一種控制鍺表面形貌的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控制鍺表面形貌的方法，該方法是將鍺(Ge)置于純氧或氧氣(O2)與其它性質(zhì)穩(wěn)定氣體的混合氣體中，調(diào)節(jié)氧氣(O2)分壓和反應(yīng)溫度至高溫低壓工作區(qū)域，控制反應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制，具體包括：步驟1：將待刻蝕表面形貌的鍺樣品置于真空室中；步驟2：向真空室內(nèi)充入低氧分壓氣體；步驟3：將真空室升溫至500℃～700℃，使鍺與氧分子結(jié)合生成可揮發(fā)性的一氧化鍺，控制反應(yīng)時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)鍺表面的形貌控制。本發(fā)明可以增大鍺表面的表面積從而提高鍺表面對(duì)光的吸收效率并降低對(duì)光的反射率，可應(yīng)用于太陽能電池相關(guān)領(lǐng)域，具有低成本易控制效益高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種控制鍺表面形貌的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種控制鍺表面形貌的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鍺(Ge)具有良好的半導(dǎo)體性質(zhì)，如空穴遷移率1900cm2/V.S、電子遷移率3900cm2/V-s等，表現(xiàn)著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑢?duì)固體物理和固體電子學(xué)的發(fā)展有重要作用。另外鍺還具備多方面的特殊性質(zhì)，在航空航天測(cè)控、核物理探測(cè)、光纖通訊、紅外光學(xué)、太陽能電池、化學(xué)催化劑、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛而重要的應(yīng)用，是一種重要的戰(zhàn)略資源。
[0003]隨著環(huán)境污染和資源枯竭問題的日益突出，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，太陽能作為取之不盡用之不竭的可再生資源，也是可直接利用的清潔能源之一，逐漸發(fā)展為備受矚目的產(chǎn)業(yè)。目前中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)以倍增速度快速發(fā)展，然而與發(fā)達(dá)國家相比我國太陽能應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展明顯滯后，其中太陽能電池(solar cell)的成本是制約光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因。因此進(jìn)一步降低制造成本是太陽能電池得以大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵，而提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是降低成本的有效途徑之一。除了尋找新型材料、研究新的制備工藝之外，提聞太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵包括減小表面反射、提聞電池受:光表面積和提聞太陽福射能
山/又ο
[0004]傳統(tǒng)太陽能電池主要利用擇優(yōu)腐蝕原理來形成表面結(jié)構(gòu)以達(dá)到降低表面反射率進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率的目的，可能存在的問題是:襯底片表面處理過程復(fù)雜藥劑消耗多，表面沾污嚴(yán)重，表面結(jié)構(gòu)的一致性和均勻性差。因此，實(shí)現(xiàn)鍺(Ge)表面形貌結(jié)構(gòu)低成本高效益簡(jiǎn)單易行的控制變得非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于通過控制氧氣(O2)分壓和反應(yīng)溫度，使鍺(Ge)與氧氣(O2)反應(yīng)生成易揮發(fā)的一氧化鍺(GeO)，利用氧分子和鍺反應(yīng)速率的各向異性，提供一種控制鍺表面形貌的方法。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種控制鍺表面形貌的方法，該方法是將鍺(Ge)置于純氧或氧氣(O2)與其它性質(zhì)穩(wěn)定氣體的混合氣體中，調(diào)節(jié)氧氣(O2)分壓和反應(yīng)溫度至高溫低壓工作區(qū)域，控制反應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍺(Ge)表面形貌控制，具體包括:
[0009]步驟1:將待刻蝕表面形貌的鍺樣品置于真空室中；
[0010]步驟2:向真空室內(nèi)充入低氧分壓氣體；
[0011]步驟3:將真空室升溫至500°C?700°C，使鍺與氧分子結(jié)合生成可揮發(fā)性的一氧化鍺，控制反應(yīng)時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)鍺表面的形貌控制。
[0012]上述方案中，所述其它性質(zhì)穩(wěn)定氣體為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定在700°C以下不會(huì)和鍺或者氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氮?dú)?N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氖氣(Ne)或上述氣體的混合氣體。[0013]上述方案中，該方法通過調(diào)節(jié)氣體總壓強(qiáng)以及氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)，控制氧氣分壓在
