CN101880914B - 利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，所述方法包括：将硅片放置于黑硅制备装置的注入腔室内；调整黑硅制备装置的工艺参数进入预先设置的数值范围；黑硅制备装置产生等离子体，等离子体中的反应离子注入至硅片内；反应离子与硅片发生反应，形成黑硅。采用本方法，能够在硅片上形成具有很强吸光特性、对光极其敏感的黑硅，制备效率高，成本低廉，过程控制简单方便。

Description

利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法
技术领域
本发明涉及一种黑硅制备方法，尤其是涉及一种利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法。
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。与一般的硅材料结构相比，黑硅具有很强的吸光能力。如果将黑硅应用于光学传感器或太阳能电池，那么感光效率会提高上百倍，太阳能电池的转换效率也得以显著提高。
黑硅的制备，开始于1999年美国哈佛大学Eric Mazur教授的实验。在实验中，Eric Mazur教授和他的研究生把硅片放进一个充满卤素气体的真空环境里面，然后用超强和超短时间激光束(飞秒激光器)对硅片进行扫描。经扫描后，硅片表面变成黑色，但不是烧焦所引起的黑色。通过电子显微镜，研究人员观察到硅片的表面形成了一个森林状的钉状表面。这种表面结构有利于减小光线反射，增强对光线的吸收能力。
此后，Eric Mazur教授和他的团队还使用了在半导体工业常见的六氟化硫气体(SF6)，即把普通硅放在充满六氟化硫气体的封闭空间内，然后用飞秒激光器的强力脉冲去轰击硅。经过500次脉冲扫描后，用肉眼观看硅晶片呈黑色。利用电子显微镜，研究人员发现硅片的表面呈现出超细的钉状结构，这一过程可以把硅的表面***糙。然而，采用飞秒激光器来制备黑硅，工艺相当复杂，过程控制繁琐，设备成本极为昂贵，维护不便，不利于大规模的生产制造。
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模深反应离子刻蚀制备黑硅的方法。该方法包括如下步骤：对所述制备黑硅的方法的所采用的设备进行初始化和等离子稳定，以使等离子体进行辉光放电；控制所述深反应离子刻蚀制备黑硅的工艺参数，采用刻蚀与钝化的方式交替对硅片进行处理；其中，所述参数包括：等离子体气体流量、刻蚀平板功率、钝化平板功率、线圈功率和刻蚀、钝化周期、温度。虽然该方法比采用飞秒激光器的制备方法效率更高，成本更低，但是由于其需要交替地对硅片进行刻蚀和钝化处理，即依次反复充入刻蚀气体和钝化气体，并且调节相应的流量、功率、时间和环境参数，因此，利用该方法来制备黑硅，存在着工艺较为复杂、过程控制较繁琐和效率低等问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，采用本方法，能够在硅片上形成具有很强吸光特性、对光极其敏感的黑硅，制备效率高，成本低廉，过程控制简单方便。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，所述方法为将硅片放置于黑硅制备装置内，采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅，具体包括，
(a)将所述硅片放置于所述黑硅制备装置的注入腔室内，将所述硅片与可施加偏置电压的电源电气连接；
(b)调整所述黑硅制备装置的工艺参数进入预先设置的数值范围；所述工艺参数包括所述注入腔室的本底压强和工作压强、等离子体电源所施加的功率、工艺气体的组成以及偏置电源所施加的偏置电压；其中，所述预先设置的本底压强范围为10-7Pa～1000Pa，所述预先设置的工作压强范围为10-3Pa～1000Pa，所述预先设置的功率范围为1～100000W，所述工艺气体由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成，所述具有刻蚀作用的气体和所述具有钝化作用的气体的体积比范围为0.01～100，所述偏置电压范围为-100000～100000V；
(c)所述黑硅制备装置产生等离子体，所述等离子体中的反应离子注入至所述硅片内；
(d)所述反应离子与所述硅片发生反应，形成黑硅。
