CN101847670B - 激光干涉技术辅助电化学技术制备纳米栅极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光干涉技术辅助电化学技术制备纳米栅极的方法，应用于太阳能电池、微/纳米光电子器件等领域。本发明包括如下步骤：a)在形成的p-n结衬底片表面或半导体衬底片表面旋涂光刻胶并烘干；b)然后经过双光束激光干涉技术曝光；c)经选择性溶液除去曝光的光刻胶，并经电化学技术沉积金属栅极；d)最后经选择性溶液移除未曝光的光刻胶，并进行热处理，获得亚微米/纳米金属栅极。本发明实现的亚微米/纳米栅极，具有大面积、高效、廉价、简便、可在大气环境下进行和可控性等优点，便于推广和商业化。

Description

激光干涉技术辅助电化学技术制备纳米栅极的方法
技术领域
本发明涉及的是一种基于激光干涉技术制备纳米栅极的方法，可广泛应用于太阳能光伏电池栅极及微纳光电子器件等领域。尤其是该种电极在太阳能电池方面的应用，具有减少现有太阳能电池制备的栅极对光的遮蔽作用和降低现有太阳能电池栅极间距较宽导致串联电阻损耗的优点，从而达到对现有太阳能电池转化效率提高的目的。
背景技术
当能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，太阳能这种可再生能源，由于其资源的充足性、绝对的安全性、充分的清洁性、相对的广泛性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。随着纳米技术的发展，将纳米制造技术用于提高太阳能电池的转换效率具有十分重要的现实意义和社会影响。目前，太阳能电池栅极的制备技术主要包括基于传统光刻技术的栅极制备和丝网印刷技术，其中丝网印刷技术是当前工业生产中最为普遍的太阳能栅极制备技术。尽管该技术存在成本低、工艺简便等优势，但是，该栅极存在线条(约100微米)和栅极间距较宽(约8毫米)等问题。宽线条将会导致其对光的遮蔽效应，栅极间较宽会导致栅极间的串联电阻较大而带来太阳能电池的自损耗，这些因素都将会严重影响太阳能电池的转换效率。而亚微米级和亚纳米级的栅极线条的制备技术将会成为改善现有太阳能电池效率的关键技术之一。近年来，原子力纳米加工、纳米压印技术和新一代光刻技术如：极紫外(EUV)、X射线、电子束投影和离子束投影等纳米加工技术已被广泛开展，但是，这些技术均存在设备昂贵，投入成本较高，加工速度慢，且有的需在真空条件下完成，难以满足工业生产规模化要求。纳米压印技术是极有潜力的纳米栅极制造技术，但是该技术只能在平坦的表面上进行。且模板的使用寿命较短也限制了该技术的推广和商业化。
经文献检索，发现2007年Errachid等报道了聚焦离子束辅助湿法刻蚀技术制备了纳米栅极，但是存在聚焦离子束设备昂贵，制样速度较慢等缺点，难以满足商业化和工业生产要求；2008年Huaqing Li等(Nanotechnology，2008，19，275301)利用纳米球掩膜光刻技术实现了大面积纳米阵列电极制备，但是该技术存在大面积纳米掩膜球制备难以实现工业化的问题；2009年Ellman等(Applied Surface Science，2009，255，5537)报道了利用波长为355nm的双光束激光干涉光刻工艺实现了500nm的周期性结构，该研究仅仅用于亚微米光栅的制备，且尚未实现亚纳米级的栅极制备及其在太阳能电池上的应用。相关的发明专利，1、美国专利，专利号：US 6325904B1，名称为“纳米电极阵列”，该发明专利阐述了基于扫描探针的纳米电极阵列制备方法，但是该方法存在制样速度较慢的缺点，难以满足商业化要求；2、中国专利，专利申请号：CN 1862353A，名称为“一种制作表面周期微细结构的方法及其装置”，该发明专利仅阐述了Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器的基频(1064nm)和二倍频(532nm)的干涉光刻，很难实现纳米级栅极制备。从上述的文献和发明专利权利要求范围看，它们在实现工业化生产亚微米或纳米级栅极制备方面存在一定的难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适于提高太阳能电池转换效率并能够满足工业化生产的亚微米/纳米级栅极制备技术。其主要是在形成的p-n结或半导体材料衬底片表面旋涂光刻胶，然后经过激光干涉技术实现曝光，经选择性溶液除去曝光部分，再经电化学技术沉积金属栅极，最后经选择性溶液移除未曝光的光刻胶，并进行热处理。由于现有的p-n结制备技术和旋涂技术均比较成熟，通过激光干涉技术与电化学技术结合制备亚微米/纳米栅极不仅可以克服现有丝网印刷制备的太阳能电池栅极对光的遮蔽作用，而且可以降低现有太阳能电池栅极间距较宽导致串联电阻损耗的缺欠，从而达到提高太阳能电池效率的目的。所采用的激光干涉技术和电化学技术存在设备廉价、工艺简单、高效且能在大气环境下进行等优点，不仅简化了工艺，而且提高了制备效率。本发明具有设备廉价、工艺简单、高效和可在大气环境下进行等特点，且可实现亚微米/纳米栅极制备。为大规模、高效、低成本实现太阳能纳米栅极及微纳光电子器件栅极的制备提供了一种技术方案。
本发明通过以下技术方案实现，
1、一种基于激光干涉技术辅助电化学技术制备纳米栅极的方法，其特征在于，该方法由如下步骤所组成：
a)在半导体衬底片表面旋涂聚对叔丁氧基羰基氧苯乙烯和二苯基碘鎓六氟磷酸盐组成的光刻胶并烘干；
b)然后经过双光束激光干涉技术曝光；
c)经选择性溶液除去曝光的光刻胶，并经电化学技术沉积金属栅极；
d)最后经选择性溶液移除未曝光的光刻胶，并进行热处理，获得亚微米/纳米金属栅极。
2、所述的半导体衬底片为IV族、III-V族化合物、II-VI族化合物、CuInS或CuInSn半导体材料的衬底片。
3、步骤b)中所述的激光干涉技术曝光，其激光波长为基频1064nm、二倍频532nm、三倍频355nm、四倍频266nm或五倍频213nm，可选择性输出或双频输出，所述的曝光方式为在光刻胶上进行单频曝光或混频曝光。
4、步骤c)所述的光刻胶为针对步骤b)中所述的激光波长对应的光刻胶，选择性溶液为对应的对曝光后光刻胶溶解的溶液，步骤c)中所述的电化学技术中的电源为电化学工作站或恒流稳压电源，其中所述的电化学沉积是利用电化学工作站或恒流稳压电源在所对应的金属盐溶液中沉积；所述的金属盐溶液为Pt、Au、Ag或Ni金属离子盐溶液，其适于作为电极材料并且适于电化学沉积。
5、步骤d)中所述的选择性溶剂为与未曝光的光刻胶对应的酸性溶液、碱性溶液或有机溶剂，所述的热处理工艺为惰性气体N2或Ar2保护下在普通烧结炉内或在真空烧结炉内进行；所述的亚微米/纳米金属栅极的宽度为10-900nm，所述的栅极宽度可根据实际需要通过改变激光入射光波长或入射角进行调整，栅极厚度可通过调节电化学工艺参数控制。
6、其中所述的酸性溶液是HCl、H2SO4稀溶液，所述的碱性溶液NaOH或KOH稀溶液，所述的有机溶剂是丙酮有机溶剂。
附图说明
图1纳米栅极制备工艺流程图。
图2双光束激光干涉后获得的线条为～80纳米的Ag纳米栅极。
具体实施方式
首先，利用旋涂机在形成的Si的p-n结或其它半导体材料衬底片表面旋涂聚对叔丁氧基羰基氧苯乙烯和二苯基碘鎓六氟磷酸盐组成的光刻胶，并在真空干燥箱内适当的温度下烘干；然后，利用波长为266nm(可任意选择五个波长中的一个，或进行双光束组合曝光)的激光束进行双光束干涉曝光。利用选择性溶液(5％的NaOH溶液)溶掉曝光后的光刻胶，如图1c)所示。接着，在金属盐溶液中进行电化学沉积，所述的电化学沉积中使用的电源为电化学工作站或恒流稳压电源，所沉积的金属包括Pt、Au、Ag、Cu和Ni等适于做为电极的金属材料，基于其所选的电化学技术的特点，上述的沉积需在电极材料且适于电化学沉积的金属盐溶液中进行。
步骤d)中所述的选择性溶剂为与未曝光的光刻胶对应的酸性或碱性或有机溶剂，如HCl稀溶液或NaOH，KOH稀溶液或丙酮溶液等；所述的热处理工艺为惰性气体N2、Ar2等保护下在烧结炉内或在真空烧结炉内进行；所述的亚微米/纳米金属栅极的宽度为～10nm-900nm。所述的栅极宽度可根据实际需要通过改变激光入射光波长或入射角进行调整，栅极厚度可通过调节电化学工艺参数控制。

