專利名稱：一種具有三維凹陷結(jié)構的硅及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有三維凹陷結(jié)構的硅及其制備方法，屬于半導體材料及其制備領域。
背景技術：
具有特殊結(jié)構的納米材料及其表現(xiàn)出來的新奇性質(zhì)已經(jīng)成為人們研究的熱點。這些材 料的很多物理現(xiàn)象已經(jīng)被預言并證實。而在硅表面生長三維立體結(jié)構也是最近研究的焦 點。這種通過自組裝生長得到的三維結(jié)構在光電器件等領域具有重要的應用前景。硅是半導體工藝中最為重要的材料之一，在硅上面生長納米或微米結(jié)構具有重要的意 義。本發(fā)明涉及的三維立體結(jié)構具有直棱柱外形，可以作為二次生長其它納米材料(如氧 化鋅等)的容器或模板。另外，上述結(jié)構也可以在MEMS得到應用。在硅的三維凹陷結(jié)構 的基礎上可以生長硅的直棱柱等三維中空結(jié)構，研究這種結(jié)構可以揭示硅的自組裝特性。目前，這種硅的倒屋頂結(jié)構的制備方法還未見報導。與此類似，在硅基底上制備"井" 結(jié)構一般采用電子束爆光(Electron-Beam Lithography)法[L. Vescan, et al. Self-assembling of Ge on finite Si.001. areas comparable with the island size. Applied Physics Letters 82， 3517 (2003)]和KOH腐蝕[Shyh-Shin Ferng， et al. Growth behaviour of Ge nano-islands on the nanosized Si (111) facets bordering on two (100) planes. Nanotechnology 17, 5207 (2006)]等 方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有三維凹陷結(jié)構的硅及其制備方法。 上述具有三維凹陷結(jié)構的硅的三維凹陷結(jié)構為直棱柱形，其底面為多邊形，依次包括 邊A1， A2， Bl， B2， Cl， C2，其中A1平行于B2， B1平行于C2， C1平行于A2; Al， Bl， CI所在的直線兩兩相交得到的三個交點形成的三角形為正三角形，如附圖1所示。該凹陷結(jié)構的底面為對邊兩兩平行，內(nèi)角為120°的六邊形。特別的，當A2， B2, C2 中有一個為零時，該底面為五邊形，該三維凹陷結(jié)構為五棱柱形；當A2， B2， C2中有兩個為零時，該底面為等腰梯形，該三維凹陷結(jié)構為四棱柱形；當A2， B2， C2均為零時， 該底面為正三角形，該三維凹陷結(jié)構為正三棱柱形。根據(jù)得到掃描電鏡(SEM)圖片，上述各棱柱形底面的長度均在1微米至50微米之間； 整個棱柱外形的高度在1微米至5微米之間。本發(fā)明通過氣相沉積方法制備上述具有三維凹陷結(jié)構的硅。整個反應在真空腔室中進 行，使用惰性氣體為保護氣體。此法沒有使用催化劑，提供了一種具有三維凹陷結(jié)構的硅 的制備方法。本發(fā)明獲得硅的三維凹陷結(jié)構的方法本身具有簡單，且易于重復實現(xiàn)的特點。該方法 包括以下幾個步驟(1) 將表面平整清潔的硅片和金屬鋅粉分別置于可加熱的反應腔室中；其中硅片的 (111)面朝上，作為生長上述具有三維凹陷結(jié)構的硅的基底；較佳地，在將硅片放入反應腔室之前，使用皮拉法對硅片進行清潔處理，以使其表面不含雜質(zhì)，使反應能夠更加順 利地進行。可以將金屬鋅粉置于反應腔室的中心位置；而硅片則可置于中心位置，或者中 心位置附近或者置于反應腔室下風口位置。這里上風口指的是保護氣體進入的一端，而下 風口指的是抽氣出口的一端。所需金屬鋅粉的用量以滿足兩個條件為準 一方面要在升溫 過程中保證腔內(nèi)有足夠多的鋅粉被蒸發(fā)，形成鋅蒸氣與硅表面接觸；另一方面，在升溫結(jié) 束時，鋅粉應被蒸發(fā)完全，否則會在硅片形成氧化鋅的納米結(jié)構，干擾實驗。