一种孔洞有序排列的多孔硅的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种孔洞有序排列的多孔硅的制备方法，属于微加工技术领域。该方法首先将硅衬底表面抛光或选择已经单面或双面抛光的硅衬底；在硅衬底表面预制若干个与多孔硅的孔洞宽度相匹配的凹槽，凹槽的排列与所述多孔硅的孔洞分布一致，对上述带有凹槽的硅片进行阳极腐蚀，即可形成孔洞有序排列的多孔硅。采用本发明专利技术，多孔硅孔洞将沿着凹槽方向整齐排列，工艺简单、可靠，降低有序多孔硅的制备成本。而且通过预先设计凹槽的方向或排列方式，可有效制备一维或二维孔洞有序排列的多孔硅。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于多孔硅的制备方法，具体涉及一种通过硅表面预制凹槽，制备孔洞有序 排列的多孔硅的方法。
技术介绍
研究多孔硅已有四、五十年历史了，早1956年贝尔实验Urlir在做硅的电化学抛光时， 发现当电流小于一临界值时，被抛光的硅表面上会形成一层红、黄或褐色的物质，这层物 质即是最早发现的多孔硅。多孔硅具有重要的应用价值，例如基于多孔硅的光致发光、 激光，微机电系统中的功能结构层和牺牲层，半导体电子组件的热绝缘层等。多孔硅的制备一般采用电化学反应法，通常可分为阳极腐蚀法、染色腐蚀法、脉冲腐 蚀法、水热腐蚀法和火花放电技术，其中阳极腐蚀工艺最为成功，应用也最广泛。决定多孔硅几何尺寸、形状等的因素很多，其中主要有电解质溶液的类型、HF浓度、 衬底掺杂类型以及掺杂浓度等，在某些情况下(例如选用n型硅衬底时)光照以及光源照明 的方式也会影响多孔硅几何尺寸、形状。在不同的条件下，生成的多孔硅几何尺寸、形状 差别很大。根据生长条件及其多孔硅的特征，可以将多孔硅分类如果按孔径大小分，多 孔硅可分为大孔硅、中孔硅和小孔硅；按衬底掺杂分，可分为n型衬底、p型衬底的多孔 硅；按电解法电解液分可分为水溶液刻蚀，有机溶剂刻蚀，氧化剂刻蚀、混合刻蚀所形成 的多孔硅等。目前关于多孔硅的形成机制，虽然已经提出了多种模型，但并没有普适的准确理论解 释，但无论何种机理，普遍认为空穴是起决定性作用。在水溶液中多孔硅的形成阳极反应式如下+ 6//F 畅> ,6 + //2个+2/T + 2e-而对于电抛光，阳极反应式如下+ 6朋畅> //,6 + 4/T + 4e-如果没有前期特别的处理，若直接电化学反应的方法在硅硅衬底表面生长出来的孔 洞，其分布是随机的，而且一般表面比较粗糙。目前该方法制备的多孔硅只有在有机电解 质中生长的p型衬底的多孔硅形状较理想，侧壁保留完整，实用性较强。如果通过硅表面 的预处理，可使最后生成的多孔硅孔洞有一定的排列规律。目前表面预处理的方法是通过类似于平面印刷术的办法。这种预处理的方法在制备n型衬底的多孔硅中应用较多。即首 先通过氮化硅掩模、光刻确定孔洞位置，然后再通过上述电化学反应的方法刻蚀出多孔硅。 这种方法虽然可以得到排列整齐的多孔硅，但很难制备孔洞排列紧密的多孔硅，即使采用 掩模因刻蚀工艺本身问题，仍然难以控制掩模板覆盖区域不发生腐蚀，而且使用掩模和光 刻技术，会增加工艺的成本。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的不足，提供了一种在硅衬底上预制凹槽来制备孔洞有序排 列多孔硅的方法。使用此方法不但免去掩模光刻步骤，大大降低孔洞有序排列多孔硅制备 的成本，而且通过改变凹槽的排列方式，制备出一维或二维孔洞有序排列的多孔硅。本专利技术的技术方案是，其步骤包括1) 选择单面或双面抛光的硅作为衬底；2) 在硅衬底表面预制若干个与多孔硅的孔洞宽度相匹配的凹槽，凹槽的排列与所述 多孔硅的孔洞分布一致；3) 对上述带有凹槽的硅片进行阳极腐蚀，形成孔洞有序排列的多孔硅。 上述凹槽的宽度为100nm~2|_im，其深度为50 nm ~ 1 pm。使用机械磨制、光刻、磨具压制、高能激光刻蚀、聚焦电子或离子束刻蚀等手段，在 硅衬底表面上按预定设计要求制出凹槽，凹槽宽度可通过选择合适的抛光砂纸、光波波长、 磨具尺寸、激光束斑尺寸、电子或离子束能量来控制。在抛光后的硅衬底表面预制的凹槽宽度要与最后多孔硅孔洞直径相仿，或者略小于孔 洞直径，这样可以保证每个凹槽只生长一排孔洞，保证孔洞沿凹槽方向整齐排列。