專利名稱：：基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及微納米加工領(lǐng)域中，制備晶片級(jí)黑硅表面的方法，尤其涉及一種基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法。
背景技術(shù)：
：目前，納米結(jié)構(gòu)加工已經(jīng)廣泛應(yīng)用到微流體，生物工程，光學(xué)傳感器件等領(lǐng)域。在微納米結(jié)構(gòu)加工中，通常用于不同目的，在襯底例如硅晶片內(nèi)形成大范圍高密度均勻的納米結(jié)構(gòu)(nanotips和nanoporous)從而增加表面積體積比。通過(guò)刻蝕或者沉積生長(zhǎng)以及多種工藝的結(jié)合形成納米結(jié)構(gòu)。例如采用納米光刻技術(shù)在硅晶片襯底定義納米掩膜然后采用干法刻蝕技術(shù)形成納米柱(nanopillar)。通常，采用刻蝕方法形成納米結(jié)構(gòu)需要首先在硅晶片的表面定義納米掩膜層。納米掩膜層包括光刻膠。氧化物，氮化物以及金屬/金屬氧化物等。其中光刻膠被稱為軟掩膜，其它幾種又被稱為硬掩膜。無(wú)論軟掩膜還是硬掩膜都是起到后續(xù)圖形轉(zhuǎn)移刻蝕工藝阻擋層的作用。采用沉積生長(zhǎng)工藝制備納米結(jié)構(gòu)如碳納米管生長(zhǎng)等工藝。但是，采用掩模技術(shù)進(jìn)行微納米技術(shù)的加工，其缺點(diǎn)是，效率低，成本高。標(biāo)準(zhǔn)的納米光刻工藝如電子束光刻(Electron-BeamLithography，EBL)，聚焦離子束(FocusedIonbeam,FIB)，干涉光亥lJ(InterferenceLithography,IU被廣泛采用制備納米結(jié)構(gòu)。光學(xué)光刻允許并行大批量加工并且能夠獲得小于lOOnm的特征尺寸，但是成本極高。直寫技術(shù)如EBL和FIB只適用于小范圍的納米加工，并不能滿足大范圍如晶片(wafer)級(jí)的納米加工。此外，一些非光學(xué)光刻技術(shù)如納米球(nanosphere)圖形轉(zhuǎn)移工藝(NIL)也被用于納米結(jié)構(gòu)的制備。但是Nil這種基于化學(xué)合成的方法仍然存在加工效率低，加工質(zhì)量(即形狀控制和均勻性)很難控制，以及加工面積小(毫米級(jí))等問(wèn)題。另外，上述納米加工的方法大多數(shù)只適用于平坦硅晶片表面而不適用于非平面微結(jié)構(gòu)表面，這樣就限制了他們與其他微加工工藝的集成。并且，微納混合結(jié)構(gòu)的加工已引起廣泛的重視。例如，眾多二次結(jié)構(gòu)的理論被提出用于超疏水表面和自清潔表面的研究。另一個(gè)例子是微型太陽(yáng)傳感器，通過(guò)在傳感器微孔徑表面增加納米防反射層以減少反射從而提高傳感器的靈敏度。從以上的介紹可知，需要提供一種高效低成本且能夠與微加工集成的納米加工方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法，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。本發(fā)明公開(kāi)了一種基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法，包括如下步驟初始化和等離子體穩(wěn)定步驟，對(duì)所述制備黑硅的方法的所采用的設(shè)備進(jìn)行初始化和等離子穩(wěn)定，以使等離子體進(jìn)行輝光放電；黑硅刻蝕步驟，控制所述深反應(yīng)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(duì)硅片進(jìn)行處理；其中，所述參數(shù)包括等離子體氣體流量、刻蝕平板功率、鈍化平板功率、線圈功率和刻蝕、鈍化周期、溫度。在上述制備黑硅的方法中，優(yōu)選在所述黑硅刻蝕步驟中，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，刻蝕氣體包括SF6，且刻蝕時(shí)，流量為20sccm45sccm;采用鈍化的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，鈍化氣體包括C4F8，且鈍化時(shí)，流量為30sccm50sccm。在上述制備黑硅的方法中，優(yōu)選在所述黑硅刻蝕步驟中，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，刻蝕平板功率為810w。在上述制備黑硅的方法中，優(yōu)選在所述黑硅刻蝕步驟前，還包括有粗糙處理步驟，對(duì)硅片采用等離子刻蝕或者非等離子刻蝕，以增加硅片表面的粗糙度。在上述制備黑硅的方法中，優(yōu)選在所述粗糙處理步驟中，所述等離子刻蝕采用的氣體包括SF6、C4F8和Ar。在上述制備黑硅的方法中，優(yōu)選所述非等離子刻蝕包括濕法刻蝕，干法刻蝕，以及能夠在硅表面產(chǎn)生微小凹凸結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)及電化學(xué)方法的刻蝕。