CN105399045B - 一种利用光刻胶以及低温等离子刻蚀制备黑硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用光刻胶以及低温等离子体刻蚀制备黑硅的方法，包括以下步骤：在硅片表面涂覆光刻胶，曝光，烘烤固化，进行低温等离子体刻蚀，从而在硅片表面形成密排的纳米锥状的陷光结构。本发明提供的方法能够在硅片上形成具有很强吸光特性的黑硅，且该方法工艺流程简单、工艺容忍度大、重复性好，可以直接制备大面积的黑硅，具有较高的制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料的微纳加工领域，尤其涉及一种高效制备黑硅材料的方法。
背景技术
黑硅是一种表面呈森林状结构的硅材料，肉眼看上去呈现黑色。当光照射在黑硅上时，大部分光子进入森林状或锥状结构后不会被反射回去，而是在森林结构中不断散射，最终到达结构的底部，这个效应不仅对可见光有效，对红外光线也一样有效。所以黑硅在近紫外到近红外波段具有高吸收率,具有良好的光谱吸收特性,克服了普通硅光电响应范围窄、响应率低等缺点。因此，可应用于太阳能电池、光电探测、光致发光等领域。
目前，制备黑硅的方法主要有飞秒激光扫描、化学湿法腐蚀和等离子体干法刻蚀的方法。其中，飞秒激光制备的黑硅表面微结构相对规则，但制备的黑硅面积小，设备比较昂贵，工艺较复杂；采用化学腐蚀法可以降低制备成本，实现大面积黑硅制备，但是制备的黑硅微结构依赖于晶向；等离子体刻蚀处理相比于飞秒激光扫描,制备面积大，易于大规模制备，相比于湿法化学腐蚀，黑硅的形貌可控，并且不受晶向的限制，还可用于制备多晶硅材料的黑硅。
等离子体刻蚀方法制作黑硅主要分为两种，无掩膜刻蚀和有掩膜刻蚀。无掩膜刻蚀依赖并限制于刻蚀设备及其独特的刻蚀工艺，形成黑硅的条件较苛刻。有掩膜刻蚀的方法在掩膜制备上有金属粒子掩膜、二氧化硅光刻胶掩膜等，但金属粒子作为掩膜依赖于镀膜设备，且要求粒子的单分散性，粒子太小构不成掩膜作用，粒子生长也不能形成连续的岛状结构，所以对镀膜工艺较严苛；二氧化硅光刻胶掩膜需要将SiO2颗粒均匀混合于光刻胶中，混合方法工艺复杂，较难操作，且SiO2原料需另外获得。
目前，亟待开发一种简便、高效制备黑硅的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用光刻胶以及低温等离子刻蚀工艺制备黑硅的方法。该方法工艺简便，制备效率高，且所得黑硅反射率低，效果优异。
具体而言，本发明提供了一种利用低温等离子体刻蚀制备黑硅的方法，该包括以下步骤：在硅片表面涂覆光刻胶，曝光，烘烤固化，进行低温等离子体刻蚀，即得。
所述光刻胶涂覆在硅片的一侧表面。在涂覆光刻胶之前，硅片表面应先进行清洁处理。
所述光刻胶优选为紫外光刻胶，涂覆所得光刻胶层的厚度为1～6μm。
所述曝光优选为紫外曝光。所述曝光剂量优选为40～170mj/cm2，显影时间优选为30s～1min。
所述曝光之前优选先进行烘干处理。所述烘干处理的条件为：在100～110℃下烘干2～5分钟。
所述烘烤固化的温度优选为110～130℃，时间为5～10分钟。经过上述烘烤固化处理后，可以使光刻胶底胶残余颗粒固化。
本发明将处理后的硅片进行高选择比的低温等离子体刻蚀，可以在硅片表面形成锥状陷光结构。由于常规硅刻蚀采用常温工艺，对胶的刻蚀选择比较低，无法形成理想的锥体结构；本发明采用低温工艺刻蚀黑硅，对胶的刻蚀选择比可达到几十比一，从而形成理想的椎体结构。所述低温等离子体刻蚀的温度为-120～-100℃。
本发明所述低温等离子体刻蚀可采用等离子体刻蚀机进行，例如：电感耦合等离子体刻蚀机。具体而言，将涂覆有光刻胶并进行曝光、烘烤处理后的硅片，置于载片上，再置于等离子体蚀刻机的下电极载片台上，进行刻蚀。所述-120～-100℃的低温条件通过对等离子体刻蚀机的下电极载片台温度进行调节而实现。所述下电极载片台可采用液氦背冷装置，以保证热量传递。
所述硅片以其未涂覆光刻胶的一侧表面与载片接触。由于本发明的低温工艺需要将温度控制在-120～-100℃的低温范围，为了将刻蚀中产生的大量的热传导给载片，所述硅片与载片之间涂有导热油或真空硅脂。所述导热油或真空硅脂在此起到了媒介的作用，可以通过载片背部的液氦装置传给冷却的下电极，同时使得刻蚀表面温度更接近下电极温度的设定值。
本发明所述低温等离子体刻蚀的真空度优选为5～10mTorr。
所述低温等离子体刻蚀的刻蚀气体为SF6和O2。优选地，刻蚀气体SF6的流量为30～35sccm，刻蚀气体O2的流量为10～15sccm。
本发明优选采用脉冲低频功率源作为下电极激励源，可以在选择比高的情况下保护刻蚀侧壁，防止侧钻现象，从而形成理想的锥体结构。具体而言，下电极优选采用占空比为10～50％的200～500Hz脉冲电源。
所述低温等离子体刻蚀的上电极功率优选为340～360W，下电极功率优选为3～10W。
作为本发明的优选方案，所述低温等离子体刻蚀在电感耦合等离子体刻蚀机中进行，包括以下条件：下电极载片台温度为-120～-100℃，真空度为5～10mTorr，刻蚀气体为流量30～35sccm的SF6和流量10～15sccm的O2，上电极功率为340～360W，下电极功率为5～10W，下电极采用占空比为10～50％的200～500Hz脉冲电源。
刻蚀的时间优选为2～4min。
