[发明专利]一种方形硅纳米孔洞及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种方形硅纳米孔洞及其制备方法。

背景技术

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，腐蚀不彻底及均匀性差等。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：包括腐蚀均匀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）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方形硅纳米孔洞及其制备方法，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，而具有均匀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。

本发明采用以下技术方案：

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℃，升温速度为10-50℃/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℃，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95sccm，退火温度为300℃，升温速度为10℃/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℃，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280～420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。