CN106449486B - 一种制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硅表面加工技术领域，具体涉及一种制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置。本发明电磁耦合装置包括：反应釜、电源；反应釜包括筒状的衔铁，衔铁的上口、下口分别由顶盖、底盖封住，衔铁的内壁安装有对称的两石墨电极，两侧石墨电极的相对面相平行；衔铁外壁缠绕有漆包线绕线组；衔铁内安装托架，托架用于安放硅片，硅片处于两石墨电极之间且与两石墨电极的相对面相平行，硅片将反应釜分隔成两个腔室；电源的一正负极分别与两石墨电极板电连接，电源的另一正负极还与漆包线绕线组两端电连接。本发明制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置具有操作简单、智能化程度高、生产效率高等特点，适合大规模产业化应用。

Description

一种制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置
技术领域
本发明属于硅表面加工技术领域，具体涉及一种制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置。
背景技术
硅纳米结构在太阳能电池、微电子、传感器以及光电子等领域具有广泛的应用。目前制备硅纳米结构的方法包括湿法刻蚀与干法刻蚀。相对于干法刻蚀而言，湿法刻蚀操作更简单，成本更低，更有利于产业化发展。而贵金属催化化学腐蚀作为湿法刻蚀中的一种，自然也备受关注。但是金属催化化学腐蚀由于受到硅自身晶向力的影响，金属粒子的运动轨迹具有随机性，无法控制蚀刻方向从而制备出复杂地硅纳米结构。
发明内容
针对上述刻蚀技术存在的问题，本发明提供了一种制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置，利用电磁场耦合原理来控制金属粒子的运动轨迹从而有效地控制硅表面纳米结构，具有提高制备效率、成本低、实际应用性强的特点。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置，包括：反应釜（8）、电源（3）；反应釜（8）包括筒状的衔铁（10），衔铁（10）的上口、下口分别由顶盖、底盖封住，衔铁（10）的内壁安装有对称的两石墨电极（9），两侧石墨电极（9）的相对面相平行；衔铁（10）外壁缠绕有漆包线绕线组（11）；衔铁内安装托架（14），托架用于安放硅片（13），硅片（13）处于两石墨电极（9）之间且与两石墨电极（9）的相对面相平行，硅片（13）将反应釜（8）分隔成两个腔室；电源（3）的正负极分别与两石墨电极板（9）电连接，电源（3）的正负极还与漆包线绕线组（11）两端电连接。
作为优选，于反应釜外部设置一盛放蚀刻液的容器（5），反应釜内的两个腔体通过管道（15）与容器连通，其中，管道（15）包括与反应釜（8）连通的两根支管及一根连通两支管与容器（5）的主管。
作为优选，管道（15）的主管上装有电磁阀（7）及泵（16），所述泵由电机（6）驱动。
作为优选，电机（6）与控制单元（4）电连接。
作为优选，控制单元（4）与电源（3）、电磁阀（7）电连接。
作为优选，控制单元（4）与两个液位传感器（1）电连接，两个液位传感器（1）分别位于反应釜（8）的两个腔室内。
作为优选，反应釜（8）的底盖设有两废液排出口（12），两个废液排出口（12）分别对应于反应釜（8）的两腔室，其中废液排出口处安装有阀门。
作为优选，电源（3）设有两个电源即第一电源（3A）、第二电源（3B），第一电源（3A）的正负极分别与两石墨电极板（9）电连接，第二电源（3B）的正负极与线组（11）的两端电连接，第二电源（3B）的正极与线组11电连接的回路中还串接有防过载电阻（2）。
作为优选，衔铁（10）内装有卡槽（17），卡槽（17）用于放置托架（14）。
作为优选，盛放蚀刻液的容器（5）中蚀刻液的组成为氢氟酸与双氧水的混合溶液。
本发明操作步骤如下：
步骤一：放置硅片。将预先镀银的硅片放置在反应釜指定位置。硅片先放置在硅片托架上，再将硅片托架安放在反应釜卡槽上。利用硅片托架是为了使硅片能够完全的隔绝反应釜左右两个腔室，提高反应釜的密封性。
