CN103030096A - 一种具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法 - Google Patents

一种具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法。该硅材料包括：具有一定厚度的硅片；以及刻蚀该硅片表面而形成的柱状硅纳米结构。该方法包括：在硅片表面进行真空氯化铯镀膜，并利用氯化铯纳米岛光刻技术在硅片表面形成氯化铯纳米岛结构；利用反应离子刻蚀将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面，在硅片表面形成柱状硅纳米结构；去掉柱状硅纳米结构顶部的氯化铯，形成具有纳米结构表面的硅材料。本发明采用氯化铯纳米岛自组装技术完成原始纳米结构，具有低成本和较强的工艺适应性能，并能够在不同硅表面上生长和完成，便于推广和应用。

Description

一种具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法
技术领域
本发明涉及微米/纳米半导体微加工技术领域，尤其涉及一种具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法。
背景技术
硅是一种用途最为广泛的半导体材料，在太阳电池等许多领域有巨大的工业应用。目前，硅表面的纳米结构制造主要有金属薄膜技术自主装的纳米岛结构和湿法腐蚀的多孔硅纳米孔结构。如利用高温磁控度银工艺，获得银纳米结构，然后利用反应离子刻蚀，将银纳米结构转换成纳米硅柱状结构，其工艺方法与本发明基本是相同的，只是反应离子刻蚀所使用的掩模结构为银纳米结构。由于金属纳米薄膜技术的特点和机理限制，制作出的金属自组装纳米颗粒直径一般不超过100纳米，所以无法完成几百到微米直径的纳米颗粒，也就无法获得该尺度下的硅纳米柱状结构。而湿法腐蚀的多孔硅结构，只能完成各种直径尺寸的孔结构，无法实现纳米柱状表面的硅结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法，纳米结构尺寸直径可以从几十纳米到几微米，以满足这一直径尺度下的应用需要；如纳米尺度PN结的光电池，由于PN结本身有100多纳米的深度，如果硅纳米柱状结构本身直径小于200微米，就会造成硅纳米柱状结构PN结的消失，无法实现纳米柱状PN结结构。对于本发明的几百纳米硅柱状结构就使纳米PN结消失，能够满足这样的需求。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有纳米结构表面的硅材料，包括：具有一定厚度的硅片；以及刻蚀该硅片表面而形成的柱状硅纳米结构。
上述方案中，所述柱状硅纳米结构由直径不等的硅圆柱构成。所述硅圆柱位置无序的分布在所述硅片表面，且高度相同。所述硅片的厚度为0.1-2毫米，其表面为抛光面、毛面或有结构面。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种具有纳米结构表面的硅材料的制作方法，包括：在硅片表面进行真空氯化铯镀膜，并利用氯化铯纳米岛光刻技术在硅片表面形成氯化铯纳米岛结构；利用反应离子刻蚀将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面，在硅片表面形成柱状硅纳米结构；去掉柱状硅纳米结构顶部的氯化铯，形成具有纳米结构表面的硅材料。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法，采用氯化铯纳米岛自组装技术完成原始纳米结构，具有低成本和较强的工艺适应性能，并能够在不同硅表面上生长和完成，便于推广和应用。
2、本发明提供的具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法，利用热蒸发来制造氯化铯薄膜，与磁控溅射和离子束镀膜技术相比，热蒸发技术要求低而工艺更为普及，能够容易实现大面积和低成本。
3、本发明提供的具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法，选用氯化铯纳米岛光刻技术来完成原始纳米结构，与传统的电子束和纳米压印等微加工纳米结构制造技术相比，无需昂贵的复杂工艺设备以及工艺中对硅表面平整度的严格要求，从而表现出设备简单和制造成本低的特点。
