專利名稱：一種可控硅納米線陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種可控硅納米線陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體納米材料在電子學(xué)和光學(xué)方面都顯示出廣闊的應(yīng)用前景。近年來，伴隨著人們對納米技術(shù)領(lǐng)域的不斷探索和研究，具有一維納米結(jié)構(gòu)的材料，如硅納米線，吸引了越來越多的人的眼球。硅是當今半導(dǎo)體工業(yè)中最重要的材料，硅納米線也因其具有顯著的量子效應(yīng)、超大的比表面積等特性，在MOS器件、傳感器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。如何用一種簡單、可控、低成本的方式制備出高質(zhì)量的硅納米線，成為了一項重要課題。娃納米線的制備方法主要可以分為自底向上(bottom-up)和自頂向下(top-down)兩大類。自底向上的方法主要是依靠納米技術(shù)，利用催化劑催化生長納米線。該方法雖然可以一次性大批量生產(chǎn)出硅納米線，但是很難實現(xiàn)納米線的定位生長，并且和傳統(tǒng)的自頂向下的CMOS集成電路加工工藝方式有著本質(zhì)的區(qū)別，兼容性可能會成為阻礙其應(yīng)用的一塊絆腳石。而隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)水平的不斷進步，依靠薄膜制備、光刻與刻蝕等技術(shù)制備硅納米線的自頂向下的方法越來越多。一般的自頂向下的工藝的需要先對硅納米線的位置進行定位準備，然后通過光刻與刻蝕進行硅納米線的制備。現(xiàn)有 技術(shù)中一般定位精度較低或者成本較高，而且對硅基片的刻蝕深度與納米線大小的控制也存在一定的困難。因此，現(xiàn)有工藝中制備精度高，符合要求的尺寸的硅納米線往往工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本過高。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種可控硅納米線陣列的制備方法，以提供一種工藝簡單、可控性良好且可靠性高的硅納米線陣列的制備方法。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種可控硅納米線陣列的制備方法，所述制備方法至少包括以下步驟:1)提供SOI襯底及與所述SOI襯底的頂硅層具有相同晶向的硅襯底，鍵合所述頂硅層與硅襯底，其中，所述頂硅層的晶向與所述硅襯底的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，以在鍵合界面形成具有網(wǎng)格狀分布的螺旋位錯的位錯線；2)去除所述SOI襯底的背襯底及絕緣層以露出所述頂硅層的背表面，刻蝕所述頂硅層的背表面以在所述位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域形成多個凹槽結(jié)構(gòu)；3)在所述各該凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)形成銀納米顆粒，然后采用銀催化化學(xué)腐蝕法對所述頂硅層及硅襯底進行腐蝕以形成硅納米線陣列的制備。在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述頂硅層的厚度為5nm 100nm。在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述預(yù)設(shè)夾角的角度m為O °< m ≤ 5° ο在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述位錯線為正方形網(wǎng)格狀分布的位錯線，其中，平行且相鄰的兩位錯線的間距為IOnm 200nm。優(yōu)選地，所述步驟2)中采用應(yīng)力優(yōu)先刻蝕法對所述頂硅層的背表面進行刻蝕，包括采用HF與CrO3混合溶液進行第一步刻蝕以及采用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液進行第二步刻蝕的步驟。在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟3)中采用電子束蒸發(fā)技術(shù)形成所述銀納米顆粒。在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述銀納米顆粒的直徑為Inm 20nmo在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟3)中采用HF與Fe (NO) 3混合溶液對所述頂硅層進行銀催化化學(xué)腐蝕。在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟2)中采用背襯底刻蝕技術(shù)去除所述SOI的背襯底與絕緣層。在本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟I)中采用疏水鍵合法對所述頂硅層與所述硅襯底進行鍵合。如上所述，本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法，具有以下有益效果:采用晶向相同的兩硅襯底進行小角度鍵合形成方形網(wǎng)格狀分布的螺旋位錯，由于位錯引起硅表面應(yīng)力分布不均，然后就可以利用應(yīng)力優(yōu)先刻蝕，對位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域進行刻蝕，形成正方形網(wǎng)格狀的圖形化硅島，最后采用銀催化化學(xué)腐蝕在這一圖形化襯底上制備納米線陣列。采用本發(fā)明制備的硅納米線陣列具有很高的可控性和可靠性，納米線陣列的分布通過硅硅小角度鍵合進行控制，可達到較高的精度。本發(fā)明制備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容于一般的半導(dǎo)體工藝，適用于工業(yè)生產(chǎn)。



