利用湿法刻蚀的方式制备黑硅
黑硅工艺技术
黑硅工艺技术黑硅工艺技术是一种用于生产黑硅材料的技术。
黑硅是一种具有高度结构化和吸光性能的材料，广泛应用于光电子领域。
本文将介绍黑硅工艺技术的原理及其应用。
黑硅的制备过程主要包括两个步骤：表面微纳结构化和氧化。
首先，通过湿化学腐蚀或干法刻蚀，将硅表面进行微纳结构化处理。
这一步骤通过控制湿蚀液的浓度和时间，可以在硅表面形成统一分布的纳米孔洞结构。
接下来，经过一定的氧化处理，将硅表面形成一层二氧化硅薄膜。
这一薄膜可以进一步增强硅的吸光能力，使其表面呈现出黑色。
黑硅工艺技术具有以下几个优点。
首先，黑硅表面的微纳结构能够有效地降低表面反射，提高光的吸收率。
这使得黑硅成为一种优秀的光吸收材料，可以用于太阳能电池板、光探测器等光电子器件的制备。
其次，黑硅的吸光性能能够提高光催化反应的效率。
光催化技术是一种利用光能激发催化剂进行化学反应的方法，可以应用于环境净化、水分解产氢等领域。
最后，黑硅还具有良好的生物相容性，可以在生物医学领域应用于生物传感器和组织工程。
除了上述优点，黑硅工艺技术还存在一些挑战和改进空间。
首先，制备黑硅的工艺过程复杂，需要精确控制湿蚀液的浓度和时间，以及氧化处理的条件。
这些参数的优化对于黑硅的结构和性能具有重要影响，需要进一步研究和改进。
其次，黑硅材料的稳定性也是一个问题。
在长时间的使用和环境暴露下，黑硅的结构和吸光性能可能发生变化。
因此，需要进一步提高黑硅材料的稳定性，以满足实际应用的需求。
随着光电子技术的不断发展，黑硅工艺技术有望在更广泛的领域应用。
通过进一步优化工艺和改善材料性能，我们可以更好地利用黑硅的吸光性能，推动光电子领域的发展。
同时，黑硅的应用还可以促进环境保护和能源可持续利用，具有重大的社会和经济意义。
总之，黑硅工艺技术是一种非常有潜力的材料制备技术，具有广阔的应用前景。
通过进一步研究和创新，我们可以更好地掌握黑硅的制备技术，推动光电子领域的发展，为社会经济和环境保护做出贡献。
黑硅技术原理
黑硅技术原理黑硅技术原理引言：黑硅技术是一种在硅基材料上制备微纳米结构的新技术，能够显著提高太阳能电池、传感器和其他电子设备的性能。
在本文中，我们将深入探讨黑硅技术的原理、制备方法和应用领域，并分享我的观点和理解。
一、黑硅技术的原理黑硅技术基于表面纳米结构的改变，通过对硅表面进行微纳米结构化处理，增加硅表面的吸光能力，提高太阳能电池的光电转换效率。
其原理如下：1. 表面纳米结构化处理：通过使用湿法或干法的方法，如化学蚀刻、激光刻蚀或等离子体刻蚀等，对硅表面进行纳米结构化处理，形成一系列微小的锥形或纳米柱状结构。
2. 提高光吸收能力：由于纳米结构的引入，硅表面的光学反射率显著降低，同时在表面上形成了多重反射和折射，使得光线在材料中多次透射和散射，增加了光的路径长度，提高了光在硅材料中的吸收率。
3. 增强载流子分离和收集：黑硅表面纳米结构可以增加硅材料与光的相互作用，使得光子能量更有效地转化成电子，能够增强载流子的分离和收集效率，提高太阳能电池的电流输出。
二、黑硅技术的制备方法黑硅技术的制备方法可以分为湿法和干法两个主要方向。
以下是常见的制备方法：1. 化学蚀刻法：通过在硅表面涂覆蚀刻液，如氢氟酸、氢氧化钠等，控制蚀刻时间和蚀刻液的浓度，使硅表面形成微纳米结构。
2. 激光刻蚀法：使用激光束对硅材料进行蚀刻，通过改变激光功率、扫描速度和激光脉冲数等参数来控制结构形貌。
3. 等离子体刻蚀法：通过在等离子体环境下对硅材料进行刻蚀，利用等离子体中的活性粒子对硅表面进行纳米结构化处理。
以上方法可以根据具体应用需求进行组合和优化，以获得更理想的硅表面纳米结构。
三、黑硅技术的应用领域黑硅技术在多个领域具有广泛的应用前景，主要包括：1. 太阳能电池：黑硅技术能够有效提高太阳能电池的光电转换效率，减少光的反射和损耗，使得太阳能电池在相同光照下产生更高的电流输出。
这一技术为太阳能电池的高效利用提供了重要的技术支持。
