電化學蝕刻設備與電鍍設備的製作方法

2023-10-17 15:00:19 1

本發明是有關於一種用於電化學技術的設備，且特別是有關於一種電化學蝕刻設備與電鍍設備。

背景技術：

電化學技術是有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程，例如電鍍、電化學蝕刻等。

以目前用來降低太陽能電池製造成本的非切割晶片工藝為例，其中需要通過電化學蝕刻來進行多孔矽蝕刻的步驟。雖然多孔矽蝕刻在單一晶片的實驗上非常容易，但是當多片晶片要同時進行時，困難度就高許多，原因有三點，第一是蝕刻溶液是氫氟酸，因此電極只能用白金，使用傳統設計時，白金電極的用量龐大，再加上白金昂貴，白金用量的價格幾乎就同等於一臺設備的造價，成本考慮上來說不可行。第二個原因是電流必須貫穿晶片才能達到多孔矽蝕刻的目的，如果電流未貫穿晶片就由溶液中先行短路，蝕刻就不會進行，因此晶片與晶片之間需要把蝕刻液隔絕，這在量產型設備製造上有困難。第三個原因是氣泡問題，矽晶片的電化學蝕刻會產生大量的氣泡，這些氣泡會造成蝕刻的不均勻，因此設備設計上必須考慮到氣泡排除的問題。

近年來許多研究機構均有進行非切割晶片電池的相關研究，但是發表文獻中僅看見實驗結果，這是因為實驗大多是使用單一晶片進行實驗，不會同時使用大量的晶片進行。

技術實現要素：

本發明提供一種電化學蝕刻設備，適用於量產化並降低成本、均勻電流分布、消除氣泡與避免短路。

本發明另提供一種電鍍設備，能使電鍍液濃度均勻而達到鍍膜均勻的 效果，並避免短路。

本發明的電化學蝕刻設備可對一基板進行電化學蝕刻，所述基板具有一第一表面和一第二表面。所述電化學蝕刻設備包括蝕刻溶液噴灑頭、基板載臺、第一與第二電極。第一電極設置於蝕刻溶液噴灑頭內為負極(陰極)，通過第一電極提供電流至蝕刻溶液噴灑頭內的蝕刻溶液。基板載臺則相對蝕刻溶液噴灑頭配置。第二電極設置於基板載臺上為正極(陽極)。在上述基板設置於第二電極上時，使基板的第一表面與第二電極電性接觸，且自蝕刻溶液噴灑頭噴灑出的蝕刻溶液能自然流經基板的第二表面並自基板載臺的邊緣流下。

在本發明的一實施例中，上述第一電極例如白金電極或銀電極。

在本發明的一實施例中，上述蝕刻溶液例如氫氟酸與醇類的混合水溶液。

在本發明的一實施例中，上述蝕刻溶液噴灑頭與基板載臺的材料包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、全氟烷氧基樹酯(PFA)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或高密度聚乙烯(HDPE)。

在本發明的一實施例中，上述蝕刻溶液噴灑頭與上述第二電極之間距，控制在能使蝕刻溶液於基板的第二表面形成的液膜不間斷。

在本發明的一實施例中，上述蝕刻溶液噴灑頭具有數個噴灑開口或數個噴嘴。

在本發明的一實施例中，上述基板包括矽晶片、鍺晶片、矽鍺晶片或砷化鎵晶片。

本發明的電鍍設備可對一基板進行電鍍，所述基板具有一第一表面和一第二表面。所述電鍍設備包括電鍍液噴灑頭、基板載臺、第一與第二電極。第一電極設置於電鍍液噴灑頭內為正極(陽極)，通過第一電極提供電流至電鍍液噴灑頭內的電鍍液。基板載臺則相對電鍍液噴灑頭配置。第二電極設置於基板載臺上為負極(陰極)。在上述基板設置於第二電極上時，使基板的第一表面與第二電極電性接觸，且自電鍍液噴灑頭噴灑出的電鍍液能自然流經基板的第二表面並自基板載臺的邊緣流下。

