一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種利用激光干涉技術(shù)快速制造大面積黑硅的方法。利用特定多光束干涉組合，形成點(diǎn)陣周期光場(chǎng)分布，在含硫化合物氣氛環(huán)境下，利用較大的干涉光場(chǎng)分布和控制硅材料樣品的二維平面位移，結(jié)合硅材料的激光刻蝕閾值，直接在硅材料表面快速形成大面積黑硅表面結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)干涉光場(chǎng)的控制，可以獲得結(jié)構(gòu)周期可變的黑硅表面結(jié)構(gòu)。同時(shí)該方法解決了傳統(tǒng)飛秒激光掃描方法難以快速獲得大面積黑硅表面結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)周期不可控的局限。另外還具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及大面積黑硅材料的加工與制備。
技術(shù)背景
[0002]黑硅是一種具有革命意義的新型半導(dǎo)體材料，該材料具有表面微細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)寬光譜范圍的光波有著良好的吸收特性。
[0003]20世紀(jì)90年代末，哈佛大學(xué)的Eric Mazur教授的研究團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn),飛秒激光在一定刻蝕氣體環(huán)境下對(duì)娃表面進(jìn)行刻蝕，可以產(chǎn)生一種微米量級(jí)的針狀表面結(jié)構(gòu)。接著開(kāi)發(fā)出了一種利用飛秒激光加工制備具有微結(jié)構(gòu)的硅材料的方法，通過(guò)該方法制備的新材料，使得原本具有灰色光澤的硅表面在刻蝕制備區(qū)域，看上去變成了黑色，因而這種新材料也被稱(chēng)為“黑硅”。通過(guò)測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，該材料對(duì)于可見(jiàn)光-近紅外波段的光的范圍內(nèi)，吸收率達(dá)到了 90%以上，同時(shí)還具有非常好的場(chǎng)致發(fā)射特性等。這種優(yōu)良的特性使得黑硅在可見(jiàn)光、紅外探測(cè)器，太陽(yáng)能電池以及平板顯示等領(lǐng)域有著極其重要的潛在應(yīng)用價(jià)值，是未來(lái)制備高性能太陽(yáng)能電池的理想的材料。
[0004]目前，在已經(jīng)公開(kāi)的專(zhuān)利及文獻(xiàn)中，制造黑硅表面結(jié)構(gòu)的方法有很多種。一種是哈佛大學(xué)Mazur小組提到的以及其它專(zhuān)利中所介紹的飛秒激光加工的技術(shù)方法，一種是利用聚焦納秒激光光束掃描加工的方法，都是采用直接聚焦的單束激光束在硅表面掃描光刻加工。由于聚束后的光束直徑很小，只有1-2微米，而且需要反復(fù)多次輻照硅表面，因此加工速度難以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求，很難制成較大面積，在時(shí)間上非常不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)掃描加工的過(guò)程很難保證黑硅表面結(jié)構(gòu)的均勻性，更不可能產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)的黑硅。另外目前飛秒激光器的價(jià)格和維護(hù)成本非常高，穩(wěn)定性可靠性也難以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求。另外已公開(kāi)的專(zhuān)利中，也提出了化學(xué)刻蝕的方法來(lái)制備黑硅，雖然可以達(dá)到大面積制造，但比較難保證均勻性，同樣很難產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)，還會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種具有可控周期性微結(jié)構(gòu)的黑硅，并且實(shí)現(xiàn)快速大面積的制造方法。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是，利用多光束激光干涉形成直徑大于IOmm的特定干涉周期光場(chǎng)分布，對(duì)硅片表面進(jìn)行刻蝕，從而形成周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)黑硅。
[0009]具體包括以下步驟:
[0010]步驟1，將硅片置于一廣口腔室內(nèi)，并通過(guò)注氣口注入一定氣壓的含硫化合物氣氛。所述廣口腔室置于精密二位平移臺(tái)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制廣口腔室在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；
[0011]步驟2，利用分束鏡將激光器出射激光束分成多束，再利用全反射鏡將多束激光束分別以一特定入射角和空間角會(huì)聚于硅片表面，分別對(duì)每一束激光束利用1/4波片和偏振片組合控制多束激光形成特定偏振態(tài)、特定干涉周期以及特定圖案的光場(chǎng)分布；
