CN104555903A - 基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工艺方法，尤其是一种基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，属于半导体的技术领域。按照本发明提供的技术方案，一种基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，所述黑金属材料制备方法包括如下步骤：a、提供所需的黒硅体，所述黒硅体包括基板以及分布在所述基板表面上的若干针状结构；b、在上述黒硅体上设置覆盖针状结构的辐射金属层，以得到所需的黑金属体。本发明工艺操作方便，与CMOS-MEMS工艺兼容，制备的黑金属材料具有较高的辐射效率，高温稳定性好，安全可靠。

Description

基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种工艺方法，尤其是一种基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，属于半导体的技术领域。
背景技术
目前，常见的MEMS红外光源辐射材料主要是半导体和金属材料。铂金属具有较高的机械强度但表面易氧化且发射率较低；金属氧化物熔点较高但难于制备；多晶硅热稳定性差；黑硅电阻率很难达到光源发热要求。而美国凤凰公司利用黑金属作为辐射材料的MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）红外光源展现出优异的性能，极大的提高了光源的辐射效率，因此黑金属材料受到了极大地关注。同时，高吸收率黑金属材料也可应用于MEMS热电堆等探测器。
就应用于MEMS红外光源而言，虽然黑硅在近红外波段的高吸收率保证了光源在近红外波段具有高发射率，但是黑硅的针状缺陷会诱捕载流子，增加载流子的复合率从而使硅材料电阻率增大，不利于红外光源实现电阻自加热。因此如以黑硅作为辐射材料制作MEMS红外光源，需要在结构中引入额外的加热电极，这无疑增加的器件的复杂性，提高了成本并降低了器件可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其工艺操作方便，与CMOS-MEMS工艺兼容，制备的黑金属材料具有较高的辐射效率，高温稳定性好，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，一种基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，所述黑金属材料制备方法包括如下步骤：
a、提供所需的黒硅体，所述黒硅体包括基板以及分布在所述基板表面上的若干针状结构；
b、在上述黒硅体上设置覆盖针状结构的辐射金属层，以得到所需的黑金属体。
所述辐射金属层通过溅射或蒸镀覆盖在针状结构上。
所述辐射金属层的材料为TiN、Pt、Au、Ti、Cr中的一种或几种。
所述步骤a中，形成黒硅体的过程包括如下步骤：
a1、提供基板，并在所述基板上沉积得到柱状的多晶硅；
a2、对上述基板以及多晶硅进行处理，以得到若干随机分布的针状结构。
所述基板的材料采用硅，在基板上沉积多晶硅的方法包括PLCVD或PECVD。
所述步骤a2中，对基板以及多晶硅进行处理的方法包括等离子体刻蚀、飞秒激光扫描或腐蚀化学腐蚀。
所述基板上针状结构的高度为2μm~5μm。
本发明的优点：提供黒硅体，利用黒硅体上针状结构的保形性沉积辐射金属层，以得到所需的黑金属材料，工艺操作方便，与CMOS-MEMS工艺兼容，制备的黑金属材料具有较高的辐射效率，高温稳定性好，安全可靠。
附图说明
图1~图4为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中
图1为本发明基板的结构剖视图。
图2为本发明在基板上制备得到多晶硅后的剖视图。
图3为本发明在基板上制备得到针状结构后的剖视图。
图4为本发明得到黑金属体后的剖视图。
附图标记说明：1-基板、2-多晶硅、3-针状结构以及4-辐射金属层。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1~图4所示：为了制备的黑金属材料具有较高的辐射效率，高温稳定性好，且与CMOS-MEMS工艺兼容，本发明黑金属材料制备方法包括如下步骤：
a、提供所需的黒硅体，所述黒硅体包括基板1以及分布在所述基板1表面上的若干针状结构3；
具体地，形成黒硅体的过程包括如下步骤：
a1、提供基板1，并在所述基板1上沉积得到柱状的多晶硅2；
所述基板1的材料采用硅，在基板1上沉积多晶硅2的方法包括PLCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）或PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）。沉积在基板1上的多晶硅2具有较大的粗造度且晶粒均匀，多晶硅2的晶粒尺寸在100nm~300nm。在硅基板1上沉积得到多晶硅2的方法可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
a2、对上述基板1以及多晶硅2进行处理，以得到若干随机分布的针状结构3。
在具体实施时，对基板1以及多晶硅2进行处理的方法包括等离子体刻蚀、飞秒激光扫描或腐蚀化学腐蚀。其中，飞秒激光法制备的黑硅体形貌规则，但设备昂贵；而湿法化学腐蚀法有形貌难以控制和大面积制备一致性差的缺点。等离子体处理相比于飞秒激光处理法，可以获得更大的作用面积，利于黑硅的易于大规模制备；相比于湿法化学腐蚀, 等离子体处理形成的黑硅的表面形貌更加均匀, 获得的硅针密度更大且与晶向无关。
在采用等离子体进行刻蚀时，在刻蚀开始后，多晶硅2作为硬掩膜对硅基板进行自对准等离子体刻蚀。由于硬掩膜的存在，处在多晶硅2晶粒的体硅首先被刻掉，而在多晶硅2晶粒正下方的体硅，由于有硬掩膜的覆盖而不被刻蚀；随着刻蚀的进行，刻蚀速率的差异会在体硅表面形成随机的针状结构；当多晶硅掩膜耗尽后停止刻蚀以获得最大的表面起伏；所述基板1上针状结构3的高度为2μm~5μm。
本发明实施例中，对于多晶硅2的刻蚀可以通过时间进行控制，一般地，刻蚀时间为600s~1200s。等离子体刻蚀的气体选择Cl2以及SF6气体，常见的Cl2刻蚀Si机理：Si+2Cl2=SiCl4，在刻蚀过程中的产物是固体，刻蚀速率较慢，在等离子体刻蚀处理过程中，对基板1的损伤较大、一致性差且容易产生层积，不利于大规模生产。在Cl2中加入SF6能够产生游离的氟原子，活性很轻，容易与Si反应产生SiF4，可以增强Cl2、SF6刻蚀体系中的化学作用，显著提高刻蚀速率，降低衬底损伤。由于SiF4是气体，产物容易排出。因此选用Cl2和SF6混合气体来进行Si的刻蚀能够弥补单组分气体刻蚀的不足，提高刻蚀的一致性。
具体工艺条件为：刻蚀功率为300~400 W，刻蚀气体的压强为300~500 mtorr；Cl2/SF6 流量比为8:1~9:1。当然，对于形成不同形状或高度的针状结构3，可以选择不同的等离子体刻蚀工艺条件，具体工艺条件选择为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
b、在上述黒硅体上设置覆盖针状结构3的辐射金属层4，以得到所需的黑金属体。
所述辐射金属层4通过溅射或蒸镀覆盖在针状结构3上。所述辐射金属层4的材料为TiN、Pt、Au、Ti、Cr中的一种或几种。在具体实施时，真空条件下蒸发Pt的厚度为50~200nm，辐射金属层4的厚度可以根据需要进行选择，此处不再赘述。
本发明提供黒硅体，利用黒硅体上针状结构3的保形性沉积辐射金属层4，以得到所需的黑金属材料，工艺操作方便，与CMOS-MEMS工艺兼容，制备的黑金属材料具有较高的辐射效率，高温稳定性好，安全可靠。

Claims (7)

1.一种基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其特征是，所述黑金属材料制备方法包括如下步骤：
（a）、提供所需的黒硅体，所述黒硅体包括基板（1）以及分布在所述基板（1）表面上的若干针状结构（3）；
（b）、在上述黒硅体上设置覆盖针状结构（3）的辐射金属层（4），以得到所需的黑金属体。
2.根据权利要求1所述的基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其特征是：所述辐射金属层（4）通过溅射或蒸镀覆盖在针状结构（3）上。
3.根据权利要求1或2所述的基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其特征是：所述辐射金属层（4）的材料为TiN、Pt、Au、Ti、Cr中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其特征是，所述步骤（a）中，形成黒硅体的过程包括如下步骤：
（a1）、提供基板（1），并在所述基板（1）上沉积得到柱状的多晶硅（2）；
（a2）、对上述基板（1）以及多晶硅（2）进行处理，以得到若干随机分布的针状结构（3）。
5.根据权利要求4所述的基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其特征是：所述基板（1）的材料采用硅，在基板（1）上沉积多晶硅（2）的方法包括PLCVD或PECVD。
6.根据权利要求4所述的基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其特征是：所述步骤（a2）中，对基板（1）以及多晶硅（2）进行处理的方法包括等离子体刻蚀、飞秒激光扫描或腐蚀化学腐蚀。
7.根据权利要求1所述的基于自对准等离子体刻蚀工艺的黑金属材料制备方法，其特征是：所述基板（1）上针状结构（3）的高度为2μm~5μm。
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