CN110526202A - 柔性硅片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性硅片的制备方法，包括步骤：提供一硅片，所述硅片包括第一表面、与所述第一表面相背的第二表面、以及位于所述硅片周侧的侧面；在所述硅片的所述第一表面和所述侧面上形成抗刻蚀层；在所述硅片的所述第二表面上刻蚀形成微结构；采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成有所述微结构的硅片，减薄所述硅片；去除所述微结构和所述抗刻蚀层，得到柔性硅片。本发明柔性硅片的制备方法能够实现全面积减薄，且减薄效率高，成品率高。

Description

柔性硅片的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，特别是涉及柔性硅片的制备方法。
背景技术
微纳电子器件是信息的基础单元，实现其柔性及可延展化，并能够适应非平面的工作环境(比如人体)，将突破现在电子器件的应用范围，促进信息与人的融合。以传统硅材料为基体的无机微纳电子器件，一旦实现柔性将会极大拓展微电子器件的应用范围和领域，并改变人类的生活方式。
目前，硅片的减薄技术主要有磨削、研磨、化学机械抛光(CMP)、干式抛光(drypolishing)、电化学腐蚀(electro chemical etching)、湿法腐蚀(wet etching)、等离子辅助化学腐蚀(PACE)、常压等离子腐蚀(atmospheric downstream plasma etching，ADPE)等。其中，磨削、研磨、机械抛光和干式抛光等可以起到维持原面积的作用，但极限厚度不够低，不能得到柔性硅片。而电化学、湿法、包括等离子体等方法减薄的过程中由于硅片暴露在腐蚀液或者等离子中，因此侧面也会同时反应，导致无法维持原有的硅片面积。因此，需要一种能在足够低的厚度极限上实现全面积减薄的柔性硅片的制备方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种柔性硅片的制备方法，所述柔性硅片的制备方法能够实现全面积减薄，且减薄效率高。
一种柔性硅片的制备方法，包括步骤：
提供一硅片，所述硅片包括第一表面、与所述第一表面相背的第二表面、以及位于所述硅片周侧的侧面；
在所述硅片的所述第一表面和所述侧面上形成抗刻蚀层；
在所述硅片的所述第二表面上刻蚀形成微结构；
采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成有所述微结构的硅片，减薄所述硅片；
去除所述微结构和所述抗刻蚀层，得到柔性硅片。
上述柔性硅片的制备方法具有以下优点：第一、反应离子刻蚀过程中，由于等离子体活性较强，将具有一定厚度的硅片单纯曝露在等离子体中，硅片会在减薄的同时沿四周同时缩小。因此，在进行反应离子刻蚀之前，先采用抗刻蚀层同时保护硅片的第一表面和侧面，使其不暴露在等离子体中，从而实现硅片全面积单向减薄，减薄后硅片表面平整且无明显翘曲问题。第二、直接对硅片表面进行反应离子刻蚀，速率较慢，周期较长。因此，先在硅片上形成微结构，提高硅片表面的比表面积，使暴露在等离子体中的硅片表面更多，增加离子刻蚀的有效接触面积，从而能有效增加刻蚀速率。第三、电化学和湿法等化学方法的减薄反应是各向异性，因而在化学方法中引入微结构时，减薄反应会受到微结构的影响而不均匀。而反应离子刻蚀的减薄反应是各向同性，能沿着微结构直接减薄，因而微结构的引入可提升刻蚀速率。同时，反应离子刻蚀方法全面积减薄速率均匀可控，可重复性高，能达到更低的极限厚度。第四、机械方法减薄的过程由于平整度不够高，使硅片在很薄之后就容易因表面的不平整直接导致碎片；化学方法减薄由于硅片需要放置入溶液中反应，反应本身放热和产生气泡，取出的过程也较易碎片；而上述反应离子刻蚀技术由于在硅片的第一表面和侧面采用抗刻蚀层保护，可平整的置放于衬底台面，减薄过程不易碎片，因此可以相对提高成品率。
附图说明
图1为柔性硅片的制备方法的流程示意图。
图中：1、硅片；2、抗刻蚀层；3、微结构；4、柔性硅片。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本文附图的比例和尺寸关系是为使本领域技术人员更直观、清楚理解技术方案的目的，实际产品可能会有不同，图示比例和尺寸关系并不对本申请保护范围构成限定。
