本發(fā)明屬于硅表面加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅表面納米結(jié)構(gòu)的可控性加工方法。

背景技術(shù)：

由于納米材料的特殊物理性質(zhì)，其受到越來越多的關(guān)注。當(dāng)材料的尺寸減小至納米級別時(shí)，將表現(xiàn)出塊體材料所不具備的特殊物理性質(zhì)，硅納米結(jié)構(gòu)具有突出的量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、表面效應(yīng)等，在微電子、光電子、太陽能電池以及傳感器等方面具有重要的應(yīng)用，而日益受到廣泛關(guān)注。

目前報(bào)道的有關(guān)硅微納米結(jié)構(gòu)的制備方法已不少，如氣-液-固法、激光刻蝕法、離子反應(yīng)腐蝕法等，但這些方法都需要在特定條件下實(shí)現(xiàn)，所用的設(shè)備要求高，制備成本自然比較高，這些因素不利于硅納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。因此，尋找一種低成本、工藝過程簡單、設(shè)備依賴性小、硅納米結(jié)構(gòu)形貌可控性高的方法仍然是目前研究硅納米領(lǐng)域主要趨勢。同時(shí)，硅基材料納米結(jié)構(gòu)在器件中實(shí)際應(yīng)用時(shí)，僅需對硅納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部制備，實(shí)現(xiàn)硅納米形貌的有效控制是保證器件質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，硅基材料納米結(jié)構(gòu)制備的可控性成為新熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用電場和磁場制備納米結(jié)構(gòu)的方法，其在現(xiàn)有金屬輔助化學(xué)輔助制備硅納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過電場和磁場對貴金屬的運(yùn)動進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)硅納米結(jié)構(gòu)的有效制備。該加工方法所獲得的硅納米結(jié)構(gòu)質(zhì)量好、納米結(jié)構(gòu)的可重復(fù)性高、制備過程控制性好，實(shí)用性強(qiáng)。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種在電磁耦合場作用下制備硅納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征是按如下步驟：

步驟一，對硅片進(jìn)行貴金屬涂層；

步驟二，制備硅納米結(jié)構(gòu)：一反應(yīng)釜中盛入蝕刻溶液，反應(yīng)釜設(shè)置電場發(fā)生裝置以及磁場發(fā)生裝置；步驟一的硅片置入反應(yīng)釜且浸入所述的蝕刻溶液，先啟動電場發(fā)生裝置，后啟動磁場發(fā)生裝置，反應(yīng)設(shè)定時(shí)間后，制得硅納米結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，步驟一對硅片進(jìn)行貴金屬涂層中，涂層溶液由溶液和溶液混合而成，在10~30℃下，將硅片置入配制好的涂層溶液中，控制反應(yīng)時(shí)間為數(shù)分鐘。

優(yōu)選的，步驟一配制涂層溶液中，溶液的摩爾濃度為0.005~0.01mol/L，溶液的摩爾濃度為4.0~4.8mol/L，兩者的體積比為0.8~1.2:1~1.2。

優(yōu)選的，待步驟一的反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水沖洗以去除表面的殘液。

優(yōu)選的，步驟二制備硅納米結(jié)構(gòu)過程中，蝕刻溶液由溶液和溶液混合而成。

優(yōu)選的，步驟二配制蝕刻溶液中，溶液的摩爾濃度為4.0~5.0mol/L，溶液的摩爾濃度為0.3~0.5mol/L，兩者的體積比為0.8~1.2:1~1.2。

優(yōu)選的，步驟二在蝕刻溶液中制備硅納米結(jié)構(gòu)過程中， 10~30℃下，啟動電場發(fā)生裝置，其中，電場發(fā)生裝置采用直流電，電流大小為0~30mA；和/或，磁場發(fā)生裝置采用直流電源，電流大小為0~100mA。

優(yōu)選的，步驟二在蝕刻溶液中制備硅納米結(jié)構(gòu)過程中，反應(yīng)釜（5）包括筒狀鐵芯（3），鐵芯（3）具有內(nèi)部容納區(qū)，鐵芯（3）的外壁纏繞有漆包線圈（4），形成所述的磁場發(fā)生裝置。

優(yōu)選的，步驟二在蝕刻溶液中制備硅納米結(jié)構(gòu)過程中，反應(yīng)釜（5）內(nèi)壁安裝有對稱的兩石墨電極（1），兩塊石墨電極（1）的相對面相平行，形成所述的電場發(fā)生裝置。

