本發(fā)明涉及一種黑硅層制作技術，尤其涉及一種采用鋁硅共晶薄膜輔助干法刻蝕制備黑硅層的方法。

背景技術：

硅光電探測器(pin/apd)具有暗電流小、靈敏度高、成本低等優(yōu)點，在光纖通訊、激光測距、三維成像、激光制導等領域都有廣泛的應用。為進一步提升系統(tǒng)性能、擴展應用范圍，一種較好的途徑就是提高硅光電探測器對近紅外波段(800～1100nm)的響應率；基于現有技術可知，黑硅層同時具有微納結構陷光作用和光電流內部倍增作用，其對800～1700nm光譜范圍具有很高的吸收率(≥80％)，因此，在硅光電探測器中設置黑硅層是一種提高硅光電探測器近紅外波段響應率的較好手段。

黑硅層在硅光電探測器中一般作為光敏吸收層使用，在制作黑硅層時，為提高黑硅層對近紅外光的吸收率，通常要求制作出的黑硅層具有較深和較大深寬比的微納陷光結構，此外，制作工藝還需要具有晶格損傷低、均勻性高、重復性好的特性，才能獲得低暗電流、低噪聲、低成本的光電探測器，同時，為保障器件性能與生產線的工藝安全，制作工藝還必須與硅光電器件工藝兼容，不能引入重金屬沾污，否者將引起器件性能的大幅度退化或失效。

現有技術中，常見的黑硅制備方法有飛秒激光掃描法、金屬離子輔助濕法化學腐蝕法、無掩膜干法刻蝕法、納米壓印法等：飛秒激光掃描法采用飛秒激光脈沖作用到硅片表面，獲得針狀或柱狀的黑硅結構，其具有黑硅形貌佳、紅外吸收增強效果好的優(yōu)點，但是這種方法存在設備昂貴、黑硅產能極低、晶格損傷較大的缺點；金屬離子輔助濕法化學腐蝕法是采用au⁺、pt⁺、mn⁺、ni⁺、cu⁺等離子輔助濕法腐蝕形成金字塔或孔狀黑硅，具有設備簡單、制作成本低的優(yōu)勢，但該方法容易引入金屬離子沾污，會導致器件性能大幅退化；無掩膜干法刻蝕法采用等離子體自身的晶向選擇刻蝕和微掩膜作用形成柱狀黑硅結構，具有工藝簡單的優(yōu)勢，但是存在片間/片內均勻性差、工藝重復性差等問題；納米壓印法一般采用納米壓印方式先在硅片表面形成黑硅微納結構掩膜，然后采用干法刻蝕將掩膜圖形轉移到硅襯底形成黑硅結構，該方法具有均勻性好、結構可設計的優(yōu)點，但也存在成本高、近紅外吸收增強效果較差(納米壓印黑硅微結構較淺，否者微結構在納米壓印時無法倒模)等缺點。

技術實現要素：

針對背景技術中的問題，本發(fā)明提出了一種采用鋁硅共晶薄膜輔助干法刻蝕制備黑硅層的方法，其創(chuàng)新在于：所述方法的步驟為：

1)提供硅片；對硅片表面進行清洗；

2)硅片上用于制作黑硅層的區(qū)域記為操作區(qū)；采用電子束蒸發(fā)鍍膜工藝或磁控濺射鍍膜工藝，在操作區(qū)表面生長鋁硅共晶薄膜；

3)采用等離子刻蝕工藝對鋁硅共晶薄膜中的硅進行選擇性刻蝕，將鋁硅共晶薄膜中的硅刻蝕掉；

4)利用鋁硅共晶薄膜中殘留的鋁作為掩膜，采用等離子刻蝕工藝對操作區(qū)上的硅進行選擇性刻蝕，從而在操作區(qū)上形成黑硅層；

5)采用等離子刻蝕工藝對所述掩膜進行選擇性刻蝕，將掩膜刻蝕掉，然后對黑硅層進行清洗。

本發(fā)明的原理是：基于現有技術可知，鋁硅共晶薄膜是一種現有材料，鋁硅共晶薄膜在硅片上的附著性較好，常用于制作硅光電器件中的電極；現有技術在制作鋁硅共晶薄膜時，常采用電子束蒸發(fā)鍍膜工藝或磁控濺射鍍膜工藝，不僅工藝十分成熟，而且與其他硅光電器件工藝的兼容性較好；

基于現有理論可知，在鋁硅共晶薄膜中，鋁和硅的分布均勻性較好，并且鋁硅共晶薄膜中鋁和硅的含量可調，硅含量越少，鋁的晶粒尺寸就越大，反之鋁的晶粒尺寸就越小，也即是說可以通過調節(jié)鋁和硅的含量來控制鋁的晶粒尺寸，具體的調節(jié)手段也是現有技術；

