硅襯底的圖形化是指利用標(biāo)準(zhǔn)光刻聯(lián)合干濕法蝕刻工藝在硅襯底表面制備具有特殊圖形的方法。圖形化硅襯底廣泛應(yīng)用于太陽能電池、LED和MEMS加工等領(lǐng)域,其在降低硅襯底表面反射率,提升太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率方面極具優(yōu)勢。針對目前圖形化硅襯底在TMAH溶液中的各向異性濕法蝕刻行為研究不系統(tǒng),蝕刻機理不明確等問題,本文深入研究了覆蓋有圓孔、圓柱形圖形化二氧化硅掩膜的硅襯底(圓孔、圓柱形圖形化硅襯底)在不同濃度TMAH溶液中的蝕刻行為。利用SEM及AFM進行表征,通過調(diào)控TMAH溶液濃度、蝕刻時間和SiO_2掩膜的形狀,研究了圓孔、圓柱形圖形化硅襯底在不同濃度TMAH溶液中的形貌和晶面演變規(guī)律。在1 mass%的TMAH溶液中對圓孔形圖形化硅襯底進行蝕刻時暴露了類圓孔形、倒八棱臺、倒八棱錐和倒金字塔結(jié)構(gòu);在5-25 mass%的TMAH溶液中進行蝕刻時暴露了倒八棱臺、倒四棱臺和倒金字塔結(jié)構(gòu)。相比之下,將圓柱形圖形化硅襯底在1 mass%的TMAH溶液中進行蝕刻時暴露了圓臺、棱臺堆疊結(jié)構(gòu)及金字塔結(jié)構(gòu);在5-15 mass%的TMAH溶液中暴露了棱臺堆疊結(jié)構(gòu)和八棱錐結(jié)構(gòu);而在20-25 mass%的TMAH溶液中暴露了棱臺堆疊結(jié)構(gòu)、棱錐棱臺堆疊結(jié)構(gòu)和八棱錐結(jié)構(gòu)。由于硅的不同晶面在TMAH溶液中的蝕刻具有各向異性,因此將圖形化硅襯底于TMAH溶液中進行濕法蝕刻時可在側(cè)壁上暴露多組低指數(shù)和高指數(shù)晶面。利用AFM和SEM對所得圖形進行表征,確定幾何尺寸后經(jīng)計算精確地確定了不同濃度TMAH溶液中各晶面的蝕刻速率;揭示了蝕刻時間、蝕刻劑濃度、掩膜形狀與圖形形貌演變規(guī)律的關(guān)系并準(zhǔn)確地確定了暴露晶面的晶面指數(shù)。將圓孔形圖形化硅襯底于TMAH溶液中蝕刻時暴露了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-晶面蝕刻速率隨TMAH溶液濃度增大而增大,C_5-和(100)晶面蝕刻速率隨TMAH溶液濃度增大而減小。將圓柱形圖形化硅襯底于TMAH溶液蝕刻時暴露了P_1{221~_}、P_2{111~_}、P_3{1~_31~_}、P_4{131~_}和P_5{140},其中P_1-和P_3-晶面的蝕刻速率隨TMAH溶液濃度的增大先增大后減小;P_4-和P_5-晶面的蝕刻速率隨TMAH溶液濃度的增大而減小。本文中的研究結(jié)果將為可控地在硅襯底表面制備復(fù)雜微結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo),進而實現(xiàn)光電器件性能的優(yōu)化。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O613.72;TM914.4
【部分圖文】：