0.1Pa ?IO5Pa 區(qū)間。
[0014]上述方案中，該方法是在溫度500°C?700°C區(qū)間里，根據(jù)氧氣分壓調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，保證鍺襯底處于高溫低壓工作區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制。
[0015]上述方案中，步驟I中所述鍺樣品是單晶鍺襯底或者是在絕緣體上形成的鍺表面結(jié)構(gòu)；真空室原始氧氣分壓應(yīng)當(dāng)小于0.0OlPa0
[0016]上述方案中，步驟2中所述低氧分壓氣體的氧分壓應(yīng)控制在0.1Pa?IO5Pa之間，根據(jù)刻蝕速率的要求確定氧氣分壓的值。
[0017]上述方案中，步驟I中所述鍺樣品，從晶態(tài)上講，所述鍺樣品是單晶、多晶或者非晶態(tài)鍺；對(duì)于單晶鍺，包括(100)，(110)和(111)取向的單晶鍺襯底；從形狀上講，所述鍺樣品是鍺平面、鍺納米線或鍺納米帶。
[0018]上述方案中，所述高溫低壓工作區(qū)域，氧氣分壓控制在0.1Pa-1O5Pa,反應(yīng)溫度控制在500°C-700°C，在反應(yīng)溫度和氧氣分壓為橫縱坐標(biāo)的二維圖里，連接(520°C，0.1Pa)和(680°C, IO5Pa)兩點(diǎn)將二維坐標(biāo)圖分成兩個(gè)半?yún)^(qū)，所述的工作區(qū)域位于高溫低壓半?yún)^(qū)。
[0019]上述方案中，所述控制反應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍺(Ge)表面形貌控制是由于氧氣與鍺反應(yīng)速率的各向異性在鍺表面得到四角錐形立體結(jié)構(gòu)，控制反應(yīng)時(shí)間調(diào)節(jié)鍺表面形貌深度，達(dá)到鍺表面形貌控制目的。
[0020]上述方案中，所述氧氣與鍺的反應(yīng)速率由氧氣分壓和反應(yīng)溫度以及鍺材料的晶態(tài)和取向決定，反應(yīng)速率隨溫度的升高而增加，反應(yīng)速率隨氧氣分壓的升高而增加，從晶態(tài)和取向上講，反應(yīng)速率的關(guān)系為:非晶>多晶>單晶(110) >單晶(100) >單晶(111)。
[0021](三)有益效果
[0022]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023]1、本發(fā)明所提供的控制鍺表面形貌的方法，工藝非常簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)氧氣分壓和反應(yīng)溫度就可以實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制的效果。
[0024]2、本發(fā)明所提供的控制鍺表面形貌的方法，更加環(huán)保，反應(yīng)過程只生成可揮發(fā)性一氧化鍺，不會(huì)引入化學(xué)污染。
[0025]3、本發(fā)明所提供的控制鍺表面形貌的方法，成本低廉，不需要使用大規(guī)模的刻蝕機(jī)器。
[0026]4、本發(fā)明所提供的控制鍺表面形貌的方法，根據(jù)刻蝕速率隨氧氣分壓和反應(yīng)溫度的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)材料表面形貌結(jié)構(gòu)的精確控制，具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的控制鍺表面形貌的方法流程圖；
[0028]圖2至圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例的控制鍺表面形貌的工藝流程圖；
[0029]圖4為鍺表面實(shí)現(xiàn)形貌控制的工作區(qū)域示意圖；
[0030]圖5為鍺表面形貌深度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032]本發(fā)明提供了一種基于熱氧化的控制鍺表面形貌的方法，屬于半導(dǎo)體集成【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是在合適的氧氣分壓和反應(yīng)溫度條件下，利用熱力學(xué)方法使氧分子直接與鍺發(fā)生反應(yīng)，生成可揮發(fā)性的一氧化鍺，由于氧氣與鍺反應(yīng)速率的各向異性在鍺表面得到四角錐形立體結(jié)構(gòu)，控制反應(yīng)時(shí)間調(diào)節(jié)鍺表面形貌深度，達(dá)到鍺表面形貌控制目的。
[0033]如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的控制鍺表面形貌的方法流程圖，該方法是將鍺(Ge)置于純氧或氧氣(O2)與其它性質(zhì)穩(wěn)定氣體的混合氣體中，調(diào)節(jié)氧氣(O2)分壓和反應(yīng)溫度至高溫低壓工作區(qū)域，控制反應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍺(Ge)表面形貌控制，具體包括:
[0034]步驟1:將待刻蝕表面形貌的鍺樣品置于真空室中；
[0035]步驟2:向真空室內(nèi)充入低氧分壓氣體；
[0036]步驟3:將真空室升溫至500°C?700°C，使鍺與氧分子結(jié)合生成可揮發(fā)性的一氧化鍺，控制反應(yīng)時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)鍺表面的形貌控制。
