一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备

1.本发明属于硅纳米线结构材料制备技术领域，具体涉及一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备。


背景技术：

2.硅材料价格低廉，且具有优良的性能，其加工工艺也已日趋完善，成为目前应用最广泛的半导体材料之一；在计算机、互联网和电子产业等领域得到了广泛的应用，当今世界，集成电路技术和电子元器件技术的蓬勃发展与硅材料半导体加工工艺的提升密不可分；此外，硅材料在生物医学、航空航天和新能源等领域也有着广泛的应用，尤其在煤炭、石油等能源紧张的今天，研究硅材料提高能源转化率和单位体积的储能对人类社会的发展进步有着重要且积极的意义。
3.目前制备硅纳米结构的方法主要为湿法刻蚀和干法刻蚀；湿法刻蚀相对于干法刻蚀具有操作简单，成本低的优点，更有利于产业化发展；而贵金属催化化学腐蚀作为湿法刻蚀的一种，对制备硅纳米结构具有重要的影响，但因为受到硅自身晶向力的影响，带电金属粒子的运动轨迹具有随机性，无法加工制备出所需晶格走向的微纳结构，不能控制刻蚀方向制备复杂的硅纳米结构；为解决上述问题，需要研究一种具有高精确性的、可控的硅纳米结构加工设备，以提高硅材料的加工效率。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种基于交变电场和超声波的硅纳米结构加工设备，利用交变电流和超声波对腐蚀液中带电金属粒子的运动进行控制，提高制备硅纳米结构的精确性。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，包括反应釜、釜端盖、电机、连杆、超声发生器、石墨电极和和具有带电金属粒子的腐蚀液；所述的电机固定在釜端盖上；所述的连杆中部与电机的输出轴固定连接；所述连杆的两端均固定有光轴，两根光轴均垂直于连杆布置；每根光轴的下端均固定有石墨电极；三个超声发生器分别装配在反应釜内部的底面和两侧壁面上；一个超声发生器装配在釜端盖的下表面上；所述反应釜内部底面的超声发生器和釜端盖底面的超声发生器为一对，反应釜两侧壁上的两个超声发生器为一对；两个石墨电极均与交变电源连接。
7.优选地，所述反应釜的内部底面上开设有矩形槽一；所述反应釜的内部两侧壁面上均开设有矩形槽二；所述釜端盖的下表面上开设有矩形槽三；所述的矩形槽一与矩形槽三正对，两个矩形槽二正对；四个超声发生器分别固定在矩形槽一、两个矩形槽二和矩形槽三中。
8.优选地，所述的连杆与两个光轴通过两个圆环扣固定连接。
9.优选地，所述的釜端盖上开设有两个圆弧槽，两根光轴穿过两个圆弧槽设置。
10.优选地，所述的石墨电极为圆弧状结构。
11.本发明具有的有益效果是：
12.本发明通过两对超声发生器在硅片表面形成驻波场，使带电金属粒子按预设规律停滞在驻波场的驻波节点上；通过在石墨电极通电后形成交变电场，使得带电金属粒子沿交变电场力方向运动，并与硅片发生碰撞，团聚在带电金属粒子周围的腐蚀液中的酸在带电金属粒子带动下与硅片表面反应；通过改变超声波频率和幅值改变驻波场中驻波节点的位置，改变带电金属粒子在硅片上的刻蚀位置；通过电机调整两个石墨电极的位置，使交变电场力方向发生改变；通过改变交变电流的频率和幅值，调整硅片上微结构的刻蚀深度；本发明能按预设图案对硅片表面进行刻蚀，能对刻蚀精度进行控制，结构简单、便于操作。
附图说明
13.图1为本发明的结构立体图；
14.图2为本发明的侧视剖视图；
15.图3为本发明的俯视剖视图。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明作进一步说明。
17.本发明一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，如图1、图2和图3所示，包括反应釜1、釜端盖2、电机3、连杆4、超声发生器8、石墨电极11和具有带电金属粒子的腐蚀液；电机3固定在釜端盖2上；连杆4中部与电机3的输出轴固定连接；连杆4的两端均固定有光轴5，两根光轴5均垂直于连杆4布置；每根光轴5的下端均固定有石墨电极11；三个超声发生器8分别装配在反应釜1内部的底面和两侧壁面上；一个超声发生器8装配在釜端盖2的下表面上；反应釜1内部底面的超声发生器和釜端盖2底面的超声发生器为一对，反应釜1两侧壁上的两个超声发生器为一对；两个石墨电极11均与交变电源7连接。
18.作为一个优选实施例，反应釜1的内部底面上开设有矩形槽一9；反应釜1的内部两侧壁面上均开设有矩形槽二10；釜端盖2的下表面上开设有矩形槽三；矩形槽一9与矩形槽三正对，两个矩形槽二10正对；四个超声发生器8分别固定在矩形槽一9、两个矩形槽二10和矩形槽三中。
19.作为一个优选实施例，连杆4与两个光轴5通过两个圆环扣6固定连接。
20.作为一个优选实施例，釜端盖2上开设有两个圆弧槽；使得光轴5能在圆弧槽内移动。
21.作为一个优选实施例，石墨电极11为圆弧状结构；使得石墨电极11在反应釜1内移动时，不与反应釜1的内壁产生干涉。
22.电机3、超声发生器8和交变电源7均与控制器连接，受控制器控制。
23.在上述各项实施例均具备的情况下，本发明的工作原理是：
24.将待加工的硅片卡在反应釜1内部矩形槽一9和两个矩形槽二10上的三个超声发生器上，盖上釜端盖2，使釜端盖2上的超声发生器也卡住硅片；向反应釜1内注入腐蚀液；启动两对超声发生器8，超声发生器发出超声波会在硅片表面形成驻波场；驻波场的各驻波节点均位于与预设硅纳米结构形状和位置一致的图案上；驻波场使腐蚀液中的带电金属粒子
停滞在各个驻波节点上；此时，启动交变电源7，两个石墨电极11通电后形成交变电场；带电金属粒子在交变电场力的作用下沿交变电场力的方向运动，并与硅片发生碰撞；团聚在带电金属粒子周围的腐蚀液中的酸在带电金属粒子带动下与硅片表面反应；经过预设时间后，在硅片上完成预设图案的一部分刻蚀；然后，改变超声波的频率和幅值，使得驻波节点的位置改变，带动带电金属粒子向新的驻波节点运动，使得在硅片上完成预设硅纳米结构图案另一部分的刻蚀；通过调整超声波逐步实现对硅片图案的刻蚀。
25.其中，通过启动电机3，带动连杆4摆动，使得两个石墨电极11随之运动；石墨电极11运动后，反应釜1内电场力方向发生改变，使得带电金属粒子撞击硅片的角度发生变化，实现在硅片表面刻蚀出倾斜的微结构；通过改变交变电流的频率和幅值，改变交变电场力的大小，实现硅片表面微结构深浅的控制。
26.其中，腐蚀液由质量浓度为40％的氢氟酸、质量浓度为30％的双氧水、摩尔浓度为0.01mol/l的硝酸银溶液和去离子水按体积比5:12:1:28配置而成；腐蚀液中会形成带电银粒子。


