CN109346555B - 一种黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备及方法，具有真空的反应腔室，横贯反应腔室设有传送硅片的传送带，所述传送带上方下设有上金属板，传送带下方设有与上金属板平行的下金属板，上金属板、下金属板上均布满有小孔，上金属板与下金属板之间形成有交变电场，上金属板与传送带之间设有可上下升降而调节水平方向气流浓度梯度的陶瓷挡板，反应腔室上表面连接有通入反应气体的进气系统，反应腔室底面连接有抽气系统。本发明通过在反应腔室内形成不同气体梯度分布的气场结构，结合不同反应气体组合，沿硅片水平运动方向，以各向同性快刻蚀为主，向各向异性慢刻蚀为主逐渐变化，从而实现黑硅连续制造的微纳结构宽范围调控。
Description
技术领域
本发明涉及微纳结构制造设备技术领域，尤其是一种黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备及方法。
背景技术
近年来，相对于传统单晶硅碱制绒形成微米级金字塔结构和多晶酸制绒形成的微米级凹坑，硅片表面颜色更深的表面制绒技术通常被称为黑硅技术。主流方法有湿法制绒的金属催化化学腐蚀法(MCCE)和干法制绒的离子反应法(RIE)。湿法黑硅技术是两面制绒，绒面结构主要依赖于硅片质量及工艺条件。干法黑硅技术即无掩模反应离子刻蚀法，是单面制绒。
RIE干法制绒是利用射频电源在平行板之间产生很强的偏压。通入SF6、O2、Cl2等的混合气体，在高电压的作用下激发产生等离子体，生成F，SxFO等活性自由基。活性自由基在硅表面与硅发生反应形成SiFx气体。加载的射频电源使得离子轰击能量达到几百电子伏。高能离子能加速活性自由基与硅表面垂直方向的化学反应，同时又有侧面自掩模的作用，从而在硅片表面形成针状纳米结构。
干法黑硅的工作原理就是化学反应加物理轰击，具体反应方程如下所示：
SF6↑+O2↑→SF+ x+F*+O*
F*+Si→SiF4↑
F*+O*+Si→SiOxFy↓
O*+Si→SO2↓；F*+SiO2→SiF4↑+O2↑
Cl*+Si→SiCl4↓
六氟化硫(SF6)和氧气(O2)在等离子体中被裂解，生成F*、O*、SF+ x等基团。F*基团与硅反应形成挥发性SiF4气体，起到化学刻蚀硅衬底的作用。F*和O*基团与硅衬底反应形成难挥发的SiOxFy聚合物沉积在硅衬底表面或沉积在柱状、锥状或针状微结构的侧壁，起到钝化保护的作用。由于两个平行金属板产生的电场垂直于平行金属板，离子会被电场加速，从而对Si片具有一个向下的轰击作用，导致垂直方向的刻蚀速率会大于平面方向的刻蚀速率，即各向异性刻蚀。SF+ x基团可以去除一部分SiOxFy聚合物生成挥发性SOxFy和SiF4气体。没有SiOxFy保护的硅就被刻蚀掉，被SiOxFy覆盖的硅就保留了下来。黑硅就是在刻蚀、钝化同时起作用，SiOxFy聚合物不断产生而又有一部分被SF+ x基团去除的非常复杂的环境中形成的。这样的刻蚀系统，工艺参数很难控制，硅片表面制绒不均匀，容易形成花片。为此在反应气体里加入了Cl2气体。Cl2气体与Si反应生成SiCl4钝化膜。SiCl4的掩膜，不易挥发，不易与其他等离子体反应。加入Cl2后，除了SiOxFy聚合物钝化膜外，还增加了SiCl4钝化膜，掩膜效果更好，刻蚀速率变慢，可用来提高微纳结构制备均匀性和工艺稳定性。
申请号201210073077.2“用等离子激发形成太阳能干法制绒黑硅的方法”，公开了一种连续干法制绒黑硅的方法，该专利由以自动传送装置实现，载有硅片的载板在自动传输装置的带动下经过平行放置的一组线性等离子源，线性等离子源是由一对平行板组成，平行板的一板连接射频电源，另一板接地，通入平行板间的混合气体在射频电源的激发下形成等离子体，完成硅片的刻蚀，刻蚀后的气体通过真空泵抽走。
