CN104979425B - 一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，包括步骤：1）于具有周期性排列的硅棒的硅衬底表面形成阻挡层；2）于具有阻挡层表面形成硬掩膜；3）于所述硬掩膜表面旋涂PMMA及光刻胶；4）采用刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的硬掩膜；5）于所述硬掩膜表面及各所述硅棒顶部旋涂光刻胶，并采用湿法刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的阻挡层；6）去除各所述硅棒侧壁的硬掩膜，获得籽晶阵列。本发明的籽晶阵列具有较高的质量，且可重复使用的寿命较长，制备方法简单，适用于工业生产。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制造领域，特别是涉及一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法。
背景技术
晶硅光伏产业发展迅速，已逐步接近传统能源电价。但受传统工艺的限制，进一步降低成本的空间有限。薄型晶硅电池（30-60微米）几乎保持了传统电池的转换效率，而在降低产业成本方面具有很大的发展空间，进而扩展到轻质软膜电池应用领域，因此，薄硅电池是未来电池的必然发展趋向之一，而大面积高质量成膜技术是薄硅电池的一项核心技术。
经过对现有技术检索发现，日本的Tayanaka和德国的Brendel在1996年、1997年相续独立提出多孔硅层转移技术。具体工艺过程是：以单晶硅片为衬底，通过阳极电化学刻蚀在表面形成不同孔隙率的多孔硅结构；经过高温退火多孔结构重构，孔隙率较小的上表面孔闭合，恢复单晶结构，可用于外延生长高晶体质量的硅膜，孔隙率较大的下层孔隙增大到几十微米，使得上层单晶薄膜与下层母体晶硅只保持弱机械连接，可作为后续剥离外延单晶硅薄膜的牺牲层。采用该方法，1998年Tayanaka研究组就取得了转化效率12.5%的电池器件。但在此之后，电池的效率提升的非常缓慢。直到2009年，Reuter等人通过高温氧化钝化薄膜表面并利用光刻工艺制作局部接触式电极，用50μm厚硅膜，2cm2面积的电池效率达到17%。2011年，德国哈梅林研究所采用AlOX钝化薄膜表面，将43μm厚硅膜电池效率提高到19.1%。2012年10月，在新加坡召开的亚太光伏会议上美国Solexel公司公布了其43μm厚硅膜，156mm×156mm面积的电池效率达到20.6%。使得多孔硅层转移技术再次向前迈进一大步。
然而，上述的采用多孔硅层转移技术制备大面积高质量的薄硅电池的性能很大程度上依赖于其母体晶硅的质量，同样地，母体晶硅的使用寿命也直接影响到整个生产过程的连续性及成本。然而，现有的母体晶硅的性能和可重复使用的寿命却不尽如人意，因此，本发明的目的是给出一种应用于层转移晶硅薄膜的可重复使用籽晶阵列的制备方法，以解决现有的母体晶硅质量较低，且可重复使用的寿命较短的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，以提供一种高质量、可重复使用的寿命较长的籽晶阵列的制备方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，包括步骤：
1）提供一表面具有周期性排列的硅棒的硅衬底，于各所述硅棒顶部和侧壁、及所述硅衬底表面形成阻挡层；
2）于具有阻挡层的硅棒及硅衬底表面形成硬掩膜；
3）于所述硬掩膜表面旋涂PMMA及光刻胶，并除去各所述硅棒顶部的光刻胶和PMMA，以露出各所述硅棒顶部的硬掩膜；
4）采用刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的硬掩膜，并去除残留的光刻胶及PMMA；
5）于所述硬掩膜表面及各所述硅棒顶部旋涂光刻胶，除去各所述硅棒顶部的光刻胶、以暴露所述Si棒顶端的阻挡层，并采用湿法刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的阻挡层；
6）去除残留的光刻胶，并去除各所述硅棒侧壁的硬掩膜，获得籽晶阵列。
作为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法的一种优选方案，步骤1）通过热氧化法于各所述硅棒及所述硅衬底表面形成二氧化硅层，作为阻挡层。
