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金属辅助化学刻蚀太赫兹腔体器件仿真分析

微波学报 2020年第S01期36卷 321-324页

作者：张杰赵豪杰桑磊黄文合肥工业大学微电子学院合肥230601

本文提出了一种基于金属辅助化学刻蚀(MacEtch)的太赫兹形矩形波导及带通滤波器的制造方法,该方法有能力制作腔壁粗糙度低,垂直度高,制造公差精度高的硅基矩形波导和带通滤波器结构。相对于使用常见的深硅反应离子刻蚀(DRIE)工艺,能够... 详细信息

本文提出了一种基于金属辅助化学刻蚀(MacEtch)的太赫兹形矩形波导及带通滤波器的制造方法,该方法有能力制作腔壁粗糙度低,垂直度高,制造公差精度高的硅基矩形波导和带通滤波器结构。相对于使用常见的深硅反应离子刻蚀(DRIE)工艺,能够有效减少由于粗糙度和制造公差带来的插入损耗和频率偏移。基于粗糙度Huray模型和有限元仿真分析得到MacEtch太赫兹矩形波导的平均插入损耗在0.75THz^1.15THz频段,相对于使用DRIE制作出的相同器件降低了0.15dB/mm;频率偏移减少了3GHz^6GHz。

关键词：金属辅助化学刻蚀硅基矩形波导硅基带通滤波器太赫兹

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金属辅助化学刻蚀制备黑硅及其光电性能研究

金属辅助化学刻蚀制备黑硅及其光电性能研究

作者：李旭长春理工大学

学位级别：硕士

由于单晶硅材料自身的性能限制,使得硅在可见光-近红外波段的光反射率很高,限制了硅基材料的应用范围、灵敏度及转换效率等关键性能。而黑硅是一种新型半导体材料,由于其孔状或尖锥的表面微观结构,表面粗糙度较大,使其在可见光-近红外... 详细信息

由于单晶硅材料自身的性能限制,使得硅在可见光-近红外波段的光反射率很高,限制了硅基材料的应用范围、灵敏度及转换效率等关键性能。而黑硅是一种新型半导体材料,由于其孔状或尖锥的表面微观结构,表面粗糙度较大,使其在可见光-近红外波段的光吸收率大大提高,大幅度提高了材料的光电转换效率,对于光探测器、光二极管、太阳能电池、场发射器等其他光电器件有较为广阔的应用前景。现阶段,黑硅的制备方法有很多,但金属辅助化学刻蚀制备黑硅因操作简便,成本低廉,可大批量操作等优点,为黑硅的商业化提供了可能。本文主要研究了金属辅助化学刻蚀制备黑硅中沉积溶液的硝酸银溶液浓度、刻蚀时间和刻蚀温度对黑硅样品的形貌及光吸收率的影响,并在所制备的黑硅样品表面制备叉指电极,研究样品的光暗电流、量子效率及灵敏度等光电性能。通过本文研究表明,金属辅助化学刻蚀制备黑硅过程中,当硝酸银溶液的浓度由0.01 mol/L增加到0.03 mol/L时,由于沉积时溶液中银粒子浓度的增加,银粒子发生聚集现象,所刻蚀的孔洞结构由单一结构变为聚集结构,平均深度由4μm增加到6μm,在200-1000 nm波长范围内的平均光吸收率由50%增加到65%;当刻蚀时间由30 min增加到45 min时,所刻蚀的孔洞尺寸结构都在100 nm左右,平均深度由4μm增加到9μm,在200-1000 nm波长范围内平均光吸收率由50%增加到90%;当刻蚀温度由室温增加到70℃时,所刻蚀的孔洞结构均在100 nm左右,平均深度由3μm增加到了8μm。当样品的平均光吸收率由25%增加到85时,样品的灵敏度由0.0037 A/W增加到0.00847 A/W,量子效率由0.782%增加到了1.9%。200-1000 nm波长范围内平均光吸收率为85%的样品,在施加1 V到5 V的反向偏压时,样品的暗电流增加7.9μA时不再随偏压的增加而增加,灵敏度增加到0.0824 A/W时不再随偏压的增加而发生明显变化,量子效率则增加到18.56%时不随偏压的增加而增加。

关键词：黑硅金属辅助化学刻蚀光电性能灵敏度量子效率

金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线及光学性能研究

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金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线及光学性能研究

