CN110306243A - 一种硅纳米柱的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅纳米柱的制备方法，包括如下步骤：在氧化硅片的表面铺设具有预设图案的模板，所述预设图案选择成在按照所述预设图案进行刻蚀时允许刻蚀出柱状体；将所述氧化硅片放置于一刻蚀时所用的基片上，并使其与所述基片成预设夹角；利用反应气体沿着一预设方向向所述氧化硅片的内部进行刻蚀，以在所述氧化硅片内形成以预设倾斜角度倾斜的硅纳米柱。本发明的方法解决了在正上方的入射光照射到硅纳米柱上时，如何减小反射率的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种硅纳米柱的制备方法。
背景技术
在光伏领域，当前商用的太阳能电池绝大多数都是基于单晶或者多晶硅材料。然而，对于平面结构的抛光硅片而言，其在400-1100nm波长范围有着高达30％-40％的反射率，是限制硅对可见光的吸收，进而影响整个器件光转换效率的主要因素。
为了减少硅的反射，增强硅对光的捕获能力，一个主要的策略就是将平面的硅进行各种微纳结构化，例如用碱液对平面硅进行制绒以得到金字塔结构的硅，这是当前比较常见的减少硅反射的方法。此外，还有诸如硅纳米线、硅纳米孔和硅纳米柱等结构。对于硅纳米柱而言，因其是比较规整的直上直下垂直的柱状结构，且硅柱的顶面和硅柱的基底也都为平面结构，所以当光从硅柱正上方照射时，其反射率依然会比较高，尤其是当硅柱直径的较小、硅柱的间距较大时尤为明显。
发明内容
本发明的一个目的是要解决现有技术中的硅纳米柱反射率依然较高的技术问题。
特别地，本发明提供了一种硅纳米柱的制备方法，包括如下步骤：
在氧化硅片的表面铺设具有预设图案的模板，所述预设图案选择成在按照所述预设图案进行刻蚀时允许刻蚀出柱状体；
将所述氧化硅片放置于一刻蚀时所用的基片上，并使其与所述基片成预设夹角；
利用反应气体沿着一预设方向向所述氧化硅片的内部进行刻蚀，以在所述氧化硅片内形成以预设倾斜角度倾斜的硅纳米柱。
可选地，利用反应气体沿着一预设方向向所述氧化硅片的内部进行刻蚀，包括如下步骤：
利用反应气体Ar/CHF3沿着所述预设方向刻蚀氧化硅层，以暴露出所述氧化硅片的硅层；
利用反应气体O2/SF6沿着所述预设方向刻蚀所述硅层。
可选地，对所述氧化硅层刻蚀时，所述反应气体Ar/CHF3中Ar的气体流速为10-50sccm中的任一流速值，CHF3的气体流速为10-30sccm中的任一流速值。
可选地，对所述硅层刻蚀时，所述反应气体O2/SF6中O2和SF6的气体流速均为1-10sccm中的任一流速值，且刻蚀时间均为1-60min中的任一时间。
可选地，所述预设倾斜角度为所述硅纳米柱与所述氧化硅片的底面之间的夹角，所述氧化硅片的底面与所述基片接触；
所述预设倾斜角度为1-89°中的任一角度。
可选地，所述预定夹角为1-89°中的任一角度。
可选地，所述模板为单层PS小球薄膜。
可选地，在氧化硅片的表面铺设具有预设图案的模板，包括如下步骤：
利用界面自组装的方法将PS小球组装成单层PS小球薄膜；
将所述单层PS小球薄膜转移至氧化硅片的表面；
利用反应离子刻蚀的方法对所述单层PS小球薄膜进行刻蚀，以使所述单层PS小球薄膜中的小球与小球之间具有预设间距，并将刻蚀后的所述单层PS小球薄膜作为所述模板。
可选地，利用反应离子刻蚀的方法对所述单层PS小球薄膜进行刻蚀时，利用O2作为刻蚀气体。
可选地，所述刻蚀气体O2的流速为10-50sccm中的任一流速值，且刻蚀时间为10s-30min中的任一时间。
将刻蚀有硅纳米柱的氧化硅片应用至光转换器件中时，当有垂直于该氧化硅片表面的入射光照射到氧化硅片上时，该入射光与倾斜地形成在氧化硅片内的硅纳米柱之间具有一定的夹角，所以入射光会在相邻两个硅纳米柱之间进行多次反射和吸收，从而减小了反射率，增强了硅对光的吸收。需要强调的是，本申请的技术方案是发明人付出创造性脑力劳动，并经过海量实验验证所获得的方案，解决了本领域技术人员一直想解决，但是未能用一个简单的方法解决的技术问题，即在上述入射光照射到硅纳米柱上时，如何减小反射率。
