專利名稱：一種黑硅鈍化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種黑硅鈍化方法。
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)，通常是指吸收率很高的硅表面或硅
基薄膜。20世紀(jì)90年代末，哈佛大學(xué)Eric Mazur教授研究組在飛秒激光與物質(zhì)相互作用 研究的過程中，發(fā)現(xiàn)利用飛秒激光在一定氣體環(huán)境下照射硅片可在硅表面激光輻照區(qū)產(chǎn)生 微米量級(jí)的尖峰結(jié)構(gòu)。接著他們發(fā)展了這種微觀構(gòu)造硅表面的新技術(shù)一利用飛秒激光在一 定氣體環(huán)境下刻蝕硅，制備出具有一定刻蝕面積的新材料，原本是灰色有光澤的硅表面在 刻蝕過的地方肉眼看去完全變成了黑色，因而這種新的硅材料也被稱為“黑硅”。中國專利 說明書CN 101734611A(
公開日2010年6月16日)公開了一種基于無掩膜深反應(yīng)離子刻 蝕制備黑硅的方法，其原理是將硅片浸沒在等離子體氣氛中，采用刻蝕與鈍化的方式交替 對(duì)硅片進(jìn)行處理，一段時(shí)間的數(shù)次交替處理后硅片表面形成倒立金字塔結(jié)構(gòu)。黑硅由于其特殊的結(jié)構(gòu)使其在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。Eric Mazur等在研究 黑硅的光電性質(zhì)時(shí)驚奇地發(fā)現(xiàn)這種表面微結(jié)構(gòu)的硅材料具有奇特的光學(xué)性質(zhì)，它對(duì)近紫 外_近紅外波段的光(波長(zhǎng)為0. 25-2. 5um)幾乎全部吸收，并具有良好的可見和紅外發(fā)光 特性，同時(shí)還具有良好的場(chǎng)致發(fā)射特性等。這使得黑硅在紅外探測(cè)器、太陽能電池以及平板 顯示器等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。尤其是黑硅的強(qiáng)吸收特性，使其成為制備高效太 陽能電池的理想材料。但是，黑硅由于其表面為非平坦的倒立金字塔、森林狀的釘狀或針狀等結(jié)構(gòu)，使得 黑硅表面面積存在很大的表面態(tài)，且表面的懸掛鍵多，從而降低了黑硅制備的太陽能電池 的轉(zhuǎn)換效率。另外，黑硅由于具有倒立金字塔、森林狀的釘狀或針狀等結(jié)構(gòu)，使得黑硅鈍化 變得更加困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種黑硅鈍化方法，以減小黑硅表面態(tài)密度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種黑硅鈍化方法，所述方法包 括將利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)制備的黑硅放置于鈍化裝置的腔室內(nèi)；調(diào)整所述鈍化裝置工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向所述鈍化裝置通入混合氣 體，所述混合氣體包括反應(yīng)氣體；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，在所述黑硅表面沉積鈍化薄膜。上述方案中，所述利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，在所述黑硅表面沉積鈍化薄 膜的步驟具體包括在等離子體電源的作用下，所述混合氣體在所述鈍化裝置中放電產(chǎn)生等離子體；
所述反應(yīng)氣體在等離子體氣氛中發(fā)生反應(yīng)，生成物沉積在所述黑硅表面形成鈍化薄膜。上述方案中，所述工藝參數(shù)包括腔室的本底壓強(qiáng)和工作壓強(qiáng)，樣片臺(tái)的溫度，混合 氣體的流量、比例，抽取氣體的速度，以及等離子體電源的輸出功率和頻率。上述方案中，所述腔室的本底壓強(qiáng)范圍為10_12Pa lPa，工作壓強(qiáng)范圍為10_3Pa lOOOOPa，樣片臺(tái)的溫度范圍為10 1000°C，等離子體電源的輸出功率為0 2000w，頻率 為 13. 56MHz。上述方案中，所述鈍化薄膜為氮化硅或氧化硅薄膜。上述方案中，當(dāng)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積氮化硅薄膜鈍化黑硅時(shí)，所述反 應(yīng)氣體包括硅烷和氨氣，或硅烷和氮?dú)?；所述硅烷氣體流量為1 lOOOsccm，所述氨氣或氮 氣氣體流量為1 lOOOsccm，所述硅烷與氨氣或氮?dú)獾捏w積比為0. 01 100。上述方案中，當(dāng)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積氧化硅薄膜鈍化黑硅時(shí)，所述反 應(yīng)氣體包括硅烷和笑氣；所述硅烷氣體流量為1 lOOOsccm，所述笑氣氣體流量為1 lOOOsccm，所述硅烷與笑氣的體積比為0. 01 100。上述方案中，所述混合氣體中還包括稀釋氣體，用來稀釋所述硅烷；所述稀釋氣體 為氬氣、氦氣、氮?dú)夂蜌錃庵械囊环N或多種。