專(zhuān)利名稱(chēng)：硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一維納米材料的制備方法，尤其涉及一種硅納米結(jié)構(gòu)的制備 方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展方向是更小、更快、更低能耗。然而，從微米電子時(shí) 代進(jìn)入納米電子時(shí)代之后，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)--光刻工藝("自上而下" 的4支術(shù))顯得越來(lái)越難以滿(mǎn)足現(xiàn)在和未來(lái)的要求。由此，"自下而上，，的技術(shù)， 或稱(chēng)為自組裝技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。目前，人們已經(jīng)利用這種自組 裝技術(shù)合成了各種納米結(jié)構(gòu)，包括納米線、納米管，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括 納米電子、納米光學(xué)、納米感測(cè)器等。由于硅是目前半導(dǎo)體業(yè)界最常用的材
料，所以，相對(duì)而言，對(duì)硅納米結(jié)構(gòu)的制備研究較多。早在1964年，已經(jīng)有 科研工作者在硅基底上垂直合成微米級(jí)的硅須(Silicon Whisker)。發(fā)展到目 前，娃納米線的合成方法包括化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CCVD),激光蒸發(fā)法(Laser Evaporation), 直接熱蒸發(fā)法(Direct Thermal Evaporation), 模板合成法(Template Synthesis)等。
Yiying Wu等人在2002年報(bào)道了 一種珪納米線結(jié)構(gòu)及其制備方法(請(qǐng)參 見(jiàn)，"Block-by-Block Growth of Single-Crystalline Si/SiGe Superlattice Nanowires", Nano Letters, Vol. 2, No. 2, P83-86 (2002))。該制備方法為在(lll) 硅單晶片(Si Wafer)上制備一層厚度約20納米的金薄膜；然后將其置于石英 爐內(nèi)，并通入比值為1: 50的氫氣(H2)和四氯化硅(SiCU);利用脈沖激光間 斷的燒蝕一 Ge靶，同時(shí)加熱至高溫下發(fā)生反應(yīng)，從而在硅單晶片上生長(zhǎng)出 硅納米線。然而，該方法制備的硅納米線結(jié)構(gòu)中并非單晶的硅納米線結(jié)構(gòu)， 含有Si/SiGe超晶格異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
最近一種新的制備硅納米線結(jié)構(gòu)的方法，其具體包括以下步驟在硅單 晶片的表面上形成一層金屬催化劑層；將含有金屬催化劑的硅單晶片置于石 英管內(nèi)，在500 1000。C度反應(yīng)溫度下通入含硅的反應(yīng)氣及氫氣，進(jìn)行反應(yīng)；在硅單晶片的晶面上生長(zhǎng)出硅納米線。該方法制備的硅納米線具有確定的取 向。
然而，采用上述兩種現(xiàn)有技術(shù)制備硅納米結(jié)構(gòu)需要預(yù)先在硅單晶片表面 采用物理氣相沉積法或化學(xué)氣相沉積法形成一催化劑層。由于該步驟需用專(zhuān) 門(mén)的薄膜沉積設(shè)備，且通常在真空環(huán)境下進(jìn)行，所以工藝較為復(fù)雜，制備成 本高。而且，現(xiàn)有技術(shù)一般采用金、銅、鐵作為催化劑制備硅納米結(jié)構(gòu)，催 化劑的熔點(diǎn)高，制備效率低。
有鑒于此，確有必要提供一種制備工藝簡(jiǎn)單，制備成本低，且制備效率 高的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
一種硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其具體包括以下步驟提供一生長(zhǎng)裝置， 且該生長(zhǎng)裝置包括一加熱爐以及一反應(yīng)室；提供一生長(zhǎng)基底，并將該生長(zhǎng)基 底與一催化劑材料間隔置于反應(yīng)室內(nèi)；向反應(yīng)室通入流量比10:1 1:10的石圭源 氣體與氬氣，并加熱至500 1100。C,生長(zhǎng)^圭納米結(jié)構(gòu)。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，釆用本發(fā)明提供的方法制備硅納米結(jié)構(gòu)，由于催化劑 材料與生長(zhǎng)基底分離，無(wú)需將催化劑材料沉積到生長(zhǎng)基底上，工藝簡(jiǎn)單，易 于實(shí)現(xiàn)。


