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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Halbleiter-Bauelement mit einem beschichteten Substrat.
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Bei der Herstellung von Solarzellen wird ein Halbleiter-Substrat üblicherweise mit einer flächigen Rückseiten-Metallisierung versehen. Diese Rückseiten-Metallisierung weist in der Regel eine konstante Schichtdicke von mindestens 2 μm auf. Bei dünneren Schichtdicken würde die benötigte Querleitfähigkeit nicht erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats zu verbessern. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiter-Bauelement mit einer verbesserten Beschichtung zu schaffen.
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Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 und 15 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, das Halbleiter-Substrat mit einer Beschichtung einer inhomogenen Dicke zu versehen. Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, die Abscheiderate auf dem Substrat mittels eines Magnetfelds lokal zu beeinflussen. Hierfür weist die Beschichtungs-Vorrichtung eine Magnetisier-Einrichtung auf, mittels welcher ein vorbestimmtes Magnetfeld im Bereich zwischen dem zu beschichtenden Substrat und der Beschichtungs-Quelle erzeugbar ist. Somit ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine selektive Beschichtung des Substrats möglich.
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Als Beschichtungs-Einrichtung ist eine auf einfache Weise steuerbare Sputter-Einrichtung vorgesehen. Eine Sputter-Einrichtung ermöglicht ein Beschichten unterschiedlicher Substrate auf einfache Weise.
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Durch Anordnung der Magnetisier-Einrichtung und der Beschichtungs-Quelle auf einander entgegengesetzten Seiten der Halte-Einrichtung wird sichergestellt, dass die Magnetisier-Einrichtung beim Beschichten des Substrats nicht störend im Weg ist.
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Eine Magnetisier-Einrichtung mit einem oder mehreren Permanent-Magneten ist konstruktiv besonders einfach und robust. Elektromagnete sind dahingegen flexibel steuerbar und ermöglichen eine wahlweise zeitliche und räumliche Variation des Magnetfelds, wodurch die Beschichtung des Substrats flexibel steuerbar ist.
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Ein geeignetes Magnetfeld lässt sich insbesondere durch die Anordnung von Stabmagneten mit alternierender Polarität und in vorbestimmten Abständen erreichen.
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Besonders vorteilhaft lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Schichten mit unterschiedlichen Dicken-Verteilungen auf das Substrat aufbringen. Hierbei können diese Schichten aus unterschiedlichen Materialien sein.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,
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3 eine Ansicht des Substrat-Halters mit einer Anordnung von Stabmagneten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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4–7 exemplarische Beispiele von Halbleiter-Bauelementen mit unterschiedlichen Varianten erfindungsgemäß hergestellter Beschichtungen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine Vorrichtung 1 zum Beschichten eines Substrats 2 mit einer Beschichtung 16 umfasst eine Halte-Einrichtung 4 zum Halten des zu beschichtenden Substrats 2, eine Beschichtungs-Einrichtung 5 mit einer Beschichtungs-Quelle 6 und eine Magnetisier-Einrichtung 7 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 15 im Bereich zwischen dem zu beschichtenden Substrat 2 und der Beschichtungs-Quelle 6.
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Bei dem Substrat 2 handelt es sich insbesondere um ein Halbleiter-Substrat, beispielsweise um einen Silizium-Wafer, mit einer ersten Seite 8, einer dieser gegenüber liegenden zweiten Seite 9 und einer senkrecht auf den Seiten 8, 9 stehenden Flächennormalen 10.
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Die Beschichtung 16 umfasst mindestens eine Schicht 3.
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Die Halte-Einrichtung 4 dient der Halterung des Substrats 2, insbesondere während der Beschichtung. Sie ist vorzugsweise flächig ausgebildet und weist einen Boden 12 mit einer Auflage-Fläche 11 für das Substrat 2 auf. Sie weist darüber hinaus in den Figuren nicht dargestellte Halte-Elemente zur sicheren Fixierung des Substrats 2 auf. Die Halte-Einrichtung 4 ist vorzugsweise aus einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material. Das Material der Halte-Einrichtung 4 weist insbesondere eine Permeabilität μτ von weniger als 100, insbesondere weniger als 10, vorzugsweise weniger als 3, auf. Als Material für die Halte-Einrichtung 4 kommt beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Kunststoff in Frage.