2. 光电传感器：由于黑硅技术能够增强硅材料与光的相互作用，提高光的吸收率和光电转换效率，因此在光电传感器领域也具有重要的应用潜力。
阿特斯产业化湿法黑硅技术全解析
阿特斯产业化湿法黑硅技术全解析摘要：长期以来，多晶太阳电池表面反射率较高的难题一直得不到有效解决，制约了电池效率的进一步提升。
湿法黑硅技术(MetalCatalyzedChemicalEtching，MCCE)成功解决了这一难题，突破了这方面的效率限制。
该技术既适用于砂浆切割硅片，也适用于金刚线切硅片，是降本增效的利器，将来势必成为多晶电池的标配技术。
阿特斯历经3年自主研发，攻克多道技术难关，在2014年底成功量产，开辟了湿法黑硅技术产业化的新纪元。
本文主要从技术优势、成本优势、关键技术、以及产业化进程几个方面介绍湿法黑硅技术。
1引言多晶电池效率的提升受制于表面反射率的降低。
常规多晶主要采用酸制绒，形成蠕虫状的坑洞；而单晶采用碱制绒，形成金字塔结构的绒面。
相比单晶电池，常规多晶电池的表面反射率高3%~5%（绝对值）。
降低表面反射率是提高多晶电池效率的关键。
成本方面，单晶硅片受益于金刚线切割工艺的推广，成本大幅下降；而多晶硅片金刚线线切的推广受制于电池制绒工艺的匹配，具体讲，金刚线线切多晶硅片使用常规制绒工艺后，反射率更高并有明显的线痕等外观缺陷，严重降低电池效率。
阿特斯开发的湿法黑硅技术完美的解决以上问题，既能提升电池效率又能降低电池成本，是多晶电池继续进步的必由之路。
制备黑硅所采用的技术主要有：①激光刻蚀法；②气相腐蚀法；③反应离子刻蚀法(ReactiveIonEtching，RIE)；④金属催化化学腐蚀法(MetalCatalyzedChemicalEtching，MCCE)。
目前，具有量产可能性的黑硅技术主要是RIE。
但是，RIE黑硅由于需要昂贵的真空设备以及工艺均匀性较差等因素，尚未大规模进入量产。
阿特斯历经3年的自主研发，攻克多道技术难关，于2014年12月成功将湿法黑硅技术推广到生产线，实现0.4%（绝对值）的电池效率增益，成为业界首家将该技术实现产业化的太阳能电池公司。
如图1所示，这一技术大大加快了多晶电池效率的提升速度，使得多晶电池量产效率有望在2016年底提前达到19%。
黑硅电池中你需要掌握的半导体基础工艺知识
• 廖先生的文章里有详细的实验数据，有兴趣 的朋友可以找来文章仔细研读。
• 以下的文章是刻蚀的基础知识，包括干法刻 蚀和湿法刻蚀。RIE在干法刻蚀中，抛光在 TMAH的介绍中。
内容
1. 概述 2. 干法刻蚀 3. 湿法刻蚀 4. 应用
1. 概述
图形转移
• 刻蚀种类 干法： 气态等离子体中，发生物理或化学反应
• 由三步组成： (1) 等离子体产物到达被刻蚀表面；(2) 与 表面膜发生反应；(3)反应物从表面移走
刻蚀参数
• 刻蚀速率 • 刻蚀剖面 • 刻蚀偏差 • 选择比 • 均匀性 • 残留物 • 聚合物 • 等离子体诱导损伤 • 颗粒、沾污和缺陷
Байду номын сангаас蚀速率
R T / t(nm / min)
R 刻蚀剂的浓度
• 在硅刻蚀中，通过控制F/C的比例，形成聚合物，低 F/C比易于形成侧壁聚合物（侧壁钝化）
等离子体诱导损伤
• 等离子体包含大量的离子，电子和激发原子/分子 • 主要损伤：
- 非均匀等离子体在晶体管栅电极产生陷阱电荷， 引起薄栅氧化硅的击穿；
- 能量离子对暴露的栅氧化层 的轰击（典型离子流 1015/cm2， 能量300-700 eV
• 反应离子刻蚀是将物理作用的溅射刻蚀和化学作用的反 应刻蚀结合起来的过程。但是RIE中的溅射并不仅仅是纯 物理的作用，即在碰撞离子间并不仅仅是动量交换，它 还对化学反应起促进作用。
阿特斯产业化湿法黑硅技术全解析
阿特斯产业化湿法黑硅技术全解析摘要：长期以来，多晶太阳电池表面反射率较高的难题一直得不到有效解决，制约了电池效率的进一步提升。
湿法黑硅技术(MetalCatalyzedChemicalEtching，MCCE)成功解决了这一难题，突破了这方面的效率限制。
