專利名稱：一種用于黑硅制備的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體制造領(lǐng)域，具體涉及微納加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于黑硅制備的設(shè)備。
背景技術(shù)：
黑硅是一種電子產(chǎn)業(yè)革命性的新型材料結(jié)構(gòu)，與一般的硅材料結(jié)構(gòu)相比，黑硅對光具有很強的吸收能力。其制備開始于1998年美國哈佛大學Eric Mazur教授的飛秒激光法實驗。在實驗中，Eric Mazur教授通過用超強和超短時間激光束(飛秒激光器)對硅片進行掃描，使硅片表面形成了一種森林狀的納米尺度的錐狀表面。這種納米森林的表面結(jié)構(gòu)在幾乎整個太陽光譜范圍內(nèi)具有超過90%的光吸收率，極大地拓展了硅基材料的光譜吸收范圍，即這種新材料對太陽光具有幾乎黑體吸收的效果，表面呈現(xiàn)黑色，故稱之為“黑硅”。如果將黑硅應用于光學傳感器或太陽能電池，那么感光效率會提高上百倍，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率也可以顯著提高。然而，采用飛秒激光器來制備黑硅，工藝相當復雜，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。其它黑硅制備工藝主要包括光刻膠微掩膜法、 納米球光刻法、電子束光刻法(EBL)、聚焦離子束法(FIB)和激光刻蝕法等。前兩種工藝需要刻蝕掩膜，增加了工藝成本和復雜性，且在微米尺度結(jié)構(gòu)表面制作掩膜依然是一大技術(shù)難題，更為重要的是利用它們在微米尺度結(jié)構(gòu)上制作納米尺度黑硅結(jié)構(gòu)時，會刻蝕去除大量微米尺度結(jié)構(gòu)，從而導致微米尺度結(jié)構(gòu)失效，甚至消失。而后三種工藝雖然可以在微米尺度結(jié)構(gòu)上刻蝕形成納米尺度黑硅結(jié)構(gòu)，但單次工藝作用范圍小，只適用于小尺寸加工，并不能滿足大尺寸如晶片級加工，而太陽能電池單元尺寸通常大于IOcmX IOcm，且更為重要的是利用它們在微米尺度結(jié)構(gòu)上制作納米尺度黑硅結(jié)構(gòu)時，由于微米尺度結(jié)構(gòu)表面的不平整和非均一性，很難在整個表面同時制備高深寬比高密度納米尺度黑硅結(jié)構(gòu)。中國專利說明書CN 101734611B (授權(quán)公告日2011年08月31日)提出了一種基于無掩模深反應離子刻蝕制備黑硅的方法。通過調(diào)節(jié)選取合適的刻蝕工藝參數(shù)，在無需任何納米掩膜的條件下即可在硅片表面生成大范圍、高密度的納米結(jié)構(gòu)，并且該制備黑硅的方法效率高、成本低、且能夠與其他微加工工藝集成。然而在傳統(tǒng)的等離子體加工設(shè)備中，一般工藝參數(shù)設(shè)置均為手動操作，很難精確控制；進氣管公用，不同工作氣體在進入反應室之前就已混合，尤其不適合需要交替進氣的黑硅制備工藝；缺少有效的硅片冷卻裝置。因此，傳統(tǒng)等離子體加工設(shè)備因為前述問題而無法恰當?shù)靥幚砉に嚄l件的變化，并且因此無法實現(xiàn)等離子體的高密度和均勻分布。特別是， 隨著近來晶片工藝線尺寸逐步增大，傳統(tǒng)等離子體加工設(shè)備更加難以保持晶片范圍內(nèi)制備黑硅的均勻性。因此，開發(fā)適于大面積、高效率地制備黑硅的設(shè)備成為深入發(fā)展黑硅研究及應用的重要因素
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于黑硅制備的設(shè)備，該設(shè)備可在晶片范圍內(nèi)均勻地制備高密度、高深寬比的黑硅，且制備效率高、成本低，過程控制自動化、簡單方便，便于與其他微加工工藝集成。