CN109004062B - 利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的方法及设备，该方法包括：步骤1、使用臭氧溶液对硅片进行表面处理；2、使用去离子水对硅片进行清洗；3、使用碱液对硅片的下表面及侧面边缘进行刻蚀抛光；4、清洗硅片去除表面污染物；5、使用酸液对硅片进行酸洗；6、清洗硅片去除残留药液；7、烘干硅片。该设备包括槽式设备、链式设备和搬送设备。本发明利用臭氧实现碱性体系对硅片的刻蚀抛光，安全环保、成本低且品质好。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池技术领域，尤其涉及一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的方法及设备。
背景技术
常规太阳能电池的生产流程一般包括：制绒、扩散、刻蚀去PSG、镀膜、丝网印刷及烧结、测试分选等工序；部分高效电池还增加了INK、激光刻蚀、退火、原子层沉积背面镀氧化铝薄膜、PECVD、激光开孔等涉及到高效电池的步骤。
现有的刻蚀去PSG工艺通常是利用HNO3和HF的混合溶液对扩散后硅片下表面和边缘进行腐蚀，去除边缘的N型硅，使得硅片的上下表面相互绝缘。去PSG是利用HF去除硅片表面的磷硅玻璃，避免发射区电子的复合，导致少子寿命的降低，进而降低电池片效率，但这种酸刻蚀方法产生的废液、废气不能直接排放，环保问题严重，另外酸刻蚀的化学品耗量大，生产成本高。
另外，现有设备多采用皮带或滚轮传送硅片进行刻蚀，硅片上容易出现黑斑、皮带印、滚轮印或脏片等缺陷，PERC电池的不良率非常高，这种设备已不适合应用在市场上。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的方法及设备，该方法使用臭氧对硅片进行清洗，能够彻底清洁硅片表面，再通过碱液及槽式设备对硅片进行下表面刻蚀抛光处理，安全环保、成本低且成品质量好。
本发明采用的技术方案是，设计一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的方法，硅片的上表面覆盖有PSG层，硅片的下表面及侧面边缘已去除PSG层，包括：
步骤1、将硅片放入第一臭氧清洗槽，硅片浸泡在第一臭氧清洗槽内含有臭氧的混合溶液中清洗；
步骤2、将硅片放入第一水槽，硅片浸泡在第一水槽内的去离子水中清洗；
步骤3、将硅片放入刻蚀抛光槽，硅片浸泡在刻蚀抛光槽内的碱液中，对硅片下表面及侧面边缘进行刻蚀抛光；
步骤4、将硅片放入清洗槽组中清洗；
步骤5、将硅片放入酸洗槽，硅片浸泡在酸洗槽内的酸液中酸洗；
步骤6、将硅片放入水洗槽中清洗；
步骤7、将硅片放入烘干槽组中干燥。
优选的，步骤4中清洗槽组包括依次排列的第二水槽、第二臭氧清洗槽和第三水槽。步骤4包括：步骤4.1、将硅片放入第二水槽中清洗；步骤4.2、将硅片放入第二臭氧清洗槽清洗；步骤4.3、将硅片放入第三水槽中清洗。
其中，步骤1中第一臭氧清洗槽内使用HCl、臭氧和去离子水的混合溶液，HCl浓度为0.01%-0.3%，臭氧的浓度为10-50PPM，反应温度20℃到40℃，反应时间大于30秒。
步骤4中第二臭氧清洗槽内使用HCl、HF、臭氧和去离子水的混合溶液，HCl浓度为0.01%-0.3%，HF浓度为0%-20%，臭氧的浓度为10-80PPM，反应温度20℃到40℃，反应时间大于60秒。
刻蚀抛光槽内的碱液使用KOH溶液和抛光添加剂、或使用NaOH溶液和抛光添加剂，KOH或NaOH浓度为0.5%-10%，碱液的温度为60℃-80℃，反应时间为60秒-240秒。
