一种多用途硅微纳米结构制备技术制造技术

本发明专利技术涉及一种多用途硅微纳米结构制备技术，属于新材料制备技术领域。本发明专利技术将金属催化硅腐蚀技术与光刻技术相结合，研制出了一种大面积高度有序硅微纳米结构阵列的制备方法。即利用电子束或紫外光等曝光技术将光刻掩模板上的微结构图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的清洁硅片表面，进而获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形。利用高真空热蒸发等技术在处理后的硅片表面沉积金属银膜，并将硅片表面的抗蚀剂及覆盖在其上面的银膜去除后，将硅片浸入含有氧化剂的氢氟酸腐蚀溶液的密闭容器中处理１０－１００分钟，便得到大面积有序硅微纳米结构阵列。这种大面积有序硅微纳米结构在太阳能电池、锂电池负极材料、气敏元件以及活性表面增强拉曼光谱术衬底等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多用途有序硅微纳米结构制备技术，属于新材料技术与纳米材料领域。
技术介绍
半导体微纳米结构材料由于其奇特的结构与物理性能，在纳米光电子学和新型太阳能电 池器件等应用中具有广阔的应用前景。由于硅材料在传统微电子行业的重要地位， 一维硅纳 米线的研究受到了极大的关注。目前的纳米硅线制备方法主要有化学气相沉积和氧化物辅助 生长枝术等。这些方法由于生长机制的限制，通常需要相当高的温度和一些复杂的设备，从 而造成较高的生产成本。如专利00117242.5中的硅线生长温度高达1600—2000°C [参见中 国专利00117242.5，公开号1277152，公开日期2000.12.20]。最近提出的一种化学腐蚀技术， 可以很方便地在室温制备出大面积的硅纳米线阵列[参见中国专利CN1382626;中国专利 申请号2005100117533]，这种技术不需要高温和复杂设备。虽然这种技术可以应用于不同参 杂类型、浓度以及取向的硅基底，可以对纳米线的长度和晶体学取向进行控制，但该方法难 以获得直径均一排布有序的硅纳米线。我们课题组最近采用聚苯乙烯纳米球和二氧化硅纳米 球模板技术制备了直径均一排布有序的硅纳米线[Kuiqing Peng, Mingliang Zhang, Aijiang Lu, NingBew Wong, Ruiqin Zhang, Shuit-Tong Lee. Ordered Si nanowire arrays via Nanosphere Lithography and Metal-induced etching. Applied Physics Letters 2007, 90， 163123],但是利用聚苯 乙烯纳米球技术制备硅纳米线需要采用反应离子刻蚀(RIE)，因而造成硅纳米结构制备效率 严重降低和成本大幅度提高。同时，这两种技术都难实现大面积硅微纳米结构的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大面积有序排布的硅微纳米结构阵列的制备方法，硅微纳米线 的面积大小有所使用的硅衬底面积决定，因而可以实现4英寸甚至更大面积硅微纳米结构阵 列的制备。本专利技术将金属催化硅腐蚀技术与光刻技术相结合，研制出了一种大面积高度有序硅微纳米 结构阵列的制备方法；这种大面积有序硅微纳米结构在太阳能电池、锂电池负极材料以及传 感器结构上具有广泛的应用前景。本专利技术提出的一种多用途硅微纳米结构阵列的制备技术， 其特征在干所述方法依次按如下步骤进行(l)利用光刻技术将光刻掩模板上的具有微纳米结构的图形精确地复制在涂有光致抗蚀 剂的清洁硅片表面。将曝光后的片子放入显影液中溶解掉不需要的光刻胶，以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形。(2) 利用真空热蒸发技术在步骤(1)处理后的硅片表面沉积一层银(或金)膜。随后将得到的硅片浸泡在剥离溶液中，将硅片表面的抗蚀剂及覆盖在其上面的银膜或者金膜去除。(3) 将步骤(3)得到的硅片浸入含有HF+H202+H20 (也可以利用Fe(N03)3等氧化性物 质替换腐蚀液中的H202)腐蚀溶液的密闭容器中，25 — 50摄氏度处理4一150分钟。 将样品在浓硝酸溶液里面浸泡至少一个小时去掉硅微纳米结构样品表面残留的银。