本實(shí)用新型屬于硅表面加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的電磁耦合裝置。

背景技術(shù)：

硅納米結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)能電池、微電子、傳感器以及光電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。目前制備硅納米結(jié)構(gòu)的方法包括濕法刻蝕與干法刻蝕。相對(duì)于干法刻蝕而言，濕法刻蝕操作更簡(jiǎn)單，成本更低，更有利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。而貴金屬催化化學(xué)腐蝕作為濕法刻蝕中的一種，自然也備受關(guān)注。但是金屬催化化學(xué)腐蝕由于受到硅自身晶向力的影響，金屬粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡具有隨機(jī)性，無(wú)法控制蝕刻方向從而制備出復(fù)雜地硅納米結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述刻蝕技術(shù)存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的電磁耦合裝置，利用電磁場(chǎng)耦合原理來(lái)控制金屬粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡從而有效地控制硅表面納米結(jié)構(gòu)，具有提高制備效率、成本低、實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取如下技術(shù)方案：

制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的電磁耦合裝置，包括：反應(yīng)釜（8）、電源（3）；反應(yīng)釜（8）包括筒狀的銜鐵（10），銜鐵（10）的上口、下口分別由頂蓋、底蓋封住，銜鐵（10）的內(nèi)壁安裝有對(duì)稱(chēng)的兩石墨電極（9），兩側(cè)石墨電極（9）的相對(duì)面相平行；銜鐵（10）外壁纏繞有漆包線(xiàn)繞線(xiàn)組（11）；銜鐵內(nèi)安裝托架（14），托架用于安放硅片（13），硅片（13）處于兩石墨電極（9）之間且與兩石墨電極（9）的相對(duì)面相平行，硅片（13）將反應(yīng)釜（8）分隔成兩個(gè)腔室；電源（3）的正負(fù)極分別與兩石墨電極板（9）電連接，電源（3）的正負(fù)極還與漆包線(xiàn)繞線(xiàn)組（11）兩端電連接。

作為優(yōu)選，于反應(yīng)釜外部設(shè)置一盛放蝕刻液的容器（5），反應(yīng)釜內(nèi)的兩個(gè)腔體通過(guò)管道（15）與容器連通，其中，管道（15）包括與反應(yīng)釜（8）連通的兩根支管及一根連通兩支管與容器（5）的主管。

作為優(yōu)選，管道（15）的主管上裝有電磁閥（7）及泵（16），所述泵由電機(jī)（6）驅(qū)動(dòng)。

作為優(yōu)選，電機(jī)（6）與控制單元（4）電連接。

作為優(yōu)選，控制單元（4）與電源（3）、電磁閥（7）電連接。

作為優(yōu)選，控制單元（4）與兩個(gè)液位傳感器（1）電連接，兩個(gè)液位傳感器（1）分別位于反應(yīng)釜（8）的兩個(gè)腔室內(nèi)。

作為優(yōu)選，反應(yīng)釜（8）的底蓋設(shè)有兩廢液排出口（12），兩個(gè)廢液排出口（12）分別對(duì)應(yīng)于反應(yīng)釜（8）的兩腔室，其中廢液排出口處安裝有閥門(mén)。

作為優(yōu)選，電源（3）設(shè)有兩個(gè)電源即第一電源（3A）、第二電源（3B），第一電源（3A）的正負(fù)極分別與兩石墨電極板（9）電連接，第二電源（3B）的正負(fù)極與線(xiàn)組（11）的兩端電連接，第二電源（3B）的正極與線(xiàn)組11電連接的回路中還串接有防過(guò)載電阻（2）。

作為優(yōu)選，銜鐵（10）內(nèi)裝有卡槽（17），卡槽（17）用于放置托架（14）。

作為優(yōu)選，盛放蝕刻液的容器（5）中蝕刻液的組成為氫氟酸與雙氧水的混合溶液。

本實(shí)用新型操作步驟如下：

步驟一：放置硅片。將預(yù)先鍍銀的硅片放置在反應(yīng)釜指定位置。硅片先放置在硅片托架上，再將硅片托架安放在反應(yīng)釜卡槽上。利用硅片托架是為了使硅片能夠完全的隔絕反應(yīng)釜左右兩個(gè)腔室，提高反應(yīng)釜的密封性。