该技术既适用于砂浆切割硅片，也适用于金刚线切硅片，是降本增效的利器，将来势必成为多晶电池的标配技术。
阿特斯历经3年自主研发，攻克多道技术难关，在2014年底成功量产，开辟了湿法黑硅技术产业化的新纪元。
本文主要从技术优势、成本优势、关键技术、以及产业化进程几个方面介绍湿法黑硅技术。
1引言多晶电池效率的提升受制于表面反射率的降低。
常规多晶主要采用酸制绒，形成蠕虫状的坑洞；而单晶采用碱制绒，形成金字塔结构的绒面。
相比单晶电池，常规多晶电池的表面反射率高3%~5%（绝对值）。
降低表面反射率是提高多晶电池效率的关键。
成本方面，单晶硅片受益于金刚线切割工艺的推广，成本大幅下降；而多晶硅片金刚线线切的推广受制于电池制绒工艺的匹配，具体讲，金刚线线切多晶硅片使用常规制绒工艺后，反射率更高并有明显的线痕等外观缺陷，严重降低电池效率。
阿特斯开发的湿法黑硅技术完美的解决以上问题，既能提升电池效率又能降低电池成本，是多晶电池继续进步的必由之路。
制备黑硅所采用的技术主要有：①激光刻蚀法；②气相腐蚀法；③反应离子刻蚀法(ReactiveIonEtching，RIE)；④金属催化化学腐蚀法(MetalCatalyzedChemicalEtching，MCCE)。
目前，具有量产可能性的黑硅技术主要是RIE。
但是，RIE黑硅由于需要昂贵的真空设备以及工艺均匀性较差等因素，尚未大规模进入量产。
阿特斯历经3年的自主研发，攻克多道技术难关，于2014年12月成功将湿法黑硅技术推广到生产线，实现0.4%（绝对值）的电池效率增益，成为业界首家将该技术实现产业化的太阳能电池公司。
如图1所示，这一技术大大加快了多晶电池效率的提升速度，使得多晶电池量产效率有望在2016年底提前达到19%。
金属辅助湿法化学刻蚀黑硅机理的探讨
通信作者 ： 李学铭（ １ ９ ７ ８ － ） ， 女， 博士 ， 副教授 ， 主要 从 事 无机 纳米 材料 研 究 ， Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ｘ ｍ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＠ｇ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｔ ｏ ｍ．
・
２ ４・
云南师范大学学报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｋ ｕ ｒ ｅ ｋ等 采 用磁 控溅 射在硅 表 面沉积 金膜 ， 然后 通过超 声波 辅助 在刻 蚀溶 液 中制 备黑 硅 分析 认 为 ， 金 在 刻蚀 过程 中起催 化作 用 ， 硅 以六氟 化硅 离子 的形 式剥离 。
文献 ［ ２ — ４ ］ 对 刻蚀 机理 的研究 均是基 于 Ｈ Ｆ ／ Ｈ Ｏ 溶 液体 系 ， 对 于硅 的另一重 要刻 蚀体 系 ＨＦ ／ Ｈ Ｎ Ｏ 尚未作 出解 释 ， 另 一方 面 ， 文献［ ３ ， ４ ］ 对刻 蚀机理 的研 究所 基 于 的实 验 方法 对 制备 应用 于 太 阳电池 的黑
摘
要 ： 为了理解 金属 辅 助湿法 化 学刻 蚀 的机理 ， 单 晶硅 片分 别在 氢氟 酸／ 过氧 化 氢／ 氯 金酸
（ Ｈ ＷＨ Ｏ ／ Ｈ Ａ ｕ Ｃ １ ） 体 系、 氢 氟 酸／ 硝 酸／ 硝酸银（ Ｈ Ｆ ／ ＨＮ Ｏ ， ／ Ａ ｇ Ｎ Ｏ ， ） 体系、 氢 氟 酸／ 过 氧化 氢／ 硝 酸 铜
早先 指 出树枝状 金属 （ 银） 形 成 和局部 电化 学反 应 是硅 纳 米 线形 成 机理 。后 来 通 过 密 闭容 器制 备 硅 纳米结 构 ， 从 实验 上证 明金属 粒子 是 硅 在氢 氟 酸 中产 生各 向异 性腐 蚀 的关 键 ， 而 不仅 仅 是起 辅助 作 用， 提 出了 电动模 型 ， 较 为 系统 地 阐明 了孔 洞形 成 机 理 及孔 洞 和纳 米 线与 晶向 的依 赖关 系。Ａ ｇ ｎ ｉ ｅ ｓ ｚ ｋ ａ
