采用铝硅共晶薄膜辅助干法刻蚀制备黑硅层的方法与流程

本发明涉及一种黑硅层制作技术，尤其涉及一种采用铝硅共晶薄膜辅助干法刻蚀制备黑硅层的方法。

背景技术：

硅光电探测器(pin/apd)具有暗电流小、灵敏度高、成本低等优点，在光纤通讯、激光测距、三维成像、激光制导等领域都有广泛的应用。为进一步提升系统性能、扩展应用范围，一种较好的途径就是提高硅光电探测器对近红外波段(800～1100nm)的响应率；基于现有技术可知，黑硅层同时具有微纳结构陷光作用和光电流内部倍增作用，其对800～1700nm光谱范围具有很高的吸收率(≥80％)，因此，在硅光电探测器中设置黑硅层是一种提高硅光电探测器近红外波段响应率的较好手段。

黑硅层在硅光电探测器中一般作为光敏吸收层使用，在制作黑硅层时，为提高黑硅层对近红外光的吸收率，通常要求制作出的黑硅层具有较深和较大深宽比的微纳陷光结构，此外，制作工艺还需要具有晶格损伤低、均匀性高、重复性好的特性，才能获得低暗电流、低噪声、低成本的光电探测器，同时，为保障器件性能与生产线的工艺安全，制作工艺还必须与硅光电器件工艺兼容，不能引入重金属沾污，否者将引起器件性能的大幅度退化或失效。

现有技术中，常见的黑硅制备方法有飞秒激光扫描法、金属离子辅助湿法化学腐蚀法、无掩膜干法刻蚀法、纳米压印法等：飞秒激光扫描法采用飞秒激光脉冲作用到硅片表面，获得针状或柱状的黑硅结构，其具有黑硅形貌佳、红外吸收增强效果好的优点，但是这种方法存在设备昂贵、黑硅产能极低、晶格损伤较大的缺点；金属离子辅助湿法化学腐蚀法是采用au⁺、pt⁺、mn⁺、ni⁺、cu⁺等离子辅助湿法腐蚀形成金字塔或孔状黑硅，具有设备简单、制作成本低的优势，但该方法容易引入金属离子沾污，会导致器件性能大幅退化；无掩膜干法刻蚀法采用等离子体自身的晶向选择刻蚀和微掩膜作用形成柱状黑硅结构，具有工艺简单的优势，但是存在片间/片内均匀性差、工艺重复性差等问题；纳米压印法一般采用纳米压印方式先在硅片表面形成黑硅微纳结构掩膜，然后采用干法刻蚀将掩膜图形转移到硅衬底形成黑硅结构，该方法具有均匀性好、结构可设计的优点，但也存在成本高、近红外吸收增强效果较差(纳米压印黑硅微结构较浅，否者微结构在纳米压印时无法倒模)等缺点。

技术实现要素：

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种采用铝硅共晶薄膜辅助干法刻蚀制备黑硅层的方法，其创新在于：所述方法的步骤为：

1)提供硅片；对硅片表面进行清洗；

2)硅片上用于制作黑硅层的区域记为操作区；采用电子束蒸发镀膜工艺或磁控溅射镀膜工艺，在操作区表面生长铝硅共晶薄膜；

3)采用等离子刻蚀工艺对铝硅共晶薄膜中的硅进行选择性刻蚀，将铝硅共晶薄膜中的硅刻蚀掉；

4)利用铝硅共晶薄膜中残留的铝作为掩膜，采用等离子刻蚀工艺对操作区上的硅进行选择性刻蚀，从而在操作区上形成黑硅层；

5)采用等离子刻蚀工艺对所述掩膜进行选择性刻蚀，将掩膜刻蚀掉，然后对黑硅层进行清洗。

本发明的原理是：基于现有技术可知，铝硅共晶薄膜是一种现有材料，铝硅共晶薄膜在硅片上的附着性较好，常用于制作硅光电器件中的电极；现有技术在制作铝硅共晶薄膜时，常采用电子束蒸发镀膜工艺或磁控溅射镀膜工艺，不仅工艺十分成熟，而且与其他硅光电器件工艺的兼容性较好；

基于现有理论可知，在铝硅共晶薄膜中，铝和硅的分布均匀性较好，并且铝硅共晶薄膜中铝和硅的含量可调，硅含量越少，铝的晶粒尺寸就越大，反之铝的晶粒尺寸就越小，也即是说可以通过调节铝和硅的含量来控制铝的晶粒尺寸，具体的调节手段也是现有技术；

