專利名稱：具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅及其制備方法，屬于半導(dǎo)體材料及其制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有特殊結(jié)構(gòu)的納米材料及其表現(xiàn)出來(lái)的新奇性質(zhì)已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。這些材 料的很多物理現(xiàn)象已經(jīng)被預(yù)言并證實(shí)。而在硅表面生長(zhǎng)三維立體結(jié)構(gòu)也是最近研究的焦 點(diǎn)。這種通過自組裝生長(zhǎng)得到的三維結(jié)構(gòu)在光電器件等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
硅是半導(dǎo)體工藝中最為重要的材料之一，在硅上面生長(zhǎng)納米或微米結(jié)構(gòu)具有重要的意 義。本發(fā)明涉及的三維立體結(jié)構(gòu)具有類似于倒屋頂?shù)耐庑危梢宰鳛槎紊L(zhǎng)其它納米材 料(如氧化鋅等)的容器或模板。另外，上述結(jié)構(gòu)也可以在MEMS得到應(yīng)用。在硅的倒屋 頂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以生長(zhǎng)四個(gè)斜面得到硅的三維中空結(jié)構(gòu)(金字塔和屋頂結(jié)構(gòu))，研究這種 結(jié)構(gòu)可以揭示硅的自組裝特性。
目前，這種硅的倒屋頂結(jié)構(gòu)的制備方法還未見報(bào)導(dǎo)。與此類似，在硅基底上制備"井" 結(jié)構(gòu)一般采用電子束爆光(Electron-Beam Lithography)法[L. Vescan, et al. Self-assembling of Ge on finite Si.001. areas comparable with the island size. Applied Physics Letters 82, 3517 (2003)]和KOH腐蝕[Shyh陽(yáng)SWn Ferng, et al. Growth behaviour of Ge nano-islands on the nanosized Si (111) facets bordering on two (100) planes. Nanotechnology 17， 5207 (2006)]等 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅及其制備方法。 通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，上述具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅的三維結(jié)構(gòu)具有類似 于倒屋頂?shù)耐庑危?，頂面為長(zhǎng)方形，側(cè)面為兩對(duì)相同大小的三角形和梯形，其中三角形 側(cè)面和三角形側(cè)面相對(duì)，梯形側(cè)面和梯形側(cè)面相對(duì)，如附圖1所示。
根據(jù)得到掃描電鏡(SEM)圖片，該倒屋頂形的頂面長(zhǎng)方形的長(zhǎng)度等于該屋頂形的屋脊長(zhǎng)度和頂面長(zhǎng)方形的寬度的和。B卩，b=a+c，其中a為倒屋頂形屋脊的長(zhǎng)度，b為倒屋頂形 長(zhǎng)方形頂面的長(zhǎng)度，c為倒屋頂形長(zhǎng)方形頂面的寬度。
特別的，當(dāng)?shù)刮蓓斝蔚奈菁归L(zhǎng)度為零時(shí)，即a=0時(shí)，b=c，該倒屋頂形退化為倒金字 塔形，如附圖2所示。
從另一個(gè)角度來(lái)說，倒屋頂形也可以認(rèn)為是倒金字塔形沿著其中一個(gè)側(cè)面伸長(zhǎng)的結(jié)果。
本發(fā)明提供的具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅的大小屬于200納米至60微米，即b和c均屬于 200納米至60微米的范圍內(nèi)；其深度屬于300納米至40微米。
本發(fā)明通過氣相沉積方法制備上述具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅，通過沉積在硅表面的金屬 鋅與硅的共熔生長(zhǎng)硅的倒屋頂結(jié)構(gòu)。整個(gè)反應(yīng)在真空腔室中進(jìn)行，使用惰性氣體為保護(hù)氣 體。此法沒有使用催化劑，提供了一種具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅的制備方法。
本發(fā)明獲得硅的三維凹陷結(jié)構(gòu)的方法本身具有簡(jiǎn)單，且易于重復(fù)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。該方法 包括以下幾個(gè)步驟
(1) 將表面平整清潔的硅片和金屬鋅粉分別置于可加熱的反應(yīng)腔室中；其中硅片的 (001)面朝上，作為生長(zhǎng)上述具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅的基底；較佳地，在將硅片放入反
應(yīng)腔室之前，使用皮拉法對(duì)硅片進(jìn)行清潔處理，以使其表面不含雜質(zhì)，使反應(yīng)能夠更加順