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于黑硅制備的設(shè)備，包括反應室100、氣體流量控制裝置110、壓強調(diào)控裝置140、冷卻裝置150、線圈功率源組件、平板功率源組件，所述線圈功率源組件包括線圈射頻功率發(fā)生器120、線圈射頻匹配器121、射頻線圈122，所述平板功率源組件包括平板射頻功率發(fā)生器130、平板射頻匹配器131和平板電極132，其特性在于所述反應室100上方設(shè)置石英蓋101，所述反應室100下部安裝有用于放置待加工硅片樣品的支撐臺102 ;所述氣體流量控制裝置110，包括不少于兩條用于通工作氣體的氣路111，其中一側(cè)連接氣瓶，另一側(cè)連接所述反應室100上部；所述線圈射頻功率發(fā)生器120和所述線圈射頻匹配器121相連，所述線圈射頻匹配器121與所述射頻線圈122相連，所述射頻線圈 122位于所述反應室100腔體內(nèi)；所述平板射頻功率發(fā)生器130和所述平板射頻匹配器131 相連，所述射頻匹配器131與所述平板電極132相連；所述壓強調(diào)控裝置140，包括出氣口 141、機械泵142、分子泵143，所述出氣口 141位于所述反應室100下端，所述機械泵142、分子泵143串聯(lián)連接；所述冷卻裝置150直接連接到所述支撐臺102。進一步地，所述線圈射頻功率發(fā)生器120的輸出功率范圍為100W-1200W。進一步地，所述平板電極132分為上電極132-1和下電極132_2分別位于所述反應室100上部和下部。進一步地，所述平板射頻功率發(fā)生器130的輸出功率范圍為3W-150W。進一步地，所述冷卻裝置150的控制溫度為2 V -20 V。進一步地，所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備還包括自動控制單元、可觸摸顯示器、 信號處理模塊、電路控制模塊。使用該設(shè)備制備黑硅的主要工作流程包括向所述反應室內(nèi)裝入待刻硅片，抽取所述反應室本底真空進行初始化，通入所述工作氣體，調(diào)節(jié)所述工作壓強，施加所述線圈射頻功率及所述平板射頻功率進行等離子體穩(wěn)定，設(shè)置所述工藝參數(shù)對硅片進行刻蝕處理， 刻蝕結(jié)束后抽取所述反應室內(nèi)殘留氣體，向所述反應室充氣，打開所述石英蓋并取片；其中，所述本底真空為IO-5Pa-10-3Pa。本發(fā)明的優(yōu)點效果本發(fā)明提供的設(shè)備可自動運行設(shè)備的各個裝置，精確控制工藝參數(shù)，在設(shè)置完相應工藝參數(shù)并啟用自動流程后，除裝片、取片需要人工操作外，其余過程均可自動完成；不同工作氣體由不同氣路通入反應室，并實現(xiàn)每路氣體單獨控制；硅片的支撐臺連接有專門的冷卻裝置；射頻線圈置于反應室側(cè)壁內(nèi)，可產(chǎn)生高密度等離子體并可形成穩(wěn)定輝光；平板射頻功率源組以間歇輸出的方式輸出射頻功率，從而使等離子體的刻蝕作用得到控制和緩沖，達到良好的刻蝕效果。與現(xiàn)有設(shè)備相比，采用本發(fā)明提供的設(shè)備可在晶片范圍內(nèi)均勻地制備高密度、高深寬比的黑硅，且制備效率高、成本低，過程控制自動化、簡單方便，便于與其他微加工工藝集成。


通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯，附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。
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具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細描述。下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。如圖I所示，本發(fā)明提供的用于黑硅制備的設(shè)備包括反應室100，上方為石英蓋101，當所述反應室100內(nèi)外壓強一致時，可以打開。所述反應室100下部安裝有用于放置待加工硅片樣品的支撐臺102。氣體流量控制裝置110，其將工作氣體通入到所述反應室100中。其包括不少于兩條用于通工作氣體的氣路111，其中一側(cè)連接氣瓶，另一側(cè)連接所述反應室100上部，如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，有兩條氣路111-1和111-2，分別連接所述刻蝕氣體 SF6和所述鈍化氣體C4F8 ;設(shè)置在每條氣路上的流量控制器112 (Mass Flow Control，MFC)， 實時精確控制氣體流量；所述MFC112和所述反應室100的之間的每條氣路上分別設(shè)置一個閥門113 ;以及,氣體流量控制單元114。