在上述制備黑硅的方法中，優(yōu)選在所述黑硅刻蝕步驟中，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，所述平板功率為8W。在本發(fā)明中，直接對(duì)硅片表面進(jìn)行等離子體處理，通過(guò)調(diào)節(jié)選取合適的刻蝕工藝參數(shù)，在無(wú)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)，即"黑硅"表面。該方法還可以應(yīng)用在已有的任意微結(jié)構(gòu)表面并且不會(huì)破壞原有結(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。圖1為本發(fā)明基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法實(shí)施例的步驟流程圖；圖2為本發(fā)明基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法實(shí)施例的步驟流程圖；圖2A為使用圖2所示的方法，觀察到的黑硅表面形成過(guò)程圖；圖3為微納混合結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程示意圖；圖4為表面覆蓋有均勻納米結(jié)構(gòu)的微米柱和微米柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為無(wú)微米結(jié)構(gòu)損失的微納混合加工結(jié)果示意圖。具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法實(shí)施例的步驟流程圖，包括如下步驟初始化和等離子體穩(wěn)定步驟110，對(duì)所述制備黑硅的方法的所采用的設(shè)備進(jìn)行初始化和等離子穩(wěn)定，以使等離子體進(jìn)行輝光放電；黑硅刻蝕步驟120，控制所述深反應(yīng)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(duì)硅片進(jìn)行處理；其中，所述參數(shù)包括等離子體氣體流量、刻蝕平板功率、鈍化平板功率、線圈功率和刻蝕、鈍化周期、溫度。在所述黑硅刻蝕步驟中，線圈功率為800900w，反應(yīng)室內(nèi)壓強(qiáng)為20mTorr30mTorr;并且，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，刻蝕氣體包括SF6，控制SF6氣體流量為20sccm45sccm(與鈍化步驟中的反應(yīng)氣體C4F8的流量比為約1:21:1)，刻蝕平板功率為610w，刻蝕周期為4s7s。采用鈍化的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，鈍化氣體包括C4F8，控制C4F8氣體流量為30sccm50sccm，鈍化平板功率為0lw，鈍化周期為4s7s。且控制溫度為約2(TC約30°C?？涛g步驟與鈍化步驟共交替進(jìn)行約60次循環(huán)約200次循環(huán)，總處理時(shí)間為約6分鐘60分鐘。經(jīng)過(guò)黑硅處理的硅片表面由直徑為約50nm約1000nm，高為約100nm10000iim，周期為約100nm約1000nm的nanopillar、nanotip組成，其中納米結(jié)構(gòu)底部呈現(xiàn)出多孔性參照?qǐng)D2，圖2為本發(fā)明基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法實(shí)施例的步驟流程圖，包括初始化和等離子體穩(wěn)定步驟210，對(duì)所述制備黑硅的方法的所采用的設(shè)備進(jìn)行初始化和等離子穩(wěn)定，以使等離子體進(jìn)行輝光放電；粗糙處理的步驟220，對(duì)硅片采用等離子刻蝕或者非等離子刻蝕，以增加硅片表面的粗糙度；黑硅刻蝕步驟230，控制所述深反應(yīng)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(duì)硅片進(jìn)行處理；其中，所述參數(shù)包括等離子體氣體流量、刻蝕平板功率、鈍化平板功率、線圈功率和刻蝕、鈍化周期、溫度。也就是說(shuō)，在黑硅刻蝕步驟前，還包括有粗糙處理的步驟，該步驟對(duì)硅片采用等離子刻蝕或者非等離子刻蝕，以增加硅片表面的粗糙度，進(jìn)而加速黑硅產(chǎn)生。若采用等離子刻蝕增加硅片表面粗糙度，等離子刻蝕采用的氣體可以包括SFe、C4F8和Ar。并且，所述SF6氣體流量為60sccm150sccm，C4F8氣體流量為70sccm100sccm，Ar氣體流量為10sccm40sccm。若采用非等離子刻蝕增加硅片表面的粗糙度，非等離子刻蝕包括濕法刻蝕，干法刻蝕，以及能夠在硅表面產(chǎn)生微小凹凸結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)及電化學(xué)方法的刻蝕。下面結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施例，對(duì)本上述實(shí)施例做進(jìn)一步的說(shuō)明。