层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法技术

本发明专利技术提供一种层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，所述方法包括：1)提供第一硅衬底，刻蚀形成硅柱阵列；2)于所述第一硅衬底及硅柱阵列表面形成实现选择性外延生长的阻挡层；3)形成疏水有机分子膜；4)提供第二硅衬底，于所述第二硅衬底表面制作水凝胶薄膜；5)于所述水凝胶薄膜中溶胀刻蚀液；6)将步骤3)获得的结构倒扣于溶胀过刻蚀液的水凝胶薄膜中，刻蚀去除所述硅柱阵列顶端的所述疏水有机分子膜和阻挡层，暴露出硅柱阵列顶端，形成籽晶阵列；7)去除剩余的所述疏水有机分子膜。通过本发明专利技术的方法可以制备洁净度高、力学稳定性好且重复利用率高的籽晶衬底，利用该籽晶衬底，后续可以制备高质量的单晶薄晶片。

Micro contact wet etching method for seeded substrates for layer transfer monocrystalline silicon thin films

The invention provides a micro contact wet etching preparation method for a layer transfer monocrystalline silicon film with a seeded substrate. The method includes: 1) providing a first silicon substrate, etching to form a silicon column array; 2) forming a barrier layer to realize selective epitaxial growth on the surface of the first silicon substrate and the silicon column array; 3) forming a hydrophobic organic molecular membrane. 4) provide a second silicon substrate, make a hydrogel film on the surface of the second silicon substrate; 5) the swelling etching solution in the hydrogel film; 6) the structure obtained by step 3 is buckled to the hydrogel film of the swelling over etching solution, and the hydrophobic organic molecular membrane and barrier layer at the top of the silicon column array are etched and exposed. The top of the silicon column array forms a seed crystal array; 7) the remaining hydrophobic organic molecular membrane is removed. The method can be used to prepare the seeded substrate with high cleanliness, good mechanical stability and high reuse rate, and high quality single crystal thin crystal can be prepared by using the seed crystal substrate.