以下将对本发明提供的柔性硅片的制备方法作进一步说明。
如图1所示，本发明提供的柔性硅片的制备方法包括步骤：
提供一硅片1，所述硅片1包括第一表面、与所述第一表面相背的第二表面、以及位于所述硅片周侧的侧面；
在所述硅片1的所述第一表面和所述侧面上形成抗刻蚀层2；
在所述硅片1的所述第二表面上刻蚀形成微结构3；
采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成有所述微结构3的硅片1，减薄所述硅片1；
去除所述微结构3和所述抗刻蚀层2，得到柔性硅片4。
所述硅片1经过预清洗，所述预清洗采用丙酮、乙醇和超纯水依次对硅片1超声清洗并真空干燥，得到清洁的硅表面。
采用化学气相沉积方法沉积形成所述抗刻蚀层2。所述抗刻蚀层2的厚度为1μm～5μm。所述抗刻蚀层2为氮化硅层，所述氮化硅层中Si/N＝1:1.5～1:1.1。通过化学气相沉积方法直接沉积的氮化硅抗刻蚀层2与硅片1有较好的结合力，且氮化硅抗刻蚀层2中氮/硅的比例控制在1:1.5～1:1.1，使氮化硅中含微量或不含孔洞，结构致密性较好，保护效果较佳。
采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成所述微结构3。所述采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成所述微结构步骤中的刻蚀气体包括含卤素气体和氧化性气体。所述含卤素气体为SF6、CF4、Cl2中的至少一种。所述氧化性气体为O2。反应离子刻蚀技术采用辉光放电的方式，使反应气体中的含卤素气体和氧化性气体电离产生F*或Cl*和O*自由基团。其中，F*、Cl*对硅片具有刻蚀作用。如F*刻蚀过程中产生挥发性的SiFx，其中SiF4再与O*反应形成SiOxFy，从而在硅片表面形成了钝化膜，但钝化膜也会再次被F*刻蚀，最后形成微结构3。
通过控制刻蚀设备的功率为50W～300W和刻蚀气体的流量为30sccm～300sccm，其中含卤素气体和氧化性气体的比例为1:1～8:1，从而控制微结构3的形成速度，进而控制微结构3的尺寸与形状。所述微结构为孔状结构、锥状结构、柱状结构、针状结构、线状结构中的至少一种，尺寸为100nm～2μm。
所述采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成有所述微结构的硅片1的步骤中的刻蚀气体为含卤素气体，所述含卤素气体为SF6、CF4中的至少一种。通过控制刻蚀设备的功率为50W～300W和刻蚀气体的流量为30sccm～300sccm，从而控制减薄速度。与化学方法中因腐蚀液温度和浓度随反应不断变化导致减薄速率并不完全可控相比，反应离子刻蚀技术可使硅片1全面积减薄且速率均匀可控，成品率高。
所述微结构3采用化学抛光溶液去除。所述化学抛光溶液为NaOH溶液或KOH溶液，质量分数均为20％～50％。
所述抗刻蚀层2采用刻蚀溶液去除。所述刻蚀溶液为HF溶液。
所述硅片1为525μm～775μm的晶圆硅片或160μm～220μm的太阳电池级硅片。所述柔性硅片4的厚度为10μm～50μm。传统硅片材料通过上述步骤得到的柔性硅片应用于微电子器件，将会极大拓展微电子器件的应用范围和领域，并改变人类的生活方式。
上述柔性硅片的制备方法具有以下优点：第一、反应离子刻蚀过程中，由于等离子体活性较强，将具有一定厚度的硅片单纯曝露在等离子体中，硅片会在减薄的同时沿四周同时缩小。因此，在进行反应离子刻蚀之前，先采用抗刻蚀层同时保护硅片的第一表面和侧面，使其不暴露在等离子体中，从而实现硅片全面积单向减薄，减薄后硅片表面平整且无明显翘曲问题。第二、直接对硅片表面进行反应离子刻蚀，速率较慢，周期较长。因此，先在硅片上形成微结构，提高硅片表面的比表面积，使暴露在等离子体中的硅片表面更多，增加离子刻蚀的有效接触面积，从而能有效增加刻蚀速率。第三、电化学和湿法等化学方法的减薄反应是各向异性，因而在化学方法中引入微结构时，减薄反应会受到微结构的影响而不均匀。而反应离子刻蚀的减薄反应是各向同性，能沿着微结构直接减薄，因而微结构的引入可提升刻蚀速率。同时，反应离子刻蚀方法全面积减薄速率均匀可控，可重复性高，能达到更低的极限厚度。第四、机械方法减薄的过程由于平整度不够高，使硅片在很薄之后就容易因表面的不平整直接导致碎片；化学方法减薄由于硅片需要放置入溶液中反应，反应本身放热和产生气泡，取出的过程也较易碎片；而上述反应离子刻蚀技术由于在硅片的第一表面和侧面采用抗刻蚀层保护，可平整的置放于衬底台面，减薄过程不易碎片，因此可以相对提高成品率。
