电镀铜技术路线包括哪些？

电镀铜技术路线是对传统丝网印刷环节的替代，可以分为“种子层制备 +图形化+金属化+后处理”四大环节。

1.种子层制备：PVD对工艺温度要求较低，为目前主流方案

电镀铜路线的第一步是种子层的制备，用来增加电镀铜与TCO层之间 的附着力。若直接在 TCO 上进行电镀，会因为附着力是范德华力（镀层 和 TCO 间的物理接触产生）而容易引起电极的脱落，而铜与 TCO 的接 触特性是影响HJT 电池载流子收集、附着特性及电性能提高的重要因素， 另外直接在 TCO 上电镀铜是非选择性的。为此，在电镀前在 TCO 表面 沉积一层极薄的种子层（100nm），可以改善铜和 TCO 接触及附着特征， 随后沉积图形化的掩膜，以实现选择性电镀。

在种子层制备方式上，包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD） 等。物理气相沉积是在真空或低压气体放电条件下（即在等离子体中进 行的），经过“蒸发或溅射”后，在物体表面生成与基材料性能完全不同 的新固态涂层过程；而化学气相沉积则是把含有构成薄膜元素的气态反 应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。PVD和 CVD主要区别体现在工艺温度上，目前主流方法为 PVD 制备。 CVD 对工艺温度要求较高（炉内温度在 800~1000℃），并且在高温条件 下镀层结合强度会更强，相比较而言，PVD 对工艺温度要求较低（500℃ 或更低）。此外，PVD 和 CVD 在适用范围、镀膜效果、投资成本和生产 周期方面各有千秋，以 PVD 为例，其设备投资较贵，但对应生产周期更 短；镀膜可以做到更薄（3~5μm），但涂层结合强度会更低。

种子层也起到阻挡层的作用，一般选择导电性能良好的镍。以TOPCon 电池为例，晶硅电池若采用铜电极的挑战在于铜在硅基内的扩散速度很 快，若不加以控制，会导致晶硅电池的失效，造成转换效率大幅降低， 因此需要合适的扩散阻挡层（种子层）来阻挡铜离子进入晶硅内部。镍 由于与铜在晶硅内部的沉淀规律不同（在硅基内部扩散的量较少），都处 于硅基表面，且镍与硅在 370℃的退火温度下就可以形成良好的硅镍合 金，因此镍是作为种子层较好的材料。相比较而言，HJT 电池最外层的 TCO 是天然的阻挡层材料，因此 HJT 电池电镀铜工艺也可以选择不制 备种子层，但如何保证铜与 TCO 的有效欧姆接触也是问题（TCO不耐高温）。

2022 年 9 月，迈为股份联合澳大利亚金属化技术公司 SunDrive 采用迈为自主创新的可量产微晶设备技术和工艺研制的全尺寸(M6， 274.5cm²)N 型晶硅异质结电池，其转换效率高达 26.41%，而在电池的金 属化方面，SunDrive 优化了其无种子层直接电镀工艺，使电极高宽比得 到提升（栅线宽度可达 9μm，高度 7μm）。

2.图形化：光刻路线和激光路线并行，主流工艺仍在探索

图形化是电镀铜整个工艺路线中的重要环节，主要分为光刻路线和激光 路线两种。 方案一：光刻路线（利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀等方法， 将设计好的微图案转移到基板表面），在基板上先进行薄膜沉积→涂感 光材料（光刻胶、油墨等）→光刻→显影→刻蚀→脱胶，各环节相互影 响、相互制约，其中曝光是光刻技术中最重要的环节。

根据感光材料使用的类别，又可以分为干膜光刻和湿膜光刻。湿膜光刻 所用的光刻胶是正胶，而干膜光刻所用的光刻胶是负胶，在需要相同的 图形时，二者采用的掩膜板是相反的。1）干膜（负胶）是一种高分子化 合物，它通过紫外线的照射后产生一种聚合反应（由单体合成聚合物的 反应过程），形成一种稳定的物质附着于基板表面，从而达到阻挡电镀和 蚀刻的功能，即显影时曝光区的光刻胶被保留。2）湿膜（正胶）相对干 膜而言，是一种感光油墨，是指对紫外线敏感，并且能通过紫外线固化 的一种油墨，即显影时非曝光区的光刻胶被保留。

湿膜光刻比干膜光刻多一道烘烤环节，但其性能优异和成本低，为目前 主流路线。1）工艺上，湿膜光刻工艺简单，虽然耗时较长，但光刻效果 质量高；干膜光刻虽然没有烘烤环节可以节省很多时间，但操作起来比 较难控制，由于没有烘烤环节显影过程中的显影液会使得胶膜吸水膨胀， 出现膨胀溶胀现象，使得残留的溶液较难处理。2）性能上，湿膜的对比 度、分辨率和反应速度等性能指标更加优异，使其应用范围更为广泛。 3）成本上，湿膜（油墨）的成本较干膜更低，更适合光伏电池大规模的 生产。

根据是否使用掩模版，光刻技术可以分为直写光刻和掩膜光刻。其中， 掩膜光刻可进一步分为接近/接触式光刻以及投影式光刻。1）直写光刻 （无掩膜光刻），是指将计算机控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光 材料的基材表面，整个过程无需掩膜而直接进行扫描曝光。直写光刻根 据辐射源的不同又可以分为光学直写光刻（激光直写光刻）和带电粒子 直写光刻（电子束直写、离子束直写等）。2）掩膜光刻，由光源发出的 光束经掩膜版在感光材料上成像。具体又可分为接近、接触式光刻以及 投影光刻。相较于接触式光刻和接近式光刻技术，投影式光刻技术更加 先进，通过投影的原理能够在使用相同尺寸掩膜版的情况下获得更小比 例的图像，从而实现更精细的成像。

精度高+灵活性强，直写光刻设备有望在电镀铜图形化环节发力。以PCB 应用领域为例，1）精度方面，直写光刻解析能力由微镜尺寸及成像镜头 缩放倍率决定，避免了底片的限制与影响，可以实现更精细的线宽。目 前直接成像技术能够实现最高精度可达 5μm 的线宽，而使用传统曝光底 片（银盐胶片）的传统曝光技术能够实现最高精度一般约 50μm 左右。 2）灵活度方面，特定型号的掩膜版使用寿命相对较短，会加剧掩膜版投 入成本，尤其是新产品研发成本高、周期长，外加实际使用时更换底片 等环节，故直写光刻工艺灵活度更高。值得一提的是，直写光刻技术目 前还受限于生产效率等方面问题，如带电粒子直写光刻技术的生产效率 较低，且在大规模生产中会产生较为严重的邻近效应。

方案二：激光路线，包括激光开槽和激光转印两种。 激光开槽在太阳能电池电镀铜中具备应用前景，但与 HJT电池工艺不 兼容。由于 HJT 电池的本征和掺杂非晶硅层（a-Si层）厚度均小于20nm， 激光束将造成钝化层的严重损坏，使得在不影响器件性能的情况下烧灼 TCO 层变得不可能。为解决上述问题，可以通过以下方案来解决：首先 在 TCO 层上沉积 Al2O3/a-Si 叠层（a-Si 层作为吸收剂应用于激光照射， 使 Al2O3 薄膜区域被烧蚀）→其次在 TCO 上通过激光开槽形成电镀开 口→沉积种子层（镍）→电镀铜。由于沉积 Al2O3/a-Si 叠层的方法仅适 用单面电镀，外加两个额外工艺步骤，并不适用于双面电镀太阳能电池。

相较激光开槽，激光诱导正向转移（LIFT）可适用于 HJT 电池。LIFT 技术工艺流程相对简单：首先在 TCO 薄膜上沉积一层电介质作为镀膜 →将种子层正向诱导至太阳能电池上→种子层通过 烧制与 TCO 形成良好接触→电镀铜。其中，无机材 料的厚度通常为几十纳米，电极形 貌与较厚的有机镀膜相比更加平滑，且可以通过调整镀液来抑制横向生 长，从而实现更大的高宽比。图形化环节光刻路线和激光路线并行，主流工艺仍在探索。1）光刻路线 方面，以芯碁微装为代表，其直写光刻设备现阶段已可应用于电镀铜方 案，正与相关产业方就上述方案在光伏领域的量产应用进行合作，但目 前暂未形成量产出货。2）激光路线方面，以帝尔激光为代表，其电镀工 艺在前期 TOPCon 电池上已实现较好的中试应用，且在 2022 年 IBC 上 又有更进一步的突破。目前，已取得电镀铜激光设备的量产订单。

3.金属化：垂直镀技术成熟但产量受限，水平镀有望助力产能放量

垂直镀工艺成熟但产能有限，难以支撑大规模化的生产。根据东威科技 （国内 PCB 电镀设备龙头）招股书显示，目前其垂直连续电镀设备相对 成熟（在均匀性和贯孔率等关键指标上表现良好），是 PCB 下游厂商的 首选。在采用垂直镀对光伏电池进行铜电镀时，需要利用阴电极夹具夹 持住太阳电池（压针与特别设计的开膜区域接触）→然后将电池浸泡在 种子层为镍的镀槽中→镀完镍后经过清洗槽后再提拉至水槽清洗→清 洗后提拉至电镀铜槽进行铜电镀→再提拉至水槽清洗，后再提拉至锡槽 镀锡（锡的厚度约为 1 微米，用以防氧化，铜较银更容易氧化）。根据垂 直镀的工艺流程，可以发现受限于机械结构限制单槽夹持的电池片数目， 以及考虑夹住硅片并进行上下移动的耗时，垂直镀路线的产能将受限 （目前东威科技垂直镀设备量产水平约 7000 片/小时）。

水平镀与垂直镀原理相同，但生产的速度和效率要更高。水平镀是在垂 直镀基础上发展的新颖电镀技术，该技术需要与镀液和辅助装置等实现 良好的相互配合。与垂直镀原理相同，水平镀也必须具有阴阳两极，通 电后产生电极反应使电解液主成份产生电离，使带电的正离子向电极反应区的负相移动；带电的负离子向电极反应区的正相移动，于是产生金 属沉积镀层和放出气体。在传送方面，水平镀采用链式传输（滚轮旋转 带动电池片移动），而其中一侧滚轮为导电材料形成电镀系统的阴电极， 电池在水平传输过程中与阴电极滚轮保持连续的或几乎连续的接触，从 而实现铜电镀。为此，只需要设计合适长度的槽体，提高传输的速度， 即可实现理想的单位时间产片量，使其满足大规模量产化需求。

水平镀与垂直镀实际效果差异不大，各厂商正积极研发验证。根据捷得 宝在 2021 年 8 月更新的水平电镀设备数据来看，该设备能够实现双面 同时电镀和较佳的均匀性，产速以 M2 计算，可达 6000 片/小时（目标 10000 片/小时）。而目前进展较快的罗博特科在 2022 年 12 月 26 日实现 首创新型异质结电池铜电镀设备的交付，对现阶段在 HJT 电池铜互联技 术的推进有着里程碑的重大意义。

4.后处理：刻蚀+去膜，工艺难度不大

后处理主要是对感光材料和种子层的去除，工艺难度不大。在经显影（图 形化）、以及镀铜（金属化）后，先对感光材料进行去膜处理，然后通过 刻蚀来去除种子层，保证非镀铜位置的 TCO 层能够露出。其中刻蚀可以 分为湿法刻蚀和干法刻蚀干法刻蚀占比大，约占 90%。1）湿法刻蚀：用液体化学 试剂（如酸、碱和溶剂等）以化学的方式去除硅片表面的材料，以集成 电路工艺为例，大多是湿法化学刻蚀是将硅片浸入化学溶剂或向硅片上 喷洒刻蚀溶剂；一般适用于尺寸较大的情况下（大于 3μm）。2）干法刻 蚀：通过等离子气与硅片发生物理或化学反应（或结合物理、化学两种 反应）的方式将表面材料去除。目前，较光刻而言，国内刻蚀工艺和刻 蚀设备比较成熟，已经能够达到世界较为前列的水平，能够达到较高的 刻蚀选择性、更好的尺寸控制、低面比例依赖刻蚀和更低的等离子体损 伤。