Nonselective wet etching of III–V semiconductor materials with HIO3:HCl:H2O solutions
Koikkalainen, Tomi (2018)
Koikkalainen, Tomi
2018
Teknis-luonnontieteellinen
Teknis-luonnontieteellinen tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-06-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201805241836
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201805241836
Tiivistelmä
Etching is an important step in III–V semiconductor solar cell manufacturing process. It is used for electrically isolating the photoactive regions from the surrounding areas, and for defining their surface area. In this thesis, samples of a MBE-grown III–V semiconductor multijunction structure with a patterned photoresist mask were etched with aqueous solutions of iodic acid (HIO3) and hydrochloric acid (HCl), in order to achieve nonselective etching through all the semiconductor layers, using only one etchant solution. As every III–V material has more or less different physical and chemical properties, they tend to interact differently with each etchant solution. Thus, it is a somewhat challenging task to achieve a uniform etch rate over every layer in a III–V semiconductor multijunction structure with good overall etch morphology.
Different etching experiments were conducted with varying compositions of HIO3, HCl and deionized water. Agitation rates were varied from no agitation to 1300 rpm magnetic stirring and temperatures ranging between -18.5–45 °C were used. For comparison, another administration method was studied: Etchant solution was dropped from a burette onto two samples, attached on a rotating (200–300 rpm) Teflon disc. Effect of light was also studied by conducting otherwise similar experiments in dark, in ambient cleanroom lighting and with direct illumination from a 1000 lumen (lm) flashlight. Etch depths were measured with a profilometer and etch rates were derived. Etch morphology was analyzed from scanning electron microscope images, taken of the cross sections of the etched samples. In addition, I-V characterization of separate III–V semiconductor sample cells etched in 0.13 M HIO3 and 4.0 M HCl solution with 900 rpm agitation at 2 °C was conducted at AM 1.5D spectrum. Similar reference cells were etched with ICP.
The etch morphology of the samples varied from very good (smooth surfaces and 0.3 μm maximum undercut) to very poor (rough surfaces with up to 16.5 μm deep holes or up to 37.7 μm maximum undercut). Best etch morphologies with least undercut were achieved with concentrations of 0.13 M HIO3 and 4.0 M HCl. With this etchant composition, higher agitation rates (1300 rpm and 900 rpm) resulted in better etch morphologies than lower ones (250 rpm and 0 rpm). The optimal temperature range with these acid concentrations at 900 rpm agitation rate was between -9.5 °C and 20 °C. Etching under illumination from the 1000 lm flashlight resulted in over 60-fold undercut of certain layers, compared to an otherwise similar experiment conducted in dark. The results of the I-V characterization are also promising, as the sample cells achieved power conversion efficiencies comparable to those of the reference cells. Etsaaminen on tärkeä prosessointivaihe III–V-puolijohdeaurinkokennojen valmistuksessa. Sillä määritellään fotoaktiivisten alueiden pinta-ala, samalla eristäen nämä alueet sähköisesti niitä ympäröivistä alueista. Tässä työssä etsattiin näytteitä MBE-kasvatetusta III–V-moniliitospuolijohderakenteesta, jodihapon (HIO3) ja suolahapon (HCl) vesiliuoksessa, käyttäen kuvioitua fotoresistimaskia. Tavoitteena oli ei-selektiivinen etsaus kaikkien puolijohdekerrosten läpi, käyttäen ainoastaan yhtä etsausliuosta. Koska jokainen III–V-puolijohdemateriaali on hieman erilainen fysikaalisilta ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan, ne reagoivat hieman eri tavoin eri etsausliuosten kanssa. Tästä johtuen, on haastavaa saada jokainen puolijohdekerros etsaantumaan yhtä nopeasti, mikä on tärkeää siistin etsausprofiilin kannalta.
Näytteet etsattiin useissa eri HIO3- ja HCl-pitoisuuksissa, erilaisilla etsausliuosten sekoitusnopeuksilla (0¬–1300 rpm magneettisekoitus), ja eri lämpötiloissa (-18.5–45 °C). Vertailun vuoksi, kaksi näytettä etsattiin pyörivän (200–300 rpm) Teflon-kiekon päällä, tiputtaen etsausliuosta näytteille byretistä. Valon vaikutusta etsaukseen tutkittiin toteuttamalla muutoin samanlaiset etsauskokeet pimeässä, normaalissa puhdastilan valaistuksessa, sekä valaisten näytettä läheltä 1000 lumenin (lm) taskulampulla etsauksen aikana. Etsaussyvyydet mitattiin profilometrillä, ja näistä laskettiin myös etsausnopeudet. Etsausprofiileja tarkasteltiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla otetuista poikkileikkauskuvista. Lisäksi, erillisille 0.13 M HIO3 ja 4.0 M HCl liuoksessa (2 °C, 900 rpm) etsatuille III–V puolijohdeaurinkokennoille suoritettiin virta-jännitemittaukset AM 1.5D -spektrillä. Samanlaiset vertailunäytteet etsattiin ICP:llä.
