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WO2014023668A1 - Laserbasiertes verfahren und bearbeitungstisch zur lokalen kontaktierung eines halbleiterbauelements - Google Patents

Laserbasiertes verfahren und bearbeitungstisch zur lokalen kontaktierung eines halbleiterbauelements Download PDF

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Publication number
WO2014023668A1
WO2014023668A1 PCT/EP2013/066328 EP2013066328W WO2014023668A1 WO 2014023668 A1 WO2014023668 A1 WO 2014023668A1 EP 2013066328 W EP2013066328 W EP 2013066328W WO 2014023668 A1 WO2014023668 A1 WO 2014023668A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal foil
layer
semiconductor component
metal
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/066328
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Nekarda
Andreas Rodofili
Andreas Brand
Martin Graf
Ralf Preu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to CN201380052669.9A priority Critical patent/CN104737300A/zh
Priority to EP13745646.3A priority patent/EP2883247A1/de
Publication of WO2014023668A1 publication Critical patent/WO2014023668A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • H10F77/206—Electrodes for devices having potential barriers
    • H10F77/211—Electrodes for devices having potential barriers for photovoltaic cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for locally contacting a semiconductor component, which semiconductor component is part of a photovoltaic solar cell or a preliminary stage in the production process of a photovoltaic solar cell, according to the preamble of claim 1 and a processing table for carrying out such a method.
  • charge carriers are typically dissipated by metal structures.
  • metal structures are known which contact one side of the semiconductor component over the whole area.
  • metal structures are used which have one or more local electrical contact areas to the semiconductor component.
  • the semiconductor device consists of a semiconductor layer with a p-doped region and an n-doped region.
  • the semiconductor layer may comprise additional insulating layers.
  • the semiconductor component contacted locally by means of the metallic contacting structure is thus part of a photovoltaic solar cell or a preliminary stage of a photovoltaic solar cell in the manufacturing process, wherein the solar cell can have a plurality of semiconductor layers.
  • a metal layer is applied over the entire surface, which thus covers the lift-off layer and covers the silicon substrate in the locally opened regions.
  • a metal structure remains in the previously locally opened regions of the insulating layer on the surface of the silicon substrate.
  • the present invention has for its object to provide a method for locally contacting a semiconductor device, the use of which improves the contact properties, in particular with respect to the electrical conductivity and adhesion, reduces the shading and which at the same time has a low Prozeßkompextician. Furthermore, the invention is intended to provide a machining table for carrying out such a method.
  • the inventive method is used to produce a metal structure for local electrical contacting, d. H. a metallic contacting structure of a semiconductor device.
  • the semiconductor component is a photovoltaic solar cell or a precursor of a photovoltaic solar cell in the manufacturing process and comprises at least one semiconductor layer. It is within the scope of the invention that the semiconductor layer is formed as a semiconductor substrate, in particular as a silicon wafer.
  • the use of the method according to the invention in the production of front side contacts of a solar cell is advantageous in order to produce linear contacts with as little shading as possible, since the electromagnetic radiation is coupled into the semiconductor component via the front side.
  • solar cells are contacted on the front side by line-like metallic contacting structures that are connected to one another like a comb.
  • the method comprises the following method steps:
  • At least one metal layer is applied to one side of the semiconductor component.
  • a melting of at least the metal layer takes place in a local area for a short time.
  • a metal foil is used as the metal layer and that in a method step C, the metal foil is removed in the areas not fused in method step B.
  • the invention is based on the applicant's knowledge that by using a metal foil as the metal layer after the contacting step, the metal layer in the non-fused regions can be easily removed.
  • the method according to the invention offers a cost-effective possibility of producing metal structures for local contacting of the semiconductor component.
  • narrower structures with a higher aspect ratio (height to width of the metal structure) can be produced, so that further the use of silver is not absolutely necessary and thereby costs can be saved.
  • commercially available metal foil for example, in a supermarket, commercially available metal foil can be used in the process according to the invention, which nevertheless has only a small thickness variation.
  • At least one intermediate layer is applied to one side of the semiconductor component before method step A.
  • This intermediate layer is particularly preferably a dielectric layer.
  • the intermediate layer can be formed to increase the efficiency of the solar cell, in particular by forming the intermediate layer as a passivation layer in order to reduce the charge carrier recombination on the surface of the semiconductor layer and / or by forming the intermediate layer as an optical layer in order Reflection properties of the solar cell and thus improve the light absorption.
  • an embodiment of the intermediate layer as a dielectric layer in particular as a silicon dioxide layer or silicon nitride layer is advantageous.
  • the intermediate layer applied to one side of the semiconductor component is removed in the local regions. This results in the following Applying the metal foil these in the local contacting areas directly to the surface to be electrically contacted. This results in the advantage that a disturbance of the contact formation in the local melting of the metal foil is avoided by the material of the molten intermediate layer.
  • the removal of the intermediate layer preferably takes place in such a way that the intermediate layer is ablated in the local regions by means of a laser and / or is removed by a wet-chemical etching process.
  • a multilayer metal foil is used as the metal layer.
  • This has the advantage that multistage metallic contacting structures with different properties in terms of conductivity, adhesion properties, material costs and / or contact resistance can be applied, and thus in particular a high conductivity can be achieved at a reduced cost.
  • the metal layer is preferably locally heated by means of illumination, particularly preferably by means of a laser, in particular preferably by means of a pulsed laser.
  • a laser having a wavelength in a range of 190 nm to 1 1 ⁇ , particularly preferably used with a length of 1 064 nm.
  • a laser with a pulse length in the range of 10 ns to 1 0 s is used. It is also within the scope of the invention to use a laser in continuous wave mode (cw) or a cw laser in modulated mode for method step B. Investigations by the inventors have shown that the aforementioned parameters enable a smooth and error-free process flow.
  • An advantage of the use of a laser for local heating and thus melting of the metal foil is that no determination of a given shape of the metal structure, for example, by a sieve used, as in the method according to the invention, the local melting at any location and with high Accuracy can take place.
  • Titanium, silver, nickel, aluminum, tin, zinc and / or copper are preferably used as the material for the metal foil. Particularly preferred is for the Coating p-doped semiconductor materials used aluminum, nickel and / or titanium. Particular preference is given to using nickel, more preferably silver, preferably titanium, for the coating of n-doped semiconductor metal materials.
  • the metal foil used to produce the metallic contacting structure of a semiconductor component preferably has a total thickness of more than 10 m, in particular if the entire metallic contacting structure is produced by means of the metal foil.
  • a multilayer metal foil comprising a material suitable for contacting, a low-cost material with high conductivity and a material suitable for interconnecting the semiconductor component in the stated sequence.
  • the individual layers preferably have thicknesses in the range between 100 nm to 10 m.
