專利名稱：一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種的表面織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的加工方法，尤其涉及一種多點(diǎn)接觸模式下的硅片的大面積表面織構(gòu)化加工方法。
背景技術(shù)：
微/納米科技是21世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，世界各國(guó)把微/納米科技作為研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。當(dāng)材料表面被加工出各種織構(gòu)化的微/納米圖案后，其光反射特性、摩擦磨損特性、親疏水特性將發(fā)生重大改變。這種表面織構(gòu)化加工方法被廣泛應(yīng)用于“黑硅”(高光吸收率的太陽(yáng)能電池板)、疏水仿生材料、發(fā)動(dòng)機(jī)減阻結(jié)構(gòu)、精密光柵等的加工領(lǐng)域。以微/納米制造最重要的材料硅為例，其目前的表面織構(gòu)化加工技術(shù)有1.等離子刻蝕首先在硅表面沉積大量的納米顆粒作為掩膜(比如銀顆粒)，利用SF6等離子刻蝕，可以在硅表面形成凸結(jié)構(gòu)從而增加光吸收效率。該技術(shù)可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板的加工， 但是其過(guò)程復(fù)雜，后續(xù)需要去除表面的銀顆粒，并且形成的凸結(jié)構(gòu)位置隨機(jī)分布不可控。2.平版印刷術(shù)在硅表面覆蓋掩模，再涂光刻膠，烘干后利用光刻技術(shù)將圖形傳導(dǎo)至硅。該方法可以實(shí)現(xiàn)位置可控的圖案加工從而實(shí)現(xiàn)表面疏水。但是此方法過(guò)程復(fù)雜，效率較低，每個(gè)步驟都影響最終的精度，而且制作大面積的掩模難度很高。3.電化學(xué)腐蝕將硅片置于通電的電化學(xué)溶液中腐蝕一定時(shí)間，再采用氫氟酸和過(guò)氧化氫進(jìn)行二次處理，硅表面會(huì)形成不規(guī)則織構(gòu)，其表面腐蝕坑會(huì)根據(jù)電流密度不同而具有不同的深度和寬度。該技術(shù)加工的表面織構(gòu)可控性差，腐蝕深度難以準(zhǔn)確把握。顯然，傳統(tǒng)的微/納米加工方法面臨著工藝復(fù)雜、高成本、低效率等問(wèn)題。近年來(lái)，包括原子力顯微鏡在內(nèi)的掃描探針顯微鏡被逐漸應(yīng)用到表面納米加工領(lǐng)域?；谠恿︼@微鏡的陽(yáng)極氧化法可以利用原位陽(yáng)極氧化作用在導(dǎo)體或半導(dǎo)體表面加工掩模，結(jié)合化學(xué)腐蝕，可加工出納米結(jié)構(gòu)。這種方法過(guò)程簡(jiǎn)單，只需兩步即可實(shí)現(xiàn)表面微/納米加工。但是，這種方法嚴(yán)重依賴環(huán)境濕度和探針的導(dǎo)電性，加工環(huán)境十分苛刻。同時(shí)，該設(shè)備只能在單探針模式下工作，加工速度慢，效率較低，而且其加工范圍一般不能超過(guò)一百微米，很難實(shí)現(xiàn)大面積的織構(gòu)加工，達(dá)不到批量化生產(chǎn)要求。因此，為了推動(dòng)的織構(gòu)化加工技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)批量化加工，有必要發(fā)明一種加工面積大、效率高、成本低的硅片織構(gòu)化加工方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，該方法通過(guò)多點(diǎn)接觸模式下對(duì)硅(100)單晶片的簡(jiǎn)單刻劃和后續(xù)腐蝕完成，操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好，不需要復(fù)雜、昂貴的加工設(shè)備。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其步驟是(I)將硅(100)單晶片置于多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到設(shè)定的接觸載荷F ;其中，多點(diǎn)接觸板的具體構(gòu)成是基底上固定有多個(gè)曲率半徑為500nm 250iim的微球，多個(gè)微球的頂點(diǎn)處于同一平面上；(2)在設(shè)定的接觸載荷F下，使多點(diǎn)接觸板和硅(100)單晶片按照設(shè)定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使多點(diǎn)接觸板對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行刻劃；(3)刻劃完成后，使硅(100)單晶片脫離多點(diǎn)接觸板，再將硅(100)單晶片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 25%的KOH溶液中，腐蝕3 8分鐘，即在硅(100)單晶片上加工出相應(yīng)的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是一、本發(fā)明在多點(diǎn)接觸模式下進(jìn)行刻劃，刻劃時(shí)固定于多點(diǎn)接觸板上的多個(gè)微球 同時(shí)并行在被加工材料一硅(100)單晶片上的多個(gè)位置上進(jìn)行刻劃，刻劃效率高、時(shí)間短；刻劃完成后，在進(jìn)行數(shù)分鐘的KOH整體腐蝕即加工出大面積(50mmX50mm)具有凸結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)二、本發(fā)明不需要對(duì)硅(100)單晶片表面進(jìn)行任何噴膠、曝光、顯影等復(fù)雜特殊處理，不需要外加電場(chǎng)，不依賴外界濕度、溫度，只需要簡(jiǎn)單的機(jī)械刻劃和后續(xù)腐蝕即可完成加工，大幅降低了操作難道，降低了加工成本，提高了加工效率。