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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN Departamento de Electrónica Física PROYECTO DE FIN DE MASTER DISEÑO, FABRICACIÓN Y UTILIZACIÓN DE MÁSCARAS DE FOTOLITOGRAFÍA PARA CÉLULAS SOLARES CHRISTIAN ARMIJOS PALADINES 2013 DISEÑO, FABRICACIÓN Y UTILIZACIÓN DE MÁSCARAS DE FOTOLITOGRAFÍA PARA CÉLULAS SOLARES por CHRISTIAN ARMIJOS PALADINES Master oficial en energía fotovoltaica 2013 Tutores: D. CARLOS ALGORA DEL VALLE Da. PILAR ESPINET GONZÁLEZ Aprobado por: Da. PERLA WAHNÓN BENAROCH Presidente del comité supervisor Vocal 1: D. IGNACIO REY-STOLLE PRADO Vocal 2: D.CARLOS DEL CAÑIZO NADAL Programa autorizado para obtener el masterado Fecha: ___________________________ Calificación: ______________ RESUMEN DISEÑO, FABRICACIÓN Y UTILIZACIÓN DE MÁSCARAS DE FOTOLITOGRAFÍA PARA CÉLULAS SOLARES por Christian Armijos Paladines En este trabajo se presenta el proceso completo para obtener máscaras de fotolitografía, cuyo desarrollo empieza desde su concepción hasta su aplicación. Las máscaras a producir serán las que se usan en la malla de metalización, en el aislamiento de equipos o dispositivos también llamada mesas y por ultimo una tercera máscara que nunca antes se había fabricado y que ayudara a depositar la capa antireflectante en las células. Pero para esto primero se mostrará la motivación existente, la cual es originaria de las personas que trabajan en el grupo de semiconductores III-V del Instituto de energía solar. Y en cuya motivación también se mencionara sobre las anteriores mascaras en donde se hablara sobre el diseño realizado y los resultados obtenidos en las células solares de doble unión de ese tiempo. Después se verá la parte netamente de diseño, en la que consta el uso de la herramienta computacional gráfica, AutoCAD como también algunos comentarios y consejos que ayudaran a cualquier usuario con bajos conocimientos en el programa, poder realizar un diseño de máscaras de fotolitografía. Además se verán las reglas o recomendaciones que el fabricante de las máscaras exige para obtener un buen diseño y no desperdiciar tiempo en correcciones. Esto se ilustrará con datos del fabricante y el equipo con el que se fabrica las máscaras. A continuación, se verificarán las máscaras fabricadas por y Toppan y se usarán en un proceso completo de fotolitografía que se hizo en una oblea de 2 pulgadas de GaAs. Por último se mostraran las conclusiones o experiencias obtenidas a lo largo de este proceso. Lista de palabras claves: Concentración, Célula Solar, Multiunión, Triple unión, Máscaras, Fotolitografía, Diseño, Fabricación, Autocad, Resina, Metalización, mesas, Antireflectante, Dedos, Bus, CPV. Contenido Agradecimiento ....................................................................................................................... ii GLOSARIO .............................................................................................................................iii Introducción ............................................................................................................................iv Capítulo 1: Motivación...........................................................................................................1 1.1. Objetivo general: ..............................................................................................1 1.2. Estado del arte: máscaras de fotolitografía grupo de semiconductores III-V 1 1.2.1 Características generales ................................................................................................1 1.2.2 Dispositivos auxiliares ....................................................................................................2 1.3. Diseño nueva máscaras.................................................................................3 1.3.1 Descripción general .........................................................................................................3 1.3.2 Mejoras respecto a mascaras anteriores ..................................................................5 1.3.3 Nueva Mascara AR...........................................................................................................6 1.4. Simulación del funcionamiento de células solares de triple unión 6 1.4.1 Célula Solar de 1mm2 .......................................................................................................7 1.4.2 Célula Solar de 5mm2 .......................................................................................................8 Capítulo 2: Diseño de Mascaras en AutoCAD ............................................................9 2.1. Introducción: .....................................................................................................9 2.2. Ventajas de la herramienta computacional AutoCAD ....................9 2.3. Identificación e información general del fabricante .........................9 2.4. Restricciones en el dibujo: ........................................................................ 11 2.4.1 Por diseño .......................................................................................................................... 11 2.4.1. Por fabricante ................................................................................................................... 12 2.5. Pasos para la realización del dibujo...................................................... 