太阳能电池片生产工艺常用化学品及其应用

太阳能电池片生产工艺常用化学品及其应用一般来说， 半导体工艺是将原始半导体材料转变为有用的器件的一个过程， 太阳能电池工艺就是其中的一种，这些工艺都要使用化学药品。1． 常用化学药品太阳能电池工艺常用化学药品有：乙醇（ C2H 5OH） 、氢氧化钠（ NaOH） 、盐酸（ HCl ） 、氢氟酸 (HF) 、异丙醇（ IPA） 、硅酸钠（ Na2SiO 3） 、氟化铵（ NH 4F） 、三氯氧磷（ POCl 3） 、氧气 （ O2） 、 氮气 （ N 2） 、 三氯乙烷 （ C2H3Cl3） 、 四氟化碳 （ CF4） 、 氨气 （ NH 3） 和硅烷 （ SiH 4） ，光气等。2． 电池片生产工艺过程中各化学品的应用及反应方程式：2.1 一次清洗工艺2.1.1 去除硅片损伤层：Si + 2 NaOH + H 2O = Na 2SiO3 + 2 H 2 ↑28 80 122 4 对 125*125 的单晶硅片来说，假设硅片表面每边去除 10um，两边共去除 20um，则每片去处的硅的重量为：△ g=12.5*12.5*0.002*2.33 = 0.728g 。 （硅的密度为 2.33g/cm 3）设每片消耗的 NaOH 为 X 克，生成的硅酸钠和氢气分别为 Y 和 Z 克，根据化学方程式有：28 ： 80 = 0.728 ：Ｘ Ｘ = 2.08g 28 ： 122 = 0.728 ： Y Y=3.172g 28 ： 4 = 0.728 ： Z Z= 0.104g 2.1.2 制绒面：Si + 2 NaOH + H 2O = Na 2SiO3 + 2 H 2 ↑28 80 122 4 由于在制绒面的过程中， 产生氢气得很容易附着在硅片表面， 从而造成绒面的不连续性，所以要在溶液中加入异丙醇作为消泡剂以助氢气释放。 另外在绒面制备开始阶段， 为了防止硅片腐蚀太快， 有可能引起点腐蚀， 容易形成抛光腐蚀， 所以要在开始阶段加入少量的硅酸钠以减缓对硅片的腐蚀。2.1.3 HF 酸去除 SiO 2 层在前序的清洗过程中硅片表面不可避免的形成了一层很薄的 SiO 2 层，用 HF 酸把这层SiO2 去除掉。SiO2 + 6 HF = H 2[SiF6] + 2 H 2O 2.1.4HCl 酸去除一些金属离子， 盐酸具有酸和络合剂的双重作用， 氯离子能与 Pt 2+、 Au 3+、Ag +、 Cu+、 Cd 2+、 Hg 2+等金属离子形成可溶于水的络合物。2.2 扩散工艺2.2.1 扩散过程中磷硅玻璃的形成：Si + O 2＝ SiO25POCl 3 ＝ 3 PCl5 + P2O5（ 600℃）三氯氧磷分解时的副产物 PCl5，不容易分解的，对硅片有腐蚀作用，但是在有氧气的条件下，可发生以下反应：４ PCl 5 + 5O2 ＝ 2 P2O5 + 10Cl 2 ↑ (高温条件下 ) 磷硅玻璃的主要组成：小部分 P2O5，其他是２ SiO2· P2O5 或 SiO2· P2O5。这三种成分分散在二氧化硅中。在较高温度的时候， P2O5 作为磷源和 Si 反应生成磷，反应如下：2 P2O5 +5 Si = 5 SiO 2 + 4 P 在扩散工艺中，三氯乙烷用于炉管清洗，三氯乙烷的燃烧（分解）的产物有：光气、一氧化碳、二氧化碳和氯化氢等。2.3 等离子刻蚀工艺所谓等离子体就是由带电的正、 负电荷的粒子组成的气体， 正负电荷数相等， 其净电荷相等。等离子刻蚀所用的等离子体，是辉光放电形成的“电离态”气体，其中包括正离子、负离子、电子、中性原子、分子及化学上活泼的自由基，这种“电离态”的气体是在向气体系统中施加足以引起电离的高能电场条件下产生的。在我们的工艺中，是用 CF4 来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下：CF4 CFx* + (4-x) F* (x≤ 3) Si + 4 F* SiF4 ↑SiO2 + 4 F* SiF4 + O 2↑Si 和 SiO 2 在 CF4 等离子体中的刻蚀速率是很低的，因为在纯的 CF4 等离子体中，这些过程的刻蚀速率受制于较低的 F*浓度，因此刻蚀效率较低，如果在其中加入 O2， Si 和 SiO 2的刻蚀速率会增加，加入 O2 之后，反应室中产生了 COF2， CO 及 CO2 而消耗了 CFx*自由基，于是减少了 F*消耗量，结果 F*浓度增大，相应的刻蚀速率也增大。选择适当的 CF4 和O2 的比例，会得到良好的刻蚀效果。2.4 二次清洗工艺由于在扩散以后在硅片表面形成了一层磷硅玻璃， 主要成分还是二氧化硅。 因此为了形成良好的欧姆接触，减少光的反射，在沉积减反射膜后续工艺之前，必须用 HF 酸把磷硅玻璃腐蚀掉。SiO 2+6HF = H 2[SiF 6]+2H 2O 由于这个反应太快， 不便于控制， 因此不能单独用氢氟作为腐蚀剂。 