含氟等离子体刻蚀可在硅表面形成黑硅纳米结构，但无掩膜条件下结构如何起始、生长并停止，仍需从表面反应过程解释。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究以含氟碳气体和氢气进行等离子体反应离子刻蚀，通过改变处理方式和时间，结合形貌、表面化学及等离子体分析追踪结构演化。台阶仪测量刻蚀区与遮蔽区的高度差，用于计算刻蚀深度和刻蚀速率。结果显示，初期形成的含氟碳聚合物岛产生自掩膜作用；裸露区域持续刻蚀，逐渐形成纳米柱。化学刻蚀、离子溅射和等离子体协同作用共同促成表面侵蚀，刻蚀速率随结构生长而降低。

实验方法

研究使用硼掺杂、〈100〉取向硅样品，尺寸为 1 × 1 cm²，厚度为 400 μm。样品经乙醇清洗并吹干后，放入电容耦合射频等离子体反应腔。工艺气体为含氟碳气体和氢气，氢气占比为 10%；射频功率为 200 瓦，工作压力为 9 帕。样品通常置于加电电极上；另将样品置于接地电极，比较离子轰击对成形的影响。

研究采用三种处理流程。第一种为连续刻蚀，处理时间分别为 0.5、1、2、5、15 和 20 分钟。第二种累计处理 20 分钟，每次刻蚀 1 分钟后抽除反应气体，再重新启动等离子体，以判断气相物种变化对形貌的影响。第三种将样品置于接地电极处理 10 分钟，降低加速离子的轰击作用。

表面形貌通过扫描电子显微镜和原子力显微镜观察；表面元素及化学状态通过 X 射线光电子能谱分析；含氟碳物种的空间分布和深度分布通过飞行时间二次离子质谱分析。光学发射光谱用于监测等离子体成分，最终反射率通过紫外—可见光谱测量。台阶仪测量刻蚀区与遮蔽区的高度差，并以高度差除以处理时间求得平均刻蚀速率。

等离子体信号与刻蚀深度

反应等离子体发射光谱：两个波段分别显示含氟碳相关信号；积分时间为 10 秒

光学发射光谱监测含氟碳前驱物和氟原子信号。间歇处理中，相关发射信号强度变化约在 ±12% 以内，未显示明显的等离子体组成演变。

处理区与遮蔽区示意；平均刻蚀深度约 1.5 μm，纳米柱峰谷高度约250 nm

刻蚀速率及纳米柱生长速率随处理时间变化；数据误差线基于五次测量

台阶仪结果显示，20 分钟处理后的平均刻蚀深度约为 1.5 μm，纳米柱峰谷高度约为 250 nm。10分钟时刻蚀速率约为 80 nm/min。刻蚀速率在短时间处理时较高，随后随工艺时间延长而下降；纳米柱生长速率也呈相似趋势，其下降的半衰时间约为20min。研究估算的初始总刻蚀速率约为 105 nm/min；考虑表面积增加对化学刻蚀的影响后，末期总刻蚀速率估算约为 65 nm/min。研究指出，这些估算受到模型简化和气体反应假设的影响。

纳米结构形貌演变

不同处理时间样品的表面扫描电子显微图像

扫描电子显微镜显示，处理 30 秒时，表面出现局部岛状结构和少量孤立纳米结构；处理 60 秒后，结构分布趋于均匀。处理 2 分钟后，表面出现较清晰的金字塔状纳米柱，平均高度约 40 nm，少数结构超过 100 nm。处理 5 分钟时，平均高度约为 100 nm。处理 15 分钟和 20 分钟后，纳米柱高度分别约为 190 nm和 200 nm，底部宽度分别约为 80 nm和 100 nm；处理时间较长时，柱体底部逐渐变宽。

不同处理时间样品的原子力显微镜表面形貌

间歇处理样品与连续处理 15 分钟、20 分钟样品的形貌对比

原子力显微镜在 5 × 5 μm²区域观察到，纳米结构随处理时间持续生长，整体形貌较均匀。间歇处理样品的平均结构尺寸与连续处理 15 分钟样品相近，高度则更接近连续处理 20 分钟样品。结合等离子体发射信号，作者认为形貌演化主要受表面反应控制。

表面化学与接地电极对照

碳、氟、硅和氧高分辨核心能级谱随处理时间的变化

表面原子浓度比随等离子体处理时间变化

X 射线光电子能谱检测到碳、氟、硅和氧。含氟碳组分反映聚合物沉积，含氟硅组分反映硅的化学刻蚀。随着处理时间增加，表面氧和硅的相对含量降低，碳和氟的相对含量增加。含氟硅组分与含氟碳组分的比值总体随时间上升。

处理 20 分钟样品表面二次离子分布图，采集区域为10×10 μm²

飞行时间二次离子质谱显示，20 分钟样品的表面存在直径约 0.5–1.5 μm的含氟团簇。深度剖析显示，纳米柱区域覆盖含氟碳物质；不同含氟碳离子的分布深度不同。原文指出，离子束对混合材料与参考材料的溅射速率可能不同，因此深度结果属于估算值。

处理 10 分钟样品中含氟碳离子的深度剖面

接地电极样品没有形成与加电样品相同的纳米结构，而是在较粗糙表面上覆盖含氟碳层。截面图显示，该层达到数十纳米厚。该对照支持离子轰击参与纳米结构起始的判断。

接地电极处理样品的表面及截面形貌；覆层区可见数十纳米厚的沉积层

本研究提出，无掩膜黑硅纳米结构由表面聚合物岛状沉积和局部刻蚀共同起始。初期，含氟碳聚合物以岛状形式覆盖硅表面；高能离子轰击造成表面缺陷，限制吸附物种迁移，使聚合物岛不易合并成连续膜。聚合物覆盖区受到保护，裸露区域则发生化学刻蚀和物理溅射，形成初始纳米结构。结构生长后，柱顶、侧壁和谷底受到的离子轰击及聚合物覆盖程度不同。侧壁溅射较弱，含氟碳层较厚，刻蚀相应减慢；谷底的离子经过多次反射后损失能量，聚合物逐渐难以去除，刻蚀最终停止。工艺整体表现为化学刻蚀、物理溅射和等离子体协同作用共同导致的侵蚀，且刻蚀速率随时间下降。实验还观察到金字塔状结构及反射率降低；简化光学模型对反射率变化给出了定性再现。

FlexFilm费曼仪器探针式台阶仪

技术支持：180-1566-6117

在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

✔ 配备500W像素高分辨率彩色摄像机

✔ 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm

✔ 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台

✔ 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《Unraveling the Mechanism of Maskless Nanopatterning of Black Silicon by CF4/H2 Plasma Reactive-Ion Etching》

*特别声明：本账号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本账号相关权益的行为。文章内容仅供参考，如涉及版权问题，请及时联系我司进行删除。