專利名稱：一種具有納米結構表面的硅材料及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微米/納米半導體微加工技術領域，尤其涉及一種具有納米結構表面的硅材料及其制作方法。
背景技術：
硅是一種用途最為廣泛的半導體材料，在太陽電池等許多領域有巨大的工業(yè)應用。目前，硅表面的納米結構制造主要有金屬薄膜技術自主裝的納米島結構和濕法腐蝕的多孔硅納米孔結構。如利用高溫磁控度銀工藝，獲得銀納米結構，然后利用反應離子刻蝕，將銀納米結構轉換成納米硅柱狀結構，其工藝方法與本發(fā)明基本是相同的，只是反應離子刻蝕所使用的掩模結構為銀納米結構。由于金屬納米薄膜技術的特點和機理限制，制作出的金屬自組裝納米顆粒直徑一般不超過100納米，所以無法完成幾百到微米直徑的納米顆粒，也就無法獲得該尺度下的硅納米柱狀結構。而濕法腐蝕的多孔硅結構，只能完成各種直徑尺寸的孔結構，無法實現(xiàn)納米柱狀表面的硅結構。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有納米結構表面的硅材料及其制作方法，納米結構尺寸直徑可以從幾十納米到幾微米，以滿足這一直徑尺度下的應用需要；如納米尺度PN結的光電池，由于PN結本身有100多納米的深度，如果硅納米柱狀結構本身直徑小于200微米，就會造成硅納米柱狀結構PN結的消失，無法實現(xiàn)納米柱狀PN結結構。對于本發(fā)明的幾百納米硅柱狀結構就使納米PN結消失，能夠滿足這樣的需求。( 二 )技術方案為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種具有納米結構表面的硅材料，包括具有一定厚度的硅片；以及刻蝕該硅片表面而形成的柱狀硅納米結構。上述方案中，所述柱狀硅納米結構由直徑不等的硅圓柱構成。所述硅圓柱位置無序的分布在所述硅片表面，且高度相同。所述硅片的厚度為0. 1-2毫米，其表面為拋光面、毛面或有結構面。為了達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種具有納米結構表面的硅材料的制作方法，包括在硅片表面進行真空氯化銫鍍膜，并利用氯化銫納米島光刻技術在硅片表面形成氯化銫納米島結構；利用反應離子刻蝕將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面，在硅片表面形成柱狀硅納米結構；去掉柱狀硅納米結構頂部的氯化銫，形成具有納米結構表面的硅材料。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的具有納米結構表面的硅材料及其制作方法，采用氯化銫納米島自組裝技術完成原始納米結構，具有低成本和較強的工藝適應性能，并能夠在不同硅表面上生長和完成，便于推廣和應用。2、本發(fā)明提供的具有納米結構表面的硅材料及其制作方法，利用熱蒸發(fā)來制造氯化銫薄膜，與磁控濺射和離子束鍍膜技術相比，熱蒸發(fā)技術要求低而工藝更為普及，能夠容易實現(xiàn)大面積和低成本。3、本發(fā)明提供的具有納米結構表面的硅材料及其制作方法，選用氯化銫納米島光刻技術來完成原始納米結構，與傳統(tǒng)的電子束和納米壓印等微加工納米結構制造技術相t匕，無需昂貴的復雜工藝設備以及工藝中對硅表面平整度的嚴格要求，從而表現(xiàn)出設備簡單和制造成本低的特點。4、本發(fā)明提供的具有納米結構表面的硅材料及其制作方法，使用的氯化銫材料，容易獲得，易溶解于水，因而娃納米柱狀結構完成后方便去除。5、硅是半導體和微機電系統(tǒng)使用最為廣泛的材料，硅的刻蝕工藝非常成熟，所以本發(fā)明具有相應廣泛的應用領域。


圖1是依照本發(fā)明實施例的具有納米結構表面的硅材料的示意圖；圖2是依照本發(fā)明實施例的制作具有納米結構表面的硅材料的方法流程圖；圖3(a)至圖3(d)是依照本發(fā)明實施例的制作具有納米結構表面的硅材料的工藝流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提出了一種具有納米結構表面的硅材料及其制作方法，納米結構是柱狀結構，直徑范圍20-1500納米，高度50-5000納米，制作方法采用氯化銫自組裝和微細加工的鍍膜和反應離子刻蝕技術完成。