硅片減薄蝕刻技術(shù)：RIE技術(shù)將硅片減薄到小于20微米

引言

高效交叉背接觸(IBC)太陽(yáng)能電池有助于減少太陽(yáng)能電池板的面積，從而為家庭消費(fèi)提供足夠的能量。我們?nèi)A林科納認(rèn)為，借助光阱方案，適當(dāng)鈍化的IBC電池即使厚度小于20μm也能保持20%的效率。在這項(xiàng)工作中，使用光刻和蝕刻技術(shù)將晶體硅(c- Si)晶片深度蝕刻至厚度小于20 μm。使用SPR 220-7.0和SU-8光刻膠，使用四甲基氫氧化銨(TMAH)濕法各向異性蝕刻和基于等離子體的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)。二氧化硅用作TMAH蝕刻的制造層。4英寸c-Si晶片的TMAH蝕刻在80℃的溫度下進(jìn)行8小時(shí)。使用SF6作為反應(yīng)氣體，對(duì)四分之一4英寸c-Si晶片進(jìn)行RIE 3小時(shí)。開(kāi)發(fā)了用于SU-8光致抗蝕劑沉積的基線光刻工藝流程。TMAH蝕刻技術(shù)的蝕刻速率在0.3-0.45微米/分鐘的范圍內(nèi)，反應(yīng)離子蝕刻的蝕刻速率在1.2-1.8微米/分鐘的范圍內(nèi)。反應(yīng)離子蝕刻顯示出獲得更小厚度尺寸的能力，具有比TMAH蝕刻技術(shù)更大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:IBC太陽(yáng)能電池、掩模蝕刻、光刻、反應(yīng)離子蝕刻和TMAH蝕刻。

介紹

能源被認(rèn)為是未來(lái)五十年人類(lèi)面臨的頭號(hào)問(wèn)題。據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)能在一小時(shí)內(nèi)顯示出供給的潛力，其能量足以滿(mǎn)足世界一年的能源需求總量[2]。光伏產(chǎn)業(yè)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是以與化石燃料相比具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本產(chǎn)生足夠量的能量。這個(gè)因素取決于對(duì)高效光伏設(shè)備和降低制造成本的需求[3]。據(jù)報(bào)道，較高效率的太陽(yáng)能電池比使用晶體硅材料的市售太陽(yáng)能電池的效率高出20%以上。這些類(lèi)型的PV電池之一是交叉背接觸太陽(yáng)能電池。

IBC太陽(yáng)能電池允許進(jìn)一步減小電池厚度。晶體硅電池中的光捕獲方案，如抗反射涂層、隨機(jī)紋理等，有助于增加吸收載流子的全內(nèi)反射以及光吸收的百分比，從而在需要更少材料的情況下保持高效率。因此，非常薄的硅層比非常厚的高質(zhì)量材料薄膜表現(xiàn)得更好。我們相信，通過(guò)這些方案，鈍化良好的IBC太陽(yáng)能電池即使厚度小于20μm，也可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)20%的效率。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明這一想法，我們嘗試開(kāi)發(fā)可靠的程序，將硅片深度蝕刻至厚度小于20μm。技術(shù)趨勢(shì)已廣泛用于蝕刻硅片。由于各向異性濕法腐蝕的兼容性和實(shí)施成本較低，它已經(jīng)成為在硅晶片上制造微結(jié)構(gòu)的廣泛使用的技術(shù)。四甲基氫氧化銨(TMAH)被用作這項(xiàng)工作的各向異性蝕刻劑。最近的發(fā)展引入了干法蝕刻，尤其是被稱(chēng)為反應(yīng)離子蝕刻的基于等離子體的技術(shù)。RIE包括物理機(jī)制(離子轟擊)和化學(xué)機(jī)制(蝕刻氣體的化學(xué)反應(yīng))的結(jié)合，以產(chǎn)生更各向異性的蝕刻輪廓。

本文介紹了使用RIE技術(shù)將硅片減薄到小于20微米的最終厚度。這是通過(guò)使用SU-8光致抗蝕劑實(shí)現(xiàn)的，SU-8光致抗蝕劑是一種高對(duì)比度的負(fù)環(huán)氧基光致抗蝕劑，作為掩模層。對(duì)這種類(lèi)型的光致抗蝕劑在40微米和120微米的膜沉積厚度下的行為進(jìn)行了研究。使用SU-8光致抗蝕劑開(kāi)發(fā)了基線光刻工藝。使用SU-8和RIE方法的結(jié)果與流行的各向異性濕法化學(xué)蝕刻在蝕刻輪廓和最特別的蝕刻速率方面進(jìn)行了比較。對(duì)這一概念的理解有助于未來(lái)超薄IBC太陽(yáng)能電池制造中的應(yīng)用。

結(jié)果和討論

SPR光刻膠和TMAH蝕刻

在用SPR 220-7.0光致抗蝕劑進(jìn)行光刻之后，完美的各向異性輪廓如圖4所示。

蝕刻速率在1.3至1.8微米/分鐘的范圍內(nèi)，平均蝕刻時(shí)間為1.5微米/分鐘。這意味著每小時(shí)大約蝕刻90微米，這是TMAH濕法蝕刻的蝕刻速率的3至5倍。蝕刻速度更快的原因是反應(yīng)離子蝕刻過(guò)程中發(fā)生的物理和化學(xué)機(jī)制之間的協(xié)同作用。這種效果如圖16所示。電離產(chǎn)生的高能碰撞有助于將蝕刻氣體分解成更具反應(yīng)性的物質(zhì)，從而加快蝕刻過(guò)程。反應(yīng)離子蝕刻還有其他優(yōu)點(diǎn)，如更高的縱橫比，這意味著更粗糙表面的蝕刻輪廓更明顯。當(dāng)使用這種技術(shù)時(shí)，很少或沒(méi)有底切，并且在深蝕刻后，沒(méi)有觀察到針孔。

結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了可靠的工藝，將硅片深度腐蝕到厚度小于20μm，用于制作IBC太陽(yáng)能電池。開(kāi)發(fā)了使用SU-8光致抗蝕劑的基線光刻工藝。對(duì)這種類(lèi)型的光致抗蝕劑的行為以及掩模光刻和蝕刻的影響進(jìn)行了研究。SU-8光致抗蝕劑被證明通過(guò)紫外線照射變得更硬。它具有更高的縱橫比成像特性。在這種類(lèi)型的光致抗蝕劑上進(jìn)行不同厚度的研究，40μm和120μm沉積。

研究了用于硅片超薄化的腐蝕技術(shù)，TMAH濕法各向異性腐蝕和反應(yīng)離子腐蝕。RIE技術(shù)的蝕刻速率被證明比TMAH的蝕刻速率快3至5倍，具有較少的缺點(diǎn)，例如沿晶面的針孔和裂紋。這表明更少的破損和更好的潛在電池產(chǎn)量。反應(yīng)離子蝕刻證明能夠獲得更小的特征尺寸的微結(jié)構(gòu)，并且有利于未來(lái)的應(yīng)用，例如超薄交叉背接觸太陽(yáng)能電池。

審核編輯：符乾江