基于现有的刻蚀工艺理论可知，通过工艺参数调节，可以使等离子刻蚀工艺以较大的刻蚀选择比对硅和铝进行选择刻蚀，从而选择性地去掉硅保留铝或去掉铝保留硅，从制备黑硅层的角度来看，铝硅共晶薄膜能够很好地附着在硅片上，若以较大的刻蚀选择比将铝硅共晶薄膜中的硅刻蚀掉而保留下铝，结合到前述的铝晶粒尺寸控制，就能在硅片上制作出刻蚀黑硅层所需的、附着性较好的、具备微纳结构的铝掩膜，黑硅层制作好后，也能够十分容易地将铝掩膜从黑硅层上去除，于是本发明便应运而生了。

相较于现有的黑硅层制作方法，得益于铝硅共晶薄膜中铝的晶粒尺寸可调，本发明很容易地就能通过对铝硅共晶薄膜进行选择性刻蚀来得到具备微纳结构的铝掩膜，进而制作出形貌优良的黑硅层，并且在本发明中，掩膜制作与黑硅刻蚀实现了很好的分离，可以单独优化工艺参数，同时，工艺过程中，无高能射线或高能离子轰击，硅片损伤低，此外，铝硅共晶薄膜淀积操作、铝硅分离操作、黑硅刻蚀操作和铝选择性刻蚀操作都可采用标准的硅工艺设备实现，工艺要求较低，黑硅的片内/片间均匀性、工艺重复性都能够得到较好的保障，还不会引入重金属离子沾污，与硅光电器件工艺的兼容性也较好，再有，工艺过程中的铝硅分离操作、黑硅刻蚀操作和铝选择性刻蚀操作可以在同一个设备上的不同腔体中完成，因此可以大幅减小工艺时间，提高生产效率。

优选地，步骤1)中，采用rca清洗工艺对硅片表面进行清洗；步骤5)中，采用rca清洗工艺对黑硅层进行清洗。

优选地，步骤3)中，刻蚀操作的工艺气体采用sf6、cf4或chf3，辅助气体采用hbr、o2、ar或he；刻蚀操作对硅和铝的刻蚀选择比大于5。

优选地，步骤4)中，刻蚀操作的工艺气体采用sf6、cf4或chf3，辅助气体采用hbr、o2、ar或he；刻蚀操作对硅和铝的刻蚀选择比大于10，且对硅的纵向刻蚀速率和横向刻蚀速率之比大于5。

优选地，步骤5)中，刻蚀操作的工艺气体采用cl2或bcl3，辅助气体采用n2、ar或he；刻蚀操作对铝和硅的刻蚀选择比大于10。

前述方案中未对具体的工艺细节进行介绍，但发明人认为，这并不会影响本领域技术人员对本发明方案的理解和实施，具体理由为：从本发明的介绍可以明显看出，本发明的核心在于采用铝硅共晶薄膜来形成具备微纳结构的铝掩膜，具体的工艺细节则不是本发明的创新点，此外，本发明所采用的工艺均为现有技术中的常见工艺，所列举的工艺气体和辅助气体也都是现有的等离子刻蚀工艺中常用的工艺气体和辅助气体，优选方案中所提出的刻蚀选择比参数及刻蚀速率比参数在现有的等离子刻蚀工艺中也较为常见，在本发明揭示了利用铝硅共晶薄膜的特性来制作铝掩膜的原理后，本领域技术人员完全有能力利用现有知识来实施本发明，再考虑到设备参数也是决定刻蚀效果的重要因素之一，而设备种类多种多样、难以穷举，故前述方案中未示出具体的工艺参数。

本发明的有益技术效果是：提出了一种采用铝硅共晶薄膜辅助干法刻蚀制备黑硅层的方法，该方法对硅片的晶格损伤低、均匀性高、重复性好、工艺简单、成本低、与硅光电器件工艺的兼容较好，掩膜制作与黑硅刻蚀实现了很好的分离，可以单独优化工艺参数，同时，受益于铝硅共晶薄膜选择性刻蚀所形成的微纳结构的铝掩膜，很容易就能制作出形貌优良的黑硅层。

