太陽(yáng)能電池制造中化學(xué)濃度的預(yù)先控制介紹

馮小強(qiáng)，祝福生，關(guān)宏武，宋文超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

在太陽(yáng)能電池片制造過(guò)程中，硅在堿性溶液中的刻蝕是一個(gè)復(fù)雜的的過(guò)程，由于大量的硅要在溶液中進(jìn)行刻蝕，刻蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生刻蝕副產(chǎn)品（硅酸鹽），硅酸鹽對(duì)刻蝕速率有較大的影響?？涛g溶液中的硅酸鹽將使刻蝕速率顯著下降，同時(shí)溶液濃度的變化會(huì)對(duì)硅片的刻蝕結(jié)果產(chǎn)生影響，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的硅片特性，從而降低硅片質(zhì)量。為了獲得穩(wěn)定和可循環(huán)利用的工藝流程，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量刻蝕液濃度十分必要。

Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2↑

太陽(yáng)能電池制造中通常包含KOH/IPA，HF/HNO3，HF/HCl 這幾種溶液，同時(shí)也含有添加劑——IPA，這些添加劑可以增強(qiáng)刻蝕的均勻性。硅片在KOH/IPA 混合液中通過(guò)刻蝕處理產(chǎn)生如圖1 所示的絨面?；瘜W(xué)濃度控制的原理是用在線(xiàn)傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)濃度，通過(guò)開(kāi)發(fā)的計(jì)算方法來(lái)控制化學(xué)濃度，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)注入新鮮的化學(xué)液和水來(lái)補(bǔ)償消耗的化學(xué)液和水，使槽體里的化學(xué)濃度維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣能夠很好地保證硅片的刻蝕速率。

圖1 在2%的KOH 在80 ℃和4% IPA

1 實(shí)驗(yàn)

濕法化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)全自動(dòng)的硅片刻蝕和清洗實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。每個(gè)批次200 片硅，所有的硅片均由同一供應(yīng)商提供，且硅片選自100 個(gè)不同的硅錠。刻蝕工藝實(shí)驗(yàn)是在“化學(xué)濃度控制系統(tǒng)”這項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)下進(jìn)行。將在線(xiàn)傳感器安裝在工藝槽的循環(huán)管路中，這樣就可以實(shí)時(shí)測(cè)量化學(xué)濃度，該傳感器測(cè)量光的吸收率然后通過(guò)光纖傳輸?shù)椒止夤舛扔?jì)。

此時(shí)光的吸收率與溶液的濃度是相互關(guān)聯(lián)的，光的吸收率將被傳送到放大器，并轉(zhuǎn)化為4～20 mA 的輸出相應(yīng)，這些信號(hào)通過(guò)模擬模塊與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制補(bǔ)液系統(tǒng)來(lái)控制化學(xué)液的濃度。在研究過(guò)程中許多化學(xué)液都曾經(jīng)被研究，例如HF，HNO3等，在此就不一一列舉，我們只以KOH 和IPA 為例說(shuō)明。目標(biāo)是產(chǎn)生一致的刻蝕速率，同時(shí)獲得與圖1 相似的制絨面。

2 實(shí)驗(yàn)分析

該實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是通過(guò)精確測(cè)量化學(xué)液的濃度以達(dá)到需求的工藝效果，即產(chǎn)生最好的制絨形貌。濃度穩(wěn)定一致的溶液可幫助延長(zhǎng)化學(xué)槽的使用時(shí)間，從而減少硬件消耗和整體制造費(fèi)用，并延長(zhǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間，提高利用率。

KOH 濃度的校正曲線(xiàn)如圖2 所示。同時(shí)對(duì)IPA 獲取類(lèi)似的校正曲線(xiàn)。圖3 表示為了維持穩(wěn)定的刻蝕速率所需的KOH 濃度。由圖3 可以看出，維持穩(wěn)定的刻蝕速率所需的KOH 體積與所要刻蝕Si 的質(zhì)量成線(xiàn)性關(guān)系。測(cè)試數(shù)據(jù)與化學(xué)計(jì)算高度吻合，從而為產(chǎn)品的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。此系統(tǒng)還可以對(duì)刻蝕副產(chǎn)品的濃度進(jìn)行校正，如圖4 所示。

圖2 測(cè)量及預(yù)測(cè)濃度的KOH

圖3 KOH 蝕刻硅的消耗量在生產(chǎn)中與理論值一致

圖4 實(shí)時(shí)工藝中的溶解硅濃度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明清洗槽中溶解的Si 含量必須保持低于某一個(gè)極限值。該系統(tǒng)運(yùn)用算法來(lái)控制清洗槽中Si 的濃度，所以刻蝕速率得以保證。此算法可以保證一定體積新化學(xué)液的注入和舊化學(xué)液的排出，從而保持化學(xué)液和刻蝕副產(chǎn)品的濃度不變。這樣，就可以達(dá)到晶圓Si 刻蝕速率和反射率保持一致性的工藝效果，如圖5 和圖6 所示。圖5 顯示盡管在不同的負(fù)荷條件下，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中晶圓的反射率均低于10%。在所有的實(shí)驗(yàn)中，絨面金字塔的尺寸在8～12 μm 之間。這對(duì)于晶圓制造中的膜沉積和完善工藝是十分重要的，它需要絨面的尺寸和形貌保持一致性。由圖7 可以看出在沒(méi)有ICE 控制下不穩(wěn)定的刻蝕速率。

圖5 多種工藝下制絨硅片的發(fā)射率對(duì)比

圖6 刻蝕速率隨著ICE 控制而變化

圖7 刻蝕速率沒(méi)有隨著ICE 控制而變化

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)時(shí)的化學(xué)濃度監(jiān)測(cè)和控制對(duì)太陽(yáng)能電池制造是非常重要和有益的。該技術(shù)節(jié)省人力資源，避免工藝操作人員一直手動(dòng)改變化學(xué)液濃度。利用閉環(huán)濃度控制，在太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)過(guò)程中，工藝操作人員將不再需要多次重復(fù)和繁瑣的工作。同時(shí)該技術(shù)顯著降低了返工和晶圓錯(cuò)過(guò)處理，因此，整個(gè)工藝制造過(guò)程變得更可靠，更加節(jié)約成本。

[1] 張曉紅，王銳廷. 太陽(yáng)能電池制絨設(shè)備研究的幾點(diǎn)心得[J]. 電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2007(6)：24-25.