4、本发明提供的具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法，使用的氯化铯材料，容易获得，易溶解于水，因而硅纳米柱状结构完成后方便去除。
5、硅是半导体和微机电系统使用最为广泛的材料，硅的刻蚀工艺非常成熟，所以本发明具有相应广泛的应用领域。
附图说明
图1是依照本发明实施例的具有纳米结构表面的硅材料的示意图；
图2是依照本发明实施例的制作具有纳米结构表面的硅材料的方法流程图；
图3(a)至图3(d)是依照本发明实施例的制作具有纳米结构表面的硅材料的工艺流程图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出了一种具有纳米结构表面的硅材料及其制作方法，纳米结构是柱状结构，直径范围20-1500纳米，高度50-5000纳米，制作方法采用氯化铯自组装和微细加工的镀膜和反应离子刻蚀技术完成。该方法原始结构采用自组装技术完成，能够在不同形状的硅表面上实现氯化铯纳米结构，氯化铯岛结构尺寸通过氯化铯薄膜厚度和显影湿度的综合控制来实现，小尺寸的纳米岛结构需要氯化铯厚度小和显影湿度低来获得，大尺寸岛结构需要氯化铯厚度大和显影湿度高来获得。通过反应离子刻蚀技术将上述获得的氯化铯纳米岛结构转移成硅纳米柱状结构，实现具有纳米结构表面的硅材料的制作。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的具有纳米结构表面的硅材料的示意图，该硅材料包括：具有一定厚度的硅片；以及刻蚀该硅片表面而形成的柱状硅纳米结构。其中，所述柱状硅纳米结构由直径不等的硅圆柱构成。所述硅圆柱位置无序的分布在所述硅片表面，且高度相同。所述硅片的厚度为0.1-2毫米，其表面为抛光面、毛面或有结构面。
基于图1所示的具有纳米结构表面的硅材料的示意图，图2示出了依照本发明实施例的制作具有纳米结构表面的硅材料的方法流程图，包括以下步骤：
步骤201：在硅片表面进行真空氯化铯镀膜，并利用氯化铯纳米岛光刻技术在硅片表面形成氯化铯纳米岛结构；
步骤202：利用反应离子刻蚀将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面，在硅片表面形成柱状硅纳米结构；
步骤203：去掉柱状硅纳米结构顶部的氯化铯，形成具有纳米结构表面的硅材料。
其中，硅材料选用半导体工业所使用的硅片，厚度0.1-2毫米，表面为抛光面或毛面或有结构面，换句话说，表面可以是光滑表面也可以是粗糙和有结构的表面。所述在硅片表面进行真空氯化铯镀膜，并利用氯化铯纳米岛光刻技术在硅片表面形成氯化铯纳米岛结构，包括：将硅片清洗干净后放入真空镀膜腔体内，在硅片表面蒸发氯化铯薄膜，膜厚100-5000埃，如图3(a)所示；氯化铯薄膜镀完后，向真空镀膜腔体内通入一定湿度的气体，相对湿度为10％-70％，显影氯化铯薄膜，氯化铯在湿度气体作用下发生团聚，在硅片表面形成多个类似水滴的氯化铯纳米岛结构，直径大小不一，范围在20-1500纳米内，位置分布没有规律，如图3(b)所示。所述氯化铯纳米岛结构是通过自组装获得，生长出的氯化铯纳米岛直径不相同，直径尺寸符合高斯分布，如图3(b)所示。上述图3(a)到图3(b)过程称为氯化铯纳米岛光刻。
所述利用反应离子刻蚀将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面，在硅片表面形成柱状硅纳米结构，包括：以团聚的氯化铯纳米岛结构为掩模，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀硅片，从而将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面上，在硅片表面形成柱状硅纳米结构，刻蚀转移结构结果如图3(c)所示。所述反应离子刻蚀工艺是通过F离子与硅反应而将硅刻蚀掉，同时不会与氯化铯反应，使氯化铯纳米岛结构下的硅得到保护，而没有氯化铯纳米岛结构覆盖的硅将被刻蚀掉一定厚度，实现氯化铯纳米岛结构的图形转移；其中反应离子刻蚀工艺利用C4F8为刻蚀气体，工作压强4Pa，刻蚀功率100瓦，刻蚀时间5分钟，形成的柱状硅纳米结构的高度为50-5000纳米，刻蚀结果如图3(c)所示。
所述去掉柱状硅纳米结构顶部的氯化铯，是通过将氯化铯纳米岛结构图形转移后的硅片放入水中实现的。硅表面刻蚀完成后，样品放入水中2-5分钟，即可将氯化铯溶解掉，获得纳米结构表面硅材料，其结构如图3(d)所示，从而完成一种具有纳米结构表面的硅材料的制作。
