HF浓度对电化学法制备多孔硅结构的影响

HF浓度对电化学法制备多孔硅结构的影响

许亮

(枣庄学院光电工程学院，山东枣庄277160)

[摘要]本文介绍了采用电化学制备多孔硅技术，在固定光强、温度、电流等实验条件下，通过改变电解液中HF酸浓度，测量对比了相应多孔硅的特性，找出HF浓度对电化学法制备多孔硅结构的影响.

[关键词]电化学;多孔硅;HF浓度[收稿日期]2015-08-05

[基金项目]国家自然科学

[作者简介]许亮(1982-),男,山东枣庄人,枣庄学院光电工程学院助教、理学硕士，主要从事半导体器件及工艺的研究.

[中图分类号]TN303 [文献标识码]A

0引言

随着半导体精细加工技术的发展，微型多孔硅结构的制作和使用近年来成为研究的热点，其中电化学制备多孔硅微结构的方法由于成本低廉尤其受到关注.本文通过实验,找出电化学制备微型多孔硅过程中，HF浓度对于多孔硅结构形貌特征的影响.

1多孔硅结构

随着当今社会对于绿色新型能源的需求不断增加，太阳能光伏技术正在得到日益广泛的研究和应用.在太阳能电池组件的制作过程中，为了减小光线的反射提高电池组件转换效率，通常需要引入制绒工序，即将硅基光伏电池板表面制作成绒面，以减小光线的反射，由于微型的多孔硅结构具有极低的光反射率，因此将绒面制作成微型多孔结构成为光伏业界一种极佳的选择.本文所述微型多孔硅为孔径通常在500-5000nm，排列规则的硅基多孔阵列，如图1所示.

图1　多孔硅结构　　　　　　　　　　　图2　实验硬件平台

通常而言，多孔硅阵列的微孔其深径比越大，孔隙率越高，则抗反射效果越好.尽管在保证微孔具有一定深径比的情况下，微孔内壁的光滑度对抗反射效果影响并不明显，但若孔壁过于粗糙导致微孔侧向分叉现象严重，容易造成多孔硅结构的不稳定甚至发生“塌方”.因此理想的多孔硅结构要求高孔隙率和微孔深径比，同时内壁光滑.纳米级的多孔硅结构除可应用与太阳能电池组件的绒面以外，在微型机电系统，量子器件等也有广泛的应用.

2电化学方法制备多孔硅

2.1实验硬件平台

本实验采用的电化学实验平台如图2所示，电解液腐蚀槽采用Teflon材料制作，将待实验硅片置于铝电极上，将电解槽、硅片、铝电极、电解槽底座密封压制，为防止硅片破碎，在硅片上加置一O型密封圈，铝电极的中心开8mm×8mm的方孔以便接收光照以有效激发光生载流子，提高空穴浓度，以尽量优化实验效果[1-3]，光源为电压范围是0～12V，额定功率是100W的卤素灯，其距离硅片底部16cm.采用网状Pt丝作为阴极置于电解液内.电化学方法进行时，腐蚀液内产生的气泡可通过网状阴极逸出，防止在电极下方积累气泡影响腐蚀电流的均匀性.

2.2实验软件平台

软件控制平台为基于Labview开发的电化学软件平台，该软件平台由电脑、接口卡、带计算机控制的低压大功率直流稳压电源(0～25V，200W)和低压直流稳压源(0～25V，50W)、电流及电压采样电路构成；基于其内部编写好的电流电压测量程序，其可以实时监控腐蚀回路中的电流，在与设定的电流值比较之后调整腐蚀电压，从而保持腐蚀电流的稳定.其实物图和操作界面分别如图3(a)、(b)所示.

图3　实验软件平台

2.3实验材料

本实验所用硅片为N型<100>晶向的硅片[4],电阻率为2～5Ω.cm，直径为100±0.4mm，厚为525±15μm，硅片正面已提前进行KOH倒金字塔结构阵列的腐蚀制作，背面已进行砷离子重掺杂，以便形成良好的电性接触.

3实验条件及结果分析

3.1实验条件

本实验电解液的成分为HF：去离子水：乙醇为1：7：8.，其中加入乙醇可以使溶液的表面张力降低，使电化学反应时电解液内产生的氢气更容易逸出，防止其附在硅片表面[5].实验分别对比了当HF酸浓度在2.5%、5%和12%时，多孔硅的微结构形貌.电化学腐蚀回路的电压为4V，电流密度12mA/cm2，腐蚀时间均为1小时.

3.2实验结果及分析

在3.1所述实验条件下，当HF酸浓度分别为2.5%、5%和12%时，所得多孔硅的电镜照片如图3-1(a)、(b)、(c)所示.

图4　HF酸浓度分别为2.5%、5%和12%时多孔硅结构

如图4所示，当氢腐酸浓度浓度的不断增大，多孔硅结构中腐蚀的微孔深度逐渐增加，2.5%浓度是微孔深度约为10μm，5%浓度时约为30μm，至12%时孔深增大到100μm，且孔深增加与浓度增加的比例近似为线性关系；同时孔径则从3μm减小到1μm.因此，为得到较高的微孔深径比，并获得较快的腐蚀速度，可采用HF浓度较高的电解液.但从电镜照片反映出，2.5%氢腐酸的腐蚀样品空内壁最为光滑，较少出现侧向腐蚀分叉的现象，12%样品的孔的侧壁上出现明显分叉的情况，孔内壁非常粗糙，因此在实际使用中HF酸浓度不宜过高.

参考文献

[1]靳瑞敏.太阳能电池原理与应用[M].北京：北京大学出版社,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. Föll, “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]张楠生.电化学腐蚀法制备多孔硅与太阳能电池减反射层及其性质的研究[D].上海：上海大学，2009.

[责任编辑：周峰岩]