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Als Beschichtungs-Einrichtung 5 ist eine Sputter-Einrichtung vorgesehen. Die Beschichtungs-Quelle 6 ist somit als Sputter-Quelle ausgebildet. Die Sputter-Einrichtung umfasst mindestens eine Prozesskammer zur Kathodenzerstäubung, die mit Unterdruck beaufschlagbar ist. Die Sputter-Quelle ist beabstandet zur Halte-Einrichtung 4 angeordnet. Sie kann fest oder verschiebbar in Bezug auf die Halte-Einrichtung 4 angeordnet sein. Es ist insbesondere vorteilhaft, die Sputter-Quelle in einer Richtung parallel zur Auflage-Fläche 11 der Halte-Einrichtung 4 verschiebbar anzuordnen. Prinzipiell kann die Beschichtungs-Einrichtung 5 auch mehrere Sputter-Quellen aufweisen. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Beschichtungs-Einrichtung 5 mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Sputter-Quellen aufweist. Die Sputter-Quellen können in einem vorgegebenen Raster aus Zeilen und Spalten angeordnet sein. Hierbei entspricht die Anordnung oder die Form oder die Anordnung und die Form der Sputter-Quellen vorzugsweise den späteren Lötpositionen. Zum Aufbringen von Schichten 3 aus unterschiedlichen Materialien können die Sputter-Quellen Targets aus unterschiedlichen Materialien aufweisen. Als Materialien für die Beschichtung 16 kommen insbesondere Aluminium, Silber, Nickel und Zinn in Frage. Die Form und Anordnung der Targets ist vorzugsweise an die Form des zu beschichtenden Substrats 2 oder an die gewünschte Form der Beschichtung 16 angepasst. Es sind insbesondere Sputter-Quellen 6 mit einem Raster von rechteckigen oder runden Targets möglich. Eine Kombination von rechteckigen und runden Targets ist ebenso möglich.
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Die Magnetisier-Einrichtung 7 dient der Erzeugung eines vorbestimmten, insbesondere eines inhomogenen, Magnetfelds im Bereich zwischen dem zu beschichtenden Substrat 2 und der Beschichtungs-Quelle 6. Das mittels der Magnetisier-Einrichtung 7 erzeugbare Magnetfeld weist vorzugsweise eine Periodizität in Richtung senkrecht zur Flächennormalen 10, das heißt in Richtung parallel zur Auflage-Fläche 11, auf.
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Die Magnetisier-Einrichtung 7 ist vorzugsweise auf der entgegengesetzten Seite der Halte-Einrichtung 4 angeordnet wie die Beschichtungs-Quelle 6. Es ist jedoch auch möglich, die Magnetisier-Einrichtung 7 derart anzuordnen, dass die Beschichtungs-Quelle 6 zwischen der Magnetisier-Einrichtung 7 und der Halte-Einrichtung 4 angeordnet ist. Außerdem ist es möglich, die Magnetisier-Einrichtung 7 derart auszubilden, dass sie den Bereich zwischen der Beschichtungs-Quelle 6 und der Halte-Einrichtung 4 umgibt. Es ist insbesondere eine ringförmige Ausbildung der Magnetisier-Einrichtung 7 denkbar. Entscheidend ist, dass sich zwischen der Beschichtungs-Quelle 6 und der Halte-Einrichtung 4 keine störenden Teile befinden, das heißt, dass der Bereich zwischen der Beschichtungs-Quelle 6 und der Halte-Einrichtung 4 frei von Hindernissen ist.
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In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Magnetisier-Einrichtung 7 in die Halte-Einrichtung 4 integriert. Sie kann insbesondere auf der der Auflage-Fläche 11 gegenüberliegenden Seite des Bodens 12 der Halte-Einrichtung 4 angeordnet sein.
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Alternativ hierzu ist es auch denkbar, die Magnetisier-Einrichtung 7 in die Beschichtungs-Einrichtung 5 zu integrieren.
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Die Magnetisier-Einrichtung 7 umfasst mindestens einen, insbesondere mehrere Magnete 13. Gemäß dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Magnete 13 als Permanentmagnete ausgebildet. Es ist jedoch ebenso möglich, einen oder mehrere der Magnete 13 als Elektromagnete auszubilden. Auch eine Kombination von Permanent- und Elektromagneten ist möglich. Die Magnete 13 sind beispielsweise als Stabmagnete ausgebildet. Sie sind parallel zur Auflage-Fläche 11 angeordnet. Sie können am Boden 12 befestigt sein. Die Magnete 13 sind parallel zueinander angeordnet. Sie sind in vorbestimmten Abständen zueinander angeordnet. Zur Erzeugung eines geeigneten Magnetfelds 15 ist beispielsweise vorgesehen, die Magnete 13 alternierend mit einem ersten Abstand D1 und einem zweiten Abstand D2 zueinander anzuordnen, wobei der erste Abstand D1 mindestens doppelt, insbesondere mindestens viermal so groß ist, wie der zweite Abstand D2. Bei dieser Anordnung ist vorgesehen, die Magnete 13 mit alternierender Polarität auszurichten. Feldlinien 14 des entsprechenden Magnetfeldes 15 sind in 1 schematisch dargestellt.