此外，本发明的方法简单实用，成本较小。更重要的是，利用本发明方法可以制备出具有任意倾斜角度的硅纳米柱，可以根据具体使用环境来选择最终制备出的硅纳米柱的倾斜角度，并且这也仅通过改变垫片的高度就可实现。因此，利用本发明方法制备出的硅纳米柱的应用范围极广。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的硅纳米柱的制备方法的示意性流程图；
图2是根据本发明一个实施例的硅纳米柱的扫描电子显微镜图；
图3是利用紫外-可见-红外分光光度计测得的现有技术中的垂直硅纳米柱与本发明中的倾斜硅纳米柱的反射率对比图；
附图标记：
1-硅纳米柱，2-氧化硅片。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的硅纳米柱的制备方法的示意性流程图。如图1所示，该硅纳米柱的制备方法包括：
步骤S100，在氧化硅片的表面铺设具有预设图案的模板，预设图案选择成在按照预设图案进行刻蚀时允许刻蚀出柱状体；
步骤S200，将氧化硅片放置于一刻蚀时所用的基片上，并使其与基片成预设夹角；
步骤S300，利用反应气体沿着一预设方向向氧化硅片的内部进行刻蚀，以在所述氧化硅片内形成以预设倾斜角度倾斜的硅纳米柱，即以形成硅纳米柱，并使硅纳米柱以预设倾斜角度的倾斜方式形成在氧化硅片内。
在步骤S100中，可以将聚苯乙烯(PS)小球薄膜作为模板，但并不限于此。在一个实施例中，PS小球薄膜模板的制备方法包括：
步骤S101，利用界面自组装的方法将PS小球组装成单层PS小球薄膜；
步骤S102，将单层PS小球薄膜转移至氧化硅片的表面；
步骤S103，利用反应离子刻蚀的方法对单层PS小球薄膜进行刻蚀，以使单层PS小球薄膜中的小球与小球之间具有预设间距，并将刻蚀后的单层PS小球薄膜作为模板。
在步骤S101中，PS小球的直径选择为0.1μm、0.5μm、1μm、5μm、10μm、15μm或20μm，也可以为0.1-20μm中任一其它数值。在PS小球的直径小于0.1μm时，后续对PS小球的刻蚀难度会增大。在PS小球的直径大于20μm时，最终由该模板获得的硅纳米柱的直径太小，并且相邻两个硅纳米柱的间距过大，最终获得的硅纳米柱的反射率会相对较高。
在步骤S102中，将单层PS小球薄膜转移至氧化硅片的表面，可以有多种方式，例如，比较方便的方法是将氧化硅片置入单层PS小球薄膜所在的液体中，并将该氧化硅片从液体内部向液面提拉，类似用氧化硅片将单层PS小球薄膜打捞至其表面。
在一个实施例中，在步骤S103中，将铺设有单层PS小球薄膜的氧化硅片置入反应离子刻蚀舱体中，并用O2作为刻蚀气体，以对单层PS小球薄膜进行刻蚀。其中，刻蚀气体O2的流速例如可以为10sccm、20sccm、30sccm、40sccm或50sccm，也可以为10-50sccm中的任一其它流速值。并且，刻蚀时间例如可以为10s、30s、1min、10min、20min或30min，也可以为10s-30min中的任一其它时间。
在步骤S200中，将氧化硅片放置在基片上，可以在氧化硅片与基片之间垫上垫片，并使氧化硅片一端与基片相接触，另一端与垫片相接触，从而使得氧化硅片和基片之间成预定夹角。该垫片可以选择硅片，如此可以在刻蚀舱内不引入其它物质，以免影响刻蚀效果。
在一个实施例中，在步骤S300中，可以利用入反应离子刻蚀的方法，并利用可是气体Ar/CHF3和O2/SF6对氧化硅片进行刻蚀，包括：
步骤S301，利用反应气体Ar/CHF3沿着预设方向刻蚀氧化硅层，以暴露出氧化硅片的硅层；
步骤S302，利用反应气体O2/SF6沿着预设方向刻蚀硅层，以形成硅纳米柱，并使硅纳米柱以预设倾斜角度的倾斜方式形成在氧化硅片内。
在步骤S301中，反应气体Ar/CHF3中Ar的气体流速可以为10sccm、20sccm、30sccm、40sccm或50sccm，也可以为10-50sccm中的任一其它流速值，CHF3的气体流速可以为10sccm、20sccm或30sccm，也可以为10-30sccm中的任一其它流速值。
在步骤S302中，反应气体O2/SF6中O2和SF6的气体流速可以均为1sccm、3sccm、5sccm、7sccm或10sccm，也可以均为1-10sccm中的任一其它流速值。并且刻蚀时间可以均为1min、10min、30min、40min或60min，也可以为1-60min中的任一其它时间。其中，预设倾斜角度为硅纳米柱与氧化硅片的底面之间的夹角，预设倾斜角度例如可以为1°、10°、20°、30°、50°、70°或80°，也可以为1-89°中任一其它角度。可以通过改变垫片的高度来使预设倾斜角度为1-89°中某一角度。
