CN102569033B - 一种小尺寸密度可控硅纳米点阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种小尺寸密度可控硅纳米点阵列的制备方法，涉及硅纳米点阵列的制备方法。在衬底上淀积铝膜后，退火，再对铝膜进行阳极氧化；去除所形成的阳极氧化铝膜及硅衬底表面上的二氧化硅点，即在样品表面形成较大尺寸的硅纳米点阵列；对样品进行脱氧，即得无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸密度可控硅纳米点阵列。所制得的硅纳米点尺寸分布均匀，纳米点尺寸和密度可控，且硅纳米点与衬底之间无绝缘层的存在，有利于制备电学/光电器件。同时，工艺条件简单，不需要复杂设备，在规模化工业生产中具有良好的应用前景。

Description

一种小尺寸密度可控硅纳米点阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及硅纳米点阵列的制备方法，尤其涉及一种用电化学刻蚀方法制备小尺寸密度可控硅纳米点阵列的制备方法。

背景技术

在20世纪90年代初，Canham等^[1，2]采用电化学阳极腐蚀方法制备的Si或SiGe纳米结构(主要由直径小于5nm的纳米结构组成^[2])，在室温下观测到很强的可见光发射。这一发现引起人们对Si基纳米结构发光的极大关注。

近20年来，Si基纳米结构的制备方法研究取得了很大进展。目前，常见的Si基纳米结构制备方法有以下几种：

(1)激光灼蚀沉积(PLD)

激光烧蚀沉积是采用具有一定波长和能量密度的聚焦脉冲激光束，辐照处于真空系统或一定环境气氛中的单晶硅靶，产生的气态状硅晶粒子或硅原子基团被直接沉积到衬底表面后，形成Si纳米结构。该方法由于沉积速率快，纳米结构纯度高等优点，已经被广泛应用于Si基纳米发光材料的研究^[3-4]。但是，由于制备过程中所用激光束的能量密度高，使沉积过程中的气态产物中存在一些硅原子数较多的大原子基团，从而在衬底表面形成较大的纳米结构，随机性较大，造成纳米结构的尺寸和空间分布不均匀，比较难获得大面积均匀分布的纳米结构材料。因此，在减少激光烧蚀沉积中产生的大颗粒和控制纳米结构的尺度及空间分布等方面仍需要进一步研究^[4]。

(2)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)

PECVD是人们早已熟悉并广泛应用于各种膜层沉积的技术，它通过等离子体技术分解含有Si成分的气态源(如SiH4，Si2H6)后沉积到衬底表面，从而形成Si纳米结构材料。这种方法具有制备技术简单、重复性好，且与微电子工艺兼容好等诸多优点。目前，采用PECVD制备Si纳米结构的源气态源比较多，其中高氢稀释的SiH4比较常用的一种。当低氢稀释时，只能生长非晶硅薄膜。而在高氢稀释，非晶薄膜能由非晶态转化为具有晶相结构的纳米晶硅薄膜^[5]。国内研究人员^[6]用H2稀释的Si2H6或SiH4等作为源气体，利用PECVD方法在Si或是玻璃衬底上沉积Si纳米结构材料，并通过控制后期退火条件，可以获得尺寸达到～3nm的Si纳米结构，并且分布比较有序。

(3)自组织生长方法(Self-organized Growth)

自组织生长方法是利用具有较大晶格失配且界面能较小的异质材料，依靠自身的应变能，在衬底表面以SK模式生长出具有一定结构形状、尺寸大小和密度分布的纳米结构。目前，这种方法已经被广泛应用各种材料制备技术中，包括分子束外延(MBE)^[7]、超高真空气相沉积(UHVCVD)^[8]、低压化学气相沉积(LPCVD)^[9]和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等技术。比如，Nakagwa和Yasuda等^[10，11]通过LPCVD技术，采用SiH4或Si₂H₆为源气体，在SiO2表面自组织生长了高密度的半球形Si纳米颗粒。通过UHVCVD技术，Zhou等^[12]在Si(100)衬底获得密度较高且有序分布的SiGe量子点结构。目前，采用此法制备的Si基纳米结构还存在分布随机性大、密度提高难等不利因素。

(4)电化学阳极腐蚀方法(Electrochemical Anodization)

