HF濃度對(duì)電化學(xué)法制備多孔硅結(jié)構(gòu)的影響

許亮

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊277160)

[摘要]本文介紹了采用電化學(xué)制備多孔硅技術(shù)，在固定光強(qiáng)、溫度、電流等實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)改變電解液中HF酸濃度，測(cè)量對(duì)比了相應(yīng)多孔硅的特性，找出HF濃度對(duì)電化學(xué)法制備多孔硅結(jié)構(gòu)的影響.

[關(guān)鍵詞]電化學(xué);多孔硅;HF濃度[收稿日期]2015-08-05

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)

[作者簡(jiǎn)介]許亮(1982-),男,山東棗莊人,棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院助教、理學(xué)碩士，主要從事半導(dǎo)體器件及工藝的研究.

[中圖分類(lèi)號(hào)]TN303 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

0引言

隨著半導(dǎo)體精細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，微型多孔硅結(jié)構(gòu)的制作和使用近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)，其中電化學(xué)制備多孔硅微結(jié)構(gòu)的方法由于成本低廉尤其受到關(guān)注.本文通過(guò)實(shí)驗(yàn),找出電化學(xué)制備微型多孔硅過(guò)程中，HF濃度對(duì)于多孔硅結(jié)構(gòu)形貌特征的影響.

1多孔硅結(jié)構(gòu)

隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)于綠色新型能源的需求不斷增加，太陽(yáng)能光伏技術(shù)正在得到日益廣泛的研究和應(yīng)用.在太陽(yáng)能電池組件的制作過(guò)程中，為了減小光線的反射提高電池組件轉(zhuǎn)換效率，通常需要引入制絨工序，即將硅基光伏電池板表面制作成絨面，以減小光線的反射，由于微型的多孔硅結(jié)構(gòu)具有極低的光反射率，因此將絨面制作成微型多孔結(jié)構(gòu)成為光伏業(yè)界一種極佳的選擇.本文所述微型多孔硅為孔徑通常在500-5000nm，排列規(guī)則的硅基多孔陣列，如圖1所示.

圖1　多孔硅結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　　　圖2　實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

通常而言，多孔硅陣列的微孔其深徑比越大，孔隙率越高，則抗反射效果越好.盡管在保證微孔具有一定深徑比的情況下，微孔內(nèi)壁的光滑度對(duì)抗反射效果影響并不明顯，但若孔壁過(guò)于粗糙導(dǎo)致微孔側(cè)向分叉現(xiàn)象嚴(yán)重，容易造成多孔硅結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定甚至發(fā)生“塌方”.因此理想的多孔硅結(jié)構(gòu)要求高孔隙率和微孔深徑比，同時(shí)內(nèi)壁光滑.納米級(jí)的多孔硅結(jié)構(gòu)除可應(yīng)用與太陽(yáng)能電池組件的絨面以外，在微型機(jī)電系統(tǒng)，量子器件等也有廣泛的應(yīng)用.

2電化學(xué)方法制備多孔硅

2.1實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)采用的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，電解液腐蝕槽采用Teflon材料制作，將待實(shí)驗(yàn)硅片置于鋁電極上，將電解槽、硅片、鋁電極、電解槽底座密封壓制，為防止硅片破碎，在硅片上加置一O型密封圈，鋁電極的中心開(kāi)8mm×8mm的方孔以便接收光照以有效激發(fā)光生載流子，提高空穴濃度，以盡量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)效果[1-3]，光源為電壓范圍是0～12V，額定功率是100W的鹵素?zé)?，其距離硅片底部16cm.采用網(wǎng)狀Pt絲作為陰極置于電解液內(nèi).電化學(xué)方法進(jìn)行時(shí)，腐蝕液內(nèi)產(chǎn)生的氣泡可通過(guò)網(wǎng)狀陰極逸出，防止在電極下方積累氣泡影響腐蝕電流的均勻性.

