CN102400217B - 一种新型多孔硅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型多孔硅及其制备方法：多孔硅结构为在低掺杂、N型单晶硅片基体内，形成柱形纳米多孔硅并封闭直孔空腔，表面为纳米多孔硅；采用电化学腐蚀的方法，在HF酸和有机溶剂混合溶液中，通过控制混合溶液配比、直流电源的电压和电流制备这种新型多孔硅结构。这种新型多孔硅结构及制备方法，为传感器、自爆芯片、发光器件等与硅基微纳器件的整合提供新的技术途径和方法。

Description

一种新型多孔硅及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔硅器件和微纳结构制备技术领域，具体涉及一种新型多孔硅及其制备方法。

背景技术

多孔硅纳米结构的应用非常广泛，可用于光致发光材料、微结构制作中的牺牲层、气体传感器、生物传感器、芯片爆炸材料等。硅基半导体器件逐渐向微型化和纳米技术发展，微米级以下小尺寸的多孔硅、单晶硅、微纳器件的整合是其中重要的一步。

多孔硅及其制备方法的研究已经有几十年的历史，从单晶硅得到多孔硅的主要方法是电化学腐蚀，腐蚀溶液主要是HF酸的水溶液或与有机溶剂的混合溶液，有机溶剂在腐蚀溶液中起缓解表面张力的作用，由于乙醇、丙醇、异丙醇、甲醇性质类似，所以用它们的混合液腐蚀出的多孔硅结构类似。所用硅片主要是掺杂的各种硅片，一般来说低掺杂的硅片主要形成大孔（微米级以上）多孔硅，高掺杂的硅片上主要形成纳米多孔硅，也可在合适的硅片上形成次微米级的孔。目前：在单晶硅上形成的大孔和次微米级的孔会造成表面的不平整且孔壁相对薄，不利于在其上面制作其他的微纳器件，而且比表面积比纳米多孔硅低的多，致其在传感器、器件集成等方面的应用受到限制；在高掺杂的单晶硅上形成的纳米多孔硅虽然较为平整，也可以实现表面微纳器件制作，但其孔都基本上小于5 nm，并且不再纳米多孔硅保持单晶硅的性质，在传感器分子区分以及孔内材料填充上分别受到信号收集和填充量的限制。所以现有多孔硅及其制备方法在多孔硅器件本身及其与微纳器件集成上存在一些不足。在硅单晶基体上制备纳米多孔硅封闭次微米级直孔的多孔硅结构对提高气体传感器的气体分辨、生物传感器的分子分辨、以及芯片爆炸材料的氧化剂载入量等提供新的多孔硅结构和技术途径，有效解决纳米多孔硅和直孔结构在单晶硅内的集成，并且有助于微纳器件在基于此多孔硅器件上的集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建立在硅单晶基体上的新型多孔硅及其制备方法，不仅提供一种封闭的次微米级的直孔的结构，而且为微纳器件和纳米结构的整合提供新的方法，进而促进多孔硅在传感器、芯片爆炸、发光等方面的发展。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：提供一种新型多孔硅，其特征在于：包括单晶硅、镶嵌在单晶硅中的柱形纳米多孔硅、及位于单晶硅上的表面纳米多孔硅；所述柱形纳米多孔硅内壁围成的空腔为直孔。

所述新型多孔硅的基体为1至100 Ωcm的n型单晶硅基片。所述柱形纳米多孔硅垂直于表面纳米多孔硅，且与表面纳米多孔硅连为一体。所述单晶硅中至少包含一个柱形纳米多孔硅，所有柱形纳米多孔硅平行排列。所述柱形纳米多孔硅和表面纳米多孔硅为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下。所述直孔截面为正方形结构，边长为100-170 nm，孔深为0-70 μm。所述表面纳米多孔硅层厚度为100-300 nm。所述柱形纳米多孔硅壁的厚度为50-250 nm。