作为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法的一种优选方案，步骤2）通过蒸镀的方法于具有阻挡层的硅棒及硅衬底表面形成Al膜，作为硬掩膜。
作为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法的一种优选方案，步骤3）包括：
3-1）于所述硬掩膜表面旋涂PMMA，并于140～220℃温度下保持10～20h，使PMMA充分渗入Al膜与硅棒之间的缝隙；
3-2）于所述PMMA表面旋涂光刻胶，并于40～80℃下保持0.5～4h，以增强抗腐蚀保护。
进一步地，步骤3）还包括：3-3）采用氧等离子体刻蚀除去各所述硅棒顶部的光刻胶及PMMA。
作为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法的一种优选方案，步骤4）包括：
4-1）采用H3PO4、CH3COOH、HNO3及H2O的混合溶液作为腐蚀剂除去各所述硅棒顶部的Al膜；
4-2）采用CH3CH2CHO溶剂去除残留的PMMA及光刻胶。
作为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法的一种优选方案，步骤5）中包括：
5-1）于所述硬掩膜表面及各所述硅棒顶部旋涂光刻胶，于40～80℃下保持0.5～4h；
5-2）采用氧等离子刻蚀除掉硅棒顶部的光刻胶，裸露出硅棒顶部的二氧化硅层；
5-3）采用BOE溶液作为刻蚀除去硅棒顶部裸露的二氧化硅层。
作为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法的一种优选方案，步骤6）包括：
6-1）采用CH3CH2CHO溶剂去除残留的光刻胶；
6-2）采用H3PO4、CH3COOH、HNO3及H2O的混合溶液作为腐蚀液除去残留的Al膜，获得籽晶阵列。
如上所述，本发明提供一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，包括步骤：1）提供一表面具有周期性排列的硅棒的硅衬底，于各所述硅棒顶部和侧壁、及所述硅衬底表面形成阻挡层；2）于具有阻挡层的硅棒及硅衬底表面形成硬掩膜；3）于所述硬掩膜表面旋涂PMMA及光刻胶，并除去各所述硅棒顶部的光刻胶和PMMA，以露出各所述硅棒顶部的硬掩膜；4）采用刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的硬掩膜，并去除残留的光刻胶及PMMA；5）于所述硬掩膜表面及各所述硅棒顶部旋涂光刻胶，除去各所述硅棒顶部的光刻胶，并采用湿法刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的阻挡层；6）去除残留的光刻胶，并去除各所述硅棒侧壁的硬掩膜，获得籽晶阵列。本发明利用热蒸发Al很容易填充棒间空隙，而且这种复合结构比较稳定，不会因为温度等发生变化；蒸镀的Al膜表面比较粗糙，更加易于粘附光刻胶等物质，因此，光刻胶在Al膜表面的粘附力要比在SiO2表面大很多；热蒸镀沉积填充铝时，由于阴影效应会在棒侧壁与填充Al间留下微小缝隙，渗入PMMA充实缝隙可增强抗刻蚀保护。本发明的籽晶阵列具有较高的质量，且可重复使用的寿命较长，制备方法简单，适用于工业生产。
附图说明
图1～图2显示为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法步骤1）所呈现的结构示意图。
图3显示为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法步骤2）所呈现的结构示意图。
图4～图6显示为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法步骤3）所呈现的结构示意图。
图7～图8显示为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法步骤4）所呈现的结构示意图。
图9～图11显示为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法步骤5）所呈现的结构示意图。
图12～图13显示为本发明的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法步骤6）所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 硅衬底