在本發明的另一實施例中，上述電鍍液噴灑頭具有數個噴灑開口或數個噴嘴。

在本發明的另一實施例中，上述電鍍液噴灑頭與上述第二電極的間距，控制在能使電鍍液於基板的第二表面形成的液膜不間斷。

在本發明的另一實施例中，上述第一電極的材料為欲鍍在基板的第二表面上的金屬材料。

在本發明的各個實施例中，上述基板的面積可大於第二電極的面積。

在本發明的各個實施例中，上述基板載臺包括至少一吸附口，通過對吸附口抽氣以真空吸附基板。

在本發明的各個實施例中，上述基板載臺還可包括至少一排氣口，設置於較吸附口的位置更靠基板載臺的邊緣的部位。

在本發明的各個實施例中，上述設備還可包括O型環(O-ring)，圍繞第二電極並設在基板與基板載臺之間，以防止蝕刻溶液或者電鍍液被上述吸附口吸入。

在本發明的各個實施例中，上述設備還可包括溶液承接裝置，用以承接自基板載臺的邊緣流下的蝕刻溶液或者電鍍液。

在本發明的各個實施例中，上述設備還可包括溶液儲存槽，用來儲存上述蝕刻溶液，並通過幫浦壓力將蝕刻溶液或者電鍍液自溶液儲存槽輸送到上述噴灑頭。

基於上述，本發明的設備通過溶液的導電特性作為非接觸電極，並讓溶液一邊流動一邊進行電化學蝕刻或者電鍍反應，能使電流均勻分布於基板表面，且能使工藝放大容易而具有量產潛力。當本發明的設備應用於電化學蝕刻或者電鍍反應，能移除蝕刻或電鍍蝕產生的大量氣泡，使電流不容易短路並讓蝕刻或電鍍更為均勻。而且當本發明的設備應用於電化學蝕刻，可降低設備成本。

附圖說明

圖1是依照本發明的第一實施例的一種電化學蝕刻設備的剖面示意圖。

圖2是第一實施例的另一種電化學蝕刻設備的剖面示意圖。

圖3A至圖3C是第一實施例的電化學蝕刻設備中的基板載臺的三種例子的剖面示意圖。

圖4是依照本發明的第二實施例的一種電鍍設備的剖面示意圖。

圖5是第二實施例的另一種電鍍設備的剖面示意圖。

圖6A與圖6B是依照本發明的第三實施例的兩種不同多片式處理設備的立體示意圖。

附圖標記說明

100：電化學蝕刻設備

102：蝕刻溶液噴灑頭

102a：噴嘴

104、300、304、308、404、604：基板載臺

104a、300a：邊緣

106、406：第一電極

108、408、500：第二電極

110：蝕刻溶液

112、412、606：基板

112a、412a：第一表面

112b、412b：第二表面

114、414：液膜

116、416：溶液儲存槽

118、418：溶液承接裝置

200：噴灑開口

302：吸附口

306：排氣口

310：O型環

312：空間

400：電鍍設備

402：電鍍液噴灑頭

410：電鍍液

600、612：設備

602、614：噴灑頭

608：凸出部

610：排水孔

616：電鍍液輸入部

d1、d2、d3：間距

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

圖1是依照本發明的第一實施例的一種電化學蝕刻設備的剖面示意圖。

請先參照圖1，第一實施例的電化學蝕刻設備100至少包括蝕刻溶液噴灑頭102、基板載臺104、第一電極106與第二電極108。第一電極106設置於蝕刻溶液噴灑頭102內為負極(陰極)，通過第一電極106提供電流至蝕刻溶液噴灑頭102內的蝕刻溶液110，其中第一電極106如電極棒，且其數量可依需求調整。基板載臺104則相對蝕刻溶液噴灑頭102配置，譬如本圖所示的上下相對，但是根據需求也可設為左右相對的位置。第二電極108設置於基板載臺104上為正極(陽極)；優選為將第二電極108設置於基板載臺104中央。當待蝕刻的基板112設置於第二電極108上時，使基板112的第一表面112a與第二電極108電性接觸，且基板112的面積優選為大於第二電極108的面積，蝕刻溶液噴灑頭102噴灑出的蝕刻溶液110能自然流經基板112的第二表面112b並自基板載臺104的邊緣104a流下，而不會和第二電極108接觸，因此本實施例能以此輕易達到單面蝕刻。而且，因為蝕刻溶液110在基板112上是開放式流動，所以不像傳統浸泡式蝕刻的方式，容易因壓力導致蝕刻溶液滲入進而腐蝕第二電極108。

