CN101734611B

CN101734611B - 基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法

Info

Publication number: CN101734611B
Application number: CN2009102419818A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 孙广毅; 高天乐
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN101734611A

Abstract

本发明公开了一种基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法。所述方法包括：对所述制备黑硅的方法的所采用的设备进行初始化和等离子稳定，以使等离子体进行辉光放电；控制所述深反应离子刻蚀制备黑硅的工艺参数，采用刻蚀与钝化的方式交替对硅片进行处理；其中，所述参数包括：等离子体气体流量、刻蚀平板功率、钝化平板功率、线圈功率和刻蚀、钝化周期、温度。本发明直接对硅片表面进行等离子体处理，通过调节选取合适的刻蚀工艺参数，在无需任何纳米掩膜的条件下即可在硅片表面生成大范围、高密度的纳米结构。并且，该制备黑硅的方法效率高、成本低，且能够与其他微加工工艺集成。

Description

基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法

技术领域

本发明涉及微纳米加工领域中，制备晶片级黑硅表面的方法，尤其涉及一种基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法。

背景技术

目前，纳米结构加工已经广泛应用到微流体，生物工程，光学传感器件等领域。

在微纳米结构加工中，通常用于不同目的，在衬底例如硅晶片内形成大范围高密度均匀的纳米结构(nanotips和nanoporous)从而增加表面积体积比。通过刻蚀或者沉积生长以及多种工艺的结合形成纳米结构。例如采用纳米光刻技术在硅晶片衬底定义纳米掩膜然后采用干法刻蚀技术形成纳米柱(nanopillar)。通常，采用刻蚀方法形成纳米结构需要首先在硅晶片的表面定义纳米掩膜层。纳米掩膜层包括光刻胶。氧化物，氮化物以及金属/金属氧化物等。其中光刻胶被称为软掩膜，其它几种又被称为硬掩膜。无论软掩膜还是硬掩膜都是起到后续图形转移刻蚀工艺阻挡层的作用。采用沉积生长工艺制备纳米结构如碳纳米管生长等工艺。但是，采用掩模技术进行微纳米技术的加工，其缺点是，效率低，成本高。

标准的纳米光刻工艺如电子束光刻(Electron-BeamLithography，EBL)，聚焦离子束(Focused Ion beam，FIB)，干涉光刻(Interference Lithography，IL)被广泛采用制备纳米结构。光学光刻允许并行大批量加工并且能够获得小于100nm的特征尺寸，但是成本极高。直写技术如EBL和FIB只适用于小范围的纳米加工，并不能满足大范围如晶片(wafer)级的纳米加工。此外，一些非光学光刻技术如纳米球(nanosphere)图形转移工艺(NIL)也被用于纳米结构的制备。但是Nil这种基于化学合成的方法仍然存在加工效率低，加工质量(即形状控制和均匀性)很难控制，以及加工面积小(毫米级)等问题。另外，上述纳米加工的方法大多数只适用于平坦硅晶片表面而不适用于非平面微结构表面，这样就限制了他们与其他微加工工艺的集成。

并且，微纳混合结构的加工已引起广泛的重视。例如，众多二次结构的理论被提出用于超疏水表面和自清洁表面的研究。另一个例子是微型太阳传感器，通过在传感器微孔径表面增加纳米防反射层以减少反射从而提高传感器的灵敏度。

从以上的介绍可知，需要提供一种高效低成本且能够与微加工集成的纳米加工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法，该制备黑硅的方法效率高、成本低，且能够与其他微加工工艺集成。

本发明公开了一种基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法，包括如下步骤：初始化和等离子体稳定步骤，对所述制备黑硅的方法的所采用的设备进行初始化和等离子稳定，以使等离子体进行辉光放电；黑硅刻蚀步骤，控制所述深反应离子刻蚀制备黑硅的工艺参数，采用刻蚀与钝化的方式交替对硅片进行处理；其中，所述参数包括：等离子体气体流量、刻蚀平板功率、钝化平板功率、线圈功率和刻蚀、钝化周期、温度。

