专利名称：一种黑硅钝化方法
技术领域：
本发明涉及光电子器件制造技术领域，尤其是涉及一种黑硅钝化方法。
背景技术：
黑硅是一种电子产业革命性的新型材料结构，通常是指吸收率很高的硅表面或硅
基薄膜。20世纪90年代末，哈佛大学Eric Mazur教授研究组在飞秒激光与物质相互作用 研究的过程中，发现利用飞秒激光在一定气体环境下照射硅片可在硅表面激光辐照区产生 微米量级的尖峰结构。接着他们发展了这种微观构造硅表面的新技术一利用飞秒激光在一 定气体环境下刻蚀硅，制备出具有一定刻蚀面积的新材料，原本是灰色有光泽的硅表面在 刻蚀过的地方肉眼看去完全变成了黑色，因而这种新的硅材料也被称为“黑硅”。中国专利 说明书CN 101734611A(
公开日2010年6月16日)公开了一种基于无掩膜深反应离子刻 蚀制备黑硅的方法，其原理是将硅片浸没在等离子体气氛中，采用刻蚀与钝化的方式交替 对硅片进行处理，一段时间的数次交替处理后硅片表面形成倒立金字塔结构。黑硅由于其特殊的结构使其在多个领域都有广泛的应用。Eric Mazur等在研究 黑硅的光电性质时惊奇地发现这种表面微结构的硅材料具有奇特的光学性质，它对近紫 外_近红外波段的光(波长为0. 25-2. 5um)几乎全部吸收，并具有良好的可见和红外发光 特性，同时还具有良好的场致发射特性等。这使得黑硅在红外探测器、太阳能电池以及平板 显示器等领域具有重要的潜在应用价值。尤其是黑硅的强吸收特性，使其成为制备高效太 阳能电池的理想材料。但是，黑硅由于其表面为非平坦的倒立金字塔、森林状的钉状或针状等结构，使得 黑硅表面面积存在很大的表面态，且表面的悬挂键多，从而降低了黑硅制备的太阳能电池 的转换效率。另外，黑硅由于具有倒立金字塔、森林状的钉状或针状等结构，使得黑硅钝化 变得更加困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种黑硅钝化方法，以减小黑硅表面态密度。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种黑硅钝化方法，所述方法包 括将利用等离子体浸没离子注入技术制备的黑硅放置于钝化装置的腔室内；调整所述钝化装置工艺参数达到预设定的工作范围，向所述钝化装置通入混合气 体，所述混合气体包括反应气体；利用等离子体增强化学气相沉积，在所述黑硅表面沉积钝化薄膜。上述方案中，所述利用等离子体增强化学气相沉积，在所述黑硅表面沉积钝化薄 膜的步骤具体包括在等离子体电源的作用下，所述混合气体在所述钝化装置中放电产生等离子体；
所述反应气体在等离子体气氛中发生反应，生成物沉积在所述黑硅表面形成钝化薄膜。上述方案中，所述工艺参数包括腔室的本底压强和工作压强，样片台的温度，混合 气体的流量、比例，抽取气体的速度，以及等离子体电源的输出功率和频率。上述方案中，所述腔室的本底压强范围为10_12Pa lPa，工作压强范围为10_3Pa lOOOOPa，样片台的温度范围为10 1000°C，等离子体电源的输出功率为0 2000w，频率 为 13. 56MHz。上述方案中，所述钝化薄膜为氮化硅或氧化硅薄膜。上述方案中，当利用等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜钝化黑硅时，所述反 应气体包括硅烷和氨气，或硅烷和氮气；所述硅烷气体流量为1 lOOOsccm，所述氨气或氮 气气体流量为1 lOOOsccm，所述硅烷与氨气或氮气的体积比为0. 01 100。上述方案中，当利用等离子体增强化学气相沉积氧化硅薄膜钝化黑硅时，所述反 应气体包括硅烷和笑气；所述硅烷气体流量为1 lOOOsccm，所述笑气气体流量为1 lOOOsccm，所述硅烷与笑气的体积比为0. 01 100。上述方案中，所述混合气体中还包括稀释气体，用来稀释所述硅烷；所述稀释气体 为氩气、氦气、氮气和氢气中的一种或多种。与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下本发明采用等离子体增强化学气相沉积法，对利用等离子体浸没离子注入技术制 备的黑硅进行钝化，饱和了黑硅表面大量的悬挂键，减小了黑硅表面态密度，从而提高了利 用黑硅制备的太阳能电池的转换效率。