圖1 圖2顯示為本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法步驟I)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 圖4顯示為本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法步驟2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 圖6顯示為本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7顯示為采用本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法所制備硅納米線陣列的立體示意圖。圖8顯示為采用本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法所制備硅納米線陣列的平面示意圖。元件標號說明101 103SOI 襯底104硅襯底105位錯線106凹槽結(jié)構(gòu)107銀納米顆粒108硅納米線陣列
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖1至圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。如圖1 8所示，本發(fā)明提供一種可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括以下步驟:請參閱圖1 2，如圖所示，首先進行步驟I)，提供SOI襯底101 103及與所述SOI襯底101 103的頂硅層103具有相同晶向的硅襯底，鍵合所述頂硅層103與硅襯底，其中，所述頂硅層103的晶向與所述硅襯底的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，以在鍵合界面形成具有網(wǎng)格狀的螺旋位錯的位錯線105。需要說明的是，所述SOI襯底101 103具有背襯底101，結(jié)合于所述背襯底101上的絕緣層102及結(jié)合于所述絕緣層102上的頂硅層103，所述SOI襯底101 103的頂娃層103的厚度為5nm lOOnm。具體地，對所述SOI襯底101 103的頂硅層103和所述硅襯底104進行疏水處理，首先采用RCA濕式化學(xué)清洗法對所述SOI襯底101 103的頂硅層103和所述硅襯底104進行清洗，然后采用HF溶液進行清洗，使其表面具有疏水特性，然后使所述頂硅層103的晶向與所述硅襯底104的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，對所述頂硅層103的晶向與所述硅襯底104進行鍵合，以在鍵合界面形成具 有網(wǎng)格狀位錯線105的螺旋位錯，其中，所述預(yù)設(shè)夾角的角度m為0° <m^50，在本實施例中m為1°，所述網(wǎng)格狀位錯線105為正方形網(wǎng)格狀位錯線105，其中，平行且相鄰的兩位錯線105的間距為IOnm 200nm，其具體數(shù)值由所述預(yù)設(shè)夾角的角度所決定，在本實施例中，1°的預(yù)設(shè)夾角所產(chǎn)生的位錯線105間距為22nm。由于螺旋位錯，所述頂硅層103內(nèi)會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力分布。請參閱圖3 圖4，如果所示，然后進行步驟2)，去除所述SOI襯底101 103的背襯底101及絕緣層102以露出所述頂硅層103的背表面，腐蝕所述頂硅層103的背表面以在所述網(wǎng)格狀位錯線105影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域形成多個凹槽結(jié)構(gòu)106。具體地，采用背襯底101刻蝕技術(shù)去除所述SOI的背襯底101與絕緣層102，當然，在其它實施例中，也可以采用智能剝離技術(shù)與拋光的方法去除所述SOI的背襯底101與絕緣層102。由于螺旋位錯，所述頂硅層103內(nèi)會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力分布，所述頂硅層103在拉伸應(yīng)力的作用下的區(qū)域更容易被腐蝕，選用采用應(yīng)力優(yōu)先刻蝕法對所述頂硅層103的背表面進行刻蝕，包括采用HF與CrO3混合溶液進行第一步刻蝕以及采用HF、CH3C00H及HNO3混合溶液進行第二步刻蝕的步驟，在本實施例中，采用HF: CrO3的比例為3: 1000進行初步刻蝕，采用HF: CH3COOH: HNO3的比例為0.02: 7: 3繼續(xù)進行刻蝕以獲得所述的凹槽結(jié)構(gòu)106。請參閱圖5 圖8,如圖所示,最后進行步驟3),在所述各該凹槽結(jié)構(gòu)106內(nèi)形成銀納米顆粒107，然后采用銀催化化學(xué)腐蝕法對所述頂硅層103進行腐蝕以形成硅納米線陣列108的制備。具體地，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)形成所述銀納米顆粒107，由于所述凹槽結(jié)構(gòu)106經(jīng)過腐蝕處理，所述銀納米顆粒107優(yōu)先在所述凹槽結(jié)構(gòu)106沉積團聚，其中，所述銀納米顆粒107的直徑為Inm 20nm。需要說明的是，由于各該凹槽結(jié)構(gòu)106的相交區(qū)域的拉伸應(yīng)力相對更大，刻蝕速率相對較大，因此相對其它的凹槽結(jié)構(gòu)106區(qū)域會被刻蝕得更深。