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《单晶硅各向异性超精密切削仿真与实验研究》篇一一、引言随着科技的发展，单晶硅作为现代电子器件和集成电路的核心材料，其加工精度和表面质量对于提高产品性能和延长使用寿命至关重要。
因此，对于单晶硅各向异性超精密切削技术的研究具有重大的意义。
该研究主要探讨仿真与实验两种方式对单晶硅材料切削加工的影响，以进一步优化切削工艺，提高产品质量。
二、单晶硅各向异性切削仿真研究1. 仿真模型建立在仿真研究中，首先需要建立单晶硅材料的切削仿真模型。
该模型应考虑到单晶硅的各向异性特性，包括材料的硬度、弹性模量、热导率等物理参数的差异。
同时，还需考虑切削过程中的热力耦合效应、刀具与材料的相互作用等因素。
2. 仿真结果分析通过仿真模型，我们可以得到单晶硅在切削过程中的应力分布、切削力变化、切削温度等关键参数的变化规律。
这些数据对于分析切削过程、优化切削工艺具有重要意义。
此外，仿真还可以预测不同切削条件下的材料去除率和表面质量，为实验研究提供指导。
三、单晶硅各向异性超精密切削实验研究1. 实验设备与材料实验需要使用高精度的切削设备、刀具和单晶硅材料。
刀具的选择应考虑到其硬度、耐磨性、热稳定性等特性，以适应单晶硅的切削需求。
同时，为了确保实验数据的可靠性，需要使用高质量的单晶硅材料。
2. 实验方法与步骤在实验过程中，首先需要设定不同的切削条件，如切削速度、进给量、切削深度等。
然后，在相同的条件下进行多次切削实验，以获取稳定可靠的实验数据。
在切削过程中，需要实时监测切削力、切削温度等关键参数的变化。
此外，还需要对切削后的工件进行表面质量检测，如粗糙度、亚表面损伤等。
3. 实验结果分析通过对实验数据的分析，可以得出不同切削条件对单晶硅材料去除率和表面质量的影响规律。
同时，将实验结果与仿真结果进行对比，验证仿真的准确性。
此外，还可以通过分析亚表面损伤等数据，评估切削过程中材料的力学性能和热学性能的变化。
四、仿真与实验结果对比与分析通过对比仿真与实验结果，可以发现两者在单晶硅各向异性超精密切削过程中具有一定的相关性。
硅各向异性腐蚀技术研究李倩;崔鑫;李湘君【摘要】The principle of compensation based on two compensation structures was discussed in this paper,and the graphics of compensation was designed and experimented with KOH etchant. The compensation effect of the convex corner according well with expected.%针对两种补偿结构探讨了硅的凸角腐蚀补偿原理,设计了补偿版图,并在KOH腐蚀液中进行实验验证,获得了好的直角凸面补偿效果.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】3页(P12-13,19)【关键词】氢氧化钾;湿法腐蚀;凸角补偿【作者】李倩;崔鑫;李湘君【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032【正文语种】中文【中图分类】TN3051 前言湿法腐蚀是微传感器制造工艺中常用的MEMS后处理工艺，利用Si在KOH、TMAH等碱性溶液中的各向异性腐蚀特性实现传感器的腔、槽、台面等结构。
但是在进行Si(100)台面腐蚀时，由于硅的各向异性腐蚀特性，凸角处严重出现切削现象因而导致器件性能改变。
2 各向异性湿法腐蚀技术硅的各向异性腐蚀，是指腐蚀液对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率［1］，基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种微结构。
单晶硅片在其不同方向上对某些腐蚀液具有各向异性，常用的有R(100)＞R(110)＞ R(111)［2］。
在制造硅杯或台面等结构时，常选用(100)面。
2.1 单晶硅湿法异向腐蚀原理单晶硅在有机腐蚀剂和无机腐蚀剂中具有非常类似的腐蚀现象，由此可推出OH－离子是此反应的主要参与者。