基于現有的刻蝕工藝理論可知，通過工藝參數調節(jié)，可以使等離子刻蝕工藝以較大的刻蝕選擇比對硅和鋁進行選擇刻蝕，從而選擇性地去掉硅保留鋁或去掉鋁保留硅，從制備黑硅層的角度來看，鋁硅共晶薄膜能夠很好地附著在硅片上，若以較大的刻蝕選擇比將鋁硅共晶薄膜中的硅刻蝕掉而保留下鋁，結合到前述的鋁晶粒尺寸控制，就能在硅片上制作出刻蝕黑硅層所需的、附著性較好的、具備微納結構的鋁掩膜，黑硅層制作好后，也能夠十分容易地將鋁掩膜從黑硅層上去除，于是本發(fā)明便應運而生了。

相較于現有的黑硅層制作方法，得益于鋁硅共晶薄膜中鋁的晶粒尺寸可調，本發(fā)明很容易地就能通過對鋁硅共晶薄膜進行選擇性刻蝕來得到具備微納結構的鋁掩膜，進而制作出形貌優(yōu)良的黑硅層，并且在本發(fā)明中，掩膜制作與黑硅刻蝕實現了很好的分離，可以單獨優(yōu)化工藝參數，同時，工藝過程中，無高能射線或高能離子轟擊，硅片損傷低，此外，鋁硅共晶薄膜淀積操作、鋁硅分離操作、黑硅刻蝕操作和鋁選擇性刻蝕操作都可采用標準的硅工藝設備實現，工藝要求較低，黑硅的片內/片間均勻性、工藝重復性都能夠得到較好的保障，還不會引入重金屬離子沾污，與硅光電器件工藝的兼容性也較好，再有，工藝過程中的鋁硅分離操作、黑硅刻蝕操作和鋁選擇性刻蝕操作可以在同一個設備上的不同腔體中完成，因此可以大幅減小工藝時間，提高生產效率。

優(yōu)選地，步驟1)中，采用rca清洗工藝對硅片表面進行清洗；步驟5)中，采用rca清洗工藝對黑硅層進行清洗。

優(yōu)選地，步驟3)中，刻蝕操作的工藝氣體采用sf6、cf4或chf3，輔助氣體采用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對硅和鋁的刻蝕選擇比大于5。

優(yōu)選地，步驟4)中，刻蝕操作的工藝氣體采用sf6、cf4或chf3，輔助氣體采用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對硅和鋁的刻蝕選擇比大于10，且對硅的縱向刻蝕速率和橫向刻蝕速率之比大于5。

優(yōu)選地，步驟5)中，刻蝕操作的工藝氣體采用cl2或bcl3，輔助氣體采用n2、ar或he；刻蝕操作對鋁和硅的刻蝕選擇比大于10。

前述方案中未對具體的工藝細節(jié)進行介紹，但發(fā)明人認為，這并不會影響本領域技術人員對本發(fā)明方案的理解和實施，具體理由為：從本發(fā)明的介紹可以明顯看出，本發(fā)明的核心在于采用鋁硅共晶薄膜來形成具備微納結構的鋁掩膜，具體的工藝細節(jié)則不是本發(fā)明的創(chuàng)新點，此外，本發(fā)明所采用的工藝均為現有技術中的常見工藝，所列舉的工藝氣體和輔助氣體也都是現有的等離子刻蝕工藝中常用的工藝氣體和輔助氣體，優(yōu)選方案中所提出的刻蝕選擇比參數及刻蝕速率比參數在現有的等離子刻蝕工藝中也較為常見，在本發(fā)明揭示了利用鋁硅共晶薄膜的特性來制作鋁掩膜的原理后，本領域技術人員完全有能力利用現有知識來實施本發(fā)明，再考慮到設備參數也是決定刻蝕效果的重要因素之一，而設備種類多種多樣、難以窮舉，故前述方案中未示出具體的工藝參數。

本發(fā)明的有益技術效果是：提出了一種采用鋁硅共晶薄膜輔助干法刻蝕制備黑硅層的方法，該方法對硅片的晶格損傷低、均勻性高、重復性好、工藝簡單、成本低、與硅光電器件工藝的兼容較好，掩膜制作與黑硅刻蝕實現了很好的分離，可以單獨優(yōu)化工藝參數，同時，受益于鋁硅共晶薄膜選擇性刻蝕所形成的微納結構的鋁掩膜，很容易就能制作出形貌優(yōu)良的黑硅層。

