浅析单晶刻蚀工艺

光伏领跑者创新论坛 2022-05-20

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单晶刻蚀工艺

1. 刻蚀的目的&原理

1.1 需要刻蚀的原因分析
1. 扩散过程中，虽然采用背靠背扩散，硅片的边缘将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路,此短路通道等效于降低并联电阻。
2. 由于在扩散过程中氧的通入，在硅片表面形成一层二氧化硅，在高温下POCl3与O2形成的P2O5，部分P原子进入Si取代部分晶格上的Si原子形成n型半导体，部分P原子则留在了SiO2中形成PSG(磷硅玻璃)【硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2,称之为磷硅玻璃】
1.2 刻蚀目的
刻蚀掉硅片边缘部分的N型硅和去除硅片表面PSG。

1.3 去除PSG（磷硅玻璃）目的
a. PSG的存在使得硅片在空气中表面容易受潮，导致电流的降低和功率的衰减。
b. 死层的存在大大增加了发射区电子的复合，会导致少子寿命的降低，进而降低了Voc和Isc。
c. 磷硅玻璃的存在使得PECVD后产生色差。
1.4 刻蚀原理
1. 利用HNO3和HF的混合液体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；
2. 利用HF去除掉硅片表面的PSG。

2. 刻蚀主要槽体的化学反应原理

2.1 刻蚀槽化学反应
反应需要一定量的Si，因此换液后开线需要跑一定数量的假片来激活药液，否则会出现腐蚀量偏低的现象。这里HNO2的氧化性强于HNO3，HNO2 在反应中起主要氧化作用。
刻蚀槽反应步骤：
step 1 硝酸/亚硝酸（HNO2）将硅氧化成二氧化硅（主要是亚硝酸将硅氧化）；
step 2 二氧化硅和氢氟酸反应（快反应），生成四氟化硅和水（快反应），四氟化硅又和水化合成氟硅酸进入溶液；
step 3 硫酸不参与反应，仅仅是增加氢离子浓度，加快反应，增加溶液黏度（增大溶液与PSG薄层间的界面张力）和溶液密度。
2.2 碱槽化学反应
碱槽的作用
碱洗槽在刻蚀槽、第一道水喷淋之后。作用在于利用喷淋，中和并冲掉硅片背面（和刻蚀溶液接触的那一面）和边缘沾附的酸。
2.3 酸槽化学反应
酸槽的作用
去除硅片表面残留的碱；去除表面硅片表面SiO2, 氟原子与硅生成Si-F疏水键，易于脱水；去除扩散后硅片表面形成的磷硅玻璃层(PSG)

3. 刻蚀机理

3.1 表面张力
3.2 毛细现象
3.3 硫酸对液位的影响
注意：受PSG影响，对于没有去PSG的单晶片子，正面会有溶液铺展。硫酸有时虽会减少铺展，但它会减小氢氟酸、硝酸的挥发，增加反应速率，有时甚至加深了正面刻蚀。
3.4 排风&带速对液位的影响

4. 刻蚀效果的影响因素

4.1 整体影响因素
4.2 滚轮水平的影响
硅片利用液体表面张力，通过滚轮的支撑漂浮在液面上的，所以滚轮的水平对刻蚀的效果有着至关重要的影响，滚轮不平会导致偏高的部位刻蚀不足，进而造成边缘漏电，偏低的部位则会产生局部过刻严重的会导致黑边。
4.3 硝酸及氢氟酸浓度的影响
硝酸控制着硅片的横向腐蚀，氢氟酸控制着硅片的纵向腐蚀，硝酸浓度过高则会导致硅片边缘二氧化硅层更快形成，被氢氟酸腐蚀，易造成黑边，氢氟酸浓度过高则会导致硅片的纵向腐蚀更容易发生，易造成局部的过刻。
4.4 硫酸的影响
硫酸密度较大，主要用来调整反应液的粘稠渡和张力，合适的硫酸浓度能使硅片能够很好地浮在反应液上，过高的硫酸浓度会导致边缘刻蚀线发黑。
4.5 刻蚀槽流量的影响
刻蚀循环流量对刻蚀的效果至关重要，流量过大会导致液面波动过大会导致过刻，严重的会导致黑边，流量过小则会导致刻蚀不足。
4.6 温度的影响
过高的温度会促进腐蚀反应，过快反应易造成局部过刻，过低的温度又会抑制反应，易造成刻蚀不足，一般刻蚀温度维持7-9℃
4.7 排风的影响
排风通过影响硅片表面气体流速影响边缘沾液情况，单侧的排风过大或过小易造成锯齿型过刻甚至黑边。

5. 刻蚀各槽体的作用

6. 刻蚀线

刻蚀线图示
刻蚀线一般是淡淡的一条黑线，正常情况下刻蚀线到边缘的距离控制在1.5mm以下，最宽不得超过2mm。而有时在边缘会有很显眼的很黑很黑的线或黑区，这些东西就不是刻蚀线了，而是没有洗干净的酸，此时需要在碱槽手动补碱来解决。如果多次出现这种情况，需检查碱洗槽是否堵碱。

7. 刻蚀问题以及注意事项

刻蚀异常
1. 刻蚀不足：边缘漏电，并联电阻(Rsh)下降，严重可导致失效；
2. 过刻: 正面金属栅线与P型硅接触,造成短路。
3. 溶液颜色变成淡绿色和绿色：亚硝酸本身并不是特别稳定，它会慢慢分解，在小批量生产时，溶液中的亚硝酸浓度的平衡点不会超过一定的限度，刻蚀溶液会一直保持无色。大批量生产时，亚硝酸浓度平衡点会有所上升，亚硝酸浓度的略微增加，会导致溶液变绿，只要刻蚀正常，溶液颜色变绿不会对片子效率产生任何影响。刻蚀不合格片时可能将一些杂质引入刻蚀溶液，污染刻蚀溶液，与变绿无关。
4. 硅片表面白点、花纹、手纹印：硅片表面有脏污，未清洗干净
注意事项
刻蚀至下道工序传递时间＜1H

来源：光伏技术

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