在設(shè)備初始化階段，維持反應(yīng)強(qiáng)壓強(qiáng)在10mTorr30mTorr，C4F8氣體流量20sccm，SF6氣體流量0.5sccm，Ar氣體流量30sccm，RF平板功率和線圈功率為0W，該階段持續(xù)時(shí)間10s。接下來(lái)是等離子體穩(wěn)定階段，在該階段反應(yīng)強(qiáng)壓強(qiáng)在lOmTorr30mTorr，C4F8氣體流量30sccm，SF6氣體流量0.5sccm，Ar氣體流量40sccm，RF平板功率和線圈功率分別為20W和500W，該階段持續(xù)時(shí)間5s。在經(jīng)過(guò)上述初始化和穩(wěn)定階段后，促使等離子體輝光放電，是設(shè)備達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。下面繼續(xù)進(jìn)行黑硅刻蝕的步驟。參照表一。表一黑硅刻蝕步驟中相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表一給出了黑硅工藝參數(shù)研究的一個(gè)實(shí)例過(guò)程，DRIE有三個(gè)工作區(qū)間刻蝕停止(etchingstop);黑硅(blacksilicon);常規(guī)深刻蝕(truedrie)。本發(fā)明重點(diǎn)研究RF平板功率對(duì)黑硅(blacksilicon)形成的關(guān)鍵作用，其它參數(shù)(氣體流量，線圈功率，刻蝕鈍化周期)固定。當(dāng)RF值過(guò)高(例如，大于10W)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致過(guò)快的刻蝕速率，即常規(guī)深刻蝕；而過(guò)低的RF值會(huì)導(dǎo)致刻蝕停止，原因是離子轟擊能量過(guò)低不足以去掉鈍化步驟產(chǎn)生的聚合物保護(hù)層。生成黑硅(Blacksilicon)的工作區(qū)間介于刻蝕停止和常規(guī)深刻蝕兩者之間，因此只有選取合適的平板功率才能產(chǎn)生黑硅(blacksilicon)。另外，混雜刻蝕(Hybridetching)意味著刻蝕開(kāi)始階段是常規(guī)深刻蝕，而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后由于表面微結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致等離子體刻蝕狀態(tài)發(fā)生變化而逐漸形成黑硅。通過(guò)選取合適的工藝參數(shù)，例如，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，刻蝕氣體SF6的流量控制為20sccm45sccm;采用鈍化的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，鈍化氣體C4F8的流量為30sccm50sccm，在該前提下，控制刻蝕步驟的平板功率為810w?？梢栽诳涛g一開(kāi)始就馬上產(chǎn)生黑硅，從而避免開(kāi)始階段微米結(jié)構(gòu)的損失，即表一中的方案5、6和7。由表一可以看出RF平板功率起到關(guān)鍵作用，而反應(yīng)氣體流量的選取并不局限于表一所列數(shù)值，而只需維持在一定區(qū)間范圍內(nèi)即可。因此，從表一中得到啟示，黑硅制備方法中，具體參數(shù)還可以選擇如下刻蝕步驟中SFe氣體流量為35sccm，刻蝕時(shí)間為4s，平板功率為8W，線圈功率為825W，鈍化步驟中C/s氣體流量為50sccm，鈍化時(shí)間為5s，平板功率為OW，線圈功率為825W。參照?qǐng)D2A，圖2A為使用圖2所示的方法，觀察到的黑硅表面形成過(guò)程圖，其中，圖2a、2b、2c、2d、2e、2f、2h分別表示不同階段的黑硅表面的示意圖。在上述實(shí)施例中，用于制備黑硅的硅片與晶向、摻雜類型、摻雜濃度無(wú)關(guān)，可以包括單晶硅，多晶硅，無(wú)定形硅，還可以包括由化學(xué)、電化學(xué)，等離子體，激光及其他物理化學(xué)方法制備而成的多孔硅，其孔徑從lnm至10000nm;單晶硅包括〈100〉，〈110〉，和〈111〉硅片；摻雜除包括N和P型摻雜外還包括其它通過(guò)離子注入、擴(kuò)散等方法得到的其它摻雜類型的硅片(如硫摻雜硅片)。處理的硅片表面可以沒(méi)有任何圖形與結(jié)構(gòu)的平坦且暴露面積為100%的硅片；具也可以為有一定微結(jié)構(gòu)的非平坦且暴露面積為100%的硅片；還可以為以光刻膠、Si(^、SiA以及其它可用于DRIE刻蝕阻擋層的材料為掩膜的已進(jìn)行光刻和刻蝕的平坦和非平坦且暴露面積小于100%的硅片。也就是說(shuō)，所本發(fā)明涉及的黑硅工藝并不局限于平坦硅片表面，還同樣適用于在已有微結(jié)構(gòu)表面上形成微納混合結(jié)構(gòu)，圖3給出了微納混合結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程示意圖，其中，3a為光刻定義微米結(jié)構(gòu)圖形；3b為側(cè)壁可控的DRIE深刻蝕；3c為有選擇的去膠；3d為黑硅刻蝕。在圖4的實(shí)例中，首先采用DRIE加工出具有一定周期的微米柱和微米柵的微結(jié)構(gòu)，然后在用黑硅工藝加以處理，從而形成微納混合結(jié)構(gòu)。