專利名稱：大面積制備二氧化硅或者硅納米線的控制生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低維納米材料的制備方法，特別涉及一種大面積制備二氧化硅或者硅納米線及其控制生長的方法，屬于納米材料制備與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅材料在傳統(tǒng)微電子行業(yè)占據(jù)著舉足輕重的地位，硅納米線作為硅的一維納米結(jié)構(gòu)，因其能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電子輸運特性，在納(光)電子器件、互聯(lián)線、傳感器件方面有很大的應(yīng)用前景而成為一大研究熱點。非晶態(tài)的二氧化硅納米線因其在室溫觀察到強的藍光，在集成光電納米器件領(lǐng)域也可得到廣泛應(yīng)用，同樣備受關(guān)注。二氧化硅納米線可以經(jīng)過氧化硅納米線，或者在制備硅納米線過程中采用低的真空度得到，所以硅納米線和二氧化硅納米線的制備方法類似。常規(guī)制備硅/二氧化硅納米線的方法分為自上而下的模板法，如光刻模板法[參見中國專申請?zhí)?3141848.1，公開號CN 1474434A]和自下而上的自組裝法，如金屬催化VLS(Vapor-liquid-solid)機制[參見中國專利申請?zhí)?2104179.2，公開號CN1382626A]。最近提出的氧化物輔助生長OAG(Oxide-assisted growth)自組裝機制是采用高溫蒸發(fā)或者脈沖激燒蝕SiO2和Si混合粉末或者SiO高純粉末，從腔壁或者襯底上收集硅/二氧化硅納米線的一種簡單方法[參見R.Q.Zhang，Y.Lifshitz and S.T.Lee，Adv.Mater.，15，635(2003)]，優(yōu)點是避免采用金屬或金屬化合物作為催化劑，但與硅平面技術(shù)工藝不兼容。
納米線的可控生長是實現(xiàn)納米(光)電器件的必要條件。目前納米線的有序制備和可控生長主要有光刻模板法[參見中國專申請?zhí)?3141848.1，公開號CN 1474434A]和氧化鋁模板法[參見中國專申請?zhí)?1113646.4，公開號CN 1323051A]。前者對加工設(shè)備要求嚴格，生成產(chǎn)量低，成本高；后者制備過程復(fù)雜，操作不易掌握。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供大面積制備二氧化硅或者硅納米線的控制生長方法，具有工藝和設(shè)備簡單、熱處理溫度低，原位生長，可控摻雜P型或N型，與硅集成工藝兼容等優(yōu)點。
本發(fā)明一種大面積制備二氧化硅或者硅納米線的控制生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在單晶硅片襯底上用物理氣相沉積法、磁控濺射法或者化學(xué)氣相沉積法沉積一層非晶態(tài)薄膜；步驟2然后在密閉石英管反應(yīng)腔內(nèi)充入流動的N2、Ar、或者N2和H2、Ar和H2混合氣體作為保護氣體；步驟3直接退火沉積有非晶態(tài)薄膜的單晶硅片，在硅襯底上長出大面積的二氧化硅/硅納米線；
步驟4用光刻工藝和濕法刻蝕在沉積的非晶態(tài)氧化硅薄膜上，開出數(shù)微米寬的溝槽，露出單晶硅襯底；步驟5然后在密閉石英管反應(yīng)室內(nèi)充入流動的保護氣體，在單晶硅襯底上垂直溝槽方向有序生長出大面積的二氧化硅/硅納米線。
其中非晶態(tài)薄膜的厚度為10～600nm，非晶態(tài)薄膜是SiOx其中0＜X≤2的材料。
其中保護氣體的流量為50～500sccm。
其中的退火溫度在1000～1300℃溫度下，時間為1～5hrs。
其中在單晶硅襯底上長出的大面積的二氧化硅/硅納米線的尺寸為10mm×10mm，其納米線的直徑在20～100nm，長度超過100μm。
其中生長硅納米線時，反應(yīng)室真空保持在200～500Torr。
本發(fā)明的有益效果在于1.不需要金屬或金屬化合物作催化劑，所得產(chǎn)物具有很高純度；2.原位生長，與硅集成工藝兼容；3.控制納米線生長的方法產(chǎn)量高，成本低，操作簡單。
另外，在沉積非晶態(tài)SiOx薄膜中可摻入B或者P等元素，實現(xiàn)大面積的P型或N型二氧化硅/硅納米線的制備，在微電子和納電子領(lǐng)域有很重要應(yīng)用前景。


為進一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1為本發(fā)明的流程圖。
圖2為本發(fā)明的大面積二氧化硅納米線掃描電鏡圖象。
圖3為本發(fā)明的控制大面積二氧化硅納米線生長的掃描電鏡圖象。
具體實施方案下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明本發(fā)明是將沉積非晶態(tài)SiOx(0＜X≤2)薄膜的單晶硅置于充有流動保護氣體的封閉石英管反應(yīng)室，在1000～1300℃溫度下退火1～5hrs。制備硅納米線時要求密閉石英管反應(yīng)室抽真空，退火過程中，反應(yīng)室真空保持在200～500Torr?？刂贫趸?硅納米線生長時要在非晶態(tài)SiOx(0＜X≤2)薄膜上用光刻工藝和濕法刻蝕開出溝槽，然后退火。納米線的尺寸和生長的面積由退火時間和溫度控制。