sio2湿法刻蚀工艺
sio2湿法刻蚀工艺Sio2湿法刻蚀工艺引言：Sio2湿法刻蚀工艺是一种常用的微纳加工技术，广泛应用于半导体器件制造和微电子技术领域。
本文将就Sio2湿法刻蚀工艺的原理、步骤和应用进行详细阐述，以便读者对该工艺有更深入的了解。
一、Sio2湿法刻蚀工艺的原理Sio2湿法刻蚀工艺是通过将硅基片浸泡在含有化学溶液的反应槽中，利用化学反应来去除硅基片上的Sio2膜。
该工艺的刻蚀速率可通过调节溶液中的温度、浓度和搅拌等因素来控制。
二、Sio2湿法刻蚀工艺的步骤Sio2湿法刻蚀工艺包括预处理、刻蚀和清洗等步骤。
1. 预处理：在进行Sio2湿法刻蚀前，需要对硅基片进行预处理。
首先，将硅基片放入去离子水或酸性溶液中进行清洗，去除表面的杂质和有机物。
然后，将硅基片放入HF酸中进行去氧化处理，以去除硅基片表面的氧化层。
2. 刻蚀：预处理后的硅基片放入含有刻蚀溶液的反应槽中进行刻蚀。
刻蚀溶液通常由HF酸和H2O2氧化剂组成。
刻蚀过程中，HF酸起到去除Sio2膜的作用，而H2O2氧化剂则提供刻蚀反应所需的氧气。
3. 清洗：刻蚀完成后，需要对硅基片进行清洗，以去除残留的刻蚀溶液和产生的杂质。
一般采用纯水或酸性溶液进行清洗，然后用氮气吹干硅基片。
三、Sio2湿法刻蚀工艺的应用Sio2湿法刻蚀工艺在半导体器件制造和微电子技术领域具有广泛的应用。
1. 刻蚀掩膜制备：Sio2湿法刻蚀可用于制备掩膜。
在制备半导体器件中，需要在硅基片表面涂覆一层Sio2膜作为掩膜，然后通过刻蚀去除掩膜上不需要的部分，从而形成所需的器件结构。
2. 制备微纳结构：Sio2湿法刻蚀还可用于制备微纳结构。
通过在硅基片上涂覆一层Sio2膜，并利用刻蚀工艺去除不需要的部分，可以制备出微纳米尺度的结构，如微通道、微孔等。
3. 表面处理：Sio2湿法刻蚀还可用于表面处理。
通过刻蚀硅基片表面的Sio2膜，可以改变硅基片的表面性质，如增加表面粗糙度、改变表面能等，从而实现对硅基片的功能改善。
化学刻蚀制备黑硅材料的研究现状及展望_李学铭
报道年度 １９９６年 １９９８年
２０００年
２００３年 ２００６年 ２００８年 ２００８年 ２０１１年
２０１２年
表 １ 黑 硅 制 备 技 术 发 展 进 程
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
产物主要性能指标
制备技术
化 学 刻 蚀 制 备 黑 硅 材 料 的 研 究 现 状 及 展 望／李 学 铭 等
· １４３ ·
和湿法刻蚀。它们的区别在于干法主要是在不涉及溶液的 气体状态下进行，湿法则是使用溶剂或溶 液 来 进 行 反 应。湿 法刻蚀是一个纯粹的化学反应过 程，它主要利用 溶 液 与 待 刻 蚀材料之间发生化学反应，通过控制反应条件去 除 部 分 待 刻 蚀材料，从而达到 刻 蚀 目 的。 在 湿 法 刻 蚀 过 程 中，不 仅 能 产 生纵向刻蚀，而且 还 能 产 生 横 向 刻 蚀，这 为 黑 硅 的 多 样 化 形
深硅刻蚀工艺原理
深硅刻蚀工艺原理深硅刻蚀(Silicon Deep Etching)是一种用于微纳加工的关键工艺。
它可以在硅片上进行高精度、高深度的刻蚀，用以制造微纳米器件，如微机电系统(MEMS)、传感器、光子器件等。
深硅刻蚀工艺的原理基于湿法刻蚀和干法刻蚀两种方法。
湿法刻蚀是深硅刻蚀的主要原理之一、湿法刻蚀使用一种含有刻蚀剂的溶液，通过溶液与硅表面发生化学反应来刻蚀硅。
湿法刻蚀的刻蚀速度取决于刻蚀剂的浓度、温度、流速等因素。
深硅刻蚀中常用的刻蚀剂有氢氟酸(HF)、氢氧化钾(KOH)和氢氟酸和硝酸(HNO3)的混合物。
在湿法刻蚀过程中，硅表面上的氧化物层会起到保护作用，防止刻蚀剂直接与硅接触。
刻蚀剂通过破坏氧化物层将硅暴露出来，然后溶解硅。
由于刻蚀剂是从硅片的正面和背面进行刻蚀，因此可以实现较大的深度刻蚀。
干法刻蚀是另一种深硅刻蚀的重要原理。