優(yōu)選的，步驟二在蝕刻溶液中制備硅納米結(jié)構(gòu)過程中，反應(yīng)時(shí)間為10~90min，反應(yīng)結(jié)束后，取出硅片并用去離子水沖洗。

本發(fā)明在耦合場作用下制備硅納米結(jié)構(gòu)的方法，具體操作包括如下步驟：

一，對硅片進(jìn)行貴金屬涂層。配制涂層溶液，其中，涂層溶液是由和溶液混合而成，溶液的摩爾濃度為0.005~0.01mol/L，溶液的摩爾濃度為4.0~4.8mol/L，二者的體積比為0.8~1.2:1~1.2。在10~30℃下，將清洗后硅片放入配制好的涂層溶液中，反應(yīng)時(shí)間為1min。待反應(yīng)結(jié)束后用去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次去除表面的殘液。

二，制備硅納米結(jié)構(gòu)。配制蝕刻溶液，其中蝕刻溶液是由和溶液混合而成，溶液的摩爾濃度為4.0~5.0mol/L，溶液的摩爾濃度為0.3~0.5mol/L，二者的體積比為0.8~1.2:1~1.2。將配制好的蝕刻溶液倒入反應(yīng)釜中。反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)由鐵芯外壁繞制漆包銅線數(shù)匝而成。將涂層好的硅片放入反應(yīng)釜特定位置。在15~25℃下，先啟動電場發(fā)生裝置，其中電場發(fā)生裝置采用直流電，電流大小為0~30mA。在化學(xué)溶液中將發(fā)生電荷的置換反應(yīng)，貴金屬在該反應(yīng)中是起著催化劑的作用加快蝕刻速率，貴金屬運(yùn)動軌跡即為表面微納米結(jié)構(gòu)成型軌跡。在電荷轉(zhuǎn)移的過程中，貴金屬在氧化劑和還原劑中間，由于電荷的移動貴金屬表面會聚集大量的移動電子使貴金屬表面帶電性，如圖1所示。具有電性的貴金屬顆粒在電場的作用下具有某一方向的力，貴金屬將沿著這一方向運(yùn)動，進(jìn)而在該方向進(jìn)行蝕刻加工，此時(shí)貴金屬運(yùn)動后有一初始速度。然后，啟動磁場發(fā)生裝置，其中磁場發(fā)生裝置采用直流電源，電流大小為0~100mA。在磁場作用下帶電粒子由于磁場力作用下會改變運(yùn)動軌跡，進(jìn)而改變單晶硅表面的形貌結(jié)構(gòu)。在電場和磁場作用下，帶電性的貴金屬粒子會受到電場力和磁場力也即洛倫茲力的共同作用。由力的合成理論可知，貴金屬粒子將受到洛倫茲力作用并且沿該力的方向運(yùn)動，如附圖2所示。反應(yīng)時(shí)間為10~90min，反應(yīng)結(jié)束后，取出硅片用去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次。

三，檢測分析。將刻蝕后的硅片進(jìn)行干燥處理后，放置在掃描電子顯微鏡上進(jìn)行檢測分析。

本發(fā)明硅表面納米結(jié)構(gòu)的可控性加工方法，屬于新材料與納米材料技術(shù)領(lǐng)域，其是一種利用電場和磁場的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法。本發(fā)明是將表面沉積有貴金屬顆粒的硅樣品放入含有雙氧水和氫氟酸混合溶液的反應(yīng)釜中，并在反應(yīng)釜上施加電場和磁場，從而制備出具有可控性的硅納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明操作簡單方便，能夠克服晶向力、溶液黏性阻力控制腐蝕方向，可重復(fù)性高，制備硅納米結(jié)構(gòu)效率高，便于大規(guī)模使用生產(chǎn)。本發(fā)明制備的硅納米結(jié)構(gòu)在微電子、光電子、太陽能電池以及傳感器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明結(jié)合帶電粒子在磁場受磁場力，在電場受電場力作用的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地引入磁場和電場加工硅的概念。本發(fā)明的加工方法將化學(xué)腐蝕與電場、磁場進(jìn)行復(fù)合，制得具有可控性的硅表面納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的加工方法工藝簡單、可重復(fù)性好、效率高通過控制電場和磁場大小即可加工硅，該方法適應(yīng)性好。

附圖說明

圖1是貴金屬顆粒帶電性模型。

圖2是貴金屬粒子在電場、磁場中受到洛倫茲力模型。

圖3是本發(fā)明反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)主視圖。

圖5是電磁耦合場作用下的硅表面形貌結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。

圖6是本發(fā)明制備的硅納米結(jié)構(gòu)表面形貌結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。