在本實施例中，蝕刻溶液噴灑頭102可具有數個噴嘴102a，且噴嘴102a的數量、密度、分布狀態、外型等，均可依需求做變化。蝕刻溶液噴灑頭102與第二電極108的間距d1例如控制在能使蝕刻溶液110於基板112的第二表面112b形成的液膜114不間斷，但本發明並不限於此，還可根據蝕刻溶液110的流速、噴嘴102a的密度等，來確保液膜114不間斷。另外，蝕刻溶液噴灑頭102與基板載臺104中至少一個可設計成可移動的裝置，以便在基板載臺104上放置基板時，有適當的工作空間。舉例來說，如果基板載臺104是固定的，則蝕刻溶液噴灑頭102優選為能上下移動，以便基板112被放置於基板載臺104之後，將蝕刻溶液噴灑頭102下降到 貼近基板112，再使蝕刻溶液110開始循環流經基板112的第二表面112b並透過第一與第二電極106與108施加電流於蝕刻溶液110與基板112。相反地，如果蝕刻溶液噴灑頭102是固定的，則基板載臺104優選為能上下移動。關於蝕刻期間電流的控制可為單段式固定電流，也可以是多段式可變電流。

請再次參照圖1，第一實施例的電化學蝕刻設備100還可包括其他構件，如溶液儲存槽116或溶液承接裝置118。溶液儲存槽116是用來儲存蝕刻溶液110，並通過幫浦壓力將蝕刻溶液110自溶液儲存槽116輸送到蝕刻溶液噴灑頭102。溶液承接裝置118是用來承接自基板載臺104的邊緣104a流下的蝕刻溶液110。溶液儲存槽116與溶液承接裝置118之間若設有管路(未繪示)，還可循環使用蝕刻溶液110。

第一實施例的電化學蝕刻設備100適用於各種電化學蝕刻工藝。舉例來說，近來頗受注目的矽晶太陽能電池，由於其發電成本高，所以如何降低成本是一直以來各界重視的一項課題。隨著技術的精進與發展，太陽能電池的製造成本已經壓縮到達極限，因此目前發展出一種非切割晶片工藝，取代傳統切割工藝，以避免浪費材料並以此降低晶片成本。所謂的非切割晶片工藝主要包含三個步驟，第一是多孔矽蝕刻、第二是EPI磊晶生長、第三是晶片分離。而第一實施例的電化學蝕刻設備100可用於所述多孔矽蝕刻的步驟，例如使用白金電極或銀電極作為第一電極106，並搭配氫氟酸與醇類的混合水溶液作為蝕刻溶液110。此外，蝕刻溶液噴灑頭102與基板載臺104的材料可選用耐蝕刻的材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、全氟烷氧基樹酯(PFA)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或高密度聚乙烯(HDPE)或其他適當的材料。

圖2是第一實施例的另一種電化學蝕刻設備的剖面示意圖，其中使用與圖1相同的元件符號來代表相同或類似的構件。

在圖2中，蝕刻溶液噴灑頭102具有數個噴灑開口200，且噴灑開口200的數量、密度、分布狀態等均可依照需求設計。蝕刻溶液噴灑頭102與第二電極108的間距d2，控制在能使蝕刻溶液110於基板112的第二表面112b形成的液膜114不間斷，但本發明並不限於此，還可根據蝕刻溶液110的流速、噴灑開口200的密度等，來確保液膜114不間斷。

圖3A至圖3C是第一實施例的電化學蝕刻設備中的基板載臺的三種例子的剖面示意圖，其中使用與圖1相同的元件符號來代表相同或類似的構件，且為了集中描述基板載臺而省略電化學蝕刻設備中的部分構件。

在圖3A中顯示的基板載臺300包括吸附口302，可通過對吸附口302抽氣以真空吸附基板112。另外，基板載臺300的邊緣300a還可設計成弧狀或有傾角，以利蝕刻溶液110排放。吸附口302的數量與位置均可根據需求作變更，譬如設置在基板載臺300的中央並穿過第二電極108、或者如圖3A是設置在第二電極108以外靠近邊緣300a的區域。至於吸附口302的形狀可以是圓形口、條狀口或者環繞基板載臺300的邊緣300a的連續環狀開口。