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Das mittels der Magnetisier-Einrichtung 7 erzeugbare Magnetfeld 15 weist in Richtung parallel zur Auflage-Fläche 11 Bereiche mit unterschiedlich hoher Feldstärke auf. Hierbei wechseln sich Bereiche mit einer höheren Feldstärke und Bereiche mit einer niedrigeren Feldstärke in einem vorbestimmten, regelmäßigen, insbesondere sich periodisch wiederholenden Muster ab.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten des Substrats 2 mit einer Beschichtung 16 beschrieben. Das Substrat 2 wird mit seiner ersten Seite 8 auf die Auflage-Fläche 11 der Halte-Einrichtung 4 gelegt und dort geeignet fixiert.
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Auf der der ersten Seite 8 gegenüberliegenden, zweiten Seite 9 ist das Substrat 2 mit einer dielektrischen Passivierungsschicht 17 versehen. Die dielektrische Passivierungsschicht 17 ist beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
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Sodann wird die Halte-Einrichtung 4 mit dem Substrat 2 derart in Bezug auf die Beschichtungs-Einrichtung 5 angeordnet, dass die Beschichtungs-Quelle 6 gegenüberliegend zur zweiten, zu beschichtenden Seite 9 des Substrats 2 angeordnet ist. Mittels der Beschichtungs-Einrichtung 5 wird dann die Schicht 3 der Beschichtung 16 auf die Passivierungsschicht 17 auf der zweiten Seite 9 des Substrats 2 aufgebracht. Die Schicht 3 ist flächig ausgebildet. Sie bedeckt die Passivierungsschicht 17 insbesondere ganzflächig, das heißt vollständig. Eine nur teilweise Bedeckung der Passivierungsschicht 17 ist ebenso möglich. Sie kann insbesondere Abscheidungsinseln, das heißt unzusammenhängende, Bereiche aufweisen. Die Beschichtung 16 kann eine oder mehrere Schichten 3 umfassen. Die Schichten 3 können aus unterschiedlichen Materialien sein. Sie können alternativ oder zusätzlich dazu eine unterschiedliche Dickenverteilung aufweisen.
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Die Beschichtung 16 weist insbesondere eine Schicht 3 aus Aluminium auf. Weitere Schichten 3 insbesondere aus Silber, Nickel oder Zinn sind möglich.
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Beim Austritt aus der Sputter-Quelle wird das Material zum Beschichten des Substrats 2 ionisiert. Das Beschichtungs-Material weist beim Beschichten des Substrats 2 einen Ionisierungsanteil von mindestens 25%, insbesondere mindestens 50%, insbesondere mindestens 90%, auf. Aufgrund ihrer elektrischen Ladung erfährt das von der Sputter-Quelle abgegebene Beschichtungs-Material auf seinem Weg von der Sputter-Quelle zum Substrat 2 im Magnetfeld 15 eine Lorentzkraft. Die Lorentzkraft ist proportional zur Feldstärke des Magnetfelds 15. Aufgrund der Lorentzkraft werden die einzelnen Bestandteile des Beschichtungs-Materials auf ihrem Weg von der Sputter-Quelle zum Substrat 2 mehr oder weniger abgelenkt. Hierdurch wird die Abscheiderate in vorbestimmten Bereichen auf dem Substrat 2 lokal erhöht. In diesen Bereichen ist eine Verdickung 18 der Beschichtung 16 zu beobachten. Die Verdickungen 18 können unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Denkbar sind insbesondere abgerundete, dachgiebelartige oder polygonale Querschnitte. In anderen Bereichen wird die Abscheiderate lokal erniedrigt.
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Durch eine geeignete Ausbildung des Magnetfelds 15, das heißt durch eine geeignete Verteilung der Feldstärke des Magnetfelds 15 im Bereich zwischen der Sputter-Quelle und dem Substrat 2 kann die Abscheiderate in vorbestimmten, lokalen Bereichen auf dem Substrat 2 flexibel beeinflusst werden. Im Falle von einer Magnetisier-Einrichtung 7 mit Elektromagneten kann das Magnetfeld 15 räumlich sowie insbesondere auch zeitlich durch geeignete Steuerung mindestens eines der Elektromagneten variiert werden.
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Aufgrund der räumlichen Variation der Abscheiderate auf dem Substrat 2 weist die Schicht 3 und somit die Beschichtung 16 in Richtung senkrecht zur Flächennormalen 10 eine inhomogene Dicke auf. Die Dicke der Beschichtung 16 auf dem Substrat 2 weist jedoch einen stetigen Verlauf auf. Es ist vorgesehen, die Abscheiderate an den Positionen lokal zu erhöhen, an welchen später Kontaktstrukturen oder Zellverbinder angelötet werden sollen. Mit anderen Worten nimmt die Dicke der Beschichtung 16 somit mit zunehmender Nähe zu den Lötpositionen zu. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass der durch die Beschichtung 16 zu transportierende Strom zu den Lötpositionen hin zunimmt. Da der ohmsche Widerstand aber mit zunehmender Dicke der Beschichtung 16 vermindert wird, bleibt der Leistungsverlust, der durch den ohmschen Widerstand der Beschichtung 16 entsteht, konstant oder wird sogar vermindert.