圖中各附圖標(biāo)記為：

1、石墨電極，2、硅片，3、鐵芯，4、漆包線圈，5、反應(yīng)釜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施案例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。本發(fā)明中的材料未經(jīng)特別說明均為常見材料可以購買獲得，所用試劑為常用工業(yè)試劑。

實(shí)施例1

（1）將一片的N型(100)硅清洗干凈后放入和的混合液中，其中的摩爾濃度為0.01mol/L，的摩爾濃度為4.6mol/L，并且二者的體積比為1：1，反應(yīng)時(shí)間為1min；

（2）然后將（1）中的硅片放入裝有和混合液的反應(yīng)釜中，其中摩爾濃度為4.8mol/L，的摩爾濃度為0.4mol/L，并且二者的體積比也為1：1；

反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)如下：

反應(yīng)釜5包括筒狀鐵芯3，鐵芯3的上下口各有蓋子封住。鐵芯3具有內(nèi)部容納區(qū)，其外壁纏繞有漆包線圈4，內(nèi)壁安裝有對稱的兩塊石墨電極1，兩塊石墨電極1的相對面相平行。

鐵芯3的內(nèi)壁安裝有兩卡槽，兩卡槽間安裝托架，托架用于安放硅片2，硅片2平行于石墨電極1，且其將鐵芯3的內(nèi)部容納區(qū)分為兩個對稱且隔離的腔室。

（3）開啟與石墨電極電極相連的直流電源，并且將電源電流設(shè)置為恒定值26mA；

（4）待（3）開啟2min后，開啟與電磁鐵相連的直流電源，并且將電源電流設(shè)置為恒定值60mA。

（5）在25℃下反應(yīng)30min后取出硅并清洗，制得硅三維硅納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：涂層溶液配比為的摩爾濃度為0.008mol/L，的摩爾濃度為4.6mol/L。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：涂層溶液配比為的摩爾濃度為0.008mol/L，的摩爾濃度為4.6mol/L。20℃下反應(yīng)10min后，將與電場相連的電源電流調(diào)整為30mA，與磁場相連電源的電流調(diào)整為50mA，然后繼續(xù)反應(yīng)50min，蝕刻反應(yīng)結(jié)束。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：涂層溶液配比為的摩爾濃度為0.005mol/L，的摩爾濃度為5.0mol/L。與磁場相連電源的電流調(diào)整為100mA。

實(shí)施例5

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液配比摩爾濃度為5.0mol/L，的摩爾濃度為0.6mol/L，并且二者的體積比也為0.8：1。將與電場相連的電源電流調(diào)整為20mA，與磁場相連電源的電流調(diào)整為40mA。

實(shí)施例6

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液配比摩爾濃度為5.0mol/L，的摩爾濃度為0.6mol/L。

實(shí)施例7

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液配比摩爾濃度為5.0mol/L，的摩爾濃度為0.6mol/L。20℃下反應(yīng)5min后，將與電場相連的電源電流調(diào)整為30mA，與磁場相連電源的電流調(diào)整為50mA，然后繼續(xù)反應(yīng)30min，蝕刻反應(yīng)結(jié)束。

實(shí)施例8

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液配比摩爾濃度為4.4mol/L，的摩爾濃度為0.3mol/L。

實(shí)施例9

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液配比摩爾濃度為4.4mol/L，的摩爾濃度為0.3mol/L。與磁場相連電源的電流調(diào)整為20mA，與磁場相連電源的電流調(diào)整為50mA。

實(shí)施例10

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液配比摩爾濃度為4.4mol/L，的摩爾濃度為0.3mol/L。與磁場相連電源的電流調(diào)整為50mA，與磁場相連電源的電流調(diào)整為80mA。

本發(fā)明在貴金屬輔助化學(xué)蝕刻制備硅微納米結(jié)構(gòu)的過程中施加電場和磁場，通過控制電場和磁場的大小，可以改變貴金屬輔助化學(xué)蝕刻的制備過程，從而可以得到方向可控的硅納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明操作簡單方便，能夠克服晶向力、溶液黏性阻力控制腐蝕方向，可重復(fù)性高，制備硅納米結(jié)構(gòu)效率高，便于大規(guī)模使用，在微電子、光電子、太陽能電池以及傳感器等方面具有重要的應(yīng)用前景。