黑硅、制备工艺及基于黑硅的MEMS器件制备方法技术

本公开提供了一种黑硅制备工艺，包括：在一衬底上形成聚合物层；去除聚合物层，并利用去除聚合物层过程中的产物在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构；以及在纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层，完成黑硅制备。本公开还提供了一种采用上述黑硅制备工艺制备的黑硅及上述基于黑硅的MEMS器件制备方法。本公开黑硅、制备工艺及基于黑硅的MEMS器件制备方法，通过采用工艺成本低、普及度和适应度广泛的黑硅制备工艺制备出光吸收能力更高的黑硅，且采用上述基于黑硅的MEMS器件制备方法避免了黑硅在MEMS器件的释放过程中受到腐蚀破坏。

【技术实现步骤摘要】
黑硅、制备工艺及基于黑硅的MEMS器件制备方法
本公开属于纳米
，尤其涉及一种黑硅、制备工艺及基于黑硅的MEMS器件制备方法。
技术介绍
黑硅是一种呈森林状的大面积纳米柱/针结构，曾被认为是电子产业界的一种革命性新材料。相比于传统的硅材料，黑硅对可见光到近红外波段的光具有极高的吸收效率。目前已提出的制备黑硅的方法多种多样，包括高能量飞秒激光辅助刻蚀、金属催化电化学腐蚀以及等离子体干法刻蚀等。出于加工成本、工艺便捷程度以及工艺兼容性等多方面的综合考虑，用等离子体干法刻蚀技术制备黑硅的方法在常规半导体工艺中最常使用，但该方法或依赖于纳米掩模的制备，或依赖于高能量注入工艺，亦或依赖于其它特殊的工艺处理，工艺复杂程度较高。同时，受限于薄膜沉积工艺和刻蚀工艺的能力，该方法所制备的黑硅高度有限，导致其光吸收能力也受到一定程度的限制。目前有将黑硅用作光吸收层材料来提高MEMS器件性能的方法：在形成MEMS器件的基础结构(包括介质支撑膜、信号转换结构、金属连接结构等)之后，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在表面淀积生长α-Si或Poly-Si层，对其进行高能量离子注入，随后进行不完全干法刻蚀，进而将其处理成黑硅并在吸收区位置图形化，最后进行器件结构的释放。该方法中，黑硅的制作利用了不完全刻蚀，因此黑硅的结构和尺寸参数的可控性较低；并且在制备黑硅之前需要对硅材料层进行高能量的离子注入以引入缺陷，因而增加了工艺的复杂程度。另外，该方法PECVDα-Si或Poly-Si层之后，采用了“黑硅先行，释放后行”的技术思路，因此在结构释放过程中需要严格保护黑硅免受破坏。然而，黑硅仍具硅材料的物理、化学性质，因此在后续释放过程中易受腐蚀气体或腐蚀液破坏；又因为黑硅中纳米结构具有一定的高度且密度较大，采用常规的方法，如薄膜淀积保护或涂胶保护，均不能实现有效的保护作用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本公开提供了一种黑硅、制备工艺及基于黑硅的MEMS器件制备方法，基于等离子体再聚合技术在衬底上形成纳米森林结构之后，再结合硅薄膜材料层的保型性沉积方法，开发了一种新型的黑硅制备工艺，制备出光吸收能力更高的黑硅；在此基础上，利用等离子体再聚合技术、硅薄膜沉积工艺与常规微加工工艺之间的兼容性，开发了基于黑硅的MEMS器件制备方法。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种黑硅制备工艺，包括：在一衬底上形成聚合物层；去除所述聚合物层，并利用去除聚合物层过程中的产物在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构；以及在所述纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层，完成黑硅制备。在本公开的一些实施例中，利用低压化学气相沉积方法或等离子体增强化学气相沉积方法在所述纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层。在本公开的一些实施例中，所述硅薄膜的材料为多晶硅、单晶硅或非晶硅。在本公开的一些实施例中，所述硅薄膜材料层的厚度为10～500nm。在本公开的一些实施例中，去除所述聚合物层，并利用去除聚合物层过程中的产物在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构的步骤包括：利用等离子体轰击法去除聚合物层；去除聚合物层过程中的产物通过等离子体再聚合技术在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构；该纳米森林结构包括纳米线森林结构或纳米纤维森林结构。在本公开的一些实施例中，所述纳米森林结构包括多个结构单体，所述结构单体的长径比为2∶1～500∶1。根据本公开的另一个方面，提供了一种黑硅，其采用权利要求1至6任一项所述的黑硅制备工艺形成。在本公开的一些实施例中，所述黑硅中单个纳米结构的直径为50～800nm，高度为50nm～20um，密度为5～40个/um2。根据本公开的另一个方面，提供了一种基于黑硅的MEMS器件制备方法，包括：在一衬底上设置MEMS传感器基础结构，然后在所述MEMS传感器基础结构上设置MEMS传感器敏感结构；在MEMS传感器敏感结构上形成聚合物层；对所述衬底进行腐蚀，形成MEMS传感器的背面腐蚀腔体；去除所述聚合物层，并利用去除聚合物层过程中的产物在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构；以及在所述纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层，在MEMS传感器敏感结构上形成黑硅。在本公开的一些实施例中，所述对衬底进行腐蚀，形成MEMS传感器的背面腐蚀腔体的步骤，包括：利用正面干法腐蚀对所述衬底进行正面腐蚀释放，形成MEMS传感器的背面腐蚀腔体；或利用背面湿法腐蚀或背面干法腐蚀对所述衬底进行背面腐蚀释放，形成MEMS传感器的背面腐蚀腔体；其中，在所述利用背面湿法腐蚀或背面干法腐蚀对所述衬底进行背面腐蚀释放的步骤之前，对MEMS传感器基础结构、MEMS传感器敏感结构和聚合物层进行保护。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开黑硅、制备工艺及基于黑硅的MEMS器件制备方法至少具有以下有益效果其中之一：(1)本公开黑硅的制备工艺主要涉及到三个步骤：聚合物层的设置、纳米森林结构的制备和硅薄膜材料层的保型性沉积，其均属于并行制备工艺，可实现快速的大面积批量加工，工艺成本低，且工艺过程所涉及的所有原材料和设备在半导体工艺中均为常用材料和设备，工艺的普及度和适用性广泛；(2)与现有技术中在衬底上沉积一层硅薄膜材料层，再对硅薄膜材料层进行刻蚀以形成黑硅的薄膜工艺相比，本公开制备的黑硅高度可达几个微米甚至几十微米，黑硅的光吸收能力得到了提高；(3)在基于黑硅的MEMS器件制备方法中，采取“释放先行，黑硅后行”的方法，即先对衬底进行腐蚀释放，再形成黑硅，释放过程中避免黑硅受到腐蚀破坏；(4)本公开黑硅的制备以及基于黑硅的MEMS器件制备均不涉及金属纳米颗粒的使用，继而不会在黑硅和MEMS器件中引入金属污染；且黑硅的制备工艺中不涉及液体环境的使用，避免了液体环境对黑硅结构的破坏。附图说明图1为本公开第一实施例中衬底的剖面结构示意图。图2为本公开第一实施例中在衬底上形成的聚合物层的剖面结构示意图。图3为本公开第一实施例中在衬底上形成的纳米森林结构的剖面结构示意图。图4为本公开第一实施例中纳米森林结构的SEM(ScanningElectronMicroscope)图片。图5为本公开第一实施例中纳米森林结构上沉积硅薄膜形成黑硅后的剖面结构示意图。图6为本公开第一实施例中对硅薄膜进行选择性去除形成图形化黑硅的剖面结构示意图。图7为本公开第一实施例中黑硅的SEM图片。图8为本公开第二实施例中在衬底上形成MEMS传感器基础结构和MEMS传感器敏感结构的剖面结构示意图。图9为本公开第二实施例中在MEMS传感器敏感结构上形成聚合物层的剖面结构示意图。图10a为本公开第二实施例中采用背面湿法腐蚀对MEMS传感器进行背面腐蚀释放后形成背面腐蚀腔体的剖面结构示意图。图10b为本公开第二实施例中采用背面干法腐蚀对MEMS传感器进行背面腐蚀释放后形成背面腐蚀腔体的剖面结构示意图。图11为本公开第二实施例中在释放后的MEMS传感器敏感结构上形成纳米森林结构的剖面结构示意图。图12a为本公开第二实施例中在纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层形成黑硅后的剖面结构示意图，其中MEMS传感器释放采用背面湿法腐蚀。图12b为本公开第二实施例中在纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层形成黑硅后的剖面结构示意图，其中MEMS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种黑硅制备工艺，包括：在一衬底上形成聚合物层；去除所述聚合物层，并利用去除聚合物层过程中的产物在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构；以及在所述纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层，完成黑硅制备。