請參閱圖1，圖1為本發(fā)明的流程圖，本發(fā)明一種大面積制備二氧化硅或者硅納米線的控制生長方法，包括如下步驟步驟1在單晶硅片襯底上用物理氣相沉積法、磁控濺射法或者化學(xué)氣相沉積法沉積一層非晶態(tài)薄膜，該非晶態(tài)薄膜的厚度為10～600nm，非晶態(tài)薄膜是SiOx其中0＜X≤2的材料；步驟2然后在密閉石英管反應(yīng)腔內(nèi)充入流動的N2、Ar、或者N2和H2、Ar和H2混合氣體作為保護氣體，該保護氣體的流量為50～500sccm；步驟3直接退火沉積有非晶態(tài)薄膜的單晶硅片，在硅襯底上長出大面積的二氧化硅/硅納米線，該退火溫度在1000～1300℃溫度下，時間為1～5hrs；步驟4用光刻工藝和濕法刻蝕在沉積的非晶態(tài)氧化硅薄膜上，開出數(shù)微米寬的溝槽，露出單晶硅襯底；步驟5然后在密閉石英管反應(yīng)室內(nèi)充入流動的保護氣體，在單晶硅襯底上垂直溝槽方向有序生長出大面積的二氧化硅/硅納米線，在單晶硅襯底上長出的大面積的二氧化硅/硅納米線的尺寸為10mm×10mm，其納米線的直徑在20～100nm，長度超過100μm，其中生長硅納米線時，反應(yīng)室真空保持在200～500Torr。
實施例一、SiOx薄膜是在電容耦合式超高真空等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中，以SiH4(濃度15％，Ar稀釋)和N2O為反應(yīng)氣體，在經(jīng)過RCA處理的(100)Si片制備的。系統(tǒng)反應(yīng)前真空1×10-5torr，反應(yīng)中壓強110mtorr，襯底溫度200℃。調(diào)整SiH4和N2O流量比50/5，射頻功率50W，生長時間30min，在單晶Si襯底上沉積SiO0.94非晶態(tài)薄膜。
二、以管式水平電阻爐為加熱源，在密閉石英管反應(yīng)室內(nèi)充入流動的N2和H2混合氣體作為保護氣體，其流量分別為500sccm和25sccm，在1150℃溫度下退火2hrs，在單晶硅襯底上得到10mm×10mm以上大面積的二氧化硅納米線，其納米線的直徑約為50nm；三、以管式水平電阻爐為加熱源，在密閉石英管反應(yīng)室內(nèi)抽成真空，退火時充入流動的N2和H2混合氣體作為保護氣體，其流量分別為500sccm和25sccm，在1150℃溫度下退火2hrs，反應(yīng)室真空保持在300Torr。在單晶硅襯底上得到大面積的硅納米線，其納米線的直徑約為50nm(參閱圖2)；四、在沉積非晶態(tài)SiO0.94薄膜的單晶硅片涂膠光刻，形成5μm寬溝槽的掩膜，用氫氟酸緩沖溶液腐蝕SiO0.94薄膜，直到確定溝槽處露出單晶硅襯底為止，然后將濕法刻蝕過的沉積SiO0.94薄膜的單晶硅片置于以管式水平電阻爐為加熱源的密閉石英管反應(yīng)室內(nèi)，充入流動的N2和H2混合氣體作為保護氣體，其流量分別為500sccm和25sccm，在1150℃溫度下退火1h，在單晶硅底平面上垂直溝槽方向有序生長出大面積的二氧化硅納米線；在控制硅納米線生長時，要求密閉石英管反應(yīng)室抽真空，退火過程中，反應(yīng)室真空保持在300Torr，在單晶硅底平面上垂直溝槽方向有序生長出大面積的硅納米線(參閱圖3)。
權(quán)利要求
1.一種大面積制備二氧化硅或者硅納米線的控制生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在單晶硅片襯底上用物理氣相沉積法、磁控濺射法或者化學(xué)氣相沉積法沉積一層非晶態(tài)薄膜；步驟2然后在密閉石英管反應(yīng)腔內(nèi)充入流動的N2、Ar、或者N2和H2、Ar和H2混合氣體作為保護氣體；步驟3直接退火沉積有非晶態(tài)薄膜的單晶硅片，在硅襯底上長出大面積的二氧化硅/硅納米線；步驟4用光刻工藝和濕法刻蝕在沉積的非晶態(tài)氧化硅薄膜上，開出數(shù)微米寬的溝槽，露出單晶硅襯底；步驟5然后在密閉石英管反應(yīng)室內(nèi)充入流動的保護氣體，在單晶硅襯底上垂直溝槽方向有序生長出大面積的二氧化硅/硅納米線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積制備二氧化硅或者硅納米線的控制生長方法，其特征在于，其中非晶態(tài)薄膜的厚度為10～600nm，非晶態(tài)薄膜是SiOx其中0＜X≤2的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積制備二氧化硅或者硅納米線控制生長方法，其特征在于，其中保護氣體的流量為50～500sccm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積制備二氧化硅或者硅納米線控制生長方法，其特征在于，其中的退火溫度在1000～1300℃溫度下，時間為1～5hrs。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積制備二氧化硅或者硅納米線控制生長方法，其特征在于，其中在單晶硅襯底上長出的大面積的二氧化硅/硅納米線的尺寸為10mm×10mm，其納米線的直徑在20～100nm，長度超過100μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積制備二氧化硅或者硅納米線控制生長方法，其特征在于，其中生長硅納米線時，反應(yīng)室真空保持在200～500Torr。
全文摘要
一種大面積制備二氧化硅或者硅納米線的控制生長方法，包括如下步驟步驟1在單晶硅片襯底上用物理氣相沉積法、磁控濺射法或者化學(xué)氣相沉積法沉積一層非晶態(tài)薄膜；步驟2然后在密閉石英管反應(yīng)腔內(nèi)充入流動的N
文檔編號C01B33/113GK1808688SQ20051000457
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者王曉欣, 王啟明 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所