DE102007042428A1

DE102007042428A1 - Verfahren zum Tempern von Halbleiter-Bauelementen

Info

Publication number: DE102007042428A1
Application number: DE102007042428A
Authority: DE
Inventors: Adolf MÜNZER; Matthias Wagner
Original assignee: SolarWorld Industries Deutschland GmbH
Current assignee: SolarWorld Industries Deutschland GmbH
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-12
Also published as: WO2009033544A1

Abstract

Ein Verfahren zum Tempern von Halbleiter-Bauelementen umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Halbleiter-Bauelements (1), umfassend ein Halbleiter-Substrat (2) mit mindestens einer ersten Kontakt-Struktur (3), die einen Siebdruck-Kontakt aus einem ersten Kontakt-Material aufweist, und mindestens einer zweiten Kontakt-Struktur (4), die einen laserfired Kontakt aus einem zweiten Kontakt-Material aufweist, wobei die erste Kontakt-Struktur (3) bis zu einer Degenerations-Temperatur (TD) hitzebeständig ist und das zweite Kontakt-Material bei Überschreiten einer Legierungs-Temperatur (TL) mit dem Halbleiter-Substrat (1) verschmilzt, Erhitzen des Halbleiter-Bauelements (1), wobei die Temperatur des Halbleiter-Bauelements (1) höchstens eine Maximal-Temperatur (TMax) erreicht, welche im Bereich der Legierungs-Temperatur (TL) liegt, die Dauer (DTemp) des Temper-Intervalls, währenddessen die Temperatur des Halbleiter-Bauelements (1) oberhalb der Degenerations-Temperatur (TD) liegt, höchstens so lang ist, dass die erste Kontakt-Struktur (3) unversehrt bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tempern von Halbleiter-Bauelementen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Halbleiter-Bauelement.
Sogenannte laser-fired (mit Laser eingebrannte) Kontakte (LFK) ermöglichen die Herstellung von Solarzellen mit hochwertigen Rückseiten-Kontakten. Derartige Rückseiten-Kontakte werden üblicherweise mit aufgedampften Titan-Palladium-Silber (Ti/Pd/Ag)-Vorderseiten-Kontakten kombiniert. Dadurch ist die Herstellung derartiger Solarzellen sehr aufwändig und teuer.
Siebgedruckte Vorderseiten-Kontakte sind kostengünstiger herzustellen als aufgedampfte Ti/Pd/Ag-Kontakte. Siebgedruckte Kontakte erfordern jedoch bei ihrer Herstellung ein Erhitzen auf etwa 800°C, bei welcher Temperatur laser-fired Kontakte aus Aluminium mit Silicium verschmelzen oder legieren würden. Die siebgedruckten Kontakte müssen daher auf die Solarzelle aufgebracht werden, bevor die laser-fired Kontakte aus Aluminium auf dieser angebracht werden können. Die laser-fired Kontakte müssen anschließend getempert werden. Dazu werden die laser-fired Kontakte üblicherweise für fünf bis zehn Minuten auf etwa 400°C erhitzt. Bei Temperaturen oberhalb von etwa 250°C werden die siebgedruckten Kontakte jedoch bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften geschädigt. Mit steigender Temper-Temperatur werden die Eigenschaften der vorderseitigen Siebdruck-Kontakte verschlechtert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei welchen die laser-fired Kontakte durch Tempern verbessert werden, die siebgedruckten Kontakte jedoch unversehrt bleiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, ein Halbleiter-Bauelement mit laser-fired Kontakten einerseits und Siebdruck-Kontakten andererseits zum Tempern der laser-fired Kontakte mit einem definierten Temperaturprofil schnell und kurzzeitig auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, welche oberhalb der Temperatur liegt, bis zu welcher die siebgedruckten Kontakte hitzebeständig sind, und welche bis in den Bereich der Temperatur reicht, ab welcher die laser-fired Kontakte mit dem Halbleiter-Substrat verschmelzen oder legieren können. Hierbei wird das Erhitzen derart gesteuert, dass das Temperatur-Profil des Halbleiter-Bauelements dem Einbrennprofil für den Siebdruck-Kontakt nachgebildet wird und höchstens für einige Sekunden oberhalb der Temperatur verläuft, bis zu welcher die siebgedruckten Kontakte hitzebeständig sind. Durch das Temperaturprofil und die kurze Dauer des Temper-Intervalls wird sichergestellt, dass die siebgedruckten Kontakte unversehrt bleiben. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Halbleiter-Bauelement und
