专利名称：一种制备硅纳米线的方法
技术领域：
本发明涉及低维纳米材料制备领域，特别是涉及一种以纳米线为掩膜通过刻蚀技 术制备硅纳米线的方法。
背景技术：
半导体纳米材料及其相关器件已经成为物理、化学、生物以及材料科学领域的一 个研究热点。迄今为止，人们已经制备出多种半导体纳米材料，并利用"自下而上"的 组装手段制备了多种纳米电子和光电子器件，包括场效应管、单电子器件、异质结发 光二极管、单纳米线激光器等。硅是目前最重要的半导体材料，而且硅在自然界中广泛存在，丰度是29.5%，仅 次于氧居于第二位。以硅材料为基础的微电子工艺几乎占整个微电子领域的95%以上， 可见其在半导体工业中的重要地位。随着纳米材料的广泛研究和应用，硅纳米材料自 然而然成为人们的一个主要研究点。目前已经报道有多种生长硅纳米线的方法，主要 包括催化反应、激光烧蚀法(LCG)、化学气相沉积法(CVD)等。这些方法普遍 存在生长条件要求高，如需要气相生长源、催化剂、高温条件等，并且生长时间较长 等缺陷。除此之外还有利用紫外光刻、电子束曝光以及电化学腐蚀等技术制备硅纳米 线的方法，但他们同样也有技术复杂、制备过程耗时较长等缺点。发明内容本发明的目的是提供一种简单的、电学性能可控制的硅纳米线的制备方法。本发明所提供的制备硅纳米线的方法，包括如下步骤1) 将掩膜纳米线分散在硅衬底上；2) 以所述掩膜纳米线为掩膜干法刻蚀所述硅衬底，刻蚀掉掩膜纳米线以外的硅 衬底部分，得到硅纳米线。其中，优选的，硅衬底为SOI硅片。步骤l)将掩膜纳米线分散在硅衬底上采用 如下过程进行将SOI硅片经过丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再经过piranha 溶液处理95 °C水浴30分钟，然后将掩膜纳米线的悬浮液滴在清洗好的SOI硅片，使 其分散开。步骤2)干法刻蚀是采用诱导耦合等离子刻蚀的方法进行的。具体条件如下以 SF6气体为刻蚀气体，刻蚀气体流量为20sccm，刻蚀功率为IOOW。在本发明中，选用不同尺寸的掩膜纳米线可制备得到不同尺寸的硅纳米线，满足 不同的要求，通常的，所用掩膜纳米线的直径为150~200nm，长度超过10 pm。可以 作为掩膜的纳米线有多种，如ZnO纳米线、GaN纳米线、CdS纳米线等。 更具体的，制备硅纳米线的过程如下a) 将掩膜纳米线超声分散到乙醇中，从而形成纳米线的悬浮液；b) 将SOI衬底准备好，并经过丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再经过piranha 溶液处理95 °C水浴30分钟，然后将掩膜纳米线的悬浮液滴在清洗好的SOI衬底表面， 使其分散开；c) 采用诱导耦合等离子(inductively coupled plasma, ICP)刻蚀的方法，刻蚀掉 掩膜纳米线以外的顶层硅，刻蚀条件以SF6气体为刻蚀气体，刻蚀气体流量约为 20sccm ，刻蚀功率为IOOW，刻蚀时间2分钟；d) 用丙酮、无水乙醇、piranha溶液清洗样品，去除光刻胶和掩膜纳米线，从而 在SOI衬底上得到所述硅纳米线。本发明采用纳米线作为掩膜，并结合ICP干法刻蚀手段，可以获得尺寸和电学性 能可控制的硅纳米线，该方法操作简单、速度快、可靠，不需要采取通常的气体生长 源、催化剂、高温生长炉等。并且，本发明方法制备的硅纳米线可以很方便的应用于 制备硅纳米器件，例如，直接在制备过程中所形成的方块图形上沉积金属电极，即能 够得到硅纳米线场效应晶体管。本发明方法适合于制备各种硅纳米线器件，以及其他 半导体纳米材料与硅相结合的器件，在发展新型纳米光电器件、实现与Si微电子集成 等方面将具有广泛的应用前景。
图1为刻蚀得到的硅纳米线的场发射扫描电镜照片。图2为本发明利用ZnO纳米线作为掩膜刻蚀硅纳米线场效应管的流程示意图。 图3a为硅纳米线场效应晶体管的源-漏电流电压关系(/ds"^5s)测量曲线。 图3b为硅纳米线场效应晶体管的源-漏电流和栅极电压关系(/z)r^ )测量曲线。