2.2實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)

軟件控制平臺(tái)為基于Labview開(kāi)發(fā)的電化學(xué)軟件平臺(tái)，該軟件平臺(tái)由電腦、接口卡、帶計(jì)算機(jī)控制的低壓大功率直流穩(wěn)壓電源(0～25V，200W)和低壓直流穩(wěn)壓源(0～25V，50W)、電流及電壓采樣電路構(gòu)成；基于其內(nèi)部編寫(xiě)好的電流電壓測(cè)量程序，其可以實(shí)時(shí)監(jiān)控腐蝕回路中的電流，在與設(shè)定的電流值比較之后調(diào)整腐蝕電壓，從而保持腐蝕電流的穩(wěn)定.其實(shí)物圖和操作界面分別如圖3(a)、(b)所示.

圖3　實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)

2.3實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用硅片為N型<100>晶向的硅片[4],電阻率為2～5Ω.cm，直徑為100±0.4mm，厚為525±15μm，硅片正面已提前進(jìn)行KOH倒金字塔結(jié)構(gòu)陣列的腐蝕制作，背面已進(jìn)行砷離子重?fù)诫s，以便形成良好的電性接觸.

3實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)電解液的成分為HF：去離子水：乙醇為1：7：8.，其中加入乙醇可以使溶液的表面張力降低，使電化學(xué)反應(yīng)時(shí)電解液內(nèi)產(chǎn)生的氫氣更容易逸出，防止其附在硅片表面[5].實(shí)驗(yàn)分別對(duì)比了當(dāng)HF酸濃度在2.5%、5%和12%時(shí)，多孔硅的微結(jié)構(gòu)形貌.電化學(xué)腐蝕回路的電壓為4V，電流密度12mA/cm2，腐蝕時(shí)間均為1小時(shí).

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在3.1所述實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)HF酸濃度分別為2.5%、5%和12%時(shí)，所得多孔硅的電鏡照片如圖3-1(a)、(b)、(c)所示.

圖4　HF酸濃度分別為2.5%、5%和12%時(shí)多孔硅結(jié)構(gòu)

如圖4所示，當(dāng)氫腐酸濃度濃度的不斷增大，多孔硅結(jié)構(gòu)中腐蝕的微孔深度逐漸增加，2.5%濃度是微孔深度約為10μm，5%濃度時(shí)約為30μm，至12%時(shí)孔深增大到100μm，且孔深增加與濃度增加的比例近似為線性關(guān)系；同時(shí)孔徑則從3μm減小到1μm.因此，為得到較高的微孔深徑比，并獲得較快的腐蝕速度，可采用HF濃度較高的電解液.但從電鏡照片反映出，2.5%氫腐酸的腐蝕樣品空內(nèi)壁最為光滑，較少出現(xiàn)側(cè)向腐蝕分叉的現(xiàn)象，12%樣品的孔的側(cè)壁上出現(xiàn)明顯分叉的情況，孔內(nèi)壁非常粗糙，因此在實(shí)際使用中HF酸濃度不宜過(guò)高.

參考文獻(xiàn)

[1]靳瑞敏.太陽(yáng)能電池原理與應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社,2011：31-32．

[2]L. Wang, A. Nichelatti, H. Schellevis, C. de Boer, C. Visser, T.N. Nguyen, P.M. Sarro. “High Aspect Ratio through-Wafer Interconnections for 3D-Microsystems”[C]. Proc. 16th IEEE International MEMS conference, January 19-23, 2003, Kyoto, Japan,634-637.

[3]M. Christophersen, J. Carstensen, H. F?ll, “Pore Formation Mechanisms for the Si-HF System”[J].Mat. Sci. Eng. 2000,B23, 69-70.

[4]Cho I H, Kim D H, Noha D Y. X-ray photochemical wet etching of n-Si (100) in hydrofluoric solution[J]. Applied Physics Letters, 2006,89(5)：4104-4106.

[5]張楠生.電化學(xué)腐蝕法制備多孔硅與太陽(yáng)能電池減反射層及其性質(zhì)的研究[D].上海：上海大學(xué)，2009.

[責(zé)任編輯：周峰巖]