圖1為本技術(shù)方案實(shí)施例的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法流程圖。 圖2為本技術(shù)方案實(shí)施例采用的硅納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)裝置的示意圖。 圖3為本技術(shù)方案實(shí)施例制備的硅納米結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。 圖4為本技術(shù)方案實(shí)施例二次生長(zhǎng)制備的硅納米結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖對(duì)本技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參閱圖l及圖2，本技術(shù)方案實(shí)施例提供一種硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，
具體包括以下步驟
步驟一，提供一生長(zhǎng)裝置30,且該生長(zhǎng)裝置30包括一加熱爐302以及一反應(yīng)室304。
本實(shí)施例中，所述反應(yīng)室304優(yōu)選為一石英管，其兩端分別具有一入氣口 306和一 出氣口 308。該石英管置于加熱爐302內(nèi)可移動(dòng)，且其長(zhǎng)度比加熱爐302 長(zhǎng)，這樣使得在實(shí)驗(yàn)中推、拉移動(dòng)石英管時(shí)，總能保持石英管有一部分可以 置于加熱爐302的內(nèi)部。
該反應(yīng)室304內(nèi)還包括一承載裝置310，該承載裝置310為一高熔點(diǎn)的容 器。本實(shí)施例中，承載裝置310優(yōu)選為一陶瓷反應(yīng)舟，該陶t:反應(yīng)舟的形狀不 限，其大小可以根據(jù)反應(yīng)室304的大小而選擇。
步驟二，提供一生長(zhǎng)基底314,并將該生長(zhǎng)基底314與一催化劑材料312 間隔置于反應(yīng)室304內(nèi)。
在使用前，可以先將該催化劑材料312置入稀釋的酸性溶液中浸泡2 10 分鐘，以除去催化劑材料312中的氧化層以及催化劑材料312本身的雜質(zhì)。本 實(shí)施例中，酸性溶液優(yōu)選為稀釋的鹽酸溶液。然后，將催化劑材料312置入承 載裝置310內(nèi)。
所述催化劑材料312為一金屬材料，如金、鐵、鋁等。本實(shí)施例中，催 化劑材料312優(yōu)選為一定量的鋁粉。
生長(zhǎng)基底314放入反應(yīng)室304前，先用超聲波清洗10 20分鐘。然后，將 該生長(zhǎng)基底314置于反應(yīng)室304內(nèi)，且確保蒸發(fā)的催化劑材料312可以沉積到所 迷生長(zhǎng)基底314上，且與反應(yīng)氣體接觸，并發(fā)生反應(yīng)?？梢岳斫?，生長(zhǎng)基底314 應(yīng)置于承載裝置310的正上方或置于承載裝置310與出氣口308之間。本實(shí)施例 中，優(yōu)選地，將生長(zhǎng)基底314放置于所述承載裝置310的正上方。
所述生長(zhǎng)基底314可以為一含硅的非金屬耐高溫材料。如硅片、石英片、 藍(lán)寶石或玻璃等。本實(shí)施例中，生長(zhǎng)基底314優(yōu)選為一硅單晶片。所述硅單晶 片可以為(IOO)硅單晶片、(110)硅單晶片或(lll)硅單晶片。所謂(IOO)硅單 晶片、(110)硅單晶片及(111)硅單晶片是指表面為(100)晶面、(110)晶面或 (lll)晶面的硅單晶片。將完整的硅晶體沿預(yù)定方向切割，即可得到表面為三 種晶面的硅單晶片。所述生長(zhǎng)基底314大小不限，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇。
步驟三，向反應(yīng)室304通入娃源氣體與氬氣，并加熱至反應(yīng)溫度，生長(zhǎng)珪 納米結(jié)構(gòu)。
該生長(zhǎng)硅納米結(jié)構(gòu)的過(guò)程具體包括以下步驟首先，從入氣口306通入保護(hù)氣體，用以將反應(yīng)室304內(nèi)的空氣排出，同 時(shí)形成氣流方向316從入氣口306到出氣口308。
通入保護(hù)氣體的流量為200~2000毫升/分。所述的保護(hù)氣體為氮?dú)饣蚨栊?氣體，本實(shí)施例優(yōu)選的保護(hù)氣體為氬氣。
其次，通入硅源氣體與氬氣。
