[发明专利]一种制备一维硅纳米结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料设计和制造技术领域，尤其涉及一种一维硅纳米结构的制备方法。

背景技术

准一维纳米材料，如碳纳米管、硅纳米线/尖、碳化硅纳米线等，由于具有量子限域、库仑阻塞、量子隧穿、尖端表面场发射增强等纳米尺度效应，使其在光电性能上体现出与体材料不同的特性。在这些材料中，硅纳米线/尖由于其独特的电子输运和场致电子发射性能，以及方便与传统半导体集成电路工艺兼容等特点而备受关注。目前主要有如下几种制备硅纳米线/尖的方法：(1)激光消融法(laser ablation)，(2)热蒸发法(thermal evaporation)，(3)超临界液相法(supercritical fluid solution-phase)，(4)无催化剂氧化辅助法(catalyst free of oxide-assisted growth)。

在实际应用中，很多场合都要求一维纳米材料具有直立、有序、位置和直径可控等特点。而现有的这几种制备方法，所形成的纳米材料都难以满足前述应用场合的需求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结合纳米掩模的制备和等离子体刻蚀工艺，制备一维硅纳米结构的方法。

本发明是这样实现的：一种制备一维硅纳米结构的方法，其特征在于工艺步骤顺序如下：

(A)在基底材料表面制备出纳米颗粒掩模；

(B)用等离子体刻蚀技术对基底材料进行刻蚀。

作为本发明一较佳实施例，所述步骤A包括以下步骤：

(i)首先在基底材料表面旋涂一层光刻胶，接着采用电子光刻技术在基底材料表面形成微孔；

(ii)在基底材料表面沉积一层掩模薄膜；

(iii)对沉积了掩模薄膜的基底材料进行光刻胶剥离工艺，从而在步骤i的微孔处形成纳米颗粒掩模。

上述步骤ii的掩模材料为金属，或金属氧化物，或二氧化硅。

作为本发明另一较佳实施例，所述步骤A中，首先在基底材料表面沉积一层金属薄膜；然后对金属薄膜进行热处理，在基底材料表面得到金属纳米颗粒掩模。

上述步骤A中的基底材料为单晶硅或非晶硅，或沉积在衬底上的单晶硅或非晶硅薄膜。

上述步骤B所述的等离子体刻蚀技术，可以通过调控工艺参数实现各向异性或各向同性刻蚀，从而得到硅纳米线/尖。

本发明掩模颗粒的大小、密度和位置都可以在制备过程中通过调节工艺参数加以控制；而硅纳米线/尖的高度可以通过调节刻蚀时间的长短来控制。与现有技术相比，本发明采用纳米掩模等离子刻蚀法(plasma etching with nano-masks)，制备出来的硅纳米线/尖具有直立、有序、位置和直径可控等特点，非常有利于器件制作和组装。并且这种方法具有工艺简单、重复性好等优点，且其工艺和标准半导体集成电路加工工艺兼容，对推动基于一维硅纳米结构器件的制作和发展有重要意义。

附图说明

图1是单晶硅纳米线/尖的制备原理图；

图2是均匀密排的金属铬点纳米掩模的扫描电子显微镜(SEM)图；

图3(a)、(b)分别是直立有序的单晶硅纳米线/尖的SEM图；

图4是非晶硅纳米线的制备原理图；

图5是非晶硅纳米线的扫描电子显微镜(SEM)图。

具体实施方式

本发明公开的是一种制备一维硅纳米结构的方法，其基底材料可以是单晶硅，或沉积在衬底上的单晶硅薄膜；也可以是非晶硅，或沉积在衬底上的非晶硅薄膜；纳米颗粒掩模可通过电子束光刻技术得到，也可以通过纳米颗粒的制备及分散得到。

当采用电子束光刻技术形成纳米颗粒掩模时，其工艺步骤顺序如下：

(a)首先在基底材料表面旋涂一层光刻胶，接着采用电子光刻技术在基底材料表面形成微孔；

(b)在基底材料表面所余留的光刻胶及所形成的微孔上沉积一层掩模薄膜；其中掩模材料可以为金属，或金属氧化物，或二氧化硅。

(c)对沉积了掩模薄膜的基底材料进行光刻胶剥离工艺，从而在步骤a的微孔处形成纳米颗粒掩模；

(d)用等离子体刻蚀技术对基底材料进行刻蚀。其中采用各向同性刻蚀工艺得到纳米尖；采用各向异性刻蚀工艺得到纳米线。

当采用纳米颗粒的制备及分散方法得到纳米颗粒掩模时，其工艺步骤顺序如下：首先在基底材料表面沉积一层金属薄膜；然后对金属薄膜进行热处理，在基底材料表面得到金属纳米颗粒掩模；最后用等离子体刻蚀技术对基底材料进行刻蚀。