CN102586890A

CN102586890A - 一种用于黑硅制备的设备

Info

Publication number: CN102586890A
Application number: CN2012100749567A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 朱福运; 邸千力; 张晓升
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种用于黑硅制备的设备，包括反应室(100)、气体流量控制装置(110)、压强调控装置(140)、冷却装置(150)线圈功率源组件、平板功率源组件，其特性在于：所述反应室(100)上方设置石英盖(101)，所述反应室(100)下部安装有用于放置待加工硅片样品的支撑台(102)；所述气体流量控制装置(110)，包括不少于两条用于通工作气体的气路(111)，所述压强调控装置(140)，包括：出气口(141)、机械泵(142)、分子泵(143)；所述冷却装置(150)直接连接到所述支撑台(102)。本发明制备高密度、高深宽比的黑硅，且制备效率高、成本低，控制自动化、简单方便。

Description

一种用于黑硅制备的设备

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种用于黑硅制备的设备。

背景技术

黑硅是一种电子产业革命性的新型材料结构，与一般的硅材料结构相比，黑硅对光具有很强的吸收能力。其制备开始于1998年美国哈佛大学Eric Mazur教授的飞秒激光法实验。在实验中，Eric Mazur教授通过用超强和超短时间激光束(飞秒激光器)对硅片进行扫描，使硅片表面形成了一种森林状的纳米尺度的锥状表面。这种纳米森林的表面结构在几乎整个太阳光谱范围内具有超过90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围，即这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，表面呈现黑色，故称之为“黑硅”。如果将黑硅应用于光学传感器或太阳能电池，那么感光效率会提高上百倍，太阳能电池的转换效率也可以显著提高。

然而，采用飞秒激光器来制备黑硅，工艺相当复杂，过程控制繁琐，设备成本极为昂贵，维护不便，不利于大规模的生产制造。其它黑硅制备工艺主要包括光刻胶微掩膜法、纳米球光刻法、电子束光刻法(EBL)、聚焦离子束法(FIB)和激光刻蚀法等。前两种工艺需要刻蚀掩膜，增加了工艺成本和复杂性，且在微米尺度结构表面制作掩膜依然是一大技术难题，更为重要的是利用它们在微米尺度结构上制作纳米尺度黑硅结构时，会刻蚀去除大量微米尺度结构，从而导致微米尺度结构失效，甚至消失。而后三种工艺虽然可以在微米尺度结构上刻蚀形成纳米尺度黑硅结构，但单次工艺作用范围小，只适用于小尺寸加工，并不能满足大尺寸如晶片级加工，而太阳能电池单元尺寸通常大于10cm×10cm，且更为重要的是利用它们在微米尺度结构上制作纳米尺度黑硅结构时，由于微米尺度结构表面的不平整和非均一性，很难在整个表面同时制备高深宽比高密度纳米尺度黑硅结构。

中国专利说明书CN 101734611B(授权公告日：2011年08月31日)提出了一种基于无掩模深反应离子刻蚀制备黑硅的方法。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。

然而在传统的等离子体加工设备中，一般工艺参数设置均为手动操作，很难精确控制；进气管公用，不同工作气体在进入反应室之前就已混合，尤其不适合需要交替进气的黑硅制备工艺；缺少有效的硅片冷却装置。因此，传统等离子体加工设备因为前述问题而无法恰当地处理工艺条件的变化，并且因此无法实现等离子体的高密度和均匀分布。特别是，随着近来晶片工艺线尺寸逐步增大，传统等离子体加工设备更加难以保持晶片范围内制备黑硅的均匀性。因此，开发适于大面积、高效率地制备黑硅的设备成为深入发展黑硅研究及应用的重要因素。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于黑硅制备的设备，该设备可在晶片范围内均匀地制备高密度、高深宽比的黑硅，且制备效率高、成本低，过程控制自动化、简单方便，便于与其他微加工工艺集成。

本发明的技术方案是：一种用于黑硅制备的设备，包括反应室100、气体流量控制装置110、压强调控装置140、冷却装置150、线圈功率源组件、平板功率源组件，所述线圈功率源组件包括线圈射频功率发生器120、线圈射频匹配器121、射频线圈122，所述平板功率源组件包括平板射频功率发生器130、平板射频匹配器131和平板电极132，其特性在于：所述反应室100上方设置石英盖101，所述反应室100下部安装有用于放置待加工硅片样品的支撑台102；所述气体流量控制装置110，包括不少于两条用于通工作气体的气路111，其中一侧连接气瓶，另一侧连接所述反应室100上部；所述线圈射频功率发生器120和所述线圈射频匹配器121相连，所述线圈射频匹配器121与所述射频线圈122相连，所述射频线圈122位于所述反应室100腔体内；所述平板射频功率发生器130和所述平板射频匹配器131相连，所述射频匹配器131与所述平板电极132相连；所述压强调控装置140，包括出气口141、机械泵142、分子泵143，所述出气口141位于所述反应室100下端，所述机械泵142、分子泵143串联连接；所述冷却装置150直接连接到所述支撑台102。