  • the multilayer metal foils for producing a metallic contacting structure on a p-doped semiconductor component have the following structure:
  • the multilayer metal foil on the side facing the semiconductor component comprises an approximately 100 nm thick nickel layer and / or titanium layer and / or aluminum layer.
  • a middle layer of the multilayer metal foil may be made of a low-cost material that must have good conductivity, preferably copper or tin.
  • the last layer of the multilayer metal foil on the side remote from the semiconductor component is a silver layer and / or tin layer and / or zinc layer and / or copper layer for further interconnection.
  • the multilayer metal foils for producing a metallic contacting structure on an n-doped semiconductor component have the following structure:
  • the multilayer metal foil on the side facing the semiconductor component comprises an approximately 100 nm thick nickel layer and / or titanium layer and / or silver layer.
  • a middle layer of the multilayer metal foil may be made of a low-cost material that must have good conductivity, preferably Copper or tin.
  • the last layer of the multilayer metal foil on the side remote from the semiconductor component is a silver layer and / or tin layer and / or zinc layer and / or copper layer for further connection.
  • structuring of the metal foil takes place simultaneously during the contacting process.
  • Structuring means that a separation between the areas in which an electrical contact was generated by means of the metal, and the areas in which the metal foil was not melted, arises.
  • the advantage here is that thereby the metal foil in the areas where no contact has taken place, can be removed easily and without additional separation step from the semiconductor surface.
  • predetermined breaking points are introduced into the metal foil in an additional method step B-a before method step C. This has the advantage that, in particular when using thicker and in particular multilayer metal foils, a defined parting line is predetermined. In this way, in particular, the risk that film is torn off when removing the film, even in a molten area, is considerably reduced.
  • the metal foil is at least partially spaced apart from the semi-ferritic component in the non-fused areas before the structuring step so that no contact is made with the semiconductor component at the heated portions. In this way, in particular, it is avoided that the metal foil adheres to the semiconductor device in the non-fused areas during the separation step.
  • a safe and inexpensive spacing is achieved in a preferred embodiment of the method according to the invention by the metal foil is at least partially spaced from the Haibleiterbauelement by heating the semiconductor device and / or by suction from above, and / or by blowing from below.
  • a laser particularly preferably a pulsed laser, is used in the generation of predetermined breaking parts in the structuring step.
  • the use of a laser for processing solar cells is known per se, so that it is possible to resort to existing devices and in particular deflection units for the laser beam. It is especially made
  • LFC laser fired contacts
  • a laser with a wavelength range from 1 90 nm to 1 1 ⁇ used preferably in the range of 1030 nm to 1064 nm.
  • a laser with pulse lengths of one ns to several ps used more preferably in the range of 1 s to 1 00 ⁇ . It is also within the scope of the invention to perform the structuring step with a laser in continuous wave mode (cw) or a cw laser in modulated operation.
  • the metal foil is fastened to the semiconductor component at least during method step B.
  • the metal foil preferably rests flat against the semiconductor component during melting, since, for example, air entrapment between the foil and the semiconductor component in the region to be fused may result in inaccuracies in the production of the metal structure. This may be due to the fact that the metal foil is completely or partially vaporized due to the lack of thermal contact with the semiconductor device in the local heating and thus forms no or only an insufficient, a high contact resistance having metal structure.
  • the metal foil is therefore stretched during the process step B on the semiconductor device, and / or sucked on this and / or blown on this.
  • the suction and / or blowing of the metal foil offers a process-technically simple and in particular non-contact possibility of ensuring the contact between metal foil and semiconductor component in method step B.
  • the heating of the metal foil takes place by illumination of the side of the semiconductor component facing away from the metal foil. This preferred embodiment of the method according to the invention makes it possible to melt the metal foil locally at the boundary layer metal foil semiconductor component.
  • a laser is preferably used for the melting of the metal foil which is not or only slightly absorbed by the semiconductor component, in particular by a silicon layer, so that the local heating takes place essentially at the local metal foil semiconductor component at the boundary layer.
  • the use of a laser having a wavelength in the range of 1200 nm to 1 pm is advantageous, in particular a C0 2 laser.
  • multilayer metal foils In the case of illumination from the side facing away from the metal foil, use of multilayer metal foils in particular is preferred. In this case, it is advantageous in particular that further possible metal layers are not or only slightly melted on the side of the metal foil facing away from the semiconductor component. This ensures that only the semiconductor component facing layer of the multilayer metal foil is melted to form the electrical contact with the semiconductor device, whereas the other layers of the multilayer metal foil remain unchanged in structure and thus may be formed in particular for a low line resistance. As a result, multilayer metal contacts with different functionalities can be produced in one method step.
  • a multilayer film which comprises a copper layer which does not directly adjoin the semiconductor component, ie is a middle layer or the layer facing away from the semiconductor component.
  • a copper layer when using a copper layer, the problem was that the copper layer was also melted and therefore copper atoms embedded in the semiconductor device and adversely affected the electrical properties, especially when using a silicon semiconductor device.
  • a laser is used for melting the metal foil whose beam profile has a higher intensity at the edges than in the middle.
  • intensity at the edges rather than at the center means that the intensity of the beam profile perpendicular to the direction of movement of the laser relative to the surface of the semiconductor device has a lower intensity in a middle region than in the two outer regions
  • the metal foil Due to the high laser intensity at the edges of the beam profile, the metal foil is contacted here with the Halbieiterbauelement and simultaneously generates a predetermined breaking point, in the middle region with low laser intensity, the metal foil remains largely preserved and thus ensures sufficient conductivity.
  • the advantage here is that thereby the metal foil in the areas where no contact has taken place, can be removed easily and without additional separation step from the surface of the semiconductor device.
  • the method according to the invention is designed as an at least two-stage metallization process: First, as described above, a metal structure is formed by means of the metal foil. This serves as a seed layer, which is reinforced metallically in a second step of the metallization process.
  • metal preferably galvanically, is deposited on the metallic contacts which were produced as a seed layer in the first step, ie the contacts are preferably galvanically reinforced.
  • the galvanic amplifiers kung can be used on known processes. In particular, it is advantageous to carry out the reinforcement with a different and preferably less expensive metal to the seed layer.
  • a thin metal foil is preferably used to produce the seed layer, so that the contacting step and the structuring step take place simultaneously. This results in a low process complexity. Furthermore, a costly metal, for example silver, is typically used as seed, so that the use of a thin metal foil reduces costs.
  • the metal foil used in the production of the seed layer has a total thickness of less than 3 pm, preferably less than 2 ⁇ .
  • a laser with pulse lengths in the range of 10 ns to 100 ns is used for the production of seed layers, in particular when using a metal foil having a total thickness of less than 3 ⁇ m, preferably less than 2 m.
  • a seed layer of silver, titanium or nickel and, for contacting p-doped regions, a seed layer of aluminum, titanium or nickel is preferably formed by means of the metal foil.
  • n-doped regions of the semiconductor device are metallized in a first implementation of the method.