在上述制备黑硅的方法中，优选在所述黑硅刻蚀步骤中，采用刻蚀的方式对硅片进行处理时，刻蚀气体包括SF₆，且刻蚀时，流量为20sccm～45sccm；采用钝化的方式对硅片进行处理时，钝化气体包括C₄F₈，且钝化时，流量为30sccm～50sccm。

在上述制备黑硅的方法中，优选在所述黑硅刻蚀步骤中，采用刻蚀的方式对硅片进行处理时，刻蚀平板功率为8～10w。

在上述制备黑硅的方法中，优选在所述黑硅刻蚀步骤前，还包括有：粗糙处理步骤，对硅片采用等离子刻蚀或者非等离子刻蚀，以增加硅片表面的粗糙度。

在上述制备黑硅的方法中，优选在所述粗糙处理步骤中，所述等离子刻蚀采用的气体包括：SF₆、C₄F₈和Ar。

在上述制备黑硅的方法中，优选所述非等离子刻蚀包括湿法刻蚀，干法刻蚀，以及能够在硅表面产生微小凹凸结构的物理、化学及电化学方法的刻蚀。

在上述制备黑硅的方法中，优选在所述黑硅刻蚀步骤中，采用刻蚀的方式对硅片进行处理时，所述平板功率为8W。

在本发明中，直接对硅片表面进行等离子体处理，通过调节选取合适的刻蚀工艺参数，在无需任何纳米掩膜的条件下即可在硅片表面生成大范围、高密度的纳米结构，即“黑硅”表面。该方法还可以应用在已有的任意微结构表面并且不会破坏原有结构。并且，该制备黑硅的方法效率高、成本低，且能够与其他微加工工艺集成。

附图说明

图1为本发明基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法实施例的步骤流程图；

图2为本发明基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法实施例的步骤流程图；

图2A为使用图2所示的方法，观察到的黑硅表面形成过程图；

图3为微纳混合结构的加工过程示意图；

图4为表面覆盖有均匀纳米结构的微米柱和微米栅结构示意图；

图5为无微米结构损失的微纳混合加工结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

参照图1，图1为本发明基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法实施例的步骤流程图，包括如下步骤：

初始化和等离子体稳定步骤110，对所述制备黑硅的方法的所采用的设备进行初始化和等离子稳定，以使等离子体进行辉光放电；

黑硅刻蚀步骤120，控制所述深反应离子刻蚀制备黑硅的工艺参数，采用刻蚀与钝化的方式交替对硅片进行处理；其中，所述参数包括：等离子体气体流量、刻蚀平板功率、钝化平板功率、线圈功率和刻蚀、钝化周期、温度。

在所述黑硅刻蚀步骤中，线圈功率为800～900w，反应室内压强为20mTorr～30mTorr；并且，采用刻蚀的方式对硅片进行处理时，刻蚀气体包括SF6，控制SF6气体流量为20sccm～45sccm(与钝化步骤中的反应气体C4F8的流量比为约1∶2～1∶1)，刻蚀平板功率为6～10w，刻蚀周期为4s～7s。采用钝化的方式对硅片进行处理时，钝化气体包括C4F8，控制C4F8气体流量为30sccm～50sccm，钝化平板功率为0～1w，钝化周期为4s～7s。且控制温度为约20℃～约30℃。刻蚀步骤与钝化步骤共交替进行约60次循环～约200次循环，总处理时间为约6分钟～60分钟。

经过黑硅处理的硅片表面由直径为约50nm～约1000nm，高为约100nm～10000μm，周期为约100nm～约1000nm的nanopillar、nanotip组成，其中纳米结构底部呈现出多孔性

参照图2，图2为本发明基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法实施例的步骤流程图，包括：

初始化和等离子体稳定步骤210，对所述制备黑硅的方法的所采用的设备进行初始化和等离子稳定，以使等离子体进行辉光放电；

粗糙处理的步骤220，对硅片采用等离子刻蚀或者非等离子刻蚀，以增加硅片表面的粗糙度；

黑硅刻蚀步骤230，控制所述深反应离子刻蚀制备黑硅的工艺参数，采用刻蚀与钝化的方式交替对硅片进行处理；其中，所述参数包括：等离子体气体流量、刻蚀平板功率、钝化平板功率、线圈功率和刻蚀、钝化周期、温度。

