一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法及制得的黑硅技术

本发明专利技术涉及一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法及制得的黑硅，所述方法包括：1)采用等离子体处理方法，对硅片进行表面处理，在硅片表面形成点状非连续SiO

A method of fabricating tapered light trapping structure with adjustable density on silicon surface and black silicon produced

【技术实现步骤摘要】
一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法及制得的黑硅
本专利技术涉及半导体材料的微纳加工领域，涉及一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法及制得的黑硅。
技术介绍
黑硅作为一种对光产生低反射的材料，几乎可以全部吸收近紫外至近红外波段的光，在太阳能电池、光电探测和发光器件等领域具有广泛而重要的应用。目前，制备黑硅的方法主要有飞秒激光扫描、化学腐蚀和等离子体刻蚀处理等方法。其中，飞秒激光扫描方法制备的黑硅表面的微结构相对规则，但设备昂贵，制备的黑硅面积小，工艺复杂，成本高。采用化学腐蚀法能够制备大面积黑硅并降低成本，但黑硅的微结构依赖于晶向，与晶向密切相关，对不同晶向的硅结果不同。等离子体刻蚀处理方法与飞秒激光方法相比，成本低，作用面积大，易于大规模和批量制备。而与湿法化学腐蚀相比，制备的黑硅表面结构形貌可控，且不依赖于晶向，对于不同晶向硅制备的黑硅性能一致性较好。等离子体刻蚀方法制作黑硅主要分为两种，无掩膜刻蚀和有掩膜刻蚀。无掩膜刻蚀依赖并受限于刻蚀设备及其独特的刻蚀工艺，形成黑硅的条件较苛刻，黑硅锥状结构的密度受刻蚀工艺影响，不能单独调控。有掩膜刻蚀方法要求首先在硅表面制备金属粒子或二氧化硅光刻胶等作为掩膜。但金属粒子作为掩膜需要并依赖于镀膜设备，而且要求粒子具有良好的单分散性。一方面，粒子过小难以产生掩膜作用；另一方面，粒子过大易于形成连续岛状结构，不能产生高性能黑硅。因此，对镀膜工艺要求严苛。二氧化硅光刻胶掩膜需要将SiO2颗粒均匀混合于光刻胶中，混合方法工艺复杂，难以操作，且SiO2原料需另外获得，显著增加原材料和工艺成本，不利于规模化和批量制备。目前，亟待开发一种简便、高效、微纳结构密度和深度均可控的黑硅制备新方法。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法及制得的黑硅。本专利技术的方法工艺简便，制备效率高，可实现黑硅的大面积、低成本批量制备，锥状陷光微纳结构的密度和深度可调，且所得黑硅反射率低，性能优异，效果突出。为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法，所述方法包括以下步骤(工艺流程图参见图5)：(1)采用等离子体处理方法，对硅片进行表面处理，在硅片表面形成点状非连续SiOx结构，0<x≤2；(2)然后进行等离子体刻蚀，即在硅表面制得锥状陷光结构，也即得到具有锥状陷光结构的黑硅。本专利技术提供了一种经等离子体表面处理后利用干法刻蚀工艺制作微纳结构密度、深度可调的黑硅方法。其步骤(1)先在硅片的表面形成点状非连续SiOx结构，该氧化硅是硅片在等离子体处理过程中氧化产生的，与硅片为一体状态，然后步骤(2)以上述SiOx结构作为掩膜，经过等离子体刻蚀，可以在硅表面制得锥状陷光结构。本专利技术的方法中，通过分别调整等离子体处理和刻蚀时间，在硅片表面能够形成密度和深度分别可调的微纳米陷光结构。步骤(1)表面处理时间决定黑硅锥状结构的密度，步骤(2)刻蚀时间决定锥状结构的深度。本专利技术的方法工艺简便，制备效率高，可实现黑硅的大面积、低成本批量制备，锥状陷光微纳结构的密度和深度可调，且所得黑硅反射率低，性能优异，效果突出。本专利技术的方法中，步骤(1)和步骤(2)可以在同一台等离子体处理设备中进行，也可以在不同处理设备中进行，本领域技术人员可以根据需要进行选择。由于步骤(2)优选在低温条件下刻蚀以实现高选择比，故在一台设备进行步骤(1)的同时，将另一台设备提前降温，有利于提高效率。当然，本领域技术人员也可以为了减少操作步骤而选择在同一台处理设置中进行步骤(1)的表面处理以及步骤(2)的刻蚀，例如，将硅片置于等离子体蚀刻机的下电极载片台上，先进行等离子体处理硅表面，再降温后进行低温硅刻蚀。本专利技术经过步骤(1)得到非连续不均匀的SiOx结构，其中SiOx与硅片为一体状态，不同于现有技术沉积颗粒(比如沉积Ag颗粒)产生的结构，现有技术中，Ag颗粒作为掩膜依赖于镀膜设备，且要求Ag颗粒具有单分散性，颗粒过小难以产生掩膜作用并且导致黑硅表面结构密度高，颗粒过大易形成连续岛状结构。这两种情况都不能产生高性能黑硅。因此，黑硅表面结构的密度受镀膜技术和工艺制约，无法真正调控黑硅表面的陷光特性。