[发明专利]一种制备三维超可拉伸晶态纳米线的方法

说明书

一种制备三维超可拉伸晶态纳米线的方法，1)利用PECVD或者PVD在衬底上淀积一层绝缘介质层作为牺牲层，2)利用光刻、电子束直写定义周期台阶边缘图案，利用干法或湿法交替刻蚀工艺刻蚀介质层形成垂直台阶侧壁；3)用腐蚀性液体处理台阶表面，形成波浪形台阶；4)再次光刻电子束直写或者掩膜板技术定义垂直于台阶的图案以及刻蚀技术进行制备垂直于台阶的二次引导沟道；5)通过光刻、蒸发或者溅射工艺，局部淀积一层带状的催化金属层；6)催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒；7)将温度降低到催化金属颗粒熔点以下，将整个结构表面淀积覆盖非晶半导体前驱体薄膜层；淀积出晶态的纳米线；纳米线将沿波浪台阶的引导沟道生长。

技术领域

本发明涉及一种利用沟道引导技术获得超可拉伸晶态纳米线(nanowire)的方法，尤其涉及利用两次刻蚀工艺形成大面积，易定位的波浪形引导沟道的方法。

背景技术

半导体晶硅纳米线(Nanowire)由于其具有较高的载流子迁移率，并且可以实现高效稳定并且可靠的掺杂工艺等优势，是现代微电子技术的核心材料，在这里本申请发明人最早提出了一种平面固液固(IP SLS)生长模式：其中，采用非晶硅作为前驱体，由低熔点金属铟、锡纳米颗粒吸收非晶硅而生长出晶硅纳米线结构。同时，利用两次刻蚀技术可制备出三维纳米台阶，并以此台阶作为引导，金属液滴在台阶边缘覆盖的非晶硅吸引下，顺延台阶边缘运动，从而将纳米线生长在台阶边缘，实现超可拉伸的晶硅纳米线阵列。

然而很多材料的天然刚性严重限制了日益兴起的新型柔性可拉伸电子器件，为此控制晶态纳米线的形貌，使之具有超可拉伸性十分重要。由于平面晶态纳米线受衬底约束较大，可弛豫空间减小，在拉伸过程当中，非常容易使得纳米线发生寸断现象，从而难以制备出可靠的柔性电子器件。

本申请人小组已经提出过若干纳米线将沿三维台阶生长的技术。如CN2018100068322。

发明内容：

发明目的：本发明提出一种制备三维超可拉伸(指具有波浪或弧形弯曲的形状或结构的纳米线)的晶态纳米线的方法，这种方法生长出的弹簧纳米线结构转移到柔性衬底后，受衬底约束较小，可弛豫空间较大，从而大大提升了晶态纳米线的可拉伸性，为生产出高效、可靠的柔性纳米器件提供了极大的方便。

本发明的技术方案：一种制备三维超可拉伸晶态纳米线的方法，包括如下步骤：

1)利用PECVD或者PVD工艺在衬底上淀积一层绝缘介质层作为牺牲层(约4±2μm左右)；

2)利用光刻、电子束直写或者掩膜板技术定义周期台阶边缘图案，利用干法或湿法交替刻蚀工艺刻蚀介质层形成垂直台阶侧壁(台阶高约1±0.5μm左右)；

3)用腐蚀性液体处理台阶表面，由于沟道尖角处氧化硅含量最少，液体腐蚀速率相对其余区域更快从而能对垂直沟道进行平滑化刻蚀，形成波浪形台阶；

4)以上一步所形成的波浪形台阶为衬底，再次光刻电子束直写或者掩膜板技术定义垂直于台阶的图案以及刻蚀技术进行制备垂直于台阶的二次引导沟道；

5)在制备好的台阶上二次引导沟道的一端，通过光刻、蒸发或者溅射工艺，局部淀积一层带状的催化金属层；

6)升高温度至催化金属熔点以上，通入还原性气体等离子体进行处理，使催化金属层转变为分离的金属纳米颗粒；

7)将温度降低到催化金属颗粒熔点以下，将整个结构表面淀积覆盖非晶半导体前驱体薄膜层；然后将温度升高至适当温度，使得纳米金属颗粒重新熔化，在其前端开始吸收非晶层，而在后端淀积出晶态的纳米线；由于三维台阶的引导作用，纳米线将沿波浪台阶的引导沟道生长；

8)剩余的非晶半导体前驱体由氢气等离子体、ICP或者RIE等刻蚀工艺去除；得到波浪型的纳米线。