CN103112819A - 一种有序硅纳米线阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有序硅纳米线的制备方法，结合多孔氧化铝模板和金属辅助化学腐蚀获得有序的硅纳米线阵列。所述方法在清洁的硅片表面依次沉积SiO2和Al膜；然后对铝膜进行阳极化，形成多孔氧化铝AAO；以AAO作为掩模，利用等离子体刻蚀在硅表面复制AAO的孔阵图形；随后去除AAO及SiO2层，在图形化的硅表面沉积金膜，得到网孔结构的金层；将覆盖有网孔结构金膜的样品浸入HF酸与H2O2腐蚀液中腐蚀，得到硅纳米线阵列。本制备方法简单，可以制备出大面积有序的垂直排列的硅纳米线阵列，能够对纳米线的取向、掺杂类型及水平、直径、长度、间距、面密度等实现有效控制，并且成本低廉，可以用于基于硅纳米线阵列的器件中。
Description
技术领域
本发明涉及硅纳米线的制备方法，尤其是涉及大面积排列有序、直径和长度均一可控的垂直硅纳米线阵列的制备方法，属于纳米材料制备与应用技术领域。
背景技术
硅纳米线以其优异的性质和良好的工艺兼容性引起人们的广泛关注，在先进电子器件、生物与化学传感器、光电子器件，以及光伏器件等方面有着巨大的应力前景。而硅纳米线的可控制备是其走向应用的前提条件。各种自上而下和自下而上的技术，如固-液-气(VLS)生长、电化学刻蚀、反应离子刻蚀及金属辅助化学刻蚀等方法都对纳米线的相关参数有一定的控制能力。其中，VLS生长需要预先沉积催化剂颗粒，对催化剂颗粒的尺寸、分布的控制非常困难。电化学刻蚀仅适用于n型硅，且得到的纳米线的尺寸较大。反应离子刻蚀需要结合光刻形成掩模，成本高且效率较低。常规的金属辅助化学刻蚀方法可以对纳米线的掺杂类型与掺杂水平、晶体学取向、纳米线的长度等实现有效的控制，且制备方法简单，成本低。但是要实现对纳米线的直径、位置、面密度等的有效控制，获得直径与长度均一的有序硅纳米线阵列就必须结合模板的使用。
发明内容
本发明结合多孔氧化铝模板与金属辅助化学刻蚀，提出一种有序硅纳米线的制备方法。制备的工艺简单，成本低廉，制备的硅纳米线长度均一，直径与面密度可控，沿长度方向直径一致，排列有序，如附图2所示。
本发明以阳极氧化铝作为模板，所述方法步骤如图1所示；
(1)硅片清洗，去除表面玷污；
(2)在清洗干净的硅片表面沉积一层氧化硅SiO2；
(3)在SiO2表面沉积一层Al膜；
(4)对Al膜进行阳极化，形成多孔氧化铝AAO，并对AAO进行扩孔；
(5)以AAO为掩模，利用等离子体刻蚀在硅表面复制AAO的孔阵结构；
(6)去除硅表面的AAO及SiO2层；
(7)在图形化的硅表面沉积Au膜；
(8)将沉积好Au膜的样品浸入HF+H2O2的水溶液中腐蚀；
(9)对制备好的样品进行清洗、干燥处理。
在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤4阳极电压为40-80V，溶液为质量百分比浓度为5-20％的磷酸(或草酸)，阳极化时间3-10分钟，扩孔溶液为5％磷酸，扩孔时间为20-60分钟，温度为10-25度。
在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤5利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)，气体为Cl2/BCl3，刻蚀时间为4-10分钟。
在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤6采用25％磷酸在温度为50-70度下去除氧化铝模板，并采用2％-10％HF酸去除SiO2层。
在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤7沉积方法为热蒸发、磁控溅射或离子溅射。
在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤8中腐蚀液为2-6M HF加0.1-0.4M H2O2溶液。
在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤9采用稀释的王水去除残留的金，采用超临界干燥，或冷冻干燥、自然干燥方法处理样品。
金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线方法简单，成本低。可以对纳米线的掺杂类型与掺杂水平、晶体学取向、纳米线的长度等实现有效的控制。通过控制阳极化条件控制氧化铝模板中孔的直径、间距及孔密度可以进一步控制硅纳米线的直径、位置及面密度等。本发明所述方法可以制备出大面积有序的垂直排列的硅纳米线阵列，能够有效控制纳米线的取向、掺杂类型及水平、直径、长度、间距、面密度等，并且成本低廉，可以用于基于硅纳米线阵列的器件中。