102 硅棒
103 阻挡层
104 硬掩膜
105 PMMA
106 光刻胶
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图13所示，本实施例提供一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，包括步骤：
如图1～图2所示，首先进行步骤1），提供一表面具有周期性排列的硅棒102的硅衬底101，于各所述硅棒102顶部和侧壁、及所述硅衬底101表面形成阻挡层103。
作为示例，所述硅衬底101及硅棒102的材料均为单晶硅。
作为示例，通过热氧化法于各所述硅棒102及所述硅衬底101表面形成二氧化硅层，作为阻挡层103。
如图3所示，然后进行步骤2），于具有阻挡层103的硅棒102及硅衬底101表面形成硬掩膜104。
作为示例，通过蒸镀的方法于具有阻挡层103的硅棒102及硅衬底101表面形成Al膜，作为硬掩膜104。
在本实施例中，在热蒸镀所述Al膜时采用的真空度为2×10-4Pa，Al蒸镀的速率约为15nm/s。
需要说明的是，在蒸镀填充Al时，必须将整个硅棒102表面覆盖，如此才能充分保护硅棒102侧壁的二氧化硅层。在本实施例中，所述Al膜的厚度为8～12μm。
如图4～图6所示，接着进行步骤3），于所述硬掩膜104表面旋涂PMMA105及光刻胶106，并除去各所述硅棒102顶部的光刻胶106和PMMA105，以露出各所述硅棒102顶部的硬掩膜104。
作为示例，步骤3）包括：
3-1）于所述硬掩膜104表面旋涂PMMA105（聚甲基丙烯酸甲酯），并于140～220℃温度下保持10～20h，使PMMA105充分渗入Al膜与硅棒102之间的缝隙；在本实施例中，旋涂PMMA105后，将其置于160℃烘箱中保持12h，使PMMA105充分渗入Al膜和硅棒102之间的缝隙。
3-2）于所述PMMA105表面旋涂光刻胶106，并于40～80℃下保持0.5～4h，以增强防腐蚀保护。在本实施例中，将所述光刻胶106在60℃保持2h。
3-3）采用氧等离子体刻蚀除去各所述硅棒102顶部的光刻胶106及PMMA105。在本实施例中，在等离子体清洗机中刻蚀2min除去硅棒102顶部Al膜表面的光刻胶106和PMMA105，以裸露出棒顶端的Al膜。
本步骤利用PMMA105的热塑性，在160℃条件下具有一定的流动性，可以缓慢渗入Al膜和硅棒102之间的缝隙。随后旋涂光刻胶106，利用光刻胶106保护棒侧壁和底部的Al膜不被腐蚀。另外，光刻胶106在Al膜表面的粘附力要比在SiO2表面大很多，蒸镀的Al膜表面比较粗糙，更加易于粘附光刻胶106等物质，有利于PMMA105及光刻胶106的附着。
如图7～图8所示，然后进行步骤4），采用刻蚀工艺去除各所述硅棒102顶部的硬掩膜104，并去除残留的光刻胶106及PMMA105。
作为示例，步骤4）包括：
4-1）采用H3PO4、CH3COOH、HNO3及H2O的混合溶液作为腐蚀剂除去各所述硅棒102顶部的Al膜；
4-2）采用CH3CH2CHO溶剂去除残留的PMMA105及光刻胶106。
如图9～图11所示，接着进行步骤5），于所述硬掩膜104表面及各所述硅棒102顶部旋涂光刻胶106，除去各所述硅棒102顶部的光刻胶106，并用湿法刻蚀工艺去除各所述硅棒102顶部的阻挡层103。
作为示例，步骤5）中包括：
5-1）于所述硬掩膜104表面及各所述硅棒102顶部旋涂光刻胶106，于40～80℃下保持0.5～4h；在本实施例中，将所述光刻胶106于60℃保持2h。
5-2）采用氧等离子刻蚀除掉硅棒102顶部的光刻胶106，裸露出硅棒102顶部的二氧化硅层；在本实施例中，在等离子清洗机中刻蚀1min除掉硅棒102顶端的光刻胶106，裸露出棒顶端的二氧化硅层。
5-3）采用BOE溶液作为刻蚀除去硅棒102顶部裸露的二氧化硅层。
如图12～图13所示，最后进行步骤6），去除残留的光刻胶106，并去除各所述硅棒102侧壁的硬掩膜104，获得籽晶阵列。
作为示例，步骤6）包括：
6-1）采用CH3CH2CHO溶剂去除残留的光刻胶106；
6-2）采用H3PO4、CH3COOH、HNO3及H2O的混合溶液作为腐蚀液除去残留的Al膜，获得籽晶阵列。