Claims (6)

1.一种基于激光干涉技术辅助电化学技术制备纳米栅极的方法，其特征在于，该方法由如下步骤所组成：
a)在半导体衬底片表面旋涂聚对叔丁氧基羰基氧苯乙烯和二苯基碘鎓六氟磷酸盐组成的光刻胶并烘干；
b)然后经过双光束激光干涉技术曝光；
c)经选择性溶液除去曝光的光刻胶，并经电化学技术沉积金属栅极；
d)最后经选择性溶液移除未曝光的光刻胶，并进行热处理，获得亚微米/纳米金属栅极。
2.根据权利要求1所述的方法，所述的半导体衬底片为IV族、III-V族化合物、II-VI族化合物、CuInS或CuInSn半导体材料的衬底片。
3.根据权利要求2所述的方法，步骤b)中所述的双光束激光干涉技术曝光，其激光波长为基频1064nm、二倍频532nm、三倍频355nm、四倍频266nm或五倍频213nm，可选择性输出或双频输出，所述的曝光方式为在光刻胶上进行单频曝光或混频曝光。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征为，步骤c)所述的光刻胶为针对步骤b)中所述的激光波长对应的光刻胶，选择性溶液为对应的对曝光后光刻胶溶解的溶液，步骤c)中所述的电化学技术中的电源为电化学工作站或恒流稳压电源，其中所述的电化学沉积是利用电化学工作站或恒流稳压电源在所对应的金属盐溶液中沉积；所述的金属盐溶液为Pt、Au、Ag或Ni金属离子盐溶液，其适于作为电极材料并且适于电化学沉积。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征为，步骤d)中所述的选择性溶剂为与未曝光的光刻胶对应的酸性溶液、碱性溶液或有机溶剂，所述的热处理工艺为惰性气体N2或Ar2保护下在普通烧结炉内或在真空烧结炉内进行；所述的亚微米/纳米金属栅极宽度为10-900nm，所述的栅极宽度可根据实际需要通过改变激光入射光波长或入射角进行调整，栅极厚度可通过调节电化学工艺参数控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述的酸性溶液是HCl、H2SO4稀溶液，所述的碱性溶液为NaOH或KOH稀溶液，所述的有机溶剂是丙酮溶剂。
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