收稿日期:2003203206.作者简介:姜胜林(19672),男,教授;武汉,华中科技大学电子科学与技术系(430074).基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(90201028);国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA325080).Si 基片各向异性腐蚀特性研究姜胜林 曾亦可 刘少波 刘梅冬(华中科技大学电子科学与技术系)摘要:为了制备高性能铁电薄膜红外探测器,对Si 微桥的湿化学腐蚀工艺进行了研究.利用Si 基片各向异性腐蚀特性,在四甲基氢氧化铵(简称TMAH )水溶液中加入氢氧化钾(KOH )作为各向异性腐蚀液(简称KTMAH ),研究了TMAH 与KOH 摩尔比、腐蚀浓度、腐蚀温度对Si 基片腐蚀特性的影响.结果表明:Si (100)面的腐蚀速度随着腐蚀液浓度和温度的升高而增大,随着TMAH 与KOH 摩尔比的降低,KTMAH 腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度加剧.选用5g/L 的过硫酸盐(PDS )与TMAH 质量分数为25%、TMAH 与KOH 摩尔比为2的KTMAH 混合液作为腐蚀液,并在80℃×2.5h 的腐蚀条件下能得到平整的腐蚀面,可以制备质量较好的微桥结构.关 键 词:Si 基片各向异性;腐蚀特性;KTMAH 腐蚀液中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:167124512(2003)1020022204 红外探测器焦平面阵列(U FPA )是红外热成像系统的关键部分,其性能与薄膜材料及其制备工艺密切相关.在材料系列确定的条件下,焦平面阵列制备工艺对红外探测器焦平面阵列性能的影响至关重要.在铁电薄膜单元热释电红外探测器的制备工艺中,利用腐蚀加工技术制备微桥的过程尤为关键,它直接影响到器件的灵敏度.常用的腐蚀法有湿化学腐蚀、电化学腐蚀和激光腐蚀等,其中湿化学腐蚀法加工范围广泛,最为简便实用、经济.U FPA 系统的灵敏元横向尺寸一般为mm 级或亚mm 级,利用Si 基片各向异性腐蚀特性,通过改进传统腐蚀工艺,湿化学腐蚀法可以应用于U FPA 系统的微细图形刻蚀.1 腐蚀实验单晶Si 的各向异性是采用湿化学腐蚀法对其实现精确微细加工的前提条件.此外,单晶Si 的取向、n 型或p 型掺杂浓度、腐蚀剂的组分比例、浓度、温度及搅拌速度都将影响微细图形的形成.以(100)单晶Si 为研究对象,其各向异性腐蚀速度如图1所示[1].由图可清楚看出:以倾斜54.7°的(111)面的腐蚀速度最慢,而以(133)面腐蚀速度最快,因此与(100)面呈35.3°夹角的图1 (100)Si 单晶上的各向异性腐蚀(111)面为腐蚀边界面.利用这种腐蚀特性,可制出轮廓清晰,侧壁十分均匀的V 型槽和悬臂梁.在(100)面上(110)和(110)方向开一个正方型窗口,则可得到四棱锥体腐蚀坑,若适当控制腐蚀时间,则实际得到四棱台腐蚀坑.实验选取厚度为350μm ,电阻率为2.5×108第31卷第10期 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) Vol.31 No.102003年 10月 J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition ) Oct. 2003Ω·cm 的n 型(100)取向单晶Si 作为腐蚀样品,以550nm 厚热氧化SiO 2为腐蚀掩膜层,并以总厚度为1.75μm 的L PCVD SiO 2,Si 3N 4和浓硼扩散(>2×1019cm -3)的强p 型热氧化SiO 2作为腐蚀钝化层来终止腐蚀,避免腐蚀液穿透Si 基片.将光刻出腐蚀窗口阵列的3.8cm Si 基片划为若干单窗口小片,将小片的正面用树脂密封,固化后备用.确定KTMAH 为各向异性腐蚀液.采取TMAH 质量分数为25%水溶液直接溶解KOH晶体的方法,先配制出TMAH 与KOH 摩尔比为5,4,3,2和1的5种腐蚀液,然后在腐蚀液中均按5g/L 加入PDS 添加剂.将腐蚀液分别倒入不同的试管,并将正面保护的单窗口小硅片置入腐蚀液中,密封试管口以避免TMAH 成分溢失,试管以水浴加热并以恒温温度计调节电炉控温.腐蚀坑的深度采用光学显微镜聚焦法测量,掩膜层的腐蚀速度通过椭偏仪测量其厚度的改变来确定.2 结果与讨论图2是经过80℃,2.5h 腐蚀后硅片的腐蚀坑底的SEM 照片.由图可知,TMAH 与KOH 摩尔比等于4时的腐蚀坑底被一种圆锥状小丘覆盖,坑面很不平整.