附图说明
附图1为本发明所述方法的步骤示意图；附图2为采用本发明所述方法制备的大面积有序硅纳米线阵列的扫描电镜照片，插图为剖面电镜照片。
具体实施方式
以下参照附图1详细说明本发明所述方法的具体步骤。
(1)选取合适的硅衬底1，分别用丙酮、乙醇对硅片进行超声处理，去除表面玷污和有机物。进一步采用浓硫酸加双氧水溶液清洗硅片，去离子水冲洗后用稀氢氟酸溶液去除表面氧化物，再用去离子水反复冲洗。
(2)采用等离子体化学气相沉积设备在清洗干净的硅表面沉积一层厚度为20-80nm的氧化硅2。
(3)采用热蒸镀或电子束蒸发方法在氧化硅表面沉积厚度为200-500nm铝膜3，腔体本底真空为2～8×10-4Pa，初始的沉积速度约为0.1nm/s。
(4)采用直流电源对铝膜进行阳极化，获得多孔氧化铝模板4。阳极电压为40-80V，溶液为质量百分比浓度为5-20％的磷酸(或草酸)，阳极化时间3-10分钟，扩孔溶液为5％磷酸，扩孔时间为20-60分钟，温度为10-25度。
(5)利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)，对多孔氧化铝模板进行通孔，去除底部的阻挡层5，并对硅片进行图形化处理，刻蚀气体为Cl2/BCl3，ICP/RF功率为300/100W，腔体气压为50-100mTorr，刻蚀时间为4-10分钟。
(6)采用25％磷酸在温度为50-70度下去除氧化铝模板，并采用2％-10％HF酸去除SiO2层。
(7)采用热蒸发、磁控溅射或离子溅射在图形化的硅表面沉积厚度为20-50nm的金膜或银膜6。
(8)将沉积好金膜(或银膜)的样品浸入2-6M HF加0.1-0.4M H2O2溶液中腐蚀，腐蚀时间为5-80分钟。
(9)采用稀释的王水去除纳米线间的金膜(或采用硝酸溶液去除银)，用去离子水反复冲洗样品，最后采用超临界干燥(或冷冻干燥、自然干燥)处理样品，获得硅纳米线阵列7。
Claims (7)
1.一种有序硅纳米线的制备方法，其特征在于：该方法结合阳极氧化铝模板与金属辅助化学刻蚀，所述方法按如下步骤进行：
(1)硅片依次经丙酮、乙醇超声及酸性清洗液清洗，并以稀氢氟酸溶液去除表面氧化层；
(2)利用等离子体增强化学沉积方法在清洗干净的硅片表面沉积一层20-80nm的SiO2；
(3)采用热蒸发或电子束蒸发在SiO2表面沉积一层厚度为200-500nm的Al膜；
(4)对Al膜进行阳极化，形成多孔氧化铝AAO，并对AAO进行扩孔；
(5)以AAO为掩模，利用等离子体刻蚀在硅表面复制AAO的孔阵结构；
(6)去除硅表面的AAO及SiO2层；
(7)在图形化的硅表面沉积20-50nm厚的Au(或Ag)膜；
(8)将沉积好Au膜的样品浸入HF+H2O2的水溶液中腐蚀5-80分钟。
(9)对制备好的样品进行清洗、干燥处理。
2.根据权利要求1所述的硅纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤4阳极电压为40-80V，溶液为质量百分比浓度为5-20％的磷酸(或草酸)，阳极化时间3-10分钟，扩孔溶液为5％磷酸，扩孔时间为20-60分钟，温度为10-25度。
3.根据权利要求1所述的硅纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤5利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)，气体为Cl2/BCl3，刻蚀时间为4-10分钟。
4.根据权利要求1所述的硅纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤6采用25％磷酸在温度为50-70度下去除氧化铝模板，并采用2％一10％HF酸去除SiO2层。
5.根据权利要求1所述的硅纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤7沉积方法为热蒸发、磁控溅射或离子溅射。
6.根据权利要求1所述的硅纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤8中腐蚀液为2-6M HF加0.1-0.4M H2O2溶液。
7.根据权利要求1所述的硅纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤9采用稀释的王水去除残留的金，采用超临界干燥，或冷冻干燥、自然干燥方法处理样品。
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