[0037]其中中，所述其它性質(zhì)穩(wěn)定氣體為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定在700°C以下不會(huì)和鍺或者氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氮?dú)?N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氖氣(Ne)或上述氣體的混合氣體。
[0038]該方法通過調(diào)節(jié)氣體總壓強(qiáng)以及氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)，控制氧氣分壓在0.1Pa?IO5Pa區(qū)間。該方法是在溫度500°C?700°C區(qū)間里，根據(jù)氧氣分壓調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，保證鍺襯底處于高溫低壓工作區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制。
[0039]步驟I中所述鍺樣品是單晶鍺襯底或者是在絕緣體上形成的鍺表面結(jié)構(gòu)；真空室原始氧氣分壓應(yīng)當(dāng)小于0.0OlPa0
[0040]步驟I中所述鍺樣品，從晶態(tài)上講，所述鍺樣品是單晶、多晶或者非晶態(tài)鍺；對(duì)于單晶鍺，包括(100)，(110)和(111)取向的單晶鍺襯底；從形狀上講，所述鍺樣品是鍺平面、鍺納米線或鍺納米帶。
[0041]步驟2中所述低氧分壓氣體的氧分壓應(yīng)控制在0.1Pa?IO5Pa之間，根據(jù)刻蝕速率的要求確定氧氣分壓的值。
[0042]所述高溫低壓工作區(qū)域，氧氣分壓控制在0.1Pa-1O5Pa,反應(yīng)溫度控制在5000C _700°C，在反應(yīng)溫度和氧氣分壓為橫縱坐標(biāo)的二維圖里，連接(520°C，0.1Pa)和(680°C, IO5Pa)兩點(diǎn)將二維坐標(biāo)圖分成兩個(gè)半?yún)^(qū)，所述的工作區(qū)域位于高溫低壓半?yún)^(qū)。
[0043]所述控制反應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍺(Ge)表面形貌控制是由于氧氣與鍺反應(yīng)速率的各向異性在鍺表面得到四角錐形立體結(jié)構(gòu)，控制反應(yīng)時(shí)間調(diào)節(jié)鍺表面形貌深度，達(dá)到鍺表面形貌控制目的。
[0044]所述氧氣與鍺的反應(yīng)速率由氧氣分壓和反應(yīng)溫度以及鍺材料的晶態(tài)和取向決定，反應(yīng)速率隨溫度的升高而增加，反應(yīng)速率隨氧氣分壓的升高而增加，從晶態(tài)和取向上講，反應(yīng)速率的關(guān)系為:非晶>多晶>單晶(110) >單晶(100) >單晶(111)。
[0045]基于圖1所示的控制鍺表面形貌的方法，圖2至圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例的控制鍺表面形貌的工藝流程圖，該方法包括以下步驟:
[0046]步驟1:開始；
[0047]步驟2:如圖2所不，將單晶錯(cuò)襯底結(jié)構(gòu)置于真空室101中，初始真空度為10 5Pa ；單晶鍺層102厚度為500微米；
[0048]步驟3:如圖2所示，對(duì)真空室101中充入氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w，調(diào)節(jié)氧氣分壓為 IOPa ；
[0049]步驟4:調(diào)節(jié)真空室反應(yīng)溫度，原位對(duì)該襯底結(jié)構(gòu)升溫至650°C，保持加熱狀態(tài)；
[0050]步驟5:如圖3所示，加熱使鍺襯底形成四角錐立體結(jié)構(gòu)103，控制真空室內(nèi)反應(yīng)時(shí)間，可以控制鍺襯底形貌結(jié)構(gòu)深度；
[0051]步驟6:結(jié)束。
[0052]其中，所述步驟I提供了單晶鍺襯底結(jié)構(gòu)，應(yīng)該說明的是其他絕緣體上形成的鍺表面結(jié)構(gòu)也是可行的。
[0053]圖4為鍺襯底表面形貌控制工作區(qū)域的示意圖，氧氣分壓控制在0.1Pa?IO5Pa,反應(yīng)溫度控制在500°C?700°C，其中高溫低壓狀態(tài)區(qū)間(I)是實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制的工作區(qū)域，圖1中實(shí)心點(diǎn)表示能實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制的典型工作點(diǎn)；低溫高壓狀態(tài)區(qū)間(III)是本發(fā)明的非工作區(qū)，在此氧氣分壓和溫度區(qū)域里不能實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制，圖中空心點(diǎn)表示非工作區(qū)域的典型值；而過渡區(qū)(II)是工作區(qū)到非工作區(qū)的過渡區(qū)域，盡管反應(yīng)速率很快，但是在該區(qū)域反應(yīng)速率的可控性較差，為了實(shí)現(xiàn)有效鍺表面形貌控制，此氧氣分壓和反應(yīng)溫度區(qū)域也是應(yīng)該避免的。
[0054]圖5為鍺表面形貌深度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系的示意圖，圖示了鍺表面形貌深度與反應(yīng)時(shí)間的基本關(guān)系，鍺襯底的初始不平整致形貌深度為0.3nm，在反應(yīng)時(shí)間的前期，形貌深度隨著反應(yīng)時(shí)間增加急劇變化，而經(jīng)過充分反應(yīng)時(shí)間后，鍺表面形貌結(jié)構(gòu)深度隨時(shí)間變化緩慢。典型工作點(diǎn)，是在適當(dāng)氧氣分壓和反應(yīng)溫度下，經(jīng)過半小時(shí)反應(yīng)時(shí)間，鍺表面的形貌深度達(dá)到了 3 μ m。