作者：张艺长春理工大学

学位级别：硕士

半导体硅因其性质稳定,容易提纯,储存量大等优点,被作为最主要的半导体材料广泛应用。硅的纳米结构具备的量子限域效应,小尺寸效应等使它产生独特的光学、电学以及光电转换特性,在显示器件,传感器件,光电探测器,新能源等领域有着重要应... 详细信息

半导体硅因其性质稳定,容易提纯,储存量大等优点,被作为最主要的半导体材料广泛应用。硅的纳米结构具备的量子限域效应,小尺寸效应等使它产生独特的光学、电学以及光电转换特性,在显示器件,传感器件,光电探测器,新能源等领域有着重要应用。硅纳米线的光学性能一直是科学研究者们的研究热点,这一性能的研究可以为硅基光学器件的优化做出推进。采用金属辅助化学刻蚀两步法制备硅纳米线,首先对硅纳米线样品进行SEM表征,研究两步法中,不同银离子浓度(0.005 M,0.01 M,0.015 M),不同刻蚀时间(15min～75 min),不同氧化剂HO浓度(0.3 M～0.9 M),不同刻蚀温度(10℃～70℃)对硅纳米线形貌产生的影响。结果表明,银离子浓度不会影响硅纳米线的长度,但银离子浓度为0.005 M时,会引起树杈结构,银离子浓度为0.01 M和0.015 M时,银离子浓度越大,硅纳米线直径与密度越小;在一定刻蚀时间范围内,刻蚀时间与生成的硅纳米线长度呈正相关,平均刻蚀速率为1.14μm/min;氧化剂HO浓度越大,反应越彻底,生成的硅纳米线越长,但HO浓度为0.9 M时会达到极限;刻蚀温度的上升也会使反应更加充分,从而使生成的硅纳米线更长,但温度到达70℃时会使生成的硅纳米线结构遭到破坏。而且,反应中有些Ag会扩散到硅纳米线侧壁上开启新的刻蚀,从而使硅纳米线侧壁形成硅纳米颗粒凸起。研究了硅纳米线的三个光学性能,减反射性能,光致发光性能和拉曼光谱。在一定刻蚀时间内,银离子浓度与刻蚀时间增加,可以使可见光范围内的反射率降低,氧化剂HO浓度增加时,反射率先减后增,而且可见光波长越小,减反射效果越好。刻蚀后的硅纳米线在279 nm处激发可以在700 nm左右处出现发射峰,在一定刻蚀时间内,银离子浓度减小与刻蚀时间延长,可使光致发光强度增强,氧化剂HO浓度增加,光致发光强度先增后减,这与硅纳米线的有效曝光面积以及硅纳米线侧壁上粗糙的硅纳米颗粒凸起有关。抛光硅片在λ=520 cm处有拉曼峰,当硅片被刻蚀成硅纳米线后,刻蚀时间越长,拉曼峰位平移的越多,并显示出非对称加宽现象,证明了刻蚀时间延长可以使硅纳米线侧壁上的硅纳米颗粒凸起直径变小。

关键词：金属辅助化学刻蚀硅纳米线形貌反射率光致发光拉曼光谱

全液相两步法金属辅助化学刻蚀制备多晶黑硅太阳能电池

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全液相两步法金属辅助化学刻蚀制备多晶黑硅太阳能电池

作者：韩长安苏州大学

学位级别：硕士

近几年，黑硅作为一种具备纳米陷光结构的新型半导体光电材料，由于其在可见——红外波段反射率极低，能够有效的提高电池片的转化效率，因而受到了人们的极大关注。制备黑硅的方法很多，其中金属辅助化学刻蚀法由于所需设备简单、成本... 详细信息