  • a thin metal foil is used in the first implementation of the method, so that the contacting step and the structuring step occur simultaneously.
  • p-doped regions of the semiconductor component are metallized.
  • a structuring step is carried out to produce predetermined breaking points.
  • this preferred embodiment is thus possible in a simple and cost-effective manner to contact p- and n-doped regions.
  • a cost effective method results if p- and n-doped regions are contacted with the same metal foil.
  • different metal foils are used for the contacting of the n-doped regions on the one hand and the p-doped regions on the other hand, so that in particular the metal used in each case can be selected with regard to a low contact resistance.
  • it is advantageous in this case to heat the last applied metal foil in such a way that heating takes place on the underside.
  • the above-described object is furthermore achieved by a machining table according to claim 14.
  • the machining table according to the invention serves to carry out the above-described method according to the invention or preferably a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the processing table according to the invention comprises a support region for a semiconductor component, a fixing region for the semiconductor component, a fixing region for the metal foil and at least one blow-off opening. It is essential that the blow-off opening is arranged between the fixing region for the metal foil and the support region for the semiconductor component. For this purpose, the blow-off opening is preferably connected to a blow-off channel.
  • the support area is preferably arranged centrally.
  • the semiconductor device is fixed in the Aufiage Scheme when using the work table according to the invention.
  • the fixed semiconductor device is covered with a metal foil.
  • the fixing region for the metal foil is arranged surrounding the central supporting region for the semi-ferritic component and configured in such a way that the metal foil is fixed on the semi-ferritic component without air inclusions. Any air pockets lead in carrying out the method according to the invention that the Metailfoiie is completely or partially evaporated due to the lack of thermal contact with the semiconductor device in the local heating and thus no or only insufficient, a high contact resistance having metal structure is formed.
  • a gas preferably air
  • the blow-off opening is arranged between the fixing region for the metal foil and the mounting region for the semiconductor component.
  • predetermined breaking points after spacing the film by supplying gas through the blow-off opening. This avoids that in the production of predetermined breaking points at the predetermined breaking points Metailfoiie adhered to the Halbieiterbauelement. Furthermore, a thermal contact at the predetermined breaking points between Metailfoiie and Halbieiterbauelement is avoided, so that in a simple manner by means of local heat, preferably by a laser, the metal foil thinned at the Solibruchstellen or can be evaporated.
  • the fixing region for the Halbieiterbauelement is designed as at least one suction port, which is connected to a first suction line. Via the first suction line and the suction The semiconductor component can be subjected to a vacuum / negative pressure and thus fixed to the support region.
  • the fixing region for the metal foil is designed as an intake channel enclosing the bearing area for the semiconductor component.
  • the suction channel is connected to a second suction line. Via the second suction line and the suction channel, the IVIetallfolie can be applied with vacuum / negative pressure and thus fixed on the semiconductor device.
  • the support area is formed as a depression, such that when the semiconductor component is inserted in the recess, the semiconductor component and the surface of the processing table adjoining the recess form a planar surface.
  • the inventive method is particularly suitable for the formation of metallic contacting structures on one side contacted solar cells and in particular of back-side contact solar cells.
  • Figure 1 a to Figure 1 e process steps A to D of a first embodiment of the method according to the invention
  • Figure 2a to Figure 2d process steps a to d of a second embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the processing table according to the invention.
  • FIG. 6 shows a plan view of the schematic illustration of the rear side of a rear-side contact solar cell in the figures, and the same reference symbols designate identical or equivalent elements.
  • FIGS 1 to 4 are schematic views of a semiconductor device which is a photovoltaic solar cell or a precursor of such a solar cell during the manufacturing process.
  • a partial section is shown schematically; the solar cell is continued analogously on both sides.
  • Like reference numerals in the figures indicate the same or equivalent elements.
  • FIG. 1a shows a semiconductor component 1 comprising a semiconductor layer 2 with a p-doped region 2a and an n-doped region 2b.
  • the n-doped region 2 b is coated with an insulating layer 3.
  • the insulating layer is on the one hand designed to be electrically insulating and moreover has a passivation effect with respect to the surface of the semiconductor layer 2 adjoining the insulating layer 3, so that the charge carrier recombination velocity and thus recombination losses are reduced at this surface.
  • the metal foil 4 is applied to the insulating layer 3.
  • FIG. 1 a thus shows the state after carrying out method step A.
  • the second layer of multilayer Metal foil on the side facing away from the Halbieiterbauelement is a silver layer for further interconnection.
  • FIG. 1 b shows a schematic representation of method step B of the method.
  • the metal foil 4 is locally heated by means of laser beams 5.
  • the laser beams are generated by a laser, not shown, and sequentially directed to the areas 5a, 5b to be heated by means of an optical deflection unit (not shown).
  • the laser used is a pulsed Nd: YAG laser with a wavelength of 1 064 ⁇ , and a pulse duration of 100 ns.
  • the method produces line-like metallic contacting structures.
  • the laser beams are therefore moved approximately along a line which is perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 (and also in the methods described below for FIGS. 2, 3 and 4).
  • the metal foil 4 is lifted off the semiconductor layer 2 at the non-contacted regions before the structuring step. This can be done by, for example, heating the semiconductor device 1. As a result, the metal foil 4 expands and bulges away from the semiconductor layer 2 between the generated contacts 6. Alternatively, the metal foil may also be spaced from the semiconductor device 1 by suction from above or blowing from below. By lifting off the metal foil 4, one or more air gaps 23 are formed between the metal foil 4 and the semiconductor layer 2.
  • FIG. 1 d shows the structuring step of the metal foil 4 by means of laser radiation 5.
  • 6 solid-state breaking points are engraved in the metal foil 4 which is spaced apart from the semiconductor surface.
  • the predetermined breaking points can be designed as a perforation and / or removal of metal foil for local thickness reduction.
  • the metal foil is affixed to the non-fused regions, i. H. outside the contacts 6, removed. This is done by peeling off the film.
  • FIG. 1 e shows, in a last method step, the remaining previously produced contacts 6 after removal of the metal foil 4.
  • Figures 2a to 2d show the schematic representation of process steps of a second embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 a shows a semiconductor component 1 equivalent to FIG. 1 a. To avoid repetition, only the differences between the individual exemplary embodiments of the method according to the invention will be discussed below.
  • a thin metal foil 7, with a thickness of about 2 ⁇ m, is applied.
  • FIG. 2b shows the local heating by means of laser radiation 5 in method step B.
  • a melt mixture of the metal foil 7 and the insulating layer 3 is formed at the heated point.
  • the metal is melted by the insulating layer 3.
  • the semiconductor layer 2 is not melted with.
  • the melt mixture has solidified, there is an electrical contact 6 to the underlying semiconductor component 1.
