单晶硅在四甲基氢氧化铵溶液中的蚀刻行为研究

发布时间：2020-09-21 13:39

　　硅衬底的图形化是指利用标准光刻联合干湿法蚀刻工艺在硅衬底表面制备具有特殊图形的方法。图形化硅衬底广泛应用于太阳能电池、LED和MEMS加工等领域,其在降低硅衬底表面反射率,提升太阳能电池光电转换效率方面极具优势。针对目前图形化硅衬底在TMAH溶液中的各向异性湿法蚀刻行为研究不系统,蚀刻机理不明确等问题,本文深入研究了覆盖有圆孔、圆柱形图形化二氧化硅掩膜的硅衬底(圆孔、圆柱形图形化硅衬底)在不同浓度TMAH溶液中的蚀刻行为。利用SEM及AFM进行表征,通过调控TMAH溶液浓度、蚀刻时间和SiO_2掩膜的形状,研究了圆孔、圆柱形图形化硅衬底在不同浓度TMAH溶液中的形貌和晶面演变规律。在1 mass%的TMAH溶液中对圆孔形图形化硅衬底进行蚀刻时暴露了类圆孔形、倒八棱台、倒八棱锥和倒金字塔结构;在5-25 mass%的TMAH溶液中进行蚀刻时暴露了倒八棱台、倒四棱台和倒金字塔结构。相比之下,将圆柱形图形化硅衬底在1 mass%的TMAH溶液中进行蚀刻时暴露了圆台、棱台堆叠结构及金字塔结构;在5-15 mass%的TMAH溶液中暴露了棱台堆叠结构和八棱锥结构;而在20-25 mass%的TMAH溶液中暴露了棱台堆叠结构、棱锥棱台堆叠结构和八棱锥结构。由于硅的不同晶面在TMAH溶液中的蚀刻具有各向异性,因此将图形化硅衬底于TMAH溶液中进行湿法蚀刻时可在侧壁上暴露多组低指数和高指数晶面。利用AFM和SEM对所得图形进行表征,确定几何尺寸后经计算精确地确定了不同浓度TMAH溶液中各晶面的蚀刻速率;揭示了蚀刻时间、蚀刻剂浓度、掩膜形状与图形形貌演变规律的关系并准确地确定了暴露晶面的晶面指数。将圆孔形图形化硅衬底于TMAH溶液中蚀刻时暴露了C_1{~_340}、C_2{1~_10}、C_3{1~_11~_}、C_4{2~_11~_}和C_5{1 14 0}晶面,其中C_1-、C_2-和C_3-晶面蚀刻速率随TMAH溶液浓度增大而增大,C_5-和(100)晶面蚀刻速率随TMAH溶液浓度增大而减小。将圆柱形图形化硅衬底于TMAH溶液蚀刻时暴露了P_1{221~_}、P_2{111~_}、P_3{1~_31~_}、P_4{131~_}和P_5{140},其中P_1-和P_3-晶面的蚀刻速率随TMAH溶液浓度的增大先增大后减小;P_4-和P_5-晶面的蚀刻速率随TMAH溶液浓度的增大而减小。本文中的研究结果将为可控地在硅衬底表面制备复杂微结构提供理论指导,进而实现光电器件性能的优化。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O613.72;TM914.4
【部分图文】：

示意图,晶体硅,太阳能电池,示意图

的蚀刻行为进行了深入系统的研究。利用标准光刻工艺和 BOE 湿法蚀刻相结合的技术制备了圆孔、圆柱形图形化硅衬底。将图形化硅衬底于不同的蚀刻条件下进行湿法蚀刻，并利用 SEM 及 AFM 进行表征，研究了表面图形形貌和晶面演变规律与蚀刻时间和 TMAH 溶液浓度间的依赖性；精确地确定了蚀刻过程中暴露晶面的晶面指数和蚀刻速率；揭示了各晶面蚀刻速率对表面图形形貌演变规律的影响，为可控地制备复杂微结构和实现光电器件性能优化提供理论指导。1.2 图形化硅衬底在太阳能电池中的作用机理1.2.1 晶体硅太阳能电池的结构及原理晶体硅太阳能电池的电池结构如图 1-1 a 所示，太阳能电池主要由 p 型硅基区、n 型发射极、位于发射极上的图形化减反射绒面、分别位于电池顶部及底部的金属栅电极和金属背电极构成。电池的制备工艺主要包括以下几部分：对 p 型硅衬底进行扩散掺杂制备 n 型发射极形成 pn 结；利用碱溶液湿法蚀刻工艺在 n 型发射区表面制备绒面结构；最后利用丝网印刷技术于 n 型发射区表面制备栅电极，在 p型基区背面制备金属背电极。

金字塔结构,减反射,入射光,硅衬底

穴向 p 区迁移，而 p 区内的自由电子向 n 区迁移产生内电流，并在电池两端产生电势差。因此，衬底表面对入射光的吸收能力决定了太阳能电池所产生的电势差大小，即表面反射率越低，电池性能越好。1.2.2 陷光结构对入射光的减反射作用原理降低硅衬底表面反射率的方法主要有两种：其一是利用 1/4 波长原理在硅衬底表面沉积一层减反射涂层[24]；另一种方法是利用化学腐蚀[25]、机械刻槽[26]或干法蚀刻[27]等工艺在硅衬底表面制备具有减反射能力的图形化结构。如图 1-2 所示为常用的随机金字塔结构和减反射作用原理示意图。当太阳光垂直入射至硅衬底表面后，首先到达衬底表面的 1 号位置，入射至 1 号位置的光线部分进入硅衬底内部，剩余部分光线被反射出去。由于衬底表面已经预先制备了凸起的金字塔陷光结构，因此由 1 号位置反射出去的光线将再次落在 2 号位置，随后部分光线可以由 2 号位置再次进入硅衬底内部，进一步增加了对太阳光的吸收能力[1]。由 2 号位置反射的光线将进入空气中或再次反射至其它图形表面，这一过程取决于表面图形的几何尺寸和形貌[28]。

对比图,光面,倒金字塔结构,图形结构

利用旋涂工艺涂布 SiNX和 SiO2减反射涂层并完成太阳能电池的制备，如图1-3 a、b 所示分别为金字结构的 SEM 图和利用不同结构金字塔制备太阳能电池的性能对比图。该报道确定了在硅衬底上下两表面均制备周期为 1400 nm 的 INP 阵列对应电池的光电流密度为 39.86 mA/cm2，比平面硅太阳能电池光电流密度高约76%（22.63 mA/cm2），且仅比 Lambertian 极限（41.10 mA/cm2）低 3%。图 1-3 （a）倒金字塔结构 SEM 图；（b）具有不同图形结构的电池性能对比（A-平面、B-背面 INP、C-迎光面 INP、D-迎光面 INP 和 SiNX、E-双面 INP 和 SiNX、F-双面 INP 和 SiNX，SiO2、红线为 Lambertian 极限、蓝线为平面结构 A 且有减反涂层样品参考线）[36]。Choi 等[37]提出了一种亚波长尺度的硅衬底表面倒金字塔结构制造工艺。首先利用旋涂工艺将尺寸为 1.57 μm 的 SiO2微球涂布于清洗后的硅片表面，利用反应

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