而本专利技术创造性地解决了上述问题。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。优选地，步骤(1)所述等离子体处理方法为：氧等离子体处理，经过氧等离子体处理，在局部产生具有SiOx成分的非连续不均匀结构。作为优选方案之一，步骤(1)所述等离子体处理中，采用氧气进行轰击。作为优选方案之二，采用氩气进行轰击，然后通入氧气1分钟以上(例如1分钟、2分钟、3分钟、4分钟、5分钟、8分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、45分钟或50分钟等)或暴露在空气中1分钟以上(例如2分钟、3分钟、4分钟、5分钟、8分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、45分钟或50分钟等)，优选暴露在空气中5分钟以上。优选地，通入氧气时间不超过1小时，优选不超过30分钟。优选地，暴露在空气中的时间不超过24h。在该优选技术方案中，氩气轰击达到活化的作用，在轰击完成后通入氧气1分钟以上或暴露在空气中一分钟以上，同样可以达到局部氧化产生SiOx的目的。优选地，步骤(1)所述等离子体处理方法包括：将硅片置于产生等离子体的设备腔室内，进行表面处理。本专利技术对产生等离子体的设备不作限定，例如可以是，反应离子刻蚀(RIE)或电感耦合等离子体刻蚀机(ICP)。本专利技术对步骤(1)所述等离子体处理的时间不作具体限定，只要能够使硅片表面形成非连续、组成变化的SiOx结构即可。为了更好地实现对锥状结构的密度的调控，优选等离子体处理的时间为1～10min，例如1min、2min、3min、4min、5min、6min、8min或10min等。作为本专利技术所述方法的优选技术方案，步骤(2)所述等离子体刻蚀为低温等离子体刻蚀，温度优选为-120～-80℃，例如-120℃、-110℃、-100℃、-105℃、-100℃、-95℃、-90℃、-85℃或-80℃等。上述的低温条件可以通过对等离子体刻蚀机的下电极载片台温度进行调节而实现。所述下电极载片台可采用液氦背冷装置，以保证热量传递。由于常规硅刻蚀采用常温工艺，刻蚀选择比低，无法形成理想的锥体结构。本专利技术优选采用低温工艺刻蚀黑硅，相对于表面形成的氧化硅颗粒刻蚀选择比可达到几十比一，从而能够形成理想的锥体结构。本专利技术的优选技术方案，将表面等离子体处理后的硅片进行高选择比的低温等离子体刻蚀，可以在硅片表面形成锥状陷光结构。本专利技术所述低温等离子体刻蚀可采用等离子体刻蚀机进行，例如：电感耦合等离子体刻蚀机。优选地，步骤(2)所述等离子刻蚀的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)采用等离子体处理方法，对硅片进行表面处理；/n(2)然后进行等离子体刻蚀，即在硅表面制得锥状陷光结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅表面制作密度可调的锥状陷光结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)采用等离子体处理方法，对硅片进行表面处理；
(2)然后进行等离子体刻蚀，即在硅表面制得锥状陷光结构。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述等离子体处理方法为：氧等离子体处理；
优选地，步骤(1)所述等离子体处理中，采用氧气进行轰击；
或者，步骤(1)所述等离子体处理中，采用氩气进行轰击，然后通入氧气1分钟以上或暴露在空气中1分钟以上，优选暴露在空气中5分钟以上；
优选地，通入氧气时间不超过1小时，优选不超过30分钟；
优选地，暴露在空气中的时间不超过24h。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述等离子体处理方法包括：将硅片置于产生等离子体的设备腔室内，进行表面处理；
优选地，所述产生等离子体的设备包括反应离子刻蚀RIE或电感耦合等离子刻蚀系统ICP中的任意一种；
优选地，步骤(1)所述等离子体处理的时间为1～10min。


4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述等离子体刻蚀为低温等离子体刻蚀，温度优选为-120～-80℃；
优选地，步骤(2)所述等离子刻蚀的时间为2～5min。


5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述等离子刻蚀的真空度为5～10mTorr；
优选地，步骤(2)所述等离子体刻蚀的刻蚀的气体为SF6和O2；
优选地，刻蚀气体SF6的流量为30～40sc...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐丽华，褚卫国，陈佩佩，闫兰琴，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11