所述氣體流量控制單元114通過控制每個所述 MFC112，設(shè)置每條氣路流過的氣體流量。所述MFC112恒定打開，所述氣路111-1中通入定量的SF6氣體，所述氣路111-2中通入定量的C4F8氣體?？涛g步驟和鈍化步驟的氣體變化通過管路上的所述閥門113實現(xiàn)，當處于刻蝕步驟時，所述閥門113-1打開，所述閥門113-2 關(guān)閉；當處于鈍化步驟時，所述閥門113-1關(guān)閉，所述閥門113-2打開。所述氣體流量控制裝置110的各個部分協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)對每條氣路的氣體流量的獨立控制。線圈功率源組件，包括線圈射頻功率發(fā)生器120，線圈射頻匹配器121和射頻線圈 122，用于將所述工作氣體電離為等離子體。所述線圈射頻功率發(fā)生器120和所述線圈射頻匹配器121相連，所述線圈射頻匹配器121與所述射頻線圈122相連，所述射頻線圈122位于所述反應室100腔體內(nèi)。所述線圈射頻功率發(fā)生器120的輸出功率范圍為100W-1200W。平板功率源組件，包括平板射頻功率發(fā)生器130，平板射頻匹配器131和平板電極 132，用于提供偏置電壓。所述平板射頻功率發(fā)生器130和所述平板射頻匹配器131相連， 所述射頻匹配器131與所述平板電極132相連。所述平板電極分為上電極132-1和下電極 132-2，分別位于所述反應室上部和下部。在等離子體刻蝕工藝中，通常在晶片上施加偏置電壓，從而在晶片附近形成一個非電中性的區(qū)域，即等離子體鞘層。鞘層電場直接控制著入射到晶片上的離子能量分布和角度分布，從而影響等離子體的工藝過程。為符合制備黑硅的工藝要求，所述平板射頻功率源組以間歇輸出的方式輸出射頻功率，在鈍化步驟中輸出平板功率，在刻蝕步驟中不輸出平板功率。所述平板射頻功率發(fā)生器130的輸出功率范圍為 3W-150W。
壓強調(diào)控裝置140，用于調(diào)整所述反應室內(nèi)100壓強。如圖3所示，所述壓強調(diào)控裝置140包括出氣口 141，位于所述反應室100下端，用于抽取所述反應室100內(nèi)氣體；機械泵142，分子泵143，二者串聯(lián)工作抽取高真空，穩(wěn)定性良好，其中所述機械泵142作為前級泵，當閥門144-1打開時，所述機械泵142對所述反應室100進行真空預抽，所述分子泵 143為二級泵，在所述機械泵142把真空降到一定水平后，所述閥門144-1關(guān)閉，閥門144-2 打開，所述分子泵143才可啟動。在本發(fā)明的一個實施例中，真空度小于5Pa時才可啟動所述分子泵143 ;真空計145，與所述反應室100直接相連，用于監(jiān)測所述反應室內(nèi)真空度；薄膜規(guī)146，位于所述出氣口 141附近，所述薄膜規(guī)146檢測所述反應室100的工作壓強并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)處理后通過控制閥門144-3的打開角度，來對所述反應室100的工作壓強進行調(diào)節(jié)；充氣口 147，位于所述反應室100側(cè)壁，打開后與大氣相通，使所述反應室100 與外界壓強一致，以便打開所述石英蓋101。冷卻裝置150，直接連接到所述支撐臺102，用于控制所述支撐臺102溫度，從而控制硅片溫度。在本發(fā)明的一個實施例中，所述冷卻裝置150的控制溫度為2V -20°C。除上述之外，本發(fā)明所提出的設(shè)備還有自動控制單元，包括可觸摸顯示器，可進行參數(shù)設(shè)置，并顯示當前設(shè)備工作狀態(tài)，簡單明了，使得操作簡便、可靠；信號處理模塊，處理各種信號及參數(shù)設(shè)置信息，并發(fā)送相應指令；電路控制模塊，采集信號以及傳遞指令。另外，本發(fā)明所提出的設(shè)備還包括一個主機柜，主要用來放置上述各裝置或模塊， 以及其他零部件，高度合理，操作方便。一體化的整體造型，簡潔的操作界面，十分方便操作。在設(shè)置完相應工藝參數(shù)并啟用自動流程后，除裝片、取片需要人工操作外，其余過程均可自動完成。根據(jù)本發(fā)明所提供的設(shè)備來制備黑硅的工藝包括如下步驟對所述制備黑硅的設(shè)備進行初始化和等離子穩(wěn)定，以使等離子體進行輝光放電；控制所述深反應離子刻蝕制備黑硅的工藝參數(shù)，采用刻蝕與鈍化的方式交替對硅片進行處理。