制备上述新型多孔硅的方法步骤如下：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片或金属片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将浓HF酸和有机溶剂按1:1至1:1.5的体积比混合，有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、甲醇中的一种；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒或铂丝做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在40-70 V之间，电流设定在20-60 mA/cm²之间，腐蚀时间为1-10 min制得本发明提供的新型多孔硅。

与现有技术比较，本发明的有益效果是：

首先，本发明公开的新型多孔硅兼有直孔和纳米多孔硅两种结构，并且纳米多孔硅覆盖直孔孔口和内壁，在单晶硅上形成纳米多孔硅封闭的直孔，由于直孔不暴露与表面，不影响其表面微纳结构的制作，有利于多孔硅传感器、爆炸芯片、发光器件等与硅基微纳结构的整合；

其次，制作方法简单，通过控制腐蚀溶液配比、电压、电流设定就能实现本发明新型多孔硅的制备，所用硅片电阻范围较宽，制作条件基本稳定；

最后，直孔在硅基体内的分布具有一定的均匀性，直孔孔径较小，表面纳米多孔硅层击穿比例较低，适合在其表面按照现有半导体工艺制作其他结构。

附图说明

图1为垂直于基片表面的多孔硅截面示意图（以基片表面为主视面）。

图2为平行于基片表面的多孔硅截面示意图。

图3为制备的多孔硅表面的扫描电镜照片。

图4为制备的平行于表面的多孔硅截面扫描电镜照片。

图5为制备的垂直于表面的多孔硅截面扫描电镜照片。

图6为制备的垂直于表面的多孔硅截面扫描电镜照片。

其中，1、单晶硅；2、直孔；3、柱形纳米多孔硅；4、表面纳米多孔硅；5、硅片腐蚀面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的说明，但并不是对本发明的进一步限制。

本发明公开的一种新型多孔硅的截面示意图如图1、图2所示，包括单晶硅1、镶嵌在单晶硅1中的柱形纳米多孔硅3及位于单晶硅1上的表面纳米多孔硅4；柱形纳米多孔硅3内壁围成的空腔为直孔2。单晶硅1为1至100 Ωcm的n型单晶硅基片。柱形纳米多孔硅3垂直于表面纳米多孔硅4，且与表面纳米多孔硅4连为一体。单晶硅1中至少包含一个柱形纳米多孔硅3，所有柱形纳米多孔硅3平行排列。柱形纳米多孔硅3和表面纳米多孔硅4为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下。直孔2截面为正方形结构，边长为100-170 nm，孔深为0-70 μm。表面纳米多孔硅4层厚度为100-300 nm。柱形纳米多孔硅3壁的厚度为50-250 nm。

本实施例新型多孔硅的制备方法包括如下步骤：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面即硅片腐蚀面5朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片或金属片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将浓HF酸和有机溶剂按1:1至1:1.5的体积比混合，有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、甲醇中的一种；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒或铂丝做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在40-70 V之间，电流设定在20-60 mA/cm²之间，腐蚀时间为1-10 min制得图1、2提供的新型多孔硅。

实施例1

采用硅片电阻为1至10 Ωcm。

制备方法如下：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将48% HF酸和乙醇按1:1的体积比混合；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在60 V，电流设定在60 mA/cm²，腐蚀时间为10 min。

经上述条件制备的多孔硅结构的扫描电镜照片如图3、4、5、6，图3是表面，图4是平行于表面的截面，图5是靠近表面的侧截面图，图6是内部的侧截面图。制备的多孔硅参数为：纳米多孔硅为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下；表面的纳米多孔硅层厚度为200 nm，柱形纳米多孔硅壁厚120-160 nm；柱形纳米多孔硅围成的直孔，孔截面为正方形，边长100-150 nm，孔深60-70 μm。

实施例2

采用硅片电阻为20至25 Ωcm。

制备方法如下：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将48% HF酸和乙醇按1:1.2的体积比混合；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在50 V，电流设定在40 mA/cm²，腐蚀时间为8 min。