當(dāng)通入保護(hù)氣體半小時(shí)后，繼續(xù)通入保護(hù)氣體，同時(shí)通入硅源氣體與氬 氣。所述硅源氣體與氫氣的流量比10:1 1:10。其中，硅源氣體為硅烷類(lèi)的衍 生物氣，卣化硅，卣硅烷等，本實(shí)施例中，優(yōu)選SiCU氣體作為硅源氣體。所 述珪源氣體的流量為10 1000毫升/分，氫氣的流量為10 1000毫升/分。本實(shí) 施例中，硅源氣體的流量?jī)?yōu)選為150毫升/分，氬氣的流量為200毫升/分。該 保護(hù)氣體與硅源氣體以及氫氣可以通過(guò)連接入氣口 306的同 一 閥門(mén)或不同閥 門(mén)控制通入。
最后，加熱反應(yīng)室304至反應(yīng)溫度進(jìn)4于反應(yīng)，生長(zhǎng),圭納米結(jié)構(gòu)。 當(dāng)通入反應(yīng)氣體后，開(kāi)始對(duì)反應(yīng)室304進(jìn)4于加熱至反應(yīng)溫度。升溫速度為 20。C/分鐘。生長(zhǎng)硅納米結(jié)構(gòu)的時(shí)間約為10 卯分鐘?？梢岳斫?，本實(shí)施例中 還可以先對(duì)反應(yīng)室304進(jìn)行加熱后再通入硅源氣體與氫氣，或者在對(duì)反應(yīng)室 304進(jìn)行加熱的同時(shí)通入珪源氣體與氫氣。反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)室304內(nèi)壓強(qiáng)可 以為1 50托。
所述反應(yīng)溫度與所選的催化劑材料312的熔點(diǎn)有關(guān)，其范圍為500-1100 。C。本實(shí)施例中采用鋁粉作為催化劑材料312,反應(yīng)溫度優(yōu)選為80(TC。當(dāng)反 應(yīng)室304溫度高于660。C (鋁粉的熔點(diǎn))后，陶資反應(yīng)舟內(nèi)的鋁粉開(kāi)始熔化， 并蒸發(fā)。蒸發(fā)的鋁沉積到所述硅單晶片的晶面上。在鋁的催化作用下，硅源 氣體與氫氣發(fā)生反應(yīng)，沉積硅到生長(zhǎng)基底310,開(kāi)始生長(zhǎng)硅納米結(jié)構(gòu)。該硅納 米結(jié)構(gòu)可以包括硅納米線或硅納米晶錐，且該硅納米線或硅納米晶錐均是沿 硅單晶片的晶面外延<111>晶向生長(zhǎng)?？梢岳斫猓砻婢哂胁煌娴墓鑶?br> 晶片具有其各自不同的外延<111>晶向。
進(jìn)一步，本實(shí)施例還包括一在上述硅納米結(jié)構(gòu)上進(jìn)行二次成核，生長(zhǎng)枝
狀的硅納米結(jié)構(gòu)的步驟。當(dāng)硅納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)一段時(shí)間后，停止加熱，隨著反 應(yīng)室304的溫度降低，催化劑材料312停止蒸發(fā)，硅納米結(jié)構(gòu)停止生長(zhǎng)。然后， 再重新加熱反應(yīng)室304至反應(yīng)溫度，此時(shí)，在催化劑材料312作用下，硅源氣體與氫氣再次發(fā)生反應(yīng)，并在硅納米結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)出與硅單晶片的表面垂直的 枝狀的硅納米結(jié)構(gòu)。該枝狀的硅納米結(jié)構(gòu)為包括形成于晶面上的硅納米晶錐 陣列以及形成于該硅納米晶錐陣列上的多個(gè)硅納米晶錐，可以用作場(chǎng)發(fā)射電 子器件。
釆用本實(shí)施例提供的方法制備硅納米結(jié)構(gòu)，由于催化劑材料312與生長(zhǎng)基 底310分離，無(wú)需將催化劑材料312沉積到生長(zhǎng)基底310上，工藝簡(jiǎn)單，制備成 本低，易于實(shí)現(xiàn)。另外，該方法釆用鋁粉作為催化劑，由于鋁熔點(diǎn)低，易于 蒸發(fā)，所以硅納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)出效率高。
本實(shí)施例中，以反應(yīng)溫度為800。C,硅源氣體的流量為150毫升/分，生長(zhǎng) 了硅納米結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖3，為本實(shí)施例中，于表面具有(100)晶面的硅單晶 片上生長(zhǎng)的硅納米結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。該硅納米結(jié)構(gòu)包括 一硅單晶片， 且該硅單晶片包括一(100)晶面，以及一硅納米晶錐陣列形成于所述(100)晶面 上。所述硅納米晶錐陣列包括多個(gè)硅納米晶錐。該硅納米晶錐為一單晶體， 且其沿所述(100)晶面的四個(gè)外延<111>晶向生長(zhǎng)。每個(gè)硅納米晶錐包括一尖 端，且該尖端沿著<111>晶向，向遠(yuǎn)離所述硅單晶片的晶面的方向延伸。