电化学阳极腐蚀法一般采用HF酸溶液以Si衬底作为阳极进行恒流腐蚀来获得呈多孔状的Si纳米结构。其腐蚀机理早在上个世纪80年代初就提出了^[13]。

然而，直到1990年，Canham[1]才首次发现采用这种方法制备的呈多孔状的材料具有优良的发光性能，从而激起研究Si基材料发光新一轮热潮。后来研究发现这种多孔材料主要是由直径小于100nm且最小直径可达2nm的Si纳米线或是纳米颗粒构成^[2]。电化学腐蚀腐蚀方法具有制备简便快捷，容易获得大面积纳米结构薄膜和材料发光强度高等优点。已被广泛用制备各种Si基纳米结构发光材料。但是，其制备的材料也存在结构脆性、尺寸分布不均、发光性能不够稳定等缺点。

(5)离子注入法(Ion Implantation)

离子注入^[14]是一种将具有一定能量的带电粒子或离子注入到衬底的过程。高能的离子由于与衬底中原子核和电子的碰撞而不断失去能量，最后停在晶格内某一深度。注入离子的平均深度以及浓度分布可以通过调整注入离子的能量和剂量来控制。常用于杂质掺杂工艺。其具有准确控制离子浓度、可重复性好和较低的工艺温度等特点。由于上述优点，现在常被用来制备Si基纳米结构。其中，在SiO₂进行Si离子注入，然后在高温下进行退火，通过选择Si离子注入剂量和注入能量以及退火温度及退火氛围等条件，可以控制Si纳米微粒的大小和密度，这是现在制备Si纳米结构最常用的一种方法。比如，Torre等^[15]采用二次离子注入的方法，既在第一次Si离子注入后，用同样注入能量而用不同注入剂量的Si离子，然后在N₂中进行1100℃退火，从而得到了直径在3nm左右且尺寸分布比较集中的高质量Si纳米结构。

除了上述的Si基纳米结构制备方法，还有射频测控溅射法^[16]、研磨法^[17]、放电法^[18]和染色腐蚀法^[19]等方法。制备方法虽然不同，但都是为了获得尺寸分布均一、空间分布有序、密度高的Si基纳米结构，从而得到良好、可重复的电输运与光学特性，因此也成为当前Si纳米结构制备和应用研究领域的热点之一。

但是，目前所采用的制备硅纳米点阵列的主流方法中，PLD，PECVD，自组织生长法等方法所制备的硅纳米点阵列的均匀性有待提高，而阳极氧化法，离子注入法等方法所获得的硅纳米点一般被埋藏在绝缘介质势垒层中，这对电致发光器件的载流子注入是非常不利的，因此其离光电子集成的应用还有一段距离。

参考文献

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发明内容

本发明的目的在于为了解决硅纳米点阵列的均匀性及绝缘介质势垒层的问题，提供一种小尺寸密度可控硅纳米点阵列的制备方法。

本发明的技术方案是利用对淀积在单晶硅表面的铝层进行阳极氧化，在阳极氧化进行到铝硅界面时，氧化前端可进入到单晶硅中，从而刻蚀单晶硅表面，获得较大尺寸的硅纳米点阵列，再利用高真空高温设备脱去样品在空气中所形成的自然氧化层，即可获得排布在单晶硅表面无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸的硅纳米点阵列。

本发明包括以下步骤：

1)在衬底上淀积铝膜后，退火，再对铝膜进行阳极氧化；

2)去除步骤1)中所形成的阳极氧化铝膜及硅衬底表面上的二氧化硅点，即在样品表面形成较大尺寸的硅纳米点阵列；

3)对样品进行脱氧，即得无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸密度可控硅纳米点阵列。

在步骤1)中，所述衬底可采用单晶硅等；所述在衬底上淀积铝膜的具体方法可采用磁控溅射、热蒸发、电子束沉积等中的一种；所述退火的温度可为350～550℃，退火的时间可大于1h；所述对铝膜进行阳极氧化可在酸溶液中对铝膜进行阳极氧化，在阳极氧化中，当氧化电压小于30V时，所述酸溶液采用硫酸溶液，所述硫酸溶液的浓度可为15wt％；当氧化电压为30～80V时，所述酸溶液采用草酸溶液，所述草酸溶液的浓度可为0.3M；当氧化电压为大于80V时，所述酸溶液采用磷酸溶液，所述磷酸溶液的浓度可为1wt％～5wt％；所淀积的铝膜厚度将影响所形成的硅纳米点阵列的有序度，铝膜的厚度越大，所形成的硅纳米点阵列的有序度越高；使用退火工艺提高被淀积铝膜的晶粒尺寸并提高其与衬底之间的结合度；所述阳极氧化的时间随铝膜的厚度增加而增加，可由电流密度/时间曲线监控决定停止时间。

