图形化硅纳米线阵列的制备

本文主要研究了在常态(常温、常压等)条件下,利用金属催化化学腐蚀方法在硅片表面上大面积制备排列整齐、取向一致的硅纳米线阵列.同时,出于对后续制作硅纳米线传感器考虑,利用微电子标准加工工艺,以氮化硅做掩膜,通过选择合适的实验参数,在硅片表面选择性生长纳米线阵列,得到图形化的硅纳米线阵列.     

P型单晶硅片在KOH溶液中腐蚀行为的电化学研究

采用电化学极化测量技术研究了p(100)和p(111)硅片在碱性KOH溶液中的腐蚀行为,考察了KOH溶液浓度、温度和硅片表面缝隙等因素对腐蚀行为的影响.结果表明:在室温下当KOH浓度为5～6 mol/L时硅片腐蚀速率最大;随着KOH腐蚀液温度增加,腐蚀速率增大,在50℃左右腐蚀速率增加显著;硅片表面缝隙会加剧硅的局部腐蚀,在同等实验条件下缝隙腐蚀速率比均匀腐蚀快一个数量级.     

用化学腐蚀制备多孔硅太阳电池减反射膜的研究

采用HF HNO3溶液化学腐蚀 ,在硅片上制备减反射效果优良的多孔硅太阳电池减反射膜 ,借助原子力显微镜 (AFM)和X光电子谱 (XPS)对其表面形貌和成分进行观察 ,发现该膜与电化学阳极腐蚀得到的多孔硅具有相似性 ,其主要成分为非化学配比的硅的氧化物SiOx(X <2 )。采用带积分球的光度分光计 ,测得形成多孔硅减反射膜后 ,硅片表面反射率大大下降 ,,在波长 330～ 80 0nm范围反射率只有 1 5～ 2 9%。研究指出这种强减反射作用 ,与多孔硅具有合适的折射率及其多孔特性的光陷阱作用有关     

面向5 nm CMOS技术代堆叠纳米线释放工艺研究

针对5 nm CMOS技术代亟待解决的纳米线释放难题,通过实验探究了HF(6%)∶H_2O_2(30%)∶CH_3COOH(99.8%)=1∶2∶3的混合溶液放置时间对纳米尺度外延堆叠GeSi/Si/GeSi/Si结构释放影响。混合溶液放置时间在48 h内,GeSi层的腐蚀速率会随着溶液的放置时间的增加而变大,48 h后腐蚀速率趋于稳定。另外,在厚度相同的情况下,Ge Si层的腐蚀速率会随着Ge含量的增加而变大。本文实现了腐蚀纳米尺度GeSi的同时没有对Si造成损伤,对于厚度为31.3 nm的GeSi层,腐蚀的深宽比达到了17∶1,而且没有出现倒塌现象。该湿法腐蚀工艺对于5 nm及以下技术代堆叠纳米线制造、SON结构、新型MEMS和传感器件制造等具有一定的借鉴和指导意义。     

应用于堆叠纳米线MOS器件的STI工艺优化研究北大核心CSCD

在传统Fin FET集成工艺上,通过Ge Si/Si叠层量子阱结构外延生长再形成堆叠纳米线MOS场效应晶体管的方案,是实现5 nm及其以下CMOS集成电路工艺技术最具可能的器件方案。由于Ge元素在该技术中的引入,导致器件工艺中的浅沟槽隔离(STI)工艺部分产生严重的低温高深宽比工艺(HARP) SiO_2腐蚀速率控制问题。本文针对堆叠纳米线MOS器件STI工艺中的低温HARP SiO_2回刻腐蚀速率调节与均匀性控制问题,进行了全面的实验研究。实验中使用HF溶液对不同工艺条件下的HARP SiO_2进行回刻腐蚀,并对其腐蚀速率变化进行了详细研究,具体包括不同退火时长以及相同退火温度不同厚度HARP SiO_2位置处的腐蚀速率。通过实验结果发现,在退火温度相同的情况下,随着退火时长的增加,SiO_2腐蚀速率逐渐变小;而对于同一氧化层来说,即使退火条件相同,SiO_2不同厚度位置处的腐蚀速率表现也不同,即顶部的速率最大,而底部则最小。由此可以看出,随着退火时长的增加,低温HARP SiO_2腐蚀速率逐渐减小,并且对STI具有深度依赖性。该实验结果对成功制作5 nm技术代以下堆叠纳米线器件的STI结构起到了重要的技术支撑作用。     