的蝕刻行為進行了深入系統(tǒng)的研究。利用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝和 BOE 濕法蝕刻相結(jié)合的技術(shù)制備了圓孔、圓柱形圖形化硅襯底。將圖形化硅襯底于不同的蝕刻條件下進行濕法蝕刻，并利用 SEM 及 AFM 進行表征，研究了表面圖形形貌和晶面演變規(guī)律與蝕刻時間和 TMAH 溶液濃度間的依賴性；精確地確定了蝕刻過程中暴露晶面的晶面指數(shù)和蝕刻速率；揭示了各晶面蝕刻速率對表面圖形形貌演變規(guī)律的影響，為可控地制備復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)光電器件性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。1.2 圖形化硅襯底在太陽能電池中的作用機理1.2.1 晶體硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)及原理晶體硅太陽能電池的電池結(jié)構(gòu)如圖 1-1 a 所示，太陽能電池主要由 p 型硅基區(qū)、n 型發(fā)射極、位于發(fā)射極上的圖形化減反射絨面、分別位于電池頂部及底部的金屬柵電極和金屬背電極構(gòu)成。電池的制備工藝主要包括以下幾部分：對 p 型硅襯底進行擴散摻雜制備 n 型發(fā)射極形成 pn 結(jié)；利用堿溶液濕法蝕刻工藝在 n 型發(fā)射區(qū)表面制備絨面結(jié)構(gòu)；最后利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)于 n 型發(fā)射區(qū)表面制備柵電極，在 p型基區(qū)背面制備金屬背電極。

穴向 p 區(qū)遷移，而 p 區(qū)內(nèi)的自由電子向 n 區(qū)遷移產(chǎn)生內(nèi)電流，并在電池兩端產(chǎn)生電勢差。因此，襯底表面對入射光的吸收能力決定了太陽能電池所產(chǎn)生的電勢差大小，即表面反射率越低，電池性能越好。1.2.2 陷光結(jié)構(gòu)對入射光的減反射作用原理降低硅襯底表面反射率的方法主要有兩種：其一是利用 1/4 波長原理在硅襯底表面沉積一層減反射涂層[24]；另一種方法是利用化學(xué)腐蝕[25]、機械刻槽[26]或干法蝕刻[27]等工藝在硅襯底表面制備具有減反射能力的圖形化結(jié)構(gòu)。如圖 1-2 所示為常用的隨機金字塔結(jié)構(gòu)和減反射作用原理示意圖。當(dāng)太陽光垂直入射至硅襯底表面后，首先到達襯底表面的 1 號位置，入射至 1 號位置的光線部分進入硅襯底內(nèi)部，剩余部分光線被反射出去。由于襯底表面已經(jīng)預(yù)先制備了凸起的金字塔陷光結(jié)構(gòu)，因此由 1 號位置反射出去的光線將再次落在 2 號位置，隨后部分光線可以由 2 號位置再次進入硅襯底內(nèi)部，進一步增加了對太陽光的吸收能力[1]。由 2 號位置反射的光線將進入空氣中或再次反射至其它圖形表面，這一過程取決于表面圖形的幾何尺寸和形貌[28]。

利用旋涂工藝涂布 SiNX和 SiO2減反射涂層并完成太陽能電池的制備，如圖1-3 a、b 所示分別為金字結(jié)構(gòu)的 SEM 圖和利用不同結(jié)構(gòu)金字塔制備太陽能電池的性能對比圖。該報道確定了在硅襯底上下兩表面均制備周期為 1400 nm 的 INP 陣列對應(yīng)電池的光電流密度為 39.86 mA/cm2，比平面硅太陽能電池光電流密度高約76%（22.63 mA/cm2），且僅比 Lambertian 極限（41.10 mA/cm2）低 3%。圖 1-3 （a）倒金字塔結(jié)構(gòu) SEM 圖；（b）具有不同圖形結(jié)構(gòu)的電池性能對比（A-平面、B-背面 INP、C-迎光面 INP、D-迎光面 INP 和 SiNX、E-雙面 INP 和 SiNX、F-雙面 INP 和 SiNX，SiO2、紅線為 Lambertian 極限、藍線為平面結(jié)構(gòu) A 且有減反涂層樣品參考線）[36]。Choi 等[37]提出了一種亞波長尺度的硅襯底表面倒金字塔結(jié)構(gòu)制造工藝。首先利用旋涂工藝將尺寸為 1.57 μm 的 SiO2微球涂布于清洗后的硅片表面，利用反應(yīng)

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本文編號：2823553