近几年，黑硅作为一种具备纳米陷光结构的新型半导体光电材料，由于其在可见——红外波段反射率极低，能够有效的提高电池片的转化效率，因而受到了人们的极大关注。制备黑硅的方法很多，其中金属辅助化学刻蚀法由于所需设备简单、成本低、易于整合到目前太阳能电池生产工序中而备受人们青睐。目前已有许多小组在从事金属辅助化学刻蚀方法的研究，也取得了一定的成果，但大多都采用一步法进行实验。而一步法制黑硅存在两方面的缺点：一方面，反应过程消耗大量的重金属Ag;另一方面，残留过多的金属粒子增加了后续清洗工作的负担。本文研发的全液相两步法不仅可以与产线上现有制绒工艺很好的兼容，而且可以有效的解决一步法制黑硅的两大弊端，这在很大程度上节约了生产成本，也简化了产线上的工艺步骤，所以研究两步法制黑硅具有重要的实践意义。首先，两步法制黑硅(TSM)是指应用控制变量法先将制绒过的硅片先放到硝酸银（催化剂）溶液中反应一定时间，再放入适当体积比的氢氟酸（刻蚀剂）和过氧化氢（氧化剂）混合溶液中反应一段时间，制备出具有纳米陷光的绒面结构，即黑硅结构。本文主要研究了三种溶液浓度以及反应时间下的硅片绒面形貌，选用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜（OM）对其进行了表征。结果发现：不同的溶液浓度和反应时间会得到纳米线状和孔洞状两种完全不同的结构。其次，本文通过SEM、EDX和粒径分析软件对两步法与一步法制黑硅中Ag颗粒进行了表征，结果发现：两步法消耗非常少的重金属，而且金属粒子分布很均匀，颗粒大小也有一定的规律性。因为两步法反应消耗很少Ag，后续可以很彻底的将残余的金属粒子去除干净，避免了电池片表面金属残余导致的复合。最后，从结构上来看两步法制黑硅相当于在原来微米结构的基础上又生长了一种纳米结构，即形成了一种微纳复合结构，这样就使得硅片的反射率由原来的25%左右降低到5%左右甚至更低。选用标准8度角绒面积分式反射仪（D8反射仪）对黑硅的光学性质进行了表征，并发现确实能够获得极低的反射率。然而，这种具有极低反射率的黑硅却有很深的结构，即很大的比表面积，会大大增加表面载流子复合中心数量，导致电池片的转换效率下降。所以，我们在制完黑硅之后加了一步剥离修正，通过参数的调控可以将纳米陷光结构的深度控制在理想的范围内。本文将两步法制完的多晶黑硅电池在苏州阿特斯阳光电力科技有限公司做了流片分析，流片数据表明该类电池的平均效率为18.05%，高于产线17.52%的平均值。综上所述，我们在实验室和产线上证实了全液相两步法金属辅助化学刻蚀制备黑硅太阳能电池的可行性，并且与一步法比较体现出了其较大优势。本文的研究内容可以在很大程度上促进我国光伏产业的发展，全液相两步法制黑硅技术存在巨大的实践应用潜力。

关键词：两步法制黑硅金属辅助化学刻蚀 Ag纳米颗粒微纳复合结构光电转换效率反射率

基于金属辅助化学刻蚀的硅基X射线折射透镜可控制备工艺研究

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基于金属辅助化学刻蚀的硅基X射线折射透镜可控制备工艺研究

作者：郭人颂上海交通大学

学位级别：硕士

聚焦X射线技术的发展一直是近年来物理学家的关注重点之一。近年来,X射线折射透镜也取得了长足的发展。目前,X射线折射透镜的制备主要是通过等离子刻蚀和LIGA(Lithographie,Galvanoformung,and Abformung)等方法,但传统的干法工艺往往... 详细信息

