[发明专利]一种制备Si基TaSi2纳米尖锥阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Si基TaSi₂纳米尖锥阵列的制备方法，属于半导体纳米材料制备技术领域。

背景技术

定向凝固Si-TaSi₂共晶自生复合材料在相界面会形成三维的Si/TaSi₂肖特基整流结，而由于TaSi₂具有高熔点（T_m=2040°C）、高电导率(ρ_293K=20.20Ωμ·cm)、较低的功函数且与硅有很好的结合强度，使得Si/TaSi₂整流结表现出低的结点电压和高的雪崩电压，从而使Si-TaSi₂共晶自生复合材料成为一种具有广泛应用前景的新型场发射阴极材料，例如应用在场效应二极管，平板显示器，传感器等器件上。通常制备尖锥阵列的传统方法是光刻法、化学刻蚀法，然而光刻法的制造成本非常高，不利于进行商业化推广。

目前制备Si基体上TaSi₂尖锥阵列的方法主要是化学刻蚀法。具体有以下几种：

文献(“B.M.Ditchek,B.G.Yacobi,M.Levinson,Depletion zone limited transport in Si-TaSi₂eutectic composites,Journal of Applied Physics,63(1988)1964-1970”)。利用NaOH/NaOCl刻蚀液，对采用丘克拉斯基晶体生长技术(CZ)制备的Si-TaSi₂共晶复合材料进行腐蚀，通过溶解Si基体使TaSi₂显露出来，形成阵列，然而由于一方面所述的刻蚀液并不和TaSi₂反应，因此没能形成TaSi₂尖锥；另一方面通过CZ法制备的Si-TaSi₂共晶复合材料有众多不利因素：Si熔体易与坩埚反应，造成Si原料的污染；非稳态温度场和低的温度梯度（＜100k/cm）会导致TaSi₂在Si基体中分布不均，规整性变差；提拉速率、籽晶和坩埚旋转速率相互制约，致使提拉速率变化范围比较小，形成的TaSi₂纤维直径比较粗大（＞1μm），这些都会对场发射性能产生不利的影响。

文献（“R.Bhandari,S.Negi,L.Rieth,F.Solzbacher,A wafer-scale etching technique for high aspect ratio implantable MEMS structures,Sensors and Actuators A,162(2010)130-136”）利用HNO₃/HF腐蚀液制备出了高长/径比（15：1）的Si尖锥阵列。该方法能够制备大面积尖锥阵列，实验的重复性好，并且每一个阵列的外部结构对称度高。由于该方法中的腐蚀液能够溶解TaSi₂，可以用来制备Si基体上的TaSi₂尖锥阵列。但是由于制备Si基体上的TaSi₂尖锥阵列时，所述的腐蚀液必须同时溶解Si基体和TaSi₂，并且要使溶解TaSi₂的速度小于溶解Si基体的速度，才能够在Si基体形成TaSi₂尖锥。所以，用于制备Si基体上的TaSi₂尖锥阵列的HNO₃/HF腐蚀液与用于制备Si尖锥阵列的HNO₃/HF腐蚀液是不同的，不能将文献中的HNO₃/HF腐蚀液用于制备Si基体上的TaSi₂尖锥阵列。比如，在文献(“周飞，张军，苏海军，刘林，傅恒志，湿法腐蚀制备Si-TaSi₂场发射阴极阵列的工艺研究，铸造技术31(2010)571-575”)中，西北工业大学利用HNO₃/HF刻蚀液，对CZ法制备的Si-TaSi₂共晶复合材料进行选择性腐蚀。然而采用所述的腐蚀工艺很难获得理想的TaSi₂尖锥阵列，得到的尖锥阵列的长径比仅为2：1，影响了尖锥阵列的场发射性能。

发明内容

为克服现有技术中存在的制造成本高、得到的尖锥阵列的场发射性能差的不足，本发明提出了一种制备Si基TaSi₂纳米尖锥阵列的方法。

本发明的具体过程是：