专利名称：一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硅微/纳米线阵列的制备方法，更具体地说是一种通过金属催化化学刻蚀硅的微/纳米线阵列的制备方法。
背景技术：
近些年，一维硅微/纳米线的半导体性，机械性，光学性，以及纳米器件的前景应用引起了广泛的关注。硅微/纳米线已经成功地使用于场效应晶体管、生物化学传感器、集成逻辑器件、太阳能电池、锂电池阳极、p-n结等器件。合成硅微/纳米线很多方法，例如VLS生长法、氧辅助生长法(OAG)和SLS生长法，但这些合成的硅微/纳米线具有典型的随机方向性，(尺寸的问题)很难于在器件中使用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，以获得可控直径、长度、晶向的勻质硅单晶微/纳米线阵列，使其能够在器件中得到实际应用。本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法的特点是按如下步骤进行(1)、以硅片为基底，将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗后，随后浸入在60-100°C的食人鱼洗液中，5-20分钟后取出晾干即为样品A，在所述样品A的表面旋涂光刻胶，烘干后形成300 500纳米厚度的光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的形式制作接触式掩模板图形，利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B，取下所述样品B在显影液中经4-6分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C ；(2)、利用微电子镀膜设备在所述样品C的表面镀厚度为20 50纳米的金膜得到样品D ；将所述样品D置于丙酮中，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金，保留与金接触的硅片即为样品E ；(3)、将所述样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，在完成所述金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列。本发明中尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法的特点也在于所述光刻胶为AZ5206，所述显影液为MIF-300。所述光刻胶为ARP-5350，所述显影液为AR3006。所述食人鱼洗液中是质量百分比浓度不低于98%的浓H2SO4和质量百分比浓度为40%的双氧水H2O2按体积比为4 1的配比。所述刻蚀液是在IOOOml的水溶液中含有4_5mol的HF和0. 4-0. 5mol的H2O2。所述步骤⑴和步骤O)中的丙酮质量百分比浓度为99. 5%。本发明的理论基础是类似于传统的金属(Ag)辅助刻蚀法，金(Au)辅助刻蚀硅微纳米线阵列。在H2A和HF酸溶液中，硅失去电子变成硅离子，H2A得到电子生成氧气，这个电化学反应是在金催化下发生反应。与已有技术相比，本发明有益效果体现在1、本发明通过微电子光刻技术，在硅片表面金辅助化学刻蚀出尺寸可控硅微/纳米线阵列。根据硅片本身类型的不同，可以相应获得掺杂，尺寸，晶向微/纳米线阵列。2、通过控制显影时间的不同控制线的直径。通过控制刻蚀时间的不同控制线的长度。3、本发明工艺简单，成本较低，耗能少，适合大规模生产应用。
图1为本发明制备不同刻蚀时间的硅微/纳米线阵列扫描电子显微镜照片；图2为本发明制备不同显影时间的硅微/纳米线阵列扫描电子显微镜照片；图3为本发明制备不同硅片晶向的硅微/纳米线阵列扫描电子显微镜照片；
具体实施例方式具体实施中按以下步骤操作(1)、以硅片为基底，将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗后，随后浸入在60°C的食人鱼洗液中，5分钟后取出晾干即为样品A，在所述样品A的表面旋涂光刻胶，烘干后形成300 500纳米厚度的光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板，利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B，取下所述样品B在显影液中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C ；(2)、利用微电子镀膜设备在所述样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D ；将所述样品D置于丙酮中，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金，保留与金接触的硅片即为样品E ；(3)、将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，在完成金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列；具体实施中，光刻胶采用AZ5206，配套使用的显影液则采用MIF-300 ；或为光刻胶采用ARP-5350，则显影液采用AR3006。食人鱼洗液中是质量百分比浓度不低于98%的浓H2SO4和质量百分比浓度为40%的双氧水H2O2按体积比为4 1的配比。刻蚀液是在IOOOml的水溶液中含有4_5mol的HF和0. 4-0. 5mol的H2O2。步骤(1)和步骤O)中丙酮的质量百分比浓度为99. 5%。实施例1 以晶向是(100)的η型和电阻率为5 Ω cm硅片为基底，将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后，随后浸入在60°C的食人鱼洗液中，10分钟后取出晾干即为样品A，在样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206，烘干后形成300 500纳米厚度的光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板，利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B，取下样品B在显影液MIF-300中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C ；
利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D ；将样品D置于丙酮中，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金，保留与金接触的硅片即为样品E ；将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，分别刻蚀20分钟。在完成金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列，用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微/纳米线阵列图形；按以上相同方式进行操作，所不同的是在IOOOml的水溶液中含有5mol的HF和0. 5mol的H2A的刻蚀液中刻蚀，以及镀金膜厚度为50nm。得到扫描电子显微图片，通过比较，刻蚀出来的硅微/纳米线阵列没有明显区别。刻蚀条件在这些参数变化范围内都可以制备出硅微/纳米线阵列。实施例2 以晶向是(100)的η型和电阻率为5 Ω cm硅片为基底，将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后，随后浸入在60°C的食人鱼洗液中，10分钟后取出晾干即为样品A，在样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206，烘干后形成300 500纳米厚度的光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板，利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B，取下样品B在显影液MIF-300中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C ；利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D ；将样品D置于丙酮中，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金，保留与硅片接触的金即为样品E ；将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，分别刻蚀20分钟。