[0012]步驟3，控制激光器輸出能量使干涉光場(chǎng)達(dá)到刻蝕閾值，進(jìn)而對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕，形成具有周期性微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的黑硅材料，通過(guò)二維精密平移臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速大面積黑硅材料加工。
[0013]上述方案中，所述含硫化合物氣氛為SF6氣體環(huán)境，廣口腔室具有硅片夾持裝置，有氣氛導(dǎo)入接口，腔室為立方型，邊長(zhǎng)大于IOOmm ;所述硅片為P型或η型硅，晶向?yàn)?100)或(111)，或多晶硅。
[0014]上述方案中，所述激光器為高峰值功率并具有一定相干長(zhǎng)度的脈沖激光器，輸出波長(zhǎng)為1064nm、532nm、355nm、266nm、213nm、193nm,輸出脈沖寬度為納秒、皮秒和飛秒，脈沖頻率為IOHz到IOKHz。
[0015]上述方案中，所述多束激光束為三束或者四束。
[0016]上述方案中，所述特定入射角為2°到60°，三束或者四束激光相對(duì)于入射平面，保持空間角對(duì)稱(chēng)分布。
[0017]上述方案中，所述特定干涉周期可以通過(guò)改變脈沖激光的入射角來(lái)進(jìn)行控制，其圓錐狀或圓孔狀結(jié)構(gòu)周期為200nm?40 μ m,圓錐或圓孔直徑為IOOnm?20 μ m,結(jié)構(gòu)深度為200nm?40 μ m。在400nm?2 μ m的光譜范圍內(nèi)具有大于94%的吸收率。
[0018]上述方案中，所述快速大面積黑硅材料加工，是指利用激光干涉在不提高注入脈沖能量的情況下實(shí)現(xiàn)干涉增強(qiáng)區(qū)域的光強(qiáng)倍增，不需要聚束系統(tǒng)，一次加工面積可在1.1cm2，通過(guò)二維位移臺(tái)的掃描拼接可實(shí)現(xiàn)快速大面積黑硅材料加工，加工面積大于IOcmX 10cm。
[0019](三)有益效果
[0020]本方法加工的黑硅是一種周期性結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)周期可以調(diào)整，這將進(jìn)一步拓展黑硅材料的應(yīng)用領(lǐng)域，之前的技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)周期性結(jié)構(gòu)。相比于其他聚束掃描光刻的技術(shù)，本方法利用激光干涉在不提高注入脈沖能量的情況下實(shí)現(xiàn)干涉增強(qiáng)區(qū)域的光強(qiáng)倍增，不需要聚束系統(tǒng)，一次加工面積可在1.2cm2。之前飛秒或納秒聚束掃描光刻的方法加工大面積通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，很難做到大于IOcmX 10cm。本方法加工的黑硅結(jié)構(gòu)可以達(dá)到幾十微米深。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0021]圖1多光束干涉黑硅結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖
[0022]圖2本發(fā)明實(shí)施例一光路簡(jiǎn)圖
[0023]圖3本發(fā)明實(shí)例一方法所加工的周期性黑硅結(jié)構(gòu)
[0024]圖4本發(fā)明實(shí)例二方法所加工的周期性黑硅結(jié)構(gòu)
【具體實(shí)施方式】:
[0025]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清晰、完整的描述。所列出的實(shí)施例只是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒(méi)有創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)對(duì)象。[0026]實(shí)施例一
[0027]如圖2所示，由激光器發(fā)出1064nm波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過(guò)分光鏡分成四束，全反射鏡控制將四束相干光會(huì)聚于娃片表面。入射光空間角成中心對(duì)稱(chēng)分布，即0° >90° >180°、270°，四束光以相同的入射角入射，入射角為2°，通過(guò)波片和偏振器件精確控制各光束的光強(qiáng)和偏振角度。四束光偏振方向分別為:空間角0°和180°的入射光是水平偏振，空間角為90°和270°的入射光是垂直偏振。形成周期性點(diǎn)陣光場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)周期入射波長(zhǎng)和入射角決定。在SF6氣氛環(huán)境下，直接刻蝕硅片可形成周期為15 μ m的周期性黑硅結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0028]實(shí)施例二
