一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法

专利名称：一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化硅纳米泡沫的制备方法。
背景技术：
硅基功能纳米结构材料在电子和光电子领域具有广泛的应用。近年来硅基纳米结构在单电子器件、存储器和光发射二极管的潜在应用成为研究热点之一。目前硅基纳米 结构材料的制备技术主要有溶胶_凝胶、等离子体处理、刻蚀法、模板法和激光诱导微结构 法。这些制备技术中有些方法存在工艺复杂、工序耗时多、易引入杂质以及对环境有污染等 问题。激光具有好的单色性、方向性、相干性等特点，实现了将能量在时间和空间上相对集 中的传播。激光与物质相互作用可以在物质表面形成高温、高压极端条件。目前，已有关于 利用激光诱导微结构的报道，但大部分是利用激光沉积具有特殊表面微结构的薄膜，也有 直接在固体靶表面制备周期波纹微结构的。目前国内外还没有利用激光在固体靶表面直接 诱导纳米泡沫的相关报道。

发明内容
本发明的目的是为了解决现有硅基纳米结构材料制备方法中存在工艺复杂、工序 耗时多、易引入杂质、对环境有污染的问题，本发明提供了一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡 沫的方法。本发明激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法是通过以下步骤实现的一、将单晶 硅片进行清洁处理，然后将清洁后的单晶硅片固定于二维平移台上，其中二维平移台与步 进电机控制器连接，随步进电机控制器同步运动，同时步进电机控制器由计算机系统控制； 二、采用波长为532nm、脉冲宽度10ns的Nd:YAG激光器，通过计算机系统设定步进电机控 制器的步进速度和二维方向上的位移，然后在室温、大气环境下，将激光强度为4X10"W/ cnTSXlonW/cm2的固定聚焦光束作用于单晶硅片上，同时启动步进电机控制器，固定有单 晶硅片的二维平移台与步进电机控制器同步运动，其中步进速度为0. 5 2mm/s;三、当二维 平移台停止运动时，将激光器关闭，即在单晶硅片上利用激光烧蚀制备得到氧化硅纳米泡 沫。本发明步骤一中单晶硅片进行清洁处理具体为将单晶硅片浸泡在丙酮中，超声 波清洗5分钟；然后再浸泡在无水乙醇中，再超声波清洗5分钟；然后用去离子水冲洗3飞 次，再浸泡在去离子水中超声波清洗5分钟，即可。本发明步骤二中通过计算机系统设定步进电机控制器的二维方向上的位移，使得 固定聚焦光束作用于单晶硅片上的特定扫描区域。计算机系统设定方法是可以通过计算机 系统软件的使用说明书得到的，是公知常识。本发明步骤二中通过计算机系统设定二维方 向上的位移，具体设定方法为首先设定一次循环中步骤1 :x轴的位移为5 20mm，步骤2 :y 方向的位移为0. 05mm,步骤3 :x轴的位移为-5 -20mm，步骤4 :y方向的运行距离为0. 05mm ； 然后设定总循环次数设定为5(T200次，其中一次循环中步骤1和步骤3中x轴的位移距离一样。可以得到x轴方向为5 20mm，y轴方向为5 20mm的矩形。本发明通过计算机系统设定步进电机控制器的步进速度及二维方向上的位移，进 而控制同步运动的二维平移台上的单晶硅片的运动，使得固定聚焦光束作用于按一定位移 运动的单晶硅片上，在预先设定的单晶硅片的扫描区域内得到氧化硅纳米泡沫。通过计算 机系统设定的二维方向上的位移大小，可得到不同形状的氧化硅纳米泡沫，具体形状依据 实际的具体应用而定。本发明制备方法简单，工艺简易，制备过程用时短，制备过程可控，无杂质引入，对 环境友好，更重要的是可以实现纳米泡沫层的大面积制备。本发明制备的纳米氧化硅泡沫 在单晶硅片表面分布均勻，颗粒尺寸为纩12nm。本发明通过特定的计算机系统软件可以得到其他形状的氧化硅纳米泡沫，根据具 体需要可以设定计算机系统软件的特定参数，通过控制步进电机控制器，进而控制二维平 移台得到椭圆形、圆形、菱形等一系列不同形状的扫描区域。


图1是具体实施方式
一的激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法的工艺示意图；图 2是具体实施方式
十一制备得到的氧化硅纳米泡沫扫描电子显微镜形貌图；图3是具体实 施方式十二制备得到的氧化硅纳米泡沫扫描电子显微镜形貌图；图4是具体实施方式
十二 制备得到的氧化硅纳米泡沫透射电子显微镜形貌图。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的 任意组合。
具体实施方式
