採用鋁矽共晶薄膜輔助幹法刻蝕製備黑矽層的方法與流程
2023-12-06 09:18:06 2
本發明涉及一種黑矽層製作技術，尤其涉及一種採用鋁矽共晶薄膜輔助幹法刻蝕製備黑矽層的方法。
背景技術：
矽光電探測器(pin/apd)具有暗電流小、靈敏度高、成本低等優點，在光纖通訊、雷射測距、三維成像、雷射制導等領域都有廣泛的應用。為進一步提升系統性能、擴展應用範圍，一種較好的途徑就是提高矽光電探測器對近紅外波段(800～1100nm)的響應率；基於現有技術可知，黑矽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光譜範圍具有很高的吸收率(≥80％)，因此，在矽光電探測器中設置黑矽層是一種提高矽光電探測器近紅外波段響應率的較好手段。
黑矽層在矽光電探測器中一般作為光敏吸收層使用，在製作黑矽層時，為提高黑矽層對近紅外光的吸收率，通常要求製作出的黑矽層具有較深和較大深寬比的微納陷光結構，此外，製作工藝還需要具有晶格損傷低、均勻性高、重複性好的特性，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，製作工藝還必須與矽光電器件工藝兼容，不能引入重金屬沾汙，否者將引起器件性能的大幅度退化或失效。
現有技術中，常見的黑矽製備方法有飛秒雷射掃描法、金屬離子輔助溼法化學腐蝕法、無掩膜幹法刻蝕法、納米壓印法等：飛秒雷射掃描法採用飛秒雷射脈衝作用到矽片表面，獲得針狀或柱狀的黑矽結構，其具有黑矽形貌佳、紅外吸收增強效果好的優點，但是這種方法存在設備昂貴、黑矽產能極低、晶格損傷較大的缺點；金屬離子輔助溼法化學腐蝕法是採用au+、pt+、mn+、ni+、cu+等離子輔助溼法腐蝕形成金字塔或孔狀黑矽，具有設備簡單、製作成本低的優勢，但該方法容易引入金屬離子沾汙，會導致器件性能大幅退化；無掩膜幹法刻蝕法採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矽結構，具有工藝簡單的優勢，但是存在片間/片內均勻性差、工藝重複性差等問題；納米壓印法一般採用納米壓印方式先在矽片表面形成黑矽微納結構掩膜，然後採用幹法刻蝕將掩膜圖形轉移到矽襯底形成黑矽結構，該方法具有均勻性好、結構可設計的優點，但也存在成本高、近紅外吸收增強效果較差(納米壓印黑矽微結構較淺，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，本發明提出了一種採用鋁矽共晶薄膜輔助幹法刻蝕製備黑矽層的方法，其創新在於：所述方法的步驟為：
1)提供矽片；對矽片表面進行清洗；
2)矽片上用於製作黑矽層的區域記為操作區；採用電子束蒸發鍍膜工藝或磁控濺射鍍膜工藝，在操作區表面生長鋁矽共晶薄膜；
3)採用等離子刻蝕工藝對鋁矽共晶薄膜中的矽進行選擇性刻蝕，將鋁矽共晶薄膜中的矽刻蝕掉；
4)利用鋁矽共晶薄膜中殘留的鋁作為掩膜，採用等離子刻蝕工藝對操作區上的矽進行選擇性刻蝕，從而在操作區上形成黑矽層；
5)採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，然後對黑矽層進行清洗。
本發明的原理是：基於現有技術可知，鋁矽共晶薄膜是一種現有材料，鋁矽共晶薄膜在矽片上的附著性較好，常用於製作矽光電器件中的電極；現有技術在製作鋁矽共晶薄膜時，常採用電子束蒸發鍍膜工藝或磁控濺射鍍膜工藝，不僅工藝十分成熟，而且與其他矽光電器件工藝的兼容性較好；
基於現有理論可知，在鋁矽共晶薄膜中，鋁和矽的分布均勻性較好，並且鋁矽共晶薄膜中鋁和矽的含量可調，矽含量越少，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鋁和矽的含量來控制鋁的晶粒尺寸，具體的調節手段也是現有技術；
基於現有的刻蝕工藝理論可知，通過工藝參數調節，可以使等離子刻蝕工藝以較大的刻蝕選擇比對矽和鋁進行選擇刻蝕，從而選擇性地去掉矽保留鋁或去掉鋁保留矽，從製備黑矽層的角度來看，鋁矽共晶薄膜能夠很好地附著在矽片上，若以較大的刻蝕選擇比將鋁矽共晶薄膜中的矽刻蝕掉而保留下鋁，結合到前述的鋁晶粒尺寸控制，就能在矽片上製作出刻蝕黑矽層所需的、附著性較好的、具備微納結構的鋁掩膜，黑矽層製作好後，也能夠十分容易地將鋁掩膜從黑矽層上去除，於是本發明便應運而生了。
相較於現有的黑矽層製作方法，得益於鋁矽共晶薄膜中鋁的晶粒尺寸可調，本發明很容易地就能通過對鋁矽共晶薄膜進行選擇性刻蝕來得到具備微納結構的鋁掩膜，進而製作出形貌優良的黑矽層，並且在本發明中，掩膜製作與黑矽刻蝕實現了很好的分離，可以單獨優化工藝參數，同時，工藝過程中，無高能射線或高能離子轟擊，矽片損傷低，此外，鋁矽共晶薄膜澱積操作、鋁矽分離操作、黑矽刻蝕操作和鋁選擇性刻蝕操作都可採用標準的矽工藝設備實現，工藝要求較低，黑矽的片內/片間均勻性、工藝重複性都能夠得到較好的保障，還不會引入重金屬離子沾汙，與矽光電器件工藝的兼容性也較好，再有，工藝過程中的鋁矽分離操作、黑矽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。
優選地，步驟1)中，採用rca清洗工藝對矽片表面進行清洗；步驟5)中，採用rca清洗工藝對黑矽層進行清洗。
優選地，步驟3)中，刻蝕操作的工藝氣體採用sf6、cf4或chf3，輔助氣體採用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對矽和鋁的刻蝕選擇比大於5。
優選地，步驟4)中，刻蝕操作的工藝氣體採用sf6、cf4或chf3，輔助氣體採用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對矽和鋁的刻蝕選擇比大於10，且對矽的縱向刻蝕速率和橫向刻蝕速率之比大於5。
優選地，步驟5)中，刻蝕操作的工藝氣體採用cl2或bcl3，輔助氣體採用n2、ar或he；刻蝕操作對鋁和矽的刻蝕選擇比大於10。
前述方案中未對具體的工藝細節進行介紹，但發明人認為，這並不會影響本領域技術人員對本發明方案的理解和實施，具體理由為：從本發明的介紹可以明顯看出，本發明的核心在於採用鋁矽共晶薄膜來形成具備微納結構的鋁掩膜，具體的工藝細節則不是本發明的創新點，此外，本發明所採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，在本發明揭示了利用鋁矽共晶薄膜的特性來製作鋁掩膜的原理後，本領域技術人員完全有能力利用現有知識來實施本發明，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。
本發明的有益技術效果是：提出了一種採用鋁矽共晶薄膜輔助幹法刻蝕製備黑矽層的方法，該方法對矽片的晶格損傷低、均勻性高、重複性好、工藝簡單、成本低、與矽光電器件工藝的兼容較好，掩膜製作與黑矽刻蝕實現了很好的分離，可以單獨優化工藝參數，同時，受益於鋁矽共晶薄膜選擇性刻蝕所形成的微納結構的鋁掩膜，很容易就能製作出形貌優良的黑矽層。
附圖說明
圖1、本發明方法製作出的黑矽層的掃描電子顯微鏡照片一(俯視)；
圖2、本發明方法製作出的黑矽層的掃描電子顯微鏡照片二(剖面)。
具體實施方式
一種採用鋁矽共晶薄膜輔助幹法刻蝕製備黑矽層的方法，其創新在於：所述方法的步驟為：
1)提供矽片；對矽片表面進行清洗；
2)矽片上用於製作黑矽層的區域記為操作區；採用電子束蒸發鍍膜工藝或磁控濺射鍍膜工藝，在操作區表面生長鋁矽共晶薄膜；