通過控制銀的沉積時間可以把銀納米顆粒107限制在所述各該凹槽結(jié)構(gòu)106的交點區(qū)域內(nèi)。最后，采用HF與Fe(NO)3混合溶液對所述頂硅層103進行銀催化化學(xué)腐蝕，由于銀的催化作用，腐蝕混合溶液在銀納米顆粒107與硅接觸的地方優(yōu)先被腐蝕，因此，在銀納米顆粒107下方對應(yīng)的區(qū)域優(yōu)先被腐蝕，銀納米顆粒107之間的硅被保留并最終形成硅納米線陣列108，如圖7 圖8所示。當然，在其它的實施例中，可以采用不同的金屬納米顆粒進行催化腐蝕，此處不一一列舉。綜上所述，本發(fā)明的可控硅納米線陣列的制備方法，采用晶向相同的兩硅襯底進行小角度鍵合形成方形網(wǎng)格狀分布的螺旋位錯，由于位錯引起硅表面應(yīng)力分布不均，然后利用應(yīng)力優(yōu)先刻蝕，對位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域進行刻蝕，形成正方形網(wǎng)格狀的圖形化硅島最后采用銀催化化學(xué)腐蝕在這一圖形化襯底上制備納米線陣列。采用本發(fā)明制備的硅納米線陣列具有很高的可控性和可靠性，納米線陣列的分布通過硅硅小角度鍵合進行控制，可達到較高的精度。本發(fā)明制備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容于一般的半導(dǎo)體工藝，適用于工業(yè)生產(chǎn)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括以下步驟: 1)提供SOI襯底及與所述SOI襯底的頂硅層具有相同晶向的硅襯底，鍵合所述頂硅層與硅襯底，其中，所述頂硅層的晶向與所述硅襯底的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，以在鍵合界面形成具有網(wǎng)格狀分布的螺旋位錯的位錯線； 2)去除所述SOI襯底的背襯底及絕緣層以露出所述頂硅層的背表面，刻蝕所述頂硅層的背表面以在各該位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域形成凹槽結(jié)構(gòu)； 3)在所述各該凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)形成銀納米顆粒，然后采用銀催化化學(xué)腐蝕法對所述頂硅層及硅襯底進行腐蝕以形成硅納米線陣列的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述頂硅層的厚度為5nm lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述預(yù)設(shè)夾角的角度m為0° <m彡5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述位錯線為正方形網(wǎng)格狀分布的位錯線，其中，平行且相鄰的兩位錯線的間距為IOnm 200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟2)中采用應(yīng)力優(yōu)先刻蝕法對所述頂硅層的背表面進行刻蝕，包括采用HF與CrO3混合溶液進行第一步刻蝕以及采用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液進行第二步刻蝕的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中采用電子束蒸發(fā)技術(shù)形成所述銀納米顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述銀納米顆粒的直徑為Inm 20nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中采用HF與Fe (NO) 3混合溶液對所述頂硅層進行銀催化化學(xué)腐蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟2)中采用背襯底刻蝕技術(shù)去除所述SOI的背襯底與絕緣層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅納米線陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟I)中采用疏水鍵合法對所述頂硅層與所述硅襯底進行鍵合。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可控硅納米線陣列的制備方法，采用晶向相同的兩硅襯底，進行小角度鍵合形成方形網(wǎng)格狀分布的螺旋位錯，由于位錯引起硅表面應(yīng)力分布不均，所以利用應(yīng)力優(yōu)先刻蝕，對這種網(wǎng)格分布的螺旋位錯線所影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域進行刻蝕，形成正方形網(wǎng)格狀的圖形化硅島，最后采用銀催化化學(xué)腐蝕在這一圖形化襯底上制備納米線陣列。采用本發(fā)明制備的硅納米線陣列具有很高的可控性和可靠性，納米線陣列的分布通過硅硅小角度鍵合進行控制，可達到較高的精度。本發(fā)明制備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容于一般的半導(dǎo)體工藝，適用于工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號H01L21/02GK103208413SQ20121000820
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者狄增峰, 陳龍, 魏星, 張苗, 王曦 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所