[发明专利]一种制备黑硅的方法及装置

说明书

本发明公开一种制备黑硅的方法及装置，密闭气体腔上方设激光通光口用于激光射入，设真空抽气口用于抽真空，设气体输入口用于通入气体，设抽尘输出口用于将含有粉尘的气体抽出，气体输入口、抽尘输出口及外循环管道构成循环通道，并于外循环管道上设置粉尘过滤装置，对抽尘输出口的气体进行粉尘过滤；将硅片置于密闭气体腔内，抽真空并通入气体后，开启循环，启动激光器，使激光聚焦在硅片表面或上方，激光与硅片和气体产生相互作用，在硅片表面形成尖锥状微结构及S原子掺杂；本发明通过调节光斑横纵向搭接率、光斑直径及激光重复频率来调整硅片的蚀刻效率，使得既满足硅材料熔融对光斑能量密度的要求，又满足黑硅产业化对刻蚀效率的要求。

技术领域

本发明涉及半导体光电子材料技术领域，具体为一种制备黑硅的方法及装置。

背景技术

硅的特殊化学性质决定了硅材料是绝佳的半导体材料，其资源丰富，在地壳中的含量仅次于氧元素，约为27.6%，而且具有易提纯，易掺杂，耐高温的优点。因此广泛应用于半导体行业，成为光电器件的主要制作材料。然而，晶体硅表面对紫外-红外光的反射很高，如果晶体硅的表面不做任何处理，它对可见-红外光的反射达30%以上，对紫外光的反射高达50%以上。在现有工业化生产中，即使是制绒过后的单晶硅和多晶硅的表面反射率仍然较高，在可见光范围内分别为13%和22%，且短波方向上的反射率明显增加。

高反射率显然影响了硅材料在一些领域的应用和发展，尤其是太阳能电池和光电探测器等领域。近年来，光伏产业发展迅猛，其中85%是基于晶体硅的太阳能电池，根据预测结果，光电转换效率每提高1%，太阳能电池成本将降低6%-8%，而晶体硅的高表面反射率正是导致太阳能电池光电转换效率较低的重要原因之一，尽管后续工艺中的SiNx薄膜可以进一步起到减反射的作用，但其只能对一定范围的光起减反射作用，尤其在短波长范围内的反射率还是很高。同样，晶体硅的高表面反射率也严重的影响了传统硅光电探测器的光电响应率和灵敏度，虽然目前有一些方法（比如：镀减反射膜、化学腐蚀等）可以在一定程度上减少硅表面的反射率，但是所能产生的减反效果仍然有限。

因此，要解决以上问题，必须制备黑硅材料，以尽量降低整个光谱范围的入射光在硅片表面的反射率，从而提升硅器件的整体性能。目前制备黑硅主要有化学制绒、反应离子刻蚀、电化学腐蚀、金属催化酸腐蚀和超快激光直接刻蚀等方法，这些方法可以在硅表面形成尖锥状的表面形貌，而尖锥的表面形貌可以使入射光在表面被多次反射，相当于增大了有效吸收厚度，因此可在一定范围内减少反射率，但是对于较宽的光谱范围，尤其是近红外波段，并不具备很好的吸收特性。原因在于硅材料的禁带宽度为1.124eV，对应的波长约为1100nm，因此硅对大于该波长的红外波段吸收率很低。而在硅材料中掺杂硫族元素可以在硅的禁带宽度中生成杂质能级，能很好地改善这一情况，但是仅采用离子注入不会改变硅表面的平整度，无法形成尖锥的表面形貌，对入射光的吸收有限。综合以上结果，在硅表面形成尖锥状形貌以及硫族元素掺杂是实现硅材料在光波段到近红外波段均具备高吸收率的必备条件。

目前实现上述目标的方法多采用800nm的飞秒激光器对在气体氛围中的硅片进行刻蚀，可以获得对250nm-2500nm波段吸收率均高于90%的黑硅材料。然而800nm激光器多为科研级激光器，其在稳定性、集成度方面均存在较大问题，难以实现工程化应用，而且800nm飞秒激光器的重复频率很低，一般仅有1kHz，这会极大地影响黑硅的加工效率，难以实现量产。

为了克服这一问题，提高黑硅的加工效率，促进其工业化生产，非常有必要提出一套适用于工程化的黑硅解决方案以及加工装备。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种制备黑硅的方法及装置，不仅可以实现黑硅材料对紫外到红外波段的高吸收率，而且可满足工程应用需求，加工效率高，整个装备系统结构集成度高、稳定性好，成本较低。

根据本发明说明书的一方面，提供一种制备黑硅的方法，包括：

将硅材料放置于密闭气体腔内，所述密闭气体腔的上方设有激光通光口，侧面分别设有真空抽气口、气体输入口和抽尘输出口；