图1为本发明实施例提供的一种利用等离子体增强化学气相沉积钝化黑硅的方 法流程图；图2为利用等离子体浸没离子注入制备的一种黑硅结构扫描电子显微镜形貌图；图3为利用等离子体浸没离子注入制备的另一种黑硅结构扫描电子显微镜形貌 图；图4为利用等离子体浸没离子注入制备的又一种黑硅结构扫描电子显微镜形貌 图；图5为本发明实施例对黑硅进行钝化后的扫描电子显微镜形貌图；图6为本发明实施例中黑硅单面钝化结构示意图；图7为本发明实施例中黑硅双面钝化结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。等离子体增强化学气相沉积、(Plasma Enhanced Chemistry Vapor Deposition, PECVD)是将试样放在沉积腔室内的样片台上，腔室内通入工艺气体，在等离子体电源的作 用下气体辉光放电产生等离子体，在等离子体气氛中反应气体更易受激分解、离解和离化， 从而提高反应物的活性，生成物吸附在试样表面，沉积形成薄膜。
本发明利用PECVD生长薄膜对黑硅进行钝化的主要机理是沉积腔室内通入的混 合气体在等离子体电源作用下放电产生等离子体，混合气体中的反应气体如硅烷(SiH4)和 氨气(NH3)在等离子体气氛中容易发生反应，生成SiNx和H2, SiNx沉积在黑硅的表面，SiNx 层的表面钝化效果归功于相对较低的表面态密度和适当密度的表面固定电荷；等离子体气 氛中和反应过程中含有大量的H，SiNx:H中H通过空位扩散机制和氢气分子扩散机制能够 饱和黑硅材料表面和体内悬挂键，从而完成对黑硅的钝化。如图1所示，本发明实施例提供了一种利用等离子体增强化学气相沉积钝化黑硅 的方法，该方法包括步骤210，将利用等离子体浸没离子注入技术制备的黑硅放置于钝化装置的沉积 腔室内；钝化装置为等离子体增强化学气相沉积装置，黑硅放置在该装置的沉积腔室内， 并且放置于样品台上；步骤212，调整所述钝化装置的工艺参数，使之达到预设定的工作范围，所述工艺 参数包括沉积腔室的本底压强和工作压强，样片台的温度，混合气体的流量、比例，抽取气 体的速度，以及等离子体电源的输出功率和频率；这些工艺参数可根据加工时的实际情况 来预先设定，也可在加工过程中根据需要现场修改，从而使这些参数达到合乎工艺要求的 数值范围或预先设定的数值范围；沉积腔室的本底压强范围可为KT12Pa lPa，优选地可为ICT8Pa 10_3Pa，更为 优选地可为KT7Pa 10_5Pa，沉积腔室的工作压强范围可为KT3Pa lOOOOPa，优选地可为 0. IPa lOOOPa，更为优选地可为0. 5Pa 500Pa ；样片台的温度范围可为10-1000°C，优选地可为100_500°C，更为优选地可为 250-450 0C ；等离子体电源的输出功率为0 2000w，频率为13. 56MHz ；通入气体为混合气体，包括反应气体，如以在所述黑硅上沉积氮化硅薄膜为例，反 应气体可为SiH4和NH3,或SiH4和N2, SiH4气体流量可为1 lOOOsccm，优选地可为10 3OOsccm, NH3或N2气体流量为1 lOOOsccm，优选地可为10 3OOsccm,硅烧SiH4与NH3 或N2的体积比为0. 01 100，优选地可为0. 1 10 ；混合气体中还可以包括稀释气体，SiH4可用N2、Ar、He、H2中的一种或多种气体稀 释，优选地用Ar稀释的SiH4与NH3为工艺气体，稀释后的SiH4与NH3气体之间的体积比为 0. 01 100，优选地可为0. 1 10，稀释后的SiH4与NH3的气体的流量均可为1 lOOOsccm， 优选地可为10 300sccm ；如以在所述黑硅上沉积氧化硅薄膜为例，反应气体可为硅烷SiH4和笑气N20，SiH4 气体流量为1 lOOOsccm，优选地可为10 300sccm，N2O气体流量为1 lOOOsccm，优选 地可为10 300sccm，硅烷SiH4与N2O的体积比为0. 01 100，优选地可为0. 1 10 ；同沉积氮化硅薄膜一样，在沉积氧化硅薄膜所通入混合气体中还可以包括稀释气 体，SiH4可用N2、Ar、He、H2中的一种或多种气体稀释，优选地用Ar稀释的SiH4与N2O为工 艺气体，稀释后的SiH4与N2O气体之间的体积比为0. 01 100，优选地可为0. 1 10，稀释 后的SiH4与N2O的气体的流量均可为1 lOOOsccm，优选地可为10 300sccm ；步骤214，钝化装置气体放电产生等离子体；
