多結太陽電池用P型鍺單晶片去蠟技術研究

楊洪星，張偉才，陳亞楠，王 斌，張春翔，劉春香，趙 權

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津，300220)

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，鍺單晶成為了一種新的清潔能源材料。鍺單晶拋光片已成功地用于太陽能電池領域。在鍺襯底上通過外延GaAs層而制造的Ge/GaAs太陽能電池與硅太陽能電池相比具有轉換效率高、耐輻射、壽命長、溫度敏感性小等特點，另外Ge/GaAs太陽能電池相對于傳統(tǒng)的GaAs/GaAs太陽能電池來講具有質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點[1，2]。相對于N型鍺單晶片，P型鍺單晶片的耐輻射性能更強，同時P型鍺單晶片主要用于制作P-Ge/GaAs/AlGaAs多結太陽電池，具有較高的光電轉換效率，因此，P型鍺單晶片的研究受到了廣泛地關注[3]。

由于P-Ge/GaAs/AlGaAs多結太陽電池主要用于空間領域，這就要求電池的重量較輕。P型鍺單晶拋光片的厚度越薄，則多結太陽電池的質(zhì)量越輕。目前，國際上較為成熟的P型鍺單晶拋光片產(chǎn)品的厚度為 175 μm±15μm、140 μm±15 μm，已經(jīng)屬于超薄晶片加工的范疇。對于超薄晶片的加工，可以采用有蠟拋光方式、貼膜拋光方式以及真空吸附拋光方式。

本文對P型鍺單晶拋光片的去蠟技術進行研究，研究了不同清洗溫度、拋動頻率、級聯(lián)式清洗等對鍺單晶拋光片去蠟效果的影響。

1 試驗

1.1 樣品

導電類型：P型；

晶向：<100>偏(111)9°±1°；

電阻率：0.001～0.05 Ω·cm；

厚度：175 μm±15 μm；

拋光方式：有蠟拋光；

表面：單面拋光。

1.2 試驗過程

采取有蠟拋光方式對鍺單晶片進行拋光，然后取片，并將晶片放到專用的花籃中。針對清洗溫度、拋動頻率、級聯(lián)式清洗等因素開展清洗工藝試驗，以相同的干燥工藝進行干燥。

方案一：清洗溫度：25℃，晶片靜置于清洗液中，清洗方式：級聯(lián)式超聲清洗。

方案二：清洗溫度：55℃，晶片在清洗液中以20 Hz的頻率進行拋動，清洗方式：級聯(lián)式超聲清洗。

方案三：清洗溫度：25℃，晶片靜置于清洗液中，清洗方式：單組式超聲清洗。

方案四：清洗溫度：55℃，晶片在清洗液中以20 Hz的頻率進行拋動，清洗方式：單組式超聲清洗。

注：在本文中，單組式超聲清洗指一次清洗液超聲清洗和一次快排沖水清洗；級聯(lián)式清洗由多個單組式超聲清洗模塊進行連續(xù)清洗。

1.3 試驗結果

在一定的光線下，目測檢驗各方案的拋光片，結果如表1所示。

表1 表面質(zhì)量檢驗結果

2 結果與討論

2.1 去蠟過程的分析

蠟分子以固體的形式附著于鍺單晶片的表面，若想把蠟分子從鍺單晶片表面剝離下來，只能從外界向兩者的界面處傳遞一定的能量，使蠟層逐步軟化，由較大的蠟分子團變?yōu)閱为毜南灧肿?，蠟分子依濃度梯度向低濃度處擴散，從而實現(xiàn)鍺單晶片表面與蠟分子徹底分離。

在這一過程中，蠟分子的解吸、擴散過程成為整個去蠟工藝的關鍵。

2.2 清洗溫度對去蠟效果的影響

清洗溫度越高，清洗液中的分子運動速度越快，與鍺單晶片上的蠟分子發(fā)生分子碰撞的幾率得到大幅提升，這樣就加快了二者之間的能量交換速度，使蠟分子在較短的時間內(nèi)獲得足夠的能量，從而達到解吸的條件，脫離鍺單晶片表面，并向清洗液中擴散；另一方面，清洗溫度越高，清洗液的溶解能力越強，有利于防止蠟分子在鍺單晶片表面形成二次吸附。從表1的試驗結果中可以看出，較高的清洗溫度可以消除白色斑塊缺陷。

2.3 拋動對去蠟效果的影響

聲波是一種縱波，即清洗質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致。在縱波傳播過程中，清洗質(zhì)點沿超聲波傳播方向運動，從而造成質(zhì)點分布不勻，出現(xiàn)疏密不同的區(qū)域，在清洗質(zhì)點稀疏區(qū)域聲波形成負聲壓，在分布致密區(qū)域聲波形成正聲壓，并形成負聲壓、正聲壓的交替連續(xù)變化，這種變化不僅使清洗質(zhì)點獲得一定動能而且獲得一定加速度[4，5]。加速度振幅(am)符合下列公式：

式中：am為加速度振幅；ρ為清洗液密度；c為聲波在清洗液中的傳播速度；

f為超聲波頻率；I為超聲波強度。

從式（1）可以看出，采用超聲清洗的方式可以向清洗液中的質(zhì)點（清洗液分子）施加一個特定能量，對鍺單晶片上的蠟分子形成一定的沖擊，加速蠟分子從鍺片的脫離。

晶片在超聲槽內(nèi)進行拋動，可以增強清洗液中的質(zhì)點與蠟分子之間的相對運動，加速蠟分子從鍺片的脫離。圖1為拋動、靜置的去蠟效果對比，從圖中可以看出，采用拋動的方式可大幅縮短去蠟時間。

圖1 拋動、靜置的去蠟效果圖

2.4 級聯(lián)式清洗對去蠟效果的影響

基于單組式超聲清洗的機械設計理念，其清洗效率基本在85%～90%之間，很難達到理想的清洗效果。提高清洗效果的有效途徑為：1）增大清洗槽的體積，隨著清洗液使用次數(shù)的增多，存在“二次沾污”問題；2）采用級聯(lián)式清洗，即采用多個相同的模塊串聯(lián)到一起[6]。式（2）列出了級聯(lián)式清洗殘留物的計算公式。

式中：X為鍺單晶片表面剩余的沾污量；

η為單組式超聲清洗的清洗效率；

n為級聯(lián)組數(shù)。

從上式可以看出，當n越大時，鍺單晶片表面的殘留物越少，但是n不能無限大，否則將帶來較大的設備成本、運行成本，應設定合理的清洗目標，以確定n值。

從表1中可以看出，級聯(lián)式清洗有效地解決了“團狀”缺陷問題。

3 結 論

在超薄鍺單晶片的加工過程中，去蠟清洗工藝占有著十分重要的地位，直接決定著鍺單晶片的最終表面質(zhì)量。通過本文的研究，可以得出以下的結論：

（1）提高清洗溫度有利于提高表面清法效果。在不影響清洗液各組分的化學性質(zhì)的基礎上，溫度越高，清洗效果越好；

（2）采取拋動方式可以加快蠟分子與鍺片的脫離速度，從而提高清洗效果；

（3）級聯(lián)式清洗是一種較好的清洗方式，可提高清洗效果，但應合理設定級聯(lián)組數(shù)；

（4）單一的清洗方法不能圓滿解決鍺單晶片的去蠟清洗問題，需要采用多項清洗技術才能解決這一問題，這也與目前拋光片清洗需要采用多種清洗技術的發(fā)展趨勢相契合。

[1]劉春香，楊洪星，呂菲，趙權.鍺片化學機械拋光特性分析[J].中國電子科學研究院學報，2008，3(1)：101-104.

[2]呂菲，劉春香，楊洪星，鍺單晶片的堿性腐蝕特性分析[J].半導體技術，2007，32(11)：967-969.

[3]陸峰，楊洪星，劉春香，趙權.表面活性劑在P型鍺片磨削工藝中的應用[J].電子工業(yè)專用設備，2010(2)：50-52.

[4]陳堅邦.砷化鎵材料發(fā)展和市場前景[J].稀有金屬，2000，24(3)：209-217.

[5]梁治齊.清洗技術[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2000，2，195-200.

[6]楊春明，楊洪星.去蠟技術[J].天津科技，2008，35(280)：74-75.