專利名稱：一種多孔結(jié)構(gòu)的襯底及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別涉及一種多孔結(jié)構(gòu)的襯底及其制 備方法。
背景技術(shù)：
目前，太陽能電池由于生產(chǎn)成本太高而無法取代傳統(tǒng)能源，因此降低太陽能電池 的生產(chǎn)成本就成為這一行業(yè)最大的問題，而太陽能電池的生產(chǎn)成本與太陽能電池的效率密 切相關(guān)。由于目前太陽能電池所采用的襯底——硅具有高折射率，其反射損失達40%以上， 由此使得太陽能電池的光反射率較高，從而大大降低了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。降低太陽能電池的光反射效率方法之一就是在襯底的入射面制作絨面結(jié)構(gòu)減少 入射光的反射。美國哈佛大學(xué)的Eric Mazur等人在1996年利用飛秒激光方法制備了一 種針狀結(jié)構(gòu)的硅材料，如圖1所示，并由此制備了太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率為8. 8% 13.9%。但此種方法制備的針狀結(jié)構(gòu)的硅基襯底存在兩個缺點a.由該針狀結(jié)構(gòu)的硅基襯 底所制備的太陽能電池結(jié)構(gòu)參見圖2，包括背電極1、單晶硅2、針狀結(jié)構(gòu)的硅層3、鈍化層4 和柵極5，太陽能電池的光生電流流過針狀結(jié)構(gòu)的硅層3被柵極5收集到，這種針狀結(jié)構(gòu)的 硅層不利于光生電流的收集；b.所述方法中采用了飛秒激光，工藝復(fù)雜，過程控制繁瑣，設(shè) 備成本極為昂貴，維護不便，不利于大規(guī)模的生產(chǎn)制造。中國專利CN 101673785A(
公開日為2010年3月17日)公開了一種基于電化學(xué) 腐蝕制備多孔硅的方法。該方法要點如下首先，在硅片背面用絲網(wǎng)印刷法制備金屬鋁薄 膜陽電極，并使鋁與硅具有良好的歐姆接觸，另以鉬片或鉬絲為陰電極；然后將硅片正面放 在HF 吐0=1 10的腐蝕液中浸泡1分鐘，溫度26°C;然后將硅片正面在放入帶有超聲 波頻率為40 60Hz的超聲條件下的容器中，并在電解液HF H2O C2H5OH = 2 1 1 的混合液中進行電化學(xué)腐蝕處理，電解溫度為40°C。電解腐蝕電流密度為5 lOmA/cm2， 時間為40 60s。然而，利用電化學(xué)腐蝕方法制備的多孔硅呈現(xiàn)海綿狀，孔內(nèi)存在串孔，經(jīng) 腐蝕后，多孔硅內(nèi)的殘留電解液無法清除干凈，影響結(jié)構(gòu)的最終形狀，從而使得結(jié)構(gòu)控制困 難，不利于太陽能電池的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一提供一種多孔結(jié)構(gòu)的襯底及其制備方法，該多孔結(jié)構(gòu)的襯底不 存在串孔，利用此多孔結(jié)構(gòu)的襯底來制造太陽能電池有利于光的吸收、載流子輸運和收集； 制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法工藝簡單，控制方便，無需清除電解液。根據(jù)本發(fā)明的一個方面提供一種多孔結(jié)構(gòu)的襯底，所述襯底的表面形貌呈無序多 孔狀，所述孔的深度小于所述襯底的厚度，所述孔相互獨立，孔內(nèi)各不連通。進一步地，本發(fā)明具有如下特點所述孔的平均孔徑大小在10納米到2微米之間； 所述孔在所述襯底表面上的面積密度為0. 01 0. 91 ；所述孔的平均孔深在50納米到10 微米之間；所述襯底由Si基材料、GaN基材料、InP基材料、GaAs基材料、Ge基材料、碳基材料、SiNx、SiO2, SiC、GeSi、ZnO、TiO2 或 CdS 制成。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面提供一種制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法，包括如下步驟將所述襯底放置于所述襯底制備裝置的注入腔室內(nèi)；調(diào)整所述襯底制備裝置的工藝參數(shù)進入預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍；將所述襯底制備裝置產(chǎn)生的等離子體中的反應(yīng)離子注入至所述襯底內(nèi)；及所述反應(yīng)離子與所述襯底發(fā)生反應(yīng)，形成多孔襯底；其中，所述多孔襯底的表面形 貌呈無序多孔狀，所述孔的深度小于所述襯底的厚度，所述孔相互獨立，孔內(nèi)各不連通。進一步地，本方法還具有如下特點，將所述襯底放置于所述襯底制備裝置的注入 腔室內(nèi)還包括將所述襯底與施加偏置電壓的電源電氣連接。