(4) 利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤(3)得到的n型硅微纳米结构表面沉积非连 续分布的铂或者金纳米颗粒薄膜。涂覆有柏或者金纳米颗粒薄膜的n型硅微纳米结 构可以作为高效光电化学太阳能电池的光电极使用。(5) 步骤(3)得到的有序硅微纳米结构材料可以作为高性能锂电池负极材料使用。(6) 步骤(3)得到的有序硅微纳米结构材料可以作为高灵敏气敏材料使用。(7) 利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤(3)得到的硅微纳米结构表面沉积银或者金 等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜。涂覆有银等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜的硅微纳米 结构可以作为活性表面增强拉曼光谱术衬底使用。(8) 通过在步骤(3)得到的p型(或n型)有序硅微纳米结构材料表面进行磷(或硼) 扩散形成pn结，在两面引出电极后便得到一个单片的硅纳米线太阳能电池。(9) 通过在步骤(3)得到的p型(或n型)有序硅微纳米结构材料表面沉积n型(或p 型)半导体材料如非晶硅等形成pn结，在两面引出电极后便得到一个单片的硅纳米 线太阳能电池。(10) 通过在步骤(3)得到的p型(或n型)有序硅微纳米结构材料表面沉积本征非 晶硅薄膜后，再接着沉积n型(或p型)非晶硅薄膜，从而形成PIN (或NIP)结构， 在两面引出电极后便得到一个单片的硅纳米线H1T太阳能电池。在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤4氢氟酸浓度范围为0.2md/l-10mo1/1之间， 过氧化氢浓度范围为0.02^2mol/L，硝酸铁浓度范围为0.01—0.50mol/L。在本专利技术中，硅微纳米结构形貌由光刻掩模板上的微纳米结构图形所决定。通过真空热蒸 发技术在光刻后的硅表面沉积金属银(或金)膜，利用光刻胶剝离溶液，将硅片表面的抗蚀 剂及覆盖在其上面的银(或金)膜去除后可以形成周期性的银(或金)膜结构。利用这种具 有周期性结构的银(或金)膜作为硅在HF+H202+H20溶液中腐蚀催化剂，经过合适的腐蚀 时间，就可以形成大面积排布有序的硅微纳米结构阵列。本制备方法条件简单，能够成功制 备出大面积有序排布的硅微纳米结构阵列，如硅微纳米线阵列。附图说明图1为本专利技术的制备的硅纳米线阵列的扫描电子显微镜形貌。 具体实施例方式本专利技术将金属催化硅腐蚀技术与光刻技术相结合，在硅片表面实现大面积高度有序硅微纳米结构阵列的制备；这种大面积有序硅微纳来结构在太阳能电池、锂电池负极材料以及传感器等应用领域上具有潜在的应用前景。下面结合实施例对本专利技术做进一步说明实施例l在清洁硅表面涂上光刻胶，电子束曝光将光刻掩模板上的纳米结构图形精确地复制在涂有光 致抗蚀剂的清洁硅片表面，用显影液中溶解掉不需要的光刻胶，获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形，图形线宽为lOOnm。利用高真空热蒸发技术在处理后的硅片表面沉积一层 50纳米厚的金属银膜后，将硅片浸泡在光刻胶剥离溶液中，将硅片表面的抗蚀剂及覆盖在其 上面的银膜去除。随后立即硅片浸入含有HF+H202+H20腐蚀溶液的密闭容器中，25摄氏度 处理IO分钟。便得到硅纳米结构阵列。随后将样品在浓硝酸溶液里面浸泡至少一个小时以去 除表面的银膜。 实施例2在清洁硅表面涂上光刻胶，电子束曝光将光刻掩模板上的纳米结构图形精确地复制在涂有光 致抗蚀剂的清洁硅片表面，用显影液中溶解掉不需要的光刻胶，获得腐蚀时所需要的、有抗 蚀剂保护的图形，图形线宽为200nm。利用高真空热蒸发技术在处理后的硅片表面沉积一层 50纳米厚的金属银膜后，将硅片浸泡在光刻胶剥离溶液中，将硅片表面的抗蚀剂及覆盖在其 上面的银膜去除。随后立即硅片浸入含有HF+H202+H20腐蚀溶液的密闭容器中，25摄氏度 处理10分钟，便得到硅纳米结构阵列。随后将样品在浓硝酸溶液里面浸泡至少一个小吋以去 除表面的银膜。 