也就是说，在黑硅刻蚀步骤前，还包括有粗糙处理的步骤，该步骤对硅片采用等离子刻蚀或者非等离子刻蚀，以增加硅片表面的粗糙度，进而加速黑硅产生。

若采用等离子刻蚀增加硅片表面粗糙度，等离子刻蚀采用的气体可以包括：SF₆、C₄F₈和Ar。并且，所述SF₆气体流量为60sccm～150sccm，C₄F₈气体流量为70sccm～100sccm，Ar气体流量为10sccm～40sccm。

若采用非等离子刻蚀增加硅片表面的粗糙度，非等离子刻蚀包括湿法刻蚀，干法刻蚀，以及能够在硅表面产生微小凹凸结构的物理、化学及电化学方法的刻蚀。

下面结合一个具体实施例，对本上述实施例做进一步的说明。

在设备初始化阶段，维持反应强压强在10mTorr～30mTorr，C₄F₈气体流量20sccm，SF₆气体流量0.5sccm，Ar气体流量30sccm，RF平板功率和线圈功率为0W，该阶段持续时间10s。

接下来是等离子体稳定阶段，在该阶段反应强压强在10mTorr～30mTorr，C₄F₈气体流量30sccm，SF₆气体流量0.5sccm，Ar气体流量40sccm，RF平板功率和线圈功率分别为20W和500W，该阶段持续时间5s。

在经过上述初始化和稳定阶段后，促使等离子体辉光放电，是设备达到一个相对稳定的状态。下面继续进行黑硅刻蚀的步骤。参照表一。

表一黑硅刻蚀步骤中相关参数统计

	SF₆气体流量(sccm)	C₄F₈气体流量(sccm)	平板功率(w)	刻蚀/钝化周期(s)	循环次数	工作区间
							1	100	70	5	4/3	16	刻蚀停止
2	100	70	10	4/3	16	常规深刻蚀
							3	30	50	5	4/4	16	刻蚀停止
4	30	50	6	4/4	40	刻蚀停止
							5	30	50	8	4/4	40	黑硅
6	30	50	9	5/5	40	黑硅
							7	30	50	10	8/5	40	黑硅
8	30	50	10	5/4	80	混杂刻蚀

表一给出了黑硅工艺参数研究的一个实例过程，DRIE有三个工作区间：刻蚀停止(etching stop)；黑硅(black silicon)；常规深刻蚀(true drie)。本发明重点研究RF平板功率对黑硅(black silicon)形成的关键作用，其它参数(气体流量，线圈功率，刻蚀钝化周期)固定。当RF值过高(例如，大于10W)时，会导致过快的刻蚀速率，即常规深刻蚀；而过低的RF值会导致刻蚀停止，原因是离子轰击能量过低不足以去掉钝化步骤产生的聚合物保护层。生成黑硅(Black silicon)的工作区间介于刻蚀停止和常规深刻蚀两者之间，因此只有选取合适的平板功率才能产生黑硅(black silicon)。另外，混杂刻蚀(Hybrid etching)意味着刻蚀开始阶段是常规深刻蚀，而经过一段时间后由于表面微结构的改变导致等离子体刻蚀状态发生变化而逐渐形成黑硅。

通过选取合适的工艺参数，例如，采用刻蚀的方式对硅片进行处理时，刻蚀气体SF₆的流量控制为20sccm～45sccm；采用钝化的方式对硅片进行处理时，钝化气体C₄F₈的流量为30sccm～50sccm，在该前提下，控制刻蚀步骤的平板功率为8～10w。可以在刻蚀一开始就马上产生黑硅，从而避免开始阶段微米结构的损失，即表一中的方案5、6和7。

由表一可以看出RF平板功率起到关键作用，而反应气体流量的选取并不局限于表一所列数值，而只需维持在一定区间范围内即可。

因此，从表一中得到启示，黑硅制备方法中，具体参数还可以选择如下：

刻蚀步骤中SF₆气体流量为35sccm，刻蚀时间为4s，平板功率为8W，线圈功率为825W，钝化步骤中C₄F₈气体流量为50sccm，钝化时间为5s，平板功率为0W，线圈功率为825W。