进一步地，所述步骤(b)包括如下步骤：
抽取所述注入腔室内的气体，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的本底压强范围；
向所述注入腔室充入可与所述硅片发生反应的工艺气体，调整所述工艺气体的流量，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的工作压强范围。
进一步地，所述步骤(b)包括如下步骤：
抽取所述注入腔室内的气体，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的本底压强范围；
向所述注入腔室充入可与所述硅片发生反应的工艺气体，调整所述黑硅制备装置抽取所述注入腔室内的气体的抽取速度，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的工作压强范围。
进一步地，所述具有刻蚀作用的气体包括SF6、CF4、CHF3、C4F8、NF3、SiF4、C2F6、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr，所述具有钝化作用的气体包括O2、N2O或N2。
进一步地，所述工艺参数还包括所述黑硅制备装置的等离子体电源的频率，所述可施加偏置电压的电源的频率、脉宽和占空比。
进一步地，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述等离子体电源的频率进入预先设置的等离子体电源频率范围，所述预先设置的等离子体电源频率范围为直流～10GHz。
进一步地，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述可施加偏置电压的电源的脉宽进入预先设置的脉宽范围，所述预先设置的脉宽范围为1us～1s。
进一步地，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述可施加偏置电压的电源的频率进入预先设置的电源频率范围，所述预先设置的电源频率范围为直流～10GHz。
进一步地，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述可施加偏置电压的电源的占空比进入预先设置的占空比范围，所述预先设置的占空比范围为1％～99％。
进一步地，所述偏置电压由多种偏置电压组合而成。
进一步地，所述方法还包括在采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅之前，对所述硅片进行预处理，所述预处理包括硅片的清洗、抛光、掺杂、退火、腐蚀、制绒或图形化。
进一步地，所述方法还包括在采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅之后，对所述黑硅进行后处理，所述后处理包括黑硅的清洗、抛光、掺杂、退火、腐蚀、制绒或图形化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
A、由于本发明采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅，即向满足一定真空度要求的注入腔室充入工艺气体，在所施加电场的作用下，将所产生的等离子体注入至硅片内，与硅片发生反应，只需一次加工就可制成黑硅，避免反复充入气体的深刻蚀加工和繁琐的激光扫描加工，所以本发明的制作效率相当高，过程控制简单方便；
B、由于本发明所使用的等离子体浸没离子注入设备结构简单，维护方便，而且真空度要求不高，所以本发明的实现成本低廉；
C、由于在本发明所使用的等离子体浸没离子注入中，硅片是浸没在等离子体中，所有裸露部位将被同时注入，便于对形状复杂的硅片进行加工；而且制备的黑硅组织均匀，吸收率高，电流收集率高，电学特性好，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明的等离子体浸没离子注入制备黑硅的机理示意图；
图2是本发明的一种工艺过程实施例的示意图；
图3是本发明的另一种工艺过程实施例的示意图；
图4是本发明的又一种工艺过程实施例的示意图；
图5是本发明的等离子体浸没离子注入制备黑硅过程的示意图；
图6是图5中的调整注入工艺参数的第一个实例的流程示意图；
图7是图5中的调整注入工艺参数的第二个实例的流程示意图；
图8是图5中的调整注入工艺参数的第三个实例的流程示意图；