步驟二：向反應(yīng)釜輸蝕刻溶液。將事先混合好的蝕刻溶液放置在蝕刻溶液槽內(nèi)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵將蝕刻溶液輸進(jìn)反應(yīng)釜左右腔室。下面詳細(xì)介紹進(jìn)料過(guò)程：首先，在控制單元內(nèi)設(shè)定特定液位；然后通過(guò)控制單元打開(kāi)電磁閥、開(kāi)啟電機(jī)；再打開(kāi)液位傳感器。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)的混合液液面達(dá)到預(yù)設(shè)液位，液位傳感器傳輸某一特定信號(hào)到控制單元，控制單元關(guān)閉電機(jī)、電磁閥，向反應(yīng)釜輸蝕刻溶液結(jié)束。

步驟三：電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下制備硅納米結(jié)構(gòu)。其中，電場(chǎng)是由一對(duì)通電的石墨電極形成，磁場(chǎng)是由銜鐵、漆包線(xiàn)、防短路電阻、圓柱形反應(yīng)釜、直流電源形成。在化學(xué)溶液中發(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(dòng)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(guò)程中，貴金屬在氧化劑和還原劑中間，由于電荷的移動(dòng)貴金屬表面會(huì)聚集大量的移動(dòng)電子從而使貴金屬表面帶電性，如圖2所示。具有電性的貴金屬顆粒在電場(chǎng)的作用下受到某一方向的力，貴金屬將沿著這一方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在該方向進(jìn)行蝕刻加工，此時(shí)貴金屬有了一初始速度，在磁場(chǎng)作用下帶電粒子由于洛倫茲力作用改變運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而改變單晶硅表面的形貌結(jié)構(gòu)。在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，帶電性的貴金屬粒子會(huì)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力的共同作用。由力的合成理論可知，貴金屬粒子將受到沿某一方向的合力作用并且沿該方向運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

電場(chǎng)、磁場(chǎng)電流大小和二者電源開(kāi)啟的時(shí)間都可由控制單元調(diào)控?？刂茊卧刂齐娫纯偝墒紫乳_(kāi)啟與電場(chǎng)相連的電源，開(kāi)啟某一特定時(shí)間后，再開(kāi)啟與磁場(chǎng)相連的電源。例如，在控制單元設(shè)定3A電源直流電流大小為50mA，B電源直流電流大小為100mA，設(shè)置3A、3B電源開(kāi)啟時(shí)間分別為60min、59min。先開(kāi)啟電場(chǎng)的3A電源1min后再開(kāi)啟磁場(chǎng)的3B電源。待達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，控制單元使3A、3B電源斷電。

步驟四：排出廢液。打開(kāi)反應(yīng)釜底部的閥門(mén)就可以直接排出反應(yīng)過(guò)的廢液。

本實(shí)用新型利用帶電粒子在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力，在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的特點(diǎn)，創(chuàng)造性的引入磁場(chǎng)和電場(chǎng)來(lái)加工硅表面的概念。

在本實(shí)用新型的優(yōu)選方案中，可以通過(guò)控制單元來(lái)設(shè)定特定電磁場(chǎng)參數(shù)，結(jié)合化學(xué)腐蝕過(guò)程即可制得具有可控性的硅表面納米結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的電磁耦合裝置具有操作簡(jiǎn)單、智能化程度高、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的電磁耦合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是貴金屬帶電示意圖。

圖3是帶電貴金屬在電磁場(chǎng)下的受力簡(jiǎn)圖。

圖4是電磁耦合裝置作用下的硅表面形貌結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。

圖中，1-液位傳感器、2-防過(guò)載電阻、3-電源、4-控制單元、5-容器、6-電機(jī)、7-電磁閥、8-反應(yīng)釜、9-石墨電極、10-銜鐵、11-漆包線(xiàn)繞線(xiàn)組、12-廢液排出口、13-硅片、14-托架，15-管道、16-泵、17-卡槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的電磁耦合裝置包括盛放蝕刻液容器5、反應(yīng)釜8、電源3，管道15包括兩個(gè)支管和一個(gè)總管，總管與兩支管連通，容器5通過(guò)總管以及兩支管連通反應(yīng)釜8，管道15的總管上裝配有電磁閥7和泵16，泵16由電機(jī)6驅(qū)動(dòng)。

控制單元4與電機(jī)6、電磁閥7、電源3和液位傳感器1電連接。

反應(yīng)釜8包括筒狀銜鐵10，銜鐵10的上下口各有蓋子封住。筒狀銜鐵10具有內(nèi)部容納區(qū)，其外壁纏繞有漆包線(xiàn)繞線(xiàn)組11，內(nèi)壁安裝有對(duì)稱(chēng)的兩塊石墨電極9，兩塊石墨電極9的相對(duì)面相平行。