技术特征：
1.一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，包括反应釜和釜端盖，其特征在于：还包括电机、连杆、超声发生器、石墨电极和和具有带电金属粒子的腐蚀液；所述的电机固定在釜端盖上；所述的连杆中部与电机的输出轴固定连接；所述连杆的两端均固定有光轴，两根光轴均垂直于连杆布置；每根光轴的下端均固定有石墨电极；三个超声发生器分别装配在反应釜内部的底面和两侧壁面上；一个超声发生器装配在釜端盖的下表面上；所述反应釜内部底面的超声发生器和釜端盖底面的超声发生器为一对，反应釜两侧壁上的两个超声发生器为一对；两个石墨电极均与交变电源连接。2.根据权利要求1所述的一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，其特征在于：所述反应釜的内部底面上开设有矩形槽一；所述反应釜的内部两侧壁面上均开设有矩形槽二；所述釜端盖的下表面上开设有矩形槽三；所述的矩形槽一与矩形槽三正对，两个矩形槽二正对；四个超声发生器分别固定在矩形槽一、两个矩形槽二和矩形槽三中。3.根据权利要求1所述的一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，其特征在于：所述的连杆与两个光轴通过两个圆环扣固定连接。4.根据权利要求1所述的一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，其特征在于：所述的釜端盖上开设有两个圆弧槽，两根光轴穿过两个圆弧槽设置。5.根据权利要求1所述的一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，其特征在于：所述的石墨电极为圆弧状结构。

技术总结
本发明公开了一种交变电场结合超声制备硅纳米结构的设备，电机驱动两石墨电极旋转；三个超声发生器分别装配在反应釜内部的底面和两侧壁面上；一个超声发生器装配在釜端盖的下表面上。本发明通过两对超声发生器在硅片表面形成驻波场，使带电金属粒子停滞在驻波场的驻波节点上；石墨电极通电使带电金属粒子沿交变电场力方向运动，团聚在带电金属粒子周围的腐蚀液中的酸在带电金属粒子带动下与硅片表面反应；通过改变超声波频率和幅值改变驻波场中驻波节点位置，改变在硅片上的刻蚀位置；电机调整两石墨电极位置，使交变电场力方向改变；改变交变电流的频率和幅值，调整微结构刻蚀深度。本发明能按预设图案对硅片进行刻蚀。本发明能按预设图案对硅片进行刻蚀。本发明能按预设图案对硅片进行刻蚀。


技术研发人员：巢炎 黄伟业 李彬
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/4/15