CN104388092B - Ⅲ-ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用 - Google Patents
Ⅲ-ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种Ⅲ‑Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用，该腐蚀液中各组成成份的重量百分比为：4％‑8％重铬酸钾、18％‑51％浓盐酸、36％‑66％磷酸、8％‑9％去离子水，通过该腐蚀液可实现以GaAs体系、InP体系、Ⅲ‑Ⅴ族所组合而成的单质、二元、三元、四元等为代表多元化合物材料的非选择性湿法腐蚀，同时也可实现对Ge衬底、Au/Ag/AuGeNi等金属材料的非选择性湿法腐蚀，该腐蚀配方不受外延参杂浓度的影响。本发明所述腐蚀液只需一道光刻保护即可完成，腐蚀偏差可控制在±4％以内，优于同类干法刻蚀工艺，且工艺简单、稳定、易行、物料成本低，适用于工业生产和实验室使用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域所使用的化学腐蚀液，尤其是指一种Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用。
背景技术
随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了越来越多国家的重视，开展太阳能电池研究、发展光伏发电产业对国家能源的可持续发展具有非常重要的意义。太阳能电池面临的主要问题为光电转换效率较低，性价比不高，不能满足大规模民用的需求。目前，商用单晶硅电池的转化效率约为16％-20％，多晶硅电池约为14％-16％；Ge衬底上外延生长晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池500倍聚光下转化效率超过41％，远高于晶硅电池，且具有进一步提升空间。
在GaAs太阳能电池中，包含了多层外延结构，这在多结GaAs系太阳能电池中表现更为突出，对于这类材料的湿法腐蚀，极易受到外延参杂浓度的影响，现阶段极少看到对于该体系材料非选择湿法腐蚀的报道，相关报道大多针对某层材料的选择性腐蚀展开，通过查阅文献可以发现在过去的研究中实现对GaAs体系材料台面湿法腐蚀的方法主要有如下几种：
1)采用以H3PO4-H2O2为代表的腐蚀液实现对GaAs体系材料的湿法腐蚀；
2)采用以HCl-H2O2为代表的腐蚀液实现对InP体系的湿法腐蚀；
3)将上面步骤1)、2)的两种方法相结合，实现对GaAs、InP体系的台面湿法腐蚀。
上述三种方法都存在一些不利的因素，如下：
1)第一种方法往往在腐蚀表层GaAs系材料时腐蚀效果尚可，但如果GaAs层位于外延材料的中间过渡层，各层材料的侧蚀情况变得不可控，同时腐蚀剖面变得参差不齐，使得侧壁保护无法实现，从而增加太阳能电池芯片的并联电阻，影响最终电性参数；
2)第二种方法对于单层InP体系的腐蚀效果极好，但对于沟槽内InP材料的腐蚀，会产生大量未腐蚀干净的彩色，主要原因是HCl-H2O2体系本身是一种不稳定体系，随着溶液放置时间的增加，H2O2会挥发出O2，使溶质浓度降低，反应极不可控；
3)第三种方法由于涉及多步光刻保护，随着外延层层数的增加，对光刻胶的物料成本提出了巨大挑战，因此，不适合于工业生产，多数用于实验室研究中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用，该腐蚀液可实现GaAs、单结、多结等太阳能电池的一次性台面腐蚀，溶液配制的使用简单，同时具有良好的工艺稳定性、重复性和安全性，对太阳能电池无损伤。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液，该腐蚀液中各组成成份的重量百分比为：4％-8％重铬酸钾、18％-51％浓盐酸、36％-66％磷酸、8％-9％去离子水，通过该腐蚀液可实现以GaAs体系、InP体系、Ⅲ-Ⅴ族所组合而成的单质、二元、三元、四元等为代表多元化合物材料的非选择性湿法腐蚀，同时也可实现对Ge衬底、Au/Ag/AuGeNi等金属材料的非选择性湿法腐蚀，该腐蚀配方不受外延参杂浓度的影响。
所述Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液的制备方法，包括以下步骤：
1)先将重铬酸钾充分溶解于浓盐酸中；
2)当重铬酸钾与浓盐酸混合后，再加入磷酸作为增强剂；
3)当重铬酸钾、浓盐酸、磷酸混合均匀后，再加入去离子水作为缓冲剂，混合后将溶液密封并静置，即可得到所需的腐蚀液。