  • the thin metal foil 7 is used, the contacted area is simultaneously separated from the foil, because upon solidification, the liquid metal contracts due to the surface tension and releases it. There is a separation between the areas where the metal has been melted and the areas where the metal has not been melted.
  • FIG. 2 d shows the metal-reinforced contacts 9 in an additional method step.
  • metal for example, is electrodeposited on the metallic contacts 8, which were produced as a seed layer in the first step.
  • galvanic reinforcement of the seed layer serving as contacts 8 can be made to known methods.
  • FIGS. 3a to 3c A further exemplary embodiment of the method according to the invention is shown schematically in FIGS. 3a to 3c.
  • FIG. 3 a shows a semiconductor component 1 equivalent to FIGS. 1 a and 2 a.
  • the Metallfoüe 4 may optionally be different thickness, made of different materials or multi-layered. In this case, it is possible, for example, to coat the lower side of the film in such a way that the contact formation is improved and the upper side of the film is optimized with regard to a simpler connection.
  • the central layer of the multilayer metal foil 4 may consist of a low-cost material, which only has to have a good conductivity.
  • a multilayer metal foil of three layers having the following structure is used.
  • the layer facing the semiconductor device 1 is made of titanium and has a thickness of about 200 nm. This is followed by an aluminum layer with a thickness of approximately 10 ⁇ m as the middle layer.
  • the subsequent layer facing away from the semiconductor component 1 is made of aluminum and has a thickness of 200 nm.
  • FIG. 3b shows the method step B in that the metal foil 4 is locally heated by means of laser radiation 5.
  • a laser is used with a beam profile having a higher intensity at the edges than at the center.
  • the beam profile has along the dashed line 1 following intensity curve: follows in the order given a minimum of intensity at an intensity minimum and then a second intensity maximum.
  • the intensity of the beam profile therefore has a lower intensity perpendicular to the direction of movement of the laser relative to the surface of the semiconductor component 1 in a middle region than in the two outer regions. This is shown qualitatively (with arbitrary units) in sub-picture 3b.1, where the Y-axis shows the intensity and the X-axis the spatial position along the line 1 1.
  • a suitable beam profile results, for example, from the superimposition of two laser beams with Gaussian intensity distribution, such that the two intensity maxima have the desired distance from one another.
  • the local heating produces a melt mixture of " melted metal foil 4 and insulating layer 3.
  • the liquid metal contracts due to the surface tension and creates a separation between the areas where the metal has been melted and the areas where the metal is not was melted.
  • Figure 3c shows the remaining previously created contacts 6 after peeling off the film.
  • FIGS. 4a to 4h schematically show the method steps of a further embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 4a shows a semiconductor device 1, which is formed as a precursor of a back-side contact solar cell.
  • the semiconductor device 1 comprises a semiconductor layer 13 with a comb-like doping structure 14 and an insulating layer 3.
  • the comb-like doping structure is common in rear-side contact solar cells and shown as a plan view of the back of the semiconductor device 1 in Figure 6:
  • the base doping of the semiconductor device is back with a comb-like emitter doping as a doping structure 14, so that in the illustration according to FIG. 6 in the direction A there are alternatingly p-doped regions 2a and n-doped regions 2b.
  • FIG. 4b shows the semi-conductor component 1 from FIG. 4h, which is additionally coated with a metal foil 4.
  • different thicknesses of different materials preferably titanium, nickel or silver can be used.
  • FIG. 4c shows the local heating of the metal foil 4 by means of laser radiation 5. At the irradiated parts of the metal foil 4 and the insulating layer 3 are melted. This creates a contact 6 to the underlying semiconductor device. 1 The locations for the local heating are selected such that a p-doped 2a and an n-doped 2b region of the doping structure 14 are alternately contacted.
  • FIG. 4d shows the remaining metallic contacts 6 which have been produced after the metal foil 4 has been removed.
  • the adjoining p- and n-doped regions of the doping structure 14 are now each separately electrically contacted.
  • FIG. 4e shows the second iteration of the contacting method.
  • a second thicker metal foil 15 made of a cost-effective material, such. As aluminum, placed on the contact structure 6 previously generated.
  • FIG. 4f shows the local heating of the second metal foil 15 by means of laser radiation 5.
  • the metafoil 15 melts at the irradiated points and forms an alloy with the contacts 6 present on the underside of the second metal foil 5.
  • suitable focusing optics an irradiation spot up to ⁇ ⁇ thin can be realized here.
  • FIG. 4g shows the structuring step for the second metal foil 15. At the edges of the contacts 5 predetermined breaking points are engraved by means of laser radiation. An air gap 23 between the second metal foil 1 5 and the semiconductor component 1 is located through the first contact structure 6, since the contact structure 6 prevents the metal foil 1 5 from being applied to the semiconductor component 1. The second metal foil 1 5 can thus be severed by means of laser radiation 5, without producing further contacts on the semiconductor device 1.
  • FIG. 4h shows a generated two-layer contact structure for a rear-side contact solar cell after the second metal foil 15 has been removed.
  • the alternating metallic contact 6 corresponds to the doping structure 14 of the rear-side contact solar cell.
  • the direct contact between the semiconductor layer 2 and contact structure 6 is formed with a metallization with low contact resistance and high conductivity.
  • the second part of the contact structure 6 may be formed of a less expensive material.
  • Figure 5a shows a schematic representation of an embodiment of a processing table according to the invention.
  • the processing table 1 7 comprises a central support region 1 8 for a semiconductor component 1, a fixing region 1 9 for the semiconductor component, a fixing region 20 for the metal foil 4 and a blow-off opening 21.
  • the fixing areas 1 9 and 20 are in the present embodiment suction openings, which are connected to suction lines 24.
  • the blow-off opening 21 is connected to a blow-off channel 22 and arranged between the fixing region for the metal foil 20 and bearing area 1 8.
  • the arrangement of the blow-off opening 21 between the fixing region for the metal foil 20 and the support region for the semiconductor component 1 8 after the local melting through the blow-off opening 21 can supply a gas, preferably air, so that the metal foil 4 is blown with the gas and thus at least partially spaced in the non-melted areas of the Haibleiterbauelement 1.
  • a gas preferably air
  • the metallic contact structures between the metal foil and the semiconductor component do not extend over the entire width of the semiconductor component. They do not form airtight barriers, so that the metal foil is lifted off the surface of the semiconductor device even in the central regions (eg, between two metallic contact structures).
  • the processing table according to the invention finds in particular an advantageous application when in the method according to the invention after the melting of the metal foil in a further process step predetermined breaking points are generated in the metal foil, such as the associated embodiment of the inventive method, shown in Figures 1 c to 1 d described ,
  • the support region 18 is formed as a depression, such that when inserted into the recess semiconductor device 1, the semiconductor device 1 with the laterally adjacent surface of the processing table 17 forms a flat surface.

