CN103966662B - 一种在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，包括锌蒸气制备、锌蒸气输运和氧化锌合成沉积步骤，锌蒸气输运步骤中，锌蒸气与硅电极生长面接触时速度方向与硅电极生长面呈85-95°夹角。特别的，锌蒸气的速度方向与重力方向呈0-5°夹角。本发明锌蒸气与硅电极接触时速度方向与硅电极生长面呈85-95°夹角，锌蒸气首先在棱边处与氧气反应结晶生成氧化锌纳米点，该纳米点择优生长，最终形成横向生长的氧化锌纳米线。本发明无需在表面预先蒸镀金属催化剂，具有工序节约，无杂质的优点；本发明的制造方法还能在硅电极上单独制得横向生长的氧化锌纳米线。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制造领域，涉及一种利用化学气相沉积法在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法。
背景技术
文献[M.S.Islametal,Nanotechnology,2004,15,L5]中公开了一种利用金作为催化剂高温CVD法制备横向纳米线电路的方法，该方法得到的纳米线沿着横向生长桥接两个电极，图1为该方法所得产品的示意图。
该方法需要在电极表面镀一层金膜作为催化剂，金膜的引入不仅使工艺复杂化还容易引入金属杂质，而且在该方法在电极表面和横向都会生长纳米线。
文献[JohnF.Conleyetal,AppliedPhysicsLetters,2005,87,223114]公开了一种首先在硅电极上镀一层氧化锌薄膜，然后用高温化学气相沉积制备横向纳米线电路的方法，该方法得到的纳米线沿着横向生长，桥接两个电极。
该方法需要先在电极表面镀一层氧化锌薄膜种子层，然后在种子层上生长纳米线，工艺过程复杂，而且电极表面和横向都会生长纳米线，进一步加工前需要清除表面纳米线。
[JongSooLeeetal,NanoLett.,2006,Vol.6(7)1487-1490]进一步开发了一种不用金膜和氧化锌薄膜作为催化剂的直接生长水平氧化锌纳米线桥接刻蚀的硅电极的方法。该方法把衬底硅放置在反应物旁边位置，利用高温CVD方法，在两个相邻的硅电极间制备横向氧化锌纳米线电路的方法，使纳米线横向生长，桥接两个电极。
该方法虽然没有镀氧化锌薄膜种子层步骤，但是在制备过程中，仍然会首先在硅电极表面形成一层氧化锌薄膜，具有与[JohnF.Conleyetal,AppliedPhysicsLetters,2005,87,223114]相同的缺陷——电极表面和横向都会生长纳米线。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无需引入催化剂，在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，包括锌蒸气制备、锌蒸气输运和氧化锌合成沉积步骤，所述硅电极生长面具有棱边，所述锌蒸气输运步骤中，锌蒸气与硅电极生长面接触时速度方向与硅电极生长面呈85-95°夹角。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的优选，所用载流气体为氮气，反应气体为氧气和锌蒸气。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的另一种优选，所述氮气的流速为80-100sccm。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的进一步优选，所述氧气的流速为1.0-2.0sccm。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的进一步优选，所述锌蒸气由氧化锌颗粒和石墨在900-970℃反应制得。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的进一步优选，所述氧化锌由氧气和锌蒸气反应制得，反应压力为270-330毫巴，反应温度为900-970℃。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的进一步优选，锌蒸气与硅电极生长面接触时的速度方向与重力方向呈0-5°夹角。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的进一步优选，硅电极生长面向下，放置在氧化锌颗粒和石墨正上方1-15mm处。
作为本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法的进一步优选，纳米线生长时间为30-35min。
本发明的有益效果在于：本发明化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法中锌蒸气与硅电极接触时速度方向与硅电极生长面呈85-95°夹角：锌蒸气与硅电极接触后流动方向改为平行于硅电极生长面；当锌蒸气到达生长面边缘棱边时，由于棱边处化学结合能高，部分锌蒸气在棱边聚集并与氧气反应结晶形成氧化锌纳米点；此时剩余锌蒸气流速方向为平行于生长面方向，这使得棱角处的氧化锌纳米点在生长面所在平面内向外择优生长，最终形成横向生长的氧化锌纳米线。本发明进一步公开了化学气相沉积过程中的原材料以及工艺参数，本领域技术人员应当理解，这些技术参数对最终的制得符合标准氧化锌纳米线至关重要。本发明在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法进一步公开了硅电极放置在反应物正上方，其生长面向下面对反应物(ZnO与石墨的混合物)，此时锌蒸气与硅电极表面接触时的速度方向与重力方向呈0-5°夹角；此时锌蒸气在硅电极生长面棱角处浓度梯度最高，由于硅电极生长面没有引入催化剂，从而避免了除棱角外硅电极其他表面也生长氧化锌纳米线的问题。
综上所述，本发明的化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法无需引入催化剂，具有工序节约，无杂质引入的优点；进一步的，本发明的制造方法还能在硅电极上单独制得横向生长纳米线。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为文献[M.S.Islametal,Nanotechnology,2004,15,L5]的方法所得产品结构示意图；