在步骤2)中，所述去除阳极氧化铝膜的氧化铝层可使用对硅不产生腐蚀的各种pH值小于4或大于10的酸碱溶液，所述去除硅衬底表面上的二氧化硅点可使用氢氟酸，所述氢氟酸的浓度不限。在20V氧化电压的条件下，硅纳米点的典型尺寸约为50nm。且该样品表面在空气中可形成一层厚度较薄的自然氧化层。

在步骤3)中，所述脱氧在真空下进行，在超过300℃的温度下进行热处理去除水汽，然后升温至750℃以上的温度进行脱氧处理，所述脱氧处理的时间可大于20min；在20V氧化电压的条件下，硅纳米点的典型尺寸约为20nm。

本发明的突出优点在于：

本发明所制得的硅纳米点尺寸分布均匀，纳米点尺寸和密度可控，且硅纳米点与衬底之间无绝缘层的存在，有利于制备电学/光电器件。同时，本发明的工艺条件简单，不需要复杂设备，在规模化工业生产中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为硅衬底上阳极氧化过程的典型电流密度/时间曲线。在图1中，横坐标为时间Time/s，纵坐标为电流密度j/(mA/cm²)。

图2为去除阳极氧化铝和二氧化硅点后的硅表面较大尺寸硅纳米点阵列AFM形貌。在图2中，标尺为100nm。

图3为经脱氧过程后的硅表面较小尺寸硅纳米点阵列AFM形貌。在图3中，标尺为200nm。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的具体步骤如下：

(1)在硅片上淀积铝膜：可利用各种方法在硅片上淀积铝膜，如磁控溅射，热蒸发，电子束沉积等。所淀积的铝膜厚度将影响所形成的硅纳米点阵列的有序度。铝膜的厚度越大，所形成的硅纳米点阵列的有序度越高。

(2)使用退火工艺提高被淀积铝膜的晶粒尺寸并提高其与衬底之间的结合度：退火过程中，温度控制在350～550℃，时间大于1h。

(3)对铝膜进行阳极氧化：在酸溶液中，对铝膜进行阳极氧化，所采用的酸与采用的氧化电压有关；通常情况下，15wt％的硫酸适用于小于30V的氧化电压，0.3M的草酸适用于30～80V的氧化电压，1wt％～5wt％的磷酸适用于大于80V的氧化电压。阳极氧化的时间随铝膜的厚度增加而增加，可由电流密度/时间曲线监控决定停止时间。

(4)去除步骤(3)中所形成的阳极氧化铝膜及硅衬底表面上的二氧化硅点：氧化铝层可使用对硅不产生腐蚀的各种pH值小于4或大于10的酸碱溶液，去除二氧化硅点可使用各种浓度的氢氟酸。本步骤结束时，将在样品表面形成较大尺寸的硅纳米点阵列。在20V氧化电压的条件下，硅纳米点的典型尺寸约为50nm。且该样品表面在空气中可形成一层厚度较薄的自然氧化层。

(5)在高真空下对样品进行脱氧：在较高真空下，超过300℃的温度下进行热处理去除水汽，然后升温至750℃以上的温度进行脱氧处理超过20min。即可得到无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸硅纳米点阵列。在20V氧化电压的条件下，硅纳米点的典型尺寸约为20nm。

以下给出具体实施例。

实施例1

(1)在硅片上淀积铝膜：利用磁控溅射在单晶硅上淀积1μm厚度的铝膜。

(2)退火：将淀积铝膜后的硅片在氮气氛围中350℃退火6h以提高被淀积铝膜的晶粒尺寸并提高其与衬底之间的结合度。

(3)对铝膜进行阳极氧化：在15wt％的硫酸中，以20V电压进行氧化。氧化进行至E点停止。图1给出硅衬底上阳极氧化过程的典型电流密度/时间曲线，其中E点代表氧化完全结束，可选择E点之后的任意时间停止氧化过程。

(4)去除步骤3中所形成的阳极氧化铝膜及硅衬底表面上的二氧化硅点：利用6％的磷酸，在60℃水浴2h去除阳极氧化铝膜，再利用1％的氢氟酸浸泡样品5min以去除硅衬底表面上的二氧化硅点。之后取出样品，暴露在空气中。图2给出去除阳极氧化铝和二氧化硅点后的硅表面较大尺寸硅纳米点阵列AFM形貌。

(5)在高真空下对样品进行脱氧：在5×10^-8Pa的真空腔中，以300℃的温度下进行热处理去除水汽，然后升温至750℃进行脱氧处理40min。即可得到无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸硅纳米点阵列。图3给出经脱氧过程后的硅表面较小尺寸硅纳米点阵列AFM形貌。

