CN103848392B - 一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种利用激光干涉技术快速制造大面积黑硅的方法。利用特定多光束干涉组合，形成点阵周期光场分布，在含硫化合物气氛环境下，利用较大的干涉光场分布和控制硅材料样品的二维平面位移，结合硅材料的激光刻蚀阈值，直接在硅材料表面快速形成大面积黑硅表面结构。通过对干涉光场的控制，可以获得结构周期可变的黑硅表面结构。同时该方法解决了传统飞秒激光扫描方法难以快速获得大面积黑硅表面结构以及结构周期不可控的局限。另外还具有系统结构简单，加工成本低的优点。

Description

一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料技术领域，涉及大面积黑硅材料的加工与制备。
技术背景
黑硅是一种具有革命意义的新型半导体材料，该材料具有表面微细结构，对宽光谱范围的光波有着良好的吸收特性。
20世纪90年代末，哈佛大学的Eric Mazur教授的研究团队研究发现，飞秒激光在一定刻蚀气体环境下对硅表面进行刻蚀，可以产生一种微米量级的针状表面结构。接着开发出了一种利用飞秒激光加工制备具有微结构的硅材料的方法，通过该方法制备的新材料，使得原本具有灰色光泽的硅表面在刻蚀制备区域，看上去变成了黑色，因而这种新材料也被称为“黑硅”。通过测试研究发现，该材料对于可见光-近红外波段的光的范围内，吸收率达到了90％以上，同时还具有非常好的场致发射特性等。这种优良的特性使得黑硅在可见光、红外探测器，太阳能电池以及平板显示等领域有着极其重要的潜在应用价值，是未来制备高性能太阳能电池的理想的材料。
目前，在已经公开的专利及文献中，制造黑硅表面结构的方法有很多种。一种是哈佛大学Mazur小组提到的以及其它专利中所介绍的飞秒激光加工的技术方法，一种是利用聚焦纳秒激光光束扫描加工的方法，都是采用直接聚焦的单束激光束在硅表面扫描光刻加工。由于聚束后的光束直径很小，只有1-2微米，而且需要反复多次辐照硅表面，因此加工速度难以满足工业生产的要求，很难制成较大面积，在时间上非常不经济。同时扫描加工的过程很难保证黑硅表面结构的均匀性，更不可能产生周期性结构的黑硅。另外目前飞秒激光器的价格和维护成本非常高，稳定性可靠性也难以达到工业生产的要求。另外已公开的专利中，也提出了化学刻蚀的方法来制备黑硅，虽然可以达到大面积制造，但比较难保证均匀性，同样很难产生周期性结构，还会带来环境问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种具有可控周期性微结构的黑硅，并且实现快速大面积的制造方法。
(二)技术方案
本发明实现发明目的所采用的技术方案是，利用多光束激光干涉形成直径大于10mm的特定干涉周期光场分布，对硅片表面进行刻蚀，从而形成周期性点阵结构黑硅。
具体包括以下步骤：
步骤1，将硅片置于一广口腔室内，并通过注气口注入一定气压的含硫化合物气氛。所述广口腔室置于精密二位平移台上，通过计算机控制广口腔室在二维平面内运动；
步骤2，利用分束镜将激光器出射激光束分成多束，再利用全反射镜将多束激光束分别以一特定入射角和空间角会聚于硅片表面，分别对每一束激光束利用1/4波片和偏振片组合控制多束激光形成特定偏振态、特定干涉周期以及特定图案的光场分布；
步骤3，控制激光器输出能量使干涉光场达到刻蚀阈值，进而对硅片进行刻蚀，形成具有周期性微点阵结构的黑硅材料，通过二维精密平移台的移动，实现快速大面积黑硅材料加工。
上述方案中，所述含硫化合物气氛为SF6气体环境，广口腔室具有硅片夹持装置，有气氛导入接口，腔室为立方型，边长大于100mm；所述硅片为p型或n型硅，晶向为(100)或(111)，或多晶硅。
上述方案中，所述激光器为高峰值功率并具有一定相干长度的脉冲激光器，输出波长为1064nm、532nm、355nm、266nm、213nm、193nm，输出脉冲宽度为纳秒、皮秒和飞秒，脉冲频率为10Hz到10KHz。
上述方案中，所述多束激光束为三束或者四束。
上述方案中，所述特定入射角为2°到60°，三束或者四束激光相对于入射平面，保持空间角对称分布。
上述方案中，所述特定干涉周期可以通过改变脉冲激光的入射角来进行控制，其圆锥状或圆孔状结构周期为200nm～40μm，圆锥或圆孔直径为100nm～20μm，结构深度为200nm～40μm。在400nm～2μm的光谱范围内具有大于94％的吸收率。
上述方案中，所述快速大面积黑硅材料加工，是指利用激光干涉在不提高注入脉冲能量的情况下实现干涉增强区域的光强倍增，不需要聚束系统，一次加工面积可在1.1cm2，通过二维位移台的扫描拼接可实现快速大面积黑硅材料加工，加工面积大于10cm×10cm。
(三)有益效果
本方法加工的黑硅是一种周期性结构，并且结构周期可以调整，这将进一步拓展黑硅材料的应用领域，之前的技术无法实现周期性结构。相比于其他聚束扫描光刻的技术，本方法利用激光干涉在不提高注入脉冲能量的情况下实现干涉增强区域的光强倍增，不需要聚束系统，一次加工面积可在1.2cm2。之前飞秒或纳秒聚束扫描光刻的方法加工大面积通常需要很长时间，很难做到大于10cm×10cm。本方法加工的黑硅结构可以达到几十微米深。
附图说明：
图1多光束干涉黑硅结构加工系统流程简图
图2本发明实施例一光路简图
图3本发明实例一方法所加工的周期性黑硅结构
图4本发明实例二方法所加工的周期性黑硅结构
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述。所列出的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护对象。
实施例一
如图2所示，由激光器发出1064nm波长的激光，经过分光镜分成四束，全反射镜控制将四束相干光会聚于硅片表面。入射光空间角成中心对称分布，即0°、90°、180°、270°，四束光以相同的入射角入射，入射角为2°，通过波片和偏振器件精确控制各光束的光强和偏振角度。四束光偏振方向分别为：空间角0°和180°的入射光是水平偏振，空间角为90°和270°的入射光是垂直偏振。形成周期性点阵光场分布结构，结构周期入射波长和入射角决定。在SF6气氛环境下，直接刻蚀硅片可形成周期为15μm的周期性黑硅结构，结构如图3所示。
实施例二
由激光器发出1064nm波长的激光，经过分光镜分成四束，全反射镜控制将四束相干光会聚于硅片表面。入射光空间角成中心对称分布，即为0°、90°、180°、270°，以5°入射角入射，通过波片和偏振器件精确控制各光束的光强和偏振角度，四束光偏振方向均为垂直偏振或水平偏振，形成周期性孔阵光场分布结构，结构周期由入射波长和入射角决定，在SF6气氛环境下，直接刻蚀硅片可形成相对应的孔阵周期结构，结构如图4所示。
实施例三
由激光器发出的1064nm激光，经过分光镜分成三束，再利用全反射镜片将三束光会聚于硅片表面。入射空间角成中心对称分布，为0°、120°、240°，入射角为5°。通过波片和偏振器件精确控制各光束的光强和偏振角度，三束光偏振方向分别垂直于各自入射片面。可形成周期点阵结构，点阵成三角顶点对称分布。在SF6气氛环境下，直接刻蚀硅片可形成相对应的周期结构。