附图说明

图1、本发明方法制作出的黑硅层的扫描电子显微镜照片一(俯视)；

图2、本发明方法制作出的黑硅层的扫描电子显微镜照片二(剖面)。

具体实施方式

一种采用铝硅共晶薄膜辅助干法刻蚀制备黑硅层的方法，其创新在于：所述方法的步骤为：

1)提供硅片；对硅片表面进行清洗；

2)硅片上用于制作黑硅层的区域记为操作区；采用电子束蒸发镀膜工艺或磁控溅射镀膜工艺，在操作区表面生长铝硅共晶薄膜；

3)采用等离子刻蚀工艺对铝硅共晶薄膜中的硅进行选择性刻蚀，将铝硅共晶薄膜中的硅刻蚀掉；

4)利用铝硅共晶薄膜中残留的铝作为掩膜，采用等离子刻蚀工艺对操作区上的硅进行选择性刻蚀，从而在操作区上形成黑硅层；

5)采用等离子刻蚀工艺对所述掩膜进行选择性刻蚀，将掩膜刻蚀掉，然后对黑硅层进行清洗。

进一步地，步骤1)中，采用rca清洗工艺对硅片表面进行清洗；步骤5)中，采用rca清洗工艺对黑硅层进行清洗。

进一步地，步骤3)中，刻蚀操作的工艺气体采用sf6、cf4或chf3，辅助气体采用hbr、o2、ar或he；刻蚀操作对硅和铝的刻蚀选择比大于5。

进一步地，步骤4)中，刻蚀操作的工艺气体采用sf6、cf4或chf3，辅助气体采用hbr、o2、ar或he；刻蚀操作对硅和铝的刻蚀选择比大于10，且对硅的纵向刻蚀速率和横向刻蚀速率之比大于5。

进一步地，步骤5)中，刻蚀操作的工艺气体采用cl2或bcl3，辅助气体采用n2、ar或he；刻蚀操作对铝和硅的刻蚀选择比大于10。

实施例：

1)提供硅片；对硅片表面进行清洗；采用槽式rca清洗工艺，具体流程依次为：spm(v(h2so4):v(h2o2)＝4:1)清洗10mins、去离子水冲洗15mins、sc1(v(nh3·h2o):v(h2o2):v(h20)＝1:2:10)清洗10mins，去离子水冲洗10mins，sc2(v(hcl):v(h2o2):v(h20)＝1:4:12)清洗10mins，去离子水冲洗10mins，甩干。

2)硅片上用于制作黑硅层的区域记为操作区；采用磁控溅射镀膜工艺，在操作区表面生长铝硅共晶薄膜；采用appliedmaterials的endura磁控溅射台，工艺参数为气压2mtorr，dc功率10600w，ar气体流量35sccm，生长速率～600nm/mins，生长时间5～60s。

3)采用等离子刻蚀工艺对铝硅共晶薄膜中的硅进行选择性刻蚀，将铝硅共晶薄膜中的硅刻蚀掉；采用appliedmaterials的centura刻蚀设备，刻蚀工艺参数为气压150mtorr，dc功率350w，磁场强度为50gauss，气体组成及流量为sf6/cf4/o2：50/25/20sccm，刻蚀时间20～180s。

4)利用铝硅共晶薄膜中残留的铝作为掩膜，采用等离子刻蚀工艺对操作区上的硅进行选择性刻蚀，从而在操作区上形成黑硅层；采用appliedmaterials的centura刻蚀设备，刻蚀工艺参数为气压80mtorr，dc功率550w，磁场强度为50gauss，气体组成及流量为sf6/hbr2/o2：50/35/20sccm，刻蚀时间20～180s。

5)采用等离子刻蚀工艺对所述掩膜进行选择性刻蚀，将掩膜刻蚀掉，采用appliedmaterials的centura刻蚀设备，刻蚀工艺参数为气压200mtorr，dc功率500w，磁场强度为20gauss，气体组成及流量为bcl3/n2/cl2：50/25/30sccm。

6)对黑硅层进行清洗。采用槽式rca清洗工艺，具体流程依次为：spm(v(h2so4):v(h2o2)＝4:1)清洗10mins、去离子水冲洗15mins、sc1(v(nh3·h2o):v(h2o2):v(h20)＝1:2:10)清洗10mins，去离子水冲洗10mins，sc2(v(hcl):v(h2o2):v(h20)＝1:4:12)清洗10mins，去离子水冲洗10mins，甩干。

参见图1、2，经测量，黑硅径向宽度约0.1～1μm，深度可达5μm，本方法制备的黑硅可大幅提高硅材料在近红外波段的吸收率。本发明与常规的黑硅制作方法相比，无高能射线或高能离子轰击，损伤低，制作的光电器件暗电流也更小；铝硅共晶薄膜淀积、铝硅分离、黑硅刻蚀、铝选择性刻蚀等工艺都可采用标准的硅工艺设备制作，黑硅形貌也可以通过这些程序进行优化控制，工艺要求也较低，因此黑硅的片内/片间均匀性、工艺重复性都能够得到保障，工艺成本也较低；同时还不引入重金属离子沾污，与硅光电器件工艺兼容性也好。