具体实施方式
实施例1、制备硅纳米线利用ZnO纳米线为掩膜刻蚀硅纳米线包括如下步骤 1) 将ZnO纳米线(直径约150-200 nm，长度超过10 pm)放置在小离心管中， 滴入适量无水乙醇，然后放置在超声浴槽中进行超声处理，使得纳米线分散到乙醇溶 液中，从而形成ZnO纳米线的悬浮液；2) 将SOI (所用SOI衬底的基本参数为顶层硅厚度约为100nm;顶层和衬底 硅均为; 型半导体特征，电阻率约为1 10^cm;中间的氧化层厚度约为400nm)用 丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再在95 。C水浴经piranha溶液(98%浓硫酸一 30%双氧水，体积比3: 1)处理30分钟，然后将ZnO纳米线的悬浮液滴在清洗好的 SOI衬底表面，使其分散开；3) 采用诱导耦合等离子(inductively coupled plasma， ICP)刻蚀的方法，刻蚀掉 ZnO纳米线以外的顶层硅，刻蚀条件以SF6气体为刻蚀气体，刻蚀气体流量约为 20sccm ，刻蚀功率为IOOW，刻蚀时间2分钟，在这种条件下硅的刻蚀速率约为100 nm/分钟；4) 用丙酮、无水乙醇、piranha溶液清洗样品，去除光刻胶和ZnO纳米线，从而 在衬底上得到硅纳米线。在本实施例中，ZnO纳米线也可以用其他材料的纳米线来代替，例如GaN纳米 线、CdS纳米线、ZnS纳米线等。图1是硅纳米线的电镜照片，形成的Si纳米线宽度(^和长度(丄)分别约为200 nm 和1.5 |im。由于ICP刻蚀过程中存在侧向刻蚀作用，因此若需使硅纳米线更细，可以适当延 长刻蚀的时间。为了获得不同尺寸的硅纳米线，可以通过选用具有不同顶层硅厚度的 SOI衬底、不同尺寸的纳米线掩膜、以及不同的刻蚀条件来控制；硅纳米线的电学性 能则可通过改变SOI衬底的顶层硅的电学参数(例如离子注入B或P离子)来控制。实施例2、制备硅纳米线场效应管利用本发明方法制备出的硅纳米线，还能够制备出硅纳米线场效应晶体管利用 ZnO纳米线和光刻胶图形作为掩膜，并结合ICP干法刻蚀、紫外光刻、真空热蒸发、 剥离、金属化等传统的微加工工艺在SOI衬底上制备了硅纳米线场效应晶体管，主要实验过程如图2所示，步骤如下1)将SOI基底样品准备好，并经过丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再经 过piranha溶液(98 %浓硫酸一 30 %双氧水，体积比3: 1)在95 °C水浴下处理30分 钟，然后将ZnO纳米线的悬浮液滴在清洗好的SOI衬底表面，使其分散开；
2) 采用紫外光刻过程在ZnO纳米线两端形成光刻胶方块图形；3) 采用ICP刻蚀的方法，刻蚀掉露在ZnO纳米线及其两端光刻胶方块图形以外 的顶层硅；刻蚀条件以SF6气体为刻蚀气体，刻蚀气体流量约为20sccm，刻蚀功率 为100W，刻蚀时间2分钟，在这种条件下硅的刻蚀速率约为100nm/分钟；4) 用丙酮、无水乙醇、标准piranha溶液清洗样品，去除光刻胶和ZnO纳米线；5) 采用紫外光刻、真空热蒸发和剥离等工艺在顶层硅的方块图形上形成铝金属 接触，铝和硅的欧姆接触通过在管式退火炉中进行热退火形成，退火条件510 。C， IO分钟；即得到硅纳米线场效应晶体管。在最终构成的硅纳米线场效应晶体管中，硅纳米线两端的带有欧姆接触铝电极的 顶层硅方块图形作为源和漏电极，硅纳米线作为导电沟道，衬底硅作为门电极。实施例3、测量硅纳米线场效应晶体管电学性能对在实施例2中获得的硅纳米线场效应管进行了电学测量，图3(a)为相应的源-漏电流电压(/z^"F^)关系测量曲线，所加的栅压P^从-10变化到+10V，间隔为2V。 当栅压&从-10 V增大至+10 V时，源一漏电流/^逐渐增大，表现出典型的"型半 导体场效应特征。当零栅压时，我们可以根据刻蚀的硅线条的尺寸和电阻率公式p=i ^:(『和r分别为硅线条的宽度和厚度，硅线条的厚度由顶层硅厚度决定)得到硅的电阻率约为6^cm。