一本实施方式激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，是通过以下 步骤实现的一、将单晶硅片进行清洁处理，然后将清洁后的单晶硅片固定于二维平移台 上，其中二维平移台与步进电机控制器连接，随步进电机控制器同步运动，同时步进电机控 制器由计算机系统控制；二、采用波长为532nm、脉冲宽度10ns的Nd: YAG激光器，通过计算 机系统设定步进电机控制器的步进速度和二维方向上的位移，然后在室温、大气环境下，将 激光强度为4X lO^W/cnTSX lonw/cm2的固定聚焦光束作用于单晶硅片上，同时启动步进 电机控制器，固定有单晶硅片的二维平移台与步进电机控制器同步运动，其中步进速度为 0. 5^2mm/s ；三、当二维平移台停止运动时，将激光器关闭，即在单晶硅片上利用激光烧蚀制 备得到氧化硅纳米泡沫。本实施方式的方法的工艺示意图如图1所示。本实施方式通过计算机系统设定步进电机控制器的步进速度及二维方向上的位 移，进而控制同步运动的二维平移台上的单晶硅片的运动，使得固定聚焦光束作用于按一 定位移运动的单晶硅片上，在预先设定的单晶硅片的扫描区域内得到氧化硅纳米泡沫。通 过计算机系统设定的二维方向上的位移大小，可得到矩形、菱形、圆形或者椭圆形等一系列 不同形状的氧化硅纳米泡沫，具体形状依据实际的具体应用而定。本实施方式制备方法简单，工艺简易，制备过程用时短，制备过程可控，无杂质引 入，对环境友好，更重要的是可以实现纳米泡沫层的大面积制备。本发明制备的纳米氧化硅泡沫在单晶硅片表面分布均勻，颗粒尺寸为纩12nm。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中单晶硅片进行 清洁处理的具体操作为将单晶硅片浸泡在丙酮中，超声波清洗5分钟；然后再浸泡在无水 乙醇中，再超声波清洗5分钟；然后用去离子水冲洗3飞次，再浸泡在去离子水中超声波清 洗5分钟，即可。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中单晶硅片 为N型单晶硅片、P型单晶硅片或者无掺杂单晶硅片。其它步骤及参数与具体实施方式
一 或二相同。本实施方式中N型单晶硅片为(100)晶相。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一、二或三不同的是步骤二 中将激光强度为SXlonW/cnTYXlonW/cm2的固定聚焦光束作用于单晶硅片上。其它步骤 及参数与具体实施方式
一、二或三相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一、二或三不同的是步骤二中将激 光强度为exionw/cm2的固定聚焦光束作用于单晶硅片上。其它步骤及参数与具体实施方 式一、二或三相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中步进 速度为0. 8^1. 5mm/s。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中步进 速度为lmm/s。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤二中通过 计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为首先设定一次循环中步骤1 轴的 位移为5 20mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm,步骤3 :x轴的位移为-5 _20mm，步骤4 :y 方向的运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为5(T200次，其中一次循环中步骤1 和步骤3中x轴的位移距离一样。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。采用本实施方式的计算机系统设定方法，在单晶硅片上利用激光烧蚀制备得到x 轴方向为5 20mm，y轴方向为5 20mm的矩形的氧化硅纳米泡沫。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤二中通过 计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为首先设定一次循环中步骤1 轴的 位移为10mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm，步骤3 :x轴的位移为-10mm，步骤4 :y方向的 运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为100次。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。采用本实施方式的计算机系统设定方法，在单晶硅片上利用激光烧蚀制备得到x 轴方向为10mm，y轴方向为10mm的正方形的氧化硅纳米泡沫。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤二中通过 计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为首先设定一次循环中步骤1 轴的 位移为10mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm，步骤3 :x轴的位移为-10mm，步骤4 :y方向的 运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为200次。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。采用本实施方式的计算机系统设定方法，在单晶硅片上利用激光烧蚀制备得到x轴方向为10mm，y轴方向为20mm的长方形的氧化硅纳米泡沫。
