[发明专利]一种在硅表面可控生长微纳孔结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在硅表面可控生长微纳孔结构的方法，尤其是涉及一种以硅衬底表面岛状金属区为引导的化学腐蚀方法，通过选择性地将岛状金属区下方的硅的腐蚀来形成硅表面的微纳孔结构。

背景技术

微型化是现代电子和光子器件发展的一个重要趋势。近年来，人们研究或发展了各种基于微纳孔结构为模板的电子和光子器件。其中，微纳孔结构的形成主要有两种途径，一是通过先进的微纳加工设备，如电子束曝光和刻蚀、聚焦离子束刻蚀等；另一种是通过化学或物理过程的自组装方法(Self-assembly)。前一种方法具有对结构尺寸很好的控制性，但是一般工艺昂贵，而且可以制作的区域面积一般很有限(在边长为几百微米的范围之内)，如要增加其区域面积，其成本将极其昂贵；后一种方法成本低廉，但是控制性差。而近年来随着人们对引导性自组装方法的研究，使得人们可以控制微纳孔在衬底表面形成的位置，如在衬底上形成阳极氧化铝孔结构等。硅(Silicon，Si)是一种尤为重要的电子和光子器件材料，因而在硅衬底表面可控地制作微纳孔结构就具有重要的意义。

现有的两种硅微纳结构加工的方法是：

1)用阳极氧化方法制造硅表面微纳孔结构。该方法首先在1956年被发现(参见文献：1、Auhlir，Jr.，Bell Syst.Tech.J.35，333(1956))。在该方法中，将硅片作为电化学反应的阳极，放入稀释的氢氟酸(HF)溶液。当电化学反应的回路电流大于一个临界电流值时，硅片表面发生电化学抛光的效果；而当回路电流小于这个临界电流值时，会在硅片表面产生孔状的结构。20世纪90年代以来，随着纳米技术研究的快速兴起，人们进一步详细地研究了这种结构的制备及其所相关的光电特性(如见文献：2、L.T.Canham，Appl.Phys.Lett.57，1046(1990)；3、R.L.Smith，S.D.Collins，J.Appl.Phys.71，R1(1992)；4、G.bomchil，A.Halimaoui，I.Sagnes，P.A.Badoz，I.Berbezier，P.Perret，B.Lambert，G.Vincent，L.Garchery，J.L.Regolini，Appl.Surf.Sci.65/66，394(1993))。但这种方法中硅表面孔结构的产生是在阳极氧化反应中一种自发的过程，所制备结构中孔的位置是无序、不能够控制的；即使能够自发地形成一些有序的排布，也只是在有限的区域之内。从根本上，利用该方法制备的结构是不可控的。后来人们又开发出一种基于硅表面预先通过光刻和刻蚀凹坑来控制阳极氧化微纳孔位置的方法(如见文献：5、X.Badel，R.T.R.Kumar，P.Kleimann and J.Linnros，Superlattices and Microstructures 36，245(2004).)，但是其结构尺寸完全受限于预先光刻尺寸的大小。

2)采用金属颗粒做为催化材料用化学腐蚀的方法来制备硅纳米线(参见文献：6、K.Peng，Y.Wu，H.Fang，X.Zhong，Y.Xu and J.Zhu，Angew.Chem.Int.Ed.44，2737(2005)；7、K.Peng，J.Hu，Y.Yan，Y.Wu，H.Fang，Y.Xu，S.T.Lee and J.Zhu，Adv.Funct.Mater.16，387(2006))。该方法制备了硅纳米线结构，而且也是不可控的，硅纳米线的位置也是随机分布的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控制所产生微纳孔的位置及其分布和大小，不需要阳极氧化所需的外电源和光照系统的在硅表面可控生长微纳孔结构的方法。

本发明包括以下步骤：

1)准备硅衬底；

2)在硅衬底表面形成金属纳米颗粒或岛状金属薄膜的分布；

3)将样品浸入电解质溶液进行电化学腐蚀；

4)将进行电化学腐蚀后的样品浸入所用金属的化学腐蚀溶液，在硅衬底表面形成微纳孔，去除微纳孔底部的金属，即在硅表面可控生长微纳孔结构。

所述硅衬底可为一般至少一面抛光的硅晶片，或为表面淀积硅薄膜的其它衬底材料。微纳孔结构制作在抛光的硅晶片表面或硅薄膜表面。

所述金属纳米颗粒或岛状金属薄膜的材料可为银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)等金属。