实施例2

(1)在硅片上淀积铝膜：利用电子束蒸镀在单晶硅上淀积1.5μm厚度的铝膜。

(2)退火：将淀积铝膜后的硅片在氮气氛围中450℃退火4h以提高被淀积铝膜的晶粒尺寸并提高其与衬底之间的结合度。

(3)对铝膜进行阳极氧化：在0.3M的草酸中，以40V电压进行氧化。氧化进行至E点停止。

(4)去除步骤3中所形成的阳极氧化铝膜及硅衬底表面上的二氧化硅点：利用6％的磷酸，在30℃水浴5h去除阳极氧化铝膜，再利用1％的氢氟酸浸泡样品5min以去除硅衬底表面上的二氧化硅点。之后取出样品，暴露在空气中。

(5)在高真空下对样品进行脱氧：在1×10^-8Pa的真空腔中，以350℃的温度下进行热处理去除水汽，然后升温至850℃进行脱氧处理30min。即可得到无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸硅纳米点阵列。

实施例3

(1)在硅片上淀积铝膜：利用热蒸发设备在单晶硅上淀积2μm厚度的铝膜。

(2)退火：将淀积铝膜后的硅片在氮气氛围中550℃退火2h以提高被淀积铝膜的晶粒尺寸并提高其与衬底之间的结合度。

(3)对铝膜进行阳极氧化：在0.3M的硫酸中，以60V电压进行氧化。氧化进行至E点停止。

(4)去除步骤3中所形成的阳极氧化铝膜及硅衬底表面上的二氧化硅点：利用6％的磷酸，在40℃水浴5h去除阳极氧化铝膜，再利用5％的氢氟酸浸泡样品5min以去除硅衬底表面上的二氧化硅点。之后取出样品，暴露在空气中。

(5)在高真空下对样品进行脱氧：在1×10^-8Pa的真空腔中，以450℃的温度下进行热处理去除水汽，然后升温至900℃进行脱氧处理30min。即可得到无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸硅纳米点阵列。

实施例4

(1)在硅片上淀积铝膜：利用电子束蒸镀在单晶硅上淀积1μm厚度的铝膜。

(2)退火：将淀积铝膜后的硅片在氮气氛围中550℃退火2h以提高被淀积铝膜的晶粒尺寸并提高其与衬底之间的结合度。

(3)对铝膜进行阳极氧化：在1wt％的磷酸中，以80V电压进行氧化。氧化进行至E点后20min停止。

(4)去除步骤3中所形成的阳极氧化铝膜及硅衬底表面上的二氧化硅点：利用6％的磷酸，在40℃水浴5h去除阳极氧化铝膜，再利用5％的氢氟酸浸泡样品5min以去除硅衬底表面上的二氧化硅点。之后取出样品，暴露在空气中。

(5)在高真空下对样品进行脱氧：在5×10^-8Pa的真空腔中，以300℃的温度下进行热处理去除水汽，然后升温至950℃进行脱氧处理30min。即可得到无绝缘势垒层的大面积均匀小尺寸硅纳米点阵列。

Claims (9)

1.一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在衬底上淀积铝膜后，退火，再对铝膜进行阳极氧化；

2）去除步骤1）中所形成的阳极氧化铝膜及衬底表面上的二氧化硅点，即在样品表面形成硅纳米点阵列；

3）对样品进行脱氧，即得无绝缘势垒层的大面积均匀密度可控硅纳米点阵列。

2.如权利要求1所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述衬底采用单晶硅。

3.如权利要求1所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述在衬底上淀积铝膜的具体方法采用磁控溅射、热蒸发、电子束沉积中的一种。

4.如权利要求1所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述退火的温度为350～550℃，退火的时间大于1h。

5.如权利要求1所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述对铝膜进行阳极氧化可在酸溶液中对铝膜进行阳极氧化，在阳极氧化中，当氧化电压小于30V时，所述酸溶液采用硫酸溶液，所述硫酸溶液的浓度为15wt%；当氧化电压为30～80V时，所述酸溶液采用草酸溶液，所述草酸溶液的浓度为0.3M；当氧化电压为大于80V时，所述酸溶液采用磷酸溶液，所述磷酸溶液的浓度为1wt%～5wt%。

6.如权利要求1所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述去除步骤1）中所形成的阳极氧化铝膜，使用对硅不产生腐蚀的各种pH值小于4或大于10的酸碱溶液。

7.如权利要求1所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述去除衬底表面上的二氧化硅点使用氢氟酸。

8.如权利要求1所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述脱氧在真空下进行，在超过300℃的温度下进行热处理去除水汽，然后升温至750℃以上的温度进行脱氧处理。

9.如权利要求8所述的一种密度可控硅纳米点阵列的制备方法，其特征在于所述脱氧处理的时间大于20min。

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