应用于堆叠纳米线MOS器件的STI工艺优化研究

在传统Fin FET集成工艺上,通过Ge Si/Si叠层量子阱结构外延生长再形成堆叠纳米线MOS场效应晶体管的方案,是实现5 nm及其以下CMOS集成电路工艺技术最具可能的器件方案。由于Ge元素在该技术中的引入,导致器件工艺中的浅沟槽隔离(STI)工艺部分产生严重的低温高深宽比工艺(HARP) SiO_2腐蚀速率控制问题。本文针对堆叠纳米线MOS器件STI工艺中的低温HARP SiO_2回刻腐蚀速率调节与均匀性控制问题,进行了全面的实验研究。实验中使用HF溶液对不同工艺条件下的HARP SiO_2进行回刻腐蚀,并对其腐蚀速率变化进行了详细研究,具体包括不同退火时长以及相同退火温度不同厚度HARP SiO_2位置处的腐蚀速率。通过实验结果发现,在退火温度相同的情况下,随着退火时长的增加,SiO_2腐蚀速率逐渐变小;而对于同一氧化层来说,即使退火条件相同,SiO_2不同厚度位置处的腐蚀速率表现也不同,即顶部的速率最大,而底部则最小。由此可以看出,随着退火时长的增加,低温HARP SiO_2腐蚀速率逐渐减小,并且对STI具有深度依赖性。该实验结果对成功制作5 nm技术代以下堆叠纳米线器件的STI结构起到了重要的技术支撑作用。     

纯无定形氧化硅纳米线热气相法制备及其光致发光性质

在氮气气氛和常压下,采用无金属催化的单步热气相法在单晶硅片上制备大量纯非晶氧化硅纳米线,采用SEM、HRTEM、EDS、XRD和荧光光谱（PL）研究氧化硅纳米线形貌、结构和光致发光性质,并分析其发光中心。结果表明1100℃可形成纳米棒,1200℃则获得光滑均匀纳米线,而1300℃得到的纳米线具有较多弯曲结构,氧化硅纳米线中硅氧原子比接近1∶2,且1300℃制得纳米线中氧含量略高于1200℃,氧化硅纳米线呈无定型态。SiO气化分解和氧化时在硅片上形成氧化硅纳米簇,成为无定形氧化硅纳米线生长的成核中心。氧化硅纳米线的两个光致发光峰值波长为467和364nm,其发光机制是纳米线生长过程中产生的不同点缺陷结构构成了蓝光和紫外光辐射复合中心。     

含IPA的TMAH溶液对湿法腐蚀硅倒金字塔阵列微观形貌演化的研究

采用含异丙醇（IPA）的TMAH溶液腐蚀经Si_3N_4掩膜形成10μm×10μm窗口的单晶硅片。在硅片表面得到了内壁光滑的倒金字塔V型口阵列.研究发现：与纯TMAH对硅的各向异性腐蚀特性相比,添加IPA使TMAH溶液对硅各个晶面的腐蚀速率减小,致使含IPA的TMAH溶液对硅的腐蚀速率和各向异性因子比在纯TMAH中要小...     