在圖3B中顯示的基板載臺304除了具有吸附口302，還可在較吸附口302的位置更靠基板載臺300的邊緣300a的部位設置至少一排氣口306，以防止蝕刻溶液110沿著基板112的第一表面112a滲入並腐蝕第二電極108。排氣口306的位置優選為設在對應基板112邊緣的位置。

在圖3C中顯示的基板載臺308除了吸附口302與排氣口306之外，還有一個可容置O型環(O-ring)310的空間312，O型環310圍繞第二電極108並設在基板112與基板載臺308之間，以防止蝕刻溶液110被吸附口302吸入，因此基板載臺308的空間312也是圍繞第二電極108。

圖4是依照本發明的第二實施例的一種電鍍設備的剖面示意圖。

請參照圖4，電鍍設備400包括電鍍液噴灑頭402、基板載臺404、第一電極406與第二電極408。第一電極406設置於電鍍液噴灑頭402內為正極(陽極)，通過第一電極406提供電流至電鍍液噴灑頭402內的電鍍液410，並同時作為電鍍所需的金屬離子來源。基板載臺404則相對電鍍液噴灑頭402配置，譬如本圖所示的上下相對，但是根據需求也可設為左右相對的位置。第二電極408設置於基板載臺404上為負極(陰極)。第一電極406的材料例如欲鍍在基板412的第二表面412b上的金屬材料，如銅、鎳等。當基板412設置於第二電極408上時，基板412的第一表面412a與第二電極408能電性接觸，且自電鍍液噴灑頭402噴灑出的電鍍液410能自然流經基板412的第二表面412b並自基板載臺404的邊緣404a流下，因此本實施例能輕易達到單面電鍍的效果。上述基板412的面積可大於第 二電極408的面積，能確保電鍍液410不會和第二電極108接觸。上述基板412例如電池片。基板載臺404還可參照圖3A至圖3C做變化，故不再贅述。

請繼續參照圖4，電鍍液噴灑頭402可具有數個噴嘴402a，但本發明並不限於此，電鍍液噴灑頭也可像圖2所示，具有數個噴灑開口，且不論噴嘴402a還是噴灑開口的數量、密度、分布狀態、外型等，均可依需求做變化。電鍍液噴灑頭402與第二電極408的間距d3例如控制在能使電鍍液410於基板412的第二表面412b形成的液膜414不間斷，但本發明並不限於此，還可根據電鍍液410的流速、噴嘴402a的密度等，來確保液膜414不間斷。另外，電鍍液噴灑頭402與基板載臺404中至少一個可設計成可移動的裝置，如第一實施例的蝕刻溶液噴灑頭102與基板載臺104之間的連動關係。此外，第二實施例的電鍍設備400還可包括其他構件，如溶液儲存槽416或溶液承接裝置418。溶液儲存槽416是用來儲存電鍍液410，並通過幫浦壓力將電鍍液410自溶液儲存槽416輸送到電鍍噴灑頭402。溶液承接裝置418是用來承接自基板載臺404的邊緣404a流下的電鍍液410。溶液儲存槽416與溶液承接裝置418之間若設有管路(未繪示)，還可具有循環使用電鍍液410的功能。

在本實施例中，利用電鍍液410的流動與導電特性，在流動的電鍍液410施加電流來進行電鍍，可以讓電鍍液410的金屬離子更加均勻，而且基板412(如電池片)的第一表面412a不需要加上保護層，節省了電池製作步驟。此技術可用於量產製造。

圖5是第二實施例的另一種電鍍設備的剖面示意圖，其中使用與圖4相同的元件符號來代表相同或類似的構件。

在圖5中，第二電極500是直接與基板412的第二表面412b接觸，譬如基板412本身為導電材料或其第二表面412b具有導電層或金屬層時，可直接以第二電極500接觸能導電的部位，通過電鍍液410開始循環流經基板412的第二表面412b，並施加電流於電鍍液410與第二電極500，即可開始電鍍。在本實施例中，電流控制可為單段式固定電流，也可以是多段式可變電流。