优选的，步骤7中烘干槽组包括依次排列的慢提拉槽和烘干槽；
步骤7包括：步骤7.1、将硅片放入慢提拉槽，硅片浸泡在高纯水中，慢慢提拉硅片出水；步骤7.2、将硅片放入烘干槽中烘干。
慢提拉槽内的高纯水温度为60℃~80℃。
本发明还提出了一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的设备，包括：槽式设备，槽式设备内依次排列有第一臭氧清洗槽、第一水槽、刻蚀抛光槽、清洗槽组、酸洗槽、水洗槽及烘干槽组，硅片放置在花篮内，通过机械手将花篮依次放入第一臭氧清洗槽至烘干槽组中。
该设备还包括：用于去除硅片下表面及侧面边缘PSG层的链式设备，链式设备内依次排列有喷淋接水槽、前酸洗槽、冲洗接水槽、前烘干槽，喷淋接水槽的上方设有喷淋装置，冲洗接水槽的上方设有冲洗装置，硅片由若干个滚轮水平传递依次经过喷淋水槽至前烘干槽，前酸洗槽内的液位高于滚轮的最低点、低于滚轮的最高点。
该设备还包括：连接链式设备和槽式设备的搬送设备，搬送设备将硅片从链式设备的下料位置搬送至槽式设备的上料位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用含有臭氧的混合溶液对硅片进行清洗，臭氧具有更强的氧化性，能够彻底清洁硅片表面；
2、本发明采用碱液对硅片进行刻蚀抛光，实现氮的零排放，安全环保且化学品耗量低；
3、采用槽式设备实现刻蚀抛光，刻蚀过程中有效避免了硅片与工装夹具接触而带来的各种品质问题；
4、采用链式设备去除硅片下表面及侧面边缘的PSG层，有效保护硅片上表面的PN结，提高PERC电池成品质量。
附图说明
下面结合优选实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明中刻蚀抛光方法的工艺流程示意图；
图2是本发明中刻蚀抛光设备的俯视示意图；
图3是本发明中刻蚀抛光槽或酸洗槽的结构示意图；
图4是本发明中水洗槽的结构示意图；
图5是本发明中洁净风下压系统和吸风系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明处理的是晶硅电池片生产制造过程中非扩散面的刻蚀抛光，晶硅硅片在扩散工序完成之后，硅片的上表面为PN结层及PSG层，下表面以及侧面边缘也存在少量多余的PN结层及PSG层，这些多余的PSG层在做刻蚀抛光前需要完全去除，而上表面的PSG层需要保留，去除的方法可以使用链式设备去除PSG层。
如图1所示，本发明提出的方法包括：
步骤1、将硅片放入到第一臭氧清洗槽，硅片浸泡在第一臭氧清洗槽内内含有臭氧的混合溶液中清洗，去除硅片表面的污染物，并在硅片表面形成一层氧化层，通过该氧化层保护硅片上表面的PSG层，
第一臭氧清洗槽内使用HCl、臭氧和去离子水的混合溶液，HCl浓度为0.01%-0.3%，臭氧的浓度为10-50PPM，将HCl和臭氧溶入去离子水中制成混合溶液，如果浓度偏低会起不到清洗表面污染物的效果，反应温度20℃到40℃，反应时间大于30秒，反应时间过久会使碱液破坏硅片上表面的PSG层，导致后续的刻蚀抛光工艺中上表面也会被抛光，造成硅片外观不良。同样的，如果浓度过高、温度过高均会破坏硅片上表面的PSG层，起不到保护的效果，造成硅片外观不良。
步骤2、将硅片放入第一水槽，硅片浸泡在第一水槽内的高纯度去离子水中清洗，去除硅片表面的碱液残留，反应温度为常温。
步骤3、将硅片放入刻蚀抛光槽，硅片浸泡在刻蚀抛光槽内的碱液中，对硅片下表面及侧面边缘进行刻蚀，使得硅片上下表面绝缘以及下表面抛光，碱液使用KOH溶液和抛光添加剂的混合溶液，或使用NaOH溶液和抛光添加剂的混合溶液。
KOH或NaOH浓度为0.5%~10%，KOH或NaOH体积为5升~20升，抛光添加剂体积为1升~5升，刻蚀抛光槽的总体积为300升~400升，碱液的温度需在60℃~80℃内，温度太低达不到抛光的效果，温度太高反应就会非常剧烈，导致下表面刻蚀抛光的局部不均匀，同时会破坏上表面效果。反应时间需在60秒~240秒内，反应时间太长也会破坏上表面效果，反应时间太短也会达不到抛光的效果。
步骤4、将硅片放入清洗槽组中清洗，去除硅片表面的污染物。清洗槽组包含第二臭氧清洗槽，硅片放入第二臭氧清洗槽内含有臭氧的混合溶液中清洗。
在一较优实施例中，步骤4包括：步骤4.1、将硅片放入第二水槽中清洗，去除硅片表面的药液残留，反应温度室温到高温都可行；步骤4.2、将硅片放入第二臭氧清洗槽清洗，以去除硅片表面添加剂，污染物，金属颗粒等，第二臭氧清洗槽内使用HCl、HF、臭氧和去离子水的混合溶液，HCl浓度为0.01%-0.3%，HF浓度为0%-20%，臭氧的浓度为10-80PPM，将HCl、HF和臭氧溶入去离子水中制成混合溶液，反应温度20℃到40℃，反应时间大于60秒，时间太短清洗效果不佳，臭氧浓度偏低起不到清洗效果；步骤4.3、将硅片放入第三水槽中清洗，去除硅片表面的臭氧混合溶液残留，反应温度常温到50℃，反应时间60秒到180秒。
步骤5、机械手提起硅片花篮放入酸洗槽，硅片浸泡在酸洗槽内的酸液中酸洗，去除硅片上表面的PSG层。酸洗槽内的酸液使用HF和HCl的混合溶液，HF浓度为1%-5%，HCl浓度为0%-10%，酸液的温度为常温，反应时间可为60秒~180秒。
步骤6、机械手提起硅片花篮放入水洗槽，硅片浸泡在水洗槽的水中清洗，去除硅片表面的酸液残留，反应温度常温到50℃，反应时间可为60秒到180秒。
步骤7、机械手提起硅片花篮放入烘干槽组干燥。
较优的，烘干槽组包括依次排列的慢提拉槽和烘干槽。步骤7包括：步骤7.1、将硅片放入慢提拉槽，硅片浸泡在高纯水中，慢慢提拉硅片出水，使得水尽可能的脱离硅片表面及花篮，能够起到缩短烘干时间的目的，该步是在烘干前对硅片及硅片花篮做预处理用，高纯水的温度需要在室温~70℃内，脱水效果好；步骤7.2、将硅片放入烘干槽中烘干。
本发明采用碱液对硅片进行抛光刻蚀，其效果比酸抛好，碱抛光刻蚀能把电池片背面绒面塔尖削平，背面比较平坦，钝化效果较好，背反射率高，背场接触改善明显，电池片效率有一定的提升。
本发明还提出了一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的设备，为便于描述且避免混淆，将该利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的设备称为总设备。总设备包括：槽式设备3，上述方法中的步骤1至步骤7通过槽式设备实现。
具体来说，槽式设备3内依次排列有第一臭氧清洗槽、第一水槽、刻蚀抛光槽、清洗槽组、酸洗槽、水洗槽及烘干槽组，清洗槽组包括第二水槽、第二臭氧清洗槽、第三水槽，烘干槽组包括慢提拉槽和烘干槽。硅片4放置在花篮5内，通过机械手将花篮5依次放入第一臭氧清洗槽至烘干槽中。
第一水槽、第二水槽和第三水槽均设有鼓泡功能和溢流功能。其中鼓泡的控制方式可设置为有篮鼓泡或者无篮鼓泡，有篮鼓泡是指水槽内有花篮的时候才鼓泡、没有花篮不鼓泡，无篮鼓泡是指水槽内没有花篮时鼓泡，有花篮时不要鼓泡，鼓泡是由鼓泡管通入水槽中实现。水槽的侧壁上设有水溢流口，随着反应的进行，需要补充新的去离子水进入到水槽中，当水槽的去离子水超过水溢流口时，多余的去离子水会通过水溢流口溢流掉，以此来实现去离子水的更新，保持去离子水的洁净。
刻蚀抛光槽设有鼓泡功能、溢流功能和循环功能，其鼓泡功能与上述水槽的鼓泡功能一致，鼓泡管9通入水槽中实现，水槽内设有外接鼓泡器的鼓泡管。刻蚀抛光槽包括：主槽6、围设于主槽6外侧的副槽7、将副槽7内液体抽至主槽6内的循环泵8，循环泵8的工作接口通过管路连接到主槽6和副槽7，主槽6的侧壁设有药液溢流口，副槽7用于承接从药液溢流口溢出的碱液，当主槽6的碱液超过药液溢流口时，多余的碱液会通过药液溢流口流到副槽7中，循环泵8从副槽7抽液打入到主槽6，主槽6中还设有均流板10，通过均流板10将主槽6分为上腔和下腔，循环泵8将副槽7中的碱液抽到下腔中，液体经过均流板流至上腔，以此来达到均匀碱液的作用。
酸洗槽也设有鼓泡功能、溢流功能和循环功能，其结构与刻蚀抛光槽一致。
第一臭氧清洗槽、第一水槽、第二水槽、第三水槽、刻蚀抛光槽、第二臭氧清洗槽和慢提拉槽均带有加热器件，通过加热器件对槽中液体进行加热。
水洗槽为水下潜送槽，水洗槽内设有水平传送机构11，水洗槽的上方设有隔板12，隔板12下部位于水洗槽的中间位置并延伸至液面以下，承装硅片4的花篮放置在该水平传送机构11上，从水中将花篮5由隔板12的一侧传送至另一侧，其结构在专利号200820094928.0中有详细介绍，在此不做赘述。
慢提拉槽和烘干槽均设计有洁净风下压系统，洁净风下压系统具体是指在槽体13上方设置进风腔14，进风腔14内设有幽浮扇，通过幽浮扇将环境中的空气吸入进风腔14中，进风腔14的出风口向下设置，进风腔14内设有匀流板和过滤器，空气经过匀流板后再经过过滤器从出风口喷出。
慢提拉槽和烘干槽的周围均排布了一圈吸风系统，吸风系统具体是在槽体13周围排布了一圈管道15，管道15上设计了一定数量的小孔，管道15与排风管道16相连接，排风管道16内设有抽风器件。下压风系统与吸风系统组合起来可形成一道风帘，此风帘将槽体13内外完全隔离，防止非洁净的风进入到槽体13内，提高硅片品质。
总设备还包括：链式设备1，上述方法中硅片4的前期处理通过链式设备处理，链式设备1用于去除硅片4下表面及侧面边缘PSG层。
具体来说，链式设备1内依次排列有喷淋接水槽、前酸洗槽、冲洗接水槽、前烘干槽，喷淋接水槽的上方设有喷淋装置，冲洗接水槽的上方设有冲洗装置，硅片4由若干个滚轮水平传递依次经过喷淋水槽至前烘干槽。利用喷淋装置均匀的喷淋出去离子水覆盖在硅片4的上表面，即基底硅片的扩散面，其中水膜能够均匀的平铺在硅片4的上表面，水量约为5mg-8mg；然后，利用前酸洗槽内的HF溶液去除硅片4的下表面及侧面边缘的PSG层，HF的质量分数大约在2%-8%，反应温度为室温；然后，利用去离子水进行冲洗硅片4的上表面后，对硅片烘干处理。前酸洗槽内的液位高于滚轮的最低点、低于滚轮的最高点，优选是液位高度在滚轮轴心位置上方的1/3~2/3高度处，即基底硅片的下表面能够直接接触传动轴滚轮，由滚轮带液行走，行走过程中硅片的下表面与HF溶液发生化学反应，实现去除背面PSG的作用，硅片4的上表面由水膜保护不与HF溶液接触，不发生化学反应。
总设备还包括：连接链式设备1和槽式设备3的搬送设备2，搬送设备2将硅片4从链式设备1的下料位置搬送至槽式设备3的上料位置，搬送设备2采用传送带等结构，也可以采用机械手等自动化部件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的方法，所述硅片的上表面覆盖有PSG层，所述硅片的下表面及侧面边缘已去除PSG层，其特征在于包括：
步骤1、将硅片放入第一臭氧清洗槽，硅片浸泡在第一臭氧清洗槽内含有臭氧的混合溶液中清洗，去除硅片表面的污染物，并在硅片表面形成一层氧化层，通过该氧化层保护硅片上表面的PSG层，所述第一臭氧清洗槽内使用HCl、臭氧和去离子水的混合溶液，HCl浓度为0.01%-0.3%，臭氧的浓度为10-50PPM，反应温度20℃到40℃，反应时间大于30秒；
步骤2、将硅片放入第一水槽，硅片浸泡在第一水槽内的去离子水中清洗；
步骤3、将硅片放入刻蚀抛光槽，硅片浸泡在刻蚀抛光槽内的碱液中，对硅片下表面及侧面边缘进行刻蚀抛光；
步骤4、将硅片放入清洗槽组中清洗；
步骤5、将硅片放入酸洗槽，硅片浸泡在酸洗槽内的酸液中酸洗；
步骤6、将硅片放入水洗槽中清洗；
步骤7、将硅片放入烘干槽组中干燥。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述步骤4中清洗槽组包括依次排列的第二水槽、第二臭氧清洗槽和第三水槽；
所述步骤4包括：步骤4.1、将硅片放入第二水槽中清洗；步骤4.2、将硅片放入第二臭氧清洗槽清洗；步骤4.3、将硅片放入第三水槽中清洗。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中第二臭氧清洗槽内使用HCl、HF、臭氧和去离子水的混合溶液，HCl浓度为0.01%-0.3%，HF浓度为0%-20%，臭氧的浓度为10-80PPM，反应温度20℃到40℃，反应时间大于60秒。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀抛光槽内的碱液内使用KOH溶液和抛光添加剂、或使用NaOH溶液和抛光添加剂，KOH或NaOH浓度为0.5%-10%，碱液的温度为60℃-80℃，反应时间为60秒-240秒。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7中烘干槽组包括依次排列的慢提拉槽和烘干槽；
步骤7包括：步骤7.1、将硅片放入慢提拉槽，硅片浸泡在高纯水中，慢慢提拉硅片出水；步骤7.2、将硅片放入烘干槽中烘干。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述慢提拉槽内的高纯水温度为常温~75℃。
7.一种利用臭氧实现碱性体系对硅片刻蚀抛光的设备，包括：槽式设备，其特征在于，所述槽式设备内依次排列有第一臭氧清洗槽、第一水槽、刻蚀抛光槽、清洗槽组、酸洗槽、水洗槽及烘干槽组，所述硅片放置在花篮内，通过机械手将花篮依次放入第一臭氧清洗槽至烘干槽组中。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括：用于去除硅片下表面及侧面边缘PSG层的链式设备，所述链式设备内依次排列有喷淋接水槽、前酸洗槽、冲洗接水槽、前烘干槽，所述喷淋接水槽的上方设有喷淋装置，所述冲洗接水槽的上方设有冲洗装置，所述硅片由若干个滚轮水平传递依次经过喷淋水槽至前烘干槽，所述前酸洗槽内的液位高于所述滚轮的最低点、低于所述滚轮的最高点。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括：连接链式设备和槽式设备的搬送设备，所述搬送设备将硅片从链式设备的下料位置搬送至槽式设备的上料位置。
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