二、更換微球個(gè)數(shù)、大小、間距、排列不同的多點(diǎn)接觸板，即可方便地在被加工的硅(100)單晶片上加工出不同的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)，適用范圍廣。上述的步驟(2)的刻劃過(guò)程中，所述的硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板始終保持平行。這樣能夠保證硅(100)單晶片上各加工點(diǎn)受力均勻，使得加工出的表面織構(gòu)化結(jié)構(gòu)均勻一致。上述的設(shè)定的接觸載荷F為I 600mN/微球。這樣的載荷值能夠誘導(dǎo)硅(100)單晶片發(fā)生相應(yīng)的物理化學(xué)變化，從而能在后續(xù)的KOH腐蝕中產(chǎn)生掩模作用，而有效地加工出相應(yīng)的凸結(jié)構(gòu)。下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。


圖IA是本發(fā)明實(shí)施例一的方法(十點(diǎn)接觸模式)，對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行線加工所得的線狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的三維形貌圖，圖IB是所加工結(jié)構(gòu)的剖面輪廓圖。圖2A是本發(fā)明實(shí)施例二的方法(二點(diǎn)接觸模式)，對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行面加工所得的面狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)三維形貌圖，圖2B是所加工結(jié)構(gòu)的剖面輪廓圖。圖3A是本發(fā)明實(shí)施例三的方法(七點(diǎn)接觸模式)，對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行線加工所得交叉條紋狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的三維形貌圖，圖3B是所加工結(jié)構(gòu)的剖面輪廓圖。圖4A是本發(fā)明實(shí)施例四的方法(四點(diǎn)接觸模式)，對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行面加工所得面狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的三維形貌圖，圖4B是所加工結(jié)構(gòu)的剖面輪廓圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其步驟是(I)將硅(100)單晶片置于多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到設(shè)定的接觸載荷F ;其中，多點(diǎn)接觸板的具體構(gòu)成是基底上固定有多個(gè)曲率半徑為160 的微球，多個(gè)微球的頂點(diǎn)處于同一平面上。本例中設(shè)定的接觸載荷F為250mN/微球。多點(diǎn)接觸板上的微球的個(gè)數(shù)為十個(gè)，材料為鋼。(2)在設(shè)定的接觸載荷F下，使多點(diǎn)接觸板和硅(100)單晶片按照設(shè)定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使多點(diǎn)接觸板對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行刻劃；在刻劃過(guò)程中硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板始終保持平行。 本例中具體刻劃軌跡為線掃描模式的軌跡，刻劃速度V為0. 3mm/s,線間距為80 u m,長(zhǎng)度為 1200 u m。(3)刻劃完成后，使硅(100)單晶片脫離多點(diǎn)接觸板，再將硅(100)單晶片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的KOH溶液中，腐蝕5分鐘，即在硅(100)單晶片上加工出相應(yīng)的線狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。圖IA是本實(shí)施例所得線狀織構(gòu)的部分三維形貌圖，圖IB為圖IA的輪廓曲線圖。由圖1A、圖IB可知每根納米線的寬度為30iim，相鄰結(jié)構(gòu)的中心距是80iim，高度為50nm，與試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定相符。較之單點(diǎn)接觸刻劃模式，本實(shí)施例的刻劃過(guò)程的刻劃時(shí)間為其十分之一，刻劃效率為其十倍。實(shí)施例二一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其步驟是(I)將硅(100)單晶片置于多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到設(shè)定的接觸載荷F ;其中，多點(diǎn)接觸板的具體構(gòu)成是基底上固定有多個(gè)曲率半徑為160 的微球，多個(gè)微球的頂點(diǎn)處于同一平面上。本例中設(shè)定的接觸載荷F為450mN/微球。多點(diǎn)接觸板上的微球的個(gè)數(shù)為兩個(gè)，材料為鋼。(2)在設(shè)定的接觸載荷F下，使多點(diǎn)接觸板和硅(100)單晶片按照設(shè)定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使多點(diǎn)接觸板對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行刻劃；在刻劃過(guò)程中硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板始終保持平行。