13 2.6. Planos................................................................................................................. 14 Capítulo 3: Resultados ........................................................................................................ 15 3.1. Revisión de las máscaras ........................................................................... 15 3.2. Proceso de fotolitografía ............................................................................ 16 3.2.1 Metalización ..................................................................................................................... 16 3.2.2 Mesas ................................................................................................................................... 17 3.2.3 Capa antireflectante ...................................................................................................... 18 3.3. Errores de Diseño ......................................................................................... 19 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 20 Bibliografía............................................................................................................................. 21 ANEXO A .............................................................................................................................. 22 ANEXO B .............................................................................................................................. 24 ANEXO C .............................................................................................................................. 25 i AGRADECIMIENTO Agradezco de forma especial a Pilar y Carlos por el apoyo y la paciencia que como investigadores y docentes supieron ilustrar en mí el conocimiento suficiente para desarrollo del presente proyecto, también agradezco a todas las personas del grupo de semiconductores de III-V del Instituto de Energía Solar que también participaron. Agradezco en general a Dios y a mi familia que siempre han estado y estarán en mi corazón. ii GLOSARIO GaAs: Arseniuro de galio MOVPE: Metalorganic Chemical Vapor Deposition TJSC: Triple juntion solar cell AR: Antireflectante CAD: Computer-aided design iii INTRODUCCIÓN La célula solar multiunion de alta concentración es una tecnología de gran eficiencia, con respecto a las células solares de silicio y lamina delgada. Y es que las células de concentración teóricamente pueden llegar a tener eficiencias del 63% [1], mientras que las de silicio y lamina delgada teóricamente pueden alcanzar el 25%. También las células de concentración pueden llegar a ser costosas por los materiales con los que son crecidos sin embargo esto se contrarresta concentrando irradiancias aproximadamente de 500 a 1000 soles, haciendo que sea posible reducir el tamaño de la célula a áreas mínimas, reduciendo así los costos. Varios estudios económicos demuestran que los sistemas de concentración fotovoltaica pueden competir con demás sistemas de generación eléctrica [2]. Además el impacto ambiental de los sistemas de concentración es inferior al del panel plano de silicio cristalino en zonas de alta irradiancia directa. [2] Por esto al parecer siguen creciendo las investigaciones en esta tecnología, y es saber que en los últimos años ha estado continuamente rompiendo marcas de eficiencia como lo ha hecho en estos últimos días. Donde la más alta eficiencia vista hasta la entrega de este proyecto es de 44,4% para una célula de triple unión a una concentración de 302 soles, por parte de los laboratorios Sharp [3]. Para alcanzar la mayor optimización de la eficiencia junto a la estructura semiconductora es esencial optimizar la malla frontal de la célula solar como muchas otras cosas. Sin embargo es de este proyecto hablar sobre las máscaras de fotolitografia que permitirán tal objetivo. A continuación se definirán algunos conceptos referentes a ello: Malla de metalización frontal.- O contactos metálicos superiores, más importantes que los contactos eléctricos posteriores por el hecho de ser la cara en donde se recibe la irradiación solar y existe el compromiso mayor área activa menor conducción o viceversa. Estos contactos pueden ser de diferentes materiales como el oro, plata y platino. En el instituto de energía solar el depósito de la malla de metalización se la tiene en forma de cuadrado invertido como la que se observa en la figura de abajo, en donde se aprecia que está formada por hilos pequeños llamados dedos y un marco de ancho mucho más grande llamado bus. Así se presentan los caminos donde circulara la corriente. Cabe aclarar que la justificación de esta disposición no se tratara en el presente proyecto. En la disposición en la que se encuentra la malla de metalización, usualmente se sabe diferenciarla de otras semejantes por tamaño, es decir área activa, o por la cantidad de números de dedos. Este último se refiere al número de dedos en contacto con una cara del cuadrado, es decir por ejemplo, de la siguiente figura se dice que es una célula solar de 1 mm2 y de 7 dedos. iv Dedos Bus Figura a: Malla metálica en forma de cuadrados invertidos o también llamada malla de San Fermín Mesas.