CN110528005A - 一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法 - Google Patents

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麦毅
侯高蕾
吴复忠
戴新义
李水娥
谷肄静
陈敬波
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Abstract

本发明公开了一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法。按下述步骤进行：a）硅片的预处理：将硅片依次用硫酸和双氧水的混合液、氢氟酸、乙醇、去离子水超声清洗；b）硅片的刻蚀：将预处理后的硅片用刻蚀液进行加热刻蚀，之后用去离子水超声清洗；所述的刻蚀液是由金属盐、氢氟酸、硝酸、去离子水组成的混合溶液；c）硅片的干燥：将刻蚀后的硅片放入鼓风干燥箱中干燥后再放入真空干燥箱中干燥，得到含有纳米级孔道的多孔硅。本发明的制备方法简单，提供了一种新的金属离子，所制备出的多孔硅具有海绵状结构，孔径较大，多孔分布较均匀。

Description

一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法
技术领域
本发明涉及硅材料处理技术领域，特别是一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法。
背景技术
多孔硅(porous silicon, PSi)是一种具有海绵状、柱状、碗状等结构的多孔材料，其组成元素与原料相同，但其特殊结构使多孔硅呈现出很多独特物理化学性质，在传感器技术、光电子器件、微加工、生物技术等领域得到广泛应用。
目前，多孔硅的制备方法主要有：水热腐蚀法、金属离子辅助法、电化学腐蚀法。与其它相比金属离子辅助法具有步骤简单，易操作，适用于片、粉多种形态的硅材料。但现有可用于刻蚀多孔硅的金属离子有限，并且不同的金属离子刻蚀出的多孔硅孔隙形貌、孔径大小及均匀程度皆存在明显差异，孔隙结构的可控性差，这都会影响多孔硅的使用效果。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法。本发明的制备方法简单，提供了一种新的金属离子，所制备出的多孔硅具有海绵状结构，孔径较大，多孔分布较均匀。
本发明的技术方案：一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法,按下述步骤进行：
a）硅片的预处理：将硅片依次用硫酸和双氧水的混合液、氢氟酸、乙醇、去离子水超声清洗；
b）硅片的刻蚀：将预处理后的硅片用刻蚀液进行加热刻蚀，之后用去离子水超声清洗；所述的刻蚀液是由金属盐、氢氟酸、硝酸、去离子水组成的混合溶液；
c）硅片的干燥：将刻蚀后的硅片放入鼓风干燥箱中干燥后再放入真空干燥箱中干燥，得到含有纳米级孔道的多孔硅。
前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法所述的步骤a）中，所述的硅片为单晶硅片。
前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法所述的步骤a）中，所述的硫酸浓度为：0.5～10mol/L，双氧水质量分数为：25％～80％，氢氟酸浓度为：0.5～15 mol/L，乙醇的质量分数为：50％～100％。
进一步优化，前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法所述的步骤a）中，所述的硫酸浓度为：1～3mol/L，双氧水质量分数为：25％～40％，氢氟酸浓度为：2～6 mol/L，乙醇的质量分数为：70％～98％。
前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法所述的步骤b）中，所述的金属盐为硝酸铋。
前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法的步骤b）所述的刻蚀液中，金属盐浓度为：0.001～1mol/L，氢氟酸浓度为：0.5～15 mol/L，硝酸浓度为：10～15 mol/L。
进一步优化，前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法的步骤b）所述的刻蚀液中，金属盐浓度为：0.01～0.5 mol/L，氢氟酸浓度为：1～6mol/L。
前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法所述的步骤b）中，所述的加热刻蚀具体是：将预处理后的硅片倒入盛有刻蚀液的容器中，再将容器放入油浴锅加热至70℃～200℃后保温0.5h～5h。
前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法所述的步骤c）中，所述鼓风干燥箱干燥温度为50～200℃，干燥时间为：1～10h；所述真空干燥箱干燥温度为50～200℃，干燥时间为：2～20h，干燥箱压力为：0.075～0.085MPa。
进一步优化，前述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法所述的步骤c）中，所述鼓风干燥箱干燥温度为80～120℃，干燥时间为：1～5h；所述的真空干燥箱干燥温度为60～100℃，干燥时间为：5～15h。
有益效果
与现有技术相比，本发明取金属盐、氢氟酸、硝酸、去离子水组成的刻蚀液，利用铋离子作为新型辅助剂，得到了与现有金属离子辅助剂不同形貌、孔径的多孔硅。本发明方法采用一步反应法，利用油浴加热提高了反应速度，得到的多孔硅具有海绵状结构，孔隙均匀，孔径较大（参见图1和图2）。本发明采有新的金属离子辅助剂，具有步骤简单，反应时间段，成本较低，为材料提供了新的结构利用空间。
附图说明
图1是本发明制备的多孔硅的扫描电镜（SEM）图像，其中放大倍数为×5k；
图2是本发明制备的多孔硅的扫描电镜（SEM）图像，其中放大倍数为×10k。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法,按下述步骤进行：
a）硅片的预处理：将单晶硅片分别用1mol/L H2SO4与30％ H2O2的混合溶液、5mol/L的HF溶液、99.7％无水乙醇溶液以及去离子水各超声清洗30min，之后放入真空干燥箱中烘干；
b）硅片的刻蚀：将预处理的硅片倒入含有5mol/L的HF、0.03mol/L的Bi(NO3)3、14 mol/L 的HNO3腐蚀液的烧杯中，利用油浴锅加热至80℃保温2h，之后用去离子水将刻蚀好的硅片放入超声清洗仪中清洗30min；
c）硅片的干燥：将清洗后的硅片放入100℃的鼓风干燥箱中干燥1.5h后，放入70℃的真空干燥箱中，将真空干燥箱压力抽至0.08MPa，干燥10h得到多孔硅。
实施例2。一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法,按下述步骤进行：
a）硅片的预处理：将单晶硅片分别用1mol/L的H2SO4与30％ H2O2的混合溶液、5mol/L的HF溶液、99.7％无水乙醇溶液以及去离子水中各超声清洗30min，放入真空干燥箱中烘干；
b）硅片的刻蚀：将预处理的硅片倒入含有5mol/L的HF、0.01mol/L的Bi(NO3)3、14 mol/L的HNO3腐蚀液的烧杯中，利用油浴锅加热至200℃保温2h，用去离子水将刻蚀好的硅片放入超声清洗仪中清洗30min；
c）硅片的干燥：将清洗后的硅片放入100℃的鼓风干燥箱中干燥1.5h后，放入70℃的真空干燥箱中。将真空干燥箱压力抽至0.08MPa，干燥10h得到多孔硅。
实施例3。一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法,按下述步骤进行：
a）硅片的预处理：将单晶硅片分别用1mol/L的H2SO4与30％的H2O2的混合溶液、5mol/L的HF溶液、99.7％无水乙醇溶液以及去离子水中各超声清洗30min，放入真空干燥箱中烘干；
b）硅片的刻蚀：将预处理的硅片倒入含有1mol/L的HF、0.03mol/L的Bi(NO3)3、14 mol/L的HNO3腐蚀液的烧杯中，利用油浴锅加热至80℃保温2h，用去离子水将刻蚀好的硅片放入超声清洗仪中清洗30min；
c）硅片的干燥：将清洗后的硅片放入100℃的鼓风干燥箱中干燥1.5h后，放入70℃的真空干燥箱中。将真空干燥箱压力抽至0.08MPa，干燥10h得到多孔硅。
实施例4。一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法,按下述步骤进行：
a）硅片的预处理：将单晶硅片分别用1mol/L的H2SO4与30％的H2O2的混合溶液、5mol/L的HF溶液、99.7％无水乙醇溶液以及去离子水中各超声清洗30min，放入真空干燥箱中烘干；
b）硅片的刻蚀：将预处理的硅片倒入含有6mol/L的HF、0.1mol/L的Bi(NO3)3、14 mol/L的HNO3腐蚀液的烧杯中，利用油浴锅加热至80℃保温2h，用去离子水将刻蚀好的硅片放入超声清洗仪中清洗30min；
c）硅片的干燥：将清洗后的硅片放入100℃的鼓风干燥箱中干燥1.5h后，放入70℃的真空干燥箱中。将真空干燥箱压力抽至0.08MPa，干燥10h得到多孔硅。