所述深反應離子刻蝕制備黑硅的工藝包括多個循環(huán)進行的刻蝕周期，每個刻蝕周期包括一個刻蝕步驟和一個鈍化步驟。所述刻蝕步驟中，向所述反應室100通入刻蝕氣體，平板功率開啟；所述鈍化步驟中，向所述反應室100通入鈍化氣體，平板功率關(guān)閉；線圈功率在整個周期內(nèi)均開啟，且為恒定值。因此，等離子體是以間歇而不是連續(xù)的方式對硅片進行刻蝕，同時通過設(shè)置刻蝕和鈍化步驟的時間，從而使等離子體的刻蝕作用得到控制和緩沖，達到良好的刻蝕效果。在本發(fā)明的一個實施例中，刻蝕步驟中，刻蝕氣體為SF6,其流量為30sccm—100sccm，平板功率為5W—30W ;鈍化步驟中，鈍化氣體為C4F8,其流量為50sccm—150sccm，平板功率源關(guān)閉；在整個周期內(nèi)，線圈功率為500W—900W。其它所述工藝參數(shù)包括壓強為5Pa—20Pa，刻蝕/鈍化時間比為 IOs 10s—5s 5s，刻蝕 / 鈍化循環(huán) 60—200 次；溫度為 5°C—20°C。本發(fā)明提出的用于黑硅制備的設(shè)備，其主要工作流程包括向所述反應室100內(nèi)裝入待刻硅片，抽取所述反應室100本底真空進行初始化，通入所述工作氣體，調(diào)節(jié)所述工作壓強，施加所述線圈射頻功率及所述平板射頻功率進行等離子體穩(wěn)定，設(shè)置所述工藝參數(shù)對硅片進行刻蝕處理，刻蝕結(jié)束后抽取所述反應室100殘留氣體，向所述反應室100充氣，打開所述石英蓋101并取片。
圖4是本發(fā)明設(shè)備工作流程的一個實施例，包括如下步驟步驟S201，開機，打開設(shè)備總電源開關(guān)，啟動操作系統(tǒng)并打開氣瓶開關(guān)。步驟S202，將硅片置于所述支撐臺102上。該硅片可為經(jīng)諸如清洗、摻雜、腐蝕、和 /或圖形化的預處理后得到的硅片，形狀不限。若所述反應室100內(nèi)已有硅片，則可直接進行下一步；若無，則需向所述反應室100充氣，打開所述石英蓋101，放入硅片。步驟S203，抽取反應室內(nèi)本底真空。所述壓強調(diào)控裝置140依次啟動所述機械泵142和所述分子泵143，并由所述真空計145對本底真空進行檢測，若達到預定本底真空范圍，則進入步驟S204;否則繼續(xù)抽取本底真空。其中，在抽取本底真空過程中，所述閥門 144-3為全部打開。所述預定本底真空為10-5Pa-10_3Pa。步驟S204，通入工作氣體，調(diào)節(jié)所述反應室100內(nèi)工作壓強。向所述反應室通入刻蝕氣體SF6，調(diào)節(jié)所述閥門144-3的打開角度控制，通過所述薄膜規(guī)檢測所述反應室100 內(nèi)工作壓強是否已達到預定工作壓強范圍，若是，進入步驟S205;否則繼續(xù)調(diào)整所述閥門 144-3的角度，調(diào)節(jié)工作壓強。步驟S205，施加所述線圈射頻功率及所述平板射頻功率進行等離子體穩(wěn)定。同時啟動所述線圈功率源組及所述平板功率源組，以產(chǎn)生高密度的等離子體，并可形成穩(wěn)定輝光。步驟S206，設(shè)置所述工藝參數(shù)，開始對硅片進行刻蝕處理。步驟S207，刻蝕結(jié)束后抽取所述反應室100殘留氣體。步驟S208，向所述反應室100充氣，打開所述石英蓋101并取片。由本發(fā)明制備出的黑硅，如圖5所示。圖5是將制備所得的黑硅放置于掃描電子顯微鏡下觀察得到的圖像，可以看出，黑硅表面為均勻的圓錐狀結(jié)構(gòu)，圓錐體高度為l--3um， 底面直徑為200nm—500nm。以上對本發(fā)明所提供的一種用于黑硅制備的設(shè)備進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。