聚焦X射线技术的发展一直是近年来物理学家的关注重点之一。近年来,X射线折射透镜也取得了长足的发展。目前,X射线折射透镜的制备主要是通过等离子刻蚀和LIGA(Lithographie,Galvanoformung,and Abformung)等方法,但传统的干法工艺往往要求高真空环境,存在着包括设备昂贵、工艺复杂、刻蚀深度有限等问题。近年来,金属辅助化学刻蚀(Metal assisted chemical etching,MACE)作为一种新型的湿法刻蚀方法,其各向异性刻蚀、工艺简单、成本低廉的特点受到了广泛研究。为了实现X折射透镜的简易和可控制备,本论文首次将MACE与X射线折射透镜的制备进行结合,主要围绕优化MACE的体加工刻蚀参数开展工作。本论文主要工作内容如下:1、探究了硅体加工过程中影响侧壁结构形貌的条件,包括:硅片的掺杂类型、催化金属的种类、催化金属膜的厚度,以及刻蚀液中氢氟酸与过氧化氢的比例ρ值(ρ=[HF]?([HF]+[HO]),[HF]和[HO]分别代表氢氟酸和过氧化氢的浓度)。通过优化后的参数,刻蚀得到的硅结构具有垂直的侧壁和光滑的底部。2、探究了影响硅体加工过程中影响结构完整性和刻蚀均匀性的因素,包括:刻蚀温度、搅拌速度以及刻蚀液中乙醇的含量。实验优选地发现通过在刻蚀液中添加乙醇,可有效地降低刻蚀速率,最终得到的刻蚀结构具有良好的完整性和刻蚀均匀性。3、依据前期实验优化后的体加工参数,对自行设计的具有代表性的X射线折射透镜进行了制备。实验结果显示:以磁控溅射的5 nm的Ti膜作为粘合层,电子束蒸发的16 nm的Au膜作为催化金属膜的样品在ρ=0.57,乙醇浓度为12.5 M的刻蚀液中刻蚀得到的复合折射透镜(Compound Refractive Lenses,CRLs)和锯齿透镜(saw-tooth lens)具有垂直的侧壁以及亚微米级粗糙度的光滑底部,以及良好的完整性。4、针对在刻蚀液中添加乙醇可有效地提升刻蚀结构的完整性和均匀性的现象,我们提出了新的解释,即氟硅酸在乙醇中的溶解度低于在水中的溶解度,可以抑制蚀刻反应的进行,减慢蚀刻速度,缓解金属膜受到来自反应产物(氢气)的损伤,从而保证金属催化膜的完整性,最终改善刻蚀。本论文中提出的低成本、高效且可控的制备方法,为今后X射线折射透镜等微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)器件的生产提供方法参考,并为基于MACE的硅体加工的形貌控制研究提供理论指导。

关键词：硅金属辅助化学刻蚀 X射线折射透镜复合折射透镜锯齿透镜体加工

外加电场对于金属辅助化学刻蚀工艺影响的研究

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外加电场对于金属辅助化学刻蚀工艺影响的研究

作者：胡恺上海交通大学

学位级别：硕士

硅是半导体行业最重要的材料,通过金属辅助化学刻蚀方法制备硅的微纳米结构以其工艺简单、成本低廉、生长参数易于控制等优点得到广泛的应用。然而,随着微电子工艺要求的提高,传统的金属辅助化学刻蚀在短时间内难以实现微米级刻蚀,制造... 详细信息

硅是半导体行业最重要的材料,通过金属辅助化学刻蚀方法制备硅的微纳米结构以其工艺简单、成本低廉、生长参数易于控制等优点得到广泛的应用。然而,随着微电子工艺要求的提高,传统的金属辅助化学刻蚀在短时间内难以实现微米级刻蚀,制造具有垂直侧壁、平整底部的复杂2维和3维结构也较为困难。因此,本课题通过尝试在金属辅助化学刻蚀中施加电场,探究外加电场对于刻蚀反应的影响,同时以此实现快速刻蚀并得到形貌良好的刻蚀结构。本课题首先使用胶体金作为催化金属,在电解槽中将硅与电源正极相连、石墨电极与电源负极相连施加外加电场,在电场的作用下对P型（100）硅片进行刻蚀。通过实验发现,电场能够有效加快刻蚀反应的发生,使用65 V的电压刻蚀17分钟即可得到63.5μm深的沟槽,并且沟槽的底部十分光滑平整。然而,电场会在刻蚀结构的侧壁发生弯曲,胶体金的运动方向受到电场的控制从而导致发生各向同性刻蚀,使刻蚀结构的侧壁成圆弧形,因此得到具有垂直侧壁的结构较为困难。之后本课题使用金膜作为催化金属,进一步探究电场强度、电场方向对于刻蚀反应的影响。通过实验发现,当施加5 V电压时,刻蚀速率为0.53μm/min,当施加20 V电压时,刻蚀速率达到1.21μm/min,再次证实外加电场能够有效提升刻蚀反应的速率,并且反应速率随着电场强度的增大而显著加快;电场方向对刻蚀形貌有较大影响,当硅接电源负极时能够得到形貌良好的刻蚀结构;同时也通过实验验证,硅片电阻率是决定能否形成沟槽的因素之一,较高的硅片电阻率有助于刻蚀得到沟槽。本课题使用该方法在30分钟内施加20 V电压刻蚀得到了深度达36.3μm且形貌良好的刻蚀结构。