- La oblea crecida con cualquiera de los métodos conocidos (habitualmente MOVPE) [4], se usa para fabricar varias células solares ya que su tamaño típico es de 2 pulgadas. De esta oblea se obtendrán varias células solares de alta concentración. La función de las denominadas mesas será la de aislar los dispositivos uno de otros. Para aislarlos se ataca químicamente para eliminar capa de contacto, ventana, emisor o las capas que se han necesarias. Hasta llegar al sustrato. Capa anti reflectante: Es la capa que permite a las células solares disminuir perdidas por reflexión, y generalmente se la deposita al final del proceso de fabricación. Se realiza un proceso de fotolitografía diferente y por lo tanto para cada paso se necesita una máscara, de esta manera tendremos una máscara de metalización para depositar los contactos (es idéntica a la malla metálica figura 1.1), una máscara de mesas para aislar los dispositivos (ver figura a) y una máscara para depositar la capa antireflectante (figura b). Trinchera Camino de corte Célula solar Figura a: Mesas v Parte activa Trincheras, pistas de corte, bus Figura b: Capa anti reflectante Fotolitografía: La fotolitografía es uno de los procesos que nos permite definir, formar o aislar los lugares en los que depositará, eliminará o protegerá las diferentes capas que integran la célula solar. Esta tecnología usa resina fotosensible. También llamada fotoresina, la cual tiene propiedades químicas que son sensibles a la luz ultravioleta, La resina mayoritariamente usada en las técnicas de fotolitografía es la fotosensible, resina positiva de alta viscosidad. Pero también es usada la resina negativa que es útil para definir motivos pequeños como es el caso de la malla de metalización. Así que dependiendo si la usamos para aislar o exponer como se ha dicho anteriormente será así el tipo de resina que se use. Cuando se aplica resina negativa la parte que es expuesta a luz ultravioleta, es decir la parte transparente de la máscara, es la parte que se endurece mientras que la que no fue expuesta es blanda y puede ser eliminado con el revelador FUTUREX. Caso contrario sucede con la resina positiva, la parte que no se expone se endurece y la que si se ablanda, la cual es eliminada con el revelador MICROPOSIT. Figura c: Resina negativa y positiva vi A sabiendas de cuál es el objetivo de cada paso descrito anteriormente, es justificable decir que la resina negativa se usa para la capa de contacto metálico por su capacidad de definir motivos pequeños y resina positiva para las mesas y el depósito de capa Antireflectante porque en caso de que no salga bien y hubiese que repetir el proceso esta se elimina mejor. vii CAPÍTULO 1: MOTIVACIÓN 1.1. Objetivo general: El grupo de semiconductores III-V del instituto de energía solar es determinado a realizar las máscaras fundamentalmente por los siguientes fines: sin ningún orden en especial, primero optimización de malla de metalización frontal para células TJSC con parámetros actuales de resistencia metal y de contacto y con parámetros futuros esperable, segundo evaluar células solares triple unión de 5mm2 versus 1mm2 y tercero evaporar en oblea capas AR gracias a la nueva evaporadora. 1.2. Estado del arte: máscaras de fotolitografía grupo de semiconductores III-V En el grupo de semiconductores III-V se diseñaron las máscaras de fotolitografía para la malla de metalización frontal y la malla usada en el proceso de aislamiento de los dispositivos (mesas) hace unos años atrás. Estas máscaras fueron optimizadas para las células solares de doble unión monolítica de GaInP/GaAs para aplicaciones de alta concentración. Tal diseño fue realizado por la ayuda de una herramienta computacional gráfica denominada CAD (computer-aided design), o su traducción en español, diseño asistido por computadora. 1.2.1 Características generales En este apartado el objetivo será describir las máscaras diseñadas para las células solares de GaInP/GaAs Las máscaras que en su conjunto tenían, como se había mencionado, el cristal, la parte impresa del diseño, y un tamaño de 4”x4”.Además las máscaras se encuentra en la disposición de fabricar las siguientes células solares y dispositivos; células solares de 1mm2 y con diferentes números de dedos (8, 9, 10 y 11), TLMs, VDPs, diodos cuadrados y células sin malla. Para el interés del lector cada uno de estos dispositivos será definido más adelante. Las células solares como se había mencionado tienen un tamaño total de 1200μmx1200μm (Bus + parte activa), se encuentran separadas entre ellas una distancia de 310μm, la misma que está dividida por la trinchera y la pista de corte. Donde trinchera es el lugar en donde se ataca químicamente para aislar un dispositivo del otro y pista de corte es el en donde se corta células una vez se han aislado y se haya depositado la capa AR 1 Figura 1.1: Distancia entre células 1.2.2 Dispositivos auxiliares En el diseño de las máscaras se añaden, además de las células y los dispositivos auxiliares, cruces de alineación. Las cuales nos ayudan en el momento cuando se realice la segunda y tercera exposición del ultravioleta. Es decir cuando se utilizan las máscaras de mesas y capa AR. Porque es importante que coincida oblea con la malla de metalización y las mesas o capa AR. Para ello el equipo que es usado para la exposición, nos da la habilidad de observar por medio de un microscopio si las cruces de la muestra coinciden con las cruces de la máscara llamada mesas. Además de observar el equipo permite controlar el movimiento vertical, horizontal y de giro de la oblea. Por este motivo es importante se encuentren bien hechas y que se las pueda encontrar en cualquier parte de la oblea. Figura 1.2: Marcas de ajuste Los dispositivos auxiliares también diseñados en la máscara se encuentran representados en la figura 1.7. Estos son TLM, VDP y Diodo Cuadrado. Y además de estos, aunque no se encuentre representado, está la célula solar sin dedos y solo con el bus de contacto. 