现有的连续黑硅制造装备中，整个真空反应腔室里的气体组分是均匀的，通过改变SF6的含量，改变刻蚀快慢，从而改变硅片表面的形貌。如当SF6流量较小时，产生的SiOxFy和SiCl4对硅片起到钝化保护作用，导致F*基团无法有效地与硅反应，化学刻蚀硅衬底作用小而难以形成黑硅；增加SF6流量则使得SiOxFy聚合物钝化作用减弱，F*基团刻蚀作用增强。新生成的SiOxFy聚合物不仅无法弥补SF+ x基团的刻蚀损耗，且横向刻蚀作用大，会形成粗糙的硅表面，而不是黑硅。降低刻蚀时间，也就加快传输装置行进的速率，开口小了，但是深度也小了。只有SF6流量合适时，化学刻蚀作用和钝化作用达到了一定程度的平衡，才能形成黑硅微结构。微纳结构的开口小，通过加大刻蚀时间，也就是减慢传输装置行进的速率，可加大微纳结构的刻蚀深度，但是很难增大开口尺寸，并且降低了黑硅的生产产能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备及方法，通过形成不同气体的梯度分布气场结构，结合不同反应气体组合，实现黑硅连续制造过程中微纳结构的深度和开口可独立调节。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备及方法，具有真空的反应腔室，横贯反应腔室设有传送硅片的传送带，所述传送带上方下设有上金属板，传送带下方设有与上金属板平行的下金属板，上金属板、下金属板上均布满有小孔，上金属板与下金属板之间形成有交变电场，上金属板与传送带之间设有可上下升降而调节水平方向气流浓度梯度的陶瓷挡板，反应腔室上表面连接有通入反应气体的进气系统，反应腔体底面连接有抽气系统。
优选地，所述的进气系统包括设在反应腔室一端分别通入O2、SF6、N2的三路进气管、设在反应腔室另一端通入Cl2或SiCl4的一路进气管。
进一步地，所述的上金属板连接有射频源、下金属板接地而在上金属板与下金属板之间形成交变电场。
一种使用上述连续制造设备制备黑硅的方法，具有如下步骤：
a、通过抽气系统，将反应腔室的真空度抽至10-3Pa以下；
b、打开三路进气管通入SF6和O2，打开一路进气管通入Cl2，调节好陶瓷挡板位置以实现气体浓度梯度控制；
c、启动传送带，将硅片传送入反应腔室内；
d、接通上金属板的射频源，在交变电场的作用下，气体发生电离，形成等离子体而刻蚀硅片。
上述等离子体，在电场作用下，垂直方向刻蚀速率高于侧面刻蚀速率，但侧面的化学刻蚀依然存在。随着硅片沿着水平方向前进，混合气体中氯气或SiCl4的比列增加，附着在硅片表面，由于SiCl4不与F发生反应，所以可侧面保护加强，同时垂直方向的刻蚀速率也减慢。
本发明的有益效果是：本发明通过在反应腔室内形成不同气体梯度分布的气场结构，结合不同反应气体组合，沿硅片水平运动方向，以各向同性快刻蚀为主，向各向异性慢刻蚀为主逐渐变化，从而实现黑硅连续制造的微纳结构宽范围调控。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2实施例一制备的硅片微纳结构SEM图。
图3实施例二制备的硅片微纳结构SEM图。
图中：1.传送带2.反应腔室3.上金属板4.下金属板5.三路进气管6.一路进气管7.硅片8.陶瓷挡板9.抽气系统
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的一种黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备，具有真空的反应腔室2，横贯反应腔室2设有传送硅片7的传送带1，所述传送带1上方设有上金属板3，传送带1下方设有与上金属板3平行的下金属板4，上金属板3、下金属板4上均布满有小孔，所述的上金属板3连接有射频源，下金属板4接地，从而在上金属板3与下金属板4之间形成交变电场；上金属板3与传送带1之间设有可上下升降而调节水平方向气流浓度梯度的陶瓷挡板8，反应腔室2上表面连接有通入反应气体的进气系统，所述的进气系统包括设在反应腔室2左端分别通入O2、SF6、N2的三路进气管5、设在反应腔室2右端通入Cl2或SiCl4的一路进气管6，反应腔室2底面连接有抽气系统9。
一种上述连续制造设备制备黑硅的方法，具有如下步骤：
a、开启抽气系统9，将反应腔室2的真空度抽至10-3Pa以下；
b、打开三路进气管5通入流量为2000～3000sccm的SF6和流量为1000～2500sccm的O2，打开一路进气管6通入流量为100～600sccm的Cl2，调节好陶瓷挡板8位置以实现气体浓度梯度控制；
c、启动传送带1，将硅片7传送入反应腔室2内；
d、接通上金属板3的射频源，在交变电场的作用下，气体发生电离，形成等离子体而刻蚀硅片。