实施例3在清洁硅表面涂上光刻胶，电子束曝光将光刻掩模板上的纳米结构图形精确地复制在涂有光 致抗蚀剂的清洁硅片表面，用显影液中溶解掉不需要的光刻胶，获得腐蚀时所需要的、有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多用途硅微纳米结构制备技术，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：　（１）利用光刻技术将光刻掩模板上的具有微纳米结构的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的清洁硅片表面。将曝光后的片子放入显影液中溶解掉不需要的光刻胶，以获得腐蚀时所需 要的、有抗蚀剂保护的图形。　（２）利用高真空热蒸发技术在步骤（１）处理后的硅片表面沉积一层金属银（或金）膜。随后将得到的硅片浸泡在剥离溶液中，将硅片表面的抗蚀剂及覆盖在其上面的银膜或者金膜去除。　（３）将步骤（２）得到的硅片浸入 含有ＨＦ＋Ｈ↓［２］Ｏ↓［２］＋Ｈ↓［２］Ｏ（也可以利用Ｆｅ（ＮＯ↓［３］）↓［３］等氧化性物质替换腐蚀液中的Ｈ↓［２］Ｏ↓［２］）腐蚀溶液的密闭容器中，２５－５０摄氏度处理４－１５０分钟；然后将样品在浓硝酸溶液里面浸泡至少一个小时去掉硅微纳米结构样品表面的银。　（４）利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤（３）得到的ｎ型硅微纳米结构表面沉积非连续分布的５－１０纳米的铂或金纳米颗粒薄膜。　（５）利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤（３）得到的硅微纳米结构表面沉积银或者金 等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜。涂覆有银等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜的硅微纳米结构可以作为活性表面增强拉曼光谱术衬底使用。　（６）通过在步骤（３）得到的ｐ型（或ｎ型）有序硅微纳米结构材料表面进行磷（或硼）扩散形成ｐｎ结，在两面引出电极后便得 到一个单片的硅纳米线太阳能电池。　（７）通过在步骤（３）得到的ｐ型（或ｎ型）有序硅微纳米结构材料表面沉积ｎ型（或ｐ型）半导体材料如非晶硅等形成ｐｎ结，在两面引出电极后便得到一个单片的硅纳米线太阳能电池。　（８）通过在步骤（３）得 到的ｐ型（或ｎ型）有序硅微纳米结构材料表面沉积本征非晶硅薄膜后，再接着沉积ｎ型（或ｐ型）非晶硅薄膜，从而形成ＰＩＮ（或ＮＩＰ）结构，在两面引出电极后便得到一个单片的硅纳米线太阳能电池。...

【技术特征摘要】
1、一种多用途硅微纳米结构制备技术，其特征在于所述方法依次按如下步骤进行(1)利用光刻技术将光刻掩模板上的具有微纳米结构的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的清洁硅片表面。将曝光后的片子放入显影液中溶解掉不需要的光刻胶，以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形。(2)利用高真空热蒸发技术在步骤(1)处理后的硅片表面沉积一层金属银(或金)膜。随后将得到的硅片浸泡在剥离溶液中，将硅片表面的抗蚀剂及覆盖在其上面的银膜或者金膜去除。(3)将步骤(2)得到的硅片浸入含有HF+H2O2+H2O(也可以利用Fe(NO3)3等氧化性物质替换腐蚀液中的H2O2)腐蚀溶液的密闭容器中，25-50摄氏度处理4-150分钟；然后将样品在浓硝酸溶液里面浸泡至少一个小时去掉硅微纳米结构样品表面的银。(4)利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤(3)得到的n型硅微纳米结构表面沉积非连续分布的5-10纳米的铂或金纳米颗粒薄膜。(5)利用化学镀或者真空热蒸发技术在步骤(3)得到的硅微纳米结构表面沉积银或者金等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜。涂覆有银等拉曼活性金属纳米颗粒薄膜的硅微纳米结构可以作为活性表面增强拉曼光谱术衬底使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭奎庆，王新，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]