以下，将通过以下具体实施例对所述柔性硅片的制备方法做进一步的说明。
实施例1：
如图1所示，先用丙酮溶液对厚度为525μm的晶圆硅片1进行超声清洗，然后超纯水(DI水)进行漂洗，随后用酒精溶液进行超声清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，最后再用低沸点有机溶剂进行干燥得到清洁的硅片表面。
将清洗完的晶圆硅片1采用PECVD进行氮化硅薄膜沉积，控制Si/N原子比1:1.15，沉积得到1μm厚度的氮化硅薄膜作为抗刻蚀层2，抗刻蚀层2覆盖第一表面和侧面。
将沉积完抗刻蚀层2的晶圆硅片1放入反应离子刻蚀设备，通入SF6/O2混合气体，混合气体的流量为60sccm，在100W功率下控制SF6/O2混合气体的流量比例为3:1，刻蚀得到100nm～2μm的柱状微结构3。
制备微结构3后，将反应离子刻蚀设备中的气体改为SF6气体，气体的流量为100sccm，100W功率下刻蚀减薄晶圆硅片1至20μm，得到带有抗刻蚀层2和微结构3的晶圆硅片1。
将带有抗刻蚀层2和微结构3的晶圆硅片1取出，置入25％质量分数的NaOH溶液中，溶液温度80℃，反应10s去除表面微结构3，得到带有抗刻蚀层2的柔性晶圆硅片4。
最后将带有抗刻蚀层2的柔性晶圆硅片4置于HF溶液中，去除抗刻蚀层2，得到柔性晶圆硅片4，所得到的柔性晶圆硅片4表面平整且无明显翘曲。
实施例2：
如图1所示，先用丙酮溶液对厚度为600μm的晶圆硅片1进行超声清洗，然后超纯水(DI水)进行漂洗，随后用酒精溶液进行超声清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，最后再用低沸点有机溶剂进行干燥得到清洁的硅片表面。
将清洗完的晶圆硅片1采用PECVD进行氮化硅薄膜沉积，控制Si/N原子比1:1.3，沉积得到2μm厚度的氮化硅薄膜作为抗刻蚀层2，抗刻蚀层2覆盖第一表面和侧面。
将沉积完抗刻蚀层2的晶圆硅片1放入反应离子刻蚀设备，通入SF6/O2混合气体，混合气体的流量为100sccm，在150W功率下控制SF6/O2混合气体的流量比例为4:1，刻蚀得到100nm～2μm的柱状微结构3。
制备微结构3后，将反应离子刻蚀设备中的气体改为SF6气体，气体的流量为200sccm，150W功率下刻蚀减薄晶圆硅片1至30μm，得到带有抗刻蚀层2和微结构3的晶圆硅片1。
将带有抗刻蚀层2和微结构3的晶圆硅片1取出，置入30％质量分数的NaOH溶液中，溶液温度80℃，反应10s去除表面微结构3，得到带有抗刻蚀层2的柔性晶圆硅片4。
最后将带有抗刻蚀层2的柔性晶圆硅片4置于HF溶液中，去除抗刻蚀层2，得到柔性晶圆硅片4，所得到的柔性晶圆硅片4表面平整且无明显翘曲。
实施例3：
如图1所示，先用丙酮溶液对厚度为775μm的晶圆硅片1进行超声清洗，然后超纯水(DI水)进行漂洗，随后用酒精溶液进行超声清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，最后再用低沸点有机溶剂进行干燥得到清洁的硅片表面。
将清洗完的晶圆硅片1采用PECVD进行氮化硅薄膜沉积，控制Si/N原子比1:1.5，沉积得到3μm厚度的氮化硅薄膜作为抗刻蚀层2，抗刻蚀层2覆盖第一表面和侧面。
将沉积完抗刻蚀层2的晶圆硅片1放入反应离子刻蚀设备，通入Cl2/O2混合气体，混合气体的流量为100sccm，在200W功率下控制Cl2/O2混合气体的比例为4:1，刻蚀得到100nm～2μm的锥状微结构3。
制备微结构3后，将反应离子刻蚀设备中的气体改为Cl2气体，气体的流量为200sccm，300W功率下刻蚀减薄晶圆硅片1至10μm，得到带有抗刻蚀层2和微结构3的晶圆硅片1。
