Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用，该腐蚀液中各组成成份的重量百分比为：4％-8％重铬酸钾、18％-51％浓盐酸、36％-66％磷酸、8％-9％去离子水，通过该腐蚀液可实现以GaAs体系、InP体系、Ⅲ-Ⅴ族所组合而成的单质、二元、三元、四元等为代表多元化合物材料的非选择性湿法腐蚀，同时也可实现对Ge衬底、Au/Ag/AuGeNi等金属材料的非选择性湿法腐蚀，该腐蚀配方不受外延参杂浓度的影响。本发明所述腐蚀液只需一道光刻保护即可完成，腐蚀偏差可控制在±4％以内，优于同类干法刻蚀工艺，且工艺简单、稳定、易行、物料成本低，适用于工业生产和实验室使用。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域所使用的化学腐蚀液，尤其是指一种Ⅲ-Ⅴ半导 体材料非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用。

背景技术

随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为 理想的可再生能源受到了越来越多国家的重视，开展太阳能电池研究、发展光 伏发电产业对国家能源的可持续发展具有非常重要的意义。太阳能电池面临的 主要问题为光电转换效率较低，性价比不高，不能满足大规模民用的需求。目 前，商用单晶硅电池的转化效率约为16％-20％，多晶硅电池约为14％-16％；Ge衬 底上外延生长晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池500倍聚光下转化效 率超过41％，远高于晶硅电池，且具有进一步提升空间。

在GaAs太阳能电池中，包含了多层外延结构，这在多结GaAs系太阳能电池 中表现更为突出，对于这类材料的湿法腐蚀，极易受到外延参杂浓度的影响， 现阶段极少看到对于该体系材料非选择湿法腐蚀的报道，相关报道大多针对某 层材料的选择性腐蚀展开，通过查阅文献可以发现在过去的研究中实现对GaAs 体系材料台面湿法腐蚀的方法主要有如下几种：

1)采用以H₃PO₄-H₂O₂为代表的腐蚀液实现对GaAs体系材料的湿法腐蚀；

2)采用以HCl-H₂O₂为代表的腐蚀液实现对InP体系的湿法腐蚀；

3)将上面步骤1)、2)的两种方法相结合，实现对GaAs、InP体系的台面 湿法腐蚀。

上述三种方法都存在一些不利的因素，如下：

1)第一种方法往往在腐蚀表层GaAs系材料时腐蚀效果尚可，但如果GaAs 层位于外延材料的中间过渡层，各层材料的侧蚀情况变得不可控，同时腐蚀剖 面变得参差不齐，使得侧壁保护无法实现，从而增加太阳能电池芯片的并联电 阻，影响最终电性参数；

2)第二种方法对于单层InP体系的腐蚀效果极好，但对于沟槽内InP材料 的腐蚀，会产生大量未腐蚀干净的彩色，主要原因是HCl-H₂O₂体系本身是一种不 稳定体系，随着溶液放置时间的增加，H₂O₂会挥发出O₂，使溶质浓度降低，反应 极不可控；

3)第三种方法由于涉及多步光刻保护，随着外延层层数的增加，对光刻胶 的物料成本提出了巨大挑战，因此，不适合于工业生产，多数用于实验室研究 中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种Ⅲ-Ⅴ半导体材料 非选择性湿法腐蚀液及制备方法与应用，该腐蚀液可实现GaAs、单结、多结等 太阳能电池的一次性台面腐蚀，溶液配制的使用简单，同时具有良好的工艺稳 定性、重复性和安全性，对太阳能电池无损伤。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液，该腐蚀液中各组成成份的重量百分 比为：4％-8％重铬酸钾、18％-51％浓盐酸、36％-66％磷酸、8％-9％去离子水，通过 该腐蚀液可实现以GaAs体系、InP体系、Ⅲ-Ⅴ族所组合而成的单质、二元、三 元、四元等为代表多元化合物材料的非选择性湿法腐蚀，同时也可实现对Ge衬 底、Au/Ag/AuGeNi等金属材料的非选择性湿法腐蚀，该腐蚀配方不受外延参杂 浓度的影响。