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Zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen der Beschichtung
16, insbesondere zwischen der Schicht
3 aus Aluminium und dem Substrat
2 ist ein Laser-Verfahren vorgesehen. Bezüglich Details der Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen der Beschichtung
16 und dem Substrat
2 sei auf die
DE 10 2009 010 816 A1 verwiesen.
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Weitere Schichten 3, insbesondere eine Diffusion-Sperrschicht und eine Löt-Schicht, können erfindungsgemäß nach dem gleichen Verfahren aufgebracht werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, die Lötbarkeit der Beschichtung 16 durch Aufbringen mindestens einer weiteren Schicht 3 zu verbessern. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise Nickel oder ein Schichtstapel aus Titan und Silber, wobei das Titan als Diffusionsbarriere fungiert und die Diffusion von Aluminium aus der ersten Schicht 3 in die lötbare Silberschicht verhindert.
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Zur Verminderung der mechanischen Spannungen im Substrat 2 nach der Beschichtung kann vorgesehen sein, das Substrat 2 während der Beschichtung zumindest teilweise mit einer Maskierung zu versehen. Vorzugsweise ist die Magnetisier-Einrichtung 7 gerade so ausgebildet, dass die Stellen mit einer erniedrigten Abscheiderate gerade der Positionierung der Maskierung entspricht, sodass die Menge des auf der Maskierung zurückbleibenden Materials reduziert wird.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die benötigte Schichtdicke aufgrund der lokal erhöhten Abscheiderate in einer geringeren Zeit erreicht werden kann.
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Wie in 2 dargestellt, kann die erste Schicht 3 der Beschichtung 16 auch mit einer konstanten Schichtdicke aufgebracht werden. Anschließend wird mindestens eine weitere Schicht 3 mit einer lokal erhöhten Abscheiderate, das heißt mit einer inhomogenen Dicke aufgebracht. Hierbei kann wiederum eine zumindest teilweise Maskierung des Substrats 2 vorgesehen sein. Durch eine Maskierung kann die Dicke der Beschichtung 16 noch flexibler und präziser variiert werden. Bei einer geeigneten Ausrichtung des Magnetfelds 15 wird die Maskierung nur mit einer geringen Abscheiderate beaufschlagt, sodass die Menge des auf der Maskierung zurückbleibenden Materials reduziert wird.
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Es kann vorteilhaft sein, das Substrat 2 während des Aufbringens mindestens einer der Schichten 3 zumindest teilweise mit einer Maskierung zu versehen. Selbstverständlich können unterschiedliche Maskierungen beim Aufbringen unterschiedlicher Schichten 3 eingesetzt werden. Exemplarische Beispiele der entsprechend aufgebrachten Beschichtungen 16 sind in den 4 bis 7 dargestellt. Hierbei sind die Verdickungen 18 der Beschichtung 16 schematisch gekennzeichnet. Wie in den 4 bis 7 dargestellt, kann die Beschichtung 16 insbesondere eine Reihe parallel zueinander angeordneter, streifenförmiger Verdickungen 18 oder ein Raster aus einer vorbestimmten Anzahl Zeilen und Spalten von rechteckförmigen, insbesondere quadratischen Verdickungen 18 aufweisen. Wie in 7 dargestellt, kann die Dicke der Beschichtung 16 in den Bereichen zwischen den Verdickungen 18 auch auf 0 reduziert werden.
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Im Folgenden wird ein erfindungsgemäß beschichtetes Halbleiter-Bauelement 19 beschrieben. Bei dem Halbleiter-Bauelement 19 handelt es sich insbesondere um eine Solarzelle. Das Halbleiter-Bauelement 19 umfasst das Halbleiter-Substrat 2. Das Halbleiter-Substrat 2 ist zumindest auf der zweiten Seite 9 mit einer Passivierungs-Schicht 17 versehen. Auf diese ist eine Beschichtung 16 aufgebracht. Die Beschichtung 16 umfasst ein oder mehrere Schichten 3. Erfindungsgemäß weist die Beschichtung 16 in Richtung senkrecht zur Flächennormalen 10 eine inhomogene Dicke auf. Die Dicke der Beschichtung 16 hat insbesondere einen stetigen Verlauf. Die Ausbildung der Beschichtung 16 ergibt sich aus vorstehender Beschreibung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009010816 A1 [0033]