单个小丘的锥底直径约为60μm ,斜面皱褶较多,正处于四棱锥体形成的初级阶段.随着KOH 含量的增加,腐蚀面的平整度发生了明显变化.当TMAH 与KOH 摩尔比为3时坑底小丘变为棱角清晰的四棱锥体,锥底边长约为20μm ,斜面平滑.经分析四个斜面分别对应为腐蚀速度最低的(111)、(111)、(111)和(111)晶面.当TMAH 与KOH 摩尔比为1时,腐蚀坑底(110)方向的四棱锥体消失,在(110)方向出现许多底边长约为70μm 、深约为10μm 的四棱台小坑,使腐蚀坑底变得凸凹不平.这显然是碱性较强的腐蚀液对晶体的(100)和(111)面进行了更深度腐蚀的结果.图2 经过80℃×2.5h 腐蚀后硅片的腐蚀坑底的SEM 照片 结果表明,TMAH 质量分数为25%、TMAH与KOH 摩尔比为2时的KTMAH 腐蚀液,在80℃×2.5h 的腐蚀条件下能得到平整的腐蚀面.当改变腐蚀温度时仅发现腐蚀深度的变化,而32第10期 姜胜林等:Si 基片各向异性腐蚀特性研究 未发现各腐蚀面的变化;当保持TMAH与KOH 摩尔比为2、腐蚀温度和时间等条件不变,而稀释腐蚀液的TMAH质量分数为15%时,腐蚀深度变浅,腐蚀面变粗糙,经测试发现TMAH与KOH 摩尔比为4的溶液与稀释后的TMAH与KOH 摩尔比为2的溶液具有相差不大的p H值.分析表明,腐蚀面的粗糙度和深度与腐蚀液的碱性强度直接相关,而腐蚀面的形貌与温度基本无关.表1是TMAH与KOH摩尔比为2时不同TMAH质量分数(5%,10%,…,25%)和腐蚀温度下的Si(100)面的腐蚀速度(v TMAH).由表可见,Si(100)面的腐蚀速度随着腐蚀液浓度和温度的升高而增大.在80℃下TMAH与KOH摩尔比为2、TMAH质量分数25%时的KTMAH腐蚀液腐蚀速度约为2.1μm·min-1,是Kazuo Sato等报道的同温同质量分数下单TMAH成份腐蚀液的腐蚀速度的2.3倍[2].后者和TMAH与KOH 摩尔比为2、TMAH质量分数10%时的KTMAH 腐蚀液的腐蚀速度相当.表1 一定条件下Si(100)面的腐蚀速度(μm/min)T/℃w TMAH5%10%15%20%25%600.540.780.99 1.35 1.54 700.680.82 1.24 1.59 1.83 800.790.91 1.43 1.78 2.10 900.95 1.27 1.66 1.92 2.31 有文献报道表明[3],单TMAH腐蚀液的腐蚀速度随着质量分数的升高而降低,其解释为Si 与腐蚀液发生如下反应:Si+2OH-+2H2O→SiO2(OH)2-2+2H2↑生成低溶解度的水合硅酸盐SiO2(OH)2-2.当TMAH质量分数较大即水含量较少时,水合硅酸盐的溶解度下降,更多地沉积于腐蚀坑底及小丘表面,从而影响反应进程并降低反应速度.本实验结果表明KTMAH腐蚀液的腐蚀速度随着质量分数的升高而增加,这与腐蚀液的质量分数升高、碱性增强时腐蚀性也增强的规律相符.分析认为由于KOH成份的引入,腐蚀液与Si的反应更为剧烈,反应中不断生成H2.上升的H2可将沉积的水合硅酸盐托起,避免其覆盖腐蚀坑底及小丘表面,使反应得以正常进行,而腐蚀液也可对坑底小丘进行更为彻底的腐蚀[4].图3是经过80℃×2.5h腐蚀后硅片的掩膜层的SEM照片.图中显示,TMAH质量分数为25%、TMAH与KOH摩尔比等于3时的KTMAH腐蚀液对SiO2掩膜层基本无影响,SiO2层仍能保持热氧化形成时的凸凹不平但较致密的原貌.此时的SiO2掩膜层表面呈现彩色衍射花纹,表明其厚度也未发生大的变化.当腐蚀液的TMAH与KOH摩尔比为2时,掩膜层表面变得较光滑,衍射花纹减少,出现(110)方向的、底面直径约为4μm的圆锥形钻蚀孔,其深度应已穿透图3 一定条件下的SiO2掩膜层的SEM照片550nm的SiO2层.这表明腐蚀液开始腐蚀SiO2层的凸起部分使其平整,但SiO2层的原凹陷部分依然存在,因为纯Si层的腐蚀图形应是四棱锥(或四棱台).当腐蚀液的TMAH与KOH摩尔比为1时,掩膜层表面无衍射花纹,出现底边长约为10μm、深度约为3μm的四棱台,这说明SiO2层已被完全腐蚀,腐蚀液开始腐蚀单晶Si.根据以上分析,图4示出了随着KOH质量分数的增加, KTMAH腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度.通过椭偏仪测量掩膜层厚度的改变可计算出不同腐蚀液在不同温度下对掩膜层的腐蚀速度,图4 随着w K OH的增加,KTMAH腐蚀液对掩膜层的腐蚀程度如表2所示.