图9是本发明制备所得的黑硅的表面形貌图；
图10是本发明制备所得的黑硅在扫描电子显微镜下的形貌图；
图11是本发明制备所得的黑硅的光反射图。
具体实施方式
为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
等离子体浸没离子注入(Plasma Immersion Ion Implantation，简称为PIII)，在半导体业界有时也称为等离子体注入、等离子体掺杂、等离子体浸没注入、等离子体源离子注入、等离子体基离子注入等等，这几种称法表示相同的一种工艺技术，即待注入样品直接浸没在等离子体中，通过向样品加偏置电压(也可称为“注入电压”)，使得样品和等离子体之间形成注入鞘层电场；位于注入鞘层电场内和从等离子体进入注入鞘层电场的反应离子在电场的加速作用下直接注入到样品中。由于在样品的表面形成鞘层，所以曝露在等离子体中的样品表面各处将同时被注入。
与刻蚀工艺相比，等离子体浸没离子注入制备黑硅是将反应离子直接注入至样品内部，样品的内部和表面同时发生反应，效率更高，效果更好，而且能够非常方便地生成孔状或网状结构的黑硅，刻蚀加工一般只能产生针状或钉状的森林结构的黑硅。经实验比较，孔状或网状结构的黑硅电流收集率更高，利用这种黑硅制作的太阳能电池具有更好的转换效率和更佳的电学特性。
本发明利用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅的主要机理，如图1所示。在等离子体浸没离子注入过程中，所充入的工艺气体是由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体按一定体积比混合而成，具有刻蚀作用的气体包括SF6、CF4、CHF3、C4F8、NF3、SiF4、C2F6、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr，具有钝化作用的气体包括O2、N2O或N2。在图1中，工艺气体是按一定体积比混合的SF6和O2。在一定的工艺条件下，该工艺气体发生电离，分别产生某些基团，例如SF6和O2分别产生F*和O*基团。此时，F*基团通过与Si形成SiF4，进而对Si形成刻蚀作用；O*基团在刻蚀壁表面形成SixOyFz，对刻蚀壁产生钝化作用。因此，在刻蚀和钝化的双重作用下，形成了多孔或网状结构的黑硅。
本发明利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，主要步骤为将硅片放置于黑硅制备装置内，采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅。
黑硅制备装置，例如等离子体浸没离子注入机，一般包括注入腔室和等离子体源。在注入腔室内，设有其上可放置样品的样品台。在与样品台相对的一侧，设有等离子体源。等离子体源包括抽真空***，其可将注入腔室抽真空至预先设置的本底压强范围；供气***，其可向注入腔室充入所需的气体，并且能够按照一定的控制规则来调整气体的各种参数，例如气体的流量、抽取速度、气体成分比例和浓度等参数，当气体充入注入腔室之后，可使得注入腔室的压强进入预先设置的工作压强范围；以及等离子体电源，其可为射频电源、微波电源或直流电源，这些电源还可以脉冲形式供电，并且这些电源的频率可为固定频率或可变频率。
可选择地，黑硅制备装置还包括可施加偏置电压的电源。该可施加偏置电压的电源与注入腔室内的样品台电气连接。可施加偏置电压的电源类型与等离子体电源相似，可为射频电源、微波电源或直流电源，这些电源还可以脉冲形式供电，还可以是这些电源的任意组合，进而向样品台提供由多种偏置电压组成的偏置电压。
可选择地，黑硅制备装置还可包括监视注入腔室内的各种工艺状况的监控部件，例如监视腔室内的电子温度、等离子体密度、离子体电势、离子质谱分布和发射光谱等。等离子体电源和可施加偏置电压的电源的功率可按一定的控制规则进行调节，如果采用脉冲形式供电，那么等离子体电源和可施加偏置电压的电源的频率、占空比、脉宽也可按照一定的控制规则进行调节。可施加偏置电压的电源可按一定的控制规则调整其所施加的偏置电压。
