本發(fā)明屬于硅微納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以控制硅納米線走向的加工裝置。

背景技術(shù)：

硅微納米結(jié)構(gòu)具有十分重要作用，憑借其優(yōu)異的物理性質(zhì)、光電學(xué)特性、熱穩(wěn)定性以及表面特性在太陽能電池、微電子、光電子、MEMS器件及生化傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。制備硅納米線的方法很多，而金屬輔助化學(xué)刻蝕方法因優(yōu)點(diǎn)突出得到了廣泛應(yīng)用。對金屬輔助化學(xué)刻蝕調(diào)控的方法數(shù)不勝數(shù)，但是主要集中于溶液的配比、單晶硅晶向、催化劑種類等內(nèi)在因素研究。雖然利用控制變量法能夠研究這些參數(shù)變量，但是內(nèi)部參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)性、相互制約性難以精確把握在反應(yīng)過程，這使得在制備硅納米線結(jié)構(gòu)存在很多不確定性，制備方法的可重復(fù)性比較低、加工質(zhì)量低下。因此這種以原有化學(xué)腐蝕體系為基礎(chǔ)的調(diào)控制備硅納米線結(jié)構(gòu)還需進(jìn)行更加深入地研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種可以控制硅納米線走向制備硅納米結(jié)構(gòu)的裝置。在金屬輔助化學(xué)蝕刻法的基礎(chǔ)上，提出利用電場控制貴金屬粒子的運(yùn)動軌跡從而能夠有效的制備出硅納米線。在制備硅納米線的過程中，可以通過改變電場與硅片的夾角大小來控制硅納米線的走向，本發(fā)明裝置改變電場與硅片夾角是通過移動惰性電極對實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明裝置具有制備硅納米結(jié)構(gòu)效率高、可控性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、靈活性較高等特點(diǎn)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：控制硅納米線走向的裝置，包括反應(yīng)釜體、可調(diào)電源、控制單元、盛放蝕刻溶液器皿和泵，所述反應(yīng)釜體的中部設(shè)有硅片架，所述反應(yīng)釜體由所述硅片架及硅片平分為左右兩個(gè)腔室，所述盛放蝕刻溶液器皿通過管道分別連接至所述兩個(gè)腔室，所述泵設(shè)于所述管道的前端，所述反應(yīng)釜體的頂部設(shè)有端蓋，所述端蓋上設(shè)有環(huán)形導(dǎo)軌和滑塊，所述滑塊與所述環(huán)形導(dǎo)軌相匹配，所述兩個(gè)腔室分別設(shè)有惰性電極，所述惰性電極與所述硅片架相對面為平面，所述惰性電極通過穿設(shè)于所述端蓋及所述滑塊的長螺栓與所述可調(diào)電源電連接，兩個(gè)長螺栓通過連桿連接，所述惰性電極與所述可調(diào)電源電連接，所述可調(diào)電源和所述泵分別受所述控制單元的控制。

所述惰性電極與所述連桿之間的長螺栓上套設(shè)有第一彈性體。

所述第一彈性體為長彈簧。

所述硅片架通過短螺栓與所述端蓋連接，所述連桿的中部設(shè)有帶孔的連接部，所述連接部套設(shè)于所述短螺栓上，所述連接部與所述端蓋之間的短螺栓上套設(shè)有第二彈性體。

所述第二彈性體為短彈簧。

所述反應(yīng)釜體為圓筒狀，所述惰性電極的背面為圓弧面，所述圓弧面與所述反應(yīng)釜體內(nèi)壁貼合。

所述端蓋上在所述環(huán)形導(dǎo)軌的外周設(shè)有分度盤。

所述長螺栓的上端設(shè)有鎖緊螺母。

所述惰性電極與所述可調(diào)電源的連線上設(shè)有電阻。

所述兩個(gè)腔室內(nèi)分別設(shè)有液位傳感器。

本發(fā)明利用帶電粒子在電場中受電場力且力的方向與電場線方向平行的特點(diǎn)，調(diào)控電場與硅片表面夾角使金屬粒子運(yùn)動方向與硅片表面發(fā)生改變，進(jìn)而使制備出的硅納米線走向不同，同時(shí)利用外加電場制備硅納米結(jié)構(gòu)可以克服單晶硅晶向力制備不同走向單晶硅納米線。本發(fā)明制備可控硅表面納米結(jié)構(gòu)的裝置具有操作簡單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)，適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