将带有抗刻蚀层2和微结构3的晶圆硅片1取出，置入50％质量分数的NaOH溶液中，溶液温度80℃，反应8s去除表面微结构3，得到带有抗刻蚀层2的柔性晶圆硅片4。
最后将带有抗刻蚀层2的柔性晶圆硅片4置于HF溶液中，去除抗刻蚀层2，得到柔性晶圆硅片4，所得到的柔性晶圆硅片4表面平整且无明显翘曲。
实施例4：
如图1所示，先用丙酮溶液对厚度为160μm的太阳电池级硅片1进行超声清洗，然后超纯水(DI水)进行漂洗，随后用酒精溶液进行超声清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，最后再用低沸点有机溶剂进行干燥得到清洁的硅片表面。
将清洗完的太阳电池级硅片1采用PECVD进行氮化硅薄膜沉积，控制Si/N原子比1:1.1，沉积得到2μm厚度的氮化硅薄膜作为抗刻蚀层2，抗刻蚀层2覆盖第一表面和侧面。
将沉积完抗刻蚀层2的太阳电池级硅片1放入反应离子刻蚀设备，通入SF6/O2混合气体，混合气体的流量为300sccm，在50W功率下控制SF6/O2混合气体的流量比例为2:1，刻蚀得到100nm～2μm的针状微结构3。
制备微结构3后，将反应离子刻蚀设备中的气体改为SF6气体，气体的流量为300sccm，50W功率下刻蚀减薄太阳电池级硅片1至40μm，得到带有抗刻蚀层2和微结构3的太阳电池级硅片1。
将带有抗刻蚀层2和微结构3的太阳电池级硅片1取出，置入20％质量分数的KOH溶液中，溶液温度80℃，反应10s去除表面微结构3，得到带有抗刻蚀层2的柔性太阳电池级硅片4。
最后将带有抗刻蚀层2的柔性太阳电池级硅片4置于HF溶液中，去除抗刻蚀层2，得到柔性太阳电池级硅片4，所得到的柔性太阳电池级硅片4表面平整且无明显翘曲。
实施例5：
如图1所示，先用丙酮溶液对厚度为200μm的太阳电池级硅片1进行超声清洗，然后超纯水(DI水)进行漂洗，随后用酒精溶液进行超声清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，最后再用低沸点有机溶剂进行干燥得到清洁的硅片表面。
将清洗完的太阳电池级硅片1采用PECVD进行氮化硅薄膜沉积，控制Si/N原子比1:1.4，沉积得到4μm厚度的氮化硅薄膜作为抗刻蚀层2，抗刻蚀层2覆盖第一表面和侧面。
将沉积完抗刻蚀层2的太阳电池级硅片1放入反应离子刻蚀设备，通入CF4/O2混合气体，混合气体的流量为30sccm，在200W功率下控制CF4/O2混合气体的流量比例为8:1，刻蚀得到100nm～2μm的纳米柱状微结构3。
制备微结构3后，将反应离子刻蚀设备中的气体改为CF4气体，气体的流量为30sccm，200W功率下刻蚀减薄太阳电池级硅片1至20μm，得到带有抗刻蚀层2和微结构3的太阳电池级硅片1。
将带有抗刻蚀层2和微结构3的太阳电池级硅片1取出，置入35％质量分数的NaOH溶液中，溶液温度80℃，反应10s去除表面微结构3，得到带有抗刻蚀层2的柔性太阳电池级硅片4。
最后将带有抗刻蚀层2的柔性太阳电池级硅片4置于HF溶液中，去除抗刻蚀层2，得到柔性太阳电池级硅片4，所得到的柔性太阳电池级硅片4表面平整且无明显翘曲。
实施例6：
如图1所示，先用丙酮溶液对厚度为220μm的太阳电池级硅片1进行超声清洗，然后超纯水(DI水)进行漂洗，随后用酒精溶液进行超声清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，超纯水(DI水)进行漂洗，最后再用低沸点有机溶剂进行干燥得到清洁的硅片表面。
将清洗完的太阳电池级硅片1采用PECVD进行氮化硅薄膜沉积，控制Si/N原子比1:1.5，沉积得到5μm厚度的氮化硅薄膜作为抗刻蚀层2，抗刻蚀层2覆盖第一表面和侧面。
将沉积完抗刻蚀层2的太阳电池级硅片1放入反应离子刻蚀设备，通入SF6/O2混合气体，混合气体的流量为150sccm，在250W功率下控制SF6/O2混合气体的比例为1:1，刻蚀得到100nm～2μm的纳米柱状微结构3。
制备微结构3后，将反应离子刻蚀设备中的气体改为SF6气体，气体的流量为150sccm，250W功率下刻蚀减薄太阳电池级硅片1至50μm，得到带有抗刻蚀层2和微结构3的太阳电池级硅片1。