雖然關(guān)于示例實施例及其優(yōu)點已經(jīng)詳細說明，應當理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護范圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當容易理解在保持本發(fā)明保護范圍內(nèi)的同時，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對它們進行應用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于黑硅制備的設(shè)備，包括反應室(100)、氣體流量控制裝置(110)、壓強調(diào)控裝置(140)、冷卻裝置(150)、線圈功率源組件、平板功率源組件，所述線圈功率源組件包括線圈射頻功率發(fā)生器(120)、線圈射頻匹配器(121)、射頻線圈(122)，所述平板功率源組件包括平板射頻功率發(fā)生器(130)、平板射頻匹配器(131)和平板電極(132)，其特性在于所述反應室(100)上方設(shè)置石英蓋(101)，所述反應室(100)下部安裝有用于放置待加工硅片樣品的支撐臺(102);所述氣體流量控制裝置(110)，包括不少于兩條用于通工作氣體的氣路(111)，其中一側(cè)連接氣瓶，另一側(cè)連接所述反應室(100)上部；所述線圈射頻功率發(fā)生器(120)和所述線圈射頻匹配器(121)相連，所述線圈射頻匹配器(121)與所述射頻線圈 (122)相連，所述射頻線圈(122)位于所述反應室(100)腔體內(nèi)；所述平板射頻功率發(fā)生器 (130)和所述平板射頻匹配器(131)相連，所述射頻匹配器(131)與所述平板電極(132)相連；所述壓強調(diào)控裝置(140)，包括出氣口(141)、機械泵(142)、分子泵(143)，所述出氣口 (141)位于所述反應室(100)下端，所述機械泵(142)、分子泵(143) 二者串聯(lián)連接；所述冷卻裝置(150)直接連接到所述支撐臺(102)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備，其特征在于所述線圈射頻功率發(fā)生器(120)的輸出功率范圍為100W-1200W。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備，其特征在于所述平板電極(132) 分為上電極(132-1)和下電極(132-2)分別位于所述反應室(100)上部和下部。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備，其特征在于所述平板射頻功率發(fā)生器(130)的輸出功率范圍為3W-150W。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備，其特征在于所述冷卻裝置150 的控制溫度為2V -20°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備，其特征在于所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備還包括自動控制單元、可觸摸顯示器、信號處理模塊、電路控制模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于黑硅制備的設(shè)備的使用方法，其特征在于向所述反應室(100)內(nèi)裝入待刻硅片，抽取所述反應室(100)本底真空進行初始化，通入所述工作氣體，調(diào)節(jié)所述工作壓強，施加所述線圈射頻功率及所述平板射頻功率進行等離子體穩(wěn)定， 設(shè)置所述工藝參數(shù)對硅片進行刻蝕處理，刻蝕結(jié)束后抽取所述反應室(100)內(nèi)殘留氣體， 向所述反應室(100)充氣，打開所述石英蓋(101)并取片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于黑硅制備的設(shè)備，包括反應室(100)、氣體流量控制裝置(110)、壓強調(diào)控裝置(140)、冷卻裝置(150)線圈功率源組件、平板功率源組件，其特性在于所述反應室(100)上方設(shè)置石英蓋(101)，所述反應室(100)下部安裝有用于放置待加工硅片樣品的支撐臺(102)；所述氣體流量控制裝置(110)，包括不少于兩條用于通工作氣體的氣路(111)，所述壓強調(diào)控裝置(140)，包括出氣口(141)、機械泵(142)、分子泵(143)；所述冷卻裝置(150)直接連接到所述支撐臺(102)。本發(fā)明制備高密度、高深寬比的黑硅，且制備效率高、成本低，控制自動化、簡單方便。
文檔編號C30B33/12GK102586890SQ20121007495
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者張曉升, 張海霞, 朱福運, 邸千力 申請人:北京大學