在完成金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列，用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微/纳米线阵列图形；按以上相同方式进行操作，所不同的是刻蚀时间分别设置为50分钟和100分钟。得到扫描电子显微图片，如图1所示。基于本实施例的刻蚀的扫描显微镜图像如图1所示，可以看出随着刻蚀时间加长，刻蚀的微/纳米线的长度也在增长，即刻蚀时间可以控制微/纳米线的长度。根据实验理论基础，刻蚀时间的加长，反应时间变长，所以刻蚀的微/纳米线要长。实施例3 以晶向是(100)的η型和电阻率为12 Ω cm硅片为基底，将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后，随后浸入在60°C的食人鱼洗液中，10分钟后取出晾干即为样品A，在样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206，烘干后形成300 500纳米厚度的光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板，利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光获得样品B，取下样品B在显影液中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C ；利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在所述样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D ；将所述样品D置于丙酮中，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金，保留与金接触的硅片即为样品E ；将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，分别刻蚀20分钟。在完成所述金
5催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列，用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微纳米线阵列图形；按以上相同方式进行操作，所不同的是显影时间分别设置为4分钟50秒和5分钟40秒。得到扫描电子显微图片，如图2所示。基于本实施例的刻蚀的扫描显微镜图像如图2所示，可以看出随着过显影加长，刻蚀的纳米线的直径也在增长，即过显影时间可以控制微/纳米线的直径。实验中显影时间控制，调节超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金的大小。根据实验理论基础，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金下面硅被刻蚀，没有覆盖金膜的硅没有被刻蚀，留下来的硅即是硅微纳米线阵列。实施例4 以晶向是(110)的η型和电阻率为12 Ω cm硅片为基底，将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗15分钟后，随后浸入在60°C的食人鱼洗液中，10分钟后取出晾干即为样品A，在所述样品A的表面旋涂光刻胶AZ5206，烘干后形成300 500纳米厚度的光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板，利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光获得样品B，取下所述样品B在显影液中经4分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C ；利用电子束热蒸发的方法或磁控溅射的方法直接在所述样品C的表面镀厚度为20纳米的金膜得到样品D ；将所述样品D置于丙酮中，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金，保留与金接触硅片的即为样品E ；将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，分别刻蚀20分钟。在完成所述金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列，用飞利浦XL30-FEG扫描电子显微镜观察并拍摄硅微纳米线阵列图形；按以上相同方式进行操作，所不同的是选取硅片晶向为(111)和(113)。得到扫描电子显微图片，如图3所示。基于本实施例的刻蚀的扫描显微镜图像如图3所示，可以看出选取不同的晶向的硅片，刻蚀的微/纳米线阵列的晶向跟选取的硅片晶向一致。实验中选取的硅片在刻蚀过程中硅的晶向不会改变，所以刻蚀留下来的硅微/纳米线阵列的晶向与选取硅片晶向一致。
权利要求
1.一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，其特征是按如下步骤进行(1)、以硅片为基底，将硅片依次放置在去离子水和丙酮中进行超声清洗后，随后浸入在60-100°C的食人鱼洗液中，5-20分钟后取出晾干即为样品A，在所述样品A的表面旋涂光刻胶，烘干后形成300 500纳米厚度的光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的图形形式制作接触式掩模板，利用具有硅微/纳米线阵列图形的接触式掩模板对光刻胶层进行紫外曝光40s获得样品B，取下所述样品B在显影液中经4-6分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C ；(2)、利用微电子镀膜设备在所述样品C的表面镀厚度为20 50纳米的金膜得到样品D ；将所述样品D置于丙酮中，超声处理后去除光刻胶及光刻胶表面上的金，保留与金接触的硅片即为样品E ；(3)、将所述样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，在完成所述金催化化学刻蚀后即得硅微/纳米线阵列。
2.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，其特征是所述光刻胶为AZ5206，所述显影液为MIF-300。
3.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，其特征是所述光刻胶为ARP-5350，所述显影液为AR3006。
4.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，其特征是所述食人鱼洗液中是质量百分比浓度不低于98%的浓和质量百分比浓度为40%的双氧水H2O2按体积比为4 1的配比。
5.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，其特征是所述刻蚀液是在IOOOml的水溶液中含有4-5mol的HF和0. 4-0. 5mol的H2O2。
6.根据权利要求1所述的尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，其特征是所述步骤⑴和步骤O)中丙酮的质量百分比浓度为99. 5%。
全文摘要
本发明公开了一种尺寸可控的硅微/纳米线阵列的制备方法，其特征是以硅片为基底，将硅片表面清洗后取出晾干即为样品A，在样品A的表面旋涂光刻胶，烘干光刻胶层；按硅微/纳米线阵列的图形形式制接触式掩模板，利用该掩模板对光刻胶层进行曝光获得样品B，取下样品B在显影液中经4-6分钟显影洗去被曝光的光刻胶得样品C；在样品C的表面镀厚度为20～50纳米的金膜得到样品D；将样品D置于丙酮中去光刻胶及其上的金，保留与金接触的硅片即为样品E；将样品E浸入在刻蚀液中进行金催化化学刻蚀，在完成刻蚀后即得硅微/纳米线阵列。本发明用以获得可控直径、长度、晶向的匀质硅单晶微/纳米线阵列，使其能够在器件中得到实际应用。
文档编号B81C1/00GK102556949SQ20121001153
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者于永强, 吴春艳, 揭建胜, 罗林保, 聂彪 申请人:合肥工业大学