步骤二：向反应釜输蚀刻溶液。将事先混合好的蚀刻溶液放置在蚀刻溶液槽内，通过电动机带动泵将蚀刻溶液输进反应釜左右腔室。下面详细介绍进料过程：首先，在控制单元内设定特定液位；然后通过控制单元打开电磁阀、开启电机；再打开液位传感器。当反应釜内的混合液液面达到预设液位，液位传感器传输某一特定信号到控制单元，控制单元关闭电机、电磁阀，向反应釜输蚀刻溶液结束。
步骤三：电场、磁场作用下制备硅纳米结构。其中，电场是由一对通电的石墨电极形成，磁场是由衔铁、漆包线、防短路电阻、圆柱形反应釜、直流电源形成。在化学溶液中发生电荷的置换反应，贵金属在该反应中是起着催化剂的作用加快蚀刻速率，贵金属运动轨迹即为表面微纳米结构成型轨迹。在电荷转移的过程中，贵金属在氧化剂和还原剂中间，由于电荷的移动贵金属表面会聚集大量的移动电子从而使贵金属表面带电性，如图2所示。具有电性的贵金属颗粒在电场的作用下受到某一方向的力，贵金属将沿着这一方向运动，进而在该方向进行蚀刻加工，此时贵金属有了一初始速度，在磁场作用下带电粒子由于洛伦兹力作用改变运动轨迹，进而改变单晶硅表面的形貌结构。在电场和磁场作用下，带电性的贵金属粒子会受到电场力和洛伦兹力的共同作用。由力的合成理论可知，贵金属粒子将受到沿某一方向的合力作用并且沿该方向运动，如图2所示。
电场、磁场电流大小和二者电源开启的时间都可由控制单元调控。控制单元控制电源总成首先开启与电场相连的电源，开启某一特定时间后，再开启与磁场相连的电源。例如，在控制单元设定3A电源直流电流大小为50mA，B电源直流电流大小为100mA，设置3A、3B电源开启时间分别为60min、59min。先开启电场的3A电源1min后再开启磁场的3B电源。待达到设定时间后，控制单元使3A、3B电源断电。
步骤四：排出废液。打开反应釜底部的阀门就可以直接排出反应过的废液。
本发明利用带电粒子在电场中受电场力，在磁场中受洛伦兹力的特点，创造性的引入磁场和电场来加工硅表面的概念。
在本发明的优选方案中，可以通过控制单元来设定特定电磁场参数，结合化学腐蚀过程即可制得具有可控性的硅表面纳米结构。
本发明制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置具有操作简单、智能化程度高、生产效率高等特点，适合大规模产业化应用。
附图说明
图1是制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置的结构示意图。
图2是贵金属带电示意图。
图3是带电贵金属在电磁场下的受力简图。
图4是电磁耦合装置作用下的硅表面形貌结构的扫描电镜图。
图中，1-液位传感器、2-防过载电阻、3-电源、4-控制单元、5-容器、6-电机、7-电磁阀、8-反应釜、9-石墨电极、10-衔铁、11-漆包线绕线组、12-废液排出口、13-硅片、14-托架，15-管道、16-泵、17-卡槽。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置包括盛放蚀刻液容器5、反应釜8、电源3，管道15包括两个支管和一个总管，总管与两支管连通，容器5通过总管以及两支管连通反应釜8，管道15的总管上装配有电磁阀7和泵16，泵16由电机6驱动。
控制单元4与电机6、电磁阀7、电源3和液位传感器1电连接。
反应釜8包括筒状衔铁10，衔铁10的上下口各有盖子封住。筒状衔铁10具有内部容纳区，其外壁缠绕有漆包线绕线组11，内壁安装有对称的两块石墨电极9，两块石墨电极9的相对面相平行。
衔铁10的内壁安装有两卡槽17，两卡槽17间安装托架14，托架14用于安放硅片13，硅片13将衔铁10的内部容纳区分为两个隔离的腔室，每个腔室各安装有一个液位传感器1；且两腔室分别通入前述管道15的一支管。
衔铁10底盖开有两个废液排出口12，两个废液排出口12对应于衔铁10内部的两个腔室。
电源3包括电源3A、电源3B，电源3A的正负极分别与两石墨电极9电连接；电源3B的正负极分别与漆包线绕线组11的两端电连接，且电源3B的正极与漆包线绕线组11的连接导线上设有防过载电阻2。
将预先镀银的硅片13放置在硅片托架14上，再将安有硅片13的托架14放到反应釜8的卡槽17上。在控制单元4上设置反应釜8的液面参数t，通过控制单元4打开电磁阀7以及电机6，将容器5中的蚀刻液通过泵16输送到反应釜8的两个腔室中。其中，蚀刻液由氢氟酸和双氧水溶液混合而成。当蚀刻液液面达到设定位置时，液位传感器1发出反馈信号到控制单元4，控制单元4发出关闭电机6、电磁阀7的指令。控制单元4控制与电磁场相连的电源3，设置开启时间分别为60min、90min。在控制单元4上设定与电场相连的3A电源直流电流大小为50mA，与磁场相连的3B电源直流电流大小为100mA。先开启3A电源1min后再开启3B电源。待达到设定时间后，控制单元4发出切断电场、磁场电源的指令。最后打开废液排出口12的阀门，排出废液，完成蚀刻过程。