干法刻蚀与湿法刻蚀不同，它不使用溶液来刻蚀硅表面，而是通过气相刻蚀来进行。
干法刻蚀常用的刻蚀气体有氢氟酸、氯化氢和氧化硅等。
干法刻蚀通常利用高能离子束轰击硅表面，将硅表面的原子击碎并氧化，然后通过氧化物在高温下与离子反应生成气体，将离子弹射离开硅表面，从而实现刻蚀作用。
干法刻蚀具有高速度、高精度和高均匀性等优点。
深硅刻蚀的工艺流程一般包括掩膜定义、刻蚀准备、刻蚀、刻蚀终结和清洗等步骤。
首先，通过光刻技术在硅片上定义出掩膜，掩膜上有所需刻蚀的结构。
然后，在刻蚀准备中，对硅片进行表面处理，以去除氧化层和其他杂质。
接下来，进行刻蚀过程，可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀，根据需要选择刻蚀剂和刻蚀条件。
刻蚀终结后，通过清洗去除残留的刻蚀剂和刻蚀产物，以便进行下一步的加工或测试。
深硅刻蚀工艺的应用非常广泛。
它可以制造微纳米的光学元件，如光纤阵列、波导、光栅等。
它还广泛用于制造MEMS器件，如惯性传感器、声波传感器、加速度计等。
此外，深硅刻蚀还可以制造微电子器件、太阳能电池组件、生物芯片等。
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2011年9月15日第34卷第18期现代电子技术M odern Electro nics T echniqueSep.2011V ol.34N o.18利用湿法刻蚀的方式制备黑硅张安元,吴志明,赵国栋,姜 晶,郭振宇(电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都 610054)摘 要:采用一种简便的方法制备出具有很好光吸收性能的黑硅材料,利用化学气象沉积和光刻的方式在硅片(100)表面形成圆形Si 3N 4掩膜,然后采用两种湿法刻蚀相结合方式来制备黑硅材料。
首先采用碱刻蚀的方式对硅片进行各向异性刻蚀,刻蚀完成后在硅片表面形成尖锥形貌;后期利用金纳米颗粒作为催化剂,采用酸刻蚀的方式对硅片表面进行改性,在硅片表面形成多孔结构。
这种黑硅材料在250~1000nm 波段的光吸收率可以达到95%以上。
关键词:黑硅材料;湿法刻蚀;表面形貌;光吸收率中图分类号:T N304-34 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2011)18-0133-04Preparation of Black Silicon by Means of Wet EtchingZH A NG A n -y uan,WU Zh-i ming ,ZH A O G uo -do ng ,JIA N G Jing ,GU O Zhen -yu(St ate K e y L abo ratory of Elect ro nic T hin Fil m s and Integ rat ed Dev ices,School of Opt oelect ro nic Inf ormat i o n,Universi t y of Electronic Sci ence and T echnolo gy of China,Cheng du 610054,China)Abstract :A simple met ho d of preparing black silico n (BS)with hig h o ptical absor pt ivity is introduced.During t he prepa -r atio n,the chemical vapor deposition and photo litho gr aphy are emplo yed to fo rm a nitride mask on the surface of silicon (100),and then tw o kinds o f wet etching ar e used to prepare