[发明专利]一种制备高质量柔性单晶硅纳米线的方法

说明书

一、技术领域

本发明主要涉及微纳机电系统及半导体器件领域，特别是柔性纳米电子器件应用领域。

二、技术背景

纳机电系统(NEMS)是基于微机电系统(MEMS)发展起来的新兴技术领域，同时也是纳米技术的重要组成部分。NEMS技术还处于基础研究阶段，未来也将发挥举足轻重的作用。当前已经产业化的MEMS技术多采取非常成熟的自上而下(Top-down)，而到了NEMS时代，尺度将达到百纳米甚至更小，随之产生的技术和成本问题将非常显著。而Bottom-up技术，是分子、原子组装技术的办法，即把具有特定理化性质的功能分子、原子，借助分子、原子内的作用力，精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其它结构，再由纳米结构与功能单元集成为微系统。

柔性电子器件是目前微电子领域一个非常显著的发展趋势。柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴(SkinPatches)等。

硅材料是目前半导体材料中最核心，应用最广泛的材料，半导体纳米线结构由于其独特的光学及电学性质，在电子器件、光电探测、生物医学、传感器等方面有非常广阔的应用前景。但，目前制备的硅纳米线都较硬，不易伸缩，无法应用于柔性电子器件。因此，在柔性衬底上制备高质量柔性硅纳米线的工艺具有现实的应用价值和广阔的应用前景。

VLS生长机制的一般要求必须有催化剂的存在，生长材料首先被蒸发成气态，在适宜的温度下，催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物，生长材料的组元不断从气相中获得，当液态中熔质组元达到过饱和后，晶须将沿着固-液界面一择优方向析出，长成线状晶体。很显然催化剂的尺寸将在很大程度上控制所生长晶须的尺寸。实验证明这种生长机制可以用来制备大量的单质、二元化合物甚至更复杂的单晶，而且该方法生长的单晶基本上无位错，生长速度快。通过控制催化剂的尺寸可以制备出大量的准一维纳米材料。

本发明采用的平面固-液-固(IP-SLS)生长机制类似于VLS机制，与VLS机制的区别在于，在VLS机制生长过程中，所需的原材料由气相提供；而在SLS机制生长过程中，所需的原料是从固态的非晶材料提供的，一般来说，此方法中常用低熔点金属(如In、Sn或Bi等)作为助溶剂，相当于VLS机制中的催化剂。

三、发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种制备高质量柔性硅纳米线的方法。尤其是高质量柔性zigzag形(之字形)单晶硅纳米线的方法。

本发明采取以下技术方案：一种制备高质量柔性单晶硅纳米线的方法，可实现自定位生长、转移和集成平面半导体纳米线：1)、在平整的衬底(如硅片或柔性衬底等)上，配合光刻或其他图案生成技术，在选定的区域蒸镀诱导金属Sn或In等金属膜，作为纳米线生长的初始位置，金属膜厚度在几个纳米到几十个纳米。2)在PECVD系统中，在温度200℃-500℃、功率2W-50W时利用氢气的等离子体对金属薄膜进行处理，使之成为直径在几十纳米到几微米之间的分立的准纳米催化颗粒；可通过调控金属薄膜厚度的不同和处理的温度、功率、时间等变化可控制形成催化金属颗粒的尺寸大小。3)、降低温度至120℃，覆盖适当厚度(几纳米至几百纳米)的非晶硅层作为前驱体介质层。4)、在真空中或者氢气、氮气等非氧化性气氛中退火(温度在350℃-400℃)，催化金属颗粒会被激活，自发吸收非晶硅，析出单晶硅，同时纳米线的生长方向发生周期性的变化，从而生长出zigzag形单晶硅纳米线。

纳米线长成zigzag形纳米线这种特殊形貌是指通过调控金属催化液滴的大小，非晶硅厚度、退火温度等参数来实现的；

所述诱导金属既可以是Sn或者In，也可以是其他可以诱导生长平面纳米线的金属。

平面生长的zigzag纳米线既可以是硅纳米线，也可以是锗等半导体纳米线，纳米线既可以是本征纳米线也可以是掺杂纳米线。

诱导金属的定位既可以用掩膜板，也可以利用光刻技术、纳米压印技术实现。

进一步的，利用阳极键合等转移技术把生长的zigzag纳米线转移到其他目标衬底上。或直接在可以和上面工艺过程相适应的柔性衬底(耐350℃高温，耐等离子体反应等)上自定位生长阵列。