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

Laserbasiertes Verfahren und Bearbeitungstisch zur lokalen
Kontaktierung eines Halbleiterbauelements Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements, welches Halbleiterbauelement Teil einer photovoltaische Solarzel- le oder einer Vorstufe im Hersteilungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Bearbeitungstisch zur Durchführung solch eines Verfahrens.
Bei photovoltaischen Solarzellen werden Ladungsträger typischerweise durch Metallstrukturen abgeführt. Hierbei sind Metallstrukturen bekannt, welche eine Seite des Halbleiterbauelements ganzflächig kontaktieren. Zur Anwendung auf der bei Betrieb dem Lichteinfall zugewandten Seite der Solarzelle und/oder zur Verringerung von Rekombinationsverlusten an den Kontaktflächen werden Metallstrukturen verwendet, welche einen oder mehrere lokale elektrische Kontak- tierungsbereiche zu dem Halbleiterbauelement aufweisen.
In der einfachsten Form besteht das Halbleiterbauelement aus einer Halbleiterschicht mit einem p-dotierten Bereich und einem n-dotierten Bereich. Die Halbleiterschicht kann zusätzliche Isoüerungsschichten umfassen.
Das mittels der metallischen Kontaktierungsstruktur lokal kontaktierte Halbleiterbauelement ist somit Teii einer photovoltaische Solarzelle oder eine Vorstufe einer photovoltaischen Solarzelle im Hersteilungsprozess, wobei die Solarzelle mehrere Halbleiterschichten aufweisen kann.
Zur lokalen Kontaktierung photovoltaischer Solarzellen ist es bekannt, die Metallstruktur mittels eines Lift-off-Prozesses zu erzeugen:
Beispielsweise ist in Knorz, A. , A. Grohe, und R. Preu. Laser ablation of etch resists for structuring and lift-off processes. in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2009. Hamburg, Germany, ein Verfahren beschrieben, bei dem auf ein Siliziumsubstrat zunächst eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht und hierauf eine Lift-off-Schicht aufgebracht wird. Anschließend wird mittels eines Lasers die Lift-off-Schicht lokal geöffnet und in einem weiteren Schritt mittels nasschemischen Ätzen die Isolierungsschicht in den Bereichen geöffnet, in denen zuvor die lift-off-geöffnet wurde. Bei dem nasschemischen Ätzen dient die Lift-off-Schicht somit als Maskierungsschicht.
Anschließend wird ganzflächig eine Metalischicht aufgetragen, welche somit die Lift-off-Schicht bedeckt und in den lokal geöffneten Bereichen das Siliziumsubstrat bedeckt. Nach nasschemischem Entfernen der Lift-off-Schicht und somit auch der sich auf der Lift-off-Schicht befindenden Metallschicht verbleibt eine Metallstruktur in den zuvor lokal geöffneten Bereichen der Isolierungsschicht auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats.
Außerdem ist alternativ bekannt, die Metallstruktur mittels Siebdruckverfahren zu erzeugen:
Beispielsweise ist in Hörteis, M.„Fine-Iine printed contacts on crystafline Silicon solar cells", Dissertation, Universität Konstanz, 2009, ein Verfahren beschrieben, in dem eine Paste durch ein Sieb auf ein Halbleiterbaueiement gedruckt wird und mittels eines Hochtemperaturschritts ein elektrischer Kontakt zum darunterliegenden Emitter ausgebildet wird.
Nachteile der Verfahren nach dem Stand der Technik sind, dass die erzeugten Strukturen zu maßgeblichen Abschattungen, insbesondere auf der Vorderseite einer Solarzelle, führen und dass durch die Verwendung von Silber wegen der benötigten Leitfähigkeit hohe Materialkosten entstehen.
Weiterhin ist aus DE 10 2006 040 352 B3 bekannt, ein metallisches Pulver auf ein Halbleitersubstrat aufzubringen und dieses lokal mittels Laserstrahls zu vereintem und/oder zu verschmelzen, um eine metallische Kontaktierungsstruk- tur auszubilden. Nachteilig an diesem Verfahren über die vorgenannten Nachteile hinaus ist, dass die Wärmeeinwirkung auf die Partikel des metallischen Pulvers nur schwer dosierbar und dementsprechend die geometrische Ausbildung der Metallstruktur nur ungenau vorgebbar ist. I nsbesondere besteht die Gefahr, einen mittels der metallischen Kontaktierungsstruktur kontaktierten Emitter zu durchdringen , so dass der Wirkungsgrad der Solarzelle beeinträchtigt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur lokalen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements bereitzustellen, dessen Verwendung die Kontakteigenschaften insbesondere in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit und die Haftung verbessert, die Abschattung verringert und welches gleichzeitig eine geringe Prozesskompiexität aufweist. Weiterhin soll die Erfindung einen Bearbeitungstisch zur Durchführung solch eines Verfahrens zur Verfügung stellen.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch einen Bearbeitungstisch zur Durchführung solch eines Verfahrens gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 1 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bearbeitungstisches zur Durchführung des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 15 und 16. Hiermit wird der Wortlaut der Ansprüche durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erzeugung einer Metallstruktur zur lokalen elektrischen Kontaktierung, d. h. einer metallischen Kontaktierungsstruktur eines Halbleiterbauelements. Das Halbleiterbauelement ist eine photovoltai- sche Solarzelle oder eine Vorstufe einer photovoltaischen Solarzelle im Herstellungsverfahren und umfasst mindestens eine Halbleiterschicht. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterschicht als Halbleitersubstrat, insbesondere als Siliziumwafer ausgebildet ist.
I nsbesondere ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Erzeugung von Vorderseitenkontakten einer Solarzelle vorteilhaft, um iinienförmige Kontakte mit möglichst geringer Abschattung zu erzeugen, da die elektromagnetische Strahlung über die Vorderseite in das Halbleiterbauelement eingekoppelt wird. Typischerweise werden Solarzellen auf der Vorderseite durch linienartige metallische Kontaktierungsstrukturen, die kammartig miteinander verbunden sind, kontaktiert. Ebenso liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung, dass erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich oder alternativ bei der Kontaktierung einer Rückseite der Solarzelle und insbesondere zur Kontaktierung von Rückseiten- kontaktzellen, zu verwenden, d. h. solchen Solarzellen, bei denen sowohl der positive, als auch der negative Kontakt auf der Rückseite der Solarzelle liegen. Hierunter fallen insbesondere die vorbekannten MWT- und EWT-Solarzelle (EP 985 233 und J. M. Gee, W. K. Schubert and P. A. Basore,„Emitter wrap-through solar cell", Proceedings of the 23rd I EEE Photovoltaic Specialists Conference, Louisville, Kentucky, USA, S. 265-270 (1993)), sowie die BJBC-Zelle (Schwartz, R. J. , M. D, Lammert,„Silicon solar cells for high concentration applications", Technical Digest oft he International Electron Devices Meeting, Washington D. C , USA, 1975 ) Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, das erfindungsgemäße Verfahren für eine n-dotierte und/oder für eine p-dotierte Halbieiterschicht zu verwenden.
Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A wird zumindest eine Metallschicht auf eine Seite des Halbleiterbauelements aufgebracht.
In einem Verfahrensschritt B wird die in Verfahrensschritt A aufgebrachte Metallschicht lokal erhitzt. Dadurch erfolgt in einem lokalen Bereich kurzzeitig ein Aufschmelzen zumindest der Metallschicht.
Wesentlich ist, dass als Metallschicht eine Metallfolie verwendet wird und dass in einem Verfahrensschritt C die Metallfolie in den im Verfahrensschritt B nicht verschmolzenen Bereichen entfernt wird.
Der Erfindung liegt die Kenntnis des Anmelders zugrunde, dass durch die Verwendung einer Metallfolie als Metallschicht nach dem Kontaktierungsschritt die Metallschicht in den nicht verschmolzenen Bereichen einfach entfernt werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, durch lokales Erhitzen und damit selektives Schmelzen der Metallfolie eine lokale metallische Kontak- tierungsstruktur zu erzeugen. Durch den dabei entstehenden Austrieb wird ein Rückstoß erzeugt, der die Folie an das Substrat drückt, wodurch das geschmolzene Metall einen Kontakt zum Halbleiterbauelement ausbildet. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit erstmals eine kostengünstige Möglichkeit, Metalistrukturen zur lokalen Kontaktierung des Halbleiterbauelements zu erzeugen. Im Vergleich zu vorbekannten Siebdruckverfahren sind schmalere Strukturen mit einem größeren Aspektverhältnis (Höhe zu Breite der Metallstruktur) herstellbar, so dass weiterhin die Verwendung von Silber nicht zwingend notwendig ist und hierdurch Kosten eingespart werden können. Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelsübliche Metallfolie, beispielsweise in einem Supermarkt kostengünstig erhältliche Metallfolie verwendet werden, die dennoch nur eine geringe Dickenschwankung aufweist. Hierdurch ist insbesondere gegenüber dem vorbekannten Verfahren, welches metallisches Pulver verwendet, der Vorteil gegeben, dass die Wärmeeinwirkung genauer dosierbar und somit insbesondere die Größe der Schmelzzone in Verfahrensschritt B genauer vorgebbar ist. Im Vergleich zu vorbekannten Lift-off- oder Maskierungsverfahren kann auf das Aufbringen von Masken verzichtet werden, so dass Kosten eingespart werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung , dass vor den Verfahrensschritten A und/oder B weitere Zwischenschichten aufgebracht werden.
Vorzugsweise wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt A-a vor dem Verfahrensschritt A zumindest eine Zwischenschicht auf eine Seite des Halbleiterbauelements aufgebracht. Besonders bevorzugt ist diese Zwischenschicht eine dielektrische Schicht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Zwischenschicht zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle ausgebildet werden kann, insbesondere durch Ausbildung der Zwischenschicht als Passivierungsschicht, um die Ladungsträgerrekombination an der Oberfläche der Halbleiterschicht zu verringern und/oder durch Ausbildung der Zwischenschicht als optische Schicht, um die Reflexionseigenschaften der Solarzelle und damit die Lichtabsorption zu verbessern. Insbesondere ist daher eine Ausbildung der Zwischenschicht als dielektrische Schicht, insbesondere als Siliziumdioxidschicht oder Siliziumnitridschicht vorteilhaft.
I n einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt A-b zwischen dem Verfahrensschritt A-a und dem Verfahrensschritt A die auf die eine Seite des Halbleiterbauelements aufgebrachte Zwischenschicht in den lokalen Bereichen entfernt. Dadurch liegt bei dem nachfol- genden Auflegen der Metallfolie diese in den lokalen Kontaktierungsbereichen unmittelbar an der elektrisch zu kontaktierenden Oberfläche an. Es ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass eine Störung der Kontaktausbildung bei dem lokalen Aufschmelzen der Metallfolie durch das Material der aufgeschmolzenen Zwischenschicht vermieden wird.
Die Entfernung der Zwischenschicht erfolgt vorzugsweise derart, dass die Zwischenschicht in den lokalen Bereichen mitteis eines Lasers ablatiert wird und/oder mit einem nasschemischen Ätzverfahren entfernt wird.
Vorzugsweise wird als Metallschicht eine mehrschichtige Metallfolie verwendet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mehrstufige metallische Kontaktierungs- strukturen mit verschiedenen Eigenschaften in Bezug auf Leitfähigkeit, Haftungseigenschaften, Materialkosten und/oder Kontaktwiderstand aufgebracht werden können und somit insbesondere eine hohe Leitfähigkeit bei verringerten Kosten erzielt werden kann.
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt B die Metallschicht mittels einer Beleuchtung, besonders bevorzugt mittels eines Lasers insbesondere bevorzugt mittels eines gepulsten Lasers, lokal erhitzt. Vorzugsweise wird ein Laser mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 190 nm bis 1 1 μητι, besonders bevorzugt mit einer Weilenlänge von 1 064 nm verwendet. Vorzugsweise wird ein Laser mit einer Pulslänge im Bereich von 10 ns bis 1 0 s verwendet. Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, für den Verfahrensschritt B einen Laser im Dauerstrichbetrieb (cw) oder einen cw-Laser im modulierten Betrieb zu verwenden. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass die vorgenannten Parameter einen reibungslosen und fehlerunanfälligen Prozessablauf ermöglichen.
Vorteilhaft an der Verwendung eines Lasers zum lokalen Erhitzen und damit Aufschmelzen der Metallfolie ist, dass keine Festlegung auf eine vorgegebene Form der Metallstruktur, zum Beispiel durch ein verwendetes Sieb, auftritt, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das lokale Aufschmelzen an jeder belieben Stelle und mit hoher Genauigkeit stattfinden kann.
Vorzugsweise wird als Material für die Metallfolie Titan, Silber, Nickel, Aluminium, Zinn, Zink und/oder Kupfer verwendet. Besonders bevorzugt wird für die Beschichtung p-dotierter Halbleitermaterialien Aluminium , Nickel und/oder Titan verwendet. Besonders bevorzugt wird für die Beschichtung n-dotierter Halbleitermetallmaterialien Nickel, insbesondere bevorzugt Silber vorzugsweise Titan verwendet. Die verwendete Metallfolie zur Erzeugung der metallischen Kon- taktierungsstruktur eines Halbleiterbauelements weist vorzugsweise eine Gesamtdicke größer 10 m auf, insbesondere, sofern mittels der Metallfolie die gesamte metallische Kontaktierungsstruktur erzeugt wird.