实施例
在硅片上以热蒸发方法蒸度氯化铯薄膜，薄膜厚度100纳米。厚度通过石英晶体测厚仪来测量和控制。将镀有氯化铯薄膜的硅片放入湿度为40％的通气腔体内，湿度由通入腔体的潮湿气体流量控制，在这一湿度条件下显影1小时，使氯化铯薄膜团聚成纳米岛结构，在硅片表面形成氯化铯纳米岛结构。氯化铯纳米岛平均直径400纳米。将表面有氯化铯岛结构的硅片放入反应离子刻蚀机的刻蚀腔体内，刻蚀工艺参数为压强5Pa，刻蚀气体，刻蚀时间10分钟。将硅片取出后放入水中，时间5分钟，使硅片上的氯化铯岛结构溶解，从而获得纳米柱状结构表面硅材料。本实施例所完成的纳米岛结构平均直径约400纳米，高度2微米。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有纳米结构表面的硅材料，其特征在于，包括：
具有一定厚度的硅片；以及
刻蚀该硅片表面而形成的柱状硅纳米结构。
2.根据权利要求1所述的具有纳米结构表面的硅材料，其特征在于，所述柱状硅纳米结构由直径不等的硅圆柱构成。
3.根据权利要求2所述的具有纳米结构表面的硅材料，其特征在于，所述硅圆柱位置无序的分布在所述硅片表面，且高度相同，高度为50-5000纳米。
4.根据权利要求1所述的具有纳米结构表面的硅材料，其特征在于，所述硅片的厚度为0.1-2毫米，其表面为抛光面、毛面或有结构面。
5.一种具有纳米结构表面的硅材料的制作方法，其特征在于，包括：
在硅片表面进行真空氯化铯镀膜，并利用氯化铯纳米岛光刻技术在硅片表面形成氯化铯纳米岛结构；
利用反应离子刻蚀将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面，在硅片表面形成柱状硅纳米结构；
去掉柱状硅纳米结构顶部的氯化铯，形成具有纳米结构表面的硅材料。
6.根据权利要求5所述的具有纳米结构表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述在硅片表面进行真空氯化铯镀膜，并利用氯化铯纳米岛光刻技术在硅片表面形成氯化铯纳米岛结构，包括：
将硅片清洗干净后放入真空镀膜腔体内，在硅片表面蒸发氯化铯薄膜，膜厚100-5000埃；氯化铯薄膜镀完后，向真空镀膜腔体内通入一定湿度的气体，相对湿度为10％-70％，显影氯化铯薄膜，氯化铯在湿度气体作用下发生团聚，在硅片表面形成多个类似水滴的氯化铯纳米岛结构，直径大小不一，范围在20-1500纳米内，位置分布没有规律。
7.根据权利要求6所述的具有纳米结构表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述氯化铯纳米岛结构是通过自组装获得，生长出的氯化铯纳米岛直径不相同，直径尺寸符合高斯分布。
8.根据权利要求6所述的具有纳米结构表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述利用反应离子刻蚀将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面，在硅片表面形成柱状硅纳米结构，包括：
以团聚的氯化铯纳米岛结构为掩模，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀硅片，从而将氯化铯纳米岛结构转移到硅片表面上，在硅片表面形成柱状硅纳米结构。
9.根据权利要求8所述的具有纳米结构表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述反应离子刻蚀工艺是通过F离子与硅反应而将硅刻蚀掉，同时不会与氯化铯反应，使氯化铯纳米岛结构下的硅得到保护，而没有氯化铯纳米岛结构覆盖的硅将被刻蚀掉一定厚度，实现氯化铯纳米岛结构的图形转移；其中反应离子刻蚀工艺利用C4F8为刻蚀气体，工作压强4Pa，刻蚀功率100瓦，刻蚀时间5分钟，形成的柱状硅纳米结构的高度为50-5000纳米。
10.根据权利要求5所述的具有纳米结构表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述去掉柱状硅纳米结构顶部的氯化铯，是通过将氯化铯纳米岛结构图形转移后的硅片放入水中实现的。
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