图2示出了根据本发明一个实施例的硅纳米柱的扫描电子显微镜图。由图2可知，硅纳米柱1是倾斜地形成在氧化硅片2内的。图3示出了利用紫外-可见-红外分光光度计测得的现有技术中的垂直硅纳米柱与本发明中的倾斜硅纳米柱的反射率对比图。图3中本发明的硅纳米柱倾斜30°，由图3可知，在300-800nm波段范围内，利用本发明方法制备得到的硅纳米柱与现有技术中的硅纳米柱相比，本发明的硅纳米柱的反射率比现有技术中的硅纳米柱的反射率低10％以上。
将刻蚀有硅纳米柱的氧化硅片应用至光转换器件中时，当有垂直于该氧化硅片表面的入射光照射到氧化硅片上时，该入射光与倾斜地形成在氧化硅片内的硅纳米柱之间具有一定的夹角，所以入射光会在相邻两个硅纳米柱之间进行多次反射和吸收，从而增强硅对光的吸收能力，进而减小反射率。需要强调的是，本申请的技术方案是发明人付出创造性脑力劳动，并经过海量实验验证所获得的方案，解决了本领域技术人员一直想解决，但是未能用一个简单的方法解决的技术问题，即在上述入射光照射到硅纳米柱上时，如何减小反射率。
此外，本发明的方法简单实用，成本较小。更重要的是，利用本发明方法可以制备出具有任意倾斜角度的硅纳米柱，可以根据使用环境来选择最终制备出的硅纳米柱的倾斜角度，并且这也仅通过改变垫片的高度就可实现。因此，利用本发明方法制备出的硅纳米柱的应用范围极广。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
在本发明实施例中选用直径为1μm的PS小球，经界面自组装得到致密的单层PS小球薄膜后，转移至需要刻蚀的氧化硅片上，所用氧化硅片的氧化层厚度为500nm。利用反应离子刻蚀的方法，并用反应气体O2对PS小球进行刻蚀1min之后，用垫片将氧化硅片垫成与基底形成30°夹角。
然后，利用气体流速为30sccm的Ar和气体流速为20sccm的CHF3对氧化硅表面的氧化层刻蚀7min 40s，接着用气体流速为4sccm的O2和气体流速为7sccm的SF6对硅层进行刻蚀3min。
通过扫描电子显微镜观察硅纳米柱，通过测量可知所得到的硅柱倾斜30°，硅柱的直径为800nm，相邻硅柱间距为200nm，硅柱的高度为3μm。
实施例2：
在本实施例中选用直径为0.5μm的PS小球，经界面自组装得到致密的单层PS小球薄膜后，转移至需要刻蚀的氧化硅片上，所用氧化硅片的氧化层厚度为500nm。利用反应离子刻蚀的方法，并用反应气体O2对PS小球进行刻蚀1min之后，用垫片将氧化硅片垫成与基底形成30°夹角。
然后，利用气体流速为30sccm的Ar和气体流速为20sccm的CHF3对氧化硅表面的氧化层刻蚀7min 40s，接着用气体流速为4sccm的O2和气体流速为7sccm的SF6对硅层进行刻蚀3min。
通过扫描电子显微镜观察硅纳米柱，通过测量可知所得到的硅柱倾斜30°，硅柱的直径为300nm，相邻硅柱间距为200nm，硅柱的高度为3μm。
实施例3：
在本发明实施例中选用直径为1μm的PS小球，经界面自组装得到致密的单层PS小球薄膜后，转移至需要刻蚀的氧化硅片上，所用氧化硅片的氧化层厚度为500nm。利用反应离子刻蚀的方法，并用反应气体O2对PS小球进行刻蚀1min之后，用垫片将氧化硅片垫成与基底形成20°夹角。
然后，利用气体流速为30sccm的Ar和气体流速为20sccm的CHF3对氧化硅表面的氧化层刻蚀7min 40s，接着用气体流速为4sccm的O2和气体流速为7sccm的SF6对硅层进行刻蚀5min。
通过扫描电子显微镜观察硅纳米柱，通过测量可知所得到的硅柱倾斜20°，硅柱的直径为800nm，相邻硅柱间距为200nm，硅柱的高度为5μm。
实施例4：
在本发明实施例中选用直径为2μm的PS小球，经界面自组装得到致密的单层PS小球薄膜后，转移至需要刻蚀的氧化硅片上，所用氧化硅片的氧化层厚度为500nm。利用反应离子刻蚀的方法，并用反应气体O2对PS小球进行刻蚀2min之后，用垫片将氧化硅片垫成与基底形成30°夹角。
然后，利用气体流速为30sccm的Ar和气体流速为20sccm的CHF3对氧化硅表面的氧化层刻蚀7min 40s，接着用气体流速为4sccm的O2和气体流速为7sccm的SF6对硅层进行刻蚀4min。