经计算在2.5h内腐蚀完550nm的SiO2掩膜层所需平均腐蚀速度为36.7×10-10 m·min-1.由表可发现,TMAH质量分数为25%、TMAH与KOH摩尔比为2时KTMAH腐蚀液42 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第31卷表2 不同腐蚀液在不同温度下对掩膜层的腐蚀速度/nm ·min-1T /℃TMAH 与KO H 的摩尔比32160-10.723.370-15.027.480 6.117.837.9909.024.642.5的腐蚀速度小于该值,但存在掩膜层的局部钻蚀现象.考虑到该腐蚀液对Si 牺牲层的良好腐蚀性能及背面掩膜层的少量钻蚀对U FPA 器件性能影响很小,因此本文选用5g/L 的PDS 与TMAH质量分数为25%、TMAH 与KOH 摩尔比为2的KTMAH 的混合液作为腐蚀液,并在80℃×2.5h 的腐蚀条件下制备正式U FPA 器件的微桥.图5是腐蚀得到的U FPA 器件的单个微桥.由图可见,微桥呈四棱台型,基片的上下表面及微桥侧壁均较平整.腐蚀2h 后的微桥深度约为250μm ,厚度约为100μm ;腐蚀2.5h 后的微桥深度为305μm ,厚度约为45μm.微桥(111)面的倾斜角约为35°,与图1分析的(100)Si 单晶的各向异性腐蚀特征符合较好.这表明采用改进的腐蚀装置和腐蚀液后,有效地提高了腐蚀效率和微桥质量.图5 腐蚀得到的U FPA 器件的单个微桥形貌参考文献[1]Tabata O ,Asahi R ,Funabashi H ,et al.Anisotro picetching of silicon in TMAH solutions.Sensors and Ac 2tuators A ,1992,34:51～57[2]K azuo Sato ,Mitsuhiro Shikida ,Takashi Y amashiro ,etal.Anisotropic etching rates of single 2crystal silicon for TMAH water solution as a function of crystallographicorientation.Sensors and Actuators A ,1999,73:131～137[3]Baude P F ,Y e C ,Tamagawa T ,et al.Fabrication ofsol 2gel derived ferroelectric Pb 0.865La 0.09Zr 0.65Ti 0.35O 3optical waveguides.J.Appl.Phys.,1993,73(11):7960～7962[4]刘少波.BST 铁电薄膜的制备及其非致冷红外焦平面阵列的研究:[博士学位论文].武汉:华中科技大学电子科学与技术系,2002.The anisotropy of etching solution properties of Si substratesJiang S hengli n Zeng Yike L i u S haobo L i u Mei dongAbstract :The Si micro 2bridge was fabricated by wet chemical etching technique in order to get good in 2frared thermal imaging system with ferroelectric thin films.The effect on the anisotropy of etching solution was studied by changing the mol ration of TMAH/KOH in the etching solution ,temperature and time.The results indicated that the etching solution velocity of Si (100)increased with the increasing of the etch 2ing solution concentration and temperature ,and the etching solution degree was speeded up with the de 2creasing of the mol ratio of