如上所述，本发明提供一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，包括步骤：1）提供一表面具有周期性排列的硅棒102的硅衬底101，于各所述硅棒102顶部和侧壁、及所述硅衬底101表面形成阻挡层103；2）于具有阻挡层103的硅棒102及硅衬底101表面形成硬掩膜104；3）于所述硬掩膜104表面旋涂PMMA105及光刻胶106，并除去各所述硅棒102顶部的光刻胶106和PMMA105，以露出各所述硅棒102顶部的硬掩膜104；4）采用刻蚀工艺去除各所述硅棒102顶部的硬掩膜104，并去除残留的光刻胶106及PMMA105；5）于所述硬掩膜104表面及各所述硅棒102顶部旋涂光刻胶106，除去各所述硅棒102顶部的光刻胶106，并采用湿法刻蚀工艺去除各所述硅棒102顶部的阻挡层103；6）去除残留的光刻胶106，最后用湿法刻蚀去除各所述硅棒102侧壁的硬掩膜104，获得籽晶阵列。本发明利用热蒸发Al很容易填充棒间空隙，而且这种复合结构比较稳定，不会因为温度等发生变化；蒸镀的Al膜表面比较粗糙，更加易于粘附光刻胶106等物质，因此，光刻胶106在Al膜表面的粘附力要比在SiO2表面大很多；热蒸镀沉积填充铝时，由于阴影效应会在棒侧壁与填充Al间留下微小缝隙，渗入PMMA105充实缝隙可增强防刻蚀保护。本发明的籽晶阵列具有较高的质量，且可重复使用的寿命较长，制备方法简单，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1)提供一表面具有周期性排列的硅棒的硅衬底，于各所述硅棒顶部和侧壁、及所述硅衬底表面形成阻挡层；
2)于具有阻挡层的硅棒及硅衬底表面形成硬掩膜；
3)于所述硬掩膜表面旋涂PMMA及光刻胶，并除去各所述硅棒顶部的光刻胶和PMMA，以露出各所述硅棒顶部的硬掩膜；
4)采用刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的硬掩膜，并去除残留的光刻胶及PMMA；
5)于所述硬掩膜表面及各所述硅棒顶部旋涂光刻胶，除去各所述硅棒顶部的光刻胶，以暴露所述硅棒顶端的阻挡层，并采用湿法刻蚀工艺去除各所述硅棒顶部的阻挡层；
6)去除残留的光刻胶，并去除各所述硅棒侧壁的硬掩膜，获得籽晶阵列。
2.根据权利要求1所述的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于：步骤1)通过热氧化法于各所述硅棒及所述硅衬底表面形成二氧化硅层，作为阻挡层。
3.根据权利要求2所述的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于：步骤2)通过蒸镀的方法于具有阻挡层的硅棒及硅衬底表面形成Al膜，作为硬掩膜。
4.根据权利要求3所述的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于：步骤3)包括：
3-1)于所述硬掩膜表面旋涂PMMA，并于140～220℃温度下保持10～20h，使PMMA充分渗入Al膜与硅棒之间的缝隙；
3-2)于所述PMMA表面旋涂光刻胶，并于40～80℃下保持0.5～4h，以增强防腐蚀保护。
5.根据权利要求4所述的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于：步骤3)还包括：3-3)采用氧等离子体刻蚀除去各所述硅棒顶部的光刻胶及PMMA。
6.根据权利要求3所述的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于：步骤4)包括：
4-1)采用H3PO4、CH3COOH、HNO3及H2O的混合溶液作为腐蚀剂除去各所述硅棒顶部的Al膜；
4-2)采用CH3CH2CHO溶剂去除残留的PMMA及光刻胶。
7.根据权利要求3所述的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于：步骤5)中包括：
5-1)于所述硬掩膜表面及各所述硅棒顶部旋涂光刻胶，于40～80℃下保持0.5～4h；
5-2)采用氧等离子刻蚀除掉硅棒顶部的光刻胶，裸露出硅棒顶部的二氧化硅层；
5-3)采用BOE溶液作为刻蚀除去硅棒顶部裸露的二氧化硅层。
8.根据权利要求7所述的应用于层转移薄膜生长的籽晶阵列的制备方法，其特征在于：步骤6)包括：
6-1)采用CH3CH2CHO溶剂去除残留的光刻胶；
6-2)采用H3PO4、CH3COOH、HNO3及H2O的混合溶液作为腐蚀液除去残留的Al膜，获得籽晶阵列。
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