淺談晶硅電池刻蝕去PSG 工序過(guò)刻情況

王進(jìn)財(cái)

（黃河水電西寧太陽(yáng)能電力有限公司，青海 西寧 810000）

隨著常規(guī)能源日漸短缺，全世界對(duì)新能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)日漸加強(qiáng)，光伏發(fā)電技術(shù)更是有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。光伏發(fā)電技術(shù)百花齊放，晶硅太陽(yáng)能電池處于主導(dǎo)地位，其工藝過(guò)程通常包括制絨、擴(kuò)散、刻蝕、PECVD、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、分選等。在電池片的制備過(guò)程中，因設(shè)備、環(huán)境、工藝、人員等因素的影響，產(chǎn)品總會(huì)出現(xiàn)各種缺陷異常，嚴(yán)重影響電池片成品質(zhì)量。本文中對(duì)刻蝕及去PSG 工序中的過(guò)刻現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1 刻蝕及去PSG 技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 刻蝕目的

在擴(kuò)散工序中，理想的P-N 結(jié)只出現(xiàn)在硅片正面，但是擴(kuò)散爐中硅片采用的是背靠背的擴(kuò)散方式，硅片的所有表面（包括邊緣）都將不可避免地?cái)U(kuò)散上磷。P-N 結(jié)的正面收集到的光生電子會(huì)沿著邊緣擴(kuò)散有磷的區(qū)域流到P-N 結(jié)背面，造成短路，此短路通道等效于降低并聯(lián)電阻。經(jīng)過(guò)刻蝕工序，硅片邊緣帶有的磷將會(huì)被去除干凈，避免P-N 結(jié)短路造成并聯(lián)電阻降低（圖1）。

圖1

1.2 去PSG 目的

由于擴(kuò)散過(guò)程中氧氣的通入，硅片表面將形成一層SiO2，在高溫下POCl3與O2形成P2O5，部分P 原子進(jìn)入Si取代部分晶格上的Si 原子形成N 型半導(dǎo)體，部分則留在了SiO2中形成了PSG 磷硅玻璃。磷硅玻璃的存在將會(huì)影響電池片的轉(zhuǎn)化效率和外觀。

圖2

1.3 刻蝕及去PSG 原理

工藝流程：上料→鍍水膜→蝕刻槽（HNO3HF）→水洗→堿槽(KOH)→水洗→酸槽（HF）→水洗→烘干→下料

刻蝕槽HNO3和HF 的混合液體會(huì)對(duì)擴(kuò)散后硅片的下表面及邊緣進(jìn)行腐蝕，以去除邊緣的N 型硅，打破硅片表面短路通路。

反應(yīng)方程式：3Si+4HNO3+18HF=3H2[SiF6]+4NO2+8H2O

去PSG 磷硅玻璃的原理方程式：

SiO2+4HF=SiF4+2H2O

SiF4+2HF=H2[SiF6]

SiO2+6HF=H2[SiF6]+2H2O

1.4 刻蝕設(shè)備

企業(yè)中常用的濕法刻蝕設(shè)備有RENA 刻蝕機(jī)和SCHMID 刻蝕機(jī)（圖3）。

兩種設(shè)備工作原理基本一致，都屬于鏈?zhǔn)綕穹涛g設(shè)備，由滾輪對(duì)硅片進(jìn)行運(yùn)輸，在槽體內(nèi)進(jìn)行工藝過(guò)程，流程如圖4。

兩者的不同在于，RENA 刻蝕槽內(nèi)采用的是水上漂的方式，而SCHMID 刻蝕槽內(nèi)采用的是滾輪帶液的方式。

由于滾輪帶液的刻蝕方式會(huì)使硅片前后刻蝕不均勻，為達(dá)到工藝要求，部分企業(yè)將SCHMID 設(shè)備刻蝕槽改造為水上漂模式，這使得硅片過(guò)刻比例也有所提高。本文中主要分析水上漂模式下的過(guò)刻。

圖3

圖4

圖5

圖6

2 過(guò)刻

2.1 過(guò)刻的定義

過(guò)刻，也叫多刻，是指在刻蝕過(guò)程中刻蝕線超出范圍（一般為15mm,以不超過(guò)絲印印刷柵線為準(zhǔn)）所產(chǎn)生的一種返工類型。過(guò)刻會(huì)影響電池片的電性能及電池片外觀，生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控過(guò)刻。

2.2 過(guò)刻原因分析

擴(kuò)散后的硅片表面形成了一層磷硅玻璃，其親水性很強(qiáng)，刻蝕槽內(nèi)溶液在毛細(xì)作用下爬到硅片的側(cè)面甚至正面，形成過(guò)刻。

圖7

（1）水膜異常。在進(jìn)入刻蝕槽之前，通常會(huì)在硅片的上表面即擴(kuò)散面鍍一層水膜來(lái)隔離擴(kuò)散面與刻蝕液，在鍍水膜時(shí)需要控制好噴水口電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，時(shí)間太短水量太少無(wú)法覆蓋整個(gè)硅片表面，時(shí)間太長(zhǎng)水量太大容易破壞水膜表面張力，硅片上的水在傳送過(guò)程中流入槽內(nèi)，水膜不完全，藥液進(jìn)入硅片上表面形成過(guò)刻。

（2）滾輪不水平。刻蝕機(jī)內(nèi)通常通過(guò)滾輪來(lái)傳送硅片，當(dāng)滾輪不平時(shí)，硅片會(huì)發(fā)生傾斜，一端浸入刻蝕液中，腐蝕擴(kuò)散面，產(chǎn)生過(guò)刻，此時(shí)應(yīng)當(dāng)調(diào)整滾輪水平，通常使用水準(zhǔn)儀來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖8

圖9

（3）循環(huán)泵流量。刻蝕機(jī)的藥液是由循環(huán)泵將tank 內(nèi)的藥液打到刻蝕槽內(nèi)，再由管道流入tank，形成循環(huán)過(guò)程，當(dāng)進(jìn)入刻蝕槽的藥液流量過(guò)大時(shí)，刻蝕槽內(nèi)液位升高，藥液入口處液面波動(dòng)劇烈，藥液浸入硅片上表面，產(chǎn)生過(guò)刻。而循環(huán)泵流量較小時(shí)，循環(huán)管路無(wú)法充滿，在刻蝕槽藥液入口處會(huì)形成氣泡，產(chǎn)生過(guò)刻。此時(shí)，需要調(diào)整刻蝕槽進(jìn)液管路上的手動(dòng)閥和循環(huán)泵的頻率，使液面平穩(wěn)。

（4）排風(fēng)量。排風(fēng)也是引起過(guò)刻的一個(gè)重要原因。當(dāng)排風(fēng)過(guò)大時(shí)，刻蝕槽內(nèi)空氣流動(dòng)劇烈會(huì)影響刻蝕液液面水平或破壞水膜，形成過(guò)刻。當(dāng)風(fēng)量過(guò)小時(shí)，槽內(nèi)HNO3 和HF 揮發(fā)的酸性氣體無(wú)法及時(shí)排出，溶入水膜或者是在槽體頂部形成酸液，滴落在硅片表面，形成過(guò)刻。

（5）藥液濃度。當(dāng)刻蝕槽內(nèi)藥液濃度或者藥液配比出現(xiàn)異常時(shí)也會(huì)出現(xiàn)過(guò)刻。在刻蝕槽內(nèi)，溶液因表面張力及藥液循環(huán)會(huì)高于槽體擋板及滾輪。溶液濃度異常會(huì)改變?nèi)芤焊×氨砻鎻埩Γ×档蜁?huì)使硅片浸入藥液，產(chǎn)生過(guò)刻；表面張力過(guò)大，溶液相對(duì)于擋板及滾輪的液面將會(huì)增高，也會(huì)產(chǎn)生過(guò)刻。此時(shí)，需檢查操作界面化學(xué)品計(jì)量盒開(kāi)關(guān)是否正常打開(kāi)，自動(dòng)補(bǔ)液管路閥門是否正常。

圖10

（6）刻蝕槽溫度。刻蝕槽溫度過(guò)高會(huì)使藥液反應(yīng)速度加快，形成過(guò)刻，此時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定工藝溫度。

（7）其他。生產(chǎn)過(guò)程中硅片運(yùn)輸速度、片間距等因素也有可能引起過(guò)刻，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

晶硅電池制備過(guò)程中有許多異常會(huì)造成產(chǎn)返工及影響電池成品質(zhì)量，本文僅對(duì)濕法刻蝕過(guò)程中常見(jiàn)的過(guò)刻現(xiàn)象進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，生產(chǎn)過(guò)程中引起異常的原因還有很多，需要相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)具體現(xiàn)象綜合多方面因素進(jìn)行分析，從根本上解決異常情況，確保產(chǎn)品質(zhì)量。