TMAH/KOH for different system.G ood micro 2bridge can be obtained in the system when PDS is 5g/L ,the quality percentage of TMAH is 25%,the mol ratio of TMAH/KOH is 2,and the technique is 80℃×2.5h.K ey w ords :anisotropy of Si substrates ;etching solution properties ;KTMAH etching solutionJiang Shenglin Prof.;Dept.of Electronic Science &Tech.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan430074,China.52第10期 姜胜林等:Si 基片各向异性腐蚀特性研究 。
《单晶硅各向异性超精密切削仿真与实验研究》篇一一、引言随着科技的发展，单晶硅作为现代电子器件的重要材料，其加工精度和表面质量的要求日益提高。
单晶硅的各向异性特性使得其切削过程具有复杂性和特殊性，因此，对单晶硅的切削仿真与实验研究显得尤为重要。
本文旨在通过仿真与实验相结合的方法，研究单晶硅各向异性的超精密切削过程，以期为实际生产提供理论依据和指导。
二、单晶硅的特性和切削过程分析单晶硅作为一种硬脆性材料，具有较高的硬度和较低的断裂韧性。
在切削过程中，单晶硅表现出显著的各向异性特点，不同方向的切削性能差异较大。
同时，超精密切削对刀具、工艺和设备等都有较高要求。
因此，深入研究单晶硅的各向异性超精密切削过程，对于提高切削效率和加工质量具有重要意义。
三、仿真研究（一）仿真模型建立本文采用有限元法建立单晶硅切削过程的仿真模型。
首先，根据单晶硅的物理性质和力学性能，设置材料参数。
其次，建立刀具与工件的相对运动模型，以及切削过程中的热力耦合模型。
最后，通过仿真软件对模型进行求解，得到切削过程中的应力、应变和温度等参数。
（二）仿真结果分析通过仿真研究，我们发现在单晶硅的切削过程中，不同方向的切削力、切削温度和表面形貌等均存在显著差异。
此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数对切削过程的影响也较为明显。
这些结果为后续的实验研究提供了重要依据。
四、实验研究（一）实验设备与材料实验采用单晶硅材料，通过精密加工设备进行切削实验。
同时，我们还采用高速摄像机、表面轮廓仪等设备对切削过程中的表面形貌、切削力等进行实时监测和记录。
（二）实验方案与步骤根据仿真结果，我们设计了不同的切削工艺参数进行实验研究。
实验过程中，我们首先进行预处理，包括工件夹持、刀具准备等。
然后进行正式的切削实验，并记录相关数据。
最后对实验结果进行分析和比较。
（三）实验结果与讨论通过实验研究，我们得到了不同工艺参数下单晶硅的切削力、切削温度和表面形貌等数据。
论文编号PV-46（共6页）关于单晶硅各向异性腐蚀机理的讨论许彦旗汪义川季静佳施正荣无锡尚德太阳能电力有限公司214028摘要：在单晶硅太阳电池的制备工艺中，经常利用碱溶液对各个晶面腐蚀速率不同，在硅片表面形成类“金字塔”状绒面，降低反射率。
本文研究了（氢氧化钠+乙醇）混合体系对（100）晶向的单晶硅片的各向异性腐蚀过程，描述了随着氢氧化钠的含量、乙醇的含量和反应时间的变化，金字塔绒面微观形貌和硅片表面反射率的变化情况，从金字塔的成核、生长过程的角度，分析了各工艺参数影响绒面质量的机理，总结出了适宜大规模生产的工艺参数。
关键词：单晶硅绒面各向异性Abstract: Anisotropic etching process of (100) oriented crystalline silicon in alkaline solution containing sodium hydroxide and ethanol was investigated, which is the common formula of texturing solution in Chinese mass production of mono-silicon solar cells. This paper shows the different surface morphology and reflectance as the concentrations