2 den Temperaturverlauf des Halbleiter-Bauelements während des Temperns.
Im Folgenden wird zunächst anhand der 1 der Aufbau eines Halbleiter-Bauelements 1 beschrieben. Das Halbleiter-Bauelement 1, insbesondere eine Solarzelle, umfasst ein Halbleiter-Substrat 2, mindestens eine erste Kontakt-Struktur 3 sowie eine zweite Kontakt-Struktur 4.
Das Halbleiter-Substrat 2 ist im Wesentlichen flächig ausgebildet. Es weist eine erste Seite 5 und eine dieser gegenüber liegende zweite Seite 6 auf. Das Halbleiter-Substrat 2 besteht aus Silizium. Das Halbleiter-Substrat 2 weist zumindest bereichsweise p-Dotierungen, insbesondere aus Bor, Indium, Aluminium oder Gallium, und n-Dotierungen, insbesondere aus Phosphor, Arsen oder Antimon, auf. Alternativ hierzu kann das Halbleiter-Substrat 2 auch aus einem anderen Material oder mit einer anderen Dotierung ausgebildet sein.
Die erste Kontakt-Struktur 3 ist aus einem ersten, elektrisch gut leitenden Kontakt-Material gebildet. Sie ist bei einer Temperatur von etwa 800°C eingebrannt und steht in elektrischem Kontakt mit dem Halbleiter-Substrat 2. Die erste Kontakt-Struktur 3 ist insbesondere als Vorderseiten-Kontakt, das heißt auf der ersten Seite 5 des Halbleiter-Substrats 2, ausgebildet. Sie ist als Siebdruck-Kontakt ausgebildet, d. h. mittels eines Siebdruck-Verfahrens hergestellt. Sie ist zumindest teilweise aus Silber. Die fertig eingebrannte erste Kontakt-Struktur 3 ist bis zu einer Degenerations-Temperatur T_D hitzebeständig. Darüber hinausgehende Temperaturen schädigen die erste Kontakt-Struktur 3 umso mehr, je höher die Temperatur und je länger die Einwirkungszeit der Temperatur.
Die zweite Kontakt-Struktur 4 ist aus einem zweiten, ebenfalls elektrisch gut leitenden Kontakt-Material gebildet, welches bei Überschreiten einer Legierungs-Temperatur T_L mit dem Halbleiter-Substrat 2 verschmilzt. Sie steht in elektrischem Kontakt mit der zweiten Seite 6 des Halbleiter-Substrats 2. Die zweite Kontakt-Struktur 4 ist als sogenannter laser-fired Kontakt (LFK) ausgebildet. Zur Herstellung von laser-fired Kontakten wird auf das Substrat 2 zunächst eine dielektrische Passivierungsschicht aufgebracht, auf welche beispielsweise eine Aluminiumdünnschicht aufgetragen wird. Darauf wird zur Kontaktierung des Substrats 2 die Aluminiumdünnschicht mittels eines Lasers, insbesondere eines gütegeschalteten Festkörperlasers, bestrahlt, wodurch sie die dielektrische Schicht punktuell durchdringt und in elektrischen Kontakt mit dem Substrat 2 kommt. Zum Erreichen guter Eigenschaften der Kontaktierung und geeigneter elektrischer Eigenschaften der dielektrischen Schicht ist die zweite Kontakt-Struktur 4 getempert. Sie ist insbesondere aus Aluminium. Vorteilhafterweise ist sie durch eine dielektrische Schicht von dem Halbleiter-Substrat 2 isoliert, welche das Halbleiter-Substrat 2 passiviert. Die zweite Kontakt-Struktur 4 ist als Rückseiten-Kontakt ausgebildet.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass die erste Kontakt-Struktur 3 und die zweite Kontakt-Struktur 4 auf derselben Seite des Halbleiter-Substrats 2 angeordnet sind.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Tempern des Halbleiter-Bauelements 1 beschrieben. Zunächst wird das Halbleiter-Bauelement 1 mit der bereits eingebrannten, in elektrischem Kontakt mit dem Substrat 2 stehenden, siebgedruckten ersten Kontakt-Struktur 3 und der laser-fired zweiten Kontakt-Struktur 4 bereitgestellt. Die zweite Kontakt-Struktur 4 ist ungetempert.
Für das Tempern der zweiten Kontakt-Struktur 4 wird eine Heiz-Einrichtung bereitgestellt. Die Heiz-Einrichtung ist als Bandofen ausgebildet. Die Heiz-Einrichtung erhitzt das Halbleiter-Bauelement 1 mittels Strahlungswärme, insbesondere mittels Infrarot-Strahlung. Eine derartige Erhitzung ermöglicht ein schnelles und gleichmäßiges Erhitzen des Halbleiter-Bauelements 1. Andere Heiz-Einrichtungen sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Heiz-Einrichtung erhitzt das Halbleiter-Bauelement 1 mit einem bestimmten, über eine Kontroll-Einrichtung wähl- und kontrollierbaren Temperaturprofil. Ein exemplarischer Temperaturverlauf für das erfindungsgemäße Verfahren ist in 2 dargestellt. Beim Erhitzend des Halbleiter-Bauelements 1 erreicht die Temperatur des Halbleiter-Bauelements 1 höchstens eine Maximal-Temperatur T_Max, welche im Bereich der Legierungs-Temperatur T_L des zweiten Kontakt-Materials mit dem Halbleiter-Substrats 2 liegt. Die Maximal-Temperatur T_Max ist kleiner als 650°C, insbesondere kleiner als 600°C, insbesondere kleiner als 577°C.
Während der Dauer D_Temp des Temper-Intervalls liegt die Temperatur des Halbleiter-Bauelements 1 oberhalb der Degenerations-Temperatur T_D. Die Degenerations-Temperatur T_D der siebgedruckten ersten Kontakt-Struktur 3 liegt bei etwa 250°C. Bei Temperaturen über diesem Wert wird die erste Kontakt-Struktur 3 geschädigt, und zwar je höher die Temperatur umso schneller und je länger die Zeit umso mehr. Jedoch sind Temperaturen von mindestens 300°C, insbesondere mindestens 400°C vorgesehen, um ein Tempern der laser-fired zweiten Kontakt-Struktur 4 zu ermöglichen.
Die Dauer D_Temp des Temper-Intervalls ist hinreichend lang, dass die laser-fired zweite Kontakt-Struktur 4 getempert wird. Die Dauer D_Temp des Temper-Intervalls beträgt mindestens 1 sec, insbesondere mindestens 5 sec, insbesondere mindestens 10 sec.
Die Dauer D_Temp des Temper-Intervalls ist jedoch hinreichend kurz, d. h. höchstens so lang, dass die erste Kontakt-Struktur 3 beim Erhitzen unversehrt bleibt. Sie beträgt weniger als 60 sec, vorteilhafterweise weniger als 30 sec, insbesondere weniger als 20 sec. Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren von zentraler Bedeutung, dass die Temperatur des Halbleiter-Bauelements 1 nur für eine verhältnismäßig kurze Zeit über der Degenerations-Temperatur T_D liegt.
Experimente haben gezeigt, dass ein kurzes, schnelles Erhitzen des Halbleiter-Bauelements 1 auf Temperaturen von bis zu etwa 600°C für ein Tempern der zweiten Kontakt-Struktur 4 ausreichend waren. Hierbei war die Maximal-Temperatur T_Max durch die Legierungs-Temperatur T_L, d. h. die Temperatur, ab welcher das Kontakt-Material der zweiten Kontakt-Struktur 4 mit dem Halbleiter-Substrat 2 zu verschmelzen beginnt, begrenzt. Im Fall einer zweiten Kontakt-Struktur 4 aus Aluminium liegt die Legierungs-Temperatur T_L bei 577°C. Experimente haben des Weiteren ergeben, dass ein derartiges schnelles Temper-Verfahren die Herstellung von hocheffizienten Solarzellen mit einer Hybrid-Metallisierung, d. h. mit Siebdruck-Vorderseiten-Kontakten und laser-fired Rückseiten-Kontakten ermöglicht. Der Wirkungsgrad derartig getemperter Solarzellen lag bei bis zu 17,5%. Die Kurzschluss-Stromdichte lag bei über 37 mA/cm², die Leerlauf-Spannung bei bis zu 620 mV. Der Füll-Faktor, bzw. Fill Faktor, d. h. das Verhältnis der maximalen Leistung zum Produkt aus der Kurzschluss-Stromstärke und der Leerlauf-Spannung, konnte auf über 76% gesteigert werden. Durch wiederholte Experimente konnte gezeigt werden, dass das geschilderte Temper-Verfahren zuverlässig und reproduzierbar ist. Es ist darüber hinaus einfach und mit geringem Aufwand durchführbar.

Claims

Verfahren zum Tempern von Halbleiter-Bauelementen umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Halbleiter-Bauelements (1) umfassend – ein Halbleiter-Substrat (2) mit – mindestens einer ersten Kontakt-Struktur (3), die einen Siebdruck-Kontakt aus einem ersten Kontakt-Material aufweist, und – mindestens einer zweiten Kontakt-Struktur (4), die einen laser-fired Kontakt aus einem zweiten Kontakt-Material aufweist, wobei – die erste Kontakt-Struktur (3) bis zu einer Degenerations-Temperatur (T_D) hitzebeständig ist, und – das zweite Kontakt-Material bei Überschreiten einer Legierungs-Temperatur (T_L) mit dem Halbleiter-Substrat (1) verschmilzt, – Erhitzen des Halbleiter-Bauelements (1), wobei – die Temperatur des Halbleiter-Bauelements (1) höchstens eine Maximal-Temperatur (T_Max) erreicht, welche im Bereich der Legierungs-Temperatur (T_L) liegt, – die Dauer (D_Temp) des Temper-Intervalls, während dessen die Temperatur des Halbleiter-Bauelements (1) oberhalb der Degenerations-Temperatur (T_D) liegt, höchstens so lang ist, dass die erste Kontakt-Struktur (3) unversehrt bleibt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Kontakt-Material Aluminium vorgesehen ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontakt-Struktur (3) ein Vorderseiten-Kontakt ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontakt-Struktur (4) ein Rückseiten-Kontakt ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Maximal-Temperatur (T_max) des Halbleiter-Bauelements gilt: T_max < 650°C, insbesondere T_max < 600°C, insbesondere T_max < 577°C.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Dauer (D_Temp) des Temper-Intervalls gilt: D_Temp < 60 sec, insbesondere D_Temp < 30 sec, insbesondere D_Temp < 20 sec.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Halbleiter-Bauelement (1) um eine Solarzelle handelt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhitzen ein Bandofen verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Bauelement mittels Strahlungswärme erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Bauelement mittels Infrarot-Strahlung erhitzt wird.
Halbleiter-Bauelement (1) umfassend a. ein Halbleiter-Substrat (2), b. mindestens eine erste Kontakt-Struktur (3), c. mindestens eine zweite Kontakt-Struktur (4), d. wobei die mindestens eine erste Kontakt-Struktur (3) ein im Wesentlichen unversehrter, siebgedruckter, eingebrannter Kontakt ist, und e. wobei die mindestens eine zweite Kontakt-Struktur (4) ein getemperter laser-fired Kontakt ist.