3)採用等離子刻蝕工藝對鋁矽共晶薄膜中的矽進行選擇性刻蝕，將鋁矽共晶薄膜中的矽刻蝕掉；
4)利用鋁矽共晶薄膜中殘留的鋁作為掩膜，採用等離子刻蝕工藝對操作區上的矽進行選擇性刻蝕，從而在操作區上形成黑矽層；
5)採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，然後對黑矽層進行清洗。
進一步地，步驟1)中，採用rca清洗工藝對矽片表面進行清洗；步驟5)中，採用rca清洗工藝對黑矽層進行清洗。
進一步地，步驟3)中，刻蝕操作的工藝氣體採用sf6、cf4或chf3，輔助氣體採用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對矽和鋁的刻蝕選擇比大於5。
進一步地，步驟4)中，刻蝕操作的工藝氣體採用sf6、cf4或chf3，輔助氣體採用hbr、o2、ar或he；刻蝕操作對矽和鋁的刻蝕選擇比大於10，且對矽的縱向刻蝕速率和橫向刻蝕速率之比大於5。
進一步地，步驟5)中，刻蝕操作的工藝氣體採用cl2或bcl3，輔助氣體採用n2、ar或he；刻蝕操作對鋁和矽的刻蝕選擇比大於10。
實施例：
1)提供矽片；對矽片表面進行清洗；採用槽式rca清洗工藝，具體流程依次為：spm(v(h2so4):v(h2o2)＝4:1)清洗10mins、去離子水衝洗15mins、sc1(v(nh3·h2o):v(h2o2):v(h20)＝1:2:10)清洗10mins，去離子水衝洗10mins，sc2(v(hcl):v(h2o2):v(h20)＝1:4:12)清洗10mins，去離子水衝洗10mins，甩幹。
2)矽片上用於製作黑矽層的區域記為操作區；採用磁控濺射鍍膜工藝，在操作區表面生長鋁矽共晶薄膜；採用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)採用等離子刻蝕工藝對鋁矽共晶薄膜中的矽進行選擇性刻蝕，將鋁矽共晶薄膜中的矽刻蝕掉；採用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)利用鋁矽共晶薄膜中殘留的鋁作為掩膜，採用等離子刻蝕工藝對操作區上的矽進行選擇性刻蝕，從而在操作區上形成黑矽層；採用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)採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，採用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)對黑矽層進行清洗。採用槽式rca清洗工藝，具體流程依次為：spm(v(h2so4):v(h2o2)＝4:1)清洗10mins、去離子水衝洗15mins、sc1(v(nh3·h2o):v(h2o2):v(h20)＝1:2:10)清洗10mins，去離子水衝洗10mins，sc2(v(hcl):v(h2o2):v(h20)＝1:4:12)清洗10mins，去離子水衝洗10mins，甩幹。
參見圖1、2，經測量，黑矽徑向寬度約0.1～1μm，深度可達5μm，本方法製備的黑矽可大幅提高矽材料在近紅外波段的吸收率。本發明與常規的黑矽製作方法相比，無高能射線或高能離子轟擊，損傷低，製作的光電器件暗電流也更小；鋁矽共晶薄膜澱積、鋁矽分離、黑矽刻蝕、鋁選擇性刻蝕等工藝都可採用標準的矽工藝設備製作，黑矽形貌也可以通過這些程序進行優化控制，工藝要求也較低，因此黑矽的片內/片間均勻性、工藝重複性都能夠得到保障，工藝成本也較低；同時還不引入重金屬離子沾汙，與矽光電器件工藝兼容性也好。