交替刻蚀制备有序锯齿形硅纳米线阵列及其光学性能研究

采用金属催化化学刻蚀法(MCCE),以金属Ag为催化剂,在HF与H2O2体系中通过交替刻蚀在P(111)硅衬底上制备出锯齿形硅纳米线阵列.利用扫描电子显微镜对硅纳米线的形貌进行了表征,研究了HF浓度与H2O2浓度对纳米线刹蚀方向的调控作用.选取不同的HF与H2O2浓度配比,分别对硅基底各向同性刻蚀与各向异性刻蚀进行调控,使得刻蚀方向对溶液浓度的变化能够快速响应.在溶液Ⅰ([HF]=2.3 mol/L,[H2O2]=0.4 mol/L)与溶液Ⅱ([HF]=9.2 mol/L,[H2O2]=0.04 mol/L)中交替刻蚀,制备出刻蚀方向高度可控的大规模锯齿形硅纳米线.利用紫外-可见分光光度计对锯齿形硅纳米线的减反射性能进行研究,结果表明,其表现出优异的减反特性,最低反射率为5.9％.纳米线形貌的高度可控性使其在微电子器件领域也具有巨大的应用前景.     

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的研究进展

硅纳米线(Si NWs)由于具有独特的一维结构、热电导率、光电性质、电化学性能等特点,被广泛应用于热电与传感器件、光电子元器件、太阳能电池、锂离子电池等领域。金属辅助化学刻蚀法(MACE)是制备Si NWs的常用方法之一,具有操作简便、设备简单、成本低廉和高效等优点,可大规模商业化应用,因而近年来被广泛研究。金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线的过程可以分为两步:首先在洁净的硅衬底表面沉积一层金属(Ag、Au、Pt等)纳米颗粒,以催化、氧化它附近的硅原子;然后利用HF溶解氧化层,从而对硅晶片进行刻蚀,形成纳米线阵列。然而,这种简单高效的制备硅纳米线的方法存在一些难以控制的缺点:(1)金属纳米颗粒聚集、相连后造成Si NWs之间的缝隙比较大,从而导致Si NWs密度较低;(2)由于金属纳米颗粒沉积的随机性,在硅晶片表面分布不均匀,不仅导致刻蚀出的纳米线直径范围(50～200 nm)较宽,而且使制得的纳米线阵列排列无序且间距不易调控;(3)当刻蚀出的硅纳米线太长时,范德华力等作用会造成纳米线顶端出现严重的团簇现象。针对常规法存在的一些问题以及不同的器件对硅纳米线的形貌、类型和直径等的要求,近年来的研究主要集中在如何减少纳米线顶端团簇、调控纳米表面粗糙度和直径、低成本制备有序硅纳米线等方面。目前一些改进常规金属辅助化学刻蚀的方法取得了进展,比如:(1)用酸溶液或UV/Ozone对硅晶片预处理,在表面形成氧化层,可以使纳米线的均匀性得到改善并增大其密度(从18%提高到38%);(2)使用物理气相沉积法在硅晶片表面沉积一层金属纳米薄膜,然后再刻蚀,这种方法能够减少纳米线顶端团簇和有效调控纳米线直径;(3)利用模板法(聚苯乙烯小球模板、氧化铝模板、二氧化硅模板和光刻胶模板等)可以制备出有序的硅纳米线阵列。本课题组用离子束刻蚀的方法制备了直径范围可以控制在30～90 nm的聚苯乙烯小球模板,为小尺寸有序硅纳米线的制备打下了坚实的基础。本文简要介绍了常规MACE的原理和制备流程,总结了硅晶片的类型、刻蚀溶液的浓度、温度和刻蚀时间等因素对Si NWs形貌、尺度、表面粗糙度、刻蚀方向以及刻蚀速率的影响,用相关的机制解释了H2O2过量时刻蚀路径偏离垂直方向的机理以及刻蚀速率随溶液浓度变化的原因,重点综述了氧化层预处理、物理法沉积贵金属纳米薄膜、退火处理和模板法等改进方法在减少纳米线顶部团簇、改善均匀性、制备有序且直径和间距可控纳米线中的研究进展。