[发明专利]一种具有三维中空结构的硅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有三维中空结构的硅及其制备方法，属于半导体材料及其制备领域。

背景技术

硅是半导体工艺中最为重要的材料之一，在硅上面生长纳米或微米结构具有重要的意义。

具有特殊结构的纳米材料及其表现出来的新奇性质已经成为人们研究的热点。这些材料的很多物理现象已经被预言并证实。而在硅表面生长三维立体结构也是最近研究的焦点。这种通过自组装生长得到的三维结构在光电器件等领域具有重要的应用前景。

本发明涉及的三维立体结构具有直棱柱外形，其外表面可以作为生长其它纳米材料的基底；同时它还是中空的，其中空结构又可以作为容器，填装其它材料。

研究这种结构可以揭示硅的自组装特性。

目前，这种具有屋顶形三维中空结构的硅的制备方法还未见报导。与此类似，GilbertoMedeiros-Ribeiro等人通过在硅片表面沉积Ge制备Si/Ge实心量子岛[GilbertoMedeiros-Ribeiro，et al.Shape Transition of Germanium Nanocrystals on a Silicon(001)Surfacefrom Pyramids to Domes.Scinece 279，353(1998)]。他们通过在超高真空下物理气相沉积(PVD)Ge在Si(001)面。Jeremy T.Robinson等使用Au作为催化剂[Jeremy T.Robinson，etal.Chemical Nanomachining of Silicon by Gold-Catalyzed Oxidation.Nano Lett.7，2009(2007)]，在硅表面生长Ge的三维结构的阵列。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有三维中空结构的硅以及制备该结构的方法。

上述具有三维中空结构的硅的三维中空结构为直棱柱形，其底面为多边形，依次包括边A1，A2，B1，B2，C1，C2，其中A1平行于B2，B1平行于C2，C1平行于A2；A1，B1，C1所在的直线两两相交得到的三个交点形成的三角形为正三角形，如附图1所示。该三维结构的内部是空的，内壁形状和外壁形状近似。

该直棱柱的底面为对边两两平行，内角为120°的六边形。特别的，当A2，B2，C2中有一条边为零时，该底面为五边形，该三维中空结构为五棱柱形；当A2，B2，C2中有两条边为零时，该底面为等腰梯形，该三维中空结构为四棱柱形；当A2，B2，C2均为零时，该底面为正三角形，该三维中空结构为正三棱柱形。

根据得到扫描电镜(SEM)图片，上述各棱柱形底面的长度均在1微米至50微米之间；整个棱柱外形的高度在1微米至5微米之间。

本发明同时提供了一种通过气相沉积方法制备上述具有三维中空结构的硅的方法，该方法通过沉积在硅表面的金属锌与硅形成共熔生长上述具有三维立体结构的硅。

该方法包括以下几个步骤：

(1)将表面平整清洁的硅片和金属锌粉分别置于可加热的反应腔室中，其中硅片的(111)面朝上，作为生长上述具有三维中空结构的硅的基底；较佳地，在将硅片放入反应腔室之前，可使用皮拉法对硅片进行清洁处理，以使其表面不含杂质，使反应能够更加顺利地进行。可以将金属锌粉置于反应腔室的中心位置，而硅片则可置于中心位置，或者中心位置附近或者置于反应腔室下风口位置。这里上风口指的是保护气体进入的一端，而下风口指的是抽气出口的一端。所需金属锌粉的用量以满足两个条件为准：一方面要在升温过程中保证腔内有足够多的锌粉被蒸发，形成锌蒸气与硅表面接触；另一方面，在升温结束时，锌粉应被蒸发完全，否则会在硅片形成氧化锌的纳米结构，干扰实验。

(2)通入保护气体，除去反应腔室内的空气，并使腔室内压强保持在0.2至0.6MPa之间；其中，所述的保护气体优选为惰性气体，在实际应用中，由于成本的原因，较常用的为氩气。流量优选为30-80sccm。

(3)加热，使腔室内温度达到700-1300℃，升温过程持续60-120分钟，并在最高温度下保持30-60分钟。优选地，可以向腔室内通入氧气以提高上述具有三维中空结构的硅的产率，比如在温度达到设定的最高温度时通入氧气，流量优选为4-10sccm。

(4)将腔室内温度自然降至室温，取出样品，得到具有三维中空结构的硅。

值得说明的是，在上述步骤(3)和(4)中，都保持通入保护气体。

通过对得到的产品进行EDXS分析可以发现，本发明具有三维中空结构的硅的主要成份为硅，同时含有少量的氧和锌。