基于臺階刻蝕工藝的GaInP/GaAs/Ge太陽電池激光劃片研究

許 軍，鐵劍銳，孫希鵬，康洪波

(1.天津恒電空間電源有限公司，天津 300384；2.河北建筑工程學院信息工程學院，河北張家口 075000)

金剛石砂輪劃片設備，通過轉速10 000～50 000 r/min 的金剛石砂輪刀片可以將固定在四軸驅動系統吸盤上的晶圓快速切削，同時用冷卻液沖洗降溫以帶走切削過程中產生的粉塵[1]，廣泛應用于半導體晶圓的切割領域。該工藝也暴露出一些問題：(1)載臺吸盤上微小的顆粒物容易造成晶圓碎片；(2)每次切割對準需要機械平臺參與，時間較長；(3)金剛石砂輪只能進行全程直線切割而不可短距離線段切割，一個程序切割方向數量有限，復雜圖形的產品切割需要多次對準，如圖1 為某種尺寸的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池，整個晶圓需要切出5 片與藍色電池相同的電池，由于金剛石砂輪劃片不能切割任意線段，這個圖形需要兩次對準進行切割；(4)劃片刀造成半導體切割面機械缺陷，影響產品的性能，見圖2。

圖1 某種尺寸的GaInP/GaAs/Ge太陽電池

圖2 金剛石砂輪劃切GaInP/GaAs/Ge太陽電池邊緣輪廓顯微鏡圖

激光劃片工藝，通過高功率激光束輻照到晶圓表面，半導體材料迅速氣化蒸發或升華，完成晶圓切割，該技術的優點在于：(1)晶圓與載臺吸盤間壓力很小，不會因顆粒物造成晶圓壓力損傷；(2)允許線段切割、曲線切割、任意方向切割等多種切割方式；(3)不需頻繁更換刀具、無冷卻液參與，效率更高[2]。此外，激光切割還具有半切、背切、隱形切割等功能，激光切割技術已在半導體晶圓切割領域得到了廣泛的應用。

GaInP/GaAs/Ge 太陽電池是一種批產可以達到32%的空間用三結太陽電池，采用外延生長工藝在Ge 襯底上沉積Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體有源層，有源層含有子電池、隧道二極管、窗口層等復雜的結構，有的還含有多層分布式布拉格反射器(DBR)[3]，總的厚度一般不到10 μm，砂輪切割面存在如圖2 所示的缺陷，但后續經過不同的化學試劑處理劃切界面，可以將切割面做得比較光滑，降低表面復合，從而獲得較好的電性能結果。采用激光切割空間用三結砷化鎵太陽電池已經被證實可行，仇恒抗等[4]研究了激光切割功率與切割槽深度的關系、脈沖頻率與切割寬度的關系、切割速度對切割寬度的影響等；類似的，李海鷗等[5]對532 nm 平頂激光在硅晶圓開槽工藝中，離焦量、激光能量、劃片速度、保護膜等因素對切割槽的影響也進行了深入的研究。本文通過臺階刻蝕工藝制作切割槽，然后通過激光切割襯底工藝實現電池片的分離，實現了與金剛石砂輪劃片同等效果，該技術可應用于批產劃片工藝。

1 臺階刻蝕

GaInP/GaAs/Ge 太陽電池有源層采用外延生長技術形成，外延結構一般含有幾十層不同材質及厚度的超薄外延層，金剛石縱向直切外延層會形成大量的少子復合中心[6]，造成電性能下降。采用光刻技術制備圖形，然后通過邊緣濕法刻蝕工藝在電池的邊緣形成外延層與襯底之間的臺階，該工藝即為“臺階刻蝕”工藝。通過臺階刻蝕工藝制作電池劃切槽(圖3)，濕法刻蝕形成的劃切槽側壁更加光滑，降低了界面少子復合中心，已被證明可以提升太陽電池的光電轉換性能[7]。

圖3 濕法臺階刻蝕GaInP/GaInAs/Ge太陽電池劃片槽示意圖

2 激光直接劃片實驗(無臺階刻蝕)

GaInP/GaAs/Ge 太陽電池晶圓切割一般采用金剛石砂輪切割，經濕法化學腐蝕處理切割界面，可以獲得較好的電性能。如果采用激光直接切割，高能量的激光會使半導體表面材料迅速氣化蒸發，達到切割目的；然而半導體吸收高能量激光氣化的同時，不同導電類型的半導體瞬時熔化并互相擴散至對方，會導致PN 結局部短路或微短路，電池的性能因此大幅下降。表1、表2 分別為紅外納秒激光、紫外皮秒激光直接切割與金剛石砂輪切割電池性能對比，由表中數據對比可以看到：(1)激光直接切割會造成GaInP/GaAs/Ge 太陽電池性能大幅下降；(2)在直接切割的方式下，紫外皮秒優于紅外納秒激光，這是因為紫外皮秒激光光子能量高，局部熱效應強，較高的頻率降低了激光切割位置向周圍的傳熱，半導體分子迅速氣化，間歇冷卻頻率增加，熱效應負面影響相對減弱；但紅外納秒激光相反，強烈的熱效應擴散導致短路現象比較明顯。圖4 為納秒激光直接切割電池側截面顯微鏡圖，可以看到激光燒蝕不同種類、不同導電類型半導體材料又冷卻凝固后的交互粘連狀態，我們已經無法分清楚材料的種類及導電類型，揭示了不同導電類型材料交疊引發短路的原因。