进一步地，所述线圈射频功率发生器120的输出功率范围为100W-1200W。

进一步地，所述平板电极132分为上电极132-1和下电极132-2分别位于所述反应室100上部和下部。

进一步地，所述平板射频功率发生器130的输出功率范围为3W-150W。

进一步地，所述冷却装置150的控制温度为2℃-20℃。

进一步地，所述的一种用于黑硅制备的设备还包括自动控制单元、可触摸显示器、信号处理模块、电路控制模块。

使用该设备制备黑硅的主要工作流程包括：向所述反应室内装入待刻硅片，抽取所述反应室本底真空进行初始化，通入所述工作气体，调节所述工作压强，施加所述线圈射频功率及所述平板射频功率进行等离子体稳定，设置所述工艺参数对硅片进行刻蚀处理，刻蚀结束后抽取所述反应室内残留气体，向所述反应室充气，打开所述石英盖并取片；其中，所述本底真空为10^-5Pa-10^-3Pa。

本发明的优点效果：本发明提供的设备可自动运行设备的各个装置，精确控制工艺参数，在设置完相应工艺参数并启用自动流程后，除装片、取片需要人工操作外，其余过程均可自动完成；不同工作气体由不同气路通入反应室，并实现每路气体单独控制；硅片的支撑台连接有专门的冷却装置；射频线圈置于反应室侧壁内，可产生高密度等离子体并可形成稳定辉光；平板射频功率源组以间歇输出的方式输出射频功率，从而使等离子体的刻蚀作用得到控制和缓冲，达到良好的刻蚀效果。与现有设备相比，采用本发明提供的设备可在晶片范围内均匀地制备高密度、高深宽比的黑硅，且制备效率高、成本低，过程控制自动化、简单方便，便于与其他微加工工艺集成。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

图1为本发明一种用于黑硅制备的设备的构造示意图；

图2为本发明一种用于黑硅制备的设备气路流量控制装置的结构示意图；

图3为本发明一种用于黑硅制备的设备压强调控装置的结构示意图；

图4为本发明一种用于黑硅制备的设的工作流程示意图；

图5为所制备黑硅的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的用于黑硅制备的设备包括：

反应室100，上方为石英盖101，当所述反应室100内外压强一致时，可以打开。所述反应室100下部安装有用于放置待加工硅片样品的支撑台102。

气体流量控制装置110，其将工作气体通入到所述反应室100中。其包括：不少于两条用于通工作气体的气路111，其中一侧连接气瓶，另一侧连接所述反应室100上部，如图2所示，根据本发明的一个实施例，有两条气路111-1和111-2，分别连接所述刻蚀气体SF₆和所述钝化气体C₄F₈；设置在每条气路上的流量控制器112(Mass Flow Control，MFC)，实时精确控制气体流量；所述MFC112和所述反应室100的之间的每条气路上分别设置一个阀门113；以及，气体流量控制单元114。所述气体流量控制单元114通过控制每个所述MFC112，设置每条气路流过的气体流量。所述MFC112恒定打开，所述气路111-1中通入定量的SF₆气体，所述气路111-2中通入定量的C₄F₈气体。刻蚀步骤和钝化步骤的气体变化通过管路上的所述阀门113实现，当处于刻蚀步骤时，所述阀门113-1打开，所述阀门113-2关闭；当处于钝化步骤时，所述阀门113-1关闭，所述阀门113-2打开。所述气体流量控制装置110的各个部分协调工作，从而实现对每条气路的气体流量的独立控制。

线圈功率源组件，包括线圈射频功率发生器120，线圈射频匹配器121和射频线圈122，用于将所述工作气体电离为等离子体。所述线圈射频功率发生器120和所述线圈射频匹配器121相连，所述线圈射频匹配器121与所述射频线圈122相连，所述射频线圈122位于所述反应室100腔体内。所述线圈射频功率发生器120的输出功率范围为100W-1200W。