圖1為電場作用下金屬輔助化學(xué)蝕刻反應(yīng)模型，

圖2為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖3為本發(fā)明裝置的立體示意圖，

圖4為圖3反應(yīng)部分剖視圖，

圖5為圖3反應(yīng)部分端蓋示意圖，

圖6為電場線方向與硅片成90°時(shí)制備的硅納米線SEM圖，

圖7為電場線方向與硅片成75°時(shí)制備的硅納米線SEM圖，

圖8為電場線方向與硅片成45°時(shí)制備的硅納米線SEM圖。

具體實(shí)施方式

如圖2至圖4所示，控制硅納米線走向的裝置，裝置由兩部分組成：一部分是由可調(diào)電源15、電阻14、控制單元16、盛放蝕刻溶液器皿17、泵18、管道19構(gòu)成的外部系統(tǒng)，另一部分是由反應(yīng)釜體13及其附屬零部件組成的內(nèi)部系統(tǒng)。該裝置內(nèi)部系統(tǒng)所有構(gòu)件為螺母1、長螺栓7、長彈簧8、滑塊2、端蓋3、短螺栓4、短彈簧5、連桿6、硅片架10、密封墊片11、惰性電極12、反應(yīng)釜體13、液位傳感器20。所述反應(yīng)釜體的中部設(shè)有硅片架，所述反應(yīng)釜體由所述硅片架及硅片平分為左右兩個(gè)腔室，所述盛放蝕刻溶液器皿通過管道分別連接至所述兩個(gè)腔室，所述泵設(shè)于所述管道的前端，所述反應(yīng)釜體的頂部設(shè)有端蓋，所述端蓋上設(shè)有環(huán)形導(dǎo)軌和滑塊，所述滑塊與所述環(huán)形導(dǎo)軌相匹配，所述兩個(gè)腔室分別設(shè)有惰性電極，所述惰性電極通過穿設(shè)于所述端蓋及所述滑塊的長螺栓與所述可調(diào)電源電連接，兩個(gè)長螺栓通過連桿連接，所述惰性電極與所述可調(diào)電源電連接，所述可調(diào)電源和所述泵分別受所述控制單元的控制。

所述反應(yīng)釜體為圓筒狀，所述惰性電極的背面為圓弧面，所述圓弧面與所述反應(yīng)釜體內(nèi)壁貼合。所述惰性電極與所述硅片架相對面為平面。

硅片托架包括架體和密封墊。在反應(yīng)釜腔室中間部位有一個(gè)卡槽，可以將架體連同密封墊一起插入該卡槽。密封墊圈是為了更好隔絕左右腔室，防止反應(yīng)溶液從硅片托架部位滲漏。

在反應(yīng)開始時(shí)通過控制單元16對泵18發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令，蝕刻溶液通過管道19由器皿17被注入反應(yīng)釜體13左右腔室中，達(dá)到某一液面值。在反應(yīng)的過程中，使某一個(gè)滑塊2沿著端蓋3上的導(dǎo)軌滑行，另一個(gè)滑塊也會相對應(yīng)滑動，因?yàn)樵诙松w3底部鑲嵌一個(gè)內(nèi)置連桿6，連桿6套在長螺栓7上，移動滑塊2將相應(yīng)帶動長螺栓7和惰性電極12，通過連桿6將相應(yīng)帶動另一端長螺栓7、惰性電極12以及滑塊2。其中端蓋上導(dǎo)軌的外周設(shè)有一個(gè)分度盤如圖5所示，具體刻度為±90°、±80°、±70°、±60°、±50°、±40°、±30°。將滑塊移動到某一刻度時(shí)(此時(shí)滑塊上的凹槽對準(zhǔn)某一個(gè)刻度就是對應(yīng)制備出來的硅納米線的傾角)，控制單元16對可調(diào)電源15發(fā)出通電指令，反應(yīng)正式開始。對控制單元設(shè)定反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)到設(shè)定時(shí)間值，控制單元16發(fā)出指令作用在可調(diào)電源15上進(jìn)行斷電，反應(yīng)結(jié)束后打開反應(yīng)釜體底部排液孔，將廢液排除。在反應(yīng)進(jìn)行中，若蝕刻溶液低于設(shè)定液位值，液位傳感器20發(fā)出信號到控制單元16，進(jìn)而控制單元16會給泵18發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令。當(dāng)液位重新恢復(fù)設(shè)定初始液位值，液位傳感器反饋到控制單元16，進(jìn)而使泵18停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