表1 紅外納秒激光直切與金剛石砂輪劃片性能對比(面積10.48 cm2)

表2 紫外皮秒激光直切與金剛石砂輪劃片性能對比(面積12.25 cm2)

圖4 納秒激光直接切割GaInP/GaAs/Ge太陽電池側截面顯微鏡圖

通過臺階刻蝕工藝將GaInP/GaAs/Ge 太陽電池的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體有源層(即子電池、隧道二極管、窗口層、BDR等結構)刻蝕掉，制備切割槽，再采用不同的激光劃片(圖5)，激光切割的半導體不涉及有源層部分，僅對襯底基材進行快速氣化切割，可以實現快速、靈活、性能無損耗切割。該工藝方法需要注意的是：激光光斑直徑必須小于劃片槽的寬度，以避免熱效應影響。

圖5 基于臺階刻蝕的GaInP/GaAs/Ge太陽電池切割槽

3 基于臺階刻蝕的激光劃片實驗

首先通過濕法臺階刻蝕技術制作了帶有劃片槽的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池，然后分別采用納秒355 nm 波長、皮秒355 nm 波長、皮秒1 080 nm 波長的激光分別切割電池晶圓片，對比不同激光的切割面，測試各類激光切割電池的性能，并與金剛石砂輪劃切的電池片性能對比，我們發現：經過臺階刻蝕形成切割槽的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池晶圓片，不同波長、不同頻率的激光劃片均可以獲得與金剛石砂輪劃切性能相當的電池片；皮秒激光劃切的切割面更加光滑；切割槽的寬度隨著激光頻率的增加而減小。

圖6 分別為波長355 nm 納秒激光、波長355 nm 皮秒激光、波長1 080 nm 皮秒激光切割GaInP/GaAs/Ge 太陽電池截面的顯微鏡圖，顯微鏡下明顯看出納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寬，這是由于激光脈沖作用時間較長，單點接收的能量較多，造成該點燒蝕孔徑更大，因此皮秒激光切割電池截面更加光滑。

圖6 基于臺階刻蝕的不同波長激光切割GaInP/GaAs/Ge太陽電池側截面

采用不同頻率的355 nm 納秒激光沿著濕法刻蝕臺階工藝形成的切割槽切割，使用萊卡4000 型顯微鏡對切割槽寬度進行測量(圖7)，并將切割槽寬度與激光頻率的關系繪制成折線圖(圖8)，可以看到槽寬隨著頻率的增高而逐漸降低。從圖7我們看到切割槽周圍還存在一定寬度的燒蝕熱影響區域，這是半導體材料受到高能量激光輻射后熔化但沒有氣化而與本體材料粘連部分，或者氣化后的煙塵冷卻后又附著在劃切槽邊緣，這種熱效應區域同樣表現為頻率越高、影響區域越小。

圖7 不同頻率下切割槽寬度顯微鏡圖

圖8 激光切割槽寬度隨頻率變化關系

將不同條件激光切割電池片進行電性能測試，如表3 所示，采用臺階刻蝕工藝制備劃切槽后不同波長(355、1 080 nm)激光，不同脈沖寬度(皮秒、納秒)切割GaInP/GaAs/Ge 太陽電池與傳統的金剛石砂輪劃片工藝對比，電池的電性能基本相近，這說明臺階刻蝕將電池的Ⅲ-Ⅴ族化合物有源層去掉，避免了激光燒蝕Ⅲ-Ⅴ族有源層中各種導電類型的材料互熔冷卻后粘連造成短路或微短路問題，盡管激光劃切有源層下的Ge 襯底也會互熔冷卻粘連，但由于激光劃切的是導電類型相同的基區材料，并不會出現短路問題，因而得到了較好的電性能結果。

表3 基于臺階刻蝕激光劃片電池性能與金剛石砂輪劃片對比(面積3.57 cm2)

由圖9，當入射激光束腰至透鏡距離l遠大于焦距F，激光通過透鏡后光斑半徑為：

圖9 激光經透鏡聚焦光路

式中：w(l)為入射至透鏡的高斯光束光斑半徑；λ 為入射激光波長。

從公式(1)可以看到，激光波長越短、入射光斑半徑越大，聚焦光斑越小[2,8]。

4 結論

基于臺階刻蝕工藝的GaInP/GaAs/Ge 太陽電池激光劃片工藝，可以避免激光切割過程中出現不同導電類型半導體因燒蝕熔化而出現的互熔現象，進而避免互熔引發的短路和微短路問題，該工藝技術與金剛石砂輪劃片工藝相比，具有快速、靈活、性能無損的特點，因此該工藝技術有望在GaInP/GaAs/Ge 太陽電池生產制造中得到推廣應用。在激光劃片研究過程中，研究了切割槽寬度與激光波長和脈沖頻率的關系，要獲得較窄的劃切槽寬度，波長更短和脈沖頻率較高的激光是更好的選擇。