圖6A與圖6B是依照本發明的第三實施例的兩種不同的多片式處理 設備的立體示意圖。圖6A與圖6B中的設備可採用第一實施例的電化學蝕刻設備或者第二實施例的電鍍設備中的設計。

圖6A的設備600具有9個的蝕刻溶液(或電鍍液)噴灑頭602以及一個基板載臺604，因此可同時9片基板606進行電化學蝕刻或電鍍。每個蝕刻溶液噴灑頭602內設有第一電極(未繪示)。基板載臺604則具有對應上述9個蝕刻溶液噴灑頭602的凸出部608，每個凸出部608中可設置第二電極(未繪示)。當執行多片電鍍或者電化學蝕刻時，可採用串聯或並聯的方式供應電流；如要避免蝕刻時電流過大，優選為採用串聯的方式。此外，在基板載臺604的凸出部608之間還可設置排水孔610，以防止蝕刻溶液或電鍍液聚積在基板載臺604內。

圖6B的設備612雖只有一個蝕刻溶液(或電鍍液)噴灑頭614，但同樣可對應多片基板並設有數個電鍍液輸入部616，因此搭配上述基板載臺604，同樣能對多片基板進行電化學蝕刻或者電鍍處理，而達到量產化的成果。

尤其是要對多片晶片同時進行電化學蝕刻，第三實施例的設備600與612跟傳統多孔矽蝕刻的設備相比，能大幅降低白金電極的用量，並進而降低設備成本。再者，因為設備600與612中流經每個基板606(即，晶片)的蝕刻溶液彼此分離，所以能避免傳統多孔矽蝕刻的設備中電流未貫穿晶片就在溶液中先行短路的問題發生。而且，因為蝕刻溶液是開放式地流動，所以多孔矽蝕刻產生的大量氣泡能被流動的蝕刻溶液衝掉，而避免因氣泡造成的蝕刻不均勻問題。

以下列舉實驗用以驗證本發明設備的效果，但本發明的範圍並不局限於以下實驗。

電鍍設備：如圖4所示的電鍍設備，其中第一電極為銅電極板，且銅電極板接上正極；第二電極為鈦電極板，且鈦電極板接上負極。

基板：表面鍍有200nm的銀層的P-type矽晶片，矽晶片的直徑3吋、厚度375μm，矽晶片電阻率為0.05ohm-cm。

電鍍

首先，將基板置於鈦電極板上，欲進行電鍍之面(鍍有銀層的表面)朝上，基板背面與載臺中間的鈦電極板接觸。然後，將電鍍液噴灑頭放在基板上方，距離基板10mm。於電鍍液噴灑頭內持續倒入硫酸銅電鍍液，使 得基板表面均勻沾滿電鍍液，液膜高度維持在5mm，並讓電鍍液持續流動，流速為2liter/min。開啟電流，電流密度設定0.01A/cm2，持續進行30秒。經觀察可確認矽晶片表面確實已鍍上銅層。

綜上所述，本發明至少有以下效果：

1.本發明通過流動的溶液，可以避免氣泡累積，讓蝕刻或是電鍍更均勻。

2.本發明的蝕刻設備中的(正極)電極不會接觸到蝕刻溶液，可以使用任何可導電金屬材料。

3.本發明通過溶液使(負極)電流導通，因此只需要電極棒深入蝕刻溶液中即可，可在均勻電流的前提下將白金用量降到最低。

4.本發明的蝕刻溶液或電鍍液連續噴灑，可解決溶液高度監控困難的問題。

5.本發明的電流可均勻貫穿基板，所以用於多孔矽蝕刻或電鍍方面均可更加均勻。

6.本發明通過單一設備即可做電流強度的調變，因此不需要移動晶片即可蝕刻出雙層甚至多層的多孔矽層，譬如施加第一電流強度形成第一種孔隙度層後，直接改變電流強度來形成第二種孔隙度，依此類推。

7.本發明的設備可以量產，在工藝放大後仍然可以保持蝕刻均勻性，工藝設備體積也可以最小化，設計上更為簡單，操作上也更加便利。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。