2 Figura 1.3: Dispositivos Auxiliares de las máscaras anteriores 1.3. Diseño nueva máscaras 1.3.1 Descripción general El siguiente apartado se limitara a definir cada uno de los dispositivos que conforman la máscara. El diseño y el detalle de su fabricación se verán en el próximo capítulo. Se presenta información sobre cuáles y cuantos son las células y dispositivos que se piensan fabricar con la ayuda de las presentes máscaras, y sobre el fin u objetivo de los dispositivos auxiliares. Es importante destacar que el tipo de célula solar a fabricar con las nuevas máscaras serán células solares de triple unión con características optimizadas. La siguiente tabla muestra, por un lado la lista del tipo de células solares que se podrán fabricar con las máscaras y la cantidad de dispositivos que además se integran a esta. 3 Célula solar Célula solar 1mm parte activa, 7 número de dedos, 3um ancho del dedo y 100um ancho del bus Célula solar 1mm2 parte activa, 8 número de dedos, 3um ancho del dedo y 100um ancho del bus Célula solar 1mm2 parte activa, 9 número de dedos, 3um ancho del dedo y 100um ancho del bus Célula solar 5mm2 parte activa, 18 número de dedos, 3um ancho del dedo y 100um ancho del bus Célula solar 5mm2 parte activa, 24 número de dedos, 3um ancho del dedo y 100um ancho del bus Célula solar 5mm2 parte activa, 30 número de dedos, 3um ancho del dedo y 100um ancho del bus Dispositivos Dispositivos de eficiencia cuántica VDP Tiras TLM Colores 2 Cantidad 82 76 70 22 32 25 Cantidad 6 5 5 4 3 Tabla 1.1: Células y Dispositivos auxiliares En resumen se fabricaran un total de 228 células de 1mm2, 79 células de 5mm2 y 18 dispositivos auxiliares, para lo cual se dispondrán de 3 máscaras, una para contactos metálicos frontales, otra para mesas y otra para la capa anti reflectante. Los dispositivos auxiliares tienen el objetivo de evaluar ciertos parámetros como se explicaran a continuación: Dispositivo VDP.- Se trata de un dispositivo empleado para la medida de la concentración de portadores y sus movilidades en el substrato [5] Dispositivo TLM.- Se trata de un dispositivo empleado para medir la resistividad de contacto. [5] Dispositivo Tiras.- Se evalúa por medio de este dispositivo la resistencia de metal Dispositivo para evaluar el ataque de mesas.- son usados para que cuando se haga el ataque químico de las mesas se evalué si las diferentes capas semiconductoras hayan sido o no eliminadas, satisfactoriamente 4 1.3.2 Mejoras respecto a mascaras anteriores Este apartado estará dedicado a los cambios o mejoras que se harán con respecto a las anteriores máscaras, con el objetivo de superar y aprender de las experiencias con las anteriores mascaras. Además el uso de equipos y técnicas nuevas que mejoraran a las células solares en general. En esta oportunidad, como lector se abra dado cuenta, se fabricaran células con un tamaño de 5mm2 (parte activa), la razón de esto es que estas permiten comparar igual estructura de células en tamaños diferentes y evaluar las ventajas y desventajas que presenta este parámetro. Las células solares serán separadas una de otras 600 μm para un ataque de mesas más uniforme en toda la oblea, el doble que las anteriores. Con más detalle se verá más adelante en este mismo apartado. En los equipo como lo habíamos mencionado, actualmente en el instituto de energía solar se posee una mejor evaporadora, la cual se espera mejor resistencia de hoja de metal e incluso puede que menor resistencia de contacto metal semiconductor. Mascara de metalización En la máscara de metalización además de lo ya indicado sobre las nuevas células, algunos de los dispositivos auxiliares han cambiado como es el caso de los VDP’s que ahora son de 40 μm x 20 μm y los TLM’s también son más grandes. Todos estos detalles podrán observarse mejor en los planos adjuntos al proyecto. Otra mejora que se ha hecho, es el de añadir letras y números que identifican cada uno de las células solares, tanto las de 1 mm2 como las de 5 mm2. Un esquema de numeración, donde se representa la ubicación de cada una de las células se encuentra adjunto a este proyecto en el ANEXO B. Mascara de mesas Con respecto a la máscara de mesas, a diferencia de las anteriores estas serán 3 μm más pequeñas por lado que los 5 μm antes propuestos. Ver plano de Mesas detalles A y D adjunto a este proyecto. Por otro lado las cruces serán 2um más grandes para una lineación más exacta. Ver plano de Mesas detalle F adjunto a este proyecto. Con referencia a los dispositivos auxiliares, las mesas de la tiras y TLM’s tienen 10 μm más grande. Así se asegura mejor que no exista un cortocircuito. Ver plano de Mesas detalle C y E adjunto a este proyecto. 