(2) 通入保護氣體，除去反應腔室內(nèi)的空氣，并使腔室內(nèi)壓強保持在0.3至0.5MPa 之間；其中，所述的保護氣體優(yōu)選為惰性氣體，在實際應用中，由于成本的原因，較常用 的為氬氣。流量優(yōu)選為30-60 sccm。(3) 加熱，使腔室內(nèi)溫度達到600-1200t,升溫過程持續(xù)60-100分鐘，并在最高溫 度下保持20-30分鐘。(4) 將腔室內(nèi)溫度自然降至室溫。取出樣品，在硅基底上得到具有三維凹陷結(jié)構的硅。值得說明的是，在上述步驟(3)和(4)中，都保持通入保護氣體。通過對得到的產(chǎn)品進行EDXS分析可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明具有三維凹陷結(jié)構的硅的主要成 份為硅，同時含有少量的鋅。和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于制備所需原料非常廉價；制備步驟簡單；制 備參數(shù)容易控制；生成的產(chǎn)物形貌平整,結(jié)晶良好，且具有規(guī)則的硅的三維立體結(jié)構。


圖1.本發(fā)明具有三維凹陷結(jié)構的硅的三維凹陷結(jié)構的底面幾何形狀圖； 圖2.本發(fā)明具有三維凹陷結(jié)構的硅的俯視圖一；圖3.本發(fā)明具有三維凹陷結(jié)構的硅的俯視圖二； 圖4.本發(fā)明具有三維凹陷結(jié)構的硅的俯視圖三；具體實施方式
下面通過具體實施方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。 實施例一在本實施例中，采用的反應原料為lOmmXlO腦的硅片(lll面)，化學純金屬鋅粉。首先使用皮拉法對硅片進行清洗，除去表面的氧化層和表面吸附的雜志。硅片大小一 般截成10腿X10mm。將0.8-lg鋅粉置于石英舟當中，放置于管式升溫爐的中心。另外，將裝有3-4片正 面朝上的硅片的石英舟放置于距管式升溫爐中心10cm處的下風口。樣品裝入管式升溫爐密封完全后，打開機械泵抽氣，使管內(nèi)壓強小于0.1MPa。接著通 入氬氣使爐內(nèi)壓強達到0.4MPa左右。并保持在這一壓強。此過程中，機械泵一直工作， 達到動態(tài)平衡。設定80分鐘時間使腔室從室溫升溫至最高溫度IIO(TC,并在此溫度保持25分鐘。整 個實驗過程中，氬氣作為保護氣體一直通入，流量為40 sccm;在此過程中，如爐內(nèi)壓強 有變化，調(diào)整抽氣量使之保持原來設定值。約四五個小時后，爐內(nèi)溫度降至室溫，打開真空室取出樣品。在本實施例中，從石英舟所得到的硅片的掃描電子顯微鏡整體圖像如附圖2， 3和4 所示。實施例二在本實施例中，最高溫度設為1300°C以上，其它條件同實施例一，在硅片上得到的 三維凹陷結(jié)構并不完整。實施例三在本實施例中，不在硅片上覆蓋或熱蒸發(fā)沉積鋅粉，其它條件同實施例一，只加熱硅 片，最終不能得到任何硅的三維結(jié)構。從以上三個實施例可以看出，只要有金屬鋅粉和硅片在適當?shù)臏囟认路磻蜁玫?具有三維凹陷結(jié)構的硅。其它參數(shù)，如最高溫度、壓強和保溫時間也會影響硅的三維立體 結(jié)構的生長。其中，本領域的技術人員能夠理解，鋅粉使用量以及硅片的大小是根據(jù)加熱 設備而定，不以本發(fā)明實施例所給范圍為限。以上通過實施例對本發(fā)明進行了詳細的描述，本領域的技術以人員應當理解，在不超 出本發(fā)明的精神和實質(zhì)的范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出一定的修改和變形，比如用其他方法代替 本發(fā)明內(nèi)容實施例所揭露的方法對硅片進行清潔處理，或使用與鋅性質(zhì)類似的金屬，或者 用其他可抽真空的加熱設備代替本發(fā)明所揭露的管式升溫爐，仍然可以實現(xiàn)本發(fā)明的目 的。另外，設定不同的溫度和時間，壓強等不同參數(shù)，仍有可能實現(xiàn)本發(fā)明所述之結(jié)果。
權利要求