Näytteiden etsausprofiilien laatu vaihteli erittäin hyvästä (sileät etsauspinnat ja alle 0.3 μm undercut) erittäin huonoon (karkeat etsauspinnat, jopa 16.5 μm syviä koloja etsauspinnassa, tai suurimmillaan 37.7 μm undercut). Parhaat etsausprofiilit pienimmällä undercutilla saatiin konsentraatioilla 0.13 M HIO3 ja 4.0 M HCl. Tällä etsausliuoksella, suuremmat sekoitusnopeudet (1300 rpm ja 900 rpm) toimivat paremmin kuin pienemmät (250 rpm ja 0 rpm). Optimaalinen lämpötila-alue mainituilla konsentraatioilla ja 900 rpm sekoitusnopeudella oli -9.5–20 °C. Etsaaminen 1000 lm taskulampun valossa aiheutti yli 60-kertaisen undercutin verrattuna vastaavaan kokeeseen pimeässä. Virta-jännitemittauksissa testikennot saavuttivat samanlaiset hyötysuhteet vertailunäytteiden kanssa.
Different etching experiments were conducted with varying compositions of HIO3, HCl and deionized water. Agitation rates were varied from no agitation to 1300 rpm magnetic stirring and temperatures ranging between -18.5–45 °C were used. For comparison, another administration method was studied: Etchant solution was dropped from a burette onto two samples, attached on a rotating (200–300 rpm) Teflon disc. Effect of light was also studied by conducting otherwise similar experiments in dark, in ambient cleanroom lighting and with direct illumination from a 1000 lumen (lm) flashlight. Etch depths were measured with a profilometer and etch rates were derived. Etch morphology was analyzed from scanning electron microscope images, taken of the cross sections of the etched samples. In addition, I-V characterization of separate III–V semiconductor sample cells etched in 0.13 M HIO3 and 4.0 M HCl solution with 900 rpm agitation at 2 °C was conducted at AM 1.5D spectrum. Similar reference cells were etched with ICP.
The etch morphology of the samples varied from very good (smooth surfaces and 0.3 μm maximum undercut) to very poor (rough surfaces with up to 16.5 μm deep holes or up to 37.7 μm maximum undercut). Best etch morphologies with least undercut were achieved with concentrations of 0.13 M HIO3 and 4.0 M HCl. With this etchant composition, higher agitation rates (1300 rpm and 900 rpm) resulted in better etch morphologies than lower ones (250 rpm and 0 rpm). The optimal temperature range with these acid concentrations at 900 rpm agitation rate was between -9.5 °C and 20 °C. Etching under illumination from the 1000 lm flashlight resulted in over 60-fold undercut of certain layers, compared to an otherwise similar experiment conducted in dark. The results of the I-V characterization are also promising, as the sample cells achieved power conversion efficiencies comparable to those of the reference cells.
Näytteet etsattiin useissa eri HIO3- ja HCl-pitoisuuksissa, erilaisilla etsausliuosten sekoitusnopeuksilla (0¬–1300 rpm magneettisekoitus), ja eri lämpötiloissa (-18.5–45 °C). Vertailun vuoksi, kaksi näytettä etsattiin pyörivän (200–300 rpm) Teflon-kiekon päällä, tiputtaen etsausliuosta näytteille byretistä. Valon vaikutusta etsaukseen tutkittiin toteuttamalla muutoin samanlaiset etsauskokeet pimeässä, normaalissa puhdastilan valaistuksessa, sekä valaisten näytettä läheltä 1000 lumenin (lm) taskulampulla etsauksen aikana. Etsaussyvyydet mitattiin profilometrillä, ja näistä laskettiin myös etsausnopeudet. Etsausprofiileja tarkasteltiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla otetuista poikkileikkauskuvista. Lisäksi, erillisille 0.13 M HIO3 ja 4.0 M HCl liuoksessa (2 °C, 900 rpm) etsatuille III–V puolijohdeaurinkokennoille suoritettiin virta-jännitemittaukset AM 1.5D -spektrillä. Samanlaiset vertailunäytteet etsattiin ICP:llä.
Näytteiden etsausprofiilien laatu vaihteli erittäin hyvästä (sileät etsauspinnat ja alle 0.3 μm undercut) erittäin huonoon (karkeat etsauspinnat, jopa 16.5 μm syviä koloja etsauspinnassa, tai suurimmillaan 37.7 μm undercut). Parhaat etsausprofiilit pienimmällä undercutilla saatiin konsentraatioilla 0.13 M HIO3 ja 4.0 M HCl. Tällä etsausliuoksella, suuremmat sekoitusnopeudet (1300 rpm ja 900 rpm) toimivat paremmin kuin pienemmät (250 rpm ja 0 rpm). Optimaalinen lämpötila-alue mainituilla konsentraatioilla ja 900 rpm sekoitusnopeudella oli -9.5–20 °C. Etsaaminen 1000 lm taskulampun valossa aiheutti yli 60-kertaisen undercutin verrattuna vastaavaan kokeeseen pimeässä. Virta-jännitemittauksissa testikennot saavuttivat samanlaiset hyötysuhteet vertailunäytteiden kanssa.