[0029]由激光器發(fā)出1064nm波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過(guò)分光鏡分成四束，全反射鏡控制將四束相干光會(huì)聚于娃片表面。入射光空間角成中心對(duì)稱(chēng)分布，即為0° >90° > 180° >270° ,以5°入射角入射，通過(guò)波片和偏振器件精確控制各光束的光強(qiáng)和偏振角度，四束光偏振方向均為垂直偏振或水平偏振，形成周期性孔陣光場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)周期由入射波長(zhǎng)和入射角決定，在SF6氣氛環(huán)境下，直接刻蝕硅片可形成相對(duì)應(yīng)的孔陣周期結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0030]實(shí)施例三
[0031]由激光器發(fā)出的1064nm激光，經(jīng)過(guò)分光鏡分成三束，再利用全反射鏡片將三束光會(huì)聚于娃片表面。入射空間角成中心對(duì)稱(chēng)分布，為0° > 120° >240° ,入射角為5°。通過(guò)波片和偏振器件精確控制各光束的光強(qiáng)和偏振角度，三束光偏振方向分別垂直于各自入射片面?？尚纬芍芷邳c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣成三角頂點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布。在SF6氣氛環(huán)境下，直接刻蝕硅片可形成相對(duì)應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅制造方法，其特征在于，包括以下步驟: a、將硅片置于具有夾持裝置的廣口型腔室中； b、將腔室固定于精密二維平移臺(tái)上； C、向廣口腔室里注入含硫化合物氣體，排除空氣； d、導(dǎo)入多束相干激光在娃片表面直接形成直徑大于10_的特定干涉光場(chǎng)強(qiáng)弱分布，控制干涉圖樣和干涉光場(chǎng)分布，直接對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕，形成按干涉光場(chǎng)分布的具有特定結(jié)構(gòu)周期的、一定深度的圓錐狀或圓孔狀黑硅表面結(jié)構(gòu)； e、控制精密二維平移平臺(tái)，在二維平面內(nèi)以特定速度移動(dòng)，將黑硅表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)拼接得到大面積均勻的黑硅。
2.如權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法，其特征在于，使用的光源為高峰值功率并具有一定相干長(zhǎng)度的脈沖激光器，脈寬可以為納秒、皮秒或飛秒。
3.如權(quán)利要求2所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法，其特征在于，所述脈沖激光可分成三束光或四束光以特定入射角入射，并在硅片表面疊加，形成特定干涉周期的大光束直徑干涉光場(chǎng)分布。
4.如權(quán)利要求3所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法，其特征在于，所述特定入射角為2?40°，所述干涉光場(chǎng)分布直徑大于10mm，所述特定干涉周期為200nm?20 μ m，所述干涉光場(chǎng)分布為點(diǎn)陣分布。
5.如權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅制造方法，其特征在于，所述三束光或四束光分別利用1/4波片和偏振片組合控制每束光的偏振角和單脈沖能量。
6.如權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法，其特征在于，所述圓錐狀或圓孔狀黑硅表面結(jié)構(gòu)可以通過(guò)改變脈沖激光的入射角來(lái)進(jìn)行控制，其圓錐或圓孔狀結(jié)構(gòu)周期為200nm?20 μ m,直徑為IOOnm?20 μ m,在400nm?2 μ m的光譜范圍內(nèi)的光具有大于94%的吸收率。
7.如權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法，其特征在于，所述廣口腔室具有硅片夾持裝置和含硫化合物氣體導(dǎo)入接口，腔室為立方形，邊長(zhǎng)大于100mm。
8.如權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法，其特征在于，所述含硫化合物為SF6，所述含硫化合物氣體在干涉光場(chǎng)作用下起到對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕的作用，同時(shí)也隔絕空氣防止氧化。
9.如權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)周期可控的大面積黑硅的制造方法，其特征在于，所述精密二維平移臺(tái)按最佳干涉光場(chǎng)刻蝕面積進(jìn)行平移拼接形成大面積黑硅，位移精度優(yōu)于I μπι，行程不小于300mm，同時(shí)控制激光器發(fā)出的脈沖數(shù)，控制單點(diǎn)刻蝕時(shí)間，所述連續(xù)拼接方法要求平移臺(tái)以一定速度逐漸過(guò)渡到下一個(gè)刻蝕區(qū)域。
【文檔編號(hào)】B23K26/362GK103848392SQ201210523560
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月30日
【發(fā)明者】王作斌, 張子昂, 王大鵬, 于淼, 宋正勛, 翁占坤, 胡貞, 許紅梅 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)