通过扫描电子显微镜观察硅纳米柱，通过测量可知所得到的硅柱倾斜30°，硅柱的直径为1.5μm，相邻硅柱间距为0.5μm，硅柱的高度为4μm。
实施例5：
在本发明实施例中选用直径为5μm的PS小球，经界面自组装得到致密的单层PS小球薄膜后，转移至需要刻蚀的氧化硅片上，所用氧化硅片的氧化层厚度为500nm。利用反应离子刻蚀的方法，并用反应气体O2对PS小球进行刻蚀3min之后，用垫片将氧化硅片垫成与基底形成50°夹角。
然后，利用气体流速为30sccm的Ar和气体流速为20sccm的CHF3对氧化硅表面的氧化层刻蚀7min 40s，接着用气体流速为4sccm的O2和气体流速为7sccm的SF6对硅层进行刻蚀5min。
通过扫描电子显微镜观察硅纳米柱，通过测量可知所得到的硅柱倾斜50°，硅柱的直径为2μm，相邻硅柱间距为3μm，硅柱的高度为5μm。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种硅纳米柱的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在氧化硅片的表面铺设具有预设图案的模板，所述预设图案选择成在按照所述预设图案进行刻蚀时允许刻蚀出柱状体；
将所述氧化硅片放置于一刻蚀时所用的基片上，并使其与所述基片成预设夹角；
利用反应气体沿着一预设方向向所述氧化硅片的内部进行刻蚀，以在所述氧化硅片内形成以预设倾斜角度倾斜的硅纳米柱。
2.根据权利要求1所述的硅纳米柱的制备方法，其特征在于，利用反应气体沿着一预设方向向所述氧化硅片的内部进行刻蚀，包括如下步骤：
利用反应气体Ar/CHF3沿着所述预设方向刻蚀氧化硅层，以暴露出所述氧化硅片的硅层；
利用反应气体O2/SF6沿着所述预设方向刻蚀所述硅层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述氧化硅层刻蚀时，所述反应气体Ar/CHF3中Ar的气体流速为10-50sccm中的任一流速值，CHF3的气体流速为10-30sccm中的任一流速值。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述硅层刻蚀时，所述反应气体O2/SF6中O2和SF6的气体流速均为1-10sccm中的任一流速值，且刻蚀时间均为1-60min中的任一时间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的硅纳米柱的制备方法，其特征在于，所述预设倾斜角度为所述硅纳米柱与所述氧化硅片的底面之间的夹角，所述氧化硅片的底面与所述基片接触；
所述预设倾斜角度为1-89°中的任一角度。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述预定夹角为1-89°中的任一角度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述模板为单层PS小球薄膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在氧化硅片的表面铺设具有预设图案的模板，包括如下步骤：
利用界面自组装的方法将PS小球组装成单层PS小球薄膜；
将所述单层PS小球薄膜转移至氧化硅片的表面；
利用反应离子刻蚀的方法对所述单层PS小球薄膜进行刻蚀，以使所述单层PS小球薄膜中的小球与小球之间具有预设间距，并将刻蚀后的所述单层PS小球薄膜作为所述模板。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，利用反应离子刻蚀的方法对所述单层PS小球薄膜进行刻蚀时，利用O2作为刻蚀气体。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀气体O2的流速为10-50sccm中的任一流速值，且刻蚀时间为10s-30min中的任一时间。
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2018
- 2018-03-20 CN CN201810231651.XA patent/CN110306243A/zh active Pending
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