一种在电磁耦合场作用下制备硅纳米结构的方法与流程

本发明属于硅表面加工技术领域，具体涉及一种硅表面纳米结构的可控性加工方法。

背景技术：

由于纳米材料的特殊物理性质，其受到越来越多的关注。当材料的尺寸减小至纳米级别时，将表现出块体材料所不具备的特殊物理性质，硅纳米结构具有突出的量子限域效应、宏观量子隧道效应、库仑阻塞效应、表面效应等，在微电子、光电子、太阳能电池以及传感器等方面具有重要的应用，而日益受到广泛关注。

目前报道的有关硅微纳米结构的制备方法已不少，如气-液-固法、激光刻蚀法、离子反应腐蚀法等，但这些方法都需要在特定条件下实现，所用的设备要求高，制备成本自然比较高，这些因素不利于硅纳米结构产业化的应用。因此，寻找一种低成本、工艺过程简单、设备依赖性小、硅纳米结构形貌可控性高的方法仍然是目前研究硅纳米领域主要趋势。同时，硅基材料纳米结构在器件中实际应用时，仅需对硅纳米结构进行局部制备，实现硅纳米形貌的有效控制是保证器件质量的关键。因此，硅基材料纳米结构制备的可控性成为新热点。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用电场和磁场制备纳米结构的方法，其在现有金属辅助化学辅助制备硅纳米结构的基础上，通过电场和磁场对贵金属的运动进行控制，实现硅纳米结构的有效制备。该加工方法所获得的硅纳米结构质量好、纳米结构的可重复性高、制备过程控制性好，实用性强。

为实现本发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种在电磁耦合场作用下制备硅纳米结构的方法，其特征是按如下步骤：

步骤一，对硅片进行贵金属涂层；

步骤二，制备硅纳米结构：一反应釜中盛入蚀刻溶液，反应釜设置电场发生装置以及磁场发生装置；步骤一的硅片置入反应釜且浸入所述的蚀刻溶液，先启动电场发生装置，后启动磁场发生装置，反应设定时间后，制得硅纳米结构。

优选的，步骤一对硅片进行贵金属涂层中，涂层溶液由溶液和溶液混合而成，在10~30℃下，将硅片置入配制好的涂层溶液中，控制反应时间为数分钟。

优选的，步骤一配制涂层溶液中，溶液的摩尔浓度为0.005~0.01mol/L，溶液的摩尔浓度为4.0~4.8mol/L，两者的体积比为0.8~1.2:1~1.2。

优选的，待步骤一的反应结束后，用去离子水冲洗以去除表面的残液。

优选的，步骤二制备硅纳米结构过程中，蚀刻溶液由溶液和溶液混合而成。

优选的，步骤二配制蚀刻溶液中，溶液的摩尔浓度为4.0~5.0mol/L，溶液的摩尔浓度为0.3~0.5mol/L，两者的体积比为0.8~1.2:1~1.2。

优选的，步骤二在蚀刻溶液中制备硅纳米结构过程中， 10~30℃下，启动电场发生装置，其中，电场发生装置采用直流电，电流大小为0~30mA；和/或，磁场发生装置采用直流电源，电流大小为0~100mA。

优选的，步骤二在蚀刻溶液中制备硅纳米结构过程中，反应釜（5）包括筒状铁芯（3），铁芯（3）具有内部容纳区，铁芯（3）的外壁缠绕有漆包线圈（4），形成所述的磁场发生装置。

优选的，步骤二在蚀刻溶液中制备硅纳米结构过程中，反应釜（5）内壁安装有对称的两石墨电极（1），两块石墨电极（1）的相对面相平行，形成所述的电场发生装置。

优选的，步骤二在蚀刻溶液中制备硅纳米结构过程中，反应时间为10~90min，反应结束后，取出硅片并用去离子水冲洗。

本发明在耦合场作用下制备硅纳米结构的方法，具体操作包括如下步骤：

一，对硅片进行贵金属涂层。配制涂层溶液，其中，涂层溶液是由和溶液混合而成，溶液的摩尔浓度为0.005~0.01mol/L，溶液的摩尔浓度为4.0~4.8mol/L，二者的体积比为0.8~1.2:1~1.2。在10~30℃下，将清洗后硅片放入配制好的涂层溶液中，反应时间为1min。待反应结束后用去离子水反复冲洗数次去除表面的残液。

二，制备硅纳米结构。配制蚀刻溶液，其中蚀刻溶液是由和溶液混合而成，溶液的摩尔浓度为4.0~5.0mol/L，溶液的摩尔浓度为0.3~0.5mol/L，二者的体积比为0.8~1.2:1~1.2。将配制好的蚀刻溶液倒入反应釜中。反应釜的结构由铁芯外壁绕制漆包铜线数匝而成。将涂层好的硅片放入反应釜特定位置。在15~25℃下，先启动电场发生装置，其中电场发生装置采用直流电，电流大小为0~30mA。在化学溶液中将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使贵金属表面带电性，如图1所示。具有电性的贵金属颗粒在电场的作用下具有某一方向的力，贵金属将沿着这一方向运动，进而在该方向进行蚀刻加工，此时贵金属运动后有一初始速度。然后，启动磁场发生装置，其中磁场发生装置采用直流电源，电流大小为0~100mA。在磁场作用下带电粒子由于磁场力作用下会改变运动轨迹，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磁场力也即洛伦兹力的共同作用。由力的合成理论可知，贵金属粒子将受到洛伦兹力作用并且沿该力的方向运动，如附图2所示。反应时间为10~90min，反应结束后，取出硅片用去离子水反复冲洗数次。