如图2、图3和图4所示，本发明不仅可以只利用等离子体浸没离子注入来直接制备黑硅，而且还可以与其它工艺配合制备黑硅。例如，在等离子体浸没离子注入制备黑硅(步骤200)之前，可对硅片进行预处理(步骤100)。在等离子体浸没离子注入制备黑硅(步骤200)之后，可对所制成的黑硅进行后处理(步骤300)。这些处理可根据实际需要来选择。在图2中，使用了硅片预处理和黑硅后处理；在图3中，只使用了硅片预处理；在图4中，只使用了黑硅后处理。其中，硅片预处理的方式包括硅片的清洗、抛光、掺杂、退火、腐蚀、制绒(也可称为绒化)和/或图形化等工艺。黑硅后处理的方式包括黑硅的清洗、抛光、掺杂、退火、腐蚀、制绒(也可称为绒化)和/或图形化等工艺。
图5是本发明的等离子体浸没离子注入制备黑硅过程的示意图。在图5中，整个过程包括如下步骤：
步骤202，将硅片放置于黑硅制备装置内，该硅片可为经诸如清洗、抛光、掺杂、退火、腐蚀、制绒(也可称为绒化)和/或图形化的预处理后得到的硅片，形状可为圆形、方形或矩形等等常规形状，也可为其它任意的复杂形状；黑硅制备装置可为等离子体浸没离子注入机，硅片放置在该装置的注入腔室内，并且放置于样品台；在一些实施方式中，黑硅制备装置包括可施加偏置电压的电源，此时可使得硅片与样品台电气连接，由于样品台与可施加偏置电压的电源电气连接，所以硅片与可施加偏置电压的电源电气连接；在某个条件下，启动可施加偏置电压的电源，即可向硅片施加偏置电压；
步骤204，调整黑硅制备装置的工艺参数，使之达到可产生等离子体的工作条件；这些工艺参数可包括注入腔室的本底压强和工作压强，注入气体的流量，抽取气体的速度，工艺气体组成成分、组成比例和浓度，等离子体电源的输出功率和频率，可施加偏置电压的电源所施加的偏置电压，如果采用脉冲形式，还包括脉宽、占空比和频率；这些工艺参数可根据所需加工的硅片尺寸、所制备黑硅的性能等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；在加工过程中，监控这些工艺参数，通过按照一定规则来调节黑硅制备装置的各部件，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；
注入腔室的本底压强范围可为10-7Pa～1000Pa，优选地可为10-5Pa～10Pa，更为优选地可为10-5Pa～10-3Pa；注入腔室的工作压强范围可为10-3Pa～1000Pa，优选为0.01Pa～100Pa，更为优选地可为0.1Pa～50Pa；
注入气体可为由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成的工艺气体，具有刻蚀作用的气体包括SF6、CF4、CHF3、C4F8、NF3、SiF4、C2F6、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr，具有钝化作用的气体包括O2、N2O或N2，优选地可由多种具有刻蚀作用的气体和多种具有钝化作用的气体组成，更为优选地可由一种具有刻蚀作用的气体和一种具有钝化作用的气体组成，例如由SF6和O2组成的工艺气体，或者由CF4和N2组成的工艺气体，在满足工艺气体由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成并且具有刻蚀作用的气体与具有钝化作用的气体之间的体积比为0.01～100条件下，这些气体混合方式可以是任意的；具有刻蚀作用的气体与具有钝化作用的气体之间的体积比还可优选为0.1～80，更为优选地可为1～20；工艺气体的流量可为1～1000sccm，优选为10～100sccm，更为优选地可为20～80sccm；
等离子体电源的输出功率为1～100000W，优选为10～50000W，更为优选地可为300～5000W；所施加偏置电压为-100000～100000V，优选为-50000～50000V，更为优选地可为-10000～0V；脉宽为1us～1s，优选为1us～0.1s，更为优选地可为1us～1ms；占空比为1％～99％，优选为10％～90％，更为优选地可为20％～80％，等离子体电源的频率为直流～10GHz，优选为1MHz～5GHz，更为优选地可为13.56MHz～5GHz；可施加偏置电压的电源的频率为直流～10GHz；
步骤206，在等离子体产生且浸没硅片之后，由于向硅片施加偏置电压而在硅片和等离子体之间所形成鞘层电场的加速作用下，位于鞘层电场内和从等离子体进入鞘层电场的反应离子直接注入至硅片内；
步骤208，反应离子与硅片发生反应，例如在注入气体为由SF6和O2组成的工艺气体的情况下，经电离后，SF6和O2分别产生F*基团和O*基团，其中F*基团通过与Si形成SiF4，进而对Si形成刻蚀作用；同时，O*基团在刻蚀壁表面形成SixOyFz，对刻蚀壁产生钝化作用；因此，在刻蚀和钝化的双重作用下，最终形成了多孔或网状结构的黑硅。