关键词：金属辅助化学刻蚀外加电场刻蚀形貌刻蚀速率硅片电阻率

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硅微结构金属辅助化学刻蚀技术研究

硅微结构金属辅助化学刻蚀技术研究

作者：于航长春理工大学

学位级别：硕士

硅微结构在太阳能电池,光电探测器件以及传感器等领域都有着广泛的应用,制备硅微结构的方法有很多,但是金属粒子辅助化学刻蚀法被认为是最简单,最有效,最经济实惠的制备方法。本文主要利用金属辅助化学刻蚀原理,在硅衬底上分别制备多孔... 详细信息

硅微结构在太阳能电池,光电探测器件以及传感器等领域都有着广泛的应用,制备硅微结构的方法有很多,但是金属粒子辅助化学刻蚀法被认为是最简单,最有效,最经济实惠的制备方法。本文主要利用金属辅助化学刻蚀原理,在硅衬底上分别制备多孔硅和硅纳米线。通过改变刻蚀时间和氧化剂浓度来观察多孔硅和硅纳米线结构变化,同时也对制备硅纳米线的工艺进行了优化,并分析了硅纳米线顶端团簇形成的原因。随着刻蚀时间和氧化剂浓度的增加,多孔硅孔径变大,孔壁变薄,孔洞不均匀;当氧化剂浓度为0.5mol/L,刻蚀时间为15min时,制备出多孔硅的孔洞尺寸均匀且表面形貌较好;孔隙率随着刻蚀时间增加而先增大后减小;反射率的变化与刻蚀时间近似成反比的关系;硅纳米线长度随着刻蚀时间和氧化剂浓度的增加而增加;对硅纳米线工艺流程进行优化后,在硅衬底上制备出来的纳米线没有发现大面积的倒塌现象;在范德华力、表面张力和弹性变形力三种力的相互作用下硅纳米线产生了顶端团簇。

关键词：金属辅助化学刻蚀多孔硅硅纳米线顶端团簇

基于磁控金属辅助化学刻蚀的三维矢量刻蚀工艺研究

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基于磁控金属辅助化学刻蚀的三维矢量刻蚀工艺研究

作者：孙颜合肥工业大学

学位级别：硕士

刻蚀技术是半导体芯片制程的核心环节之一,刻蚀工艺水平的高低,在一定程度上决定半导体器件的性能优劣。刻蚀技术主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类,在过去的几十年里,这些常用的刻蚀技术在半导体芯片的发展历程中扮演了重要的角色。但... 详细信息

刻蚀技术是半导体芯片制程的核心环节之一,刻蚀工艺水平的高低,在一定程度上决定半导体器件的性能优劣。刻蚀技术主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类,在过去的几十年里,这些常用的刻蚀技术在半导体芯片的发展历程中扮演了重要的角色。但是传统的刻蚀技术因只能实现单方向(一维)刻蚀或刻蚀方向不可控,反而限制了芯片设计与制造技术的跨越式发展。如何突破传统刻蚀的限制,实现刻蚀轨迹的精密可控性,是目前亟待解决的问题。金属辅助化学刻蚀(MacEtch)是一种新型微纳制造方法,能够通过图案化金属薄膜催化的简单湿法刻蚀生产各向异性、高深宽比、表面光滑的半导体结构。本文研究了基于磁控的晶圆级金属辅助化学矢量刻蚀技术,该技术通过精确设计磁场发生装置,在两英寸空间产生方向可实时控制的,最大磁场梯度为8 T/m的磁场。金属催化剂采用了三层金属结构(Au/Ni/Au或TIN/CO/TIN),通过调节中间磁性层的体积以及电磁铁的通电电流大小,可产生不同大小的磁场力。在液相反应环境中,通过改变催化剂图案形状、调整刻蚀时间、实时控制磁场梯度,可以在两英寸硅晶圆上获得具有极高深宽比或者走向复杂的三维纳米孔阵列。这些特殊结构是传统的微加工方式难以获得的,在随机存储器、片上毫米波太赫兹器件及超材料表面研制等实际应用领域具有潜在的巨大影响力。

关键词：金属辅助化学刻蚀磁控矢量刻蚀可控梯度磁场晶圆级高深宽比结构

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光刻限定区域金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线

光刻限定区域金属辅助化学刻蚀制备硅纳米线