并且，實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明采用黑硅工藝實(shí)現(xiàn)的微納混合加工沒(méi)有多余的微米結(jié)構(gòu)損失，首先加工出具有V形開(kāi)口的深孔，然后使用黑硅工藝形成表面納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)觀察加工結(jié)果頂部V形開(kāi)口輪廓依然清晰可見(jiàn)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)黑硅工藝處理后原有微結(jié)構(gòu)并沒(méi)有受到破壞。上述效果可以在圖5中顯示出來(lái)。以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)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(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。權(quán)利要求一種基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法，其特征在于，包括如下步驟初始化和等離子體穩(wěn)定步驟，對(duì)所述制備黑硅的方法的所采用的設(shè)備進(jìn)行初始化和等離子穩(wěn)定，以使等離子體進(jìn)行輝光放電；黑硅刻蝕步驟，控制所述深反應(yīng)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(duì)硅片進(jìn)行處理；其中，所述參數(shù)包括等離子體氣體流量、刻蝕平板功率、鈍化平板功率、線圈功率和刻蝕、鈍化周期、溫度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備黑硅的方法，其特征在于，在所述黑硅刻蝕步驟中，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，刻蝕氣體包括SF6，且刻蝕時(shí)，流量為20sccm45sccm;采用鈍化的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，鈍化氣體包括QF8，且鈍化時(shí)，流量為30sccm50sccm。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備黑硅的方法，其特征在于，在所述黑硅刻蝕步驟中，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，刻蝕平板功率為810w。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的制備黑硅的方法，其特征在于，在所述黑硅刻蝕步驟前，還包括有粗糙處理步驟，對(duì)硅片采用等離子刻蝕或者非等離子刻蝕，以增加硅片表面的粗糙度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備黑硅的方法，其特征在于，在所述粗糙處理步驟中，所述等離子刻蝕采用的氣體包括SF6、C4F8和Ar。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備黑硅的方法，其特征在于，所述非等離子刻蝕包括濕法刻蝕，干法刻蝕，以及能夠在硅表面產(chǎn)生微小凹凸結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)及電化學(xué)方法的刻蝕。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備黑硅的方法，其特征在于，在所述黑硅刻蝕步驟中，采用刻蝕的方式對(duì)硅片進(jìn)行處理時(shí)，所述平板功率為8W。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種基于無(wú)掩膜深反應(yīng)離子刻蝕制備黑硅的方法。所述方法包括對(duì)所述制備黑硅的方法的所采用的設(shè)備進(jìn)行初始化和等離子穩(wěn)定，以使等離子體進(jìn)行輝光放電；控制所述深反應(yīng)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(duì)硅片進(jìn)行處理；其中，所述參數(shù)包括等離子體氣體流量、刻蝕平板功率、鈍化平板功率、線圈功率和刻蝕、鈍化周期、溫度。本發(fā)明直接對(duì)硅片表面進(jìn)行等離子體處理，通過(guò)調(diào)節(jié)選取合適的刻蝕工藝參數(shù)，在無(wú)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。文檔編號(hào)B81C1/00GK101734611SQ20091024198公開(kāi)日2010年6月16日申請(qǐng)日期2009年12月16日優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日發(fā)明者孫廣毅,張海霞,高天樂(lè)申請(qǐng)人:北京大學(xué)