of NaOH or ethanol, as well as etching time changed. The roles of NaOH and ethanol in the texturing solution are expressed from the view point of nucleation and growth of pyramid. The processing parameters are optimized to meet the requirement for mass production.Key words: crystalline silicon, texturization, anisotropic etching1引言为了提高单晶硅太阳电池的光电转换效率，工业生产中通常采用碱与醇的混合溶液对（100）晶向的单晶硅片进行各向异性腐蚀，在表面形成类“金字塔”状的绒面（pyramidal texture），有效的增强了硅片对入射太阳光的吸收，从而提高光生电流密度。
《单晶硅各向异性超精密切削仿真与实验研究》篇一一、引言单晶硅因其优良的物理和化学性能，在现代电子、通讯、光学等高科技领域得到了广泛的应用。
其精确的加工技术对产品性能具有重要影响。
在超精密切削领域，各向异性的切削行为更是成为了一个重要的研究课题。
本文旨在通过仿真与实验相结合的方式，研究单晶硅各向异性的超精密切削行为，以进一步优化加工过程，提高加工效率和质量。
二、文献综述单晶硅的切削性能具有显著的各向异性特征，切削方向不同，材料的去除机理、切削力以及表面质量都会有所差异。
国内外众多学者已从不同角度进行了大量研究，通过建立物理模型、采用先进的仿真软件和实验设备，对单晶硅的切削过程进行了深入的探索。
然而，对于各向异性的超精密切削过程，仍有许多问题需要进一步的研究和探讨。
三、仿真研究（一）仿真模型建立本研究采用先进的有限元仿真软件，建立单晶硅的超精密切削模型。
模型中考虑了材料的各向异性特性，以及切削过程中的热力耦合效应。
同时，根据实际加工条件，设定了合理的切削参数，如切削速度、进给量等。
（二）仿真结果分析通过仿真实验，我们得到了单晶硅在各向异性超精密切削过程中的切削力、切削温度以及材料去除过程等关键信息。
通过对这些数据进行分析，我们可以发现各向异性特征对切削过程的影响规律。
四、实验研究（一）实验装置与方法实验采用了高精度的超精密切削设备，对单晶硅进行了各向异性的切削实验。
实验中，我们通过调整切削方向和切削参数，研究了不同条件下单晶硅的切削性能。
同时，我们还采用了先进的测量设备，对切削后的表面质量进行了精确的检测。
（二）实验结果与讨论根据实验结果，我们得出了不同切削方向下单晶硅的切削力、切削温度以及表面质量等数据。
通过与仿真结果进行对比，我们发现仿真结果与实验结果具有较好的一致性，这证明了我们的仿真模型的有效性。
同时，我们还发现各向异性的特征对单晶硅的切削性能具有显著的影响。
在优化切削参数时，需要充分考虑材料的各向异性特征。
论文编号PV-46（共6页）关于单晶硅各向异性腐蚀机理的讨论许彦旗汪义川季静佳施正荣无锡尚德太阳能电力有限公司214028摘要：在单晶硅太阳电池的制备工艺中，经常利用碱溶液对各个晶面腐蚀速率不同，在硅片表面形成类“金字塔”状绒面，降低反射率。
本文研究了（氢氧化钠+乙醇）混合体系对（100）晶向的单晶硅片的各向异性腐蚀过程，描述了随着氢氧化钠的含量、乙醇的含量和反应时间的变化，金字塔绒面微观形貌和硅片表面反射率的变化情况，从金字塔的成核、生长过程的角度，分析了各工艺参数影响绒面质量的机理，总结出了适宜大规模生产的工艺参数。
关键词：单晶硅绒面各向异性Abstract: Anisotropic etching process of (100) oriented crystalline silicon in alkaline solution containing sodium hydroxide and ethanol was investigated, which is the common formula of texturing solution in Chinese mass production of mono-silicon solar cells. This paper shows the different surface morphology and reflectance as the concentrations