一种方形硅纳米孔洞及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种方形硅纳米孔洞的制备方法，其中，采用金属催化腐蚀与硅的湿法刻蚀技术相结合的方法，制备出方形硅纳米孔洞结构；其制备的步骤为：（1）在硅片表面沉积5-200nm的金属膜；（2）将沉积有金属膜的硅片进行热处理，获得具有特定形貌的金属纳米颗粒；（3）对退火后的硅片进行腐蚀，形成方形硅纳米孔洞。这种方法不需要掩膜技术，同时兼有湿法腐蚀的成本低廉、操作简便和用时短及干法腐蚀的腐蚀均匀性和重复性好的优点。这种方形硅纳米孔洞结构在太阳能电池、集成电路等具有广泛的应用前景。

Square silicon nano hole and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of square silicon nanoholes which fabricated by wet etching technology of silicon metal catalyzed corrosion and combining the preparation of square silicon nanoholes; the preparation method comprises the following steps: (1) in the metal film deposition on silicon wafer surface 5-200nm; (2) the deposition of a metal film silicon wafer heat treatment for metal nanoparticles with special morphologies; (3) etching for silicon wafer after annealing, the formation of square silicon nanoholes. This method does not require mask technology, and has the advantages of low cost, simple operation, short use time and corrosion uniformity and good repeatability of wet etching. The square silicon nano hole structure has broad application prospects in solar cells, integrated circuits and so on.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料
，具体涉及。
技术介绍
硅作为一种重要的半导体材料，被广泛应用于微电子系统和太阳能电池等行业。 因而，对硅材料的加工工艺研究备受关注。其中一种典型工艺是一系列光刻和腐蚀工艺。按所用腐蚀剂的不同分为干法刻蚀和湿法刻蚀，也可以根据对晶面腐蚀速率的不同分为各向异性腐蚀和各向同性腐蚀。湿法腐蚀是通过化学反应来进行的腐蚀。一般将硅片放入具有确定化学成分的腐蚀液体里进行。湿法腐蚀的优点是操作简单、成本低廉、高产出以及高可靠性、优良的选择比。缺点是存在横向腐蚀现象，腐蚀不彻底及均勻性差等。干法刻蚀是利用气体在强电场作用下被电离，产生离子和电子等物质，这些物质扩散在硅片表面并被吸收，在表面进行化学反应刻蚀。包括光子束刻蚀、中子束刻蚀、反应离子刻蚀和等离子体刻蚀等。干法腐蚀有很多优点包括腐蚀均勻性与重复性好并且操作安全、简便、便于工艺监控，易于实现自动化。但是干法刻蚀工艺周期长，过程复杂，成本较高。另外，无论干法刻蚀还是湿法刻蚀，均是在有掩膜条件下进行的，如果不采用掩膜技术，预先设计图形，则不会得到具有特定形状的腐蚀坑(洞)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，这种方法不需要掩膜技术，硅纳米孔洞的大小、密度和孔洞的深度由退火工艺和腐蚀体系决定，而具有均勻分布的硅纳米孔洞的硅片面积只是由所使用的衬底面积决定。本专利技术采用以下技术方案一种方形硅纳米孔洞的制备方法，其中，采用金属催化腐蚀与硅的湿法刻蚀技术相结合的方法，制备出方形硅纳米孔洞结构；其制备的步骤为(1)在单晶硅片表面沉积 5-200nm的金属膜；(2)将沉积有金属膜的硅片进行热处理，获得具有特定形貌的金属纳米颗粒；(3 )对退火后的硅片进行腐蚀，形成方形硅纳米孔洞。进一步，其中步骤(1)中的所述的在硅片表面沉积金属膜是通过真空蒸镀方法在硅片表面沉积厚度5-200nm纳米的银膜；其中步骤(2)中的所述将镀有银膜的硅片进行热处理的条件为，通入氩气作为保护气体，流量为50-200sCCm，退火温度为200-500°C，升温速度为10-50°C/min，保温时间为20 200分钟；其中步骤(3)中腐蚀硅片的腐蚀液为氢氟酸、双氧水，氢氟酸浓度为2 6mol/L，双氧水浓度为0. 2 0. 6 mol/L，反应温度为20 70°C，腐蚀时间为30 120分钟。进一步，所述步骤(1)中的银膜厚度为10纳米；步骤(2)中将镀有银膜的硅片进行热处理的条件为，通入氩气作为保护气体，流量为％Sccm，退火温度为300°C，升温速度为10°C /min，保温时间为30 180分钟。