本例中具體刻劃軌跡為面掃描模式的軌跡，刻劃速度V為0. 3mm/s，線間距為5 u m,長(zhǎng)度為250 u m,寬度為200 u m。(3)刻劃完成后，使硅(100)單晶片脫離多點(diǎn)接觸板，再將硅(100)單晶片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的KOH溶液中，腐蝕4分鐘，即在硅(100)單晶片上加工出相應(yīng)的面狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。圖2A是本實(shí)施例所得面狀織構(gòu)的三維形貌圖，圖2B為圖2A的輪廓曲線圖。由圖2A、圖2B可知兩個(gè)微球探針對(duì)應(yīng)的兩個(gè)掃描區(qū)域分別形成了面隆起結(jié)構(gòu)，而且兩個(gè)面隆起形狀一致，長(zhǎng)度為250 u m,寬度為200 u m,高度都是40nm。這說(shuō)明在刻劃過(guò)程中，多點(diǎn)接觸板時(shí)刻與硅基底保持平行，每個(gè)微球探針與硅表面的接觸壓力近似相等，最終得到的面隆起高度也一致。較之單點(diǎn)接觸刻劃模式，本實(shí)施例的刻劃過(guò)程的刻劃時(shí)間為其二分之一，刻劃效率為其兩倍
實(shí)施例三一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其步驟是(I)將硅(100)單晶片置于多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到設(shè)定的接觸載荷F ;其中，多點(diǎn)接觸板的具體構(gòu)成是基底上固定有多個(gè)曲率半徑為160 的微球，多個(gè)微球的頂點(diǎn)處于同一平面上。本例中設(shè)定的接觸載荷F為250mN/微球。多點(diǎn)接觸板上的微球的個(gè)數(shù)為七個(gè)，材料為鋼。
(2)在設(shè)定的接觸載荷F下，使多點(diǎn)接觸板和硅(100)單晶片按照設(shè)定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使多點(diǎn)接觸板對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行刻劃；在刻劃過(guò)程中硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板始終保持平行。本例中具體刻劃軌跡為線掃描模式的軌跡，刻劃速度V為0. 3mm/s，刻劃次數(shù)為兩次,第一次的刻劃刻度為角度為40° ,第二次的刻劃角度為130° ,刻劃線間距為IOOii m。(3)刻劃完成后，使硅(100)單晶片脫離多點(diǎn)接觸板，再將硅(100)單晶片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的KOH溶液中，腐蝕8分鐘，即在硅(100)單晶片上加工出相應(yīng)的交叉條紋狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。圖3A是本實(shí)施例所得織構(gòu)化的部分三維形貌圖，圖3B為圖3A的輪廓曲線圖。由圖3A、圖3B可知每根納米線的寬度為20iim，中心距是100 ym，高度為80nm，交叉夾角為90°，與試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定相符。較之單點(diǎn)接觸刻劃模式，本實(shí)施例的刻劃過(guò)程的刻劃時(shí)間為其七分之一，刻劃效率為其七倍。實(shí)施例四一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其步驟是(I)將硅(100)單晶片置于多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到設(shè)定的接觸載荷F ;其中，多點(diǎn)接觸板的具體構(gòu)成是基底上固定有多個(gè)曲率半徑為160 的微球，多個(gè)微球的頂點(diǎn)處于同一平面上。本例中設(shè)定的接觸載荷F為250mN/微球。多點(diǎn)接觸板上的微球的個(gè)數(shù)為四個(gè)，材料為二氧化硅。(2)在設(shè)定的接觸載荷F下，使多點(diǎn)接觸板和硅(100)單晶片按照設(shè)定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使多點(diǎn)接觸板對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行刻劃；即在硅(100)單晶片上加工出相應(yīng)的面狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。本例中具體刻劃軌跡為面掃描模式的軌跡，刻劃速度V為0. 3mm/s,刻劃間距為5 um,長(zhǎng)度和寬度都是150 u m。(3)刻劃完成后，使硅(100)單晶片脫離多點(diǎn)接觸板，再將硅(100)單晶片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的KOH溶液中，腐蝕6分鐘，即得到具有設(shè)定結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。圖4A是本實(shí)施例所得織構(gòu)化的部分三維形貌圖，圖4B為圖4A的輪廓曲線圖。由圖4A、圖4B可知在掃描區(qū)域形成了規(guī)則排列的凹凸相間的棋盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)凸起小方塊的大小為150 u mX 150 u m,高度為60nm，與試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定相符。較之單點(diǎn)接觸刻劃模式，本實(shí)施例的刻劃過(guò)程的刻劃時(shí)間為其四分之一，刻劃效率為其四倍。實(shí)施例五—種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其步驟是