銜鐵10的內(nèi)壁安裝有兩卡槽17，兩卡槽17間安裝托架14，托架14用于安放硅片13，硅片13將銜鐵10的內(nèi)部容納區(qū)分為兩個(gè)隔離的腔室，每個(gè)腔室各安裝有一個(gè)液位傳感器1；且兩腔室分別通入前述管道15的一支管。

銜鐵10底蓋開(kāi)有兩個(gè)廢液排出口12，兩個(gè)廢液排出口12對(duì)應(yīng)于銜鐵10內(nèi)部的兩個(gè)腔室。

電源3包括電源3A、電源3B，電源3A的正負(fù)極分別與兩石墨電極9電連接；電源3B的正負(fù)極分別與漆包線(xiàn)繞線(xiàn)組11的兩端電連接，且電源3B的正極與漆包線(xiàn)繞線(xiàn)組11的連接導(dǎo)線(xiàn)上設(shè)有防過(guò)載電阻2。

將預(yù)先鍍銀的硅片13放置在硅片托架14上，再將安有硅片13的托架14放到反應(yīng)釜8的卡槽17上。在控制單元4上設(shè)置反應(yīng)釜8的液面參數(shù)t，通過(guò)控制單元4打開(kāi)電磁閥7以及電機(jī)6，將容器5中的蝕刻液通過(guò)泵16輸送到反應(yīng)釜8的兩個(gè)腔室中。其中，蝕刻液由氫氟酸和雙氧水溶液混合而成。當(dāng)蝕刻液液面達(dá)到設(shè)定位置時(shí)，液位傳感器1發(fā)出反饋信號(hào)到控制單元4，控制單元4發(fā)出關(guān)閉電機(jī)6、電磁閥7的指令?？刂茊卧?控制與電磁場(chǎng)相連的電源3，設(shè)置開(kāi)啟時(shí)間分別為60min、90min。在控制單元4上設(shè)定與電場(chǎng)相連的3A電源直流電流大小為50mA，與磁場(chǎng)相連的3B電源直流電流大小為100mA。先開(kāi)啟3A電源1min后再開(kāi)啟3B電源。待達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，控制單元4發(fā)出切斷電場(chǎng)、磁場(chǎng)電源的指令。最后打開(kāi)廢液排出口12的閥門(mén)，排出廢液，完成蝕刻過(guò)程。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：電源3的開(kāi)啟時(shí)間分別為30min、60min。在控制單元4上設(shè)定與電場(chǎng)相連的3A電源直流電流大小為50mA，與磁場(chǎng)相連的3B電源直流電流大小為80mA。先開(kāi)啟3A電源1min后再開(kāi)啟3B電源。

其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：電源3的開(kāi)啟時(shí)間分別為30min、60min。在控制單元4上設(shè)定與電場(chǎng)相連的3A電源直流電流大小恒為50mA，與磁場(chǎng)相連的3B電源直流電流大小為20、40、80mA。先開(kāi)啟3A電源1min后再開(kāi)啟3B電源。其中，3B電源前20min之內(nèi)輸出的直流電流大小為20mA，20~40min之間輸出的直流電流大小為40mA，40~60min之間輸出的直流電流大小為80mA。

其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：電源3A的開(kāi)啟時(shí)間為60min，在控制單元上設(shè)定與電場(chǎng)相連的3A電源直流電流大小為50mA，與磁場(chǎng)相連的3B電源一直未開(kāi)啟。

其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：本實(shí)施例制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的裝置中不含控制單元、管道、電機(jī)、泵、電磁閥、液位傳感器等，而是將容器中的蝕刻液直接倒進(jìn)反應(yīng)釜中，開(kāi)啟電源后進(jìn)行硅表面納米化過(guò)程。

其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

本實(shí)用新型屬于硅表面加工領(lǐng)域，具體涉及制備可控加工的硅表面納米結(jié)構(gòu)的裝置。本實(shí)用新型在貴金屬輔助化學(xué)蝕刻制備硅納米結(jié)構(gòu)的過(guò)程中引入電場(chǎng)與磁場(chǎng)技術(shù)，通過(guò)控制電磁場(chǎng)的大小來(lái)改變貴金屬的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)可控的硅納米結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能夠制備出復(fù)雜的硅納米結(jié)構(gòu)并且效率高，便于工業(yè)化應(yīng)用。