CN102556949A - 一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,其特征是以硅片为基底,将硅片表面清洗后取出晾干即为样品A,在样品A的表面旋涂光刻胶,烘干光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的图形形式制接触式掩模板,利用该掩模板对光刻胶层进行曝光获得样品B,取下样品B在显影液中经4-6分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;在样品C的表面镀厚度为20~50纳米的金膜得到样品D;将样品D置于丙酮中去光刻胶及其上的金,保留与金接触的硅片即为样品E;将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,在完成刻蚀后即得硅微/纳米线阵列。本发明用以获得可控直径、长度、晶向的匀质硅单晶微/纳米线阵列,使其能够在器件中得到实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅微/纳米线阵列的制备方法,更具体地说是一种通过金属催化化学刻蚀硅的微/纳米线阵列的制备方法。
背景技术
近些年,一维硅微/纳米线的半导体性,机械性,光学性,以及纳米器件的前景应用引起了广泛的关注。硅微/纳米线已经成功地使用于场效应晶体管、生物化学传感器、集成逻辑器件、太阳能电池、锂电池阳极、p-n结等器件。合成硅微/纳米线很多方法,例如VLS生长法、氧辅助生长法(OAG)和SLS生长法,但这些合成的硅微/纳米线具有典型的随机方向性,(尺寸的问题)很难于在器件中使用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处,提供一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,以获得可控直径、长度、晶向的匀质硅单晶微/纳米线阵列,使其能够在器件中得到实际应用。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
本发明尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法的特点是按如下步骤进行:
(1)、以硅片为基底,将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗后,随后浸入在60-100℃的食人鱼洗液中,5-20分钟后取出晾干即为样品A,在所述样品A的表面旋涂光刻胶,烘干后形成300~500纳米厚度的光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的形式制作接触式掩模板图形,利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B,取下所述样品B在显影液中经4-6分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;
(2)、利用微电子镀膜设备在所述样品C的表面镀厚度为20~50纳米的金膜得到样品D;将所述样品D置于丙酮中,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金,保留与金接触的硅片即为样品E;
(3)、将所述样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,在完成所述金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列。
本发明中尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法的特点也在于:
所述光刻胶为AZ5206,所述显影液为MIF-300。
所述光刻胶为ARP-5350,所述显影液为AR3006。
所述食人鱼洗液中是质量百分比浓度不低于98%的浓H2SO4和质量百分比浓度为40%的双氧水H2O2按体积比为4∶1的配比。
所述刻蚀液是在1000ml的水溶液中含有4-5mol的HF和0.4-0.5mol的H2O2。
所述步骤(1)和步骤(2)中的丙酮质量百分比浓度为:99.5%。
本发明的理论基础是类似于传统的金属(Ag)辅助刻蚀法,金(Au)辅助刻蚀硅微纳米线阵列。在H2O2和HF酸溶液中,硅失去电子变成硅离子,H2O2得到电子生成氧气,这个电化学反应是在金催化下发生反应。
与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明通过微电子光刻技术,在硅片表面金辅助化学刻蚀出尺寸可控硅微/纳米线阵列。根据硅片本身类型的不同,可以相应获得掺杂,尺寸,晶向微/纳米线阵列。
2、通过控制显影时间的不同控制线的直径。通过控制刻蚀时间的不同控制线的长度。
3、本发明工艺简单,成本较低,耗能少,适合大规模生产应用。
附图说明
图1为本发明制备不同刻蚀时间的硅微/纳米线阵列扫描电子显微镜照片;
图2为本发明制备不同显影时间的硅微/纳米线阵列扫描电子显微镜照片;
图3为本发明制备不同硅片晶向的硅微/纳米线阵列扫描电子显微镜照片;
具体实施方式
具体实施中按以下步骤操作:
(1)、以硅片为基底,将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗后,随后浸入在60℃的食人鱼洗液中,5分钟后取出晾干即为样品A,在所述样品A的表面旋涂光刻胶,烘干后形成300~500纳米厚度的光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板,利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B,取下所述样品B在显影液中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;
(2)、利用微电子镀膜设备在所述样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D;将所述样品D置于丙酮中,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金,保留与金接触的硅片即为样品E;
(3)、将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,在完成金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列;
具体实施中,光刻胶采用AZ5206,配套使用的显影液则采用MIF-300;或为:光刻胶采用ARP-5350,则显影液采用AR3006。
食人鱼洗液中是质量百分比浓度不低于98%的浓H2SO4和质量百分比浓度为40%的双氧水H2O2按体积比为4∶1的配比。
刻蚀液是在1000ml的水溶液中含有4-5mol的HF和0.4-0.5mol的H2O2。
步骤(1)和步骤(2)中丙酮的质量百分比浓度为:99.5%。
实施例1:
以晶向是(100)的n型和电阻率为5Ωcm硅片为基底,将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后,随后浸入在60℃的食人鱼洗液中,10分钟后取出晾干即为样品A,在样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206,烘干后形成300~500纳米厚度的光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板,利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B,取下样品B在显影液MIF-300中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;
利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D;将样品D置于丙酮中,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金,保留与金接触的硅片即为样品E;
将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,分别刻蚀20分钟。在完成金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列,用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微/纳米线阵列图形;
按以上相同方式进行操作,所不同的是在1000ml的水溶液中含有5mol的HF和0.5mol的H2O2的刻蚀液中刻蚀,以及镀金膜厚度为50nm。得到扫描电子显微图片,通过比较,刻蚀出来的硅微/纳米线阵列没有明显区别。刻蚀条件在这些参数变化范围内都可以制备出硅微/纳米线阵列。
实施例2:
