[发明专利]一种嵌入单晶硅的自封闭氧化硅纳米孔及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构的制作领域，具体涉及一种氧化硅纳米孔及其制备方法。

背景技术

氧化硅纳米孔在催化、分离、涂层、微电子等领域都有潜在的应用前景，但由于溶液中制备的氧化硅微孔在空气中风干后会收缩，亚微米级的氧化硅纳米孔的制备仍具有一定困难。1997年Velev在Nature杂志上报道了一种制备亚微米级氧化硅纳米孔的方法。目前文献中报道的氧化硅纳米孔多是一种杂乱的多孔结构，只有少数文献报道氧化硅纳米直孔结构，尤其是亚微米级的直孔结构。Rajendra Kumar（Nanotechnology 16 (2005) 1697–1700）报道了在采用热氧化多孔硅阵列的方法制备氧化硅纳米孔，这种方法制备的纳米孔亲水性不好，而且需要高温氧化。这种方法由于氧气的扩散问题，孔的大小和深度受到一定限制，并且高温氧化过程必然影响电极掺杂等工艺的顺序，避免高温氧化有利于器件制作。硅材料是半导体技术的主要材料，在单晶硅中制备氧化硅纳米孔有利于氧化硅纳米孔在微机电、分离、传感等方面的应用。

本申请人于2011年申请的申请号为201110344679.2的申请文件，公开了在单晶硅上形成的亚微米级的自封闭多孔硅，这种结构不仅具有亚微米级直孔，而且表面和侧壁覆盖纳米级多孔硅，纳米多孔硅具有纳米晶结构。由于采用电化学刻蚀的方法新制备的硅纳米晶比硅还原性强，已经有报道纳米多孔硅可以溶解在低浓度的碱溶液中，而硅不会。所以选择合适的氧化过程就可以将亚微米级的自封闭多孔硅中的纳米晶氧化成氧化硅，而硅不会被氧化。

发明内容

本发明的目的在于为目前氧化硅纳米孔的发展提供新的结构及其制备方法，提供含硅纳米晶的亚微米级自封闭多孔硅的氧化方法，为亚微米级氧化硅纳米孔在芯片集成、物质分离提纯、溶液传感及生物相容性等提供技术支持，并避免高温氧化的过程。

为实现上述目的，本发明采用的方案为：提供一种嵌入单晶硅的自封闭氧化硅纳米孔及其制备方法。所述一种嵌入单晶硅的自封闭氧化硅纳米孔，其特征在于：包括单晶硅、镶嵌在单晶硅中的柱形氧化硅、及表面氧化硅；所述柱形氧化硅内壁围成的空腔为直孔；所述直孔截面为正方形结构，边长为120-250 nm，孔深为0-70 μm；所述表面氧化硅层厚度为100-250 nm；所述柱形氧化硅壁的厚度为50-200 nm。

所述单晶硅为1至100 Ωcm的n型单晶硅基片。所述柱形氧化硅垂直于表面氧化硅，且与表面氧化硅连为一体。所有柱形氧化硅平行排列。所述直孔在靠近表面氧化硅处收窄。

一种权利要求1所述的嵌入单晶硅的自封闭氧化硅纳米孔的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、清洗基片，将硅片依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗，取出吹干；

步骤二、安装基片，将硅片安装到电化学腐蚀槽，腐蚀槽为敞开式，抛光面朝向槽内，并保持有光进入，背面朝外，垫石墨片或金属片并引出电极接线；

步骤三、配溶液，将浓HF酸和有机溶剂按1:1至1:1.5的体积比混合，其中有机溶剂可以是甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇中的一种；；

步骤四、接电源，将配制的混合溶液倒入腐蚀槽，硅片抛光面接触溶液，溶液中插入碳棒或铂丝做电极并接阳极，硅片背面电极接阴极；

步骤五、腐蚀硅片，直流电源设定在40-70 V之间，电流设定在20-60 mA/cm²之间，腐蚀时间为1-10 min，制得自封闭的多孔硅；

其特征在于，还包括以下步骤：

步骤六、腐蚀硅片处理，将步骤五中的腐蚀槽移入充满保护气体的操作箱内，倒出腐蚀液，取下腐蚀硅片，用丙酮清洗，然后用保护气体吹干；

步骤七、氧化，将步骤六处理的腐蚀硅片放入含金属镁或氧化镁的去离子水中进行缓慢氧化，氧化时间不低于3小时，便制得嵌入单晶硅的自封闭氧化硅纳米孔。

步骤六所述的保护气体可以是氮气、氦气、氩气中的一种。步骤七所述金属镁或氧化镁可以是块状，也可以是粉末，氧化时与硅片同时置于去离子水中即可。

电化学刻蚀制备的多孔硅中硅纳米晶表面具有-Si-H悬挂键的形式，缓慢氧化过程主要遵循以下化学反应：

2H₂O+Mg=Mg²⁺+2OH^-+H₂或H₂O+MgO=Mg²⁺+2OH^-

-Si-H+H₂O=-Si-OH+H₂