[发明专利]具有三维凹陷结构的硅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有三维凹陷结构的硅及其制备方法，属于半导体材料及其制备领域。

背景技术

具有特殊结构的纳米材料及其表现出来的新奇性质已经成为人们研究的热点。这些材料的很多物理现象已经被预言并证实。而在硅表面生长三维立体结构也是最近研究的焦点。这种通过自组装生长得到的三维结构在光电器件等领域具有重要的应用前景。

硅是半导体工艺中最为重要的材料之一，在硅上面生长纳米或微米结构具有重要的意义。本发明涉及的三维立体结构具有类似于倒屋顶的外形，可以作为二次生长其它纳米材料(如氧化锌等)的容器或模板。另外，上述结构也可以在MEMS得到应用。在硅的倒屋顶结构的基础上可以生长四个斜面得到硅的三维中空结构(金字塔和屋顶结构)，研究这种结构可以揭示硅的自组装特性。

目前，这种硅的倒屋顶结构的制备方法还未见报导。与此类似，在硅基底上制备“井”结构一般采用电子束爆光(Electron-Beam Lithography)法[L.Vescan，et al.Self-assemblingof Ge on finite Si.001.areas comparable with the island size.Applied Physics Letters 82，3517(2003)]和KOH腐蚀[Shyh-Shin Ferng，et al.Growth behaviour of Ge nano-islands on thenanosized Si(111)facets bordering on two(100)planes.Nanotechnology 17，5207(2006)]等方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有三维凹陷结构的硅及其制备方法。

通过扫描电子显微镜(SEM)观察，上述具有三维凹陷结构的硅的三维结构具有类似于倒屋顶的外形，即，顶面为长方形，侧面为两对相同大小的三角形和梯形，其中三角形侧面和三角形侧面相对，梯形侧面和梯形侧面相对，如附图1所示。

根据得到扫描电镜(SEM)图片，该倒屋顶形的顶面长方形的长度等于该屋顶形的屋脊长度和顶面长方形的宽度的和。即，b＝a+c，其中a为倒屋顶形屋脊的长度，b为倒屋顶形长方形顶面的长度，c为倒屋顶形长方形顶面的宽度。

特别的，当倒屋顶形的屋脊长度为零时，即a＝0时，b＝c，该倒屋顶形退化为倒金字塔形，如附图2所示。

从另一个角度来说，倒屋顶形也可以认为是倒金字塔形沿着其中一个侧面伸长的结果。

本发明提供的具有三维凹陷结构的硅的大小属于200纳米至60微米，即b和c均属于200纳米至60微米的范围内；其深度属于300纳米至40微米。

本发明通过气相沉积方法制备上述具有三维凹陷结构的硅，通过沉积在硅表面的金属锌与硅的共熔生长硅的倒屋顶结构。整个反应在真空腔室中进行，使用惰性气体为保护气体。此法没有使用催化剂，提供了一种具有三维凹陷结构的硅的制备方法。

本发明获得硅的三维凹陷结构的方法本身具有简单，且易于重复实现的特点。该方法包括以下几个步骤：

(1)将表面平整清洁的硅片和金属锌粉分别置于可加热的反应腔室中；其中硅片的(001)面朝上，作为生长上述具有三维凹陷结构的硅的基底；较佳地，在将硅片放入反应腔室之前，使用皮拉法对硅片进行清洁处理，以使其表面不含杂质，使反应能够更加顺利地进行。可以将金属锌粉置于反应腔室的中心位置；而硅片则可置于中心位置，或者中心位置附近或者置于反应腔室下风口位置。这里上风口指的是保护气体进入的一端，而下风口指的是抽气出口的一端。所需金属锌粉的用量以满足两个条件为准：一方面要在升温过程中保证腔内有足够多的锌粉被蒸发，形成锌蒸气与硅表面接触；另一方面，在升温结束时，锌粉应被蒸发完全，否则会在硅片形成氧化锌的纳米结构，干扰实验。

(2)通入保护气体，除去反应腔室内的空气，并使腔室内压强保持在0.3至0.5MPa之间；其中，所述的保护气体优选为惰性气体，在实际应用中，由于成本的原因，较常用的为氩气。流量优选为30-60sccm。

(3)加热，使腔室内温度达到600-1200℃，升温过程持续60-100分钟，并在最高温度下保持20-30分钟。

(4)将腔室内温度自然降至室温。取出样品，在硅基底上得到具有三维凹陷结构的硅。

值得说明的是，在上述步骤(3)和(4)中，都保持通入保护气体。