进一步，所述的硅的湿法刻蚀技术所使用的刻蚀液为氢氟酸(HF)浓度2 6mol/L，双氧水(H2O2)浓度0. 2 0. 6mol/L，刻蚀的温度在室温到90°C，刻蚀时间1分钟到1天。进一步，金属催化剂为Ag、Pt、Au等贵金属，Fe、Ni等过渡族金属，以及它们的合金；所述的金属催化剂是通过相应的金属盐直接加入到刻蚀液之中，或通过化学方法或物理气相沉积方法沉积到Si材料表面。进一步，通过化学方法将金属催化剂沉积到Si材料表面，将Si片浸入含有氢氟酸 2-5 mol/L，0. 01-0. 02 mol/L 的 AgNO3 溶液中，浸泡时间为 1-100 秒。一种方形硅纳米孔洞，其中，所述的方形硅纳米孔洞边长的大小为从10纳米到10 微米，准方形孔洞深度从20纳米到2毫米。进一步，所述的方形硅纳米孔洞边长的大小为观0 420纳米，方形孔洞深度为 20 200微米；或所述的方形硅纳米孔洞边长的大小为50 190纳米，方形孔洞深度为 5 80微米。进一步，所述的方形硅纳米孔洞结构作为电池绒面，其反射率降至2 3%。进一步，在所述的方形硅纳米孔洞内部或硅片表面沉积半导体化合物，如III- V 族和II -VI族化合物半导体，获得具有Si纳米孔洞的新型Si/半导体的太阳能电池；或将所述的方形硅纳米孔洞作为模板，在纳米孔洞内部沉积金属、无机物、有机物及其复合材料，获得具有方形结构的纳米线/纳米管；或将所述的的方形硅纳米孔洞衬底表面沉积金属银或金颗粒或薄膜，作为表面增强拉曼光谱基底。进一步，金属催化剂为Ag、Pt、Au等贵金属，Fe、Ni等过渡族金属，以及它们的合金。所述的金属催化剂是通过相应的金属盐直接加入到刻蚀液之中，或通过化学方法或物理气相沉积方法沉积到Si材料表面；从催化剂原料到获得所需要的金属催化剂时间要短，而从得到所需的金属催化剂到开始制备方形硅纳米孔洞之间时间应少并需要惰性气体保护以减少金属的氧化和活性气体吸附。通过调节反应温度，腐蚀时间，氢氟酸、双氧水的浓度，金属颗粒的形貌，可以调节方形硅纳米孔洞的边长大小及孔洞的深度，制备出形貌可控易控的硅纳米孔洞结构。本专利技术的有益效果为本专利技术制备方法简单实用，不需要掩膜技术，通过调节金属颗粒的形貌、反应温度和腐蚀时间等参数可控制孔洞边长的大小和孔洞的深度。得到的方形硅纳米孔洞其反射率为2 3%左右，具有“黑体”吸收效应，能提高电池对光的吸收，提高短路电流，从而提高太阳能电池效率。同时，该结构还可以作为模板，制备方形纳米线(管) 以及作为表面增强拉曼光谱衬底。本专利技术将金属催化腐蚀与传统的硅的湿法腐蚀技术相结合，提供一种方形硅纳米孔洞的制备方法；这种方法不需要掩膜技术，同时兼有湿法腐蚀的成本低廉、操作简便和用时短及干法腐蚀的腐蚀均勻性和重复性好的优点。这种方形硅纳米孔洞结构在太阳能电池、集成电路等具有广泛的应用前景。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书所特别指出的结构来实现和获得。附图说明图1为实施例一所制备的边长约180-200纳米的方形硅纳米孔洞的扫描电子显微镜形貌图2为实施例二所制备的边长约观0-300纳米的方形硅纳米孔洞的扫描电子显微镜形貌图3为实施例三所制备的边长约400-450纳米的方形硅纳米孔洞的扫描电子显微镜形貌图4为实施例四所制备的通过扩散所获得的单片方形硅纳米孔洞太阳能电池结构示意图5为实施例五所制备的、通过沉积另外一种掺杂类型的Si薄膜所获得的单片方形硅纳米孔洞太阳能电池结构示意图6为实施例六所制备的单片具有方形硅纳米孔洞的HIT太阳能电池结构示意图。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步描述 实施例一将已切好的单晶硅片用丙酮、酒精分别震荡10分钟和5分钟，接着用体积比为4:1 的硫酸和双氧水的混合溶液80°C处理1小时，以去除表面的重金属离子，最后用双氧水氨水水=1:1:3 (体积比)的混合溶液80°C处理1小时。在已清洗干净的硅片上真空蒸镀厚约10纳米的银膜。将镀有银膜的硅片放入管式高温炉，以95sCCm氩气为保护气体，温度为 300°C，保温时间为60分钟的条件进行退火。将已退火的附有银颗粒的硅片浸入氢氟酸与双氧水的腐蚀溶液中，其中氢氟酸浓度为2. 3 3. 2 mol/L，双氧水浓度为0.2 0. 38 mol/ L，反应温度为55°C，腐蚀时间为30分钟。反应后，得到如图1所示的边长约180-200纳米的方形硅纳米孔洞结本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种方形硅纳米孔洞的制备方法，其特征在于：采用金属催化腐蚀与硅的湿法刻蚀技术相结合的方法，制备出方形硅纳米孔洞结构；其制备的步骤为：（１）在单晶硅片表面沉积５－２００ｎｍ的金属膜；（２）将沉积有金属膜的硅片进行热处理，获得具有特定形貌的金属纳米颗粒；（３）对退火后的硅片进行腐蚀，形成方形硅纳米孔洞。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张迎九，蔡永梅，王晓霞，汪素兰，要峰，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：41