在本发明利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法中，调整黑硅制备装置的工艺参数是相当重要的步骤，图6、图7和图8分别给出了完成该步骤的若干子步骤的示例，这些子步骤可替换、合并或取消，例如调整工艺气体组成比例、工艺气体流量和抽取速度可同时调整或选择其中之一或之二进行调整，也可不调整工艺气体的各项参数。因此，为了简便，本文中将不再枚举调整黑硅制备装置的工艺参数使之实现等离子体的产生所需的子步骤的组合。应当注意到，在本文以及附图中，相同的标号表示相似的操作。
如图6所示，调整黑硅制备装置的工艺参数的第一种实施方式包括如下步骤：
步骤2042，等离子体源的抽真空***抽取注入腔室内的气体；
步骤2044，抽真空***中的监控装置判断注入腔室的压强是否进入预先设定的本底压强范围，例如是否在10-5Pa～10-3Pa的范围内，若是，进入步骤2046，否则，返回步骤2042；
步骤2046，向注入腔室充入工艺气体，例如由SF6和O2组成的工艺气体；
步骤2047，抽真空***中的监控装置判断注入腔室的压强是否进入预先设定的工作压强范围，例如是否在0.1Pa～50Pa的范围内，若是，进入步骤2052，否则，进入步骤2049；
步骤2049，供气***中的供气装置调整工艺气体的流量和/或调整抽取注入腔室内的气体的抽取速度，例如可调节流量计或气泵或管路中的阀，返回步骤2047；
步骤2052，启动等离子体电源，产生一定密度和电子温度的等离子体，同时由可施加偏置电压的电源向放置在样品台上的硅片施加偏置电压，等离子体电源可为射频电源，频率为13.56MHz，输出功率可为800W，可施加偏置电压的电源可为脉冲直流电源，脉宽为10us，占空比为20％，频率为20kHz，所施加的偏置电压为-20000V；
步骤2055，设置注入时间，开始注入，注入时间可根据具体情况设置，例如所需制备黑硅的性能、硅片的形状尺寸、等离子体的密度以及其它的一些工艺参数，都会对注入时间有一定影响。
如图7所示，调整黑硅制备装置的工艺参数的第二种实施方式包括如下步骤：
步骤2042，等离子体源的抽真空***抽取注入腔室内的气体；
步骤2044，抽真空***中的监控装置判断注入腔室的压强是否进入预先设定的本底压强范围，例如是否在10Pa～1000Pa的范围内，若是，进入步骤2046，否则，返回步骤2042；
步骤2046，向注入腔室充入工艺气体，例如由CF4和N2组成的工艺气体；
步骤2048，供气***中的监控装置判断在工艺气体中具有刻蚀作用的气体与所述具有钝化作用的气体之间的体积比是否进入预先设定的体积比范围，例如CF4和N2的体积比是否在0.1～10，若是，进入步骤2052，否则，进入步骤2050；
步骤2050，供气***中的供气装置调整工艺气体的混合比例，返回步骤2048；
步骤2052，启动等离子体电源，产生一定密度和电子温度的等离子体，同时由可施加偏置电压的电源向放置在样品台上的硅片施加偏置电压，等离子体电源可为微波电源，频率为2.4GHz，输出功率可为1000W，可施加偏置电压的电源可为脉冲直流电源，脉宽为25us，占空比为50％，频率为20kHz，所施加的偏置电压为-2000V；
步骤2055，设置注入时间，开始注入，注入时间可根据具体情况设置，例如所需制备黑硅的性能、硅片的形状尺寸、等离子体的密度以及其它的一些工艺参数，都会对注入时间有一定影响。
如图8所示，调整黑硅制备装置的工艺参数的第三种实施方式包括如下步骤：
步骤2042，等离子体源的抽真空***抽取注入腔室内的气体；
步骤2044，抽真空***中的监控装置判断注入腔室的压强是否进入预先设定的本底压强范围，例如是否在1Pa～100Pa的范围内，若是，进入步骤2046，否则，返回步骤2042；
步骤2046，向注入腔室充入工艺气体，例如由SF6和O2组成的工艺气体；
步骤2048，供气***中的监控装置判断在工艺气体中具有刻蚀作用的气体与所述具有钝化作用的气体之间的体积比是否进入预先设定的体积比范围，例如SF6和O2的体积比是否在0.5～20，若是，进入步骤2052，否则，进入步骤2050；
步骤2050，供气***中的供气装置调整工艺气体的混合比例，返回步骤2048；