I nsbesondere vorteilhaft ist die Verwendung einer mehrlagigen Metallfolie umfassend eines zur Kontaktierung geeigneten Materials, eines kostengünstigen Materials mit hoher Leitfähigkeit und eines zur Verschaltung des Halbleiterbauelements geeigneten Materials in der angegebenen Reihenfolge. Die einzelnen Schichten weisen vorzugsweise Dicken im Bereich zwischen 100 nm bis 10 m auf.
Insbesondere bevorzugt weisen die mehrschichtigen Metallfolien zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur auf einem p-dotierten Halbleiterbau- element folgenden Aufbau auf:
Zur lokalen Kontaktierung der p-dotierten Schicht umfasst die mehrschichtige Metallfolie auf der dem Haibleiterbauelement zugewandten Seite eine ungefähr 100 nm dicke Nickelschicht und/oder Titanschicht und/oder Aluminiumschicht. Eine mittlere Schicht der mehrschichtigen Metallfolie kann aus einem kostengünstigen Material bestehen, dass eine gute Leitfähigkeit besitzen muss, bevorzugt Kupfer oder Zinn. Die letzte Schicht der mehrschichtigen Metallfolie auf der dem Haibleiterbauelement abgewandten Seite ist eine Silberschicht und/oder Zinnschicht und/oder Zinkschicht und/oder Kupferschicht zur weiterführenden Verschaltung.
I nsbesondere bevorzugt weisen die mehrschichtigen Metallfolien zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur auf einem n-dotierten Haibleiterbauelement folgenden Aufbau auf:
Zur lokalen Kontaktierung der n-dotierten Schicht umfasst die mehrschichtige Metallfolie auf der dem Haibleiterbauelement zugewandten Seite eine ungefähr 1 00 nm dicke Nickelschicht und/oder Titanschicht und/oder Silberschicht. Eine mittlere Schicht der mehrschichtigen Metallfolie kann aus einem kostengünstigen Material bestehen, dass eine gute Leitfähigkeit besitzen muss, bevorzugt Kupfer oder Zinn. Die letzte Schicht der mehrschichtigen Metallfolie auf der dem Haibleiterbauelement abgewandten Seite ist eine Silberschicht und/oder Zinnschicht und/oder Zinkschicht und/oder Kupferschicht zur weiterführenden Ver- schaltung.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt während des Kontaktierungs- vorgangs gleichzeitig eine Strukturierung der Metallfolie. Strukturierung bedeutet hier, dass eine Trennung zwischen den Bereichen, in denen eine elektrische Kontaktierung mittels des Metalls erzeugt wurde, und den Bereichen, in denen die Metallfolie nicht aufgeschmolzen wurde, entsteht. Vorteilhaft ist hier, dass dadurch die Metallfolie in den Bereichen, in denen keine Kontaktierung stattgefunden hat, einfach und ohne zusätzlichen Trennschritt von der Halbleiteroberfläche entfernt werden kann. in einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform werden in einem zusätzlichen Verfahrensschritt B-a vor dem Verfahrensschritt C Sollbruchstellen in die Metallfolie eingebracht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere bei Verwendung dickerer und insbesondere mehrlagiger Metallfolien eine definierte Trennlinie vorgegeben ist. Hierdurch wird insbesondere das Risiko, dass bei Entfernen der Folie auch in einem aufgeschmolzenen Bereich Folie abgerissen wird, erheblich verringert.
I nsbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Metallfolie vor dem Strukturierungs- schritt zumindest teilweise in den nicht verschmolzenen Bereichen von dem Halbieiterbauelement beabstandet wird, damit an den erhitzten Steilen kein Kontakt zum Halbleiterbauelement erfolgt. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass die Metailfolie in den nicht verschmolzenen Bereichen während des Trennschrittes an dem Haibleiterbauelement anhaftet.
Ein sicheres und unaufwendiges Beabstanden wird in einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt, indem die Metallfolie durch Erwärmen des Halbleiterbauelement und/oder durch Ansaugen von oben, und/oder durch Anblasen von unten zumindest teilweise von dem Haibleiterbauelement beabstandet wird. Vorzugsweise wird bei der Erzeugung von Sollbruchsteilen im Strukturierungs- schritt ein Laser, besonders bevorzugt ein gepulster Laser, verwendet. Die Verwendung eines Lasers zur Bearbeitung von Solarzellen ist an sich bekannt, so dass auf vorhandene Vorrichtungen und insbesondere Ablenkeinheiten für den Lasersfrahl zurückgegriffen werden kann. Es ist insbesondere aus
DE 100 46 170 A1 bekannt, sogenannte„Laser Fired Contacts" (LFC) mittels loalem Aufschmelzen einer Metaflschicht, einer dielektrischen Schicht und eines Teilbereiches der Halbleiterschicht zu erzeugen. Die hierfür verwendeten Vorrichtungen können grundsätzlich auch für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird ein Laser mit einem Wellenlängenbereich von 1 90 nm bis 1 1 μιη verwendet, bevorzugt im Bereich 1 030 nm bis 1064 nm. Vorzugsweise wird ein Laser mit Pulslängen von einer ns bis einige ps verwendet, besonders bevorzugt im Bereich von 1 s bis 1 00 με. Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, den Strukturierungsschritt mit einem Laser im Dauerstrichbetrieb (cw) oder einem cw-Laser im modulierten Betrieb durchzuführen.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird die Metallfolie zumindest während des Verfahrensschritts B auf dem Halbleiterbauefement befestigt. Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass die Metal!folie vorzugsweise während des Aufschmelzens plan an dem Halbleiterbauelement anliegt, da beispielsweise ein Lufteinschluss zwischen Folie und Halbleiterbauelement in dem aufzuschmelzenden Bereich zu Ungenauigkeiten bei dem Erzeugen der Metallstruktur auftreten können. Dies kann darin begründet sein, dass die Metallfolie aufgrund des fehlenden thermischen Kontakts mit dem Halbleiterbauelement bei der lokafen Erwärmung ganz oder teilweise verdampft wird und sich somit keine oder nur eine unzureichende, einen hohen Kontaktwiderstand aufweisende Metallstruktur ausbildet.
Bevorzugt wird die Metallfolie daher während des Verfahrensschritts B auf das Halbleiterbauelement gespannt, und/oder an diese angesaugt und/oder an diese angeblasen. Insbesondere das Ansaugen und/oder Anblasen der Metallfolie bietet eine prozesstechnisch einfache und insbesondere berührungslose Möglichkeit, den Kontakt zwischen Metallfolie und Halbleiterbauelement in Verfahrensschritt B sicherzustellen. In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt im Verfahrensschritt B das Erhitzen der Metallfolie durch Beleuchtung der von der Metallfolie abgewandten Seite des Halbleiterbauelements. Diese vorzugsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens macht es möglich, die Metallfolie lokal an der Grenzschicht Metallfolie-Halbleiterbauelement aufzuschmelzen.