根据图3(b)中的源-漏电流和栅极电压关系(/z^&)测量 曲线，我们可以推出器件的阈值栅压^=-2.5 V，跨导^二 300 nS。此处我们视制备 的硅线条为具有宽度『和厚度r的带状结构，因此可以得到其与衬底硅之间的的电容公式c-^: (￡。和￡分别为真空介电常数和二氧化硅的相对介电常数，丄为硅线条的长度,/z为氧化层的厚度)。同样的，我们可以根据公式^=^1和"=1 (ee m C&s e肝丄为电子电量)计算得到相应的电子迁移率^与电子浓度"，分别为174 cm2/V，s和7x 1015 cm'3。从插图中的对数坐标曲线可以看出该场效应晶体管的源漏电流开关比(on-off ratio)约为200。上述测量结果表明，硅纳米线场效应晶体管具有良好的电学特性，硅纳米线的电 学参数与所使用的SOI衬底一致，因此通过调节SOI衬底的参数即可获得具备不同电学性能的硅纳米线。
权利要求
1、一种制备硅纳米线的方法，包括如下步骤1)将掩膜纳米线分散固定在硅衬底上；2)以所述掩膜纳米线为掩膜干法刻蚀所述硅衬底，刻蚀掉所述掩膜纳米线以外的硅衬底部分，得到硅纳米线。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述硅衬底为SOI硅片。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤l)将掩膜纳米线分散固定在 硅衬底上采用如下过程进行将SOI硅片经过丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再经过piranha溶液处理 95 °C水浴30分钟，然后将掩膜纳米线的悬浮液滴在清洗好的SOI硅片，使其分散开。
4、 根据权利要求1一3任一所述的方法，其特征在于所述掩膜纳米线的直径为 150 200 nm，长度超过10 pm。
5、 根据权利要求1一3任一所述的方法，其特征在于步骤2)干法刻蚀是采用 诱导耦合等离子刻蚀的方法进行的。
6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于诱导耦合等离子刻蚀的刻蚀条件如下以SF6气体为刻蚀气体，刻蚀气体流量为20sccm，刻蚀功率为100W。
7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于制备硅纳米线的过程如下a) 将掩膜纳米线超声分散到乙醇中，形成纳米线的悬浮液；b) 将SOI衬底用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗，再用piranha溶液处理，然后将掩膜纳米线的悬浮液滴在清洗好的SOI衬底表面，使其分散开；c) 采用诱导耦合等离子刻蚀的方法，刻蚀掉掩膜纳米线以外的顶层硅，刻蚀条件刻蚀气体为SF6气体，刻蚀气体流量为20sccm，刻蚀功率为100W，刻蚀时间2 分钟；d) 用丙酮、无水乙醇、piranha溶液清洗样品，去除光刻胶和掩膜纳米线，从而 在SOI衬底上得到所述硅纳米线。
全文摘要
本发明公开了一种制备硅纳米线的方法。本发明方法，包括如下步骤1)将纳米线分散在硅衬底上；2)以所述纳米线为掩膜干法刻蚀所述硅衬底，刻蚀掉纳米线以外的硅衬底部分，得到硅纳米线。本发明采用纳米线作为掩膜，并结合ICP干法刻蚀手段，可以获得尺寸和电学性能可控制的硅纳米线，该方法操作简单、速度快、可靠，不需要采取通常的气体生长源、催化剂、高温生长炉等。本发明方法适合于制备各种硅纳米线器件，以及其他半导体纳米材料与硅相结合的器件，在发展新型纳米光电器件、实现与Si微电子集成等方面将具有广泛的应用前景。
文档编号C04B41/53GK101165004SQ200710175600
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月8日 优先权日2007年10月8日
发明者伦 戴, 杨卫全, 秦国刚, 霍海滨, 马仁敏 申请人:北京大学