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下本發(fā)明采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，對(duì)利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)制 備的黑硅進(jìn)行鈍化，飽和了黑硅表面大量的懸掛鍵，減小了黑硅表面態(tài)密度，從而提高了利 用黑硅制備的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積鈍化黑硅的方 法流程圖；圖2為利用等離子體浸沒離子注入制備的一種黑硅結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡形貌圖；圖3為利用等離子體浸沒離子注入制備的另一種黑硅結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡形貌 圖；圖4為利用等離子體浸沒離子注入制備的又一種黑硅結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡形貌 圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例對(duì)黑硅進(jìn)行鈍化后的掃描電子顯微鏡形貌圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例中黑硅單面鈍化結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例中黑硅雙面鈍化結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、(Plasma Enhanced Chemistry Vapor Deposition, PECVD)是將試樣放在沉積腔室內(nèi)的樣片臺(tái)上，腔室內(nèi)通入工藝氣體，在等離子體電源的作 用下氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，在等離子體氣氛中反應(yīng)氣體更易受激分解、離解和離化， 從而提高反應(yīng)物的活性，生成物吸附在試樣表面，沉積形成薄膜。
本發(fā)明利用PECVD生長(zhǎng)薄膜對(duì)黑硅進(jìn)行鈍化的主要機(jī)理是沉積腔室內(nèi)通入的混 合氣體在等離子體電源作用下放電產(chǎn)生等離子體，混合氣體中的反應(yīng)氣體如硅烷(SiH4)和 氨氣(NH3)在等離子體氣氛中容易發(fā)生反應(yīng)，生成SiNx和H2, SiNx沉積在黑硅的表面，SiNx 層的表面鈍化效果歸功于相對(duì)較低的表面態(tài)密度和適當(dāng)密度的表面固定電荷；等離子體氣 氛中和反應(yīng)過程中含有大量的H，SiNx:H中H通過空位擴(kuò)散機(jī)制和氫氣分子擴(kuò)散機(jī)制能夠 飽和黑硅材料表面和體內(nèi)懸掛鍵，從而完成對(duì)黑硅的鈍化。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積鈍化黑硅 的方法，該方法包括步驟210，將利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)制備的黑硅放置于鈍化裝置的沉積 腔室內(nèi)；鈍化裝置為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置，黑硅放置在該裝置的沉積腔室內(nèi)， 并且放置于樣品臺(tái)上；步驟212，調(diào)整所述鈍化裝置的工藝參數(shù)，使之達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，所述工藝 參數(shù)包括沉積腔室的本底壓強(qiáng)和工作壓強(qiáng)，樣片臺(tái)的溫度，混合氣體的流量、比例，抽取氣 體的速度，以及等離子體電源的輸出功率和頻率；這些工藝參數(shù)可根據(jù)加工時(shí)的實(shí)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(chǎng)修改，從而使這些參數(shù)達(dá)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；沉積腔室的本底壓強(qiáng)范圍可為KT12Pa lPa，優(yōu)選地可為ICT8Pa 10_3Pa，更為 優(yōu)選地可為KT7Pa 10_5Pa，沉積腔室的工作壓強(qiáng)范圍可為KT3Pa lOOOOPa，優(yōu)選地可為 0. IPa lOOOPa，更為優(yōu)選地可為0. 5Pa 500Pa ；樣片臺(tái)的溫度范圍可為10-1000°C，優(yōu)選地可為100_500°C，更為優(yōu)選地可為 250-450 0C ；等離子體電源的輸出功率為0 2000w，頻率為13. 56MHz ；通入氣體為混合氣體，包括反應(yīng)氣體，如以在所述黑硅上沉積氮化硅薄膜為例，反 應(yīng)氣體可為SiH4和NH3,或SiH4和N2, SiH4氣體流量可為1 lOOOsccm，優(yōu)選地可為10 3OOsccm, NH3或N2氣體流量為1 lOOOsccm，優(yōu)選地可為10 3OOsccm,硅燒SiH4與NH3 或N2的體積比為0. 01 100，優(yōu)選地可為0. 1 10 ；混合氣體中還可以包括稀釋氣體，SiH4可用N2、Ar、He、H2中的一種或多種氣體稀 釋，優(yōu)選地用Ar稀釋的SiH4與NH3為工藝氣體，稀釋后的SiH4與NH3氣體之間的體積比為 0. 01 100，優(yōu)選地可為0. 1 10，稀釋后的SiH4與NH3的氣體的流量均可為1 lOOOsccm， 優(yōu)選地可為10 300sccm ；如以在所述黑硅上沉積氧化硅薄膜為例，反應(yīng)氣體可為硅烷SiH4和笑氣N20，SiH4 氣體流量為1 lOOOsccm，優(yōu)選地可為10 300sccm，N2O氣體流量為1 lOOOsccm，優(yōu)選 地可為10 300sccm，硅烷SiH4與N2O的體積比為0. 01 100，優(yōu)選地可為0. 1 10 ；同沉積氮化硅薄膜一樣，在沉積氧化硅薄膜所通入混合氣體中還可以包括稀釋氣 體，SiH4可用N2、Ar、He、H2中的一種或多種氣體稀釋，優(yōu)選地用Ar稀釋的SiH4與N2O為工 藝氣體，稀釋后的SiH4與N2O氣體之間的體積比為0. 01 100，優(yōu)選地可為0. 1 10，稀釋 后的SiH4與N2O的氣體的流量均可為1 lOOOsccm，優(yōu)選地可為10 300sccm ；步驟214，鈍化裝置氣體放電產(chǎn)生等離子體；