如帶有傾角的硅納米線的硅片作為太陽電池板的基板，可以影響太陽電池表面反射率?？刂乒杓{米線走向?qū)崿F(xiàn)了硅納米線形貌可控。

1、蝕刻反應(yīng)前處理：

(1)鍍銀處理。利用物理方法或者化學(xué)方法對潔凈的硅片表面進(jìn)行鍍銀處理，將已經(jīng)鍍銀的硅片放置一旁待用。

(2)蝕刻溶液配置。蝕刻溶液是由40％氫氟酸(HF)溶液、30％過氧化氫(H₂O₂)溶液、去離子水按照一定的體積比進(jìn)行配制并將刻蝕溶液放置在器皿17中。

2、蝕刻反應(yīng)過程：

(1)放置硅片。將經(jīng)過過程1處理過的硅片放置在硅片托架上，其中硅片托架由托架體和密封墊片組成，然后將硅片托架插入反應(yīng)釜中間部位。這樣做的目的主要是為了隔絕反應(yīng)釜左右釜室溶液流通，使電場能量完全通過硅片。

(2)蝕刻反應(yīng)。將反應(yīng)釜左右腔室注入等液面的蝕刻溶液，然后將兩個(gè)石墨電極調(diào)整成一定角度并接通電源，在常溫常壓情況下進(jìn)行蝕刻反應(yīng)。在電場作用下金屬輔助化學(xué)蝕刻法制備硅納米結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)如附圖1所示：金屬輔助化學(xué)蝕刻法制備硅納米線的過程中，銀顆粒在反應(yīng)的過程中起著“橋梁”作用，一邊連接著陰極氧化劑H₂O₂而另一邊連接著陽極還原劑Si，在氧化還原反應(yīng)發(fā)生的過程中，Si原子會失去電子產(chǎn)生大量空穴而H₂O₂得到電子會被還原成H₂O，此時(shí)會有大量的電荷通過銀顆粒進(jìn)行轉(zhuǎn)移這樣會使本不帶電的銀顆粒顯電性，帶電的銀顆粒在電場作用下會受到電場力作用，進(jìn)而改變銀顆粒的運(yùn)動軌跡制備硅納米線。

硅納米線來自硅基底——硅片。通過去材制造，可以制備出納米線。由圖1可知，當(dāng)眾多金屬粒子同時(shí)刻蝕，金屬粒子間的距離較小，就可以制備出納米線。

3、蝕刻反應(yīng)后處理

(1)去除硅表面銀顆粒。蝕刻反應(yīng)結(jié)束以后將硅片9取出，利用低濃度強(qiáng)氧化性溶液將硅片9表面殘留的銀顆粒進(jìn)行溶解以達(dá)到去除銀顆粒的目的。

