插指电极掩膜的设计与制造*

杨丽娥

(云南开放大学 机电工程学院， 昆明 650500)

插指电极掩膜的设计与制造*

杨丽娥

(云南开放大学 机电工程学院， 昆明 650500)

针对插指电极制造中所涉及的掩膜制备复杂以及高成本问题，提出了一种插指电极透明掩膜的制造方法.通过AutoCAD软件设计了指形、螺旋形和方形三种不同图案的插指电极，采用透明纸和喷墨打印机将插指电极图案制造成透明掩膜，利用常规光刻技术将透明掩膜上的插指电极图案转移至硅片上的铝金属层，利用高倍显微镜对插指电极图案及插指电极进行观察.通过将本方法应用于太阳能电池，并对太阳能电池的电学特性进行测试，证实了本方法在太阳能电池领域的实用性.

插指电极；透明掩膜；光刻；光刻胶；喷墨打印；AutoCAD软件；蚀刻；太阳能电池

为了降低光刻工艺中光刻胶图案化的成本，许多学者已经对其制造工艺进行了研究[1-5].常规制造中通常在透明玻璃基板上沉积金属铬薄层，然后通过电子束曝光等高精度光刻技术在金属铬薄层上制备图案，形成常规光刻工艺中的透明掩膜.电子束曝光等高精度光刻技术虽然精度高，但是效率非常低，同时涉及铬金属的沉积等过程，因此常规透明掩膜的整个制备过程耗时长并且成本高.本文提出一种用于光刻工艺的对光刻胶进行图案化的低成本技术，该技术在常规的制造步骤中使用了透明掩膜，并采用计算机辅助设计和打印机，可在任意时间产生任何期望图案的透明掩膜[6].制造过程虽仍需要如旋涂机和紫外曝光系统等各种设备，但透明掩膜本身的成本低廉，可大幅减小实现成本.本文采用指形插指电极(IDE)、螺旋形IDE和方形IDE图案对AutoCAD设计的印刷透明掩膜与蚀刻后光刻胶显影制造的IDE进行了对比，并根据本文所提出的IDE制造方法在InGaN太阳能电池上制作了不同形状和间距的插指电极，同时还研究了插指电极的形状和间距对太阳能电池效率的影响.

1 插指电极的设计与制造

1.1 插指电极的设计

本研究首先采用AutoCAD 2007软件对IDE进行设计，图1中展示了IDE的设计图案和尺寸，图1a中展示的指形IDE由彼此相对交叉的十个指形电极构成；图1b和图1c分别展示了螺旋形IDE和方形IDE，该两种设计均包括两个平行的电极(图1中尺寸单位为mm).

1.2 透明掩膜制备

本文采用佳能MP250打印机在透明纸上打印IDE的布局设计，图2展示了在透明纸上打印的IDE布局设计.为了尽可能消除设计图案布置位置对结果的影响，分别左右对称、上下对称地布置了图1中所示的3种掩模图案.

图1 插指电极的设计图案和尺寸Fig.1 Designed patterns and size of IDEs

图2 透明掩膜布局设计Fig.2 Layout design of transparent mask

1.3 IDE的制造

图3展示了铝基IDE的制造过程.首先采用缓冲氧化蚀刻(BOE)溶液以及去离子(DI)水清洗p型晶片，以便去除固有氧化物和污染，在进行湿法氧化之前，须确保晶片表面疏水.接下来将晶片放入炉子中，在1 000 ℃下恒温1 h，可生长约3 000 Å的氧化层.在湿法氧化之后，采用划片机将晶片分成4个小片以方便处理和图案化.使用2.5 cm的铝线在热蒸发器上沉积铝，然后在铝层上涂覆正性光刻胶层，随后将透明掩膜暴露于紫外光中进行显影.由于选择了透明掩膜，因此使用接触式印刷方法[7-9]，光刻胶涂覆的晶片与透明掩膜之间接触确保了曝光之后高分辨率图案的转移.在显影之后，借助于高倍显微镜来观察确认图案状态，当显示图案状态满足要求时，继续对暴露出的铝进行蚀刻(该过程必须小心处理以防止过蚀刻或欠蚀刻)，最后采用丙酮去除留下的光刻胶及残余物.

2 插指电极制造结果分析

文本选用高倍显微镜对制造结果进行观察，图4为使用高倍显微镜观察的观察点分布情况.

