CN109545894B - 一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，本发明涉及一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法。本发明的目的是为了解决目前干法蚀刻无法制备棱锥、棱台形图形化硅衬底以及难以蚀刻制备具有高指数晶面图形化硅衬底的问题，方法为：周期性二氧化硅掩膜制备、湿法蚀刻和去除二氧化硅掩膜；本发明具有高指数晶面，高指数晶面的均方根粗糙度比低指数晶面粗糙度高约10倍，比(100)晶面的粗糙度高约4倍。而粗糙的表面可以对入射光进行多次反射并增加光程，进而降低表面对光的反射率，因此倒八棱台图形化硅衬底相比于仅有低指数晶面的倒金字塔结构具有更优的光捕获能力。本发明应用于图形化硅衬底的制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法。
背景技术
在硅太阳能电池中，硅的作用是吸收太阳能并将其转换为电能，因此需要降低硅衬底对太阳光的反射。目前为降低太阳能电池表面反射率最常采用的方法有表面镀减反射涂层以及表面粗化制绒处理。其中表面粗化处理在增加入射光光程的同时还增加了入射光反射次数，进而降低了光的反射率，并达到提升太阳能电池效率的目的。
目前对硅衬底表面进行粗化处理时常采用KOH湿法蚀刻及ICP干法蚀刻法，但这两种方法的各向异性弱，仅能制备得到由低指数晶面构成的金字塔或四棱台状结构。利用这些结构制备的太阳能电池表面反射率过高，高达10％，无法充分利用太阳能，导致无法制备高性能太阳能电池。相比于光滑的低指数晶面，高指数晶面更为粗糙，因此选择各向异性更强的蚀刻剂在表面制备具有粗糙高指数晶面的结构可以更好的达到粗化表面的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前干法蚀刻无法制备棱锥、棱台形图形化硅衬底以及难以蚀刻制备具有高指数晶面图形化硅衬底的问题，提供一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法。
本发明提供了一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，是按以下步骤进行：
一.二氧化硅掩膜制备：利用光刻工艺在单晶硅衬底上制备圆孔型二氧化硅掩膜，得到覆有圆孔型二氧化硅掩膜的硅片；
二.湿法蚀刻：将覆有圆孔型二氧化硅掩膜的硅片放在聚四氟乙烯花篮上并悬置于TMAH溶液中，然后将TMAH溶液升温至25～80℃，再进行蚀刻，得到蚀刻后的硅片；
三.去除二氧化硅掩膜：将装有蚀刻后硅片的聚四氟乙烯花篮从TMAH溶液中取出用去离子水冲洗，然后置于BOE溶液中蚀刻2-5min，再用去离子水冲洗并用氮气吹干即得倒八棱台图形化硅衬底。
本发明的有益效果如下：
本发明能够有效地将覆有周期性二氧化硅掩膜的硅衬底转换成规则有序，重复性好的倒八棱台图形化硅衬底。
1.步骤二、步骤三中使用聚四氟乙烯容器，防止容器材料与溶液反应，引入杂质；
2.本专利中选用圆孔型二氧化硅掩膜和优化了制备倒八棱台结构的蚀刻条件，实现了蚀刻剂对掩膜外硅衬底的不同晶向的蚀刻，从而成功制备出包含4个高指数晶面的倒八棱台图形化硅衬底；原子力显微镜(AFM)平面图显示高指数晶面的均方根粗糙度比低指数晶面粗糙度高约10倍，比(100)晶面的粗糙度高约4倍。而粗糙的表面可以对入射光进行多次反射并增加光程，进而降低表面对光的反射率，因此倒八棱台图形化硅衬底相比于仅有低指数晶面的倒金字塔结构具有更优的光捕获能力。
3.通过改变步骤二中TMAH浓度、蚀刻温度及时间能够有效的调控倒八棱台结构中高指数晶面的占位比及倒台深度；
4.步骤二蚀刻过程中花篮悬空放置，花篮下加磁力搅拌防止因气泡难以脱离影响蚀刻结果。
附图说明
图1未经蚀刻覆有周期性二氧化硅掩膜硅衬底的扫描电子显微镜图(2μm)；