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于：电源3的开启时间分别为30min、60min。在控制单元4上设定与电场相连的3A电源直流电流大小为50mA，与磁场相连的3B电源直流电流大小为80mA。先开启3A电源1min后再开启3B电源。
其它内容参照实施例1。
实施例3：
本实施例与实施例1的不同之处在于：电源3的开启时间分别为30min、60min。在控制单元4上设定与电场相连的3A电源直流电流大小恒为50mA，与磁场相连的3B电源直流电流大小为20、40、80mA。先开启3A电源1min后再开启3B电源。其中，3B电源前20min之内输出的直流电流大小为20mA，20~40min之间输出的直流电流大小为40mA，40~60min之间输出的直流电流大小为80mA。
其它内容参照实施例1。
实施例4：
本实施例与实施例1的不同之处在于：电源3A的开启时间为60min，在控制单元上设定与电场相连的3A电源直流电流大小为50mA，与磁场相连的3B电源一直未开启。
其它内容参照实施例1。
实施例5：
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例制备可控硅表面纳米结构的装置中不含控制单元、管道、电机、泵、电磁阀、液位传感器等，而是将容器中的蚀刻液直接倒进反应釜中，开启电源后进行硅表面纳米化过程。
其它内容参照实施例1。
本发明属于硅表面加工领域，具体涉及一种制备可控加工的硅表面纳米结构的装置。本发明在贵金属辅助化学蚀刻制备硅纳米结构的过程中引入电场与磁场技术，通过控制电磁场的大小来改变贵金属的运动轨迹进而得到结构可控的硅纳米结构。本发明操作简单、系统装置结构紧凑，能够制备出复杂的硅纳米结构并且效率高，便于工业化应用。

Claims (8)

1.一种制备可控硅表面纳米结构的电磁耦合装置，其特征是包括：反应釜(8)、电源(3)，反应釜(8)包括筒状的衔铁(10)，衔铁(10)的上口、下口分别由顶盖、底盖封住，衔铁(10)的内壁安装有对称的两石墨电极(9)，两石墨电极(9)的相对面相平行；衔铁(10)外壁缠绕有线组(11)；衔铁内安装托架(14)，托架用于安放硅片(13)，硅片(13)处于两石墨电极(9)之间且与两石墨电极(9)的相对面相平行，硅片(13)将反应釜(8)分隔成两个腔室；电源(3)的正负极分别与两石墨电极板(9)电连接，电源(3)的正负极还与线组(11)两端电连接；
设一盛放蚀刻液的容器(5)，反应釜内的两个腔体通过管道(15)与容器(5)连通，其中，管道(15)包括与反应釜(8)连通的两根支管及一根连通两支管与容器(5)的主管；
所述容器(5)中蚀刻液的组成为氢氟酸与双氧水的混合溶液。
2.如权利要求1所述的电磁耦合装置，其特征在于，管道(15)的主管上装有电磁阀(7)及泵(16)，所述的泵由电机(6)驱动。
3.如权利要求2所述的电磁耦合装置，其特征在于，电机(6)与一控制单元(4)电连接。
4.如权利要求3所述的电磁耦合装置，其特征在于，所述的控制单元(4)与电源(3)、电磁阀(7)电连接。
5.如权利要求3所述的电磁耦合装置，其特征在于，控制单元(4)与两个液位传感器(1)电连接，两个液位传感器(1)分别对应于反应釜(8)的两个腔室。
6.如权利要求1-5任一项所述的电磁耦合装置，其特征在于，反应釜(8)的底盖设有两废液排出口(12)，两个废液排出口(12)分别对应于反应釜(8)的两腔室；所述的废液排出口处安装有阀门。
7.如权利要求1所述的电磁耦合装置，其特征在于，所述的电源(3)设有两个即第一电源(3A)、第二电源(3B)，第一电源(3A)的正负极分别与两石墨电极板(9)电连接，第二电源(3B)的正负极与线组(11)的两端电连接，第二电源的正极与线组(11)电连接的回路中还串接有防过载电阻(2)。
8.如权利要求1所述的电磁耦合装置，其特征在于，衔铁(10)内装有卡槽(17)，卡槽(17)用于放置所述的托架(14)。
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