图5为通过高倍显微镜观察的印刷透明掩膜结果，深蓝色轮廓为由佳能MP250印刷的IDE图案，浅蓝色为透明掩膜.由图5可以看出，在印刷的IDE边缘周围形成了锯齿状结构(如图中红色圆圈中所示)，这是由所喷射的油墨在印刷之前形成了小的球滴所导致的，由于球滴的积累，最终构成了锯齿状结构[10-11].

图3 铝基IDE制造过程Fig.3 Fabrication process of aluminium based IDE

图4 观察点位置Fig.4 Positions of inspection points

图6为喷墨打印机进行油墨喷射的示意图，其进一步展示了锯齿状结构的形成过程.电阻加热器使油墨蒸发以产生蒸气气泡，当气泡扩张时，油墨滴从喷嘴喷出并被印刷到透明纸上.在印刷之后停止加热，气泡消失并创建真空空间，油墨的滴落形成了锯齿状结构，由于锯齿状尺寸仅为5～10 μm，因此边缘的粗糙度是可以容忍的.

图7为光刻胶显影之后的晶片观察结果.图7中的棕色轮廓表示光刻胶，而浅蓝色则表示稍后将被蚀刻的铝层.详细观察每个IDE以确保光刻过程期间图案的最佳转移，若发现任何缺陷，则去除光刻胶并重新进行光刻.图7中虽在光刻胶的边缘周围存在锯齿状结构，但图案的转移是可以接受的.

图5 透明掩膜高倍显微镜观察结果Fig.5 Inspection results of transparent mask with high magnification microscope

图6 油墨喷射示意图Fig.6 Schematic ink injection

图7 光刻胶显影之后的IDE观察结果Fig.7 Inspection results of IDEs after photoresist development

图8为蚀刻过程之后的IDE观察结果.图8中的淡蓝色轮廓表示铝基IDE，深蓝色表示二氧化硅层.在观察完毕后，选用具有良好轮廓的器件以待使用.

表1～3分别给出指形IDE、螺旋形IDE以及方形IDE的电极宽度和电极间隙的尺寸.测量结果表明，透明掩膜上指形IDE电极宽度超过设计值最多的为8.42 μm，最大电极间隙为9.4 μm；透明掩膜上螺旋形IDE电极宽度超过设计值最多的为6.36 μm，最大电极间隙为7.58 μm；透明掩膜上方形IDE电极宽度超过设计值最多的为16.04 μm，最大电极间隙为20.30 μm.

图8 蚀刻之后的IDE观察结果Fig.8 Inspection results of IDEs after etching process

将设计尺寸与制造IDE尺寸(蚀刻之后)进行比较，所制造的指形IDE电极宽度超过设计值最多的为35.65 μm，最大电极间隙为42.08 μm；所制造的螺旋形IDE电极的宽度超过设计值最多的为52.43 μm，最大电极间隙为48.60 μm；所制造的方形IDE电极宽度超过设计值最多的为49.80 μm，最大电极间隙为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

综上所述，本文提出的方法实现了以图案转移为目的的光刻过程中透明掩膜的制造.若光刻胶显影和蚀刻的过程控制不足，则制造结果具有一定容差，在本文中所制造的IDE容差为±60 μm.

3 太阳能电池插指电极制备应用

采用本文设计方法，在常规InGaN太阳能电池的外延片(蓝宝石衬底/1 μm n-GaN，量子阱/150 nm p-GaN)上分别制作p电极(Ni/Au)和n电极(Ni/Al/Au).n电极处于n-GaN上，覆盖露出整个n-GaN表面.p电极采用了图9中所示的不同形状和间距的IDE结构，线宽为80 μm.针对图9a、b中的电极形状，制作了插指间距分别为0.11、0.17、0.41、0.55及1.1 mm的5种样品，将该组样品命名为A组样品；针对图9c、d中的电极形状，制作了插指间距分别为0.17、0.41和0.55 mm的3种样品，将该组样品命名为B组样品.

图9 不同形状和间距的IDEFig.9 IDEs with different shapes and intervals

采用卓立汉光太阳光模拟器，在室温下将Keithley 2400作为电流源对所制作的样品进行电学特性测试.文中对每种样品的不同位置进行多次测量，并取平均值来减小测试误差.分别测量了所述样品的电流密度J(短路电流密度)、开路电压U以及转换效率.A组样品的短路电流密度和开路电压关系曲线如图10所示，J1～J5分别表示所述5种样品的电流密度.从图10中可看出，短路电流密度约为0.27 mA/cm2，开路电压为1.2 V以上，短路电流密度与开路电压随着插指间距的增加而减小.这是由于插指间距减小，导致插指数量和面积增大，从而串联电阻与吸收光的有效面积均有所减小，随着插指数量的增加，虽然减小了串联电阻，但却并未显著提高电池性能.