步骤216，反应气体在等离子体气氛中发生反应；在等离子体气氛中，由于高能电子的有效碰撞，使得有关的化学键被打开，之后又 重新组合成生成物；步骤218，部分反应生成物沉积在黑硅表面，形成氮化硅或氧化硅钝化薄膜；薄膜的低表面态密度及沉积过程中H对黑硅表面及内部悬挂键的饱和，使得黑硅 表面态密度减小，从而实现对黑硅的钝化。图2、图3、图4分别为一种黑硅结构扫描电子显微镜形貌图。图5是利用本发明 实施例对所述黑硅进行钝化后的扫描电子显微镜形貌图。图6、7分别为利用本发明实施例 对黑硅结构进行单面钝化和双面钝化的结构示意图，301为利用等离子体浸没离子注入技 术制备的黑硅，302为利用本发明实施例对黑硅进行钝化所形成的氮化硅或氧化硅钝化薄膜。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明。应当认识到，以上所述内容仅为本发明的具体实施方式
，并不用于限制本发明。凡 在本发明的实质和基本原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
权利要求
一种黑硅钝化方法，其特征在于，所述方法包括将利用等离子体浸没离子注入技术制备的黑硅放置于钝化装置的腔室内；调整所述钝化装置工艺参数达到预设定的工作范围，向所述钝化装置通入混合气体，所述混合气体包括反应气体；利用等离子体增强化学气相沉积，在所述黑硅表面沉积钝化薄膜。
2.如权利要求1所述的黑硅钝化方法，其特征在于，所述利用等离子体增强化学气相 沉积，在所述黑硅表面沉积钝化薄膜的步骤具体包括在等离子体电源的作用下，所述混合气体在所述钝化装置中放电产生等离子体； 所述反应气体在等离子体气氛中发生反应，生成物沉积在所述黑硅表面形成钝化薄膜。
3.如权利要求1所述的黑硅钝化方法，其特征在于所述工艺参数包括腔室的本底压 强和工作压强，样片台的温度，混合气体的流量、比例，抽取气体的速度，以及等离子体电源 的输出功率和频率。
4.如权利要求3所述的黑硅钝化方法，其特征在于所述腔室的本底压强范围为 KT12Pa lPa，工作压强范围为ICT3Pa lOOOOPa，样片台的温度范围为10 1000°C，等离 子体电源的输出功率为0 2000w，频率为13. 56MHz。
5.如权利要求1或2所述的黑硅钝化方法，其特征在于所述钝化薄膜为氮化硅或氧化硅薄膜。
6.如权利要求5所述的黑硅钝化方法，其特征在于当利用等离子体增强化学气相沉 积氮化硅薄膜钝化黑硅时，所述反应气体包括硅烷和氨气，或硅烷和氮气；所述硅烷气体流 量为1 lOOOsccm，所述氨气或氮气气体流量为1 lOOOsccm，所述硅烷与氨气或氮气的 体积比为0. 01 100。
7.如权利要求5所述的黑硅钝化方法，其特征在于当利用等离子体增强化学气相 沉积氧化硅薄膜钝化黑硅时，所述反应气体包括硅烷和笑气；所述硅烷气体流量为1 lOOOsccm，所述笑气气体流量为1 lOOOsccm，所述硅烷与笑气的体积比为0. 01 100。
8.如权利要求6或7所述的黑硅钝化方法，其特征在于所述混合气体中还包括稀释 气体，用来稀释所述硅烷；所述稀释气体为氩气、氦气、氮气和氢气中的一种或多种。
全文摘要
本发明涉及光电子器件制造技术领域，尤其是涉及一种黑硅钝化方法。所述方法包括将黑硅放置于钝化装置的腔室内；调整钝化装置工艺参数达到预设定的工作范围，向钝化装置通入混合气体，混合气体包括反应气体；利用等离子体增强化学气相沉积，在黑硅表面沉积钝化薄膜。通过本方法降低了黑硅表面态密度，从而提高了利用黑硅制备的太阳能电池的转换效率。
文档编号C01B33/037GK101993081SQ20101053289
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者刘杰, 刘邦武, 夏洋, 李勇滔, 李超波, 陈瑶 申请人:中国科学院微电子研究所;嘉兴科民电子设备技术有限公司