CN1808688A - 大面积制备二氧化硅或者硅纳米线的控制生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种大面积制备二氧化硅或者硅纳米线的控制生长方法，包括如下步骤：步骤1：在单晶硅片衬底上用物理气相沉积法、磁控溅射法或者化学气相沉积法沉积一层非晶态薄膜；步骤2：然后在密闭石英管反应腔内充入流动的N2、Ar、或者N2和H2、Ar和H2混合气体作为保护气体；步骤3：直接退火沉积有非晶态薄膜的单晶硅片，在硅衬底上长出大面积的二氧化硅/硅纳米线；步骤4：用光刻工艺和湿法刻蚀在沉积的非晶态氧化硅薄膜上，开出数微米宽的沟槽，露出单晶硅衬底；步骤5：然后在密闭石英管反应室内充入流动的保护气体，在单晶硅衬底上垂直沟槽方向有序生长出大面积的二氧化硅/硅纳米线。
Description
技术领域
本发明涉及一种低维纳米材料的制备方法，特别涉及一种大面积制备二氧化硅或者硅纳米线及其控制生长的方法，属于纳米材料制备与应用技术领域。
背景技术
硅材料在传统微电子行业占据着举足轻重的地位，硅纳米线作为硅的一维纳米结构，因其能带结构、光学和电子输运特性，在纳(光)电子器件、互联线、传感器件方面有很大的应用前景而成为一大研究热点。非晶态的二氧化硅纳米线因其在室温观察到强的蓝光，在集成光电纳米器件领域也可得到广泛应用，同样备受关注。二氧化硅纳米线可以经过氧化硅纳米线，或者在制备硅纳米线过程中采用低的真空度得到，所以硅纳米线和二氧化硅纳米线的制备方法类似。常规制备硅/二氧化硅纳米线的方法分为自上而下的模板法，如光刻模板法[参见中国专申请号03141848.1，公开号CN 1474434A]和自下而上的自组装法，如金属催化VLS(Vapor-liquid-solid)机制[参见中国专利申请号02104179.2，公开号CN1382626A]。最近提出的氧化物辅助生长OAG(Oxide-assisted growth)自组装机制是采用高温蒸发或者脉冲激烧蚀SiO2和Si混合粉末或者SiO高纯粉末，从腔壁或者衬底上收集硅/二氧化硅纳米线的一种简单方法[参见R.Q.Zhang，Y.Lifshitz and S.T.Lee，Adv.Mater.，15，635(2003)]，优点是避免采用金属或金属化合物作为催化剂，但与硅平面技术工艺不兼容。
纳米线的可控生长是实现纳米(光)电器件的必要条件。目前纳米线的有序制备和可控生长主要有光刻模板法[参见中国专申请号03141848.1，公开号CN 1474434A]和氧化铝模板法[参见中国专申请号01113646.4，公开号CN 1323051A]。前者对加工设备要求严格，生成产量低，成本高；后者制备过程复杂，操作不易掌握。
发明内容
本发明的目的是提供大面积制备二氧化硅或者硅纳米线的控制生长方法，具有工艺和设备简单、热处理温度低，原位生长，可控掺杂P型或N型，与硅集成工艺兼容等优点。
本发明一种大面积制备二氧化硅或者硅纳米线的控制生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在单晶硅片衬底上用物理气相沉积法、磁控溅射法或者化学气相沉积法沉积一层非晶态薄膜；
步骤2：然后在密闭石英管反应腔内充入流动的N2、Ar、或者N2和H2、Ar和H2混合气体作为保护气体；
步骤3：直接退火沉积有非晶态薄膜的单晶硅片，在硅衬底上长出大面积的二氧化硅/硅纳米线；
步骤4：用光刻工艺和湿法刻蚀在沉积的非晶态氧化硅薄膜上，开出数微米宽的沟槽，露出单晶硅衬底；
步骤5：然后在密闭石英管反应室内充入流动的保护气体，在单晶硅衬底上垂直沟槽方向有序生长出大面积的二氧化硅/硅纳米线。
其中非晶态薄膜的厚度为10～600nm，非晶态薄膜是SiOx其中0＜X≤2的材料。
其中保护气体的流量为50～500sccm。
其中的退火温度在1000～1300℃温度下，时间为1～5hrs。
其中在单晶硅衬底上长出的大面积的二氧化硅/硅纳米线的尺寸为10mm×10mm，其纳米线的直径在20～100nm，长度超过100μm。
其中生长硅纳米线时，反应室真空保持在200～500Torr。
本发明的有益效果在于：
1.不需要金属或金属化合物作催化剂，所得产物具有很高纯度；
2.原位生长，与硅集成工艺兼容；
3.控制纳米线生长的方法产量高，成本低，操作简单。
另外，在沉积非晶态SiOx薄膜中可掺入B或者P等元素，实现大面积的P型或N型二氧化硅/硅纳米线的制备，在微电子和纳电子领域有很重要应用前景。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的大面积二氧化硅纳米线扫描电镜图象。
图3为本发明的控制大面积二氧化硅纳米线生长的扫描电镜图象。
具体实施方案
下面结合实施例对本发明作进一步说明
本发明是将沉积非晶态SiOx(0＜X≤2)薄膜的单晶硅置于充有流动保护气体的封闭石英管反应室，在1000～1300℃温度下退火1～5hrs。制备硅纳米线时要求密闭石英管反应室抽真空，退火过程中，反应室真空保持在200～500Torr。控制二氧化硅/硅纳米线生长时要在非晶态SiOx(0＜X≤2)薄膜上用光刻工艺和湿法刻蚀开出沟槽，然后退火。纳米线的尺寸和生长的面积由退火时间和温度控制。