5 La zona de trincheras es el doble de anchas que las anteriores para un mejor ataque de mesas. Ver figura 1.8 Figura 1.4: Células solar de triple unión, actualmente estudiada por el grupo de semiconductores III-V del instituto de energía sola 1.3.3 Nueva Mascara AR Por último ahora se ha incluido una nueva mascara que servirá para depositar la capa anti-reflectante. Esta está planificada ubicarla en la zona activa de la célula más 5μm metido en la parte del bus (ver planos adjuntos). Como comparación con el anterior diseño de máscaras, esta parte no fue incluida ya que cada célula una vez cortada de la oblea se le depositaba capa antireflectante. La capa antireflectante sirve y será aplicado solo para la parte activa, por lo que no nos interesa que ninguno de los dispositivos auxiliares la tenga excepto la célula sin falla. 1.4. Simulación del funcionamiento de células solares de triple unión Ahora se pretende presentar los resultados de las simulaciones realizadas con el programa Origin, que se obtendrán después del proceso de fotolitografía con las nuevas mascaras. Además se verán las diferencias con las anteriores células siempre y cuando corresponda una comparación. Las células solares que ahora se piensan fabricar con la ayuda de las máscaras son de triple unión. En la siguiente figura se puede ver en un esquema que la identifica. 6 Figura 1.5: Células solar de triple unión, actualmente estudiada por el grupo de semiconductores III-V del instituto de energía solar A continuación se presentan los resultados de las simulaciones hechas por el grupo de semiconductores IIIV del Instituto de Energía Solar-UPM, que indican los parámetros característicos de las células solares que se fabricaran por medio de las máscaras. 1.4.1 Célula Solar de 1mm2 a) b) c) d) Figura 1.6: a) eficiencia vs # de dedos, b) Factor de forma vs # de dedos, c) corriente de corto circuito vs # de dedos, d) voltaje de circuito abierto vs # de dedos. Para célula de 1mm2 7 En los gráficos se puede observar porque se escogieron determinados números de dedos. Y para este caso en concreto fueron 7, 8 y 9 los números de dedos. Serán según las simulaciones los que brinden mayor eficiencia. 1.4.2 Célula Solar de 5mm2 a) b) c) d) Figura 1.7: a) eficiencia vs # de dedos, b) Factor de forma vs # de dedos, c) corriente de corto circuito vs # de dedos, d) voltaje de circuito abierto vs # de dedos. Para célula de 5mm2 Para el caso de las células de 5mm2, en cambio se han escogido los valores 18, 24 y 30. 8 CAPÍTULO 2: DISEÑO DE MASCARAS EN AUTOCAD 2.1. Introducción: En el siguiente capítulo se indicara el uso de la herramienta Autocad, algunas de sus características que benefician al diseño de las máscaras, los pasos para realizar un buen diseño y los detalles gráficos de cada mascara, específicamente dimensiones. 2.2. Ventajas de la herramienta computacional AutoCAD Como primera ventaja, el programa AutoCAD trabaja con un formato llamado dfx, el cual es exigido por los fabricantes. Por qué los fabricantes piden que se envíen estrictamente en este formato, está en las máquinas usadas para la impresión, más adelante se tratara este punto con más detalle. Las principales ventajas que brinda el usar la herramienta AutoCAD es la flexibilidad y la facilidad de los comandos con los que se puede trabajar, flexibilidad porque no existe una única forma de empezar y continuar con el dibujo, los comandos en general pueden seleccionarse desde las barras de herramientas o ingresarlos con él teclado y existen varios comandos para diferentes exigencias del usuario, el manejo eficiente de estos dependerá del conocimiento sobre el programa. Sin embargo al final esto determinara mayor tiempo o menor tiempo pero se obtendrá el mismo resultado. Facilidad porque se maneja en un espacio generalmente conocido por la mayoría de gente, la información acerca de cómo usar los comandos se lo puede encontrar en muchos sitios; libros, información digital y principalmente en la web, existe una infinidad de blogs en todo el mundo que se unen para ayudarse para el manejo y apoyo del programa. Algunos de los comandos, los más útiles y que ayudaran a disminuir el tiempo de diseño se encuentran adjunto a este proyecto. Estos comandos si el lector se encuentra interesado en usarlos, se encuentran en el Anexo A. 2.3. Identificación e información general del fabricante Como información general el fabricante que presto los servicios para las máscaras de Iván antes, es el mismo con el que se ha trabajado ahora. El nombre de la empresa es TOPPAN PHOTOMASKS, INC. de origen francés. La cual ofrece en uno de sus servicios la fabricación de máscaras. La empresa exige que para la fabricación de las máscaras se presente los dibujos en formato dxf. Ya que sus máquinas entienden este tipo de formato. En este punto cabe comentar que la máquina usada para la creación de la máscara es la TI Laserwriter y tiene las siguientes características: 9 Características Tamaño máximo del vidrio: Margen de error: Máquina: Pintura : Polígonos con reentrantes Arcos o Círculos: Unidades de Dibujo en: Ancho mínimo de línea: Centro de coordenadas: Malla de Datos: 10 x 10 0,25" TI Laserwriter Si Si Si μm 2 μm (0,0) 0,5 μm Tabla 2.1: Características de la maquina usada para imprimir las obleas En el cuadro antes mostrado, se puede observar que el ancho mínimo que se pueden imprimir llega hasta 2 μm. Esto lleva a una ventaja porque según las investigaciones por parte de María del Pilar [5], La eficiencia de 2 μm en la anchura de los dedos de la malla de metalización es mayor que la de 3 μm. Sin embargo el lector comprobara o habrá notado que el tamaño de las muestras actuales es de 3 μm. La elección de dicha anchura fue porque el equipo que se usa para exponer la resina a la ultravioleta no tiene una resolución más baja