基于臺(tái)階刻蝕工藝的GaInP/GaAs/Ge太陽電池激光劃片研究

許 軍，鐵劍銳，孫希鵬，康洪波

(1.天津恒電空間電源有限公司，天津 300384；2.河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口 075000)

金剛石砂輪劃片設(shè)備，通過轉(zhuǎn)速10 000～50 000 r/min 的金剛石砂輪刀片可以將固定在四軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)吸盤上的晶圓快速切削，同時(shí)用冷卻液沖洗降溫以帶走切削過程中產(chǎn)生的粉塵[1]，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓的切割領(lǐng)域。該工藝也暴露出一些問題：(1)載臺(tái)吸盤上微小的顆粒物容易造成晶圓碎片；(2)每次切割對(duì)準(zhǔn)需要機(jī)械平臺(tái)參與，時(shí)間較長；(3)金剛石砂輪只能進(jìn)行全程直線切割而不可短距離線段切割，一個(gè)程序切割方向數(shù)量有限，復(fù)雜圖形的產(chǎn)品切割需要多次對(duì)準(zhǔn)，如圖1 為某種尺寸的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池，整個(gè)晶圓需要切出5 片與藍(lán)色電池相同的電池，由于金剛石砂輪劃片不能切割任意線段，這個(gè)圖形需要兩次對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行切割；(4)劃片刀造成半導(dǎo)體切割面機(jī)械缺陷，影響產(chǎn)品的性能，見圖2。

圖1 某種尺寸的GaInP/GaAs/Ge太陽電池

圖2 金剛石砂輪劃切GaInP/GaAs/Ge太陽電池邊緣輪廓顯微鏡圖

激光劃片工藝，通過高功率激光束輻照到晶圓表面，半導(dǎo)體材料迅速氣化蒸發(fā)或升華，完成晶圓切割，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)晶圓與載臺(tái)吸盤間壓力很小，不會(huì)因顆粒物造成晶圓壓力損傷；(2)允許線段切割、曲線切割、任意方向切割等多種切割方式；(3)不需頻繁更換刀具、無冷卻液參與，效率更高[2]。此外，激光切割還具有半切、背切、隱形切割等功能，激光切割技術(shù)已在半導(dǎo)體晶圓切割領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

GaInP/GaAs/Ge 太陽電池是一種批產(chǎn)可以達(dá)到32%的空間用三結(jié)太陽電池，采用外延生長工藝在Ge 襯底上沉積Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體有源層，有源層含有子電池、隧道二極管、窗口層等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有的還含有多層分布式布拉格反射器(DBR)[3]，總的厚度一般不到10 μm，砂輪切割面存在如圖2 所示的缺陷，但后續(xù)經(jīng)過不同的化學(xué)試劑處理劃切界面，可以將切割面做得比較光滑，降低表面復(fù)合，從而獲得較好的電性能結(jié)果。采用激光切割空間用三結(jié)砷化鎵太陽電池已經(jīng)被證實(shí)可行，仇恒抗等[4]研究了激光切割功率與切割槽深度的關(guān)系、脈沖頻率與切割寬度的關(guān)系、切割速度對(duì)切割寬度的影響等；類似的，李海鷗等[5]對(duì)532 nm 平頂激光在硅晶圓開槽工藝中，離焦量、激光能量、劃片速度、保護(hù)膜等因素對(duì)切割槽的影響也進(jìn)行了深入的研究。本文通過臺(tái)階刻蝕工藝制作切割槽，然后通過激光切割襯底工藝實(shí)現(xiàn)電池片的分離，實(shí)現(xiàn)了與金剛石砂輪劃片同等效果，該技術(shù)可應(yīng)用于批產(chǎn)劃片工藝。

1 臺(tái)階刻蝕

GaInP/GaAs/Ge 太陽電池有源層采用外延生長技術(shù)形成，外延結(jié)構(gòu)一般含有幾十層不同材質(zhì)及厚度的超薄外延層，金剛石縱向直切外延層會(huì)形成大量的少子復(fù)合中心[6]，造成電性能下降。采用光刻技術(shù)制備圖形，然后通過邊緣濕法刻蝕工藝在電池的邊緣形成外延層與襯底之間的臺(tái)階，該工藝即為“臺(tái)階刻蝕”工藝。通過臺(tái)階刻蝕工藝制作電池劃切槽(圖3)，濕法刻蝕形成的劃切槽側(cè)壁更加光滑，降低了界面少子復(fù)合中心，已被證明可以提升太陽電池的光電轉(zhuǎn)換性能[7]。

圖3 濕法臺(tái)階刻蝕GaInP/GaInAs/Ge太陽電池劃片槽示意圖

2 激光直接劃片實(shí)驗(yàn)(無臺(tái)階刻蝕)

GaInP/GaAs/Ge 太陽電池晶圓切割一般采用金剛石砂輪切割，經(jīng)濕法化學(xué)腐蝕處理切割界面，可以獲得較好的電性能。如果采用激光直接切割，高能量的激光會(huì)使半導(dǎo)體表面材料迅速氣化蒸發(fā)，達(dá)到切割目的；然而半導(dǎo)體吸收高能量激光氣化的同時(shí)，不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體瞬時(shí)熔化并互相擴(kuò)散至對(duì)方，會(huì)導(dǎo)致PN 結(jié)局部短路或微短路，電池的性能因此大幅下降。表1、表2 分別為紅外納秒激光、紫外皮秒激光直接切割與金剛石砂輪切割電池性能對(duì)比，由表中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看到：(1)激光直接切割會(huì)造成GaInP/GaAs/Ge 太陽電池性能大幅下降；(2)在直接切割的方式下，紫外皮秒優(yōu)于紅外納秒激光，這是因?yàn)樽贤馄っ爰す夤庾幽芰扛?，局部熱效?yīng)強(qiáng)，較高的頻率降低了激光切割位置向周圍的傳熱，半導(dǎo)體分子迅速氣化，間歇冷卻頻率增加，熱效應(yīng)負(fù)面影響相對(duì)減弱；但紅外納秒激光相反，強(qiáng)烈的熱效應(yīng)擴(kuò)散導(dǎo)致短路現(xiàn)象比較明顯。圖4 為納秒激光直接切割電池側(cè)截面顯微鏡圖，可以看到激光燒蝕不同種類、不同導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料又冷卻凝固后的交互粘連狀態(tài)，我們已經(jīng)無法分清楚材料的種類及導(dǎo)電類型，揭示了不同導(dǎo)電類型材料交疊引發(fā)短路的原因。

表1 紅外納秒激光直切與金剛石砂輪劃片性能對(duì)比(面積10.48 cm2)

表2 紫外皮秒激光直切與金剛石砂輪劃片性能對(duì)比(面積12.25 cm2)

圖4 納秒激光直接切割GaInP/GaAs/Ge太陽電池側(cè)截面顯微鏡圖

通過臺(tái)階刻蝕工藝將GaInP/GaAs/Ge 太陽電池的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體有源層(即子電池、隧道二極管、窗口層、BDR等結(jié)構(gòu))刻蝕掉，制備切割槽，再采用不同的激光劃片(圖5)，激光切割的半導(dǎo)體不涉及有源層部分，僅對(duì)襯底基材進(jìn)行快速氣化切割，可以實(shí)現(xiàn)快速、靈活、性能無損耗切割。該工藝方法需要注意的是：激光光斑直徑必須小于劃片槽的寬度，以避免熱效應(yīng)影響。

圖5 基于臺(tái)階刻蝕的GaInP/GaAs/Ge太陽電池切割槽

3 基于臺(tái)階刻蝕的激光劃片實(shí)驗(yàn)

首先通過濕法臺(tái)階刻蝕技術(shù)制作了帶有劃片槽的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池，然后分別采用納秒355 nm 波長、皮秒355 nm 波長、皮秒1 080 nm 波長的激光分別切割電池晶圓片，對(duì)比不同激光的切割面，測試各類激光切割電池的性能，并與金剛石砂輪劃切的電池片性能對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過臺(tái)階刻蝕形成切割槽的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池晶圓片，不同波長、不同頻率的激光劃片均可以獲得與金剛石砂輪劃切性能相當(dāng)?shù)碾姵仄?；皮秒激光劃切的切割面更加光滑；切割槽的寬度隨著激光頻率的增加而減小。

