矽片清洗及原理

矽片清洗及原理

矽片的清洗很重要，它影響電池的轉換效率，如器件的性能中反向電流迅速加大及器件失效等。因此矽片的清洗很重要，下面主要介紹清洗的作用和清洗的原理。

清洗的作用

1.在太陽能材料制備過程中，在矽表面塗有一層具有良好性能的減反射薄膜，有害的雜質離子進入二氧化矽層，會降低絕緣性能，清洗後絕緣性能會更好。

2.在等離子邊緣腐蝕中，如果有油汙、水氣、灰塵和其它雜質存在，會影響器件的質量，清洗後質量大大提高。

3.矽片中雜質離子會影響P-N 結的性能，引起P-N 結的擊穿電壓降低和表面漏電，影響P-N 結的性能。

4.在矽片外延工藝中，雜質的存在會影響矽片的電阻率不穩定。

清洗的原理

要了解清洗的原理，首先必須了解雜質的類型，雜質分為三類：一類是分子型雜質，包括加工中的一些有機物；二類是離子型雜質，包括腐蝕過程中的鈉離子、氯離子、氟離子等；三是原子型雜質，如金、鐵、銅和鉻等一些重金屬雜質。目前最常用的清洗方法有：化學清洗法、超聲清洗法和真空高溫處理法。

1.目前的化學清洗步驟有兩種：

（1）有機溶劑（甲苯、丙酮、酒精等）→去離子水→無機酸（鹽酸、硫酸、硝酸、王水）→氫氟酸→去離子水

（2）堿性過氧化氫溶液→去離子水→酸性過氧化氫溶液→去離子水

下面討論各種步驟中試劑的作用。

a.有機溶劑在清洗中的作用

用於矽片清洗常用的有機溶劑有甲苯、丙酮、酒精等。在清洗過程中，甲苯、丙酮、酒精等有機溶劑的作用是除去矽片表面的油脂、松香、蠟等有機物雜質。所利用的原理是"相似相溶"。

b.無機酸在清洗中的作用

矽片中的雜質如鎂、鋁、銅、銀、金、氧化鋁、氧化鎂、二氧化矽等雜質，只能用無機酸除去。有關的反應如下：

2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑

Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O

Cu+2H2SO4= CuSO4 +SO2↑+2H2O

2Ag+2H2SO4=2Ag2SO4+SO2↑+2H2O

Cu+4HNO3= Cu（NO3）2 +2NO2↑+2H2O

Ag+4HNO3= AgNO3+2NO2↑+2H2O

Au+4HCl+HNO3=H［AuCl4］ +NO↑+2H2O

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

如果HF 過量則反應為：SiO2+6HF=H2［SiF6］+2H2O

H2O2 的作用：在酸性環境中作還原劑，在堿性環境中作氧化劑。在矽片清洗中對一些難溶物質轉化為易溶物質。如：

As2S5+20 H2O2+16NH4OH=2（NH4）3AsO4+5（NH4）2SO4+28H2O

MnO2+ H2SO4+ H2O2= MnSO4+2H2O+O2↑

c.RCA 清洗方法及原理

在生產中，對於矽片表面的清洗中常用RCA 方法及基於RCA 清洗方法的改進，RCA 清洗方法分為Ⅰ號清洗劑（APM）和Ⅱ號清洗劑（HPM）。Ⅰ號清洗劑（APM）的配置是用去離子水、30%過氧化氫、25%的氨水按體積比為：5:1：1 至5:2：1；Ⅱ號清洗劑（HPM）的配置是用去離子水、30%過氧化氫、25%的鹽酸按體積比為：6:1：1 至8:2：1。其清洗原理是：氨分子、氯離子等與重金屬離子如：銅離子、鐵離子等形成穩定的絡合物如：［AuCl4］-、［Cu（NH3）4］2+、［SiF6］2-。