图10 A组样品的J-U曲线图Fig.10 J-U curves of samples in group A

图11为A组样品的U和J随插指电极间距变化曲线图，由图11可见，太阳能电池性能随着IDE密度的增加而降低.A组样品和B组样品的J随插指间距变化如图12所示，随着IDE密度的增加，太阳能电池的性能降低.此外，从图12中还可以看出，在插指间距相同的情况下，A组样品的电流密度大于B组样品.这是由于现有技术GaN基太阳能电池的n电极与p电极在器件的同侧，使得容易出现电流边缘聚集效应.与A组样品相比，B组样品的IDE电极更靠近中心区域，因此，不能有效地收集到边缘区域聚集的电流，从而导致该种结构的样品电流密度更低.综上可知，为了使太阳能电池的光吸收面积增大，需要增大电极间距，并使电极靠近器件边缘区域.

图11 A组样品的U和J随插指电极间距变化图Fig.11 Change of U and J with interval for samples in group A

图12 A组样品和B组样品的J随插指间距变化图Fig.12 Change of J with interval of IDEs of samples in groups A and B

4 结 论

本文通过应用透明掩膜实现了快速、低廉且用户友好的光刻过程.可以采用任何图案设计透明掩膜，并可在任意时间采用透明掩膜、打印机和计算机来进行印刷，适合在无需较高尺寸精度的研究或低成本制造过程中应用，缩短了研发前期的时间投入和成本投入.将文中所提出的掩膜制造方法应用于太阳能电池，并对不同IDE结构下太阳能电池的电学特性进行测试，测试结果证实了本文所提出的方法在太阳能电池领域的实用性.

[1]Miyoshi H，Taniguchi J.Characterization for the photomask fabrication based on a high-resolution technique with a non-chemically amplified resist and a post-exposure bake [J].Microelectronic Engineering，2016，155：7-13.

[2]Midolo L，PregnolatoT G，Kiršanske S.Soft-mask fa-brication of gallium arsenide nanomembranes for integrated quantum photonics [J].Nanotechnology，2015，26(48)：484-486.

[3]Miyoshi H，Taniguchi J.Fabrication of a high-resolution mask by using variable-shaped electron beam lithography with a non-chemically amplified resist and a post-exposure bake [J].Microelectronic Engineering，2015，143：48-54.

[4]Chu H M，Nguyen M V，Vu H N，et al.Fabrication of single-crystal silicon nanowires based on surface wet adhesion [J].Materials Letters，2015，152：94-97.

[5]Asano H，Shiraishi Y.Development of paper-based microfluidic analytical device for iron assay using photomask printed with 3D printer for fabrication of hydrophilic and hydrophobic zones on paper by photolithography [J].Analytica Chimica Acta，2015，883：55-60.

[6]Perumal V，Hashim U.Chrome mask design for microfluidic fabrication [J].Advanced Materials Research，2013，795：276-280.

[7]Dornelas K L，Dossi N，Piccin E.A simple method for patterning poly barriers in paper using contact-printing with low-cost rubber stamps [J].Analytica Chimica Acta，2013，858：82-90.

[8]Li J，Xu L，Kim S，et al.Urethane-acrylate polymers in high-resolution contact printing [J].Journal of Materials Chemistry C，2016，19(4)：4155-4165.

[9]Doudrick K，Liu S，Mutunga E M，et al.Different shades of oxide：from nanoscale wetting mechanisms to contact printing of gallium-based liquid metals [J].Langmuir，2014，30(23)：6867-6877.

[10]Bhuvana T，Boley W，Radha B，et al.Inkjet printing of palladium alkanethiolates for facile fabrication of metal interconnects and surface-enhanced Raman scattering substrates [J].Micro &Nano Letters，2010，5(5)：296-299.

[11]Daly R，Harrington T S，Martin G D，et al.Inkjet printing for pharmaceutics-a review of research and manufacturing [J].International Journal of Pharmaceutics，2015，494(2)：554-567.

(责任编辑：景 勇 英文审校：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.

云南省教育厅科学研究基金资助项目(2014Y365).

杨丽娥(1975-)，女，云南大理人，讲师，硕士，主要从事机械设计、加工制造等方面的研究.

02 17∶28在中国知网优先数字出版.

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