在碳酸氢钠溶液中单晶硅各向异性蚀刻法制备的微结构

本文研究了基于碳酸钠和碳酸氢钠混合溶液在不同条件下制作单晶硅片微结构的方法。根据表面形态大小和覆盖率对纹理化过程进行了评估。实验表明，Na2CO3浓度的影响通过在5 wt%和30 wt%之间改变浓度是显著的。结果表明，随着Na2CO3浓度的变化，锥体的平均尺寸从1.20微米到2.44 μm不等。总之，表面是不均匀的，并且呈现出宽的明亮区域，在该区域中纹理化过程不成功。然而，我们发现通过添加碳酸氢钠可以获得更好的金字塔结构.用20重量%碳酸钠和5重量%碳酸氢钠在90℃下20分钟，在单晶硅晶片中形成均匀的微结构。在优化条件下，织构化硅晶片表面呈现较低的平均尺寸(约0.96微米)，并且覆盖率高。

关键词

微观结构；单晶硅；纹理化；覆盖率

介绍

单晶硅晶体的各向异性蚀刻多年来已经为人所知，并且经常用于硅器件和微结构的加工。在传统的技术应用中，微结构通常应用在太阳能电池上以减少光损耗。由于金属基底表现出独特的表面等离子体性质，因此受到了足够的科学关注和高度的技术重视。现代，金属微结构已广泛应用于纳米光器件、数据存储和生物传感器等微加工领域。最近，单晶硅的硅纳米制造已经应用于纳米级波导器件。当尺寸达到纳米时，也可用于技术领域。为了控制湿法刻蚀中微结构的形状，需要精心设计溶液浓度、温度和时间等刻蚀参数。

使用各向异性纹理溶液在单晶硅片表面形成金字塔是减少硅表面反射损失的重要而有效的措施。碱性蚀刻剂各向异性行为的最重要特征是表面的蚀刻速率非常低。因此，蚀刻速率对晶体取向的强烈依赖性导致在硅表面形成金字塔]。通常，蚀刻溶液是不同种类的碱，如氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)与高浓度异丙醇(IPA)。但是IPA是一种昂贵的化学产品，有毒性。为了消除IPA的这些缺点，一些研究人员使用了其他解决方案。替代溶剂有碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3]和磷酸钠(Na3PO4)]。这些解决方案在成本和环境保护方面优于传统解决方案，因为不需要IPA来制造微结构。本文研究了用碳酸钠和碳酸氢钠溶液制备单晶硅片微结构的一种有效而重要的方法。

实验

 从表中可以看出，最大微结构的尺寸为4.35微米，最小微结构的尺寸为0.26微米，平均尺寸从0.96微米到2.50 μm不等。在使用单一试剂Na2CO3的情况下，浓度变高，平均尺寸变小，但是当浓度超过20%时，尺寸逐渐变大。最小平均尺寸为1.20 μm。当加入碳酸氢钠时，最小平均粒径为0.96 μm。此外，覆盖率高。这些都意味着这种蚀刻剂可以成功地获得微结构。

图。1是使用单一试剂Na2CO3时的金字塔结构的SEM图像.扫描电镜照片显示，浓度为5%时，样品表面未被完全蚀刻。随着Na2CO3浓度的增加，更大的金字塔结构的数量和尺寸也增加。当浓度达到20%时，虽然微观结构优异，均匀性高，但样品表面没有完全覆盖。添加碳酸氢钠的扫描电镜图如图所示。2.发现碳酸氢钠的加入提高了覆盖率.当我们在20 wt%的Na2CO3溶液中加入5 wt%的碳酸氢钠时，我们获得了优异的微结构。

图。1单晶硅片微结构的扫描电子显微镜(SEM)图像织构化无碳酸氢钠和不同浓度的Na2CO3: a11 (5重量%)、a12 (10重量%)、a13 (15重量%)、a14 (20重量%)、a15 (25重量%)、a16 (30重量%)。

图。2用5 wt%碳酸氢钠和不同浓度的Na2CO3织构化的单晶硅晶片的扫描电子显微镜(SEM)图像:a21 (5 wt%)、a22 (10 wt%)、a23 (15 wt%)、a24 (20 wt%)、a25 (25 wt%)、a26 (30 wt%)。

微结构的平均尺寸和蚀刻时间的比较如图2所示。7.图像清楚地显示蚀刻时间是形貌制造的重要因素。换句话说，微结构的平均尺寸随着蚀刻时间的增加而减小。最佳蚀刻时间为20分钟。当刻蚀时间大于20 min时，微结构的平均尺寸开始变大。图。图8显示了在最佳工艺条件下金字塔平均尺寸的分布。可以清楚地看到，大多数微结构的直径尺寸在0.8微米和1.0微米之间，占62%。此外，0.6微米以下和1.4微米以上的直径大小的百分比合计不到20%。所有这些数据表明金字塔是均匀和不连续的。

图。7微结构平均尺寸与不同刻蚀时间的关系。

结论

    本文用碳酸钠和碳酸氢钠溶液研究了单晶硅片的微结构。此外，我们还研究了不同实验条件下金字塔的大小和覆盖率。结果表明，溶液浓度和刻蚀时间决定了硅表面的织构。实验结果表明，在不改变刻蚀参数的情况下，碳酸氢钠的加入加速了织构化，使形貌尺寸变小。结果表明，CO3-似乎起着微结构引发剂的作用，而HCO3-似乎起着与IPA相同的作用。同时，为了从扫描电镜图像中获得致密且均匀分布的金字塔结构，优化条件为20重量% Na2CO3、5重量%碳酸氢钠、90℃和20分钟。在这些条件下，直径的平均尺寸为0.96米。该方法有望以相对较低的成本应用于单晶硅太阳能电池的大规模工业化生产。