本发明所述的Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液主要用于对砷化镓太阳能电池台面进行非选择性湿法腐蚀。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
提供一种对GaAs太阳能电池台面进行非选择性湿法腐蚀的化学腐蚀液，只需一道光刻保护即可完成，腐蚀偏差可控制在±4％以内，优于同类干法刻蚀工艺，且工艺简单、稳定、易行、物料成本低，适用于工业生产和实验室使用。
附图说明
图1为实施例1中GaAs三结太阳能电池结构图。
图2为实施例1中单结GaAs太阳能电池台面腐蚀3mins后的线宽图。
图3为实施例1中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的线宽图。
图4为实施例1中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的剖面图。
图5为实施例2中单结GaAs太阳能电池台面腐蚀3mins后的线宽图。
图6为实施例2中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的线宽图。
图7为实施例2中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的剖面图。
具体实施方式
下面结合两个具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述的Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液，其组成成份的重量百分比为：4％-8％重铬酸钾、18％-51％浓盐酸、36％-66％磷酸、8％-9％去离子水，通过该腐蚀液可实现以GaAs体系、InP体系、Ⅲ-Ⅴ族所组合而成的单质、二元、三元、四元等为代表多元化合物材料的非选择性湿法腐蚀，同时也可实现对Ge衬底、Au/Ag/AuGeNi等金属材料的非选择性湿法腐蚀，该腐蚀配方不受外延参杂浓度的影响。典型的三结GaAs太阳能电池结构如图1所示。
下面我们以单结、三结GaAs太阳能电池为腐蚀对象，对本发明作详细说明，其具体情况如下：
1、腐蚀前期准备
1.1)将单结、三结GaAs太阳能电池外延片用丙酮、HCl溶液去除表面的有机和无机玷污；
1.2)上述外延片在快排冲洗槽中冲水，去除清洗残留，直至水阻值达10MΩ以上；
1.3)将冲洗后的外延片在甩干机中甩干，除去残留水渍；
1.4)将洗净后的外延片依次经过黄光匀胶、光刻、显影、烘烤等工艺，采用光刻胶在待腐蚀的外延层表面形成台面图案；
1.5)将上述已做好光刻图案的外延片背面涂一层光刻胶，以防止腐蚀液对背面Ge的腐蚀；
1.6)将涂好背面光刻胶的外延片在烘箱中100℃烘烤10min，取出即可。
2、腐蚀过程
2.1)腐蚀液的配制：
2.1.1)取重量百分比为4％重铬酸钾固体，并使其充分溶解于重量百分比为51％浓盐酸中；
2.1.2)当重铬酸钾与浓盐酸混合后，再加入重量百分比为36％磷酸作为增强剂；
2.1.3)当重铬酸钾、浓盐酸、磷酸混合并搅拌均匀后，再加入重量百分比为9％去离子水作为缓冲剂，混合后将溶液密封(以减小或防止化学试剂的挥发)并静置0.5小时，即可得到所需的腐蚀液；
2.2)将准备好的单结、三结GaAs太阳能电池外延片分别标号1#、2#，然后再分别放入上述制得的腐蚀液中进行湿法腐蚀；
2.3)腐蚀全过程均在室温下(25℃)进行，其中单结腐蚀时间3mins，三结腐蚀时间4mins；
2.4)腐蚀结束后，将上述外延片取出，放入快排冲洗槽中冲水，至水阻值值达10MΩ后取出；
2.5)将冲水后的外延片依次经丙酮、去胶液、冲水、甩干后取出表面光刻胶，即可完成腐蚀。
3、观察腐蚀效果
用台阶仪测量腐蚀深度，在金相显微镜下观察腐蚀效果，其中，1#腐蚀线宽如图2所示，2#腐蚀线宽和腐蚀剖面如图3和图4所示。
实施例2
同样以单结、三结GaAs太阳能电池为腐蚀对象，其具体情况如下：
1、腐蚀前期准备
1.1)将单结、三结GaAs太阳能电池外延片用丙酮、HCl溶液去除表面的有机和无机玷污；
1.2)上述外延片在快排冲洗槽中冲水，去除清洗残留，直至水阻值达10MΩ以上；
1.3)将冲洗后的外延片在甩干机中甩干，除去残留水渍；
1.4)将洗净后的外延片依次经过黄光匀胶、光刻、显影、烘烤等工艺，采用光刻胶在待腐蚀的外延层表面形成台面图案；
1.5)将上述已做好光刻图案的外延片背面涂一层光刻胶，以防止腐蚀液对背面Ge的腐蚀；
1.6)将涂好背面光刻胶的外延片在烘箱中100℃烘烤10min，取出即可。
2、腐蚀过程
2.1)腐蚀液的配制：
2.1.1)取重量百分比为8％重铬酸钾固体，并使其充分溶解于重量百分比为18％浓盐酸中；