que esa. A continuación se presenta un dibujo que muestra la el proceso que paso el diseño cuando es terminado y entregado al fabricante de las máscaras para fotolitografía Figura 2.1: Fabricación de las máscaras para fotolitografía [fuente: Toppan] El tiempo estimado de fabricación, desde que el fabricante recibe los diseños dependen de algunos factores. Uno es que el fabricante determine si se ha diseñado bajo las condiciones que con anterioridad se enviaron, las cuales se verán en el siguiente apartado. Y que el cliente, en este caso el instituto de energía solar, este de acuerdo con una vista previa que se le envía antes de empezar a fabricar. Ya aquí una vez que, ambos fabricante y diseñador, estén de acuerdo con los dibujo se empieza a fabricar las máscaras, que después de esto aproximadamente se entregan entre una a dos semanas. Sin embargo todo depende de que el diseñador realice el dibujo bajo las normas o recomendaciones impuestas por el fabricante. Y si el diseñador dé el visto bueno de la pre-presentación del fabricante, pero suele haber más problemas en el primer supuesto. 10 2.4. Restricciones en el dibujo: Antes de comenzar con el diseño de las máscaras, se deben tener en cuenta algunas reglas que el fabricante impone y que por diseño también fueron impuestas. Para que el lector se familiarice con las expresiones que enuncia el fabricante a continuación se verá algunas de ellas que corresponden estrictamente al programa. Polilinea.- Es un tipo de línea, por el cual se crean objetos individuales coplanarios a través de una secuencia conectada de segmentos. Centro de coordenadas.- se refiere a donde se encuentra ubicado el punto centro de referencia o (0,0), en 2d o (0,0,0) en 3d, en el espacio de trabajo. Polígonos.- son definidos igual que en el argot geométrico. Son formas bidimensionales. Están hechos con líneas rectas, y su forma es "cerrada" (todas las líneas están conectadas). Capas o layers.- funcionan como grupos de objetos que se distinguen ya sean por colores, por grosor de líneas, tipo de líneas o simplemente por clasificar en grupos diferentes. Realizar lo es conveniente e importante asignar una capa a cada grupo de objetos (dibujos, ejes, cotas, etc.) para después poder manejarlos por separado. Sombreado o Hatch.- su función es sombrear áreas que se encuentren cerradas sin importar su forma. Bloque.- es una sola figura formada por la agrupación de varias de ellas. 2.4.1 Por diseño o Las máscaras se presentan en esta ocasión de forma circular como lo verán en los planos, que se encuentran al final de este capítulo. El dibujo se realiza en una circunferencia con diámetro de 2 pulgadas (50,8 mm) con un margen de 2mm. o Cada célula solar deberá ser identificable con una letra y un número que indiquen su columna y su fila respectivamente. Estos están ubicados en la parte interna y superior del bus y ordenados de acuerdo a un esquema que se lo puede encontrar en el Anexo B. o Los dispositivos auxiliares serán dibujados en el centro de la máscara como se verá en los planos más adelante. o Y deberá poseer marcas de ajuste para hacer coincidir la oblea con las diferentes mascaras en el proceso 11 2.4.1. Por fabricante o Ubicar cada mascara en el centro de coordenadas del espacio de trabajo o en la esquina izquierda inferior del diseño. Figura 2.2: (Derecha) centro de coordenadas en la esquina inferior izquierda, (Izquierda) centro de coordenadas en el centro del dibujo o Es recomendable nombrar a las capas con números desde el 0 (cero) en adelante, y que se clasifiquen según sus funciones; por ejemplo la capa cero es usada para definir marcos y líneas de dirección, capa 1 para letras y medidas, capa 2 la máscara de metalización, la capa 3 la máscara de mesas y capa4 la máscara de AR. o No usar sombreado cuando se quiera indicar el área que ira oscura en la mascara Figura 2.3: (Izquierda) dibujo con hatch, (Derecha) área sin sombrear o El dibujo debe ser creado con un solo tipo de líneas, poli-líneas, que a su vez deben formar figuras cerradas, es decir formar polígonos o Cuando se cree un figura esta no puede solaparse sobre sí misma ni auto-intersecarse. 12 Figura 2.4: (Izquierda) Figura con intersección, (Derecha) Figura sin intersección o Si se quieren crear polígonos cerrados con polilineas no usar anchos diferentes de cero, porque podría Figura 2.5: (Izquierda) Dibujo en Autocad, (Derecho) resultado impreso o La máquina actual TI Laserwriter tiene la ventaja de poder imprimir arcos, sin embargo no se debe forzar de esta situación y en lo posible dibujar con líneas rectas. o Para figuras o datos repetitivos está permitido insertar o crear bloques Las anteriores reglas de diseño han sido, para el que realizo el dibujo, importantes y que deberían tenerse en cuenta antes de empezar con un nuevo proyecto. Para cualquier información adicional el fabricante es en general bastante abierto a aclarar cualquier duda, ya se ha respondiendo un correo o enviando documentos de apoyo. 