【技术实现步骤摘要】
层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法
本专利技术属于半导体材料制备
，特别是涉及一种层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法。
技术介绍
光伏发电技术直接把太阳能转变为电能，是当前世界各国大力发展的一项主流清洁能源。但是，目前光伏电力相对于传统化石能源，仍然比较昂贵，光伏能源的发展主要依托于政策补贴而非市场经济行为，其根本原因在于高效电池的材料成本、工艺成本、以及电池系统安装成本长期居高不下。气相法外延直接生长制备单晶硅晶片是一条极具潜力的实现低成本高效晶硅电池的有效途径。其依据在于：高晶体质量是实现高转换效率的基本前提条件，外延晶片的单晶晶体品质可确保能够实现高效电池制作；外延晶片避免了传统电池晶片的切割制片所导致的材料损耗(切片材料损耗约占55％)，可大幅降低原材料成本；外延晶片可实现薄晶片制作(30-60μm厚，这种厚度无法通过传统的线切割实现，传统电池晶片为170μm厚)，理论和实验都已验证这种薄晶片可获得与传统晶片相同的电池效率，这样一方面节省了材料使用量，另一方面薄晶片具有显著的柔性，可制备轻质、柔性电池，实现轻便安装设计，便于光伏与建筑物一体化式的分布式发电技术推广以及美观设计，这样有助于实现光伏发电系统安装成本的大幅降低。目前国际上比较成熟的气相外延直接生长制备单晶片的技术是双层多孔硅层转移法，具体工艺过程是：以单晶硅片为衬底，通过阳极电化学刻蚀在表面形成不同孔隙率的双层多孔结构；经过高温退火结构重构，孔隙率较小的上表面孔闭合，恢复单晶结构，可用作外延生长时的同质衬底；孔隙率较大的下层孔孔径扩大至几十微米，使得上层生长获得的单晶薄硅与下层母体晶硅只保持弱机械连接，可作为后续剥离转移时的牺牲层；薄硅剥离转移后剩下的母衬底再次多孔化重复利用。2012年10月，美国Solexel公司在新加坡召开的亚太光伏会议上公布了这项技术的新纪录：其43μm厚，156mm×156mm面积的单片电池效率达到20.6％。虽然双层多孔硅衬底法气相直接生长制备单晶硅晶片取得了巨大成功，但是在产业应用方面仍然存在诸多瓶颈：1.气相外延生长之前，母衬底的多孔结构高洁净度清洗困难，会引入杂质影响后续生长薄硅的晶体质量；2.母衬底多孔化过程中来源于电极的金属污染无法避免，会在后续生长薄硅中形成深能级，减少晶体中少子寿命，进而降低生长薄硅制成电池的效率预期；3.多孔硅经过热处理结构重构后形成的上层表面是准单晶结构，会在后续外延薄硅中引入一定数量的堆垛层错，从而降低晶体少子寿命以及电池效率预期；4.多孔结构在晶片尺度上力学稳定性比较差，容易因热应力或机械应力出现碎裂，导致生长薄硅的电池制作工艺容忍性比较差，碎片率高；5.母衬底需再次多孔化后才能重复利用，再利用次数有限，材料低成本化程度受限。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种外延层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，用于解决现有技术中用于外延生长的母衬底易被污染、洁净度低、力学稳定性差等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，所述方法至少包括：1)提供第一硅衬底，刻蚀所述第一硅衬底形成硅柱阵列；2)于所述第一硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；3)于所述阻挡层表面形成疏水有机分子膜；4)提供第二硅衬底，于所述第二硅衬底表面制作水凝胶薄膜；5)于所述水凝胶薄膜中溶胀刻蚀液；6)将步骤3)获得的结构倒扣于溶胀过刻蚀液的所述水凝胶薄膜中，利用刻蚀液刻蚀去除所述硅柱阵列顶端的所述疏水有机分子膜和阻挡层，暴露出硅柱阵列顶端，形成籽晶阵列；7)去除剩余的所述疏水有机分子膜。优选地，所述步骤1)的过程为：1-1)于所述第一硅衬底表面形成掩膜；1-2)采用光刻工艺图案化所述掩膜；1-3)采用感应耦合等离子体干法刻蚀工艺，于所述第一硅衬底上形成周期性的硅柱阵列；1-4)去除所述掩膜。优选地，所述步骤2)中，采用热氧化工艺于所述第一硅衬底以及硅柱阵列表面形成SiO2作为实现选择性外延生长的阻挡层。优选地，所述步骤3)中，自组装烷基卤化硅烷有机分子膜作为疏水有机分子膜。优选地，所述步骤4)中，于所述第二硅衬底表面制作水凝胶薄膜的过程为：4-1)配置用于形成水凝胶的水溶性有机聚合物水溶液，在所述聚合物水溶液中滴加适量交联剂，搅拌混合均匀后静置消除气泡；4-2)将所述第二硅衬底浸没于所述步骤4-1)配置的溶液中；4-3)从溶液中取出所述第二硅衬底，先倾斜放置在密封容器中流淌除去多余的所述聚合物溶液，再水平放置在密封容器中使溶液膜在所述第二硅衬底上均匀分布，并使聚合物分子交联键合，形成水凝胶薄膜；4-4)从密封容器中取出所述第二硅衬底，用去离子水反复浸泡去除所述交联剂，最后烘干，获得干燥的水凝胶薄膜。优选地，在步骤4)中，所述步骤4-3)中，于所述的密封容器中敞口放置足量去离子水，使密封容器内水蒸汽达到饱和蒸汽压，防止所述衬底上的溶液在所述聚合物分子交联之前干燥。优选地，所述步骤5)中于所述水凝胶薄膜中溶胀刻蚀液的过程为：将制作有水凝胶薄膜的第二硅衬底浸没在刻蚀液中，或者在所述水凝胶薄膜表面滴加刻蚀液，直至所述水凝胶薄膜充分溶胀，之后用氮气吹扫去除所述水凝胶薄膜表面的刻蚀液。优选地，溶胀过刻蚀液的水凝胶薄膜厚度小于硅柱阵列的长度。优选地，所述刻蚀液为稀释氢氟酸溶液。优选地，所述步骤6)中，将步骤3)获得的结构倒扣于溶胀过刻蚀液的所述水凝胶薄膜中，在所述第一硅衬底上均匀施加适当时间的压力，利用刻蚀液刻蚀去除所述硅柱阵列顶端的所述疏水有机分子膜和阻挡层，暴露出硅柱阵列顶端，形成籽晶阵列，而没有陷入水凝胶膜内的所述疏水有机分子膜用来防止刻蚀液经毛细作用沿硅柱表面迁移。优选地，所述步骤7)中，采用氧等离子体刻蚀去除剩余的疏水有机分子膜。如上所述，本专利技术的层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，具有以下有益效果：1、利用本专利技术的微接触湿法刻蚀方法，可以制备无金属污染且洁净度高的籽晶衬底。利用该籽晶衬底进行选择性外延生长硅薄膜，可以进一步生长制备无金属污染、低缺陷密度的可转移单晶薄硅。2、生长获得的薄硅在母衬底上有结构稳定的力学支撑不易碎片，进而便于利用传统晶硅电池生产线设备进行柔性薄硅电池制作；同时，在生长获得的薄硅转移后，剩下的母衬底可直接重复利用，得以进一步促进电池的低成本化。附图说明图1～图4为本专利技术层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法的步骤1)示意图。图5为本专利技术层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法的步骤2)示意图。图6为本专利技术层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法的步骤3)示意图。图7为本专利技术层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法的步骤4)示意图。图8～图9为本专利技术层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法的步骤5)示意图。图10～图11为本专利技术层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法的步骤6)示意图。图12为本专利技术层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法的步骤7)示意图。元件标号说明101第一硅衬底102周期性柱状阵列掩膜103硅柱阵列104阻挡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：1)提供第一硅衬底，刻蚀所述第一硅衬底形成硅柱阵列；2)于所述第一硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；3)于所述阻挡层表面形成疏水有机分子膜；4)提供第二硅衬底，于所述第二硅衬底表面制作水凝胶薄膜；5)于所述水凝胶薄膜中溶胀刻蚀液；6)将步骤3)获得的结构倒扣于溶胀过刻蚀液的所述水凝胶薄膜中，利用所述刻蚀液刻蚀去除所述硅柱阵列顶端的所述疏水有机分子膜和阻挡层，暴露出硅柱阵列顶端，形成籽晶阵列；7)去除剩余的所述疏水有机分子膜。