实施例一：所述反应腔室2长2.5m，宽500mm，高300mm，硅片7尺寸为156mm×156mm，硅片7通过传送带1连续进入反应腔室2。传送带1采用高强度的碳纤维材料，厚度10mm，在传送过程中，传送带1始终是绷紧的，保证硅片7被水平输送进反应腔室2。通过抽气系统9，包括分子泵、干泵等，将反应腔室2的真空度抽至低于10-3Pa；通过三路进气管5通入SF6和O2，流量分别为2500sccm和1800sccm，通过一路进气管6通入氯气，流量为500sccm。抽气系统9始终保持工作，通过调节抽气系统9的阀门，控制抽气速率，维持反应腔室2的内压强20Pa。带小孔的上金属板3和下金属板4，长1.6m，宽540mm，厚度20mm，上金属板3与下金属板4之间的间隔是50mm。上金属板3与反应腔室2顶面距离为200mm，传送带1和上金属板3之间的间隔是20mm。传送带1、下金属板4和反应腔室2均接地，传送带1移动速度为150mm/min，上金属板3连接射频源，射频源频率是13.6MHz，功率1200W。上下可升降的陶瓷挡板8宽540mm，厚度20mm，高度30mm，陶瓷挡板8设置在上金属板3与传送带1之间，陶瓷挡板8的下边缘与传送带1之间的距离是10mm。
上述刻蚀过程中，由于SF6和O2是从反应腔室2左侧的三路进气管5进入，然后通过上金属板3上的小孔进入上金属板3与下金属板4之间的空间，电离产生F*和O*，而抽气系统9是在反应腔室2右侧，所以，SF6和O2会充满整个反应腔室2，SF6和O2浓度左侧会略高些，右侧会略低些，气体浓度分布从左到右会形成一个比较小的梯度；Cl2从反应腔室2右侧的一路进气管6进入，也在反应腔室2右侧抽气，这样Cl2会向左边扩散，使得从左到右形成一个比较大的浓度梯度。这样，通过流量的控制，就能形成所需要的气体浓度梯度分布。由于F*与Si发生反应形成SiF4气体，也就是起到了刻蚀Si的作用。在硅片7从左侧进入反应腔室2时，SF6浓度比较高，在刻蚀硅的同时，由于自掩膜层只是SiOxFy聚合物，SF+ x基团可以很快刻蚀SiOxFy聚合物，侧面钝化作用不明显，从而横向刻蚀大，可以将微纳结构的开口做大。随着硅片7向右移动，Cl*与Si发生反应生成了SiCl4沉积物，这些沉积物覆盖在Si表面，不易被SF+ x基团刻蚀。底部的SiCl4沉积物主要被离子轰击掉，侧面离子轰击效益低，所以，刻蚀时主要往下刻蚀，这样，就能把横向刻蚀和纵向刻蚀分别控制，实现了微纳结构的调控。图2为该实施例所制备得到的硅片微纳结构SEM图。
实施例二
一路进气管6不通入氯气，传送带运动速率是250mm/min，其余结构、参数与实施例一相同。图3为该实施例所制备得到的硅片微纳结构SEM图。
(上面两个实施例的SEM图有何不同或者说明请在此补充下)
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (3)
1.一种黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备，具有真空的反应腔室(2)，其特征是：横贯反应腔室(2)设有传送硅片(7)的传送带(1)，所述传送带(1)上方设有上金属板(3)，传送带(1)下方设有与上金属板(3)平行的下金属板(4)，上金属板(3)、下金属板(4)上均布满有小孔，上金属板(3)与下金属板(4)之间形成有交变电场，上金属板(3)与传送带(1)之间设有可上下升降而调节水平方向气流浓度梯度的陶瓷挡板(8)，反应腔室(2)上表面连接有通入反应气体的进气系统，反应腔室(2)底面连接有抽气系统(9)，所述的进气系统包括设在反应腔室(2)一端分别通入O2、SF6或N2的三路进气管(5)、设在反应腔室(2)另一端通入Cl2或SiCl4的一路进气管(6)。
2.如权利要求1所述的黑硅微纳结构宽范围调控的连续制造设备，其特征是：所述的上金属板(3)连接有射频源、下金属板(4)接地而在上金属板(3)与下金属板(4)之间形成交变电场。
3.一种使用权利要求2所述连续制造设备制备黑硅的方法，具有如下步骤：
a、启动抽气系统(9)，将反应腔室(2)的真空度抽至10-3Pa以下；
b、打开三路进气管(5)通入SF6和O2，打开一路进气管(6)通入Cl2，调节好陶瓷挡板(8)位置以实现气体浓度梯度控制；
c、启动传送带(1)，将硅片(7)传送入反应腔室(2)内；
d、接通上金属板(3)的射频源，在交变电场的作用下，气体发生电离，形成等离子体而刻蚀硅片(7)。
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