附圖說明

圖1、本發(fā)明方法制作出的黑硅層的掃描電子顯微鏡照片一(俯視)；

圖2、本發(fā)明方法制作出的黑硅層的掃描電子顯微鏡照片二(剖面)。

具體實施方式

一種采用鋁硅共晶薄膜輔助干法刻蝕制備黑硅層的方法，其創(chuàng)新在于：所述方法的步驟為：

1)提供硅片；對硅片表面進行清洗；

2)硅片上用于制作黑硅層的區(qū)域記為操作區(qū)；采用電子束蒸發(fā)鍍膜工藝或磁控濺射鍍膜工藝，在操作區(qū)表面生長鋁硅共晶薄膜；

3)采用等離子刻蝕工藝對鋁硅共晶薄膜中的硅進行選擇性刻蝕，將鋁硅共晶薄膜中的硅刻蝕掉；

4)利用鋁硅共晶薄膜中殘留的鋁作為掩膜，采用等離子刻蝕工藝對操作區(qū)上的硅進行選擇性刻蝕，從而在操作區(qū)上形成黑硅層；

5)采用等離子刻蝕工藝對所述掩膜進行選擇性刻蝕，將掩膜刻蝕掉，然后對黑硅層進行清洗。

進一步地，步驟1)中，采用rca清洗工藝對硅片表面進行清洗；步驟5)中，采用rca清洗工藝對黑硅層進行清洗。

進一步地，步驟3)中，刻蝕操作的工藝氣體采用sf6、cf4或chf3，輔助氣體采用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對硅和鋁的刻蝕選擇比大于5。

進一步地，步驟4)中，刻蝕操作的工藝氣體采用sf6、cf4或chf3，輔助氣體采用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對硅和鋁的刻蝕選擇比大于10，且對硅的縱向刻蝕速率和橫向刻蝕速率之比大于5。

進一步地，步驟5)中，刻蝕操作的工藝氣體采用cl2或bcl3，輔助氣體采用n2、ar或he；刻蝕操作對鋁和硅的刻蝕選擇比大于10。

實施例：

1)提供硅片；對硅片表面進行清洗；采用槽式rca清洗工藝，具體流程依次為：spm(v(h2so4):v(h2o2)＝4:1)清洗10mins、去離子水沖洗15mins、sc1(v(nh3·h2o):v(h2o2):v(h20)＝1:2:10)清洗10mins，去離子水沖洗10mins，sc2(v(hcl):v(h2o2):v(h20)＝1:4:12)清洗10mins，去離子水沖洗10mins，甩干。

2)硅片上用于制作黑硅層的區(qū)域記為操作區(qū)；采用磁控濺射鍍膜工藝，在操作區(qū)表面生長鋁硅共晶薄膜；采用appliedmaterials的endura磁控濺射臺，工藝參數為氣壓2mtorr，dc功率10600w，ar氣體流量35sccm，生長速率～600nm/mins，生長時間5～60s。

3)采用等離子刻蝕工藝對鋁硅共晶薄膜中的硅進行選擇性刻蝕，將鋁硅共晶薄膜中的硅刻蝕掉；采用appliedmaterials的centura刻蝕設備，刻蝕工藝參數為氣壓150mtorr，dc功率350w，磁場強度為50gauss，氣體組成及流量為sf6/cf4/o2：50/25/20sccm，刻蝕時間20～180s。

4)利用鋁硅共晶薄膜中殘留的鋁作為掩膜，采用等離子刻蝕工藝對操作區(qū)上的硅進行選擇性刻蝕，從而在操作區(qū)上形成黑硅層；采用appliedmaterials的centura刻蝕設備，刻蝕工藝參數為氣壓80mtorr，dc功率550w，磁場強度為50gauss，氣體組成及流量為sf6/hbr2/o2：50/35/20sccm，刻蝕時間20～180s。

5)采用等離子刻蝕工藝對所述掩膜進行選擇性刻蝕，將掩膜刻蝕掉，采用appliedmaterials的centura刻蝕設備，刻蝕工藝參數為氣壓200mtorr，dc功率500w，磁場強度為20gauss，氣體組成及流量為bcl3/n2/cl2：50/25/30sccm。

6)對黑硅層進行清洗。采用槽式rca清洗工藝，具體流程依次為：spm(v(h2so4):v(h2o2)＝4:1)清洗10mins、去離子水沖洗15mins、sc1(v(nh3·h2o):v(h2o2):v(h20)＝1:2:10)清洗10mins，去離子水沖洗10mins，sc2(v(hcl):v(h2o2):v(h20)＝1:4:12)清洗10mins，去離子水沖洗10mins，甩干。

參見圖1、2，經測量，黑硅徑向寬度約0.1～1μm，深度可達5μm，本方法制備的黑硅可大幅提高硅材料在近紅外波段的吸收率。本發(fā)明與常規(guī)的黑硅制作方法相比，無高能射線或高能離子轟擊，損傷低，制作的光電器件暗電流也更??；鋁硅共晶薄膜淀積、鋁硅分離、黑硅刻蝕、鋁選擇性刻蝕等工藝都可采用標準的硅工藝設備制作，黑硅形貌也可以通過這些程序進行優(yōu)化控制，工藝要求也較低，因此黑硅的片內/片間均勻性、工藝重復性都能夠得到保障，工藝成本也較低；同時還不引入重金屬離子沾污，與硅光電器件工藝兼容性也好。