【技术特征摘要】
1.一种黑硅制备工艺，包括：在一衬底上形成聚合物层；去除所述聚合物层，并利用去除聚合物层过程中的产物在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构；以及在所述纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层，完成黑硅制备。2.根据权利要求1所述的黑硅制备工艺，其中，利用低压化学气相沉积方法或等离子体增强化学气相沉积方法在所述纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层。3.根据权利要求1所述的黑硅制备工艺，其中，所述硅薄膜的材料为多晶硅、单晶硅或非晶硅。4.根据权利要求1所述的黑硅制备工艺，其中，所述硅薄膜材料层的厚度为10～500nm。5.根据权利要求1所述的黑硅制备工艺，其中，去除所述聚合物层，并利用去除聚合物层过程中的产物在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构的步骤包括：利用等离子体轰击法去除聚合物层；去除聚合物层过程中的产物通过等离子体再聚合技术在聚合物层的初始位置上形成纳米森林结构；该纳米森林结构包括纳米线森林结构或纳米纤维森林结构。6.根据权利要求1所述的黑硅制备工艺，其中，所述纳米森林结构包括多个结构单体，所述结构单体的长径比为2∶1～500∶1。7.一种黑硅，其采用权利要求1至6任一项所述的黑硅制备工艺形...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛海央，杨宇东，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11