光诱导沉积方法的进展及运用

1、光诱导沉积方法的进展及运用1前言随着全球能源的日趋紧张，太阳能电池以无污染、无机械转动部 件，维护简便、无人值守、建设周期短、规模大小随意，可以方便地 与建筑物相结合，市场空间大等独有的优势而受到世界各国的广泛重 视，国际上己有众多大公司投入到太阳能电池的研发和生产中。当前, 硅太阳能电池的制造而临的挑战是提高太阳能电池的效率以增加单 位而积的发电量以及进一步降低制造成本，使其能够广泛应用。在晶 体硅太阳能电池中，硅片上电极列阵的制备是非常关键的技术，电极 阵列是收集太阳能电池发出电流的必要部件，其性能的好坏直接影响 电池的能量转换效率。作为电镀技术的一个分支，光诱导沉积技术成 为可以代替传统

2、丝网卬刷技术，能够提高太阳能转换效率的新兴金属 化技术。在制造业迅速发展的时代，光诱导沉积技术的加工生产并逐 步商业化，吸引了太阳能仪器制造公司的注意。传统电镀己经取得优 异的成绩，例如在良好的金属底层上，通过恒电位或者恒电流都可以 得到优良的金属导线。但是，如何在太阳能电池的硅表面上得到优异 的沉积层，却没有得到很好地解决。光诱导沉积技术能够解决传统电 镀无法解决的部分问题。作为电沉积的一个分支，光诱导沉积的发展 将进一步促进光伏和微电子制造工业的飞速发展。为了系统整理和集 中反映光诱导沉积技术及其应用研究的学术进展和科技成就，增进交 叉学科领域之间的学术交流，加强科学技术研究与经济建设的联

3、系， 促进科技成果的转化，笔者撰写了本文。目的是为了帮助电镀工作者 了解新技术的机理以及发展方向。有关光诱导沉积技术的研究在国外 己经开展很多，而国内才刚刚起步。而且到目前为止，并没有关于光 诱导沉积研究现状及水平的系统总结。该文将对这方面进行综述。2光诱导沉积分类及其原理光诱导沉积按反应类型可分为两大类：光诱导分解型和光生电子 型。2.1光诱导分解型根据Grotthuss-Draper定律，只有吸收辐射（以 光子的形式）的分子才会进行光化学转化。但是光诱导分解型沉积可 以细分为两类：第一类称为直接光解，是化合物本身直接吸收了太阳 能而进行分解反应，即利用一些对光敏感的化合物，使其在光的照射

4、区域分解出金属单质并且沉积出来；第二类为光转化为热，利用一些 对热敏感的化合物，采用激光加热使这类化合物在基体表面分解产生 金属，从而形成沉积层。2.2光生电子型光生电子型则利用具有p-n 结的半导体的光伏效应，于外光源照射下在半导体的p-n结两侧的p 区域产生空穴和n区域产生电子，并用来还原金属离子。溶液中金属 离子的还原过程为：MeMnn+T溶液还原（Mn+为金属离子；e为光生 电子；M为金属）。光诱导沉积过程与电镀相似，只不过前者是靠外 部光源照射到基体上贡献出电子，基体本身产生提供化学反应的电位, 而后者是靠外电源提供。光诱导电沉积的过程可用图1表示。这种利 用光生电子来还原电镀液中金

5、属离子的技术叫做光诱导电镀技术。光 诱导沉积法由于其特殊性，常用在半导体以及光伏电子工业领域。该 工艺异于化学镀和置换镀，它不需要镀液中的还原剂来还原金属离子。 这类技术不会因为基体被完全覆盖而停止反应。3光诱导沉积技术的发展3.1光分解型光诱导沉积技术的发展1987年，J.Michael等在美国专利上介绍了一种光诱导沉积技术， 即在光敏电镀液(PdCI2-SnCI2-HCI)中直接采用激光引发金属离子在工 件上进行沉积。这种方法是利用激光的能量，诱导溶液中金属离子发 生自动催化反应，从而在基体上的光照射区域中产生金属沉积。其反 应为：Sn2+Pd2+二Sn4+Pd。可以看到，在这种新方法中光

6、敏电镀液 中的氯化亚锡(SnCI2)有较强的还原性。实验中激光光源没有间接或者 直接提供金属还原的电子，而只是破坏了被照射区域混合光敏电镀液 的稳定性，使光敏电镀液中Sn2+促使Pd2+还原为金属Pd,并沉积下 来。由于该方法能使金属离子按照光斑的形状在非金属材料上沉积出 各种图案，并且不需要屏蔽或遮盖基体，使其更适合应用在微电子领 域中的选择性或者图案化沉积金属，曾一度引起了相关研究人员的关 注。但是这种方法由于存在光敏电镀液稳定性不好、抗杂质能力差、 激光光源选择难且设备昂贵等一系列难以解决的问题而无法得到广 泛应用。进入20世纪90年代，为了解决光敏电镀液的稳定性问题， M.Schles

7、inger2在其书中介绍Zhou等人在1991年开发的一种光分解 型光诱导沉积电镀液H2PtCI6乙醇溶液，并在实验中把经过丙酮和 蒸镉水清洗过的基体置于盛满上述溶液的玻璃容器中，通过激光束照 射大约20min,使金属钳离子在基体表面沉积。这是聚焦光束使乙醇 中的PtCI62发生了光化学反应，从而使Pt沉积在基体中受到光照的 区域。这种新的电镀液利用了 H2PtCI6在一定温度下即分解生成金属钳 的特性，在激光照射下，这种新电镀液中被照射区域的温度局部升高， 从而使H2PtCI6分解。其反应如下:264HPtCGTPtCI+2HCI热， 422PtCITPtCI+CI热,22PtCGTPt+C

8、I热。这种电镀液虽然较稳定, 但是需要的激光功率大，照射时间长，并且难以得到连续的沉积层。 为了进一步提高光敏电镀液的稳定性，解决光源难找并且得到连续的 金属沉积层等众多问题，固态电解质的应用和低功率的光源随之出现。 H.Esrom等M4采用红外光照射诱导掺杂醋酸锂的聚酰亚胺高分子膜 进行分解，然后按照图案把多余的金属沉积层通过激光进行切除，再 通过化学镀铜工艺在耙金属上沉积得到所要的图案。在实验中，金属 有机膜被红外光照射l2s即分解，然后采用ArF源的激光在不破坏 基底的情况下把锂金属层根据图案切割出来，再采用化学镀法在图案 相应的区域上沉积一层金属铜。这种新型的方法没有采用传统的电镀 液，而是采用掺有醋酸锂的聚酰亚胺高分子膜作为固态电解液覆盖在 基体上，解决了由于电镀液的不稳定性而带来的一系列问题。更重要 的是，常见的红外光源也能够在短时间内引发金属