图2为实施例1化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线方法示意图。
图3为实施例2化学气相沉积在刻蚀的硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线方法示意图。
图4为实施例2生长氧化锌纳米线的扫描电镜图像。
具体实施方式
本专利全文中下列词语的含义如下：
横向生长：生长方向与生长面呈0-5°夹角且生长方向指向生长面外；
生长面：边缘棱边处生长有氧化锌纳米线且与氧化锌纳米线呈0-5°夹角的面；
棱边：特指硅电极生长面与其他面的结合边。
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1:
图2为本实施例在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线方法的示意图。
本实施例化学气相沉积采用如图2a所示高温管式真空炉，包括Al2O3管和位于该管道内的舟状原材料容器；所述Al2O3管一端设有气体入口，另一端设有气体出口，管道本体设有用于加热或保温的电线圈；所述舟状原材料容器底部装有原材料，顶部放置着表面向下的没有镀金属催化剂薄膜的硅衬底。
使用时，首先对Al2O3管抽真空，然后用电线圈加热Al2O3管至950-970℃并保温，原材料在高温环境发生反应，最后向Al2O3管内通入载流气体和反应气体，原材料反应产物和反应气体发生反应，在硅电极上生长出横向纳米线；通入载流气体和反应气体的同时打开气体出口，排出反应尾气。
本实施例中，放置于舟状原材料容器内的原材料为ZnO粉和石墨粉，两者质量比为1:1；
本实施例中，纳米线生长过程中气压为300毫巴；
本实施例中，所通入的载流气体为N2，其流度为100sccm；
本实施例中，所通入的反应气体为O2，其流度为1.5sccm；
本实施例中，纳米线生长时间为30min；
本实施例中，纳米线生长完成后，真空管式炉自然降温。
本实施例中，锌蒸气与硅电极生长面接触时速度方向与硅电极生长面呈85-95°夹角；
本实施例中，硅衬底以舟容器边缘为支撑放置在原材料正上方，并保持5mm距离。
作为本实施例的改进，锌蒸气与硅电极生长面接触时的速度方向与重力方向呈0-5°夹角。
作为本实施例的进一步改进，锌蒸气与硅电极生长面接触时的速度方向与重力方向呈0-1°夹角。
图2b和图2c为氧化锌纳米线的生长过程示意图，ZnO粉和石墨粉在900-970℃反应生成Zn蒸气，Zn蒸气受热上涌，在到达硅电极生长面后流动受阻，方向改为平行于硅电极生长面；当锌蒸气到达生长面边缘棱边时，由于棱边处化学结合能高，部分锌蒸气在棱边聚集并与氧气反应生成氧化锌纳米点；此时剩余锌蒸气流速为水平方向，这使得棱角处的氧化锌纳米点在生长面所在平面内向外择优生长，最终达到在棱角处横向生长氧化锌纳米线的目的。
实施例2:
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所用硅电极的生长面刻蚀有微米电极。
图3a为本实施例氧化锌纳米线的生长过程示意图，图3b为图3a中舟状原材料容器、硅电极衬底和纳米线的放大图，本实施例纳米线生长过程与实施例1的区别在于，本实施例所用硅电极刻蚀有微米电极，其生长面上有多个棱边，Zn蒸气在各棱边聚集并与氧气反应结晶成核为氧化锌纳米点；这些氧化锌纳米点在生长面内沿着垂直于棱角方向择优生长，形成横向的氧化锌纳米线。
图4为实施例2生长氧化锌纳米线的扫描电镜图像，图中黑色宽条为刻蚀的微米电极，白色细线为氧化锌纳米线，白色细线端部白点为初始氧化锌纳米点；从图中可以看出，所有初始氧化锌纳米点均位于电极的两棱角边沿处，这说明氧化锌纳线条均自电极棱角处生长；图中绝大多数白色细线均位于沿着硅电极生长面向外生长，说明实施例2的氧化锌纳米线沿着横向生长。
需要说明的，当Al2O3管温度为900-970℃，纳米线生长过程中气压为270-330毫巴；载流气体N2流度为80-100sccm，反应气体O2流度为1.0-2.0sccm；生长时间为30-35min，硅电极生长面与原材料(氧化锌颗粒和石墨)距离为1-15mm时均能实现本发明的目的。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，包括锌蒸气制备、锌蒸气输运和氧化锌合成沉积步骤，其特征在于：所述硅电极生长面具有棱边，锌蒸气输运步骤中，锌蒸气与硅电极生长面接触时速度方向与硅电极生长面呈85-95°夹角。
2.根据权利要求1所述化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，其特征在于：所用载流气体为氮气，反应气体为氧气和锌蒸气。
3.根据权利要求2所述化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，其特征在于：所述氮气的流速为80-100sccm。
4.根据权利要求2所述化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，其特征在于：所述氧气的流速为1.0-2.0sccm。
5.根据权利要求1所述化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，其特征在于：所述锌蒸气由氧化锌颗粒和石墨在900-970℃反应制得。
6.根据权利要求1所述化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，其特征在于：所述氧化锌由氧气和锌蒸气反应制得，反应压力为270-330毫巴，反应温度为900-970℃。
7.根据权利要求1-6任意一项所述化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，其特征在于：锌蒸气与硅电极生长面接触时的速度方向与重力方向呈0-5°夹角。
8.根据权利要求7所述化学气相沉积在硅电极上定位横向生长氧化锌纳米线的方法，其特征在于：硅电极生长面向下，放置在氧化锌颗粒和石墨正上方1-15mm处。
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