上述条件制备的多孔硅电镜照片与图3、4、5、6近似，结构参数为：纳米多孔硅为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下；表面纳米多孔硅层厚度为300 nm，柱形纳米多孔硅壁厚在120-160 nm；柱形纳米多孔硅围成的直孔，孔截面为正方形，边长120-150 nm，孔深50-60 μm。

实施例3

所采用硅片电阻为50至60 Ωcm

制备方法如下：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将48% HF酸和异丙醇按1:1.5的体积比混合；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在40 V，电流设定在40 mA/cm²，腐蚀时间为10 min。

上述条件制备的多孔硅电镜照片与图3、4、5、6近似，结构参数为：纳米多孔硅为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下；表面的纳米多孔硅层厚度为100 nm，柱形纳米多孔硅层壁厚150-250 nm；柱形多孔硅围成的直孔，孔截面为正方形，边长140-170 nm，孔深60-70 μm。

实施例4

所采用硅片电阻为90至100 Ωcm。

制备方法如下：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫金属片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将48% HF酸和丙醇按1:1.5的体积比混合；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入铂丝做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在70 V，电流设定在20 mA/cm²，腐蚀时间为1 min。

上述条件制备的多孔硅电镜照片与图3、4、5、6近似，结构参数为：纳米多孔硅为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下；表面的纳米多孔硅层厚度100 nm，柱形纳米多孔硅层壁厚150-250 nm；柱形纳米多孔硅围成的直孔，孔截面为正方形，边长140-170 nm，孔深0-5 μm。

实施例5

所采用硅片电阻为40至50 Ωcm。

制备方法如下：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将48% HF酸和甲醇按1:1的体积比混合；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在50 V，电流设定在40 mA/cm²，腐蚀时间为10 min。

上述条件制备的多孔硅电镜照片与图3、4、5、6近似，结构参数为：纳米多孔硅为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下；表面的纳米多孔硅层厚为200 nm，柱形纳米多孔硅层壁厚120-160 nm；柱形纳米多孔硅围成的直孔，孔截面为正方形，边长150 nm，孔深60-70 μm。

Claims (9)

1.一种多孔硅，其特征在于：由单晶硅（1）、镶嵌在单晶硅（1）中的柱形纳米多孔硅（3）及位于单晶硅（1）上的表面纳米多孔硅（4）组成；所述柱形纳米多孔硅（3）和表面纳米多孔硅（4）形成的纳米多孔硅封闭的空腔为直孔（2）；所述柱形纳米多孔硅（3）垂直于表面纳米多孔硅（4），且与表面纳米多孔硅（4）连为一体。

2.根据权利要求1所述的一种多孔硅，其特征在于：所述单晶硅为1至100 Ωcm的n型单晶硅基片。

3.根据权利要求1所述的一种多孔硅，其特征在于：所述单晶硅（1）中至少包含一个柱形纳米多孔硅（3），所有柱形纳米多孔硅（3）平行排列。

4.根据权利要求1所述的一种多孔硅，其特征在于：所述柱形纳米多孔硅（3）和表面纳米多孔硅（4）为海绵状多孔结构，孔尺寸在5 nm以下。

5.根据权利要求1所述的一种多孔硅，其特征在于：所述直孔（2）截面为正方形结构，边长为100-170 nm，孔深为0-70 μm，不包括0。

6.根据权利要求1所述的一种多孔硅，其特征在于：所述表面纳米多孔硅（4）层厚度为100-300 nm。

7.根据权利要求1所述的一种多孔硅，其特征在于：所述柱形纳米多孔硅（3）壁的厚度为50-250 nm。

8.一种权利要求1所述的多孔硅的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片或金属片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将浓HF酸和有机溶剂按1:1至1:1.5的体积比混合；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒或铂丝做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀基片，直流电源设定在40-70 V之间，电流设定在20-60 mA/cm²之间，腐蚀时间为1-10 min制得多孔硅。

9.如权利要求8所述的多孔硅的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇、丙醇、甲醇中的一种。