【技术特征摘要】
1.一种层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：1)提供第一硅衬底，刻蚀所述第一硅衬底形成硅柱阵列；2)于所述第一硅衬底以及硅柱阵列表面形成能够实现选择性外延生长的阻挡层；3)于所述阻挡层表面形成疏水有机分子膜；4)提供第二硅衬底，于所述第二硅衬底表面制作水凝胶薄膜；5)于所述水凝胶薄膜中溶胀刻蚀液；6)将步骤3)获得的结构倒扣于溶胀过刻蚀液的所述水凝胶薄膜中，利用所述刻蚀液刻蚀去除所述硅柱阵列顶端的所述疏水有机分子膜和阻挡层，暴露出硅柱阵列顶端，形成籽晶阵列；7)去除剩余的所述疏水有机分子膜。2.根据权利要求1所述的层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，其特征在于：所述步骤1)的过程为：1-1)于所述第一硅衬底表面形成掩膜；1-2)采用光刻工艺图案化所述掩膜；1-3)采用感应耦合等离子体干法刻蚀工艺，于所述第一硅衬底上形成周期性的硅柱阵列；1-4)去除所述掩膜。3.根据权利要求1所述的层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用热氧化工艺于所述第一硅衬底以及硅柱阵列表面形成SiO2作为实现选择性外延生长的阻挡层。4.根据权利要求1所述的层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用烷基卤化硅烷自组装有机分子膜作为疏水有机分子膜。5.根据权利要求1所述的层转移单晶硅薄膜用籽晶衬底的微接触湿法刻蚀制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，于所述第二硅衬底表面制作水凝胶薄膜的过程为：4-1)配置用于形成水凝胶的水溶性有机聚合物水溶液，在所述聚合物水溶液中滴加适量交联剂，搅拌混合均匀后静置消除气泡；4-2)将所述第二硅衬底浸没于所述步骤4-1)配置的溶液中；4-3)从溶液中取出所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东方，曾煌，张伟，王聪，李纪周，陈小源，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31