Claims (9)

1.一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将硅片置于具有夹持装置的广口型腔室中；
b、将腔室固定于精密二维平移台上；
c、向广口腔室里注入含硫化合物气体，排除空气；
d、导入多束相干激光在硅片表面直接形成直径大于10mm的特定干涉光场强弱分布，控制干涉图样和干涉光场分布，直接对硅片进行刻蚀，形成按干涉光场分布的具有特定结构周期的、一定结构深度的圆锥状或圆孔状黑硅表面结构；
e、控制精密二维平移平台，在二维平面内以特定速度移动，将黑硅表面结构进行连续拼接得到大面积均匀的黑硅。
2.如权利要求1所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，使用的光源为高峰值功率并具有一定相干长度的脉冲激光器，脉宽为纳秒、皮秒或飞秒。
3.如权利要求2所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，所述脉冲激光分成三束光或四束光以特定入射角入射，并在硅片表面叠加，形成特定干涉周期的大光束直径干涉光场分布。
4.如权利要求3所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，所述特定入射角为2～40°，所述干涉光场分布直径大于10mm，所述特定干涉周期为200nm～20μm，所述干涉光场分布为点阵分布。
5.如权利要求3所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，所述三束光或四束光分别利用1/4波片和偏振片组合控制每束光的偏振角和单脉冲能量。
6.如权利要求1所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，所述圆锥状或圆孔状黑硅表面结构通过改变脉冲激光的入射角来进行控制，其圆锥或圆孔状结构周期为200nm～20μm，直径为100nm～20μm，在400nm～2μm的光谱范围内的光具有大于94％的吸收率。
7.如权利要求1所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，所述广口腔室具有硅片夹持装置和含硫化合物气体导入接口，腔室为立方形，边长大于100mm。
8.如权利要求1所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，所述含硫化合物为SF6，所述含硫化合物气体在干涉光场作用下起到对硅片进行刻蚀的作用，同时也隔绝空气防止氧化。
9.如权利要求1所述的一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法，其特征在于，所述精密二维平移台按最佳干涉光场刻蚀面积进行平移拼接形成大面积黑硅，位移精度优于1μm，行程不小于300mm，同时控制激光器发出的脉冲数，控制单点刻蚀时间，所述连续拼接方法要求平移台以一定速度逐渐过渡到下一个刻蚀区域。
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