以晶向是(100)的n型和电阻率为5Ωcm硅片为基底,将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后,随后浸入在60℃的食人鱼洗液中,10分钟后取出晾干即为样品A,在样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206,烘干后形成300~500纳米厚度的光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板,利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B,取下样品B在显影液MIF-300中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;
利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D;将样品D置于丙酮中,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金,保留与硅片接触的金即为样品E;
将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,分别刻蚀20分钟。在完成金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列,用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微/纳米线阵列图形;
按以上相同方式进行操作,所不同的是刻蚀时间分别设置为50分钟和100分钟。得到扫描电子显微图片,如图1所示。
基于本实施例的刻蚀的扫描显微镜图像如图1所示,可以看出随着刻蚀时间加长,刻蚀的微/纳米线的长度也在增长,即刻蚀时间可以控制微/纳米线的长度。根据实验理论基础,刻蚀时间的加长,反应时间变长,所以刻蚀的微/纳米线要长。
实施例3:
以晶向是(100)的n型和电阻率为12Ωcm硅片为基底,将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后,随后浸入在60℃的食人鱼洗液中,10分钟后取出晾干即为样品A,在样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206,烘干后形成300~500纳米厚度的光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板,利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光获得样品B,取下样品B在显影液中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;
利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在所述样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D;将所述样品D置于丙酮中,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金,保留与金接触的硅片即为样品E;
将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,分别刻蚀20分钟。在完成所述金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列,用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微纳米线阵列图形;
按以上相同方式进行操作,所不同的是显影时间分别设置为4分钟50秒和5分钟40秒。得到扫描电子显微图片,如图2所示。
基于本实施例的刻蚀的扫描显微镜图像如图2所示,可以看出随着过显影加长,刻蚀的纳米线的直径也在增长,即过显影时间可以控制微/纳米线的直径。实验中显影时间控制,调节超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金的大小。根据实验理论基础,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金下面硅被刻蚀,没有覆盖金膜的硅没有被刻蚀,留下来的硅即是硅微纳米线阵列。
实施例4:
以晶向是(110)的n型和电阻率为12Ωcm硅片为基底,将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后,随后浸入在60℃的食人鱼洗液中,10分钟后取出晾干即为样品A,在所述样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206,烘干后形成300~500纳米厚度的光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板,利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光获得样品B,取下所述样品B在显影液中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在所述样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D;将所述样品D置于丙酮中,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金,保留与金接触硅片的即为样品E;
将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,分别刻蚀20分钟。在完成所述金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列,用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微纳米线阵列图形;
按以上相同方式进行操作,所不同的是选取硅片晶向为(111)和(113)。得到扫描电子显微图片,如图3所示。
基于本实施例的刻蚀的扫描显微镜图像如图3所示,可以看出选取不同的晶向的硅片,刻蚀的微/纳米线阵列的晶向跟选取的硅片晶向一致。实验中选取的硅片在刻蚀过程中硅的晶向不会改变,所以刻蚀留下来的硅微/纳米线阵列的晶向与选取硅片晶向一致。
Claims (6)
1.一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,其特征是按如下步骤进行:
(1)、以硅片为基底,将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗后,随后浸入在60-100℃的食人鱼洗液中,5-20分钟后取出晾干即为样品A,在所述样品A的表面旋涂光刻胶,烘干后形成300~500纳米厚度的光刻胶层;按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板,利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B,取下所述样品B在显影液中经4-6分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C;
(2)、利用微电子镀膜设备在所述样品C的表面镀厚度为20~50纳米的金膜得到样品D;将所述样品D置于丙酮中,超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金,保留与金接触的硅片即为样品E;
(3)、将所述样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀,在完成所述金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列。
2.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,其特征是所述光刻胶为AZ5206,所述显影液为MIF-300。
3.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,其特征是所述光刻胶为ARP-5350,所述显影液为AR3006。
4.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,其特征是所述食人鱼洗液中是质量百分比浓度不低于98%的浓H2SO4和质量百分比浓度为40%的双氧水H2O2按体积比为4∶1的配比。
5.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,其特征是所述刻蚀液是在1000ml的水溶液中含有4-5mol的HF和0.4-0.5mol的H2O2。
6.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法,其特征是所述步骤(1)和步骤(2)中丙酮的质量百分比浓度为:99.5%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120711 |