请参阅图1，图1为本发明的流程图，本发明一种大面积制备二氧化硅或者硅纳米线的控制生长方法，包括如下步骤：
步骤1：在单晶硅片衬底上用物理气相沉积法、磁控溅射法或者化学气相沉积法沉积一层非晶态薄膜，该非晶态薄膜的厚度为10～600nm，非晶态薄膜是SiOx其中0＜X≤2的材料；
步骤2：然后在密闭石英管反应腔内充入流动的N2、Ar、或者N2和H2、Ar和H2混合气体作为保护气体，该保护气体的流量为50～500sccm；
步骤3：直接退火沉积有非晶态薄膜的单晶硅片，在硅衬底上长出大面积的二氧化硅/硅纳米线，该退火温度在1000～1300℃温度下，时间为1～5hrs；
步骤4：用光刻工艺和湿法刻蚀在沉积的非晶态氧化硅薄膜上，开出数微米宽的沟槽，露出单晶硅衬底；
步骤5：然后在密闭石英管反应室内充入流动的保护气体，在单晶硅衬底上垂直沟槽方向有序生长出大面积的二氧化硅/硅纳米线，在单晶硅衬底上长出的大面积的二氧化硅/硅纳米线的尺寸为10mm×10mm，其纳米线的直径在20～100nm，长度超过100μm，其中生长硅纳米线时，反应室真空保持在200～500Torr。
实施例
一、SiOx薄膜是在电容耦合式超高真空等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中，以SiH4(浓度15％，Ar稀释)和N2O为反应气体，在经过RCA处理的(100)Si片制备的。系统反应前真空1×10-5torr，反应中压强110mtorr，衬底温度200℃。调整SiH4和N2O流量比50/5，射频功率50W，生长时间30min，在单晶Si衬底上沉积SiO0.94非晶态薄膜。
二、以管式水平电阻炉为加热源，在密闭石英管反应室内充入流动的N2和H2混合气体作为保护气体，其流量分别为500sccm和25sccm，在1150℃温度下退火2hrs，在单晶硅衬底上得到10mm×10mm以上大面积的二氧化硅纳米线，其纳米线的直径约为50nm；
三、以管式水平电阻炉为加热源，在密闭石英管反应室内抽成真空，退火时充入流动的N2和H2混合气体作为保护气体，其流量分别为500sccm和25sccm，在1150℃温度下退火2hrs，反应室真空保持在300Torr。在单晶硅衬底上得到大面积的硅纳米线，其纳米线的直径约为50nm(参阅图2)；
四、在沉积非晶态SiO0.94薄膜的单晶硅片涂胶光刻，形成5μm宽沟槽的掩膜，用氢氟酸缓冲溶液腐蚀SiO0.94薄膜，直到确定沟槽处露出单晶硅衬底为止，然后将湿法刻蚀过的沉积SiO0.94薄膜的单晶硅片置于以管式水平电阻炉为加热源的密闭石英管反应室内，充入流动的N2和H2混合气体作为保护气体，其流量分别为500sccm和25sccm，在1150℃温度下退火1h，在单晶硅底平面上垂直沟槽方向有序生长出大面积的二氧化硅纳米线；在控制硅纳米线生长时，要求密闭石英管反应室抽真空，退火过程中，反应室真空保持在300Torr，在单晶硅底平面上垂直沟槽方向有序生长出大面积的硅纳米线(参阅图3)。
Claims (6)
1、一种大面积制备二氧化硅或者硅纳米线的控制生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在单晶硅片衬底上用物理气相沉积法、磁控溅射法或者化学气相沉积法沉积一层非晶态薄膜；
步骤2：然后在密闭石英管反应腔内充入流动的N2、Ar、或者N2和H2、Ar和H2混合气体作为保护气体；
步骤3：直接退火沉积有非晶态薄膜的单晶硅片，在硅衬底上长出大面积的二氧化硅/硅纳米线；
步骤4：用光刻工艺和湿法刻蚀在沉积的非晶态氧化硅薄膜上，开出数微米宽的沟槽，露出单晶硅衬底；
步骤5：然后在密闭石英管反应室内充入流动的保护气体，在单晶硅衬底上垂直沟槽方向有序生长出大面积的二氧化硅/硅纳米线。
2、根据权利要求1所述的大面积制备二氧化硅或者硅纳米线的控制生长方法，其特征在于，其中非晶态薄膜的厚度为10～600nm，非晶态薄膜是SiOx其中0＜X≤2的材料。
3、根据权利要求1所述的大面积制备二氧化硅或者硅纳米线控制生长方法，其特征在于，其中保护气体的流量为50～500sccm。
4、根据权利要求1所述的大面积制备二氧化硅或者硅纳米线控制生长方法，其特征在于，其中的退火温度在1000～1300℃温度下，时间为1～5hrs。
5、根据权利要求1所述的大面积制备二氧化硅或者硅纳米线控制生长方法，其特征在于，其中在单晶硅衬底上长出的大面积的二氧化硅/硅纳米线的尺寸为10mm×10mm，其纳米线的直径在20～100nm，长度超过100μm。
6、根据权利要求1所述的大面积制备二氧化硅或者硅纳米线控制生长方法，其特征在于，其中生长硅纳米线时，反应室真空保持在200～500Torr。
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