三，检测分析。将刻蚀后的硅片进行干燥处理后，放置在扫描电子显微镜上进行检测分析。

本发明硅表面纳米结构的可控性加工方法，属于新材料与纳米材料技术领域，其是一种利用电场和磁场的硅纳米结构制备方法。本发明是将表面沉积有贵金属颗粒的硅样品放入含有双氧水和氢氟酸混合溶液的反应釜中，并在反应釜上施加电场和磁场，从而制备出具有可控性的硅纳米结构。本发明操作简单方便，能够克服晶向力、溶液黏性阻力控制腐蚀方向，可重复性高，制备硅纳米结构效率高，便于大规模使用生产。本发明制备的硅纳米结构在微电子、光电子、太阳能电池以及传感器等领域具有重要的应用前景。

本发明的有益效果是：

本发明结合带电粒子在磁场受磁场力，在电场受电场力作用的特点，创造性地引入磁场和电场加工硅的概念。本发明的加工方法将化学腐蚀与电场、磁场进行复合，制得具有可控性的硅表面纳米结构。本发明的加工方法工艺简单、可重复性好、效率高通过控制电场和磁场大小即可加工硅，该方法适应性好。

附图说明

图1是贵金属颗粒带电性模型。

图2是贵金属粒子在电场、磁场中受到洛伦兹力模型。

图3是本发明反应装置结构示意图。

图4是本发明反应装置结构主视图。

图5是电磁耦合场作用下的硅表面形貌结构的扫描电镜图。

图6是本发明制备的硅纳米结构表面形貌结构的扫描电镜图。

图中各附图标记为：

1、石墨电极，2、硅片，3、铁芯，4、漆包线圈，5、反应釜。

具体实施方式

下面结合优选实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。本发明中的材料未经特别说明均为常见材料可以购买获得，所用试剂为常用工业试剂。

实施例1

（1）将一片的N型(100)硅清洗干净后放入和的混合液中，其中的摩尔浓度为0.01mol/L，的摩尔浓度为4.6mol/L，并且二者的体积比为1：1，反应时间为1min；

（2）然后将（1）中的硅片放入装有和混合液的反应釜中，其中摩尔浓度为4.8mol/L，的摩尔浓度为0.4mol/L，并且二者的体积比也为1：1；

反应釜结构如下：

反应釜5包括筒状铁芯3，铁芯3的上下口各有盖子封住。铁芯3具有内部容纳区，其外壁缠绕有漆包线圈4，内壁安装有对称的两块石墨电极1，两块石墨电极1的相对面相平行。

铁芯3的内壁安装有两卡槽，两卡槽间安装托架，托架用于安放硅片2，硅片2平行于石墨电极1，且其将铁芯3的内部容纳区分为两个对称且隔离的腔室。

（3）开启与石墨电极电极相连的直流电源，并且将电源电流设置为恒定值26mA；

（4）待（3）开启2min后，开启与电磁铁相连的直流电源，并且将电源电流设置为恒定值60mA。

（5）在25℃下反应30min后取出硅并清洗，制得硅三维硅纳米结构。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：涂层溶液配比为的摩尔浓度为0.008mol/L，的摩尔浓度为4.6mol/L。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：涂层溶液配比为的摩尔浓度为0.008mol/L，的摩尔浓度为4.6mol/L。20℃下反应10min后，将与电场相连的电源电流调整为30mA，与磁场相连电源的电流调整为50mA，然后继续反应50min，蚀刻反应结束。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：涂层溶液配比为的摩尔浓度为0.005mol/L，的摩尔浓度为5.0mol/L。与磁场相连电源的电流调整为100mA。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于：蚀刻溶液配比摩尔浓度为5.0mol/L，的摩尔浓度为0.6mol/L，并且二者的体积比也为0.8：1。将与电场相连的电源电流调整为20mA，与磁场相连电源的电流调整为40mA。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于：蚀刻溶液配比摩尔浓度为5.0mol/L，的摩尔浓度为0.6mol/L。

实施例7

本实施例与实施例1的不同之处在于：蚀刻溶液配比摩尔浓度为5.0mol/L，的摩尔浓度为0.6mol/L。20℃下反应5min后，将与电场相连的电源电流调整为30mA，与磁场相连电源的电流调整为50mA，然后继续反应30min，蚀刻反应结束。

实施例8

本实施例与实施例1的不同之处在于：蚀刻溶液配比摩尔浓度为4.4mol/L，的摩尔浓度为0.3mol/L。

实施例9

本实施例与实施例1的不同之处在于：蚀刻溶液配比摩尔浓度为4.4mol/L，的摩尔浓度为0.3mol/L。与磁场相连电源的电流调整为20mA，与磁场相连电源的电流调整为50mA。

实施例10

本实施例与实施例1的不同之处在于：蚀刻溶液配比摩尔浓度为4.4mol/L，的摩尔浓度为0.3mol/L。与磁场相连电源的电流调整为50mA，与磁场相连电源的电流调整为80mA。

本发明在贵金属辅助化学蚀刻制备硅微纳米结构的过程中施加电场和磁场，通过控制电场和磁场的大小，可以改变贵金属辅助化学蚀刻的制备过程，从而可以得到方向可控的硅纳米结构。本发明操作简单方便，能够克服晶向力、溶液黏性阻力控制腐蚀方向，可重复性高，制备硅纳米结构效率高，便于大规模使用，在微电子、光电子、太阳能电池以及传感器等方面具有重要的应用前景。