步骤2052，启动等离子体电源，产生一定密度和电子温度的等离子体，同时由可施加偏置电压的电源向放置在样品台上的硅片施加偏置电压，等离子体电源可为可变频率的射频电源，最高频率为60MHz，最大输出功率可为3000W，可施加偏置电压的电源可为脉冲直流电源，最小脉宽为100us，占空比为25％，最高频率为2.5kHz，所施加的最大偏置电压为-5000V；
步骤2053，等离子体电源的监控装置(例如，由定向耦合器和控制器组成的监控装置)判断等离子体电源的输出功率和/或频率是否进入预先设置的数值范围(例如等离子体电源的输出功率范围为2000W～3000W和等离子体电源频率范围为10MHz～60MHz)，以及可施加偏置电压的电源的监控装置判断脉宽、占空比、频率和/或所施加的偏置电压是否在预先设置的数值范围内(例如，脉宽范围为100us～10ms，占空比范围为25％～50％，电源频率为50Hz～2.5kHz，所施加的偏置电压范围为-1000V～-5000V)，若满足要求，进入步骤2055，否则，进入步骤2054；
步骤2054，按照一定的控制规则，调整相应的等离子体电源的输出功率、频率、可施加偏置电压的电流的脉宽、占空比、频率和/或偏置电压，返回步骤2053；
步骤2055，设置注入时间，开始注入，注入时间可根据具体情况设置，例如所需制备黑硅的性能、硅片的形状尺寸、等离子体的密度以及其它的一些工艺参数，都会对注入时间有一定影响。
应当注意地，在本发明中，将等离子体中的反应离子注入至所述硅片内，并不排除将等离子体中的不参与反应离子一并注入至硅片内，因为在某些情况下，黑硅制备装置所产生的等离子体包括有不参与反应的离子，在浸没离子注入工艺过程中，会将这些不参与反应的离子一同注入硅片内。
应当注意地，本文所提及的控制规则可为常见的反馈控制算法、PID控制算法、模糊控制算法、遗传控制算法，或者是根据一定经验知识而设计的专家***；控制方案可由电子线路方式实现，也可由机械方式实现，或者由适于实际调节的技术方案来实现。其中，电子线路控制方案包括硬布线电路逻辑控制(例如由分立元件组成的电路或者由FPGA、CPLD或GAL等组成的电路)、微控制器控制(例如单片机、DSP或ARM等)和计算机控制。
应当注意地，本文所提及的预先设置的数值范围，包括范围的边界值，例如本底压强范围为10-7Pa～1000Pa，10-7Pa和1000Pa也属于本底压强范围。在实际工艺过程中，预先设置的数值范围可根据工艺需要而由控制算法自行调整或由操作人员手动调整。在本文中，“和/或”是指两种以上的选项不仅可以只选择其中之一，而且还可以选择两个以上的选项；多种选项的组合根据实际工艺状况而确定。
应当注意地，在本发明中，调整黑硅制备装置的工艺参数的步骤不仅可以在将硅片放置于黑硅制备装置的步骤之后，也可以在将硅片放置于黑硅制备装置的步骤之前，根据需要，预先调整工艺参数的初始值；并且，在等离子体产生和注入的过程，也可以根据工艺要求和需要，对相应的工艺参数进行合适的调整(包括手动调整和自动调整)，以制备满足性能要求或性能更优的黑硅。
由本发明制备出的黑硅，如图9和图10所示。图9是从宏观上比较制备所得的黑硅和市售双磨多晶硅片，显然可见，制备所得的黑硅表面呈现均匀的黑色。图10是将制备所得的黑硅放置于扫描电子显微镜下观察得到的图像，可以看出，黑硅表面为多孔组织，孔的直径约为300～500nm。
图11是本发明制备所得黑硅和单晶硅在可见光波段对光的吸收率比较示图。由图11可知，在可见光波段对光的吸收率，单晶硅平均吸收率为55％，而由本发明所制备得到的黑硅平均吸收率高达94％，由此可知本发明所得黑硅比单晶硅的可见光吸收率大得多，因此具有很强吸光特性、对光极其敏感。
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。

Claims (12)

1.一种利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于：将硅片放置于黑硅制备装置内，采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅，具体包括，
(a)将所述硅片放置于所述黑硅制备装置的注入腔室内，将所述硅片与可施加偏置电压的电源电气连接；