(I)將硅(100)單晶片置于多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到設(shè)定的接觸載荷F ;其中，多點(diǎn)接觸板的具體構(gòu)成是基底上固定有多個(gè)曲率半徑為500nm的微球，多個(gè)微球的頂點(diǎn)處于同一平面上。本例中設(shè)定的接觸載荷F為ImN/微球。多點(diǎn)接觸板上的微球的個(gè)數(shù)為十個(gè)，材料
為二氧化硅。(2)在設(shè)定的接觸載荷F下，使多點(diǎn)接觸板和硅(100)單晶片按照設(shè)定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使多點(diǎn)接觸板對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行刻劃；在刻劃過(guò)程中硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板始終保持平行。本例中具體刻劃軌跡為面掃描模式的軌跡，刻劃速度V為5iim/s，長(zhǎng)度和寬度都是2 ii m，刻劃線間距為20nm。(3)刻劃完成后，使硅(100)單晶片脫離多點(diǎn)接觸板，再將硅(100)單晶片放入質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為25%的KOH溶液中，腐蝕5分鐘，即在硅(100)單晶片上加工出相應(yīng)的面狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。上述具體實(shí)施方式
表明，通過(guò)選擇合適的多點(diǎn)接觸板，并控制載荷、刻劃掃描范圍、掃描速度、掃描次數(shù)等參數(shù)，始終保持多點(diǎn)接觸板與硅(100)單晶片的平行度，本發(fā)明方法可以在單次加工流程中對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工，可作為一種大面積、高效率的硅(100)單晶片表面織構(gòu)化結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其步驟是 (1)將硅(100)單晶片置于多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到設(shè)定的接觸載荷F ;其中，多點(diǎn)接觸板的具體構(gòu)成是基底上固定有多個(gè)曲率半徑為500nm 250 μ m的微球，多個(gè)微球的頂點(diǎn)處于同一平面上； (2)在設(shè)定的接觸載荷F下，使多點(diǎn)接觸板和硅(100)單晶片按照設(shè)定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使多點(diǎn)接觸板對(duì)硅(100)單晶片進(jìn)行刻劃； (3)刻劃完成后，使硅(100)單晶片脫離多點(diǎn)接觸板，再將硅(100)單晶片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 25%的KOH溶液中，腐蝕3 8分鐘，即在硅(100)單晶片上加工出相應(yīng)的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其特征在于，所述的步驟(2)的刻劃過(guò)程中，所述的硅(100)單晶片與多點(diǎn)接觸板始終保持平·行。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，其特征在于，所述的設(shè)定的接觸載荷F為I 600mN/微球。
全文摘要
一種多點(diǎn)接觸模式下的大面積硅表面織構(gòu)化加工方法，它將硅(100)單晶片置于多微球的多點(diǎn)接觸板垂直下方位置，再使硅片與多點(diǎn)接觸板兩者垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)至發(fā)生接觸，并達(dá)到一定接觸載荷F；使多點(diǎn)接觸板和硅片按照既定軌跡相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行刻劃；刻劃后，將硅片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15～25％的KOH溶液中腐蝕一段分鐘，即可得到具有預(yù)先設(shè)定結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)該方法在多點(diǎn)接觸模式下進(jìn)行，可以方便地控制所加工織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的圖案、排列方式等；刻劃過(guò)程中硅片與多點(diǎn)接觸板始終保持平行狀態(tài)。該方法的設(shè)備和原材料成本低，操作簡(jiǎn)便、步驟簡(jiǎn)單，能夠一次性完成硅(100)單晶片的大面積織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的加工，具有明顯的低成本、高效率的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102730631SQ20121023744
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者余丙軍, 吳治江, 周仲榮, 宋晨飛, 郭劍, 錢(qián)林茂 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)