若需要 多孔硅孔洞沿某方向排列，只需要预制沿此方向延伸的一列或一系列平行凹槽；如果要制 备多孔硅二维点阵，只需按要求预制以一定角度交叉的两列或多列平行凹槽，使多孔硅孔 洞能沿两个方向整齐排列；如果需要制备排列成某种特殊形状的有序孔洞的多孔硅，只需 在硅表面刻出相应形状的凹槽。如果需制备按特殊图形排列的多孔硅，只需要在硅衬底表 面上将图案用凹槽勾勒出来即可。硅衬底预制凹槽后，无须经过任何别的处理，即可直接将硅衬底放入电化学反应池中， 使用传统的多孔硅制备工艺就可按要求制得有序排列的多孔硅。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是制备多孔硅并不困难，但是制备孔洞有序分布的多孔硅常需复杂工艺，本专利技术中使用 预制凹槽法制备有序排列多孔硅，预制凹槽只需要使用机械磨制、光刻、磨具压制、高能 激光刻蚀、聚焦电子或离子束刻蚀等手段，在硅衬底表面上按预定设计要求制出凹槽，凹 槽宽度可通过选择合适的抛光砂纸、光波波长、磨具尺寸、激光束斑尺寸、电子或离子束 能量来控制。凹槽的制备工艺选择性大，工艺简单、成本低。另一个优点是设计灵活。因为多孔硅孔洞只会沿着凹槽方向整齐排列，有凹槽处其孔 洞即可有序排列，故可制备沿任意线条或方向排列的多孔硅，只要刻蚀出所需的凹槽。凹 槽可以沿直线延伸、也可以沿曲线延伸，曲线的曲率也可以自由选择。若需多孔硅沿几个 方向排列，只需要在硅片上刻出相应方向的平行凹槽。第三个优点是由于这种方法孔洞生成具有一定自组织性，即沿凹槽排列，对预处理精 度要求比光刻方法低，在制备小直径孔洞多孔硅时更有优势，同样精度下，制备的多孔硅 孔洞排列更加整齐，排列更加紧密。第四个优点是本专利技术适合任何尺寸的样品，尤其适合小样品。附图说明图1为采用本专利技术制备的多孔硅孔洞沿某一方向排列的扫描电镜照片；图2为多孔硅孔洞在凹槽内、外生长的扫描电镜对比照片；图3为采用本专利技术制备的多孔硅孔洞沿两个方向排列的扫描电镜照片。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述一、 硅衬底的准备。选用p型硅片(电阻率10 15Q"m)，只需要传统工艺抛光即可符合要求。二、 凹槽制备。预先设计多孔硅上的孔洞分布形状，然后使用机械磨制，沿着预定设计的多孔硅排列 方向制备凹槽，凹槽的宽度为，深度为，选择合适的金刚石砂纸使之制得合适尺寸的凹槽; 若需要多孔硅孔洞沿某方向排列，只需要预制沿此方向延伸的一列或一系列平行凹槽；如 果要制备多孔硅二维点阵，只需按要求预制以一定角度交叉的两列或多列平行凹槽，使多 孔硅孔洞能沿两个方向整齐排列；如果需要制备排列成某种特殊形状的有序孔洞的多孔硅，只需在硅表面刻出相应形状的凹槽。如果要制备按特殊图案排列的多孔硅，只需要在 硅衬底表面上将图案用凹槽勾勒出来即可。 三、刻蚀硅片制得多孔硅将硅片作为电解阳极放入电化学反应池中，电解液使用常用的二甲基甲酰胺(DMF)，和 氢氟酸(HF)混合溶液中，两者体积比1:4。电流密度控制在30mA/cm2，若干分钟后即可 在硅表面产生有序排列的多孔硅(如图1),从图2可看出预制凹槽对获得有序排列多孔硅的 作用，在没有预制凹槽处孔洞是无序随即分布的，而在凹槽内则有序排列，延长刻蚀时间 可增加孔洞深度，而硅表面形态多孔硅孔洞分布、大小基本不变。在硅表面预先制得两个 方向的凹槽即可获得在两个方向上有序排列的多孔硅(如图3)。上述实施例中提供了孔洞有序排列的多孔硅的实现，该方法中凹槽可以为直线状、曲 线状或其它任意形状。另外，凹槽的宽度控制在100nm—2pm之间，5凹槽的深度范围为 50 nm ~ 1 pm。此外，凹槽的制备除机械磨制以外，还可采用光刻、磨具压制、高能激光刻蚀、聚焦 电子或离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种孔洞有序排列的多孔硅的制备方法，其步骤包括：１）选择单面或双面抛光的硅作为衬底；２）在硅衬底表面制得若干个与多孔硅的孔洞宽度相匹配的凹槽，凹槽的排列与所述多孔硅的孔洞分布一致；３）对上述带有凹槽的硅片进行阳极腐蚀，形成孔洞有序排列的多孔硅。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓斯天，傅云义，李琛，王川，廖怀林，黄如，张兴，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]