(b)调整所述黑硅制备装置的工艺参数进入预先设置的数值范围；所述工艺参数包括所述注入腔室的本底压强和工作压强、等离子体电源所施加的功率、工艺气体的组成以及偏置电源所施加的偏置电压；其中，所述预先设置的本底压强范围为10-7Pa～1000Pa，所述预先设置的工作压强范围为10-3Pa～1000Pa，所述预先设置的功率范围为1～100000W，所述工艺气体由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成，所述具有刻蚀作用的气体和所述具有钝化作用的气体的体积比范围为0.01～100，所述偏置电压范围为-100000～100000V；
(c)所述黑硅制备装置产生等离子体，所述等离子体中的反应离子注入至所述硅片内；
(d)所述反应离子与所述硅片发生反应，形成黑硅。
2.根据权利要求1所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括如下步骤：
抽取所述注入腔室内的气体，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的本底压强范围；
向所述注入腔室充入可与所述硅片发生反应的工艺气体，调整所述工艺气体的流量，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的工作压强范围。
3.根据权利要求1所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括如下步骤：
抽取所述注入腔室内的气体，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的本底压强范围；
向所述注入腔室充入可与所述硅片发生反应的工艺气体，调整所述黑硅制备装置抽取所述注入腔室内的气体的抽取速度，使得所述注入腔室的压强进入预先设置的工作压强范围。
4.根据权利要求2或3所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于：所述具有刻蚀作用的气体包括SF6、CF4、CHF3、C4F8、NF3、SiF4、C2F6、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr，所述具有钝化作用的气体包括O2、N2O或N2。
5.根据权利要求4所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于：所述工艺参数还包括所述黑硅制备装置的等离子体电源的频率，所述可施加偏置电压的电源的频率、脉宽和占空比。
6.根据权利要求5所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述等离子体电源的频率进入预先设置的等离子体电源频率范围，所述预先设置的等离子体电源频率范围为直流～10GHz。
7.根据权利要求5所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述可施加偏置电压的电源的脉宽进入预先设置的脉宽范围，所述预先设置的脉宽范围为1us～1s。
8.根据权利要求5所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述可施加偏置电压的电源的频率进入预先设置的电源频率范围，所述预先设置的电源频率范围为直流～10GHz。
9.根据权利要求5所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括如下步骤：
调整所述可施加偏置电压的电源的占空比进入预先设置的占空比范围，所述预先设置的占空比范围为1％～99％。
10.根据权利要求5所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于：所述偏置电压由多种偏置电压组合而成。
11.根据权利要求1所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于：所述方法还包括在采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅之前，对所述硅片进行预处理，所述预处理包括硅片的清洗、抛光、掺杂、退火、腐蚀、制绒或图形化。
12.根据权利要求1所述的利用等离子体浸没离子注入制备黑硅的方法，其特征在于：所述方法还包括在采用等离子体浸没离子注入工艺来制备黑硅之后，对所述黑硅进行后处理，所述后处理包括黑硅的清洗、抛光、掺杂、退火、腐蚀、制绒或图形化。
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