國產Lift- Off 光刻膠在空間用太陽電池中的應用

楊智敏 李曉東* 張 霞

（1、天津恒電空間電源有限公司，天津300384 2、中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384）

空間用太陽電池的上、下表面都蒸鍍有金屬電極，其中上表面電極為梳形柵線設計，保證正表面入射的太陽光產生的光生電流能夠被有效收集，并使太陽電池保留有足夠多的受光面產生光生電流。上表面電極柵線采用Au、Ag 材料，通過電子束蒸鍍方式制備，保證電極導電性、牢固性符合空間環境電性能要求[1]。Lift-Off 法是一種常見的半導體工藝，其特點是采用光刻膠材料，以光學加工的形式制備出特定光刻膠圖形，最終制備出符合設計需求的金屬圖形，是制備空間用太陽電池上電極柵線的主要方式。Lift-Off光刻技術主要分為兩種：一種是采用反轉光刻膠的光刻技術[2]；另一種是采用負性光刻膠的光刻技術。反轉光刻膠具有精度高、穩定性好的優勢，長期以來在空間用太陽電池的生產工藝中廣泛采用。本文采用的負性光刻膠體系具備工藝時間短的優勢[3]，只需一次曝光，但是其工藝穩定性尚未在空間用太陽電池工藝中得到驗證。因此，我們采用空間用三結GaAs 太陽電池，遴選了兩種較為典型的國產負性Lift-Off 光刻膠進行實驗和論證。

1 實驗

1.1 負性Lift-Off 光刻膠工藝流程

在負性光刻膠的Lift-Off 工藝中，首先在太陽電池基片上旋涂一層光刻膠膜，并將表面膜特定區域去除，形成與柵線對應的具有上窄下寬的梯形截面膜槽，如圖1（a）、圖1（b），然后蒸鍍金屬層。由于已有光刻膠的遮擋，金屬層蒸鍍后，將形成槽內金屬直接蒸鍍在太陽電池基片表面、槽外金屬蒸鍍在光刻膠表面，并且槽內、槽外金屬互不接觸的狀態，如圖1（c）、圖1（d）。之后將帶有光刻膠的金屬層去除，最終得到帶有金屬柵線的太陽電池基片，如圖1（e）、圖1（f）。

圖1 光刻工藝制備柵線流程

圖2 光刻工藝步驟

表1 光刻膠的光刻工藝參數

負性Lift-Off 光刻膠通過涂膠、前烘、曝光、中烘、顯影，最終形成蒸鍍槽，工藝步驟見圖2。

1.2 樣品制備

涂膠設備為自動涂膠一體機，涂膠完成后能夠自動進行熱板前烘；選用了兩種國產負性光刻膠，分別命名為A 光刻膠、B 光刻膠（主要交聯成分均為酚醛樹脂），顯影液采用濃度為2.38%的TMAH 溶液。光刻膠厚度采用Alphastep 臺階儀測試，截面觀測采用LEICA 光學顯微鏡觀測。光刻膠工藝實驗中，首先對太陽電池基片進行預烘處理，之后進行涂膠、前烘、曝光、中烘、顯影，得到具備蒸鍍柵線條件的樣品。

A 光刻膠、B 光刻膠的工藝參數見表1。

之后進行電極蒸鍍、光刻膠剝離、電極燒結和劃片，得到電池樣品。

2 實驗結果及分析

2.1 光刻膠圖形

顯影結束后，采用臺階儀測試光刻膠厚度，兩種光刻膠的厚度均為8 微米。Lift-Off 光刻膠在顯影后形成上窄下寬的截面圖形，用顯微鏡觀察光刻膠上表面時，光刻膠的邊緣會形成半透明的長條區域，該長條區域的寬度與光刻膠截面的倒角角度密切相關。當線條傾斜度較大時，顯微鏡下可以觀察到較粗的線條邊緣，當線條傾斜度較小時，顯微鏡下線條邊緣較窄。采用這種方式可以對光刻膠顯影截面進行粗篩。光刻圖形正表面觀測圖形見圖3。

圖3 光刻圖形正表面觀測，A1、A2 為A 光刻膠顯影后上表面圖像，B1、B2 為B 光刻膠顯影后上表面圖像

優化后的光刻膠截面圖形見圖4。

圖4 光刻膠截面圖形

從圖4 可知，A 光刻膠的邊緣較為銳利，B 光刻膠的邊緣較鈍。通過工藝優化，兩種光刻膠均達到可蒸鍍電極的標準。光刻工藝結束后，采用相同的蒸鍍工藝制備柵線，并劃片成單體電池。

2.2 電極牢固度

根據空間用太陽電池規范的要求, 空間用太陽電池要符合穩態濕熱柵線結合力要求。將實驗樣品放置在相對濕度為90%的環境條件下，恒溫60℃保持96 小時，采用專用膠帶測試柵線附著力，實驗如圖5。

圖5 柵線附著力膠帶測試示意圖

圖6 電池樣片的EL 測試，左圖：A 電池樣品；右圖：B 電池樣品

在電極牢固性實驗中，首先將膠帶覆蓋到電池的兩個表面，并摩擦膠帶使之沒有霧狀空白、牢固地粘住電池，隨后和電池表面成45°至90°把膠帶從電池柵線末端向主柵線一端剝離下來，目視檢查柵線脫落情況。采用A 光刻膠制備的電池樣品（以下簡稱“A 電池”）在膠帶實驗中發生了柵線脫落現象,采用B 光刻膠制備的電池樣品（以下簡稱“B 電池”）未出現柵線脫落現象。進一步,我們采用EL 測試對未進行膠帶實驗的兩種樣品進行了發光實驗,實驗結果如圖6 所示。

通過圖6 可知, A 電池表面出現了較大面積的黑色區域，該區域產生的原因是金屬柵線與電池基體接觸不良。B 電池表面柵線附著力較好，沒有明顯的發光不均現象。

2.3 電性能

對同批A、B 兩種電池進行了電性能測試，測試結果見圖7。從圖7 可知，A 電池和B 電池的開路電壓相同，但是A 電池的串聯電阻更大，這從2.5V 定點電壓處的定點電流更小可以看出。A 電池串聯電阻的增加正是由于部分金屬柵線與電池基體接觸不良造成的。

圖7 電池樣品的電性能IV 曲線

表2 為兩種電池電性能參數列表，從表2 可知，A 電池的電池轉換效率比B 電池低0.73%，填充因子低1.31%。

表2 樣品電性能參數

3 結論

采用了兩種國產光刻膠進行了工藝優化實驗，觀測分析了兩種光刻膠的表面、截面特性，證明兩種光刻膠均可以優化到較好的顯影圖形。光刻圖形進一步制備了金屬柵線，并進行了牢固度實驗，發現A 光刻膠制備的電池柵線發生了脫落現象，而B 光刻膠制備的電池柵線未發生脫落。證明B 光刻膠的可靠性比A 光刻膠要好。

通過電致發光實驗，我們發現A 電池表面存在陰影，而B電池表面不存在陰影。這說明A 電池發生電極脫落現象的原因是柵線與太陽電池基體未形成良好的接觸。進一步的電性能測試發現，A 電池的串聯電阻比B 電池更大，驗證了我們的分析。

綜合分析得知，B 光刻膠工藝優于A 光刻膠工藝，更適合用于空間用太陽電池的柵線制備。