步驟216，反應(yīng)氣體在等離子體氣氛中發(fā)生反應(yīng)；在等離子體氣氛中，由于高能電子的有效碰撞，使得有關(guān)的化學(xué)鍵被打開，之后又 重新組合成生成物；步驟218，部分反應(yīng)生成物沉積在黑硅表面，形成氮化硅或氧化硅鈍化薄膜；薄膜的低表面態(tài)密度及沉積過程中H對(duì)黑硅表面及內(nèi)部懸掛鍵的飽和，使得黑硅 表面態(tài)密度減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑硅的鈍化。圖2、圖3、圖4分別為一種黑硅結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡形貌圖。圖5是利用本發(fā)明 實(shí)施例對(duì)所述黑硅進(jìn)行鈍化后的掃描電子顯微鏡形貌圖。圖6、7分別為利用本發(fā)明實(shí)施例 對(duì)黑硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行單面鈍化和雙面鈍化的結(jié)構(gòu)示意圖，301為利用等離子體浸沒離子注入技 術(shù)制備的黑硅，302為利用本發(fā)明實(shí)施例對(duì)黑硅進(jìn)行鈍化所形成的氮化硅或氧化硅鈍化薄膜。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，并不用于限制本發(fā)明。凡 在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和基本原理之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種黑硅鈍化方法，其特征在于，所述方法包括將利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)制備的黑硅放置于鈍化裝置的腔室內(nèi)；調(diào)整所述鈍化裝置工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向所述鈍化裝置通入混合氣體，所述混合氣體包括反應(yīng)氣體；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，在所述黑硅表面沉積鈍化薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的黑硅鈍化方法，其特征在于，所述利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相 沉積，在所述黑硅表面沉積鈍化薄膜的步驟具體包括在等離子體電源的作用下，所述混合氣體在所述鈍化裝置中放電產(chǎn)生等離子體； 所述反應(yīng)氣體在等離子體氣氛中發(fā)生反應(yīng)，生成物沉積在所述黑硅表面形成鈍化薄膜。
3.如權(quán)利要求1所述的黑硅鈍化方法，其特征在于所述工藝參數(shù)包括腔室的本底壓 強(qiáng)和工作壓強(qiáng)，樣片臺(tái)的溫度，混合氣體的流量、比例，抽取氣體的速度，以及等離子體電源 的輸出功率和頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的黑硅鈍化方法，其特征在于所述腔室的本底壓強(qiáng)范圍為 KT12Pa lPa，工作壓強(qiáng)范圍為ICT3Pa lOOOOPa，樣片臺(tái)的溫度范圍為10 1000°C，等離 子體電源的輸出功率為0 2000w，頻率為13. 56MHz。
5.如權(quán)利要求1或2所述的黑硅鈍化方法，其特征在于所述鈍化薄膜為氮化硅或氧化硅薄膜。
6.如權(quán)利要求5所述的黑硅鈍化方法，其特征在于當(dāng)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉 積氮化硅薄膜鈍化黑硅時(shí)，所述反應(yīng)氣體包括硅烷和氨氣，或硅烷和氮?dú)猓凰龉柰闅怏w流 量為1 lOOOsccm，所述氨氣或氮?dú)鈿怏w流量為1 lOOOsccm，所述硅烷與氨氣或氮?dú)獾?體積比為0. 01 100。
7.如權(quán)利要求5所述的黑硅鈍化方法，其特征在于當(dāng)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相 沉積氧化硅薄膜鈍化黑硅時(shí)，所述反應(yīng)氣體包括硅烷和笑氣；所述硅烷氣體流量為1 lOOOsccm，所述笑氣氣體流量為1 lOOOsccm，所述硅烷與笑氣的體積比為0. 01 100。
8.如權(quán)利要求6或7所述的黑硅鈍化方法，其特征在于所述混合氣體中還包括稀釋 氣體，用來稀釋所述硅烷；所述稀釋氣體為氬氣、氦氣、氮?dú)夂蜌錃庵械囊环N或多種。
全文摘要
本發(fā)明涉及光電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種黑硅鈍化方法。所述方法包括將黑硅放置于鈍化裝置的腔室內(nèi)；調(diào)整鈍化裝置工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向鈍化裝置通入混合氣體，混合氣體包括反應(yīng)氣體；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，在黑硅表面沉積鈍化薄膜。通過本方法降低了黑硅表面態(tài)密度，從而提高了利用黑硅制備的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)C01B33/037GK101993081SQ20101053289
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者劉杰, 劉邦武, 夏洋, 李勇滔, 李超波, 陳瑤 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所;嘉興科民電子設(shè)備技術(shù)有限公司