具体实施方式
十一本实施方式激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，是通过以 下步骤实现的一、将N型单晶硅片进行清洁处理，然后将清洁后的N型单晶硅片固定于二 维平移台上，其中二维平移台与步进电机控制器连接，随步进电机控制器同步运动，同时步 进电机控制器由计算机系统控制；二、采用波长为532nm、脉冲宽度10ns的Nd:YAG激光器， 通过计算机系统设定步进电机控制器的步进速度和二维方向上的位移，然后在室温、大气 环境下，将激光强度为AXlonW/cm2的固定聚焦光束作用于N型单晶硅片上，同时启动步进 电机控制器，固定有N型单晶硅片的二维平移台与步进电机控制器同步运动，其中步进速 度为0. 5mm/s ；三、当二维平移台停止运动时，将激光器关闭，即在N型单晶硅片上利用激光 烧蚀制备得到氧化硅纳米泡沫。本实施方式步骤二中通过计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为 首先设定一次循环中步骤1 :x轴的位移为10mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm,步骤3 x轴的位移为-10mm，步骤4 :y方向的运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为100 次。得到x轴方向为10mm，y轴方向为10mm的正方形的氧化硅纳米泡沫，即在N型单晶硅 片上利用激光烧蚀制备得到尺寸为lOmmXIOmm的正方形形状的氧化硅纳米泡沫。本实施方式得到的氧化硅纳米泡沫的扫描电子显微镜(SEM)形貌如图2所示。由 图2可见，本实施方式制备的纳米氧化硅泡沫在单晶硅片表面分布均勻。
具体实施方式
十二 本实施方式激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，是通过以 下步骤实现的一、将P型单晶硅片进行清洁处理，然后将清洁后的P型单晶硅片固定于二 维平移台上，其中二维平移台与步进电机控制器连接，随步进电机控制器同步运动，同时步 进电机控制器由计算机系统控制；二、采用波长为532nm、脉冲宽度10ns的Nd:YAG激光器， 通过计算机系统设定步进电机控制器的步进速度和二维方向上的位移，然后在室温、大气 环境下，将激光强度为8X lonw/cm2的固定聚焦光束作用于P型单晶硅片上，同时启动步进 电机控制器，固定有N型单晶硅片的二维平移台与步进电机控制器同步运动，其中步进速 度为lmm/s ；三、当二维平移台停止运动时，将激光器关闭，即在P型单晶硅片上利用激光烧 蚀制备得到氧化硅纳米泡沫。本实施方式中步骤一中P型单晶硅片进行清洁处理的具体操作为将P型单晶硅 片浸泡在丙酮中，超声波清洗5分钟；然后再浸泡在无水乙醇中，再超声波清洗5分钟；然 后用去离子水冲洗3飞次，再浸泡在去离子水中超声波清洗5分钟，即可。本实施方式步骤二中通过计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为 首先设定一次循环中步骤1 :x轴的位移为10mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm,步骤3 x轴的位移为-10mm，步骤4 :y方向的运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为200 次。得到x轴方向为10mm，y轴方向为20mm的长方形的氧化硅纳米泡沫，即在P型单晶硅 片上利用激光烧蚀制备得到尺寸为10mmX20mm的长方形形状的氧化硅纳米泡沫。本实施方式得到的氧化硅纳米泡沫的扫描电子显微镜(SEM)形貌如图3所示。 由图3可见，本实施方式制备的纳米氧化硅泡沫在单晶硅片表面分布均勻，颗粒尺寸为 纩12nm。本实施方式对得到的氧化硅纳米泡沫进行透射电子显微镜(TEM)形貌如图4所示。 由图4可见，氧化硅纳米泡沫中氧化硅的颗粒尺寸为纩12nm。
权利要求