the black silico n mater ial.T he fir st step is that the anisot ropic etching on a silico n wafer is perfor med w ith the method of a lkali etching to for m the t ip mor pho log y on the silicon surface.Af -ter that,some go ld nanoparticles ar e taken as t he cataly st to mo dif y the sur face of the silico n by the method o f acid etching fo r for ming a po rous str ucture on the silico n sur face.T he optical absor ptivity o f the black silico n can reach 95%at t he wav elength of 250~1000nm.Keywords :black silico n mater ial;w et etching ;surface mor pho log y;optical absor ptivity收稿日期:2011-04-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(61021061);电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放资助基金(KFJJ200806)0 引 言黑硅(black silicon)[1]作为兴起的一种新型硅材料,以其在可见光与近红外波段有极高的光吸收率[2],使其对光线十分敏感,它的光敏感度可以达到传统硅材料的100~500倍。
在正常情况下,一个光子只能产生一个电子,而在黑硅这种材料中,由于它具备光电导增益效果[3],可以由一个光子产生多个电子,从而使电流增大到200~300倍,使其在微光探测方面的性能较一般材料有着飞跃般的进步,并且黑硅的制造工艺可以较容易地嵌入到目前的半导体工艺中,使其在照相机、夜视仪等光电探测[4]方面有着广阔的应用前景。
目前国际上其通用的制备方式主要有两种:飞秒激光器刻蚀和深反应离子刻蚀(DRIE)。
其中,飞秒激光器刻蚀[5]是SF 6环境下,利用飞秒激光器产生的超短脉冲激光对硅片表面进行辐照,其激光脉冲的高能在与硅片表面作用的同时,在表面附近积聚大量能量,能瞬间使背景气体SF 6分解出游离的F -离子,并与表面汽化的Si 原子生成易挥发的SiF 2和SiF 4,使硅片表面不断被刻蚀,最终形成准规则排列的微米量级尖锥结构。
这样改造后的硅表面具有极高的光吸收率,而反应离子刻蚀(RIE)[6]的原理是利用一定压强下的刻蚀气体在高频电场的作用下,通过气体辉光发电产生等离子体(其中包含了大量的分子游离基团),通过电场加速活性基团对被刻蚀物体进行离子轰击和化学反应,生成挥发性气体,反应产物在低压真空腔中被抽走来实现对材料的刻蚀,最终在硅片表面得到与飞秒激光器刻蚀相似的微结构,从而制备所说的黑硅。
目前这两种方式都比较成熟,都能得到稳定的结果,但是这两种方式对反应条件要求苛刻,实验设备成本高昂,不利于大规模生产。
本文采用两种湿法刻蚀相结合的方法制备黑硅材料。
先利用Si 3N 4充当掩膜层,用光刻的方式在硅片表面形成图案,然后通过KOH 溶液对其进行刻蚀,在硅片表面形成规则的尖锥形貌,然后利用金纳米颗粒作为催化剂,用H F 酸对经碱刻蚀后的硅片样品表面进行改性,以进一步提高其光吸收率,最终制备的黑硅的光吸收率可以达到95%以上,这种制备方法具有实验设备较简单,变量易控等优点。
1 实 验实验中采用湿法刻蚀的方式来制备黑硅,其所用硅片为单面抛光的6inch P +单晶硅,(100)晶面,厚度为600~700L m,电阻率为8~128#cm ,主要流程如图1所示。