2.5. Pasos para la realización del dibujo Antes de empezar con los detalles de cómo se crearon los dibujos se debe indicar que muchos de los pasos se encuentran referenciados a los planos que están adjuntos al proyecto, cada plano está identificado y enumerado de acuerdo a la máscara. A los detalles se los encuentra con letras mayúsculas. Primero se adquirió toda la información posible acerca de las dimensiones de cada elemento a diseñarse en la máscara. Para ello se el grupo de semiconductores III-V tuvo varias reuniones que 13 definirían de acuerdo a cálculos y demás consideraciones las medidas que iban a tener cada células y dispositivo en las muestras. Una vez obtenido esto, se empezó a dibujar la primera mascara, metalización. Se dibujaron los contornos que limitarían o simularían a una oblea de 2 pulgadas. Para que el dibujo se facilite se crearon capas como se puede ver en la siguiente tabla. NOMBRE COLOR 0 1 2 3 4 5 ELEMENTOS Bordes, límites, construcciones temporales, líneas guías, membretes Cotas Contactos metálicos Identificación de células (letras y números) Mesas Antireflectante Tabla 2.2: Identificación de las capas Se empezó por la mascara de metalización, en la cual se dibujó primero las letras y números que identificarían a cada célula. como estas están ubicadas dentro del bus para poder diseñarlas se debe eliminar una pequeña parte de este, la cual formara el contorno del número o la letra. Ver figura 2.6 Metal Capa de contacto Figura 2.6: diseño de números y letras Después se formaron las mallas y los buses de cada célula. Como son varios dibujos se vio la necesidad de crear bloques que integraban la malla el bus y la identificación. De esta manera poder insertarlos siempre que necesitasen. Una vez que el diseño fue entregado, era necesario esperar a que el fabricante enviase un visto bueno de que el diseño se encontraba bajo las reglas y recomendaciones antes dichas. Y después de esto se envió una vista previa para que el instituto pudiera constatar como saldrían las máscaras. 2.6. Planos Se incluyen en anexos al final del documento 14 CAPÍTULO 3: RESULTADOS Conforme a la estructura del proyecto, este último capítulo está dirigido a la revisión de las máscaras de fotolitografía, en donde se tratara específicamente la verificación de dimensiones y estado físico de las mismas, como también se hablara del proceso de fotolitografía llevado a cabo en el laboratorio del instituto. 3.1. Revisión de las máscaras En general las máscaras llegaron en buen estado y la apariencia de estas es como la que se puede apreciar en la siguiente figura. Figura 3.1: Apariencia de las mascaras Con respecto a las dimensiones de cada mascara, se comprobó por medio del microscopio del laboratorio que se encontrasen correctamente cada elemento, las células solares y los dispositivos auxiliares así como las cruces de alineación. Figura 3.2: Mascaras vistas desde el microscopio. 15 3.2. Proceso de fotolitografía En una muestra de 2 pulgadas de diámetro, ver figura 3.3, de GaAs material se decidió probar a las máscaras. Figura 3.3: Oblea de 2 pulgadas, muestra de GaAs Las peculiaridades de la prueba química fueron que se hacía crecer una capa de aluminio de 600nm en la metalización, se hace un ataque de mesas con el fin de eliminar un poco la capa de GaAs y depositar como tercera característica una capa de antireflectante. Sabiendo esto a continuación se presentan los detalles de la prueba y sus resultados: 3.2.1 Metalización a) b) c) d) e) f) g) Se deposita la resina negativa en la muestra Secado de la resina en el hot plate del horno inferior a 120⁰C durante 1’ Exposición en ultravioleta 40’’ Revelado 2’ Decapado: H2SO4:H2O2:H2O (2:1:96 a 25⁰C) durante 30’’ HCl (1:1) durante 30’’ Evaporación de aluminio como contacto metálico en la nueva evaporadora PFEIFFER VACUUM, 600nm de espesor. h) Lift-off: removedor Futurex Figura 3.4: Lift-off con removedor Futurex Una vez que se retira la resina y se consigue la malla de metalización frontal se observan en el microscopio las dimensiones de los dedos y se buscan fallos errores si los hubiera. 16 grosor 3um Figura 3.5: Malla frontal (izquierda), grosor del dedo (derecha) Figura 3.6: Dispositivo auxiliar para medir resistencia de metal 3.2.2 Mesas Terminado la etapa de metalizacion, se procede aislar los dispositivos realizando los siguientes pasos: a) b) c) d) e) f) Ataque de mesas Depósito de resina positiva: 4600rpm, 40’’ Recocido: hot plate 120⁰C, 1’ Exposición en ultravioleta: 40’’ Revelado: 30’’ Decapado: NH4OH:H2O2:H2O (2:1:10 a 25⁰C) durante 30’’ Con esta etapa de la prueba principalmente se quería verificar la distancia de seguridad con la que se diseñó las mesas, la cual vale recordar es de 2um. 17 Trinchera Pista de corte Bus grosor 2um Figura 3.6: Distancia de seguridad entre la trinchera y el bus Figura 3.7: Dispositivo auxiliar (Izquierda), Células (derecha 3.2.3 Capa antireflectante Se deposita una capa antireflectante por medio de la evaporadora antigua, el procedimiento es el siguiente a) b) c) d) e) Depósito de resina positiva: 4000rpm, 40’’ Recocido: hot plate 120⁰C, 1’ Exposición en ultravioleta: 40’’ Revelado: 30’’ Evaporación de la capa AR en la evaporadora de no metales antigua. 