利地進(jìn)行?？梢詫⒔饘黉\粉置于反應(yīng)腔室的中心位置；而硅片則可置于中心位置，或者中 心位置附近或者置于反應(yīng)腔室下風(fēng)口位置。這里上風(fēng)口指的是保護(hù)氣體進(jìn)入的一端，而下 風(fēng)口指的是抽氣出口的一端。所需金屬鋅粉的用量以滿足兩個(gè)條件為準(zhǔn) 一方面要在升溫 過程中保證腔內(nèi)有足夠多的鋅粉被蒸發(fā)，形成鋅蒸氣與硅表面接觸；另一方面，在升溫結(jié) 束時(shí)，鋅粉應(yīng)被蒸發(fā)完全，否則會(huì)在硅片形成氧化鋅的納米結(jié)構(gòu)，干擾實(shí)驗(yàn)。
(2) 通入保護(hù)氣體，除去反應(yīng)腔室內(nèi)的空氣，并使腔室內(nèi)壓強(qiáng)保持在0.3至0.5MPa 之間；其中，所述的保護(hù)氣體優(yōu)選為惰性氣體，在實(shí)際應(yīng)用中，由于成本的原因，較常用 的為氬氣。流量?jī)?yōu)選為30-60 sccm。
(3) 加熱，使腔室內(nèi)溫度達(dá)到600-120(TC，升溫過程持續(xù)60-100分鐘，并在最高溫 度下保持20-30分鐘。
(4) 將腔室內(nèi)溫度自然降至室溫。取出樣品，在硅基底上得到具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅。
值得說明的是，在上述步驟(3)和(4)中，都保持通入保護(hù)氣體。可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明具有三維中空結(jié)構(gòu)的硅的主要成 份為硅，同時(shí)含有少量的鋅(附圖5)。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于制備所需原料非常廉價(jià)；制備步驟簡(jiǎn)單；制 備參數(shù)容易控制；生成的產(chǎn)物形貌平整,結(jié)晶良好，且具有規(guī)則的硅的三維立體結(jié)構(gòu)。


圖l.倒屋頂結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖2.倒金字塔結(jié)構(gòu)俯視圖3.倒屋頂結(jié)構(gòu)和倒金字塔結(jié)構(gòu)陣列側(cè)視圖一； 圖4.倒屋頂結(jié)構(gòu)和倒金字塔結(jié)構(gòu)陣列側(cè)視圖二；
圖5.本發(fā)明具有三維中空結(jié)構(gòu)的硅的EDX譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 實(shí)施例一
在本實(shí)施例中，釆用的反應(yīng)原料為IO隱XIO鵬的硅片(001面)，化學(xué)純金屬鋅粉。
首先使用皮拉法對(duì)硅片進(jìn)行清洗，除去表面的氧化層和表面吸附的雜志。硅片大小一 般截成lOmmXlOmm。
將0.8-lg鋅粉置于石英舟當(dāng)中，放置于管式升溫爐的中心。另外，將裝有3-4片正 面朝上的硅片的石英舟放置于距管式升溫爐中心10cm處的下風(fēng)口。
樣品裝入管式升溫爐密封完全后，打開機(jī)械泵抽氣，使管內(nèi)壓強(qiáng)小于0.1MPa。接著通 入氬氣使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到0.4MPa左右。并保持在這一壓強(qiáng)。此過程中，機(jī)械泵一直工作， 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
設(shè)定80分鐘時(shí)間使腔室從室溫升溫至最高溫度IIO(TC,并在此溫度保持25分鐘。整 個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，氬氣作為保護(hù)氣體一直通入，流量為40 sccm;在此過程中，如爐內(nèi)壓強(qiáng) 有變化，調(diào)整抽氣量使之保持原來(lái)設(shè)定值。
約四五個(gè)小時(shí)后，爐內(nèi)溫度降至室溫，打開真空室取出樣品。
在本實(shí)施例中，從石英舟所得到的硅片的掃描電子顯微鏡整體圖像如附圖l， 2所示。實(shí)施例二
在本實(shí)施例中，最高溫度設(shè)為1300°C以上，其它條件同實(shí)施例一，在硅片上得到的 倒屋頂和倒金字塔結(jié)構(gòu)并不完整。
實(shí)施例三
在本實(shí)施例中，不在硅片上覆蓋或熱蒸發(fā)沉積鋅粉，其它條件同實(shí)施例一，只加熱硅 片，最終不能得到任何硅的三維結(jié)構(gòu)。
從以上三個(gè)實(shí)施例可以看出，只要有金屬鋅粉和硅片在適當(dāng)?shù)臏囟认路磻?yīng)，就會(huì)得到 具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅。其它參數(shù)，如最高溫度、壓強(qiáng)和保溫時(shí)間也會(huì)影響硅的三維立體 結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。其中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，鋅粉使用量以及硅片的大小是根據(jù)加熱 設(shè)備而定，不以本發(fā)明實(shí)施例所給范圍為限。
以上通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)以人員應(yīng)當(dāng)理解，在不超 出本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出一定的修改和變形，比如用其他方法代替 本發(fā)明內(nèi)容實(shí)施例所揭露的方法對(duì)硅片進(jìn)行清潔處理，或使用與鋅性質(zhì)類似的金屬，或者 用其他可抽真空的加熱設(shè)備代替本發(fā)明所揭露的管式升溫爐，仍然可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目 的。另外，設(shè)定不同的溫度和時(shí)間，壓強(qiáng)等不同參數(shù)，仍有可能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述之結(jié)果。
權(quán)利要求
1. 一種具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅，其特征在于所述的三維凹陷結(jié)構(gòu)為倒屋頂形。
2. 如權(quán)利要求l所述的具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅，其特征在于所述倒屋頂形滿足b^+c， 其中a為倒屋頂形屋脊的長(zhǎng)度，b為倒屋頂形長(zhǎng)方形頂面的長(zhǎng)度，c為倒屋頂形長(zhǎng)方形頂 面的寬度。
3. 如權(quán)利要求1所述的具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅，其特征在于a=0， b=c，其外形呈倒 金字塔形。
4. 如權(quán)利要求1所述的具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅，其特征在于b和c均屬于200納米 至60微米。
5. 如權(quán)利要求1所述的具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅，其特征在于其深度屬于300納米至 40微米。
6. —種具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅的制備方法，其步驟包含(1) 將表面平整清潔的硅片和鋅粉分別置于可加熱的反應(yīng)腔室中，硅片的(001)面 作為反應(yīng)界面；(2) 通入保護(hù)氣體，除去反應(yīng)腔室內(nèi)的空氣，并使腔內(nèi)壓強(qiáng)保持在0.3至0.5MPa之間；(3) 加熱，使反應(yīng)腔室內(nèi)溫度達(dá)到600-120(TC,升溫過程持續(xù)60-100分鐘，并在最 高溫度下保持20-30分鐘；(4) 將腔室內(nèi)溫度自然降至室溫，得到具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在步驟(1)之前還包含下列步驟使用 皮拉法對(duì)硅片進(jìn)行清潔處理。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的鋅粉置于反應(yīng)腔室內(nèi)的 中心位置，硅片可置于反應(yīng)腔室的中心位置并位于鋅粉之下，也可置于下風(fēng)口。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的鋅粉的質(zhì)量滿足如下條 件在升溫過程中保證反應(yīng)腔室內(nèi)有足夠多的鋅粉被蒸發(fā)，使得形成的鋅蒸氣與硅表面接 觸；同時(shí)在升溫結(jié)束時(shí)，鋅粉被蒸發(fā)完全。
10. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的反應(yīng)腔室為管式升溫爐， 或者其它能夠提供真空腔室的可加熱的設(shè)備。
11. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述的保護(hù)氣體為惰性氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅及其制備方法，屬于半導(dǎo)體材料及其制備領(lǐng)域。本發(fā)明具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅的三維結(jié)構(gòu)具有類似于倒屋頂?shù)耐庑?，即，頂面為長(zhǎng)方形，側(cè)面為兩對(duì)相同大小的三角形和梯形，頂面長(zhǎng)方形的長(zhǎng)度等于該倒屋頂形的屋脊長(zhǎng)度和頂面長(zhǎng)方形的寬度的和，特別的，當(dāng)?shù)刮蓓斝蔚奈菁归L(zhǎng)度為零時(shí)，該倒屋頂形退化為倒金字塔形。本發(fā)明同時(shí)提供了一種通過氣相沉積方法制備上述具有三維凹陷結(jié)構(gòu)的硅的方法。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于制備所需原料非常廉價(jià)；制備步驟簡(jiǎn)單；制備參數(shù)容易控制；生成的產(chǎn)物形貌平整，結(jié)晶良好，且具有規(guī)則的硅的三維立體結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C30B29/60GK101311349SQ200810101189
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者越 吳, 奚中和, 崔宏宇, 張耿民, 郭等柱 申請(qǐng)人:北京大學(xué)