所述Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液的制备方法，包括以下步骤：

1)先将重铬酸钾充分溶解于浓盐酸中；

2)当重铬酸钾与浓盐酸混合后，再加入磷酸作为增强剂；

3)当重铬酸钾、浓盐酸、磷酸混合均匀后，再加入去离子水作为缓冲剂， 混合后将溶液密封并静置，即可得到所需的腐蚀液。

本发明所述的Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液主要用于对砷化镓太 阳能电池台面进行非选择性湿法腐蚀。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

提供一种对GaAs太阳能电池台面进行非选择性湿法腐蚀的化学腐蚀液，只 需一道光刻保护即可完成，腐蚀偏差可控制在±4％以内，优于同类干法刻蚀工 艺，且工艺简单、稳定、易行、物料成本低，适用于工业生产和实验室使用。

附图说明

图1为实施例1中GaAs三结太阳能电池结构图。

图2为实施例1中单结GaAs太阳能电池台面腐蚀3mins后的线宽图。

图3为实施例1中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的线宽图。

图4为实施例1中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的剖面图。

图5为实施例2中单结GaAs太阳能电池台面腐蚀3mins后的线宽图。

图6为实施例2中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的线宽图。

图7为实施例2中三结GaAs太阳能电池台面腐蚀4mins后的剖面图。

具体实施方式

下面结合两个具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述的Ⅲ-Ⅴ半导体材料非选择性湿法腐蚀液，其组成成份的重量百 分比为：4％-8％重铬酸钾、18％-51％浓盐酸、36％-66％磷酸、8％-9％去离子水，通 过该腐蚀液可实现以GaAs体系、InP体系、Ⅲ-Ⅴ族所组合而成的单质、二元、 三元、四元等为代表多元化合物材料的非选择性湿法腐蚀，同时也可实现对Ge 衬底、Au/Ag/AuGeNi等金属材料的非选择性湿法腐蚀，该腐蚀配方不受外延参 杂浓度的影响。典型的三结GaAs太阳能电池结构如图1所示。

下面我们以单结、三结GaAs太阳能电池为腐蚀对象，对本发明作详细说明， 其具体情况如下：

1、腐蚀前期准备

1.1)将单结、三结GaAs太阳能电池外延片用丙酮、HCl溶液去除表面的 有机和无机玷污；

1.2)上述外延片在快排冲洗槽中冲水，去除清洗残留，直至水阻值达10M Ω以上；

1.3)将冲洗后的外延片在甩干机中甩干，除去残留水渍；

1.4)将洗净后的外延片依次经过黄光匀胶、光刻、显影、烘烤等工艺，采 用光刻胶在待腐蚀的外延层表面形成台面图案；

1.5)将上述已做好光刻图案的外延片背面涂一层光刻胶，以防止腐蚀液对 背面Ge的腐蚀；

1.6)将涂好背面光刻胶的外延片在烘箱中100℃烘烤10min，取出即可。

2、腐蚀过程

2.1)腐蚀液的配制：

2.1.1)取重量百分比为4％重铬酸钾固体，并使其充分溶解于重量百分比为 51％浓盐酸中；

2.1.2)当重铬酸钾与浓盐酸混合后，再加入重量百分比为36％磷酸作为增 强剂；

2.1.3)当重铬酸钾、浓盐酸、磷酸混合并搅拌均匀后，再加入重量百分比 为9％去离子水作为缓冲剂，混合后将溶液密封(以减小或防止化学试剂的挥发) 并静置0.5小时，即可得到所需的腐蚀液；

