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(yáng)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(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率方面極具優(yōu)勢(shì)。針對(duì)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(jī)理不明確等問(wèn)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(jìn)行表征,通過(guò)調(diào)控TMAH溶液濃度、蝕刻時(shí)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(duì)圓孔形圖形化硅襯底進(jìn)行蝕刻時(shí)暴露了類圓孔形、倒八棱臺(tái)、倒八棱錐和倒金字塔結(jié)構(gòu);在5-25 mass%的TMAH溶液中進(jìn)行蝕刻時(shí)暴露了倒八棱臺(tái)、倒四棱臺(tái)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(jìn)行蝕刻時(shí)暴露了圓臺(tái)、棱臺(tái)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(tái)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(tái)堆疊結(jié)構(gòu)、棱錐棱臺(tái)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(jìn)行濕法蝕刻時(shí)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(duì)所得圖形進(jìn)行表征,確定幾何尺寸后經(jīng)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)而實(shí)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(jí)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(jìn)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(jìn)行濕法蝕刻，并利用 SEM 及 AFM 進(jìn)行表征，研究了表面圖形形貌和晶面演變規(guī)律與蝕刻時(shí)間和 TMAH 溶液濃度間的依賴性；精確地確定了蝕刻過(guò)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(duì)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(shí)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(yáng)能電池中的作用機(jī)理1.2.1 晶體硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及原理晶體硅太陽(yáng)能電池的電池結(jié)構(gòu)如圖 1-1 a 所示，太陽(yáng)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(duì) p 型硅襯底進(jìn)行擴(kuò)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(shì)差。因此，襯底表面對(duì)入射光的吸收能力決定了太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電勢(shì)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(duì)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(zhǎng)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(jī)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(jī)金字塔結(jié)構(gòu)和減反射作用原理示意圖。當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射至硅襯底表面后，首先到達(dá)襯底表面的 1 號(hào)位置，入射至 1 號(hào)位置的光線部分進(jìn)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(hào)位置反射出去的光線將再次落在 2 號(hào)位置，隨后部分光線可以由 2 號(hào)位置再次進(jìn)入硅襯底內(nèi)部，進(jìn)一步增加了對(duì)太陽(yáng)光的吸收能力[1]。由 2 號(hào)位置反射的光線將進(jìn)入空氣中或再次反射至其它圖形表面，這一過(guò)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(yáng)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(yáng)能電池的性能對(duì)比圖。該報(bào)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(duì)應(yīng)電池的光電流密度為 39.86 mA/cm2，比平面硅太陽(yáng)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(duì)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(lán)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(zhǎng)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(hào)：2823553