Claims (10)

1.一种金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：
a）硅片的预处理：将硅片依次用硫酸和双氧水的混合液、氢氟酸、乙醇、去离子水超声清洗；
b）硅片的刻蚀：将预处理后的硅片用刻蚀液进行加热刻蚀，之后用去离子水超声清洗；所述的刻蚀液是由金属盐、氢氟酸、硝酸、去离子水组成的混合溶液；
c）硅片的干燥：将刻蚀后的硅片放入鼓风干燥箱中干燥后再放入真空干燥箱中干燥，得到含有纳米级孔道的多孔硅。
2.根据权利要求1所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤a）中，所述的硅片为单晶硅片。
3.根据权利要求1所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤a）中，所述的硫酸浓度为：0.5～10mol/L，双氧水质量分数为：25％～80％，氢氟酸浓度为：0.5～15 mol/L，乙醇的质量分数为：50％～100％。
4.根据权利要求3所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤a）中，所述的硫酸浓度为：1～3mol/L，双氧水质量分数为：25％～40％，氢氟酸浓度为：2～6mol/L，乙醇的质量分数为：70％～98％。
5.根据权利要求1所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤b）中，所述的金属盐为硝酸铋。
6.根据权利要求1所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤b）所述的刻蚀液中，金属盐浓度为：0.001～1mol/L，氢氟酸浓度为：0.5～15 mol/L，硝酸浓度为：10～15 mol/L。
7.根据权利要求6所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤b）所述的刻蚀液中，金属盐浓度为：0.01～0.5 mol/L，氢氟酸浓度为：1～6mol/L。
8.根据权利要求1所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤b）中，所述的加热刻蚀具体是：将预处理后的硅片倒入盛有刻蚀液的容器中，再将容器放入油浴锅加热至70℃～200℃后保温0.5h～5h。
9.根据权利要求1所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤c）中，所述鼓风干燥箱干燥温度为50～200℃，干燥时间为：1～10h；所述真空干燥箱干燥温度为50～200℃，干燥时间为：2～20h，干燥箱压力为：0.075～0.085MPa。
10.根据权利要求9所述的金属离子辅助刻蚀多孔硅的制备方法，其特征在于，步骤c）中，所述鼓风干燥箱干燥温度为80～120℃，干燥时间为：1～5h；所述的真空干燥箱干燥温度为60～100℃，干燥时间为：5～15h。
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