CN108538720A - 一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，属于新材料技术领域。本发明将金属催化硅腐蚀技术与金属腐蚀技术相结合，提出了一种新型的晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，可用于晶体硅表面大面积微纳米尺度金字塔阵列绒面结构制备。该技术简单易行，不需要添加双氧水等强氧化剂，成本低廉，可工业化生产，所制备的大面积微纳米尺度金字塔阵列绒面光吸收性能优异，因此在太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体硅各向异性腐蚀方法，属于新材料技术领域。
背景技术
晶体硅湿法腐蚀可以实现各种硅微纳米结构的制备，在微电子、微机电系统和光伏行业具有重要地位。半个世纪以来晶体硅各向异性腐蚀方法主要基于碱性腐蚀溶液，例如氢氧化钠水溶液[参见：中国专利CN201310562781.9]和四甲基氢氧化铵腐蚀液[参见：中国专利ZL200410017032.9]等。近年来我们发明了一种金属催化刻蚀硅方法，在含有氧化剂的氢氟酸中可以实现硅的位置选择性腐蚀，利用银或金作为催化剂可以制备大面积硅纳米线阵列等硅微纳米结构[参见：中国专利ZL 02104179.2；中国专利申请号ZL200510011753.3]，利用铜作为催化剂可以制备多孔硅结构[参见：K.Q.Peng,A.J.Lu,R.Q.Zhang,S.T.Lee,Motility of metal nanoparticles in silicon and inducedanisotropic silicon etching.Adv.Funct.Mater.,2008,18,3026]。1973年，美国Zwicker等人发现氟化铵和硝酸铜腐蚀溶液可以在硅表面腐蚀出倒金字塔结构[参见：W.K.Zwicker,S.K.Kurtz,Anisotropic etching of silicon using electrochemicaldisplacement reactions，Semiconductor Silicon,Eds.:Huff,H.R.&Burgess,R.R.,Electrochemical Society,Pennington,315-326,1973]。2015年，中科院物理所研究人员采用含有硝酸铜和双氧水的氢氟酸溶液在硅表面腐蚀出倒金字塔结构[参见：Y.Wang,L.X.Yang,Y.P.Liu,Z.X.Mei,W.Chen,J.Q.Li,H.L.Liang,A.Kuznetsov,X.L.Du,Masklessinverted pyramid texturization of silicon.Sci.Rep.,2015,5,10843]。但是上述方法在腐蚀过程中容易在硅表面沉积大量铜纳米颗粒，所制备的倒金字塔尺寸大且表面粗糙。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的晶体硅各向异性腐蚀方法。该方法利用含有二价铜盐(如氯化铜、硫酸铜和硝酸铜等)和盐酸的氢氟酸溶液腐蚀晶体硅，可以实现晶体硅的高度各向异性腐蚀。该方法不需要加入其它氧化剂，如双氧水、硝酸、硝酸铁和氯化铁等，简单易行，可以在晶体硅(100)表面制备大面积微纳米正金字塔阵列结构。由于铜离子的腐蚀和氯离子的络合协同作用，该方法腐蚀的硅片表面铜沉积量极少，所腐蚀的微纳米正金字塔结构表面光滑、缺陷少，因此在太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。
本发明提出的一种晶体硅各向异性腐蚀方法，其特征在于：所述方法按如下步骤进行：
(1)将表面清洁的晶体硅片放入含有氯化铜、盐酸和氢氟酸混合溶液的容器中，在20-90℃下反应10-100分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水溶液里面浸泡去掉表面残存的金属；
(2)将表面清洁的晶体硅片放入含有硫酸铜、盐酸和氢氟酸混合溶液的容器中，在20-90℃下反应10-100分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水溶液里面浸泡去掉表面残存的金属；
(3)将表面清洁的晶体硅片放入含有硝酸铜、盐酸和氢氟酸混合溶液的容器中，在20-90℃下反应10-100分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水溶液里面浸泡去掉表面残存的金属；
在上述步骤中所使用的硅片可以是单晶和多晶硅片。所述步骤(1)中的氯化铜浓度为0.01-0.2mol/L，盐酸浓度为0.5-3.0mol/L，氢氟酸浓度为0.5-10.0mol/L。所述步骤(2)中的硫酸铜浓度为0.01-0.2mol/L，盐酸浓度为0.5-3.0mol/L，氢氟酸浓度为0.5-10.0mol/L。所述步骤(3)中的硝酸铜浓度为0.01-0.2mol/L，盐酸浓度为0.5-3.0mol/L，氢氟酸浓度为0.5-10.0mol/L。
附图说明
图1为本发明在单晶硅(100)晶面制备的正金字塔阵列扫描电镜形貌图
具体实施方式
本发明在氢氟酸溶液实现了硅的各向异性腐蚀，可以在晶体硅(100)表面制备大面积微纳米金字塔结构。下面结合实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中50℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例2
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中50℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例3
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例4
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应20分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例5
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中90℃下反应20分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例6
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中90℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例7
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中30℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例8
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和3.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中60℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例9
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中50℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例10
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中50℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例11
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中60℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例12
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中60℃下反应15分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例13
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应15分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例14
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例15
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、2.0mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例16
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.05mol/L氯化铜、2.0mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中40℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例17
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.1mol/L氯化铜、3.0mol/L盐酸和2.5mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例18
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.1mol/L氯化铜、2.5mol/L盐酸和8.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例19
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L氯化铜、1.0mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例20
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.2mol/L氯化铜、3.0mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例21
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L硫酸铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中50℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例22
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L硝酸铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中50℃下反应60分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例23
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L硫酸铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中50℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
实施例24
将清洗干净的单晶硅片放入盛有0.02mol/L硝酸铜、1.5mol/L盐酸和5.0mol/L氢氟酸混合溶液的聚四氟乙烯容器中80℃下反应30分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水中浸泡10分钟去除硅表面残存的金属颗粒并用去离子水清洗。
Claims (6)
1.一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行，
(1)将表面清洁的晶体硅片放入含有氯化铜、盐酸和氢氟酸混合溶液的容器中，在20-90℃下反应10-100分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水溶液里面浸泡去掉表面残存的金属；
(2)将表面清洁的晶体硅片放入含有硫酸铜、盐酸和氢氟酸混合溶液的容器中，在20-90℃下反应10-100分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水溶液里面浸泡去掉表面残存的金属；
(3)将表面清洁的晶体硅片放入含有硝酸铜、盐酸和氢氟酸混合溶液的容器中，在20-90℃下反应10-100分钟，然后将腐蚀后的硅片放入王水溶液里面浸泡去掉表面残存的金属。
2.根据权利要求1所述的一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，所述步骤(1)、(2)和(3)中的晶体硅片可以是单晶硅片，也可以是多晶硅片。
3.根据权利要求1所述的一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，所述步骤(1)中的氯化铜浓度为0.01-0.2mol/L，盐酸浓度为0.5-3.0mol/L，氢氟酸浓度为0.5-10.0mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，所述步骤(2)中的硫酸铜浓度为0.01-0.2mol/L，盐酸浓度为0.5-3.0mol/L，氢氟酸浓度为0.5-10.0mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，所述步骤(3)中的硝酸铜浓度为0.01-0.2mol/L，盐酸浓度为0.5-3.0mol/L，氢氟酸浓度为0.5-10.0mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种晶体硅各向异性湿法腐蚀方法，所述步骤(1)、(2)和(3)腐蚀制备的微纳米金字塔阵列可用于硅太阳能电池。
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