圖6 分別為波長355 nm 納秒激光、波長355 nm 皮秒激光、波長1 080 nm 皮秒激光切割GaInP/GaAs/Ge 太陽電池截面的顯微鏡圖，顯微鏡下明顯看出納秒激光切割方式在截面上留下的凹痕比皮秒激光切割留下的凹痕更寬，這是由于激光脈沖作用時(shí)間較長，單點(diǎn)接收的能量較多，造成該點(diǎn)燒蝕孔徑更大，因此皮秒激光切割電池截面更加光滑。

圖6 基于臺(tái)階刻蝕的不同波長激光切割GaInP/GaAs/Ge太陽電池側(cè)截面

采用不同頻率的355 nm 納秒激光沿著濕法刻蝕臺(tái)階工藝形成的切割槽切割，使用萊卡4000 型顯微鏡對(duì)切割槽寬度進(jìn)行測量(圖7)，并將切割槽寬度與激光頻率的關(guān)系繪制成折線圖(圖8)，可以看到槽寬隨著頻率的增高而逐漸降低。從圖7我們看到切割槽周圍還存在一定寬度的燒蝕熱影響區(qū)域，這是半導(dǎo)體材料受到高能量激光輻射后熔化但沒有氣化而與本體材料粘連部分，或者氣化后的煙塵冷卻后又附著在劃切槽邊緣，這種熱效應(yīng)區(qū)域同樣表現(xiàn)為頻率越高、影響區(qū)域越小。

圖7 不同頻率下切割槽寬度顯微鏡圖

圖8 激光切割槽寬度隨頻率變化關(guān)系

將不同條件激光切割電池片進(jìn)行電性能測試，如表3 所示，采用臺(tái)階刻蝕工藝制備劃切槽后不同波長(355、1 080 nm)激光，不同脈沖寬度(皮秒、納秒)切割GaInP/GaAs/Ge 太陽電池與傳統(tǒng)的金剛石砂輪劃片工藝對(duì)比，電池的電性能基本相近，這說明臺(tái)階刻蝕將電池的Ⅲ-Ⅴ族化合物有源層去掉，避免了激光燒蝕Ⅲ-Ⅴ族有源層中各種導(dǎo)電類型的材料互熔冷卻后粘連造成短路或微短路問題，盡管激光劃切有源層下的Ge 襯底也會(huì)互熔冷卻粘連，但由于激光劃切的是導(dǎo)電類型相同的基區(qū)材料，并不會(huì)出現(xiàn)短路問題，因而得到了較好的電性能結(jié)果。

表3 基于臺(tái)階刻蝕激光劃片電池性能與金剛石砂輪劃片對(duì)比(面積3.57 cm2)

由圖9，當(dāng)入射激光束腰至透鏡距離l遠(yuǎn)大于焦距F，激光通過透鏡后光斑半徑為：

圖9 激光經(jīng)透鏡聚焦光路

式中：w(l)為入射至透鏡的高斯光束光斑半徑；λ 為入射激光波長。

從公式(1)可以看到，激光波長越短、入射光斑半徑越大，聚焦光斑越小[2,8]。

4 結(jié)論

基于臺(tái)階刻蝕工藝的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池激光劃片工藝，可以避免激光切割過程中出現(xiàn)不同導(dǎo)電類型半導(dǎo)體因燒蝕熔化而出現(xiàn)的互熔現(xiàn)象，進(jìn)而避免互熔引發(fā)的短路和微短路問題，該工藝技術(shù)與金剛石砂輪劃片工藝相比，具有快速、靈活、性能無損的特點(diǎn)，因此該工藝技術(shù)有望在GaInP/GaAs/Ge 太陽電池生產(chǎn)制造中得到推廣應(yīng)用。在激光劃片研究過程中，研究了切割槽寬度與激光波長和脈沖頻率的關(guān)系，要獲得較窄的劃切槽寬度，波長更短和脈沖頻率較高的激光是更好的選擇。