图1 实验流程图首先,利用PECVD 在清洁的硅片表面沉积一层Si 3N 4,其厚度为100nm,之后旋涂一层光刻胶(AZ5218),覆盖上掩膜后通过光刻机对其进行曝光处理,然后通过显影在硅片表面得到掩膜图案,硅片经过后烘后,把硅片上通过显影后而暴露出区域的Si 3N 4层刻蚀掉,最终再对硅片表面的残留光刻胶用丙酮洗去。
这样就在硅片上形成需要的Si 3N 4掩膜层。
光刻后在硅片表面形成间距与半径比为2L m B 2L m 的圆形Si 3N 4掩膜。
在硅片表面制备好Si 3N 4掩膜后用丙酮和去离子水依次对光刻过后的硅片进行超声清洗,保证硅片表面的清洁度。
清洗后对硅片进行碱刻蚀,刻蚀温度为85e ,碱刻蚀的溶液配比为KOH 2.891g,去离子水50mL,异丙醇12mL;碱刻蚀后的片子在清洗后进行酸处理,反应温度为室温,溶液的配方为氯金酸(0.04%)1m L,双氧水5mL,氢氟酸2mL,乙醇2mL,刻蚀时间为8min 。
刻蚀完成后利用I 2,KI 溶液I 225g,KI 100g,H 2O 1L 溶液洗去硅片表面残余的金颗粒[7]。
采用带积分球的光谱仪来测定制备好的黑硅样品在可见光及近红外波段的光吸收率。
2 实验结果与讨论2.1 碱刻蚀后硅片表面的形貌分析在碱刻蚀时,不同的刻蚀时间硅片表面会出现不同的形貌特征,如图2所示。
图(a )样品刻蚀时间为10min,图(b )为14min,图(c )18min,尖锥尺寸为4L m ,观测设备H itachi S4800FESEM 。
实验中,在刻蚀开始时,刻蚀主要发生在掩膜侧面,在硅片表面形成顶部为圆台的锥性结构,随着刻蚀的进行,圆台面积减小,最终形成尖锥结构,再继续刻蚀,硅片表面的尖锥形貌就会被破坏,形成不规则刻蚀面。
图2 碱刻蚀后硅片表面的SEM 图在碱液腐蚀的时候,采用的碱液是KOH ,H 2O,(CH 3)2CH OH (异丙醇)的混合溶液,其腐蚀原理[8]如下:Si 会先被OH -氧化反应生成含水化合物Si (OH )2-6KOH +H 20=K ++20H -+H +Si+20H -+4H 20=Si(OH )2-6然后Si(OH )2-6会与异丙醇发生络合反应,反应方程如下:Si(OH )62-+6(CH 3)2CHO H =[Si(OC 3H 7)6]2-+6H 2O由于反应生成的络合物是溶于水的,这种络合物不断地从硅片表面离开,从而实现对硅片的刻蚀。
单晶硅是典型的面心立方体结构[9-11],它与金刚石的晶体结构相同,其在(111)方向上的原子密度最大,并且在这个晶面上的硅原子越相邻表面的3个硅原子形成3个共价键,只有1个悬挂键存在;{110}晶面的的原子密度最小,其晶面上的硅原子与相邻晶面的形成1个共价键,还有3个悬挂键存在;{100}晶面上的硅原子密度居中,其晶面上的硅原子与相邻晶面的硅原子形成2个共价键,还有2个悬挂键存在。
悬挂健的多少决定着晶面上硅原子在刻蚀液中刻蚀速率的快慢,悬挂健越多的硅原子越容易与溶液中OH -反应。
由此可以知道{110}面在碱溶液中刻蚀速率最快,{100}面次之,{111}面的刻蚀速率最慢。
根据晶体间晶面与晶向的关系可以知道,{111}面与(100)晶向的夹角为54.74b ,这样就可以计算出刻蚀的最大深度H 与相邻圆形氮化硅掩膜间距L 的关系为:H L=tan 54.74b =2 由于掩膜版图形上远点的尺寸和间距比为2L m B 2L m,可以计算出刻蚀的最大H = 2.83L m,形成尖锥后继续刻蚀,尖锥侧面的{111}晶面就会被破坏,形成新的刻蚀入侵点,最终导致硅片表面的尖锥形貌被破坏(如图2(c)所示)。
经碱刻蚀可以在硅片表面形成尖锥形貌,由各项异性刻蚀的原理可知碱刻蚀后尖锥的长径比(Aspect Ra -134现代电子技术2011年第34卷tio)仅能达到1.414,对光的减反射作用比较有限,其光吸收率仅能达到80%左右,这就需要对制备的硅片进一步处理。