進一步地，本方法還具有如下特點，所述調(diào)整所述襯底制備裝置的工藝參數(shù)進入 預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍包括抽取所述注入腔室內(nèi)的氣體，使得所述注入腔室的壓強進入預(yù)先設(shè)置的本底壓強 范圍，所述預(yù)先設(shè)置的本底壓強范圍為10_7Pa IOOOPa ；向所述注入腔室充入混合氣體，調(diào)整所述混合氣體的流量，使得所述注入腔室的 壓強進入預(yù)先設(shè)置的工作壓強范圍，所述預(yù)先設(shè)置的工作壓強范圍為10_3Pa IOOOPa ；及調(diào)整所述混合氣體中的所述具有刻蝕作用的氣體與所述具有鈍化作用的氣體之 間的體積比進入預(yù)先設(shè)置的體積比范圍，所述預(yù)先設(shè)置的體積比范圍為0. 01 100。進一步地，本方法還具有如下特點所述具有刻蝕作用的氣體包括SF6、CF4, CHF3、 C4F8, NF3> SiF4、C2F6, HF、BF3> PF3> Cl2, HCl、SiH2Cl2, SiCl4, BCl3 或 HBr，所述具有鈍化作用的 氣體包括O2、N2O或N2。進一步地，本方法還具有如下特點所述孔的平均孔徑大小在100納米到2微米之 間；所述孔的總面積與所述襯底表面積的比率為0. 01 0. 91 ；所述孔的平均孔深在100納 米到10微米之間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點A、由于本發(fā)明多孔結(jié)構(gòu)的襯底表面形貌呈無序多孔狀，所述孔相互獨立，孔內(nèi)各 不連通，即不存在串孔，由于這種無串孔的多孔結(jié)構(gòu)的襯底有利于光的吸收、載流子輸運和 收集，因此利用該襯底可制備的太陽能電池，電流收集率高，電學(xué)特性好，使用壽命長；B、根據(jù)本發(fā)明提供的制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法，由于本發(fā)明采用等離子體浸沒 離子注入工藝來制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底，即向滿足一定真空度要求的注入腔室充入混合氣 體，在所施加電場的作用下，將所產(chǎn)生的等離子體注入至襯底內(nèi)，與襯底發(fā)生反應(yīng)，只需一 次即可制備出多孔襯底，避免繁瑣的激光掃描加工，而且本方法為干法工藝，不需要加入電 解腐蝕溶液，因此加工過程無需清除電解液，所以本發(fā)明結(jié)構(gòu)控制方便，最終形成的結(jié)構(gòu)易 于控制，有利于太陽能電池的制備。


圖1是現(xiàn)有一種針狀多孔結(jié)構(gòu)的硅的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有一種多孔結(jié)構(gòu)的硅太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施方式提供的多孔結(jié)構(gòu)的襯底的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實施方式提供的多孔結(jié)構(gòu)的襯底的顯微結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明實施方式提供的多孔結(jié)構(gòu)的襯底的顯微結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的一種制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底工藝過程實施方式的示意圖；圖7是本發(fā)明的另一種制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底工藝過程實施方式的示意圖；圖8是本發(fā)明的又一種制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底工藝過程實施方式的示意圖；圖9是本發(fā)明的等離子體浸沒離子注入制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底過程的示意圖；圖10是圖9中的調(diào)整注入工藝參數(shù)的第一個實例的流程示意圖；圖11是圖9中的調(diào)整注入工藝參數(shù)的第二個實例的流程示意圖；圖12是圖9中的調(diào)整注入工藝參數(shù)的第三個實例的流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施方式，對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步描述。圖3所示為本發(fā)明所述的多孔結(jié)構(gòu)的襯底的示意圖?？?2在襯底11表面排布無 序，孔徑尺寸可為相同值或不同值。標(biāo)號13、15為孔截面；標(biāo)號14為襯底表面到孔底的高 度即孔深?？?2的深度小于襯底11的厚度，孔12相互獨立，孔內(nèi)各不連通。圖4、圖5為 本發(fā)明多孔結(jié)構(gòu)的襯底的一種具體實施方式
