用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法技术

一种用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取一太阳能电池所用的外延片，对外延片进行清洗；步骤2：在外延片上旋涂光刻胶；步骤3：对光刻胶进行前烘，形成样品；步骤4：采用双光束干涉曝光设备，对样品两次曝光、显影，形成二维周期光刻胶掩膜图形；步骤5：对显影后的样品进行后烘；步骤6：对样品进行干法刻蚀；步骤7：去除光刻胶掩膜图形，完成蛾眼结构的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电器件
，尤其涉及到用于太阳能电池表面抗反射的 蛾眼结构的制备方法。
技术介绍
太阳光从空气进入半导体层，空气折射率为1，而半导体材料如GaAs，Si折射率在 3以上，因而界面处会形成大折射率阶跃，由此产生的Fresnel反射会损耗30%以上的能 量。目前通用的解决方法是采用1/4λ波长的介质膜作为抗反射层，但其带宽有限；多层介 质抗反射层具有宽光谱抗反射效果，但受限于各层材料折射率的选择与匹配，膜层边界的 热膨胀系数不同，以及膜层界面出现的材料扩散等问题，器件可靠性与稳定性不佳，特别是 当工作在极端条件下，如极高温度，此类问题尤为突出。受自然界蛾眼结构宽光谱抗反射功 能的启发，我们提出将制备类蛾眼结构，将其作为抗反射层用于太阳能电池，以提高对光的 吸收并增大电池光电转换效率。蛾眼结构实际是一种二维亚波长双周期纳米结构，侧壁倾 斜，可以等效为具有渐变折射率的抗反射层。其亚波长的性质，使得光入射时仅存在零级反 射光，进一步地抑制了反射，且这一性质在变角度入射时尤为明显，使反射谱对入射角度的 变化不敏感。蛾眼抗反射结构与多层膜系的抗反射结构相比，具有更高的可靠性，因为其与 器件的下层材料同质，不存在材料的热膨胀系数不匹配以及界面扩散问题，尤其适合于在 极端条件下，如太空中工作。因我们面向的对象是太阳光谱，所制备的蛾眼结构的周期须比太阳光谱的下 限-350nm要小。制备如此尺度下的周期性结构，可以用电子束曝光，聚焦离子束刻蚀来实 现。他们虽然有极高的分辨率和图形制作自由度，但产率很低，并不适合大规模工业化生 产。纳米压印技术虽然不存在这个问题，但其所使用的模板，需要通过其他微纳加工技术先 制作出来。自组织生长技术效费比高，但其长程周期性较差，且对不同的半导体衬底不具有 通用性。干涉曝光技术被认为是制备大面积周期性纳米结构最为有效，最为经济的方法之 一，并已广泛用于商用DFB激光器选模光栅的制备当中。为了制备能够用于太阳能电池上的蛾眼抗反射结构，需要刻蚀深度大于300nm，为 了实现这一点，需要制备的图形排列紧密。此外要求其侧壁倾斜以形成渐变折射率分布。这 些均对制备方法和工艺技术提出了很高的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种， 其是利用双光束干涉曝光，结合两次曝光的独特的光强分布以及光刻胶的非线性曝光响应 效应，制备二维周期光刻胶掩膜。特别的，与传统的干涉曝光制备的光刻胶点阵相比，所制 备的赝菱形阵列光刻胶掩膜具有更大的占空比，利用其干法刻蚀得到的菱锥形蛾眼结构， 通过理论与实验证明，比由圆形点阵光刻胶掩膜刻蚀出的传统圆锥形蛾眼结构，具有更优 异的抗反射效果。本专利技术提供一种，包括以下步 骤步骤1 取一太阳能电池所用的外延片，对外延片进行清洗；步骤2 在外延片上旋涂光刻胶；步骤3 对光刻胶进行前烘，形成样品；步骤4 采用双光束干涉曝光设备，对样品两次曝光、显影，形成二维周期光刻胶 掩膜图形；步骤5 对显影后的样品进行后烘；步骤6 对样品进行干法刻蚀；步骤7 去除光刻胶掩膜图形，完成蛾眼结构的制备。本专利技术的有益效果，具体如下双光束干涉曝光制备亚波长尺度光刻胶掩模图样，与其他微纳加工技术相比，具 有低成本，大面积，高产率的明显优势，更适合工业化生产。此外利用本专利提出的“赝菱 形”光刻胶掩膜技术和“光刻胶扩展”技术，能够克服传统干涉曝光只能制备低占空比图形 的缺点，得到大占空比的密集排列图形，有利于进一步地抑制界面反射。因为蛾眼增透抗反 射结构需要有足够的深度，而周期也是亚太阳能光谱尺度，湿法腐蚀无法达到所需要的结 构深度，所以采用感应耦合等离子体干法刻蚀，并最终得到了高深宽比的蛾眼结构。