平板功率源组件，包括平板射频功率发生器130，平板射频匹配器131和平板电极132，用于提供偏置电压。所述平板射频功率发生器130和所述平板射频匹配器131相连，所述射频匹配器131与所述平板电极132相连。所述平板电极分为上电极132-1和下电极132-2，分别位于所述反应室上部和下部。在等离子体刻蚀工艺中，通常在晶片上施加偏置电压，从而在晶片附近形成一个非电中性的区域，即等离子体鞘层。鞘层电场直接控制着入射到晶片上的离子能量分布和角度分布，从而影响等离子体的工艺过程。为符合制备黑硅的工艺要求，所述平板射频功率源组以间歇输出的方式输出射频功率，在钝化步骤中输出平板功率，在刻蚀步骤中不输出平板功率。所述平板射频功率发生器130的输出功率范围为3W-150W。

压强调控装置140，用于调整所述反应室内100压强。如图3所示，所述压强调控装置140包括：出气口141，位于所述反应室100下端，用于抽取所述反应室100内气体；机械泵142，分子泵143，二者串联工作抽取高真空，稳定性良好，其中所述机械泵142作为前级泵，当阀门144-1打开时，所述机械泵142对所述反应室100进行真空预抽，所述分子泵143为二级泵，在所述机械泵142把真空降到一定水平后，所述阀门144-1关闭，阀门144-2打开，所述分子泵143才可启动。在本发明的一个实施例中，真空度小于5Pa时才可启动所述分子泵143；真空计145，与所述反应室100直接相连，用于监测所述反应室内真空度；薄膜规146，位于所述出气口141附近，所述薄膜规146检测所述反应室100的工作压强并将其转化为电信号，经处理后通过控制阀门144-3的打开角度，来对所述反应室100的工作压强进行调节；充气口147，位于所述反应室100侧壁，打开后与大气相通，使所述反应室100与外界压强一致，以便打开所述石英盖101。

冷却装置150，直接连接到所述支撑台102，用于控制所述支撑台102温度，从而控制硅片温度。在本发明的一个实施例中，所述冷却装置150的控制温度为2℃-20℃。

除上述之外，本发明所提出的设备还有自动控制单元，包括：可触摸显示器，可进行参数设置，并显示当前设备工作状态，简单明了，使得操作简便、可靠；信号处理模块，处理各种信号及参数设置信息，并发送相应指令；电路控制模块，采集信号以及传递指令。

另外，本发明所提出的设备还包括一个主机柜，主要用来放置上述各装置或模块，以及其他零部件，高度合理，操作方便。一体化的整体造型，简洁的操作界面，十分方便操作。在设置完相应工艺参数并启用自动流程后，除装片、取片需要人工操作外，其余过程均可自动完成。

根据本发明所提供的设备来制备黑硅的工艺包括如下步骤：对所述制备黑硅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。所述深反应离子刻蚀制备黑硅的工艺包括多个循环进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤和一个钝化步骤。

所述刻蚀步骤中，向所述反应室100通入刻蚀气体，平板功率开启；所述钝化步骤中，向所述反应室100通入钝化气体，平板功率关闭；线圈功率在整个周期内均开启，且为恒定值。因此，等离子体是以间歇而不是连续的方式对硅片进行刻蚀，同时通过设置刻蚀和钝化步骤的时间，从而使等离子体的刻蚀作用得到控制和缓冲，达到良好的刻蚀效果。在本发明的一个实施例中，刻蚀步骤中，刻蚀气体为SF₆，其流量为30sccm--100sccm，平板功率为5W--30W；钝化步骤中，钝化气体为C₄F₈，其流量为50sccm--150sccm，平板功率源关闭；在整个周期内，线圈功率为500W--900W。

其它所述工艺参数包括：压强为5Pa--20Pa，刻蚀/钝化时间比为10s∶10s--5s∶5s，刻蚀/钝化循环60--200次；温度为5℃--20℃。

本发明提出的用于黑硅制备的设备，其主要工作流程包括：向所述反应室100内装入待刻硅片，抽取所述反应室100本底真空进行初始化，通入所述工作气体，调节所述工作压强，施加所述线圈射频功率及所述平板射频功率进行等离子体稳定，设置所述工艺参数对硅片进行刻蚀处理，刻蚀结束后抽取所述反应室100残留气体，向所述反应室100充气，打开所述石英盖101并取片。