参照图2A，图2A为使用图2所示的方法，观察到的黑硅表面形成过程图，其中，图2a、2b、2c、2d、2e、2f、2h分别表示不同阶段的黑硅表面的示意图。

在上述实施例中，用于制备黑硅的硅片与晶向、掺杂类型、掺杂浓度无关，可以包括单晶硅，多晶硅，无定形硅，还可以包括由化学、电化学，等离子体，激光及其他物理化学方法制备而成的多孔硅，其孔径从1nm至10000nm；单晶硅包括<100>，<110>，和<111>硅片；掺杂除包括N和P型掺杂外还包括其它通过离子注入、扩散等方法得到的其它掺杂类型的硅片(如硫掺杂硅片)。处理的硅片表面可以没有任何图形与结构的平坦且暴露面积为100％的硅片；具也可以为有一定微结构的非平坦且暴露面积为100％的硅片；还可以为以光刻胶、SiO₂、Si₃N₄以及其它可用于DRIE刻蚀阻挡层的材料为掩膜的已进行光刻和刻蚀的平坦和非平坦且暴露面积小于100％的硅片。

也就是说，所本发明涉及的黑硅工艺并不局限于平坦硅片表面，还同样适用于在已有微结构表面上形成微纳混合结构，图3给出了微纳混合结构的加工过程示意图，其中，3a为光刻定义微米结构图形；3b为侧壁可控的DRIE深刻蚀；3c为有选择的去胶；3d为黑硅刻蚀。在图4的实例中，首先采用DRIE加工出具有一定周期的微米柱和微米栅的微结构，然后在用黑硅工艺加以处理，从而形成微纳混合结构。

并且，实验证明，本发明采用黑硅工艺实现的微纳混合加工没有多余的微米结构损失，首先加工出具有V形开口的深孔，然后使用黑硅工艺形成表面纳米结构，通过观察加工结果顶部V形开口轮廓依然清晰可见，说明经过黑硅工艺处理后原有微结构并没有受到破坏。上述效果可以在图5中显示出来。

以上对本发明所提供的一种基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于无掩膜深反应离子刻蚀制备黑硅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

初始化和等离子体稳定步骤，对所述制备黑硅的方法的所采用的设备进行初始化和等离子稳定，以使等离子体进行辉光放电；

黑硅刻蚀步骤，控制所述深反应离子刻蚀制备黑硅的工艺参数，采用刻蚀与钝化的方式交替对硅片进行处理；其中，所述参数包括：等离子体气体流量、刻蚀平板功率、钝化平板功率、线圈功率和刻蚀、钝化周期、温度；

并且，在所述黑硅刻蚀步骤中，线圈功率为800～900w，反应室内压强为20mTorr～30mTorr；采用刻蚀的方式对硅片进行处理时，刻蚀气体包括SF₆，控制SF₆气体流量为20sccm～45sccm，刻蚀平板功率为6～10w，刻蚀周期为4s～7s；采用钝化的方式对硅片进行处理时，钝化气体包括C₄F₈，控制C₄F₈气体流量为30sccm～50sccm，钝化平板功率为0～1w，钝化周期为4s～7s；且控制温度为20℃～30℃；刻蚀步骤与钝化步骤共交替进行60次循环～200次循环，总处理时间为6分钟～60分钟。

2.根据权利要求1所述的制备黑硅的方法，其特征在于，在所述黑硅刻蚀步骤前，还包括有：

粗糙处理步骤，对硅片采用等离子刻蚀或者非等离子刻蚀，以增加硅片表面的粗糙度；其中

若采用等离子刻蚀增加硅片表面粗糙度，等离子刻蚀采用的气体包括：SF₆、C₄F₈和Ar；并且，所述SF₆气体流量为60sccm～150sccm，C₄F₈气体流量为70sccm～100sccm，Ar气体流量为10sccm～40sccm。