所述硅納米晶錐長(zhǎng)度不限，硅納米晶錐的長(zhǎng)度可以為50納米~ 1 OO微米。 所述硅納米晶錐可以為各種棱錐，本實(shí)施例中，該硅納米晶錐為六棱錐。
請(qǐng)參閱圖4，為本實(shí)施例通過(guò)二次生長(zhǎng)制備得到的枝狀的硅納米結(jié)構(gòu)。該 技狀的硅納米結(jié)構(gòu)包括了形成于(100)晶面上的硅納米晶錐陣列以及形成于 該硅納米晶錐陣列上的多個(gè)硅納米晶錐。所述硅納米晶錐也為一單晶體，其 基本垂直于所述硅單晶片的(100)晶面，且其尖端沿著遠(yuǎn)離所述硅單晶片的 (IOO)晶面的方向延伸。
本發(fā)明制備的硅納米結(jié)構(gòu)，可直接應(yīng)用于納米光電子學(xué)領(lǐng)域，例如采用 圖案化生長(zhǎng)，可制得相應(yīng)圖案形狀的納米結(jié)構(gòu)，直接用作光器件。亦可利用 本發(fā)明形成的硅納米結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)處理得到相應(yīng)形狀的平面器件，應(yīng)用于納米 電子學(xué)領(lǐng)域等。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依 據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其具體包括以下步驟提供一生長(zhǎng)裝置，且該生長(zhǎng)裝置包括一加熱爐以及一反應(yīng)室；提供一生長(zhǎng)基底，并將該生長(zhǎng)基底與一催化劑材料間隔置于反應(yīng)室內(nèi)；向反應(yīng)室通入流量比10∶1～1∶10的硅源氣體與氫氣，并加熱至500～1100℃，生長(zhǎng)硅納米結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述生長(zhǎng)基底 為一硅片、石英片、藍(lán)寶石或玻璃。
3. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述催化劑材 料為一金屬材料。
4. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)室包 括一入氣口與 一 出氣口 ，且生長(zhǎng)基底置于催化劑材料的正上方或置于催 化劑材料與出氣口之間。
5. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，向反應(yīng)室通入 硅源氣體與氬氣前，先通入保護(hù)氣體。
6. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述硅源氣體 流量為10 1000毫升/分，所述氫氣的流量為20-1000毫升/分。
7. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述硅源氣體 包括囟化硅，硅烷及其衍生物以及囟硅烷中的 一種或多種。
8. 如權(quán)利要求7述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述硅源氣體為 四氯化J圭。
9. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法制備的 硅納米結(jié)構(gòu)包括多個(gè)硅納米晶錐，該硅納米晶錐的長(zhǎng)度為50納米 100微 米。
10. 如權(quán)利要求l所述的硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，生長(zhǎng)硅納米結(jié) 構(gòu)后，停止加熱， 一纟殳時(shí)間后，重新加熱反應(yīng)室至500 1100。C,在上述 硅納米結(jié)構(gòu)上進(jìn)行二次成核，生長(zhǎng)枝狀的硅納米結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法，其具體包括以下步驟提供一生長(zhǎng)裝置，且該生長(zhǎng)裝置包括一加熱爐以及一反應(yīng)室；提供一生長(zhǎng)基底，并將該生長(zhǎng)基底與一催化劑材料間隔置于反應(yīng)室內(nèi)；向反應(yīng)室通入流量比10∶1～1∶10的硅源氣體與氫氣，并加熱至500～1100℃，生長(zhǎng)硅納米結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C23C14/18GK101550531SQ20081006639
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者姜開(kāi)利, 孫海林, 李群慶, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司