18 3.3. Errores de Diseño En el paso de metalización después de la exposición el ultravioleta, se tuvo un error con el revelador, ya que al aplicar este durante 2 minutos. Se observó casi la totalidad de las números y letras para identificar a las células había desaparecido y algunos de los que aun restaban se ubicaban en otra parte de la célula. Ver figura 3.8 Figura 3.8: Error en el proceso de revelado El motivo de este error fue porque en el momento de revelado, la resina que se levanta de la muestra o el ataque químico que se realiza no es en forma vertical, haciendo que el ataque desgaste la base de la resina que más gruesa, haciendo que se levante la letras por ser de un tamaño muy pequeño, 3um. En el grafico a continuación se podrá entender más claramente Figura 3.9: Representación gráfica del error en el revelado de metalización 19 CONCLUSIONES El diseño de fotomáscaras es importante en las células solares pero sobre todo en células de alta concentración debido a los efectos distribuidos, esto quiere decir que por las altas fotocorrientes generadas pueden existir más perdidas semiconductor-metal o metal. Por ello es importante un diseño óptimo de la malla de metalización para disminuir a lo mínimo este problema. En este trabajo se han analizado las limitaciones de las anteriores máscaras que hasta ahora se usaban en el Grupo de Semiconductores III-V. En paralelo, se ha realizado la simulación del funcionamiento de células de triple unión, determinando las implicaciones resultantes en el diseño de nuevas máscaras. Como consecuencia, se han diseñado 3 máscaras: malla frontal superior, ataque de mesas y depósito de capas AR. Se han incluido células solares de dos tamaños (1mm2 y 5mm2) así como varios dispositivos auxiliares de caracterización (TLMs, eficiencia cuánticas, etc) Una vez recibidos nuestros diseños por Toppan, se han interaccionado con ellos para resolver algunos problemas. Finalmente, Toppan fabricó las máscaras y nos las envío el 9 de julio. Una vez recibidas las máscaras, se han verificado y se ha realizado con ellos un proceso completo de fotolitografía sobre oblea de dos pulgadas de GaAs que ha resultado exitoso. Por tanto, en este trabajo fin de máster ha diseñado y obtenido las nuevas máscaras de fotolitografía que el Grupo de Semiconductores III-V utilizarán en la fabricación de sus nuevas células triple unión. 20 BIBLIOGRAFÍA [1] P. E. González, «Capitulo 1 Introducción,» de Advances in the modeling, characterization and reliability of concentrator multijuntion solar cells, Madrid, Instituto de Energía Solar, 2012, p. 262. [2] P. Espinet, B. Enrique, E. Garcia, M. Ochoa, B. Laura, O. Vincenzo, P. Huo, J. Bautista, I. García, N. Nuñez, V. M. y I. R.-S. y. C. Algora, «Concentración fotovoltaica,» Revista Española de Física. [3] C. Zahumenszky, «GIZMODO,» GAWKER MEDIA , 2013. [En línea]. Available: http://es.gizmodo.com/la-celula-solar-mas-eficiente-del-mundo-impulsara-satel-513386336. [Último acceso: 15 06 2013]. [4] I. Rey-Stolle Prado, Artist, Desarrollo de células solares de GaAs para concentraciones luminosas muy elevadas. [Art]. Escuela técnica superior de ingenieros de telecomunicacion, UPM, 2001. [5] M. d. P. Albarrán Arias, Artist, Diseño y realización de mascaras de fotolitografía para aplicaciones fotovoltaicas. [Art]. Instituto de Energía Solar, escuela de telecomunicaciones de la universidad politécnica de Madrid, 1998. [6] I. García Vara, Artist, Desarrollo de células solares de doble unión de GaInP/GaAs para concentraciones luminosas elevadas. [Art]. Escuela Técnica Superior de Telecomunicaciones, Universidad Politécnica de Madrid, 20010. 21 ANEXO A Comandos de AutoCAD útiles para próximos diseños El objetivo de este apartado es hacer conocer al interesado en realizar un diseño de máscaras en Autocad, comandos útiles que le facilitaran el trabajo desde el principio hasta un fin. Comando rápida selección (quick select).- este comando al igual que los siguientes puede ser ingresado por el teclado en la barra de comandos con el alias qselect. Permite al usuario hacer una selección de los objetos en el dibujo dependiendo de las características ya sean de color, capa, grosor de línea, tipo de línea, dimensiones, etc. Para esto es importante, como se dijo en el capítulo 2, organizar por capas. Figura A.1: menú del comando qselect Comando lista (list).- Alias: list, para usar este comando se selecciona primero el objeto del que se quiere saber información sobre su perímetro o área. Su utilidad es bastante grande, ya que permite obtener distancias de cualquier trayectoria así como el área de cualquier figura con mucha exactitud. Figura A.2: ventana de información del comando list Comando matriz (array).- Alias: ar, es usado para la repetición de un objeto con un determinado patrón, es decir que es posible hacer varias copias de un objeto con separación uniforme ya sea en el formato de una matriz con fila y columna o con dimensiones angulares. 22 Figura A.3: menú de selección del comando ar Comando ventana (mirror).- alias: mi, permite reflejar objetos existentes en el dibujo, con la opción de retener o borrar el objeto original. 23 ANEXO B Posición y numeración de las células de 1mm2 y 5mm2 para concentración A continuación así se encuentras las células organizadas para la separación de 600um. L K 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 J 0 1 2 3 4 5 6 I 0 1 2 3 4 5 6 7 H G 0 1 2 3 4 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 9 10 8 9 10 11 9 10 11 12 10 11 12 13 11 12 13 14 13 14 15 15 16 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 F E 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 D C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9 10 10 10 10 11 11 11 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 A B 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 C D E F G 0 0 1 1 0 0 2 2 1 1 3 3 2 2 4 4 3 3 5 5 4 4 6 6 5 5 7 7 6 6 8 8 7 7 9 9 8 8 10 10 9 9 11 11 10 10 12 12 11 13 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 ANEXO C PLANOS 25 4