本发明进一步保护采用所述方法制备而成的黑硅。
本发明提供的技术方案中，利用光刻胶曝光后的残余颗粒经过固化后作为掩膜层，之后采用低温刻蚀工艺，并配有脉冲低频电源作为下电极功率源，得到较高选择比的刻蚀结果，从而得到硅表面的锥状结构。应用该方法能够在硅片上形成具有很强吸光特性的黑硅，同时该方法成本较低，工艺流程简单，且可以直接制备大面积的黑硅，具有较高的制备效率。
附图说明
图1为实施例1制备黑硅的流程图；
图2为实施例1所得黑硅与未经处理硅片的对比图；其中，右侧为黑硅；
图3为实施例1所得黑硅的剖面SEM图；
图4为实施例1所得黑硅的反射率图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明各实施例所用光刻胶为市售的星泰克SUN-115P紫外光刻胶。
实施例1
按照以下步骤制备黑硅；流程图如图1所示：
(1)在洁净硅片的上表面旋涂紫外光刻胶，匀胶机转速3000转/分钟，甩胶时间1分钟，得到厚度为3μm的光刻胶层，在100℃下烘干3分钟后，进行无图形掩膜版紫外曝光，曝光剂量为110mj/cm2，显影时间为45s；再在120℃下烘烤固化8min；
(2)将经步骤(1)处理的硅片置于载片上，所述硅片和载片之间涂有导热油；在电感耦合等离子体ICP刻蚀机中，进行低温等离子体刻蚀，即可；
所述低温等离子体刻蚀的条件包括：下电极载片台温度为-110℃，真空度为7.5mTorr，刻蚀气体为流量32sccm的SF6和流量12sccm的O2，上电极功率为350W，下电极功率为5W，下电极采用占空比为25％的333Hz脉冲电源，刻蚀时间为3min。
本实施例所得黑硅与未经处理硅片的实物对比如图2所示。
本实施例所得黑硅的剖面的SEM照片如图3所示，其中可见密排的纳米锥体结构。
采用型号为uv-1601的紫外分光光度计对本实施例所得黑硅的反射率进行检测，结果如图4所示。由图4可知，本实施例所得黑硅的反射率在4％左右，比未经处理硅片的反射率有很大程度的降低。
实施例2
按照以下步骤制备黑硅：
(1)在洁净硅片的上表面旋涂厚度为1μm的紫外光刻胶，在100℃下烘干2分钟后，进行曝光剂量40mj/cm2、显影时间30s的紫外曝光，再在110℃下烘烤固化5min；
(2)将经步骤(1)处理的硅片置于载片上，所述硅片和载片之间涂有导热油；在电感耦合等离子体ICP刻蚀机中，进行低温等离子体刻蚀，即可；
所述低温等离子体刻蚀的条件包括：下电极载片台温度为-100℃，真空度为5mTorr，刻蚀气体为流量30sccm的SF6和流量10sccm的O2，上电极功率为340W，下电极功率为3W，下电极采用占空比为10％的200Hz脉冲电源，刻蚀时间为2min。
实施例3
按照以下步骤制备黑硅：
(1)在洁净硅片的上表面旋涂厚度为6μm的紫外光刻胶，在110℃下烘干5分钟后，进行曝光剂量170mj/cm2、显影时间1min的紫外曝光，再在130℃下烘烤固化10min；
(2)将经步骤(1)处理的硅片置于载片上，所述硅片和载片之间涂有导热油；在电感耦合等离子体ICP刻蚀机中，进行低温等离子体刻蚀，即可；
所述低温等离子体刻蚀的条件包括：下电极载片台温度为-120℃，真空度为10mTorr，刻蚀气体为流量35sccm的SF6和流量15sccm的O2，上电极功率为360W，下电极功率为10W，下电极采用占空比为50％的500Hz脉冲电源，刻蚀时间为4min。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种利用光刻胶以及低温等离子体刻蚀制备黑硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：在硅片表面涂覆厚度为1～6μm的紫外光刻胶，进行紫外曝光，曝光剂量为40～170mj/cm2，显影时间为30s～1min；在110～130℃烘烤固化5～10min，进行低温等离子体刻蚀，即得；
在低温等离子体刻蚀过程中，下电极采用占空比为10～50％的200～500Hz脉冲电源。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温等离子体刻蚀的温度为-120～-100℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述低温等离子体刻蚀的刻蚀气体为SF6和O2。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低温等离子体刻蚀在电感耦合等离子体刻蚀机中进行；所述硅片置于载片上，再共同置于电感耦合等离子体刻蚀机的下电极载片台上；
所述下电极载片台的温度为-120～-100℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在低温等离子体刻蚀过程中，硅片与载片之间涂有导热油或真空硅脂。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在低温等离子体刻蚀过程中，真空度为5～10mTorr，刻蚀气体为流量30～35sccm的SF6和流量10～15sccm的O2，上电极功率为340～360W，下电极功率为3～10W。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |