插指電極掩膜的設計與制造*

楊麗娥

(云南開放大學 機電工程學院， 昆明 650500)

插指電極掩膜的設計與制造*

楊麗娥

(云南開放大學 機電工程學院， 昆明 650500)

針對插指電極制造中所涉及的掩膜制備復雜以及高成本問題，提出了一種插指電極透明掩膜的制造方法.通過AutoCAD軟件設計了指形、螺旋形和方形三種不同圖案的插指電極，采用透明紙和噴墨打印機將插指電極圖案制造成透明掩膜，利用常規光刻技術將透明掩膜上的插指電極圖案轉移至硅片上的鋁金屬層，利用高倍顯微鏡對插指電極圖案及插指電極進行觀察.通過將本方法應用于太陽能電池，并對太陽能電池的電學特性進行測試，證實了本方法在太陽能電池領域的實用性.

插指電極；透明掩膜；光刻；光刻膠；噴墨打印；AutoCAD軟件；蝕刻；太陽能電池

為了降低光刻工藝中光刻膠圖案化的成本，許多學者已經對其制造工藝進行了研究[1-5].常規制造中通常在透明玻璃基板上沉積金屬鉻薄層，然后通過電子束曝光等高精度光刻技術在金屬鉻薄層上制備圖案，形成常規光刻工藝中的透明掩膜.電子束曝光等高精度光刻技術雖然精度高，但是效率非常低，同時涉及鉻金屬的沉積等過程，因此常規透明掩膜的整個制備過程耗時長并且成本高.本文提出一種用于光刻工藝的對光刻膠進行圖案化的低成本技術，該技術在常規的制造步驟中使用了透明掩膜，并采用計算機輔助設計和打印機，可在任意時間產生任何期望圖案的透明掩膜[6].制造過程雖仍需要如旋涂機和紫外曝光系統等各種設備，但透明掩膜本身的成本低廉，可大幅減小實現成本.本文采用指形插指電極(IDE)、螺旋形IDE和方形IDE圖案對AutoCAD設計的印刷透明掩膜與蝕刻后光刻膠顯影制造的IDE進行了對比，并根據本文所提出的IDE制造方法在InGaN太陽能電池上制作了不同形狀和間距的插指電極，同時還研究了插指電極的形狀和間距對太陽能電池效率的影響.

1 插指電極的設計與制造

1.1 插指電極的設計

本研究首先采用AutoCAD 2007軟件對IDE進行設計，圖1中展示了IDE的設計圖案和尺寸，圖1a中展示的指形IDE由彼此相對交叉的十個指形電極構成；圖1b和圖1c分別展示了螺旋形IDE和方形IDE，該兩種設計均包括兩個平行的電極(圖1中尺寸單位為mm).

1.2 透明掩膜制備

本文采用佳能MP250打印機在透明紙上打印IDE的布局設計，圖2展示了在透明紙上打印的IDE布局設計.為了盡可能消除設計圖案布置位置對結果的影響，分別左右對稱、上下對稱地布置了圖1中所示的3種掩模圖案.

圖1 插指電極的設計圖案和尺寸Fig.1 Designed patterns and size of IDEs

圖2 透明掩膜布局設計Fig.2 Layout design of transparent mask

1.3 IDE的制造

圖3展示了鋁基IDE的制造過程.首先采用緩沖氧化蝕刻(BOE)溶液以及去離子(DI)水清洗p型晶片，以便去除固有氧化物和污染，在進行濕法氧化之前，須確保晶片表面疏水.接下來將晶片放入爐子中，在1 000 ℃下恒溫1 h，可生長約3 000 ?的氧化層.在濕法氧化之后，采用劃片機將晶片分成4個小片以方便處理和圖案化.使用2.5 cm的鋁線在熱蒸發器上沉積鋁，然后在鋁層上涂覆正性光刻膠層，隨后將透明掩膜暴露于紫外光中進行顯影.由于選擇了透明掩膜，因此使用接觸式印刷方法[7-9]，光刻膠涂覆的晶片與透明掩膜之間接觸確保了曝光之后高分辨率圖案的轉移.在顯影之后，借助于高倍顯微鏡來觀察確認圖案狀態，當顯示圖案狀態滿足要求時，繼續對暴露出的鋁進行蝕刻(該過程必須小心處理以防止過蝕刻或欠蝕刻)，最后采用丙酮去除留下的光刻膠及殘余物.

2 插指電極制造結果分析

文本選用高倍顯微鏡對制造結果進行觀察，圖4為使用高倍顯微鏡觀察的觀察點分布情況.

圖5為通過高倍顯微鏡觀察的印刷透明掩膜結果，深藍色輪廓為由佳能MP250印刷的IDE圖案，淺藍色為透明掩膜.由圖5可以看出，在印刷的IDE邊緣周圍形成了鋸齒狀結構(如圖中紅色圓圈中所示)，這是由所噴射的油墨在印刷之前形成了小的球滴所導致的，由于球滴的積累，最終構成了鋸齒狀結構[10-11].

圖3 鋁基IDE制造過程Fig.3 Fabrication process of aluminium based IDE

圖4 觀察點位置Fig.4 Positions of inspection points

圖6為噴墨打印機進行油墨噴射的示意圖，其進一步展示了鋸齒狀結構的形成過程.電阻加熱器使油墨蒸發以產生蒸氣氣泡，當氣泡擴張時，油墨滴從噴嘴噴出并被印刷到透明紙上.在印刷之后停止加熱，氣泡消失并創建真空空間，油墨的滴落形成了鋸齒狀結構，由于鋸齒狀尺寸僅為5～10 μm，因此邊緣的粗糙度是可以容忍的.

圖7為光刻膠顯影之后的晶片觀察結果.圖7中的棕色輪廓表示光刻膠，而淺藍色則表示稍后將被蝕刻的鋁層.詳細觀察每個IDE以確保光刻過程期間圖案的最佳轉移，若發現任何缺陷，則去除光刻膠并重新進行光刻.圖7中雖在光刻膠的邊緣周圍存在鋸齒狀結構，但圖案的轉移是可以接受的.

圖5 透明掩膜高倍顯微鏡觀察結果Fig.5 Inspection results of transparent mask with high magnification microscope

圖6 油墨噴射示意圖Fig.6 Schematic ink injection

圖7 光刻膠顯影之后的IDE觀察結果Fig.7 Inspection results of IDEs after photoresist development

圖8為蝕刻過程之后的IDE觀察結果.圖8中的淡藍色輪廓表示鋁基IDE，深藍色表示二氧化硅層.在觀察完畢后，選用具有良好輪廓的器件以待使用.

表1～3分別給出指形IDE、螺旋形IDE以及方形IDE的電極寬度和電極間隙的尺寸.測量結果表明，透明掩膜上指形IDE電極寬度超過設計值最多的為8.42 μm，最大電極間隙為9.4 μm；透明掩膜上螺旋形IDE電極寬度超過設計值最多的為6.36 μm，最大電極間隙為7.58 μm；透明掩膜上方形IDE電極寬度超過設計值最多的為16.04 μm，最大電極間隙為20.30 μm.

圖8 蝕刻之后的IDE觀察結果Fig.8 Inspection results of IDEs after etching process

將設計尺寸與制造IDE尺寸(蝕刻之后)進行比較，所制造的指形IDE電極寬度超過設計值最多的為35.65 μm，最大電極間隙為42.08 μm；所制造的螺旋形IDE電極的寬度超過設計值最多的為52.43 μm，最大電極間隙為48.60 μm；所制造的方形IDE電極寬度超過設計值最多的為49.80 μm，最大電極間隙為58.42 μm.

表1 指形IDE尺寸Tab.1 Size of finger IDEs μm

表2 螺旋形IDE尺寸Tab.2 Size of spiral IDEs μm

表3 方形IDE尺寸Tab.3 Size of square IDEs μm

綜上所述，本文提出的方法實現了以圖案轉移為目的的光刻過程中透明掩膜的制造.若光刻膠顯影和蝕刻的過程控制不足，則制造結果具有一定容差，在本文中所制造的IDE容差為±60 μm.

3 太陽能電池插指電極制備應用

采用本文設計方法，在常規InGaN太陽能電池的外延片(藍寶石襯底/1 μm n-GaN，量子阱/150 nm p-GaN)上分別制作p電極(Ni/Au)和n電極(Ni/Al/Au).n電極處于n-GaN上，覆蓋露出整個n-GaN表面.p電極采用了圖9中所示的不同形狀和間距的IDE結構，線寬為80 μm.針對圖9a、b中的電極形狀，制作了插指間距分別為0.11、0.17、0.41、0.55及1.1 mm的5種樣品，將該組樣品命名為A組樣品；針對圖9c、d中的電極形狀，制作了插指間距分別為0.17、0.41和0.55 mm的3種樣品，將該組樣品命名為B組樣品.

圖9 不同形狀和間距的IDEFig.9 IDEs with different shapes and intervals

采用卓立漢光太陽光模擬器，在室溫下將Keithley 2400作為電流源對所制作的樣品進行電學特性測試.文中對每種樣品的不同位置進行多次測量，并取平均值來減小測試誤差.分別測量了所述樣品的電流密度J(短路電流密度)、開路電壓U以及轉換效率.A組樣品的短路電流密度和開路電壓關系曲線如圖10所示，J1～J5分別表示所述5種樣品的電流密度.從圖10中可看出，短路電流密度約為0.27 mA/cm2，開路電壓為1.2 V以上，短路電流密度與開路電壓隨著插指間距的增加而減小.這是由于插指間距減小，導致插指數量和面積增大，從而串聯電阻與吸收光的有效面積均有所減小，隨著插指數量的增加，雖然減小了串聯電阻，但卻并未顯著提高電池性能.

圖10 A組樣品的J-U曲線圖Fig.10 J-U curves of samples in group A

圖11為A組樣品的U和J隨插指電極間距變化曲線圖，由圖11可見，太陽能電池性能隨著IDE密度的增加而降低.A組樣品和B組樣品的J隨插指間距變化如圖12所示，隨著IDE密度的增加，太陽能電池的性能降低.此外，從圖12中還可以看出，在插指間距相同的情況下，A組樣品的電流密度大于B組樣品.這是由于現有技術GaN基太陽能電池的n電極與p電極在器件的同側，使得容易出現電流邊緣聚集效應.與A組樣品相比，B組樣品的IDE電極更靠近中心區域，因此，不能有效地收集到邊緣區域聚集的電流，從而導致該種結構的樣品電流密度更低.綜上可知，為了使太陽能電池的光吸收面積增大，需要增大電極間距，并使電極靠近器件邊緣區域.

圖11 A組樣品的U和J隨插指電極間距變化圖Fig.11 Change of U and J with interval for samples in group A

圖12 A組樣品和B組樣品的J隨插指間距變化圖Fig.12 Change of J with interval of IDEs of samples in groups A and B

4 結 論

本文通過應用透明掩膜實現了快速、低廉且用戶友好的光刻過程.可以采用任何圖案設計透明掩膜，并可在任意時間采用透明掩膜、打印機和計算機來進行印刷，適合在無需較高尺寸精度的研究或低成本制造過程中應用，縮短了研發前期的時間投入和成本投入.將文中所提出的掩膜制造方法應用于太陽能電池，并對不同IDE結構下太陽能電池的電學特性進行測試，測試結果證實了本文所提出的方法在太陽能電池領域的實用性.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Design and fabrication for mask of interdigitated electrodes

YANG Li-e

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan Open University,Kunming 650500,China)

Aiming at the complex mask preparation and high cost in the fabrication of interdigitated electrodes (IDEs),a fabrication method for transparent mask of IDEs was proposed.The IDEs with three different patterns including finger-shape,spiral-shape and square-shape were designed with AutoCAD software.The patterns of IDEs were fabricated into the transparent mask with the transparent paper and inkjet printer.The patterns of IDEs on the transparent mask were transferred to the aluminum metal layer on the silicon wafer with the conventional photolithography technology.In addition,the IDEs and the patterns of IDEs were observed with high magnification microscope.Through applying the proposed method to solar cells and testing the electrical characteristics of solar cells,the practicality of the proposed method in the field of solar cells is confirmed.

interdigitated electrodes (IDEs);transparent mask;photolithography;photoresist;inkjet printing;AutoCAD software;etching;solar cell

2016-10-24.

云南省教育廳科學研究基金資助項目(2014Y365).

楊麗娥(1975-)，女，云南大理人，講師，碩士，主要從事機械設計、加工制造等方面的研究.

02 17∶28在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170302.1728.016.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.08

TN 305

A

1000-1646(2017)02-0159-06