到與被選擇用于獲得所要的光子晶體的第一材料層10相接觸。然后可以在第二層10’上沉積另一鋁膜，隨后對其陽極化，以便形成另一層氧化鋁，直到獲得所要的結(jié)構(gòu)。同時在該情況中提供一個蝕刻用作納米模板的氧化鋁1、1’和蝕刻鋁層的近似殘余的最終步驟。
在另一實施例中，在該構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的材料上，或在兩個連接的待構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的材料層之間，可以設置一個或多個難熔氧化物薄層。例如，在獲得如圖20的a)中表示的結(jié)構(gòu)之后(但是在任何情況下也是如圖8的a)中的結(jié)構(gòu))，可以在同一結(jié)構(gòu)上沉積一或多層難熔氧化物如陶瓷基氧化物、氧化釷、氧化鈰、氧化釔、氧化鋁、氧化鋯或碳化硅。在該氧化物層(或被設置的最后一個氧化物層)上，可以沉積一個新的待陽極化的鋁膜，以便形成一個準備隨后覆蓋其它待建立結(jié)構(gòu)的材料的新的氧化鋁結(jié)構(gòu)；在后一結(jié)構(gòu)上，可以沉積新的一層或多層難熔氧化物，繼續(xù)到形成所要的三維結(jié)構(gòu)。
在最后除去氧化鋁之后，該獲得的結(jié)構(gòu)也可以用難熔氧化物幾乎完全地封閉；這是有用的，例如，當所要部件是一種白熾輻射體時，這種情況下該難熔化合物可以完成雙重作用i)限制構(gòu)成該輻射體的材料或其納米結(jié)構(gòu)在操作高溫下的原子蒸發(fā)，這種蒸發(fā)對應于會在操作條件下縮短其工作壽命的該輻射體的“切口”效應，同時也對應于納米結(jié)構(gòu)的弄平效應；操作溫度愈高，所述蒸發(fā)就愈大，這種蒸發(fā)傾向于弄平該輻射體的表面結(jié)構(gòu)，使其性能隨時間而變壞，并減小其增加效率的優(yōu)點；ii)維持該輻射體或其納米結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)構(gòu)造，就是使其組成材料(如金、銀、銅)由于在超過其熔點的操作溫度的條件下使用而遇到狀態(tài)的變化特別是熔融時也能維持。
在三維光子晶體的情況下，各種用于構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的氧化鋁薄膜的孔的高度可以在100nm～1微米之間變化，以便有一垂直的周期性，后者允許在可見區(qū)和近紅外區(qū)中有一帶隙。
專業(yè)人員最終會明白，為了對三維光子晶體構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟，可以使用先前參照圖8～17描述的技術(shù)，其中，可以組合使用不同的技術(shù)，以便完成對同類部件和光子晶體建立三維結(jié)構(gòu)。
顯然，盡管本發(fā)明的基本思想保持不變，但其構(gòu)造細節(jié)和實施例能夠相對于僅作為例子而被描述和圖示的內(nèi)容進行廣泛的變化。
權(quán)利要求
1.制造一種納米結(jié)構(gòu)的部件(10；13；16)的工藝方法，該方法特別用于光子學領域或光輻射體領域，該部件具有納米尺寸的一系列凸起(12)和一系列空腔或孔隙(15)當中的至少一種，它們按照該部件(10；13；16)中的基本上預定的幾何形狀而排列，其特征在于，由陽極化的多孔氧化鋁(1；1，1’，1”)制成的至少一層被用作對該部件(10；13)的至少一部分構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的犧牲元件。
2.按照權(quán)利要求1的工藝方法，其特征在于，該氧化鋁層(1)或者被用作在所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟期間的犧牲模板，或者被用作為獲得另一個所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟用的犧牲模板(10A)的中間模板。
3.按照權(quán)利要求1或2的工藝方法，其特征在于，為了對至少一部分部件(10；13；16)構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟，采用了多層的陽極化多孔氧化鋁(1；1，1’，1”)。
4.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，每個所提供的氧化鋁層(2)是通過下述過程而獲得的接連陽極化一個沉積在一相應襯底(2；10，10’)的表面上的鋁膜(6)，直到獲得一規(guī)則的氧化鋁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)限定多個基本上垂直于所述襯底(2；10，10’)的表面的孔(4)，該氧化鋁層(1)有一個接近該相應襯底(2；10，10’)的非多孔部分(5)。
5.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括一個通過蒸發(fā)、濺射、化學氣化物沉積、絲網(wǎng)印刷、電沉積、電子束、PECVD、自旋、淀析、離心、溶膠-凝膠而沉積材料的步驟。
6.按照權(quán)利要求1或3的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括至少一個蝕刻步驟。
7.按照權(quán)利要求1或3的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括至少一個對一種以相應的氧化鋁層(1；1，1’，1”)為底層的金屬進行陽極化的步驟。
8.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括下步驟步驟將用來制造具有多個凸起(12；12A)的所要部件(10；10A)的至少一部分的材料(20)作為一個薄膜沉積在一相應的氧化鋁層(1)上，至少一部分所述材料(20)填充所述孔(4)；以及然后除去所述氧化鋁層(1)，由填充所述孔(4)的所述材料(20)的該部分形成所述凸起(12；12A)的至少一部分。
9.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括下列步驟在一為鋁或其它導電材料的導電襯底上形成一氧化鋁層(2)；通過濕法蝕刻除去陽極化后形成的氧化鋁(1)的非多孔部分(5)或阻擋層，使得氧化鋁(1)的孔(4)在該導電襯底上有效地開通；通過電沉積或蒸發(fā)或濺射技術(shù)在該氧化鋁層(1)上沉積一導電的金屬層(21)；將制作至少一部分具有多個凸起(12；12A)的所要部件(10；10A)的材料(20)電沉積在由金屬膜(21)和氧化鋁層(1)的殘余部分形成的結(jié)構(gòu)上，一部分所述材料(20)填充所要孔(4)；然后除去氧化鋁層(1)的殘余部分和金屬膜(21)，由填充所述孔(4)的所述材料的一部分形成所述凸起(12；12A)的至少一部分。
10.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括以下步驟將制作一個具有多個凸起(12；12A)的所要部件(10；10A)的至少一部分的材料(23)作為絲網(wǎng)印刷糊劑，沉積在氧化鋁層(1)上，所述糊劑(23)的一部分填充所述孔(4)；所述糊劑(23)被燒結(jié)；以及然后除去所述氧化鋁層(1)及其襯底(2)，由填充所述孔(4)的所述材料(20)的一部分形成所述凸起(12；12A)的至少一部分。
11.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括下列步驟除去氧化鋁層(1)的非多孔部分(5)的局部化部分，從而使相應的襯底(2)上的所述孔(4)開通；將制作一個有多個凸起(12；12A)的所要部件(10；10A)的至少一部分的材料(26)通過電化學法沉積在所述氧化鋁層(1)的殘余部分上，使所述材料(26)的一部分填充所述孔(4)并與相應的襯底(2；6，6’)相接觸；以及然后除去所述氧化鋁層(1)和相應的襯底(2)的殘余部分，由填充所述孔(4)的所述材料(20)的部分形成所述凸起(12；12A)的至少一部分。
12.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括下列步驟對氧化鋁層(1)的襯底(2)進行陽極化，從而誘導所述孔(4)下面的襯底(2)的生長，所述生長造成襯底(2)的表面凸出部(2A)的形成，這首先導致所述氧化鋁層(1)的非多孔部分(5)的一些部分破裂，然后保持在所述孔(4)中生長；以及通過選擇性蝕刻除去所述氧化鋁層(1)，因而至少由襯底(2)部分地制成一個具有多個凸起(12)的所要部件(10)，所述表面凸出部(1A)制成所述凸起(12)。
13.按照權(quán)利要求9、10、11或12之一的工藝方法，其特征在于，所述所要的部件為所述另一個模板(10A)。
14.按照權(quán)利要求13的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括下列步驟在所述另一個模板(10A)上沉積一層制作所述部件(12)的至少一部分的材料(24，25)；以及除去所述另一個模板(10A，13A)。
15.按照權(quán)利要求14的工藝方法，其特征在于，將制作所述部件(13)的至少一部分的材料(24)通過濺射或化學氣化物沉積在所述另一個模板(10A，13A)上，并通過選擇性蝕刻除去所述另一個模板(10A，13A)。
16.按照權(quán)利要求14的工藝方法，其特征在于，用于制作所述部件(13)的至少一部分的材料(24，25)呈絲網(wǎng)印刷糊劑(25)的形式，該糊劑在被沉積到所述另一個模板(10A，13A)上之后被燒結(jié)，然后通過選擇性蝕刻除去該另一個模板。
17.按照權(quán)利要求2的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括下列步驟除去氧化鋁層(1)的非多孔部分(5)的至少一部分，所述孔(4)因而在相應的襯底(2)上開通；在所述孔(4)上被開通的相應區(qū)域中選擇地挖掘所述襯底(2)；除去所述氧化鋁層(1)的殘余部分，從而該襯底制成所述部件(13)，而襯底(2)的被挖掘區(qū)域制成所述空腔(15)。
18.按照權(quán)利要求17的工藝方法，其特征在于，襯底(2)是通過反應離子蝕刻或選擇性濕性蝕刻或電化學蝕刻而在所述開通區(qū)域上被挖掘的。
19.按照權(quán)利要求3的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括至少形成一第一層氧化鋁(1)，將制作所述部件(16)的材料的至少一第一部分(10)沉積在其上；在材料(10)的所述第一部分上形成氧化鋁(1’)的至少一第二層，然后將制作所述部件(16)的材料的至少一第二部分(10)沉積在其上。
20.按照權(quán)利要求19的工藝方法，其特征在于，設置至少一個步驟，用于尤其通過蝕刻來除去氧化鋁(1，1’)的所述第一層和第二層以及相應的鋁襯底(6，6’)的可能有的殘余物。
21.按照權(quán)利要求1或3的工藝方法，其特征在于，所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括形成氧化鋁(1)的至少一第一層，將制作所述部件(16)的材料的至少一第一部分(10)沉積在其上；在材料(10)的所述第一部分上沉積至少一層難熔氧化物，如陶瓷基氧化物、氧化釷、氧化鈰、氧化釔、氧化鋁或氧化鋯或碳化硅。
22.按照權(quán)利要求21的工藝方法，其特征在于，在該難熔氧化物上形成氧化鋁(1’)的至少一第二層，然后在其上面沉積用于制作所述部件(16)的材料的至少一第二部分(10)。
23.按照權(quán)利要求21或22的工藝方法，其特征在于，設置至少一個步驟，用于尤其通過蝕刻來除去氧化鋁(1，1’)的一層或多層以及相應的鋁襯底(6，6’)的可能有的殘余物，這樣獲得的部件(16)幾乎完全被封閉在難熔氧化物內(nèi)。
24.至少部分地用按照權(quán)利要求1～23中的一項或多項的工藝方法而獲得的用作光源的輻射體，特別是燈絲，其特征在于它們由于通過電流而能導致白熾，該輻射體(10；13；16)具有按照基本上預定的幾何形狀而排列的多個納米凸起(12)和多個納米空腔或孔隙(15)當中的至少一種。
25.按照權(quán)利要求24的輻射體，其特征在于，所述凸起(12)或空腔(15)制成一個抗反射的微結(jié)構(gòu)，以便使從輻射體(10；13；16)進入可見光譜的電磁輻射最大化。
26.至少部分地用按照權(quán)利要求1～23中的一項或多項的工藝方法獲得的兩維光子晶體，其特征在于該晶體(10；13)具有按照基本上預定的幾何形狀而排列的多個納米凸起(12)和多個納米空腔或孔隙(15)當中的至少一種。
27.至少部分地用按照權(quán)利要求1～23中的一項或多項的工藝方法獲得的三維光子晶體，其特征在于該晶體(16)具有按照基本上預定的幾何形狀而排列的多個納米凸起(12)和多個納米空腔或孔隙(15)當中的至少一種。
28.陽極化的多孔氧化鋁(1)作為光源輻射體(10；13)的至少一部分的構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的犧牲元件的應用，該輻射體由于通過電流而能導致白熾。
29.陽極化的多孔氧化鋁(1)作為一個兩維或三維光子晶體(10；13；16)的構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟的犧牲元件的應用。
30.按照權(quán)利要求28或29的用途，其特征在于將氧化鋁(1)用作在所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟期間的模板。
31.按照權(quán)利要求28或29的用途，其特征在于將氧化鋁(1)用作為獲得在所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟期間所用的另一個模板(10A，13A)的模板。
32.按照權(quán)利要求28或29的用途，其特征在于所述構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的步驟包括獲得按照基本上預定的幾何形狀而排列的多個納米凸起(12)和多個納米空腔(15)當中的至少一種。
全文摘要
在一個制造一納米結(jié)構(gòu)的部件如光子晶體或可由于通過電流而導致白熾的輻射體(10)中，至少一層陽極化的多孔氧化鋁(1)用作犧牲元件，以用于構(gòu)造部件(10)的至少一部分。
文檔編號C25D1/00GK1756861SQ200480005909
公開日2006年4月5日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者V·蘭貝蒂尼, D·普利尼, N·利皮拉, M·布里格諾內(nèi), P·雷佩托, M·帕德里, R·蒙費里諾 申請人:C.R.F.阿西安尼顧問公司