图2未经蚀刻覆有周期性二氧化硅掩膜硅衬底的扫描电子显微镜图(1μm)；
图3湿法蚀刻所得倒八棱台图形化硅衬底的扫描电子显微镜图(2μm)；
图4湿法蚀刻所得倒八棱台图形化硅衬底的扫描电子显微镜图(1μm)；其中a为(100)晶面，b为高指数晶面，c为低指数晶面；
图5为图4中虚框部位的原子力显微镜平面图；其中a为(100)晶面，Rq＝3.5nm；b为高指数晶面，Rq＝12.5nm；c为低指数晶面，Rq＝1.3nm。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，是按以下步骤进行：
一.二氧化硅掩膜制备：利用光刻工艺在单晶硅衬底上制备圆孔型二氧化硅掩膜，得到覆有圆孔型二氧化硅掩膜的硅片；
二.湿法蚀刻：将覆有圆孔型二氧化硅掩膜的硅片放在聚四氟乙烯花篮上并悬置于TMAH溶液中，然后将TMAH溶液升温至25～80℃，再进行蚀刻，得到蚀刻后的硅片；
三.去除二氧化硅掩膜：将装有蚀刻后硅片的聚四氟乙烯花篮从TMAH溶液中取出用去离子水冲洗，然后置于BOE溶液中蚀刻2-5min，再用去离子水冲洗并用氮气吹干即得倒八棱台图形化硅衬底。
本实施方式包含4个高指数晶面。4个高指数晶面系首次经湿法蚀刻制得并准确标定晶面指数。
本实施方式的有益效果如下：
本实施方式能够有效地将覆有周期性二氧化硅掩膜的硅衬底转换成规则有序，重复性好倒八棱台图形化硅衬底。
1.步骤二、步骤三中使用聚四氟乙烯容器，防止容器材料与溶液反应，引入杂质；
2.本专利中选用圆孔型二氧化硅掩膜和优化了制备倒八棱台结构的蚀刻条件，实现了蚀刻剂对掩膜外硅衬底的不同晶向的蚀刻，从而成功制备出包含4个高指数晶面的倒八棱台图形化硅衬底；原子力显微镜平面图显示高指数晶面的均方根粗糙度比低指数晶面粗糙度高约10倍，比(100)晶面的粗糙度高约4倍。而粗糙的表面可以对入射光进行多次反射并增加光程，进而降低表面对光的反射率，因此倒八棱台图形化硅衬底相比于仅有低指数晶面的倒金字塔结构具有更优的光捕获能力。
3.通过改变步骤二中TMAH浓度、蚀刻温度及时间能够有效的调控倒八棱台结构中高指数晶面的占位比及倒台深度；
4.步骤二蚀刻过程中花篮悬空放置，花篮下加磁力搅拌防止因气泡难以脱离影响蚀刻结果。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中的圆孔型二氧化硅掩膜为周期性圆孔型二氧化硅掩膜。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中TMAH溶液的浓度为1wt％-4wt％，蚀刻1-8min。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中TMAH溶液的浓度为4wt％-9wt％，蚀刻1-5min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中TMAH溶液的浓度为9wt％-19wt％，蚀刻1-2min。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中TMAH溶液的浓度为19wt％-25wt％，蚀刻1min。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中蚀刻的同时磁力搅拌。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中BOE溶液是质量分数为49wt％的HF与40wt％的NH4F按体积比1:6组成的溶液。其它与具体实施方式一至七之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：本实施例一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，是按以下步骤进行：
一、周期性二氧化硅掩膜制备：利用标准光刻工艺在(100)面单晶硅衬底上制备直径为5μm，周期为13μm的圆孔型二氧化硅掩膜，其中二氧化硅掩膜厚度为300nm，得到覆有圆孔型二氧化硅掩膜的硅片；
二、湿法蚀刻：将经步骤一处理且覆有周期性二氧化硅掩膜的硅片放在聚四氟乙烯花篮上并悬置于质量分数为2wt％的TMAH溶液中，然后将溶液温度升至70℃进行硅片的蚀刻，蚀刻过程中在下方加入磁力搅拌，刻蚀时间为3min；得到蚀刻后的硅片；
三.去除二氧化硅掩膜：将装有蚀刻后硅片的聚四氟乙烯花篮从TMAH溶液中取出用去离子水冲洗，然后置于BOE溶液中蚀刻2min去除蚀刻后硅片上的二氧化硅掩膜，再用去离子水冲洗并用氮气吹干即得倒八棱台图形化硅衬底。其中BOE是质量分数为49wt％的HF与40wt％的NH4F按体积比1:6组成的溶液。
图1和图2为未经蚀刻覆有周期性二氧化硅掩膜硅衬底的扫描电子显微镜图，从图中可以看出采用标准光刻工艺制备得到的周期性二氧化硅掩膜为标准圆孔，孔直径为5μm，周期为13μm，且尺寸较为均一。
图3和图4为湿法蚀刻所得倒八棱台图形化硅衬底的扫描电子显微镜图，从图中可以看出生成的倒八棱台图形结构规则有序，重复性好，且具有四个粗糙的高指数晶面。
利用原子力显微镜对SEM图虚线框部分进行表征并分析不同晶面的粗糙度(图5)，从表征结果可以确定高指数晶面的均方根粗糙度比低指数晶面粗糙度高约10倍，比(100)晶面的粗糙度高约4倍。而粗糙的表面可以对入射光进行多次反射并增加光程，进而降低表面对光的反射率，因此倒八棱台图形化硅衬底相比于仅有低指数晶面的倒金字塔结构具有更优的光捕获能力。
本实施例中选用圆孔型二氧化硅掩膜和优化了制备倒八棱台结构的蚀刻条件，实现了蚀刻剂对掩膜外硅衬底的不同晶向的蚀刻，从而成功制备出包含4个高指数晶面的倒八棱台图形化硅衬底；高指数晶面的均方根粗糙度比低指数晶面粗糙度高约10倍，比(100)晶面的粗糙度高约4倍。而粗糙的表面可以对入射光进行多次反射并增加光程，进而降低表面对光的反射率，因此，本实施例的倒八棱台图形化硅衬底相比于倒金字塔结构具有更优的光捕获能力。
Claims (4)
1.一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，其特征在于该制备方法是按以下步骤进行：一.二氧化硅掩膜制备：利用光刻工艺在单晶硅衬底上制备圆孔型二氧化硅掩膜，得到覆有圆孔型二氧化硅掩膜的硅片；
二.湿法蚀刻：将覆有圆孔型二氧化硅掩膜的硅片放在聚四氟乙烯花篮上并悬置于TMAH溶液中，然后将TMAH溶液升温至25～80℃，再进行蚀刻，得到蚀刻后的硅片；
TMAH溶液的浓度为1wt％-4wt％时，蚀刻1-8min；TMAH溶液的浓度为4wt％-9wt％时，蚀刻1-5min；TMAH溶液的浓度为9wt％-19wt％时，蚀刻1-2min；TMAH溶液的浓度为19wt％-25wt％时，蚀刻1min；
三.去除二氧化硅掩膜：将装有蚀刻后硅片的聚四氟乙烯花篮从TMAH溶液中取出用去离子水冲洗，然后置于BOE溶液中蚀刻2-5min，再用去离子水冲洗并用氮气吹干即得包含4个高指数晶面的倒八棱台图形化硅衬底。
2.根据权利要求1所述的一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，其特征在于步骤一中的圆孔型二氧化硅掩膜为周期性圆孔型二氧化硅掩膜。
3.根据权利要求1所述的一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，其特征在于步骤二中蚀刻的同时磁力搅拌。
4.根据权利要求1所述的一种倒八棱台形图形化硅衬底的制备方法，其特征在于步骤三中BOE溶液是质量分数为49wt％的HF与40wt％的NH4F按体积比1:6组成的溶液。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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