《炬丰科技-半导体工艺》采用湿法工艺制备的具有自洁表面的黑硅
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：采用湿法工艺制备的具有自洁表面的黑硅
编号：JFKJ-21-1323
作者：华林科纳
本文介绍了一种用金属辅助湿法蚀刻法制备黑硅疏水表面的简单方法，为提高反应速率，将反应装置置于恒温恒温式磁性搅拌器中，并设置在室温下。结果表明，黑硅上的微纳米级峰值使表面疏水，随着反应速率的增加，表面疏水性变得更加突出，直至自清洗，由于黑硅独特的几何形状，黑硅的反射率在一个广泛的光谱范围内被显著抑制，这可以有效地增强吸收。本文报道了黑硅表面的疏水性，这是通过金属辅助湿化学蚀刻制备的，没有任何复杂的纳米材料涂层沉积。
在金属辅助化学蚀刻过程中，硅衬底采用由HF和过氧化氢化合物组成的蚀刻剂。因此，纳米级的贵金属粒子沉到硅衬底中，形成孔隙。研究发现，贵金属覆盖层的初始形貌对生成硅衬底[18]的独特几何形状至关重要，在金属辅助化学蚀刻过程中，贵金属粘附在硅表面，作为阴极减少氧化剂过氧化氢产生孔(h+)。
为了理解孔隙形成的机理，以下关于各向同性蚀刻的陈述提供了更好的理解，蚀刻过程继续作为金纳米颗粒的催化作用进行，这仅仅是由过氧化氢还原haucl4。在蚀刻溶液中，金粒子通过扩散的方式粘附在晶片表面，由于金粒子的电动势高于硅，这将形成电势的局部电动势差，蚀刻开始后，在晶片表面形成纳米孔，随着这一过程的继续进行，金纳米颗粒将下沉到纳米孔的底部，以确保底部蚀刻，由于纳米孔的侧壁远离金纳米颗粒，所以没有足够的能量使孔到达侧壁表面，所以侧蚀刻会停止。上述过程导致了纳米孔的形成。
明显地观察到硅片上颜色从灰色到完全黑色的蚀刻过程，从扫描电镜图像（图1和图2）中，可以看到纳米级孔隙和尖刺的存在，图1b中所示的纳米孔比图1a中所示的更均匀、更小，图2b中的纳米尖刺的长度比图2a中的要长得多。
在图3中，三维(3D)拓扑AFM图像(5×5μm2)可以合理地支持上述假设,纳米级结构和少量的微尺度特征装饰了尖峰，导致了整体粗糙度的显著增加,局部表面粗糙度的增加有利于提高表面疏水性,假设用该方法制备的样品B的表面由于具有第二个长度尺度的形态而具有疏水自清洗功能,众所周知，疏水表面一般是指水接触角大于90°的表面,当一个表面的水接触角大于150°时，它被称为超疏水表面
本文采用金属辅助湿蚀法对硅片进行了改性,经过改性后，由纳米尖片聚集的黑硅表面的水接触角足以实现自清洁,根据实验测量结果，样品B的平均静态接触角约为118°，而样品A的平均静态接触角约为82°,具有二元结构的纹理硅(样品B)可以理想地模仿合成菌的花瓣叶子。因此，根据f因子的值，表面可以是亲水的或疏水的,根据上式可知，f的值越小，接触角的增加就越大。因此，为了获得更高的接触角，必须制作一个更小的接触角,例如，在制备纳米结构的硅切片时，可以提高表面疏水性,该结果与所报道的基于各向异性蚀刻的光化学方法获得黑硅的结果一致。
未处理样品的反射光谱（蓝色虚线）显示出典型的高反射率，而样品a和B的反射率在从紫外到近红外的光谱上受到显著抑制,值得注意的是，样品B（红线）的反射率比样品A（黑线）低10%。样品B的反射率从约1216nm的波长开始也明显增加（23%）。在宽光谱范围内也比未处理样品更强的吸收，显然，样品B的吸收在250~约1100nm的范围内最强，在紫外-可见光谱上，样品B的吸收率在90%以上，甚至高达98%。值得注意的是，在带隙以下的反射率的降低并不伴随着吸收的增加，而不是透光率的增加。纹理和未处理的硅在1100纳米波长以上都是透明的，更重要的是，样品B在1100nm左右时的总反射率和吸收率分别约为8.649%和54.32%，结果高于样品A，同样，随机微尺度尖峰的出现可以增强材料内部的光学吸收。
一旦黑硅材料用于太阳能电池或光伏探测器，聚集在器件结构上的尘埃粒子将严重限制阳光，最终降低器件效率和器件寿命。具有自清洗功能的设备可以很容易地避免上述问题。采用简单的化学蚀刻法来实现黑硅表面的自清洗功能是很重要的。
综上所述，我们证明了金属辅助化学湿蚀刻对黑硅表面的自清洗功能，扫描电镜和AFM图像证实了HCCT-MS中纹理化的黑色硅表面同时具有微尺度和纳米尺度的结构，大约118°的静态接触角足以使表面疏水，具有自清洁性能，由于样品B具有独特的几何形状，其反射率受到抑制，可有效地增强吸收，如何在特定的环境中更好地利用该特性还需进一步的研究，黑色硅片上疏水表面的新型结构可适用于各种应用。
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