清洗時，一般應在75～85℃條件下清洗、清洗15 分鐘左右，然後用去離子水沖洗幹淨。Ⅰ號清洗劑（APM）和Ⅱ號清洗劑（HPM）有如下優點：

（1）這兩種清洗劑能很好地清洗矽片上殘存的蠟、松香等有機物及一些重金屬如金、銅等雜質；

（2）相比其它清洗劑，可以減少鈉離子的汙染；

（3）相比濃硝酸、濃硫酸、王水及鉻酸洗液，這兩種清洗液對環境的汙染很小，操作相對方便。

2.超聲波在清洗中的作用

目前在半導體生產清洗過程中已經廣泛采用超聲波清洗技術。超聲波清洗有以下優點：

（1）清洗效果好，清洗手續簡單，減少了由於複雜的化學清洗過程中而帶來的雜質的可能性；

（2）對一些形狀複雜的容器或器件也能清洗。

超聲波清洗的缺點是當超聲波的作用較大時，由於震動磨擦，可能使矽片表面產生劃道等損傷。

超聲波產生的原理：高頻震蕩器產生超聲頻電流，傳給換能器，當換能器產生超聲震動時，超聲震動就通過與換能器連接的液體容器底部而傳播到液體內，在液體中產生超聲波。

3.真空高溫處理的清洗作用

矽片經過化學清洗和超聲波清洗後，還需要將矽片真空高溫處理，再進行外延生長。真空高溫處理的優點：

（1）由於矽片處於真空狀態，因而減少了空氣中灰塵的玷汙；

（2）矽片表面可能吸附的一些氣體和溶劑分子的揮發性增加，因而真空高溫易除去；

（3）矽片可能玷汙的一些固體雜質在真空高溫條件下，易發生分解而除去。

清洗分類

物理清洗 物理清洗有三種方法。①刷洗或擦洗:可除去顆粒汙染和大多數粘在片子上的薄膜。②高壓清洗：是用液體噴射片子表面，噴嘴的壓力高達幾百個大氣壓。高壓清洗靠噴射作用，片子不易產生劃痕和損傷。但高壓噴射會產生靜電作用，靠調節噴嘴到片子的距離、角度或加入防靜電劑加以避免。③超聲波清洗：超聲波聲能傳入溶液,靠氣蝕作用洗掉片子上的汙染。但是,從有圖形的片子上除去小於 1微米顆粒則比較困難。將頻率提高到超高頻頻段，清洗效果更好。

化學清洗 化學清洗是為了除去原子、離子不可見的汙染,方法較多,有溶劑萃取、酸洗（硫酸、硝酸、王水、各種混合酸等）和等離子體法等。其中雙氧水體系清洗方法效果好，環境汙染小。一般方法是將矽片先用成分比為H2SO4:H2O2=5:1或4:1的酸性液清洗。清洗液的強氧化性,將有機物分解而除去；用超純水沖洗後,再用成分比為H2O:H2O2:NH4OH=5:2:1或5:1:1或7:2:1的堿性清洗液清洗,由於H2O2的氧化作用和NH4OH的絡合作用，許多金屬離子形成穩定的可溶性絡合物而溶於水；然後使用成分比為H2O:H2O2:HCL=7:2:1或5:2:1的酸性清洗液，由於H2O2的氧化作用和鹽酸的溶解，以及氯離子的絡合性，許多金屬生成溶於水的絡離子，從而達到清洗的目的。

放射示蹤原子分析和質譜分析表明，采用雙氧水體系清洗矽片效果最好，同時所用的全部化學試劑 H2O2、NH4OH、HCl能夠完全揮發掉。用H2SO4和H2O2清洗矽片時，在矽片表面會留下約2×1010原子每平方厘米的硫原子，用後一種酸性清洗液時可以完全被清除。用H2O2體系清洗矽片無殘留物，有害性小，也有利於工人健康和環境保護。矽片清洗中用各步清洗液處理後，都要用超純水徹底沖洗。

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