of NaOH or ethanol, as well as etching time changed. The roles of NaOH and ethanol in the texturing solution are expressed from the view point of nucleation and growth of pyramid. The processing parameters are optimized to meet the requirement for mass production.Key words: crystalline silicon, texturization, anisotropic etching1引言为了提高单晶硅太阳电池的光电转换效率，工业生产中通常采用碱与醇的混合溶液对（100）晶向的单晶硅片进行各向异性腐蚀，在表面形成类“金字塔”状的绒面（pyramidal texture），有效的增强了硅片对入射太阳光的吸收，从而提高光生电流密度。
对于既可获得低的表面反射率，又有利于太阳电池的后续制作工艺的绒面，应该是金字塔大小均匀，单体尺寸在2~10微米之间，相邻金字塔之间没有空隙，即覆盖率达到100%。
理想质量绒面的形成，受到了诸多因素的影响，例如硅片被腐蚀前的表面状态、制绒液的组成、各组分的含量、温度、反应时间等。
而在工业生产中，对这一工艺过程的影响因素更加复杂，例如加工硅片的数量、醇类的挥发、反应产物在溶液中的积聚、制绒液中各组分的变化等。
为了维持生产良好的可重复性，并获得高的生产效率，要求我们比较透彻的了解金字塔绒面的形成机理，控制对制绒过程影响较大的因素，在较短的时间内形成质量较好的金字塔绒面。
目前已经有许多的研究小组对单晶硅片的各向异性腐蚀过程进行了细致深入的研究[1，2，3，4，5]，各自给出了制备金字塔绒面的优化工艺条件。
在国外的研究和生产中，大部分的制绒液是碱（NaOH，KOH，Na2CO3，(CH3)4NOH）与异丙醇的混合溶液。
在中国，考虑到生产成本，太阳电池制造商大多使用价格相对较低的乙醇来替代异丙醇，与氢氧化钠的水溶液混合而成制绒液。
目前针对单晶硅片在（氢氧化钠+乙醇）的混合体系中形成金字塔绒面的过程，尚未见详细的研究报道。
我们在参考已经报道的实验数据的基础上，经过大量的实验，总结出了（氢氧化钠+乙醇）的混合体系对单晶硅片进行制绒的适宜参数，从而在较短时间内（30分钟）获得色泽均匀、反射率低的绒面单晶硅片。
然而当我们将实验室的条件下得到参数应用在生产线上时，往往在开始的几个批次，可以加工出较理想的绒面，但随着产量的增加，绒面质量急剧变差，我们称之为制绒液的“失效”。
这种失效是由于制绒液中的主要成分—NaOH和乙醇的含量，与最初的设置值已相去甚远。
另外，在绒面质量开始变差的时候，如果延长反应时间，可以加以改善。
因而，我们仔细观察了随着NaOH的浓度、乙醇的浓度和反应时间的变化，绒面的微观形貌和硅片表面反射率的变化情况。
从本质上来讲，绒面形成的过程，就是金字塔的成核和生长的过程，一切表观参数对绒面质量的影响，究其根本就是影响了金字塔的成核或者生长。
本文从这个角度详细分析了氢氧化钠和乙醇在制绒过程中各自扮演的角色。
2 实验原理和实验过程2.1 实验原理在高温下，硅与碱发生如下的化学反应：Si + 2OH- + H2O = SiO32- + 2H2↑因而通常用热的碱溶液来腐蚀硅片。
对于晶体硅，由于各个晶面的原子密度不同，与碱进行反应的速度差别很大，有文献将晶体硅的（100）面与（111）面的被腐蚀的速率之商定义为“各向异性因子”（Anisotropic Factor，AF）[1]。
通过改变碱溶液的浓度、温度等参数，可以有效的调节AF。
当AF = 1时，硅片各晶面的溶解速度相似，得到的表面是平坦、光亮的，通常利用这一反应去除硅片表面的机械损伤层。
能够腐蚀出高质量的金字塔绒面的AF = 10。
2.2 实验过程实验和生产所使用的硅片，是国产的（100）晶向的直拉单晶硅片，电阻率0.5~2 Ω·cm，大小为103mm×103mm。
首先，将硅片放入60℃的清洗剂中进行超声清洗，清除在硅片加工过程中表面黏附的油污。
接着，用浓度为10 wt% 的NaOH水溶液在90℃的温度下，去除硅片表面的机械损伤层，每面去除约10微米的厚度。
然后，在不同的条件下，在硅片表面腐蚀形成金字塔绒面。
我们选用的制绒液是分析纯NaOH和无水乙醇的混合水溶液，反应温度维持在85±0.2 ℃。