根据化学平衡原理，减小氢氟酸的浓度和氢离子浓度， 可以降低腐蚀速度。 所以要在氢氟酸的溶液中加入氟化铵溶液，以减少氢氟酸的浓度和氢离子的浓度，从而减缓氢氟酸对 SiO2 的腐蚀速度。其原因：1. 氟化铵是一种弱酸和弱碱组成的盐，由于它在水中可以电离为铵离子和氟离子，溶液中大量的氟离子的存在使氢氟酸在溶液中的电离平衡 HF = H + + F – 向左移动。2.氟化铵能与氢氟酸结合生成络合物氟氢化铵 NH 4[HF 2]，从而减低了氢氟酸的浓度。HF + NH 4F = NH 4[HF 2] 当氢氟酸和二氧化硅作用时，氢氟酸浓度因消耗而减少，这时氟氢化铵 NH 4[HF 2]就电离生成氢氟酸，继续补充氢氟酸，使氢氟酸的浓度基本上保持不变，同时氢离子浓度变化不大，从而使腐蚀过程保持一定的较低速度。3.由于反应生成的六氟硅酸 H 2[SiF 6]是一种强酸， 在溶液中全部电离。 随着反应地进行，氢离子的浓度不断增加， 就不断增加反应速度。 加入氟化铵以后， 在反应中就不能生成六氟硅酸，而是生成六氟硅酸铵，使氢离子浓度不会随反应而增加。2.5 PECVD 工艺为了进一步减少入射光的损失，在硅片上沉积一层氮化硅薄膜。3SiH4 + 4NH 3 Si3N4 +12 H 2 3SiH4 + 2N2 Si3N4 + 6H2 2.6 烧结工艺3 半导体安全基本知识3.1 半导体厂的安全卫生问题半导体厂常见的潜在危害可分为三大类：( 一 ). 化学物质危害半导体工艺非常繁杂， 使用的危险化学品也相当多， 包括强酸、 强碱、 腐蚀性有机溶剂、有毒气体、 自燃气体、或窒息气体等，如果这些危险化学物质泄漏出来，接触到人体会造成很大的伤害；也有可能因为这些物质产生化学变化，造成火灾爆炸等重大意外事故。危害性气体根据危害特征， 半导体工艺中使用的气体分为以下四类： 有毒、易腐蚀、 易燃和自然性气体，有毒气体是指对人体生命有危害的气体，腐蚀性气体接触时会损毁生命组织和设备，易燃气体则为暴露于火星、 明火和其他燃烧源时易被引燃的气体， 如氢气。 54℃以下在空气中易自然的物质为自然性气体。 危害性气体的毒性等级是以规定的时间内人体暴露在其中却不会受到健康伤害的最高浓度来量化的。允许暴露的程度越低，毒性越大。危害性化学品半导体制造中， 有许多液体化学品是危险的腐蚀性物质， 处理腐蚀性化学品时， 则必须穿戴上防护镜和身体防护设施， 为了防止吸入腐蚀性化学品的蒸汽， 必须在通风橱中进行操作，储存化学品时必须特别小心，例如， HF 必须保存在塑料容器中，因为它会腐蚀玻璃。所有员工必须知道最近的眼睛冲洗器处。 因为大多数溶剂会挥发出有害蒸气， 而且许多是易燃的， 所以防止暴露和吸入溶剂蒸气的眼部和身体防护设施也是必不可少的。 溶剂必须保存在易燃物质储存柜中， 远离明火、 火星和热源。 处理废溶剂时要将它们放置在废溶剂容器中。注意要特别小心，不能将废酸和废溶剂混合在一起，防止发生剧烈的化学反应。( 二 ). 幅射和静电危害在半导体工艺中所用的一些设备单元，例如 PECVD微波源、蚀刻机 RF产生器等皆有潜在产生游离或非游离幅射的危害。 如果防护措施没做好， 使人体曝露在辐射中过量， 即会伤害到人体。游离幅射对曝露的人体具伤害细胞效应，而非游离幅射会造成眼睛与皮肤伤害，还可能引起令人恶厌的电效应干扰重要设备的功能操作，或发生静电火花等。( 三 ). 机械危害半导体工艺有使用机械人与自动化操作之相关工艺设备有潜在对相关人员发生机械危害，例如设备组件之功能异常与移动部份对人员所发生之撞击、切割、夹卷等机械性危害。在半导体生产制造中， 虽然经常要用到化学品， 有害气体， 这些很可能对人体造成危害，但是像化学品、 有害气体、 辐射等这些在正常情况下都是被有效控制的， 按照相应的程序文件正常操作，并合理使用 PPE(个人防护设备 ) 条件下不会有安全性问题，只有在意外情况下才可能导致一些伤害。PPE防护用具：⑴化学品酸碱贮存区等可能接触酸碱腐蚀性液体的人员配备耐酸碱围裙、 耐酸碱手套、 防护眼镜、防酸碱工作鞋等。⑵可能接触有毒气体的人员配备防毒面具。⑶设备维修、检修人员配备防毒面具、耐酸碱工作服、手套、工作鞋、安全眼镜等。⑷应急救援人员配备防护服、防毒面具、耐酸碱工作服、耐酸碱手套、耐酸碱工作鞋、安全眼镜、空气呼吸器等。下面是半导体电池片生产工艺中可能产生的危害：所处的工艺 生产过程中可能产生危害清洗工艺 NaOH 、 HCl 酸、 HF 酸、异丙醇、硅酸钠等。扩散工艺 POCl3、 CH3CCl 3、 Cl 2 、高温等。刻蚀工艺 氟化物（ CF 4、 CFx 自由基） 、 COF2、 CO、 CO2 等。PECVD 工艺 SiH4、 NH 3、 N2、 H 2、高温、微波辐射等。印刷工艺烧结工艺 高温、有机物的蒸发测试分选工艺 氙灯辐射