1. 一種具有三維凹陷結(jié)構的硅，其特征在于，所述的三維凹陷結(jié)構為直棱柱形，其 底面為多邊形，依次包括邊A1， A2， Bl， B2， Cl， C2，其中A1平行于B2， B1平行于C2， C1平行于A2;且A1〉0， B1>0， C1>0， A2》0， B2X)， C2》0; Al， Bl, Cl所在的直線兩 兩相交得到的三個交點形成的三角形為正三角形。
2. 如權利要求l所述的具有三維凹陷結(jié)構的硅，其特征在于A2， B2， C2中僅一個為零。
3. 如權利要求l所述的具有三維凹陷結(jié)構的硅，其特征在于A2， B2， C2中有兩個為零。
4. 如權利要求l所述的具有三維凹陷結(jié)構的硅，其特征在于A2， B2， C2均為零。。
5. 如權利要求1所述的具有三維凹陷結(jié)構的硅，其特征在于，Al, A2， Bl， B2， Cl， C2中不為零的底邊邊長在1微米至50微米之間。
6. 如權利要求1所述的具有三維凹陷結(jié)構的硅，其特征在于，所述的三維凹陷結(jié)構 的高度在1微米至5微米之間。
7. —種具有三維凹陷結(jié)構的硅的制備方法，其步驟包含(1) 將表面平整清潔的硅片和鋅粉分別置于可加熱的反應腔室中，硅片的(111)面作為反應界面；(2) 通入保護氣體，除去反應腔室內(nèi)的空氣，并使腔內(nèi)壓強保持在0.3至0.5MPa之間；(3) 加熱，使反應腔室內(nèi)溫度達到600-1200。C，升溫過程持續(xù)60-100分鐘，并在最 高溫度下保持20-30分鐘；(4) 將腔室內(nèi)溫度自然降至室溫，得到具有三維凹陷結(jié)構的硅。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟(1)之前還包含下列步驟使用 皮拉法對硅片進行清潔處理。
9. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的鋅粉置于反應腔室內(nèi)的 中心位置，硅片可置于反應腔室的中心位置并位于鋅粉之下，也可置于下風口。
10. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的鋅粉的質(zhì)量滿足如下條 件在升溫過程中保證反應腔室內(nèi)有足夠多的鋅粉被蒸發(fā)，使得形成的鋅蒸氣與硅表面接 觸；同時在升溫結(jié)束時，鋅粉被蒸發(fā)完全。
11. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的反應腔室為管式升溫爐， 或者其它能夠提供真空腔室的可加熱的設備。
12. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述的保護氣體為惰性氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有三維凹陷結(jié)構的硅及其制備方法，屬于半導體材料及其制備領域。本發(fā)明具有三維凹陷結(jié)構的硅的三維凹陷結(jié)構為直棱柱形，其底面為多邊形，依次包括邊A1，A2，B1，B2，C1，C2，其中A1平行于A2，B1平行于B2，C1平行于C2；A1，B1，C1或A2，B2，C2所在的直線兩兩相交得到的三個交點形成的三角形為正三角形。本發(fā)明還提供了一種通過氣相沉積方法制備上述具有三維凹陷結(jié)構的硅的方法，該方法通過沉積在硅表面的金屬鋅與硅形成共熔生長上述具有三維立體結(jié)構的硅。和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于制備所需原料非常廉價；制備步驟簡單；易于重復；制備參數(shù)容易控制；生成的產(chǎn)物結(jié)晶良好，且具有規(guī)則的三維立體結(jié)構。
文檔編號C30B29/60GK101311347SQ20081010118
公開日2008年11月26日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權日2008年2月29日
發(fā)明者越 吳, 奚中和, 崔宏宇, 張耿民, 郭等柱 申請人:北京大學