反应釜用一块玻璃板密封，以减少乙醇在高温下的挥发。
由于我们的生产用反应槽中没有搅拌装置，所以制绒过程均不加机械搅拌。
最后，在10wt% 的HF中浸泡去除硅片表面自然氧化层后，用去离子水冲洗干净。
硅片表面的反射率是使用配带积分球的分光光度计测量，表面形貌借助日立S-570型扫描电子显微镜（SEM）进行观察。
3 实验结果及讨论在单晶硅片的绒面制备过程中，温度是一个比较容易控制的参数，所以我们参考了已有的工艺参数，把制绒液的温度确定为85℃。
在实验室的条件下，温度的波动可以控制在±0.2℃，而在生产线的大型清洗机中，温差范围可达到±2℃。
经过大量的生产监测，我们认为这种程度温度变化，不足以对绒面质量造成显著的影响。
3.1反应时间对绒面形貌和反射率的影响制绒液中含有15克/升的NaOH和10 vol%的乙醇，温度85℃，单晶硅片经1分钟、5分钟、10分钟、30分钟腐蚀后，表面的微观形貌见图1，反射谱见图2，由于10分钟和30分钟的反射谱非常接近，所以省略了后者。
由图1可以看出在适宜的条件下，金字塔的成核、生长的过程。
经热的浓碱去除损伤层后，硅片表面留下了许多肤浅的准方形的腐蚀坑。
1分钟后，金字塔如雨后春笋，零星的冒出了头；5分钟后，硅片表面基本上被小金字塔覆盖，少数已开始长大。
我们称绒面形成初期的这种变化为金字塔“成核”。
如果在整个硅表面成核均匀，密度比较大，那么最终构成绒面的金字塔就会大小均匀，平均体积较小，这样的绒面单晶硅片不仅反射率低，而且有利于后续的扩散和丝网印刷，制造出的太阳电池的性能也更好。
很多相关的研究工作就是着力于增大金字塔的成核密度[1，3，5]。
从图1的c可以看出，10分钟后，金字塔密布的绒面已经形成，只是大小不均匀，反射率也降到了比较低的水平。
随着时间的延长，金字塔向外扩张兼并，体积逐渐膨胀，尺寸趋于均等，反射率略有降低。
在实际生产中，硅片卡在承片盒内的区域，受到的腐蚀不充分，绒面成形的时间较其他区域要长。
另一方面，我们通过大量生产实践发现，大金字塔的绒面单晶硅电池，性能略逊于小金字塔。
原因可能在于，大金字塔尖锐的塔尖易于崩塌，扩散形成的pn 节受到了破坏。
所以，我们在优化单晶硅片制绒工艺时，应该既考虑降低反射率，也要兼顾太阳电池的最终性能和外观等各方面的因素。
3.2 乙醇的含量对绒面的影响制绒液中NaOH 的浓度为15克/升，反应温度85 ℃，乙醇的含量从0增大到30 vol%。
经30分钟制绒处理后，单晶硅片表面的金字塔绒面的微观形貌的变化如图3所示。
随着绒面形貌的变化，反射率也有所波动，图4展示了硅片对波长在400至1000纳米之间的光波的平均反射率随溶液中乙醇含量的变化，其中除了20 vol%乙醇的数据点外，其余各点分别对应图3中的四个样品。
当溶液中不含乙醇时，反应进行的速度比较快，硅片经30分钟制绒处理后，两面共被腐蚀减薄了40微米。
表面只有一些稀疏的金字塔，体积比较小。
由于金字塔的覆盖率很低，硅片对光的反射最强烈。
我们向溶液中加入了少许乙醇（3图1 单晶硅经不同时间制绒腐蚀后，表面的SEM 照片. Fig. 1 Surface morphology of crystalline silicon being textured in dilute NaOH solution for different durationsof time（a ）1 min（b ）5 min（c ）10 min（d ）30 min0.10.20.30.40.50.60.73005007009001100Wavelength (nm)R e f l e c t a n c e (0-1)图2 不同时间制绒后，硅片的反射谱 Fig. 2 Reflectance of cryatalline silicon beingtextured for different durations of timevol%），这种情况就大有改观，反应速度减缓，经过相同时间的腐蚀，硅片只减薄25微米，而金字塔分布错落有致，反射率几乎降到了最低。
只是在制绒过程中可以观察到，有一些反应产生的氢气泡贴在硅片表面，缓慢释放，造成外观的斑点，为商业销售所不喜。
只需将乙醇的含量增大到 5 vol%，斑点的问题即可解决。
乙醇的含量在3 vol%至20 vol%的范围内变化时，制绒反应的变化不大，都可以得到比较理想的绒面，而5 vol%至10 vol%的环境最佳。
当乙醇的含量达到30 vol%，金字塔的覆盖率再次降低，反射率升高，只是此种条件下的反应速度缓慢，硅片只减薄了10微米。