图4是本发明设备工作流程的一个实施例，包括如下步骤：

步骤S201，开机，打开设备总电源开关，启动操作系统并打开气瓶开关。

步骤S202，将硅片置于所述支撑台102上。该硅片可为经诸如清洗、掺杂、腐蚀、和/或图形化的预处理后得到的硅片，形状不限。若所述反应室100内已有硅片，则可直接进行下一步；若无，则需向所述反应室100充气，打开所述石英盖101，放入硅片。

步骤S203，抽取反应室内本底真空。所述压强调控装置140依次启动所述机械泵142和所述分子泵143，并由所述真空计145对本底真空进行检测，若达到预定本底真空范围，则进入步骤S204；否则继续抽取本底真空。其中，在抽取本底真空过程中，所述阀门144-3为全部打开。所述预定本底真空为10^-5Pa-10^-3Pa。

步骤S204，通入工作气体，调节所述反应室100内工作压强。向所述反应室通入刻蚀气体SF₆，调节所述阀门144-3的打开角度控制，通过所述薄膜规检测所述反应室100内工作压强是否已达到预定工作压强范围，若是，进入步骤S205；否则继续调整所述阀门144-3的角度，调节工作压强。

步骤S205，施加所述线圈射频功率及所述平板射频功率进行等离子体稳定。同时启动所述线圈功率源组及所述平板功率源组，以产生高密度的等离子体，并可形成稳定辉光。

步骤S206，设置所述工艺参数，开始对硅片进行刻蚀处理。

步骤S207，刻蚀结束后抽取所述反应室100残留气体。

步骤S208，向所述反应室100充气，打开所述石英盖101并取片。

由本发明制备出的黑硅，如图5所示。图5是将制备所得的黑硅放置于扫描电子显微镜下观察得到的图像，可以看出，黑硅表面为均匀的圆锥状结构，圆锥体高度为1--3um，底面直径为200nm--500nm。

以上对本发明所提供的一种用于黑硅制备的设备进行了详细介绍，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。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

1.一种用于黑硅制备的设备，包括反应室(100)、气体流量控制装置(110)、压强调控装置(140)、冷却装置(150)、线圈功率源组件、平板功率源组件，所述线圈功率源组件包括线圈射频功率发生器(120)、线圈射频匹配器(121)、射频线圈(122)，所述平板功率源组件包括平板射频功率发生器(130)、平板射频匹配器(131)和平板电极(132)，其特性在于：所述反应室(100)上方设置石英盖(101)，所述反应室(100)下部安装有用于放置待加工硅片样品的支撑台(102)；所述气体流量控制装置(110)，包括不少于两条用于通工作气体的气路(111)，其中一侧连接气瓶，另一侧连接所述反应室(100)上部；所述线圈射频功率发生器(120)和所述线圈射频匹配器(121)相连，所述线圈射频匹配器(121)与所述射频线圈(122)相连，所述射频线圈(122)位于所述反应室(100)腔体内；所述平板射频功率发生器(130)和所述平板射频匹配器(131)相连，所述射频匹配器(131)与所述平板电极(132)相连；所述压强调控装置(140)，包括出气口(141)、机械泵(142)、分子泵(143)，所述出气口(141)位于所述反应室(100)下端，所述机械泵(142)、分子泵(143)二者串联连接；所述冷却装置(150)直接连接到所述支撑台(102)。

2.根据权利要求1所述的一种用于黑硅制备的设备，其特征在于：所述线圈射频功率发生器(120)的输出功率范围为100W-1200W。

3.根据权利要求1所述的一种用于黑硅制备的设备，其特征在于：所述平板电极(132)分为上电极(132-1)和下电极(132-2)分别位于所述反应室(100)上部和下部。

4.根据权利要求1所述的一种用于黑硅制备的设备，其特征在于：所述平板射频功率发生器(130)的输出功率范围为3W-150W。

5.根据权利要求1所述的一种用于黑硅制备的设备，其特征在于：所述冷却装置150的控制温度为2℃-20℃。

6.根据权利要求1所述的一种用于黑硅制备的设备，其特征在于：所述的一种用于黑硅制备的设备还包括自动控制单元、可触摸显示器、信号处理模块、电路控制模块。

7.根据权利要求1所述的一种用于黑硅制备的设备的使用方法，其特征在于：向所述反应室(100)内装入待刻硅片，抽取所述反应室(100)本底真空进行初始化，通入所述工作气体，调节所述工作压强，施加所述线圈射频功率及所述平板射频功率进行等离子体稳定，设置所述工艺参数对硅片进行刻蚀处理，刻蚀结束后抽取所述反应室(100)内残留气体，向所述反应室(100)充气，打开所述石英盖(101)并取片。