将带有抗刻蚀层2和微结构3的太阳电池级硅片1取出，置入45％质量分数的KOH溶液中，溶液温度80℃，反应8s去除表面微结构3，得到带有抗刻蚀层2的柔性太阳电池级硅片4。
最后将带有抗刻蚀层2的柔性太阳电池级硅片4置于HF溶液中，去除抗刻蚀层2，得到柔性太阳电池级硅片4，所得到的柔性太阳电池级硅片4表面平整且无明显翘曲。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种柔性硅片的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一硅片，所述硅片包括第一表面、与所述第一表面相背的第二表面、以及位于所述硅片周侧的侧面；
在所述硅片的所述第一表面和所述侧面上形成抗刻蚀层；
在所述硅片的所述第二表面上刻蚀形成微结构；
采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成有所述微结构的硅片，减薄所述硅片；
去除所述微结构和所述抗刻蚀层，得到柔性硅片。
2.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成所述微结构。
3.根据权利要求2所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成所述微结构步骤中的刻蚀气体包括含卤素气体和氧化性气体。
4.根据权利要求3所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述刻蚀气体的流量为30sccm～300sccm，其中含卤素气体和氧化性气体的比例为1:1～8:1。
5.根据权利要求3所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述含卤素气体为SF6、CF4、Cl2中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述氧化性气体为O2。
7.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述微结构的尺寸为100nm～2μm。
8.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述微结构为孔状结构、锥状结构、柱状结构、针状结构、线状结构中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述采用反应离子刻蚀技术刻蚀形成有所述微结构的硅片的步骤中的刻蚀气体为含卤素气体，所述含卤素气体为SF6、CF4中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述刻蚀气体的流量为30sccm～300sccm 。
11.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述微结构采用化学抛光溶液去除。
12.根据权利要求11所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述化学抛光溶液为NaOH溶液或KOH溶液，质量分数为20％～50％。
13.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，采用化学气相沉积方法沉积形成所述抗刻蚀层。
14.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述抗刻蚀层采用刻蚀溶液去除。
15.根据权利要求14所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述刻蚀溶液为HF溶液。
16.根据权利要求1所述的柔性硅片的制备方法，其特征在于，所述硅片为525μm～775μm的晶圆硅片或160μm～220μm的太阳电池级硅片；及/或
所述微结构的尺寸为100nm～2μm；及/或
所述抗刻蚀层的厚度为1μm～5μm；及/或
所述抗刻蚀层为氮化硅层，所述氮化硅层中Si/N＝1:1.5～1:1.1；及/或
所述柔性硅片的厚度为10μm～50μm。
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