在掃描電子顯微鏡下的顯微結(jié)構(gòu)圖，從圖中可 見，本襯底上的孔的數(shù)量多，分布無序，而且相互獨立，孔內(nèi)各不連通，即不存在串孔，利用 此多孔結(jié)構(gòu)的襯底來制造太陽能電池有利于光的吸收、載流子輸運和收集，從而使得太陽 能電池的電流收集率高，電學(xué)特性好，使用壽命長。襯底11可由Si基材料、GaN基材料、InP基材料、GaAs基材料、Ge基材料、碳基材 料、SiNx、SiO2, SiC、GeSi、ZnO, TiO2, CdS或其他等同替代物制成，而且襯底11還可以摻雜 一定量的B、P、Se和/或As。在一個實施方式中，圖3中所示的制作形成多孔結(jié)構(gòu)的襯底11為單晶P型摻雜襯 底或N型摻雜襯底，也可以是多晶P型摻雜襯底或N型摻雜襯底；孔12相互獨立，孔內(nèi)各不 連通；平均孔徑大小可以從10納米到2微米，優(yōu)選地可從100納米到1微米，在一定工藝條 件下，在襯底上的孔可具有相同或非常相似的孔徑，或者在另一種工藝條件下，在襯底上的 孔的孔徑大不相同，即平均孔徑的大小可受到制備方法的控制；孔12在襯底11表面分布無 序；孔在襯底表面上的面積密度為0. 01 0. 91，優(yōu)選地可為0. 3 0. 7，面積密度體現(xiàn)出孔 在襯底上的分布密度，面積密度越大，意味著孔在襯底上的分布越大，該面積密度也可受到 制備方法的控制；孔在垂直于襯底表面方向上的形狀可以是圓柱狀、圓臺狀或其它適合的 孔形，這一形狀也可受到制備方法的控制；圓柱狀和圓臺狀的孔的截面分別如圖3中標(biāo)號 13、15所示；孔深14的平均值從50納米到10微米，優(yōu)選地可從100納米到5微米，在一定 工藝條件下，在襯底上的孔可具有相同或非常相似的孔深，或者在另一種工藝條件下，在襯 底上的孔的孔深大不相同，即孔深的大小可受到制備方法的控制。本發(fā)明還提供了制備此多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法，主要是將襯底放置于制備裝置 內(nèi)，利用等離子體浸沒離子注入工藝來制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底。等離子體浸沒離子注入(Plasma Immersion Ion Implantation，簡稱為 PIII)，在 半導(dǎo)體業(yè)界有時也稱為等離子體注入、等離子體摻雜、等離子體浸沒注入、等離子體源離子 注入或等離子體基離子注入等。這幾種稱法表示相同的一種工藝技術(shù)，即待注入樣品直接 浸沒在等離子體中，通過向樣品加偏置電壓(也可稱為“注入電壓”)，使得樣品和等離子體之間形成注入鞘層電場；位于注入鞘層電場內(nèi)和從等離子體進入注入鞘層電場的反應(yīng)離子 在電場的加速作用下直接注入到樣品中。由于在樣品的表面形成鞘層，所以曝露在等離子 體中的樣品表面各處將同時被注入。多孔結(jié)構(gòu)的襯底的制備裝置(例如等離子體浸沒離子注入機)包括注入腔室和等 離子體源。在注入腔室內(nèi)，設(shè)有可放置樣品的樣品臺。在與樣品臺相對的一側(cè)，設(shè)有等離子 體源。等離子體源包括抽真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和等離子體電源。其中，真空系統(tǒng)可將注入腔 室抽真空至預(yù)先設(shè)置的本底壓強范圍。供氣系統(tǒng)可向注入腔室充入所需的氣體，并且能夠 按照一定的控制規(guī)則來調(diào)整氣體的各種參數(shù)，例如氣體的流量、抽取速度、氣體成分比例和 濃度等參數(shù)。當(dāng)氣體充入注入腔室之后，可使得注入腔室的壓強進入預(yù)先設(shè)置的工作壓強 范圍。等離子體電源可為射頻電源、微波電源或直流電源。這些電源還可以脈沖形式供電， 并且這些電源的頻率可為固定頻率或可變頻率。可選擇地，多孔結(jié)構(gòu)的襯底的制備裝置還包括可施加偏置電壓的電源。該可施加 偏置電壓的電源與注入腔室內(nèi)的樣品臺電氣連接。可施加偏置電壓的電源類型與等離子體 電源相似，可為射頻電源、微波電源或直流電源，這些電源還可以脈沖形式供電，還可以是 這些電源的任意組合，進而向樣品臺提供由多種偏置電壓組成的偏置電壓。可選擇地，多孔結(jié)構(gòu)的襯底的制備裝置還可包括監(jiān)視注入腔室內(nèi)的各種工藝狀況 的監(jiān)控部件，例如監(jiān)視腔室內(nèi)的電子溫度、等離子體密度、離子體電勢、離子質(zhì)譜分布和發(fā) 射光譜等。等離子體電源和可施加偏置電壓的電源的功率可按一定的控制規(guī)則進行調(diào)節(jié)， 如果采用脈沖形式供電，那么等離子體電源和可施加偏置電壓的電源的頻率、占空比、脈寬 也可按照一定的控制規(guī)則進行調(diào)節(jié)?？墒┘悠秒妷旱碾娫纯砂匆欢ǖ目刂埔?guī)則調(diào)整其所 施加的偏置電壓。如圖6、圖7和圖8所示，本發(fā)明不僅可以只利用等離子體浸沒離子注入來直接制 備多孔結(jié)構(gòu)的襯底，而且還可以與其它工藝配合制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底。例如，在等離子體浸 沒離子注入制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底(步驟20)之前，可對襯底進行預(yù)處理(步驟10)。在等離 子體浸沒離子注入制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底(步驟20)之后，可對所制成的多孔結(jié)構(gòu)的襯底進 行后處理(步驟30)。這些處理可根據(jù)實際需要來選擇。在圖6中，使用了襯底預(yù)處理和 多孔結(jié)構(gòu)的襯底后處理；在圖7中，只使用了襯底預(yù)處理；在圖8中，只使用了多孔結(jié)構(gòu)的 襯底后處理。其中，襯底預(yù)處理的方式包括襯底的清洗、拋光、摻雜、退火、腐蝕、制絨(也可 稱為絨化)和/或圖形化等工藝。多孔結(jié)構(gòu)的襯底后處理的方式包括多孔結(jié)構(gòu)的襯底的清 洗、拋光、摻雜、退火、腐蝕、制絨(也可稱為絨化)和/或圖形化等工藝。如圖9所示，本發(fā)明實施方式提供的等離子體浸沒離子注入制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底 過程包括如下步驟步驟201，將襯底放置于多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置內(nèi)；該襯底可為經(jīng)諸如清洗、拋 光、摻雜、退火、腐蝕、制絨(也可稱為絨化)和/或圖形化的預(yù)處理后得到的襯底，襯底形 狀可為圓形、方形或矩形等等常規(guī)形狀，也可為其它任意的復(fù)雜形狀；多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備 裝置可為等離子體浸沒離子注入機，襯底放置在該裝置的注入腔室內(nèi)，并且放置于樣品臺； 在一些實施方式中，多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置包括可施加偏置電壓的電源，此時可使得襯 底與樣品臺電氣連接，由于樣品臺與可施加偏置電壓的電源電氣連接，所以襯底與可施加 偏置電壓的電源電氣連接；在某個條件下，啟動可施加偏置電壓的電源，即可向襯底施加偏置電壓；步驟202，調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的工藝參數(shù)，使之達到可產(chǎn)生等離子體的 工作條件；這些工藝參數(shù)可包括注入腔室的本底壓強和工作壓強，注入氣體的流量，抽取氣 體的速度，混合氣體組成成分、組成比例和濃度，等離子體電源的輸出功率和頻率，可施加 偏置電壓的電源所施加的偏置電壓，如果采用脈沖形式，還包括脈寬、占空比和頻率；這些 工藝參數(shù)可根據(jù)所需加工的襯底尺寸、所制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的性能等實際情況來預(yù)先設(shè) 定，也可在加工過程中根據(jù)需要現(xiàn)場修改；在加工過程中，監(jiān)控這些工藝參數(shù)，通過按照一 定規(guī)則來調(diào)節(jié)多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的各部件，使這些參數(shù)達到合乎工藝要求的數(shù)值范 圍或預(yù)先設(shè)定的數(shù)值范圍；注入腔室的本底壓強范圍可為KT7Pa lOOOPa，優(yōu)選地可為ICT5Pa 10Pa，更 為優(yōu)選地可為KT5Pa ICT3Pa ；注入腔室的工作壓強范圍可為ICT3Pa lOOOPa，優(yōu)選為 0. OlPa lOOPa，更為優(yōu)選地可為0. IPa 50Pa ；注入氣體可為由具有刻蝕作用的氣體和具有鈍化作用的氣體組成的混合氣體，具 有刻蝕作用的氣體包括 SF6、CF4, CHF3> C4F8, NF3> SiF4, C2F6, HF、BF3> PF3> Cl2, HCl、SiH2Cl2, SiCl4^BCl3或HBr，具有鈍化作用的氣體包括02、N20或N2，優(yōu)選地可由多種具有刻蝕作用的 氣體和多種具有鈍化作用的氣體組成，更為優(yōu)選地可由一種具有刻蝕作用的氣體和一種具 有鈍化作用的氣體組成，例如由SF6和O2組成的混合氣體，或者由CF4和N2組成的混合氣 體，在滿足混合氣體由具有刻蝕作用的氣體和具有鈍化作用的氣體組成并且具有刻蝕作用 的氣體與具有鈍化作用的氣體之間的體積比為0. 01 100條件下，這些氣體混合方式可 以是任意的；具有刻蝕作用的氣體與具有鈍化作用的氣體之間的體積比還可優(yōu)選為0. 1 80，更為優(yōu)選地可為1 20 ；混合氣體的流量可為1 lOOOsccm，優(yōu)選為10 lOOsccm，更 為優(yōu)選地可為20 80sccm ；等離子體電源的輸出功率為1 100000W，優(yōu)選為10 50000W，更為優(yōu)選地可為 300 5000W ；所施加偏置電壓為-100000 100000V，優(yōu)選為-50000 50000V，更為優(yōu)選 地可為-10000 OV ；脈寬為Ius ls，優(yōu)選為Ius 0. ls，更為優(yōu)選地可為Ius Ims ；占 空比為 99%，優(yōu)選為10% 90%，更為優(yōu)選地可為20% 80% ；等離子體電源的頻 率為直流 IOGHz，優(yōu)選為IMHz 5GHz，更為優(yōu)選地可為13. 56MHz 5GHz ；可施加偏置電 壓的電源的頻率為直流 IOGHz ；步驟203，在等離子體產(chǎn)生且浸沒襯底之后，由于向襯底施加偏置電壓而在襯底和 等離子體之間所形成鞘層電場的加速作用下，位于鞘層電場內(nèi)和從等離子體進入鞘層電場 的反應(yīng)離子直接注入至襯底內(nèi)；步驟204，反應(yīng)離子與襯底發(fā)生反應(yīng)，例如在注入氣體為由SF6和O2組成的混合 氣體的情況下，經(jīng)電離后，SF6和O2分別產(chǎn)生F*基團和Cf基團，其中F*基團通過與Si形成 SiF4,進而對Si形成刻蝕作用；同時，Cf基團在刻蝕壁表面形成SixOyFz，對刻蝕壁產(chǎn)生鈍化 作用；因此，在刻蝕和鈍化的雙重作用下，最終形成了多孔或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)的襯底。在本發(fā)明利用等離子體浸沒離子注入制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法中，調(diào)整多孔結(jié) 構(gòu)的襯底制備裝置的工藝參數(shù)是相當(dāng)重要的步驟，圖10、圖11和圖12分別給出了完成該步 驟的若干子步驟的示例，這些子步驟可替換、合并或取消，例如調(diào)整混合氣體組成比例、混 合氣體流量和抽取速度可同時調(diào)整或選擇其中之一或之二進行調(diào)整，也可不調(diào)整混合氣體的各項參數(shù)。因此，為了簡便，本文中將不再枚舉調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的工藝參數(shù) 使之實現(xiàn)等離子體的產(chǎn)生所需的子步驟的組合。應(yīng)當(dāng)注意到，在本文以及附圖中，相同的標(biāo) 號表示相似的操作。經(jīng)以上步驟可制備出如圖3所示的多孔結(jié)構(gòu)的襯底。該襯底的表面形貌呈無序多 孔狀，孔的深度小于襯底的厚度，孔相互獨立，孔內(nèi)各不連通?？椎钠骄讖酱笮≡?0納米 到2微米之間?？自谝r底表面上的面積密度為0. 01 0. 91?？椎钠骄咨钤?0納米到 10微米之間。襯底可由Si基材料、GaN基材料、InP基材料、GaAs基材料、Ge基材料、碳基 材料、SiNx, SiO2, SiC、GeSi, ZnO, Ti02、CdS或其他等同替代物制成，并且所述襯底摻雜一定 量的B、P、Se或As。如圖10所示，調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的工藝參數(shù)的第一種實施方式包括 如下步驟步驟2022，等離子體源的抽真空系統(tǒng)抽取注入腔室內(nèi)的氣體；步驟2024，抽真空系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置判斷注入腔室的壓強是否進入預(yù)先設(shè)定的本 底壓強范圍，例如，是否在10_5Pa 10_3Pa的范圍內(nèi)，若是，進入步驟2026，否則，返回步驟 2022 ；步驟2026，向注入腔室充入混合氣體，例如由SF6和02組成的混合氣體；步驟2027，抽真空系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置判斷注入腔室的壓強是否進入預(yù)先設(shè)定的 工作壓強范圍，例如是否在0. IPa 50Pa的范圍內(nèi)，若是，進入步驟2032，否則，進入步驟 2029 ；步驟2029，供氣系統(tǒng)中的供氣裝置調(diào)整混合氣體的流量和/或調(diào)整抽取注入腔室 內(nèi)的氣體的抽取速度，例如可調(diào)節(jié)流量計或氣泵或管路中的閥，返回步驟2027 ；步驟2032，啟動等離子體電源，產(chǎn)生一定密度和電子溫度的等離子體，同時由可施 加偏置電壓的電源向放置在樣品臺上的襯底施加偏置電壓，等離子體電源可為射頻電源， 頻率為13. 56MHz，輸出功率可為800W，可施加偏置電壓的電源可為脈沖直流電源，脈寬為 IOus,占空比為20%，頻率為20kHz，所施加的偏置電壓為-20000V ；步驟2035，設(shè)置注入時間，開始注入，注入時間可根據(jù)具體情況設(shè)置，例如所需制 備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的性能、襯底的形狀尺寸、等離子體的密度以及其它的一些工藝參數(shù)，都 會對注入時間有一定影響。如圖11所示，調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的工藝參數(shù)的另一種實施方式包括 如下步驟步驟2022，等離子體源的抽真空系統(tǒng)抽取注入腔室內(nèi)的氣體；步驟2024，抽真空系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置判斷注入腔室的壓強是否進入預(yù)先設(shè)定的本 底壓強范圍，例如是否在IOPa IOOOPa的范圍內(nèi)，若是，進入步驟2026，否則，返回步驟 2022 ；步驟2026，向注入腔室充入混合氣體，例如由CF4和N2組成的混合氣體；步驟2028，供氣系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置判斷在混合氣體中具有刻蝕作用的氣體與所述 具有鈍化作用的氣體之間的體積比是否進入預(yù)先設(shè)定的體積比范圍，例如CF4和N2的體積 比是否在0. 1 10，若是，進入步驟2032，否則，進入步驟2030 ；步驟2030，供氣系統(tǒng)中的供氣裝置調(diào)整混合氣體的混合比例，返回步驟2028 ；
步驟2032，啟動等離子體電源，產(chǎn)生一定密度和電子溫度的等離子體，同時由可施 加偏置電壓的電源向放置在樣品臺上的襯底施加偏置電壓，等離子體電源可為微波電源， 頻率為2. 4GHz，輸出功率可為1000W，可施加偏置電壓的電源可為脈沖直流電源，脈寬為 25us，占空比為50%，頻率為20kHz，所施加的偏置電壓為-2000V ；步驟2035，設(shè)置注入時間，開始注入，注入時間可根據(jù)具體情況設(shè)置，例如所需制 備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的性能、襯底的形狀尺寸、等離子體的密度以及其它的一些工藝參數(shù)，都 會對注入時間有一定影響。如圖12所示，調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的工藝參數(shù)的第三種實施方式包括 如下步驟步驟2022，等離子體源的抽真空系統(tǒng)抽取注入腔室內(nèi)的氣體；步驟2024，抽真空系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置判斷注入腔室的壓強是否進入預(yù)先設(shè)定的 本底壓強范圍，例如是否在IPa IOOPa的范圍內(nèi)，若是，進入步驟2026，否則，返回步驟 2022 ；步驟2026，向注入腔室充入混合氣體，例如由SF6和O2組成的混合氣體；步驟2028，供氣系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置判斷在混合氣體中具有刻蝕作用的氣體與所述 具有鈍化作用的氣體之間的體積比是否進入預(yù)先設(shè)定的體積比范圍，例如SF6和O2的體積 比是否在0. 5 20，若是，進入步驟2032，否則，進入步驟2030 ；步驟2030，供氣系統(tǒng)中的供氣裝置調(diào)整混合氣體的混合比例，返回步驟2028 ；步驟2032，啟動等離子體電源，產(chǎn)生一定密度和電子溫度的等離子體，同時由可施 加偏置電壓的電源向放置在樣品臺上的襯底施加偏置電壓，等離子體電源可為可變頻率的 射頻電源，最高頻率為60MHz，最大輸出功率可為3000W，可施加偏置電壓的電源可為脈沖 直流電源，最小脈寬為lOOus，占空比為25%，最高頻率為2. 5kHz，所施加的最大偏置電壓 為-5000V ；步驟2033，等離子體電源的監(jiān)控裝置(例如，由定向耦合器和控制器組成的監(jiān)控 裝置)判斷等離子體電源的輸出功率和/或頻率是否進入預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍(例如等離 子體電源的輸出功率范圍為2000W 3000W和等離子體電源頻率范圍為IOMHz 60MHz)， 以及可施加偏置電壓的電源的監(jiān)控裝置判斷脈寬、占空比、頻率和/或所施加的偏置電壓 是否在預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍內(nèi)(例如，脈寬范圍為IOOus 10ms，占空比范圍為25% 50%,電源頻率為50Hz 2. 5kHz，所施加的偏置電壓范圍為-1000V -5000V)，若滿足要 求，進入步驟2038，否則，進入步驟2036 ；步驟2034，按照一定的控制規(guī)則，調(diào)整相應(yīng)的等離子體電源的輸出功率、頻率、可 施加偏置電壓的電流的脈寬、占空比、頻率和/或偏置電壓，返回步驟2053 ；步驟2035，設(shè)置注入時間，開始注入，注入時間可根據(jù)具體情況設(shè)置，例如所需制 備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的性能、襯底的形狀尺寸、等離子體的密度以及其它的一些工藝參數(shù)，都 會對注入時間有一定影響。應(yīng)當(dāng)注意地，在本發(fā)明中，將等離子體中的反應(yīng)離子注入至所述襯底內(nèi)，并不排除 將等離子體中的不參與反應(yīng)離子一并注入至襯底內(nèi)，因為在某些情況下，多孔結(jié)構(gòu)的襯底 制備裝置所產(chǎn)生的等離子體包括有不參與反應(yīng)的離子，在浸沒離子注入工藝過程中，會將 這些不參與反應(yīng)的離子一同注入襯底內(nèi)。
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應(yīng)當(dāng)注意地，本文所提及的控制規(guī)則可為常見的反饋控制算法、PID控制算法、模 糊控制算法、遺傳控制算法，或者是根據(jù)一定經(jīng)驗知識而設(shè)計的專家系統(tǒng)；控制方案可由電 子線路方式實現(xiàn)，也可由機械方式實現(xiàn)，或者由適于實際調(diào)節(jié)的技術(shù)方案來實現(xiàn)。其中，電 子線路控制方案包括硬布線電路邏輯控制(例如由分立元件組成的電路或者由FPGA、CPLD 或GAL等組成的電路)、微控制器控制(例如單片機、DSP或ARM等)和計算機控制。應(yīng)當(dāng)注意地，本文所提及的預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍，包括范圍的邊界值，例如本底壓 強范圍為KT7Pa lOOOPa，KT7Pa和IOOOPa也屬于本底壓強范圍。在實際工藝過程中，預(yù) 先設(shè)置的數(shù)值范圍可根據(jù)工藝需要而由控制算法自行調(diào)整或由操作人員手動調(diào)整。在本文 中，“和/或”是指兩種以上的選項不僅可以只選擇其中之一，而且還可以選擇兩個以上的選 項；多種選項的組合根據(jù)實際工藝狀況而確定。應(yīng)當(dāng)注意地，在本發(fā)明中，調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的工藝參數(shù)的步驟不僅 可以在將襯底放置于多孔結(jié)構(gòu)的襯底制備裝置的步驟之后，也可以在將襯底放置于多孔結(jié) 構(gòu)的襯底制備裝置的步驟之前，根據(jù)需要，預(yù)先調(diào)整工藝參數(shù)的初始值；并且，在等離子體 產(chǎn)生和注入的過程，也可以根據(jù)工藝要求和需要，對相應(yīng)的工藝參數(shù)進行合適的調(diào)整(包 括手動調(diào)整和自動調(diào)整)，以制備滿足性能要求或性能更優(yōu)的多孔結(jié)構(gòu)的襯底。由于本發(fā)明采用等離子體浸沒離子注入工藝來制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底，屬于干法工 藝，不需要加入電解腐蝕溶液，因此加工過程無需清除電解液，進而結(jié)構(gòu)控制方便，最終形 成的結(jié)構(gòu)易于控制；而且與繁瑣的激光掃描加工相比，本方法控制方便，操作簡單，有利于 批量的太陽能電池的制備。上述實施方式為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施方 式的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡 化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多孔結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于所述襯底的表面形貌呈無序多孔狀，所述孔的深度小于所述襯底的厚度，所述孔相互獨立，孔內(nèi)各不連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于 所述孔的平均孔徑大小在10納米到2微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于 所述孔在所述襯底表面上的面積密度為0. 01 0. 91。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于 所述孔的平均孔深在50納米到10微米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的多孔結(jié)構(gòu)的襯底，其特征在于所述襯底由Si基材料、GaN基材料、InP基材料、GaAs基材料、Ge基材料、碳基材料、 SiNx, SiO2, SiC、GeSi、ZnO、TiO2 或 CdS 制成。
6.一種制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法，其特征在于，包括如下步驟 將所述襯底放置于所述襯底制備裝置的注入腔室內(nèi)；調(diào)整所述襯底制備裝置的工藝參數(shù)進入預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍； 將所述襯底制備裝置產(chǎn)生的等離子體中的反應(yīng)離子注入至所述襯底內(nèi)；及 所述反應(yīng)離子與所述襯底發(fā)生反應(yīng)，形成多孔襯底；其中，所述多孔襯底的表面形貌呈 無序多孔狀，所述孔的深度小于所述襯底的厚度，所述孔相互獨立，孔內(nèi)各不連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將所述襯底放置于所述襯底制備裝置的 注入腔室內(nèi)還包括將所述襯底與施加偏置電壓的電源電氣連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整所述襯底制備裝置的工藝參數(shù) 進入預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍包括抽取所述注入腔室內(nèi)的氣體，使得所述注入腔室的壓強進入預(yù)先設(shè)置的本底壓強范 圍，所述預(yù)先設(shè)置的本底壓強范圍為10_7Pa IOOOPa ；向所述注入腔室充入混合氣體，調(diào)整所述混合氣體的流量，使得所述注入腔室的壓強 進入預(yù)先設(shè)置的工作壓強范圍，所述預(yù)先設(shè)置的工作壓強范圍為10_3Pa IOOOPa ；及調(diào)整所述混合氣體中的所述具有刻蝕作用的氣體與所述具有鈍化作用的氣體之間的 體積比進入預(yù)先設(shè)置的體積比范圍，所述預(yù)先設(shè)置的體積比范圍為0. 01 100。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述具有刻蝕作用的氣體包括SF6、CF4, CHF3> C4F8, NF3> SiF4, C2F6, HF、BF3> PF3> Cl2, HCl、SiH2Cl2, SiCl4, BCl3 或 HBr，所述具有鈍化 作用的氣體包括O2、N2O或N2。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9任一項所述的方法，其特征在于所述孔的平均孔徑大小在10納米到2微米之間；所述孔在所述襯底表面上的面積密度 為0. 01 0. 91 ；所述孔的平均孔深在50納米到10微米之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多孔結(jié)構(gòu)的襯底，所述襯底的表面形貌呈無序多孔狀，所述孔的深度小于所述襯底的厚度，所述孔相互獨立，孔內(nèi)各不連通。本發(fā)明還提供一種制備所述多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法，包括將所述襯底放置于所述襯底制備裝置的注入腔室內(nèi)；調(diào)整所述襯底制備裝置的工藝參數(shù)進入預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍；將所述襯底制備裝置產(chǎn)生的等離子體中的反應(yīng)離子注入至所述襯底內(nèi)；及所述反應(yīng)離子與所述襯底發(fā)生反應(yīng)，形成多孔襯底。本發(fā)明所述的多孔結(jié)構(gòu)的襯底底部無連通，利用此多孔結(jié)構(gòu)的襯底來制造太陽能電池有利于光的吸收、載流子輸運和收集；本發(fā)明所提供的制備多孔結(jié)構(gòu)的襯底的方法工藝簡單，控制方便，無需清洗。
文檔編號H01L31/0352GK101964367SQ201010260058
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者劉杰, 劉邦武, 夏洋, 李勇滔, 李超波, 汪明剛 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所