[0055]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，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(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】
1.一種控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，該方法是將鍺(Ge)置于純氧或氧氣(O2)與其它性質(zhì)穩(wěn)定氣體的混合氣體中，調(diào)節(jié)氧氣(O2)分壓和反應(yīng)溫度至高溫低壓工作區(qū)域，控制反應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍺(Ge)表面形貌控制，具體包括: 步驟1:將待刻蝕表面形貌的鍺樣品置于真空室中； 步驟2:向真空室內(nèi)充入低氧分壓氣體； 步驟3:將真空室升溫至500°C~700°C，使鍺與氧分子結(jié)合生成可揮發(fā)性的一氧化鍺，控制反應(yīng)時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)鍺表面的形貌控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，所述其它性質(zhì)穩(wěn)定氣體為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定在700°C以下不會(huì)和鍺或者氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氮?dú)?N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氖氣(Ne)或上述氣體的混合氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，該方法通過調(diào)節(jié)氣體總壓強(qiáng)以及氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)，控制氧氣分壓在0.1Pa~IO5Pa區(qū)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，該方法是在溫度500°C~700°C區(qū)間里，根據(jù)氧氣分壓調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，保證鍺襯底處于高溫低壓工作區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)鍺表面形貌控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，步驟I中所述鍺樣品是單晶鍺襯底或者是在絕緣體上形成的鍺表面結(jié)構(gòu)；真空室原始氧氣分壓應(yīng)當(dāng)小于0.0OlPa0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，步驟2中所述低氧分壓氣體的氧分壓應(yīng)控制在0.1Pa~IO5Pa之間，根據(jù)刻蝕速率的要求確定氧氣分壓的值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，步驟I中所述鍺樣品，從晶態(tài)上講，所述鍺樣品是單晶、多晶或者非晶態(tài)鍺；對(duì)于單晶鍺，包括(100)，(110)和(111)取向的單晶鍺襯底；從形狀上講，所述鍺樣品是鍺平面、鍺納米線或鍺納米帶。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，所述高溫低壓工作區(qū)域，氧氣分壓控制在0.1Pa-1O5Pa,反應(yīng)溫度控制在500°C -700°C，在反應(yīng)溫度和氧氣分壓為橫縱坐標(biāo)的二維圖里，連接(520°C，0.1Pa)和^80°C，IO5Pa)兩點(diǎn)將二維坐標(biāo)圖分成兩個(gè)半?yún)^(qū)，所述的工作區(qū)域位于高溫低壓半?yún)^(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，所述控制反應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍺(Ge)表面形貌控制是由于氧氣與鍺反應(yīng)速率的各向異性在鍺表面得到四角錐形立體結(jié)構(gòu)，控制反應(yīng)時(shí)間調(diào)節(jié)鍺表面形貌深度，達(dá)到鍺表面形貌控制目的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制鍺表面形貌的方法，其特征在于，所述氧氣與鍺的反應(yīng)速率由氧氣分壓和反應(yīng)溫度以及鍺材料的晶態(tài)和取向決定，反應(yīng)速率隨溫度的升高而增加，反應(yīng)速率隨氧氣分壓的升高而增加，從晶態(tài)和取向上講，反應(yīng)速率的關(guān)系為:非晶>多晶>單晶(110) >單晶(100) >單晶(111)。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK103840031SQ201210490731
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月27日
【發(fā)明者】王盛凱, 劉桂明, 劉洪剛, 孫兵, 趙威, 韓樂 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所