(2)干燥。將前一步驟處理好的硅片9利用去離子水反復(fù)沖洗后自然風(fēng)干。

實(shí)施案例1：

利用化學(xué)的方法對潔凈的硅片進(jìn)行鍍銀處理，即將潔凈的硅片放入按照一定體積比的特定濃度的AgNO₃溶液、HF溶液中，在硅片表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)將銀離子轉(zhuǎn)化為銀顆粒，進(jìn)而在硅片表面形成銀膜。配制溶液，蝕刻溶液是由40％氫氟酸(HF)溶液、30％過氧化氫(H₂O₂)溶液、去離子水按照體積比11：2：1進(jìn)行配制，將配置好的溶液放置在器皿17中待用。將(110)型硅片9放入硅片架10中并且連通密封墊圈10一同放入反應(yīng)釜體13特定位置。此時(shí)啟動裝置所有外部系統(tǒng)部件，利用控制單元16發(fā)出轉(zhuǎn)動指令給泵18，經(jīng)管道19將蝕刻溶液從器皿17中注入反應(yīng)釜體13左右腔室中，調(diào)整液位傳感器20高度設(shè)定液位值，當(dāng)蝕刻溶液達(dá)到設(shè)定液位值時(shí)，液位傳感器20發(fā)送信號到控制單元16，然后控制單元16作用泵18發(fā)出停止指令，注液結(jié)束。將某一側(cè)滑塊2凹槽處移動到端蓋3分度盤刻度為90°處，此時(shí)由于整個(gè)裝置的聯(lián)動機(jī)構(gòu)另一端的滑塊也會移動到對應(yīng)90°處，即現(xiàn)在惰性電極對12與硅片9成90°關(guān)系?？刂茊卧?6給可調(diào)電源15設(shè)定恒定電流值為100mA并給石墨電極對通電，蝕刻反應(yīng)開始。同時(shí)，控制單元16給可調(diào)電源15設(shè)定工作時(shí)間30min，即反應(yīng)時(shí)間為30min，當(dāng)時(shí)間達(dá)到30min時(shí)，控制單元16發(fā)出停止指令給可調(diào)電源15，蝕刻反應(yīng)結(jié)束。反應(yīng)結(jié)束后，打開反應(yīng)釜體13排液孔排除廢液。蝕刻反應(yīng)結(jié)束以后將硅片9取出，利用低濃度HNO₃溶液將硅片9表面殘留的銀顆粒進(jìn)行溶解以達(dá)到去除銀顆粒的目的。將處理好的硅片9利用去離子水反復(fù)沖洗后自然風(fēng)干。最后在掃描電鏡下對硅片表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

實(shí)施案例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液是由40％HF溶液、30％H₂O₂、去離子水按照體積比8：2：1進(jìn)行配制。在控制單元16設(shè)定可調(diào)電源15開啟時(shí)間分別為60min、恒定電流值為60mA。其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

實(shí)施案例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液是由40％HF溶液、30％H₂O₂、去離子水按照體積比10：2：1進(jìn)行配制。在控制單元16設(shè)定可調(diào)電源15開啟時(shí)間分別為60min、恒定電流值為80mA。并將滑塊2凹槽處移動到端蓋3分度盤60°出，此時(shí)惰性電極對與硅片9的夾角為60°。其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

實(shí)施案例4：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液是由40％HF溶液、30％H₂O₂、去離子水按照體積比13：1：1進(jìn)行配制。將滑塊2凹槽處移動到端蓋3分度盤60°出，此時(shí)惰性電極對與硅片9的夾角為60°。其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

實(shí)施案例5：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液是由40％HF溶液、30％H₂O₂、去離子水按照體積比10：1：1進(jìn)行配制。在控制單元16設(shè)定可調(diào)電源15開啟時(shí)間分別為40min、恒定電流值為60mA。并將滑塊2凹槽處移動到端蓋3分度盤45°出，此時(shí)惰性電極對與硅片9的夾角為45°。其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

實(shí)施案例6：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：蝕刻溶液是由40％HF溶液、30％H₂O₂、去離子水按照體積比8：2：1進(jìn)行配制。將滑塊2凹槽處移動到端蓋3分度盤45°出，此時(shí)惰性電極對與硅片9的夾角為45°。其它內(nèi)容參照實(shí)施例1。

本發(fā)明在金屬輔助化學(xué)蝕刻制備硅納米結(jié)構(gòu)的過程中加入電場技術(shù)，通過控制電場方向來改變貴金屬的運(yùn)動軌跡進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)可控的硅納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明操作簡單、裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能夠制備出走向不同的硅納米結(jié)構(gòu)、制備效率高、智能化程度高，便于工業(yè)化應(yīng)用。

本發(fā)明提出一種在外加電場作用下金屬輔助化學(xué)刻蝕法制備方向可控的硅納米線加工裝置，利用外加電場來控制金屬粒子運(yùn)動軌跡制備硅納米線，同時(shí)外加電場可以加快刻蝕速率，提高制備的硅納米線質(zhì)量。