2.1.2)当重铬酸钾与浓盐酸混合后，再加入重量百分比为66％磷酸作为增强剂；
2.1.3)当重铬酸钾、浓盐酸、磷酸混合并搅拌均匀后，再加入重量百分比为8％去离子水作为缓冲剂，混合后将溶液密封并静置0.5小时，即可得到所需的腐蚀液。
2.2)将准备好的单结、三结GaAs太阳能电池外延片分别标号3#、4#，然后再分别放入上述制得的腐蚀液中进行湿法腐蚀；
2.3)腐蚀全过程均在室温下(25℃)进行，其中单结腐蚀时间3mins，三结腐蚀时间4mins；
2.4)腐蚀结束后，将上述外延片取出，放入快排冲洗槽中冲水，至水阻值值达10MΩ后取出；
2.5)将冲水后的外延片依次经丙酮、去胶液、冲水、甩干后取出表面光刻胶，即可完成腐蚀。
3、观察腐蚀效果
用台阶仪测量腐蚀深度，在金相显微镜下观察腐蚀效果，其中，3#腐蚀线宽如图5所示，4#腐蚀线宽和腐蚀剖面如图6和图7所示。
综上所述，从金相显微镜下的外观图、台阶仪的测量数据，结合外延光致荧光分析反应的外延层厚度来看，随着磷酸溶液的增加，腐蚀线宽会逐渐增大，从而可更好地控制腐蚀沟槽的线宽范围，这样我们通过该腐蚀液可以很好地实现对单结、多结GaAs体系太阳能电池台面的非选择性湿法腐蚀，腐蚀偏差可以控制在±4％(同一片直径为4英寸的外延片，腐蚀后在外延片上取上、中、下、左、右五个点，测量该5个点的腐蚀深度，按照计算公式：(Max–Min)/(Max+min)×100％，即5个点腐蚀深度最大值与最小值之差除以5个点腐蚀深度最大值与最小值之和，计算得出的均一性)以内；该腐蚀液安全稳定，工艺简单，具有很好的重复性，而且还可以实现对Ge PN结的湿法腐蚀，有利于最后电性参数的改善；此外，只需一道光刻即可完成，从而大大地减少了生产成本。总之，相比现有技术，本发明优于同类干法刻蚀工艺，且工艺简单、稳定、易行、物料成本低，适用于工业生产和实验室使用，值得推广。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液，其特征在于，该腐蚀液中各组成成份的重量百分比为：4％-8％重铬酸钾、18％-51％浓盐酸、36％-66％磷酸、8％-9％去离子水，通过该腐蚀液可实现以GaAs体系、InP体系、Ⅲ-Ⅴ族所组合而成的多元化合物材料的非选择性湿法腐蚀。
2.权利要求1所述Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)先将重铬酸钾充分溶解于浓盐酸中；
2)当重铬酸钾与浓盐酸混合后，再加入磷酸作为增强剂；
3)当重铬酸钾、浓盐酸、磷酸混合均匀后，再加入去离子水作为缓冲剂，混合后将溶液密封并静置，即可得到所需的腐蚀液。
3.权利要求1所述的Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液用于对砷化镓太阳能电池台面进行非选择性湿法腐蚀。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160906 Address after: 528437 layer 3-4, No. 22, Torch Road, Torch Development Zone, Zhongshan, Guangdong, China Patentee after: ZHONGSHAN DEHUA CHIP TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 528437 Guangdong Torch Development Zone, Zhongshan Torch Road, No. 22 Ming Yang Industrial Park Patentee before: REDSOLAR NEW ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Non selective wet etching solution for iii - v semiconductor materials and its preparation method and Application Effective date of registration: 20210929 Granted publication date: 20160824 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Zhongshan branch Pledgor: ZHONGSHAN DEHUA CHIP TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980010236 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |