基于台阶刻蚀工艺的GaInP/GaAs/Ge太阳电池激光划片研究

许 军，铁剑锐，孙希鹏，康洪波

(1.天津恒电空间电源有限公司，天津 300384；2.河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口 075000)

金刚石砂轮划片设备，通过转速10 000～50 000 r/min 的金刚石砂轮刀片可以将固定在四轴驱动系统吸盘上的晶圆快速切削，同时用冷却液冲洗降温以带走切削过程中产生的粉尘[1]，广泛应用于半导体晶圆的切割领域。该工艺也暴露出一些问题：(1)载台吸盘上微小的颗粒物容易造成晶圆碎片；(2)每次切割对准需要机械平台参与，时间较长；(3)金刚石砂轮只能进行全程直线切割而不可短距离线段切割，一个程序切割方向数量有限，复杂图形的产品切割需要多次对准，如图1 为某种尺寸的GaInP/GaAs/Ge 太阳电池，整个晶圆需要切出5 片与蓝色电池相同的电池，由于金刚石砂轮划片不能切割任意线段，这个图形需要两次对准进行切割；(4)划片刀造成半导体切割面机械缺陷，影响产品的性能，见图2。

图1 某种尺寸的GaInP/GaAs/Ge太阳电池

图2 金刚石砂轮划切GaInP/GaAs/Ge太阳电池边缘轮廓显微镜图

激光划片工艺，通过高功率激光束辐照到晶圆表面，半导体材料迅速气化蒸发或升华，完成晶圆切割，该技术的优点在于：(1)晶圆与载台吸盘间压力很小，不会因颗粒物造成晶圆压力损伤；(2)允许线段切割、曲线切割、任意方向切割等多种切割方式；(3)不需频繁更换刀具、无冷却液参与，效率更高[2]。此外，激光切割还具有半切、背切、隐形切割等功能，激光切割技术已在半导体晶圆切割领域得到了广泛的应用。

GaInP/GaAs/Ge 太阳电池是一种批产可以达到32%的空间用三结太阳电池，采用外延生长工艺在Ge 衬底上沉积Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体有源层，有源层含有子电池、隧道二极管、窗口层等复杂的结构，有的还含有多层分布式布拉格反射器(DBR)[3]，总的厚度一般不到10 μm，砂轮切割面存在如图2 所示的缺陷，但后续经过不同的化学试剂处理划切界面，可以将切割面做得比较光滑，降低表面复合，从而获得较好的电性能结果。采用激光切割空间用三结砷化镓太阳电池已经被证实可行，仇恒抗等[4]研究了激光切割功率与切割槽深度的关系、脉冲频率与切割宽度的关系、切割速度对切割宽度的影响等；类似的，李海鸥等[5]对532 nm 平顶激光在硅晶圆开槽工艺中，离焦量、激光能量、划片速度、保护膜等因素对切割槽的影响也进行了深入的研究。本文通过台阶刻蚀工艺制作切割槽，然后通过激光切割衬底工艺实现电池片的分离，实现了与金刚石砂轮划片同等效果，该技术可应用于批产划片工艺。

1 台阶刻蚀

GaInP/GaAs/Ge 太阳电池有源层采用外延生长技术形成，外延结构一般含有几十层不同材质及厚度的超薄外延层，金刚石纵向直切外延层会形成大量的少子复合中心[6]，造成电性能下降。采用光刻技术制备图形，然后通过边缘湿法刻蚀工艺在电池的边缘形成外延层与衬底之间的台阶，该工艺即为“台阶刻蚀”工艺。通过台阶刻蚀工艺制作电池划切槽(图3)，湿法刻蚀形成的划切槽侧壁更加光滑，降低了界面少子复合中心，已被证明可以提升太阳电池的光电转换性能[7]。

图3 湿法台阶刻蚀GaInP/GaInAs/Ge太阳电池划片槽示意图

2 激光直接划片实验(无台阶刻蚀)

GaInP/GaAs/Ge 太阳电池晶圆切割一般采用金刚石砂轮切割，经湿法化学腐蚀处理切割界面，可以获得较好的电性能。如果采用激光直接切割，高能量的激光会使半导体表面材料迅速气化蒸发，达到切割目的；然而半导体吸收高能量激光气化的同时，不同导电类型的半导体瞬时熔化并互相扩散至对方，会导致PN 结局部短路或微短路，电池的性能因此大幅下降。表1、表2 分别为红外纳秒激光、紫外皮秒激光直接切割与金刚石砂轮切割电池性能对比，由表中数据对比可以看到：(1)激光直接切割会造成GaInP/GaAs/Ge 太阳电池性能大幅下降；(2)在直接切割的方式下，紫外皮秒优于红外纳秒激光，这是因为紫外皮秒激光光子能量高，局部热效应强，较高的频率降低了激光切割位置向周围的传热，半导体分子迅速气化，间歇冷却频率增加，热效应负面影响相对减弱；但红外纳秒激光相反，强烈的热效应扩散导致短路现象比较明显。图4 为纳秒激光直接切割电池侧截面显微镜图，可以看到激光烧蚀不同种类、不同导电类型半导体材料又冷却凝固后的交互粘连状态，我们已经无法分清楚材料的种类及导电类型，揭示了不同导电类型材料交叠引发短路的原因。

表1 红外纳秒激光直切与金刚石砂轮划片性能对比(面积10.48 cm2)

表2 紫外皮秒激光直切与金刚石砂轮划片性能对比(面积12.25 cm2)

图4 纳秒激光直接切割GaInP/GaAs/Ge太阳电池侧截面显微镜图

通过台阶刻蚀工艺将GaInP/GaAs/Ge 太阳电池的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体有源层(即子电池、隧道二极管、窗口层、BDR等结构)刻蚀掉，制备切割槽，再采用不同的激光划片(图5)，激光切割的半导体不涉及有源层部分，仅对衬底基材进行快速气化切割，可以实现快速、灵活、性能无损耗切割。该工艺方法需要注意的是：激光光斑直径必须小于划片槽的宽度，以避免热效应影响。

图5 基于台阶刻蚀的GaInP/GaAs/Ge太阳电池切割槽

3 基于台阶刻蚀的激光划片实验

首先通过湿法台阶刻蚀技术制作了带有划片槽的GaInP/GaAs/Ge 太阳电池，然后分别采用纳秒355 nm 波长、皮秒355 nm 波长、皮秒1 080 nm 波长的激光分别切割电池晶圆片，对比不同激光的切割面，测试各类激光切割电池的性能，并与金刚石砂轮划切的电池片性能对比，我们发现：经过台阶刻蚀形成切割槽的GaInP/GaAs/Ge 太阳电池晶圆片，不同波长、不同频率的激光划片均可以获得与金刚石砂轮划切性能相当的电池片；皮秒激光划切的切割面更加光滑；切割槽的宽度随着激光频率的增加而减小。

图6 分别为波长355 nm 纳秒激光、波长355 nm 皮秒激光、波长1 080 nm 皮秒激光切割GaInP/GaAs/Ge 太阳电池截面的显微镜图，显微镜下明显看出纳秒激光切割方式在截面上留下的凹痕比皮秒激光切割留下的凹痕更宽，这是由于激光脉冲作用时间较长，单点接收的能量较多，造成该点烧蚀孔径更大，因此皮秒激光切割电池截面更加光滑。

图6 基于台阶刻蚀的不同波长激光切割GaInP/GaAs/Ge太阳电池侧截面

采用不同频率的355 nm 纳秒激光沿着湿法刻蚀台阶工艺形成的切割槽切割，使用莱卡4000 型显微镜对切割槽宽度进行测量(图7)，并将切割槽宽度与激光频率的关系绘制成折线图(图8)，可以看到槽宽随着频率的增高而逐渐降低。从图7我们看到切割槽周围还存在一定宽度的烧蚀热影响区域，这是半导体材料受到高能量激光辐射后熔化但没有气化而与本体材料粘连部分，或者气化后的烟尘冷却后又附着在划切槽边缘，这种热效应区域同样表现为频率越高、影响区域越小。

图7 不同频率下切割槽宽度显微镜图

图8 激光切割槽宽度随频率变化关系

将不同条件激光切割电池片进行电性能测试，如表3 所示，采用台阶刻蚀工艺制备划切槽后不同波长(355、1 080 nm)激光，不同脉冲宽度(皮秒、纳秒)切割GaInP/GaAs/Ge 太阳电池与传统的金刚石砂轮划片工艺对比，电池的电性能基本相近，这说明台阶刻蚀将电池的Ⅲ-Ⅴ族化合物有源层去掉，避免了激光烧蚀Ⅲ-Ⅴ族有源层中各种导电类型的材料互熔冷却后粘连造成短路或微短路问题，尽管激光划切有源层下的Ge 衬底也会互熔冷却粘连，但由于激光划切的是导电类型相同的基区材料，并不会出现短路问题，因而得到了较好的电性能结果。

表3 基于台阶刻蚀激光划片电池性能与金刚石砂轮划片对比(面积3.57 cm2)

由图9，当入射激光束腰至透镜距离l远大于焦距F，激光通过透镜后光斑半径为：

图9 激光经透镜聚焦光路

式中：w(l)为入射至透镜的高斯光束光斑半径；λ 为入射激光波长。

从公式(1)可以看到，激光波长越短、入射光斑半径越大，聚焦光斑越小[2,8]。

4 结论

基于台阶刻蚀工艺的GaInP/GaAs/Ge 太阳电池激光划片工艺，可以避免激光切割过程中出现不同导电类型半导体因烧蚀熔化而出现的互熔现象，进而避免互熔引发的短路和微短路问题，该工艺技术与金刚石砂轮划片工艺相比，具有快速、灵活、性能无损的特点，因此该工艺技术有望在GaInP/GaAs/Ge 太阳电池生产制造中得到推广应用。在激光划片研究过程中，研究了切割槽宽度与激光波长和脉冲频率的关系，要获得较窄的划切槽宽度，波长更短和脉冲频率较高的激光是更好的选择。