一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法是通过以下步骤实现的一、将单晶硅片进行清洁处理，然后将清洁后的单晶硅片固定于二维平移台上，其中二维平移台与步进电机控制器连接，随步进电机控制器同步运动，同时步进电机控制器由计算机系统控制；二、采用波长为532nm、脉冲宽度10ns的Nd:YAG激光器，通过计算机系统设定步进电机控制器的步进速度和二维方向上的位移，然后在室温、大气环境下，将激光强度为4×1011 W/cm2~8×1011 W/cm2的固定聚焦光束作用于单晶硅片上，同时启动步进电机控制器，固定有单晶硅片的二维平移台与步进电机控制器同步运动，其中步进速度为0.5~2mm/s；三、当二维平移台停止运动时，将激光器关闭，即在单晶硅片上利用激光烧蚀制备得到氧化硅纳米泡沫。
2.根据权利要求1所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于步骤 一中单晶硅片进行清洁处理的具体操作为将单晶硅片浸泡在丙酮中，超声波清洗5分钟； 然后再浸泡在无水乙醇中，再超声波清洗5分钟；然后用去离子水冲洗3飞次，再浸泡在去 离子水中超声波清洗5分钟，即可。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于 步骤一中单晶硅片为N型单晶硅片、P型单晶硅片或者无掺杂单晶硅片。
4.根据权利要求3所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于步 骤二中将激光强度为Sxio11WAm2Ixio11WAm2的固定聚焦光束作用于单晶硅片上。
5.根据权利要求3所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于步骤 二中将激光强度为6X IO11WAm2的固定聚焦光束作用于单晶硅片上。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征 在于步骤二中步进速度为0. 8^1. 5mm/s。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征 在于步骤二中步进速度为lmm/s。
8.根据权利要求7所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于步骤 二中通过计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为首先设定一次循环中步骤 1 :x轴的位移为5 20mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm，步骤3 :x轴的位移为-5 _20mm， 步骤4 :y方向的运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为5(Γ200次，其中一次循环 中步骤1和步骤3中χ轴的位移距离一样；在单晶硅片上利用激光烧蚀制备得到χ轴方向 为5 20mm，y轴方向为5 20mm的矩形的氧化硅纳米泡沫。
9.根据权利要求7所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于步骤 二中通过计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为首先设定一次循环中步骤 1 :x轴的位移为10mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm，步骤3 :x轴的位移为-10mm，步骤4 y方向的运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为100次；在单晶硅片上利用激光 烧蚀制备得到χ轴方向为10mm，y轴方向为IOmm的正方形的氧化硅纳米泡沫。
10.根据权利要求7所述的一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，其特征在于步 骤二中通过计算机系统设定二维方向上的位移，具体设定方法为首先设定一次循环中步 骤1 :x轴的位移为10mm，步骤2 :y方向的位移为0. 05mm,步骤3 :x轴的位移为-10mm，步骤 4 :y方向的运行距离为0. 05mm ；然后设定总循环次数设定为200次；在单晶硅片上利用激 光烧蚀制备得到χ轴方向为10mm，y轴方向为20mm的长方形的氧化硅纳米泡沫。
全文摘要
一种激光烧蚀制备氧化硅纳米泡沫的方法，它涉及氧化硅纳米泡沫的制备方法。本发明解决了现有硅基纳米结构材料制备方法中存在工艺复杂、工序耗时多、易引入杂质、对环境有污染的问题。本发明的方法为一、清洗单晶硅片后，固定在二维平台上；二、设定二维平移台的步进速度和位移，然后将聚焦光束作用在随二维平移台运动的单晶硅片上；即可。本发明的方法简单，工艺简易，制备过程用时短，制备过程可控，无杂质引入，对环境友好，更重要的是可以实现纳米泡沫层的大面积制备。本发明制备的纳米氧化硅泡沫在单晶硅片表面分布均匀，颗粒尺寸为8~12nm。
文档编号B82B3/00GK101850981SQ201010207248
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者信江波, 安伟伟, 赵小力, 魏岳 申请人:东北林业大学