经实际 测试表明，在近垂直入射情况下均能实现很好的抗反射效果，尤其是在AMI. 5光谱平均反 射率仅为1. 1%。附图说明为进一步说明本专利技术的技术特征，结合以下附图，对本专利技术作一详细的描述，其 中图1是用于太阳能电池表面抗反射的蛾眼结构的工艺流程图；图2 (a)是菱锥形蛾眼抗反射结构图；图2(b)是圆锥形蛾眼抗反射结构图；图3是两次双光束干涉曝光在光刻胶表面形成的曝光剂量等高图；图4是8度角入射条件下的圆锥形蛾眼结构的反射谱图；图5是8度角入射条件下的菱锥形蛾眼结构的反射谱图；图6是8度角入射条件下的大占空比菱锥形蛾眼结构的反射谱图。具体实施例方式请参阅图1、2、3所示，本专利技术一种用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方 法，包括以下步骤步骤1 取一太阳能电池所用的外延片，对外延片进行清洗，该外延片为单晶Si或 GaAs基太阳能电池结构；GaAs基外延片的清洗方法为将外延片分别置于丙酮，无水乙醇，55°C加热3_5分 钟，而后用去离子水冲洗干净，氮气吹干，再接着放入负胶去膜剂的中煮沸15分钟，去离子 水冲洗干净，而后放入120°C烘箱烘烤30分钟；对于Si基外延片，使用标准RCA清洗法，以提高光刻胶对衬底的粘附性。步骤2 在外延片上旋涂光刻胶，涂胶之前需要对所用光刻胶进行稀释。为了制备 出所需要的二维周期光刻胶掩膜图形，采用Shipley公司生产的S9912正型光刻胶，并配合 相应的DA3004稀释液，以利于甩胶后得到具有不同厚度的胶层。特别的，我们采用5000转 /分的转速甩胶40s，得到了厚度为120nm左右的胶层，此胶厚能够得到侧壁垂直的，二维周 期菱形、圆形阵列光刻胶掩膜图形，并使得掩膜厚度控制在IOOnm左右，利于后期干法刻蚀 出高深宽比的图形。步骤3 对光刻胶进行前烘，形成样品。对光刻胶进行前烘的温度为90°C，时间为 20分钟；步骤4 采用双光束干涉曝光设备，对样品两次曝光、显影，形成二维周期光刻胶 掩膜图形；采用的曝光光源是工作波长为325nm的He-Cd激光器，其能够制备的最小理论极 限周期为170nm，因此能够用于亚太阳光谱周期结构的制作。对样品的每次曝光，确定一个 方向的周期性。蛾眼结构是二维周期结构，因此需要进行两次曝光。而两次曝光方向的夹 角决定了二维周期图形的分布形式，夹角为60度，形成三角晶格点阵结构，夹角为90度时， 形成平方格子点阵结构(参阅图3)。利用光刻胶的非线性曝光响应的性质，具体通过曝光剂量以及显影条件的控制， 使得图3所示中，以曝光剂量4等高线作为分割，高于其的曝光区域在显影中完全显去，而 低于其的则在显影完后仍保留，从而形成了赝菱形二维周期图案。进一步地，将曝光剂量2 等高线作为分割，高于其的曝光区域完全显去，则实现了二维周期点阵的制备。采用的显影液是四甲基氢氧化铵溶液或Shipley Microposit 351显影液。在实 际的显影过程中，需要对显影液其进行稀释。由于所用胶层厚度小于200nm，显影液的浓度 应小于1:5。精确设定曝光的双光束夹角，实现周期为250nm，尺度小于太阳光谱的结构的制 备。太阳能光谱的波段范围约为350-1000nm，为了实现对整个光谱反射的有效抑制，需要仔 细选择蛾眼结构的周期。周期大于350nm，其对短波的反射效果不佳；周期小于200nm，则长 波光谱抗反射效果不佳。因而最佳周期范围为200-350nm之间。步骤5 对显影后的样品进行后烘，后烘时间为120度，时间为20分，以去除光刻 胶中的残余溶剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法，包括以下步骤：步骤１：取一太阳能电池所用的外延片，对外延片进行清洗；步骤２：在外延片上旋涂光刻胶；步骤３：对光刻胶进行前烘，形成样品；步骤４：采用双光束干涉曝光设备，对样品两次曝光、显影，形成二维周期光刻胶掩膜图形；步骤５：对显影后的样品进行后烘；步骤６：对样品进行于法刻蚀；步骤７：去除光刻胶掩膜图形，完成蛾眼结构的制备。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈熙，樊中朝，李宁，宋国锋，陈良惠，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11