2.2)将准备好的单结、三结GaAs太阳能电池外延片分别标号1#、2#，然 后再分别放入上述制得的腐蚀液中进行湿法腐蚀；

2.3)腐蚀全过程均在室温下(25℃)进行，其中单结腐蚀时间3mins，三 结腐蚀时间4mins；

2.4)腐蚀结束后，将上述外延片取出，放入快排冲洗槽中冲水，至水阻值 值达10MΩ后取出；

2.5)将冲水后的外延片依次经丙酮、去胶液、冲水、甩干后取出表面光刻 胶，即可完成腐蚀。

3、观察腐蚀效果

用台阶仪测量腐蚀深度，在金相显微镜下观察腐蚀效果，其中，1#腐蚀线 宽如图2所示，2#腐蚀线宽和腐蚀剖面如图3和图4所示。

实施例2

同样以单结、三结GaAs太阳能电池为腐蚀对象，其具体情况如下：

1、腐蚀前期准备

1.1)将单结、三结GaAs太阳能电池外延片用丙酮、HCl溶液去除表面的 有机和无机玷污；

1.2)上述外延片在快排冲洗槽中冲水，去除清洗残留，直至水阻值达10M Ω以上；

1.3)将冲洗后的外延片在甩干机中甩干，除去残留水渍；

1.4)将洗净后的外延片依次经过黄光匀胶、光刻、显影、烘烤等工艺，采 用光刻胶在待腐蚀的外延层表面形成台面图案；

1.5)将上述已做好光刻图案的外延片背面涂一层光刻胶，以防止腐蚀液对 背面Ge的腐蚀；

1.6)将涂好背面光刻胶的外延片在烘箱中100℃烘烤10min，取出即可。

2、腐蚀过程

2.1)腐蚀液的配制：

2.1.1)取重量百分比为8％重铬酸钾固体，并使其充分溶解于重量百分比为 18％浓盐酸中；

2.1.2)当重铬酸钾与浓盐酸混合后，再加入重量百分比为66％磷酸作为增 强剂；

2.1.3)当重铬酸钾、浓盐酸、磷酸混合并搅拌均匀后，再加入重量百分比 为8％去离子水作为缓冲剂，混合后将溶液密封并静置0.5小时，即可得到所需 的腐蚀液。

2.2)将准备好的单结、三结GaAs太阳能电池外延片分别标号3#、4#，然 后再分别放入上述制得的腐蚀液中进行湿法腐蚀；

2.3)腐蚀全过程均在室温下(25℃)进行，其中单结腐蚀时间3mins，三 结腐蚀时间4mins；

2.4)腐蚀结束后，将上述外延片取出，放入快排冲洗槽中冲水，至水阻值 值达10MΩ后取出；

2.5)将冲水后的外延片依次经丙酮、去胶液、冲水、甩干后取出表面光刻 胶，即可完成腐蚀。

3、观察腐蚀效果

用台阶仪测量腐蚀深度，在金相显微镜下观察腐蚀效果，其中，3#腐蚀线 宽如图5所示，4#腐蚀线宽和腐蚀剖面如图6和图7所示。

综上所述，从金相显微镜下的外观图、台阶仪的测量数据，结合外延光致 荧光分析反应的外延层厚度来看，随着磷酸溶液的增加，腐蚀线宽会逐渐增大， 从而可更好地控制腐蚀沟槽的线宽范围，这样我们通过该腐蚀液可以很好地实 现对单结、多结GaAs体系太阳能电池台面的非选择性湿法腐蚀，腐蚀偏差可以 控制在±4％(同一片直径为4英寸的外延片，腐蚀后在外延片上取上、中、下、 左、右五个点，测量该5个点的腐蚀深度，按照计算公式：(Max–Min)/ (Max+min)×100％，即5个点腐蚀深度最大值与最小值之差除以5个点腐蚀深 度最大值与最小值之和，计算得出的均一性)以内；该腐蚀液安全稳定，工艺 简单，具有很好的重复性，而且还可以实现对Ge PN结的湿法腐蚀，有利于最 后电性参数的改善；此外，只需一道光刻即可完成，从而大大地减少了生产成 本。总之，相比现有技术，本发明优于同类干法刻蚀工艺，且工艺简单、稳定、 易行、物料成本低，适用于工业生产和实验室使用，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实 施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范 围内。