該方法原始結構采用自組裝技術完成，能夠在不同形狀的硅表面上實現(xiàn)氯化銫納米結構，氯化銫島結構尺寸通過氯化銫薄膜厚度和顯影濕度的綜合控制來實現(xiàn)，小尺寸的納米島結構需要氯化銫厚度小和顯影濕度低來獲得，大尺寸島結構需要氯化銫厚度大和顯影濕度高來獲得。通過反應離子刻蝕技術將上述獲得的氯化銫納米島結構轉移成硅納米柱狀結構，實現(xiàn)具有納米結構表面的硅材料的制作。如圖1所示，圖1是依照本發(fā)明實施例的具有納米結構表面的硅材料的示意圖，該娃材料包括具有一定厚度的娃片；以及刻蝕該娃片表面而形成的柱狀娃納米結構。其中，所述柱狀硅納米結構由直徑不等的硅圓柱構成。所述硅圓柱位置無序的分布在所述硅片表面，且高度相同。所述硅片的厚度為0. 1-2毫米，其表面為拋光面、毛面或有結構面?；趫D1所不的具有納米結構表面的娃材料的不意圖，圖2不出了依照本發(fā)明實施例的制作具有納米結構表面的硅材料的方法流程圖，包括以下步驟步驟201 :在硅片表面進行真空氯化銫鍍膜，并利用氯化銫納米島光刻技術在硅片表面形成氯化銫納米島結構；步驟202 :利用反應離子刻蝕將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面，在硅片表面形成柱狀硅納米結構；
步驟203 :去掉柱狀娃納米結構頂部的氯化銫,形成具有納米結構表面的娃材料。其中，硅材料選用半導體工業(yè)所使用的硅片，厚度0. 1-2毫米，表面為拋光面或毛面或有結構面，換句話說，表面可以是光滑表面也可以是粗糙和有結構的表面。所述在硅片表面進行真空氯化銫鍍膜，并利用氯化銫納米島光刻技術在硅片表面形成氯化銫納米島結構，包括將硅片清洗干凈后放入真空鍍膜腔體內(nèi)，在硅片表面蒸發(fā)氯化銫薄膜，膜厚100-5000埃，如圖3(a)所示；氯化銫薄膜鍍完后，向真空鍍膜腔體內(nèi)通入一定濕度的氣體，相對濕度為10% -70%，顯影氯化銫薄膜，氯化銫在濕度氣體作用下發(fā)生團聚，在硅片表面形成多個類似水滴的氯化銫納米島結構，直徑大小不一，范圍在20-1500納米內(nèi)，位置分布沒有規(guī)律，如圖3(b)所示。所述氯化銫納米島結構是通過自組裝獲得，生長出的氯化銫納米島直徑不相同，直徑尺寸符合高斯分布，如圖3(b)所示。上述圖3(a)到圖3(b)過程稱為氯化銫納米島光刻。所述利用反應離子刻蝕將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面，在硅片表面形成柱狀硅納米結構，包括以團聚的氯化銫納米島結構為掩模，利用反應離子刻蝕工藝刻蝕硅片，從而將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面上，在硅片表面形成柱狀硅納米結構，刻蝕轉移結構結果如圖3(c)所示。所述反應離子刻蝕工藝是通過F離子與硅反應而將硅刻蝕掉，同時不會與氯化銫反應，使氯化銫納米島結構下的娃得到保護，而沒有氯化銫納米島結構覆蓋的硅將被刻蝕掉一定厚度，實現(xiàn)氯化銫納米島結構的圖形轉移；其中反應離子刻蝕工藝利用C4F8為刻蝕氣體，工作壓強4Pa，刻蝕功率100瓦，刻蝕時間5分鐘，形成的柱狀硅納米結構的高度為50-5000納米，刻蝕結果如圖3(c)所示。所述去掉柱狀硅納米結構頂部的氯化銫，是通過將氯化銫納米島結構圖形轉移后的硅片放入水中實現(xiàn)的。硅表面刻蝕完成后，樣品放入水中2-5分鐘，即可將氯化銫溶解掉，獲得納米結構表面硅材料，其結構如圖3(d)所示，從而完成一種具有納米結構表面的硅材料的制作。實施例在硅片上以熱蒸發(fā)方法蒸度氯化銫薄膜，薄膜厚度100納米。厚度通過石英晶體測厚儀來測量和控制。將鍍有氯化銫薄膜的硅片放入濕度為40%的通氣腔體內(nèi)，濕度由通入腔體的潮濕氣體流量控制，在這一濕度條件下顯影I小時，使氯化銫薄膜團聚成納米島結構，在娃片表面形成氯化銫納米島結構。氯化銫納米島平均直徑400納米。將表面有氯化銫島結構的硅片放入反應離子刻蝕機的刻蝕腔體內(nèi)，刻蝕工藝參數(shù)為壓強5Pa，刻蝕氣體，刻蝕時間10分鐘。將硅片取出后放入水中，時間5分鐘，使硅片上的氯化銫島結構溶解，從而獲得納米柱狀結構表面硅材料。本實施例所完成的納米島結構平均直徑約400納米，高度2微米。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種具有納米結構表面的娃材料，其特征在于，包括具有一定厚度的娃片；以及刻蝕該硅片表面而形成的柱狀硅納米結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有納米結構表面的硅材料，其特征在于，所述柱狀硅納米結構由直徑不等的硅圓柱構成。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有納米結構表面的硅材料，其特征在于，所述硅圓柱位置無序的分布在所述硅片表面，且高度相同，高度為50-5000納米。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有納米結構表面的硅材料，其特征在于，所述硅片的厚度為O. 1-2毫米，其表面為拋光面、毛面或有結構面。
5.一種具有納米結構表面的娃材料的制作方法，其特征在于，包括在硅片表面進行真空氯化銫鍍膜，并利用氯化銫納米島光刻技術在硅片表面形成氯化銫納米島結構；利用反應離子刻蝕將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面，在硅片表面形成柱狀硅納米結構；去掉柱狀硅納米結構頂部的氯化銫，形成具有納米結構表面的硅材料。
6.根據(jù)權利要求5所述的具有納米結構表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述在硅片表面進行真空氯化銫鍍膜，并利用氯化銫納米島光刻技術在硅片表面形成氯化銫納米島結構，包括將硅片清洗干凈后放入真空鍍膜腔體內(nèi)，在硅片表面蒸發(fā)氯化銫薄膜，膜厚100-5000 埃；氯化銫薄膜鍍完后，向真空鍍膜腔體內(nèi)通入一定濕度的氣體，相對濕度為10% -70%, 顯影氯化銫薄膜，氯化銫在濕度氣體作用下發(fā)生團聚，在硅片表面形成多個類似水滴的氯化銫納米島結構，直徑大小不一，范圍在20-1500納米內(nèi)，位置分布沒有規(guī)律。
7.根據(jù)權利要求6所述的具有納米結構表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述氯化銫納米島結構是通過自組裝獲得，生長出的氯化銫納米島直徑不相同，直徑尺寸符合高斯分布。
8.根據(jù)權利要求6所述的具有納米結構表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述利用反應離子刻蝕將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面，在硅片表面形成柱狀硅納米結構，包括以團聚的氯化銫納米島結構為掩模，利用反應離子刻蝕工藝刻蝕硅片，從而將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面上，在硅片表面形成柱狀硅納米結構。
9.根據(jù)權利要求8所述的具有納米結構表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述反應離子刻蝕工藝是通過F離子與硅反應而將硅刻蝕掉，同時不會與氯化銫反應，使氯化銫納米島結構下的硅得到保護，而沒有氯化銫納米島結構覆蓋的硅將被刻蝕掉一定厚度， 實現(xiàn)氯化銫納米島結構的圖形轉移；其中反應離子刻蝕工藝利用C4F8為刻蝕氣體，工作壓強4Pa，刻蝕功率100瓦，刻蝕時間5分鐘，形成的柱狀硅納米結構的高度為50-5000納米。
10.根據(jù)權利要求5所述的具有納米結構表面的硅材料的制作方法，其特征在于，所述去掉柱狀硅納米結構頂部的氯化銫，是通過將氯化銫納米島結構圖形轉移后的硅片放入水中實現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有納米結構表面的硅材料及其制作方法。該硅材料包括具有一定厚度的硅片；以及刻蝕該硅片表面而形成的柱狀硅納米結構。該方法包括在硅片表面進行真空氯化銫鍍膜，并利用氯化銫納米島光刻技術在硅片表面形成氯化銫納米島結構；利用反應離子刻蝕將氯化銫納米島結構轉移到硅片表面，在硅片表面形成柱狀硅納米結構；去掉柱狀硅納米結構頂部的氯化銫，形成具有納米結構表面的硅材料。本發(fā)明采用氯化銫納米島自組裝技術完成原始納米結構，具有低成本和較強的工藝適應性能，并能夠在不同硅表面上生長和完成，便于推廣和應用。
文檔編號B81C1/00GK103030096SQ201110302908
公開日2013年4月10日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權日2011年10月9日
發(fā)明者伊福廷 申請人:中國科學院高能物理研究所