Vorzugsweise wird hierbei für das Aufschmelzen der Metallfolie ein Laser verwendet, welcher von dem Halbleiterbauelement, insbesondere von einer Siliziumschicht nicht oder nur geringfügig absorbiert wird, so dass die lokale Erwärmung im Wesentlichen an der lokal an der Grenzschicht Metallfolie- Halbleiterbauelement erfolgt. Insbesondere ist hierbei die Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge im Bereich von 1200 nm bis 1 pm vorteilhaft, insbesondere ein C02-Laser.
Bei Beleuchtung von der von der Metallfolie abgewandten Seite ist insbesondere Verwendung von mehrschichtigen Metallfolien bevorzugt. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass weitere mögliche Metallschichten auf der von dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite der Metallfolie, nicht oder nur geringfügig aufgeschmolzen werden. Hierdurch wird erreicht, dass nur die dem Halbleiterbauelement zugewandte Schicht der mehrschichtigen Metallfolie zu Ausbildung des elektrischen Kontakts mit dem Halbleiterbauelement aufgeschmolzen wird, wohingegen die weiteren Schichten der mehrschichtigen Metallfolie in ihrer Struktur unverändert bleiben und somit insbesondere für einen geringen Leitungswiderstand ausgebildet sein können. Dadurch können in einem Verfahrensschritt mehrschichtige Metallkontakte mit unterschiedlichen Funktionalitäten erzeugt werden.
Hierdurch ist es insbesondere möglich eine mehrschichtige Folie zu verwenden, welche eine Kupferschicht umfasst, die nicht unmittelbar an das Halbleiterbauelement angrenzt, d.h. eine mittlere Schicht oder die dem Halbleiterbauelement abgewandte Schicht ist. Bisher ergab sich bei Verwendung einer Kupferschicht das Problem, dass auch die Kupferschicht aufgeschmolzen wurde und daher Kupferatome sich in dem Halbleiterbauelement einlagerten und die elektrischen Eigenschaften negativ beeinträchtigten, insbesondere bei Verwendung eines Silizium-Halbleiterbauelementes. In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird in Verfahrensschritt B ein Laser zum Aufschmelzen der Metailfolie verwendet, dessen Strahlprofil an den Rändern eine höhere Intensität als in der Mitte aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung bedeutet„an den Rändern eine höhere Intensität als in der Mitte" , dass die I ntensität des Strahlprofils senkrecht zur Bewegungsrichtung des Lasers relativ zu der Oberfläche des Halbleiterbauelements in einem mittleren Bereich eine niedrigere Intensität als in den beiden äußeren Bereichen aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, das Strahiprofil derart auszubilden, dass es in der angegebenen Reihenfolge ein erstes Intensitätsmaximum, ein Intensitätsminimum, und ein zweites Intensitätsmaximum aufweist. Beispielsweise ist es möglich, ein geeignetes Strahlprofil durch die Überlagerung zweier Laserstrahlen mit gaußförmiger Intensitätsverteilung zu erreichen, derart, dass die jeweiligen Intensitätsmaxima den gewünschten Abstand voneinander aufweisen,
Insbesondere ist in dieser vorzugsweisen Ausführungsform möglich, den Struk- turierungsschritt gleichzeitig mit dem Kontaktierungsschritt durchzuführen.
Durch die hohe Laserintensität an den Rändern des Strahlprofils wird die Metailfolie hier mit dem Halbieiterbauelement kontaktiert und gleichzeitig eine Sollbruchstelle generiert, in dem mittleren Bereich mit niedriger Laserintensität bleibt die Metallfolie weitestgehend erhalten und sorgt so für eine ausreichende Leitfähigkeit. Vorteilhaft ist hier, dass dadurch die Metallfolie in den Bereichen, in denen keine Kontaktierung stattgefunden hat, einfach und ohne zusätzlichen Trennschritt von der Oberfläche des Halbleiterbauelements entfernt werden kann.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren als zumindest zweistufiger Metallisierungsprozess ausgebildet: Zunächst wird wie zuvor beschrieben eine Metallstruktur mittels der Metallfolie ausgebildet. Diese dient als Saatschicht, welche in einem zweiten Schritt des Metallisierungsprozesses metallisch verstärkt wird. Hierbei wird an den metallischen Kontakten, die in dem ersten Schritt als Saatschicht erzeugt wurden, zusätzlich Metall, vorzugsweise galvanisch, abgeschieden, d. h. die Kontakte werden vorzugsweise galvanisch verstärkt. Hinsichtlich der galvanischen Verstär- kung kann auf an sich bekannte Prozesse zurückgegriffen werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Verstärkung mit einem zu der Saatschicht unterschiedlichen und vorzugsweise kostengünstigeren Metall durchzuführen.
Vorzugsweise wird bei der Durchführung des Verfahrens eine dünne Metallfolie zum Erzeugen der Saatschicht verwendet, sodass der Kontaktierungsschritt und der Strukturierungsschritt gleichzeitig erfolgen. Hierdurch ergibt sich eine geringe Prozesskomplexität. Weiterhin wird als Saatschtcht typischerweise ein kostenintensives Metall, beispielsweise Silber verwendet, so dass die Verwendung einer dünnen Metallfolie Kosten reduziert.
Vorzugsweise weist daher die verwendete Metallfolie bei der Erzeugung der Saatschicht eine Gesamtdicke kleiner als 3 pm, bevorzugt kleiner 2 μιη auf.
Vorzugsweise wird für die Erzeugung von Saatschichten ein Laser mit Pulslängen im Bereich von 10 ns bis 100 ns verwendet, insbesondere bei Verwendung einer Metallfolie mit einer Gesamtdicke kleiner als 3 μηη, bevorzugt kleiner als 2 m.
Bevorzugt wird zur Kontaktierung von n-dotierten Bereichen eine Saatschicht aus Silber, Titan oder Nickel und zur Kontaktierung von p-dotierten Bereichen ein Saatschicht aus Aluminium, Titan oder Nickel mittels der Metallfolie ausgebildet.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer ersten Durchführung des Verfahrens n-dotierte Bereiche des Halbleiterbauelements metallisiert. Vorzugsweise wird bei der ersten Durchführung des Verfahrens eine dünne Metalifolie verwendet, sodass der Kontaktierungsschritt und der Strukturierungsschritt gleichzeitig erfolgen. In einer zweiten Durchführung des Verfahrens werden p-dotierte Bereiche des Halbleiterbauelements metallisiert. Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt B-a ein Strukturierungsschritt zur Erzeugung von Sollbruchstellen durchgeführt.
Bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform ist somit in einfacher und kostengünstiger Weise möglich, p- und n-dotierte Bereiche zu kontaktieren. I nsbesondere ergibt sich ein kostengünstiges Verfahren, sofern p- und n-dotierte Bereiche mit derselben Metallfolie kontaktiert werden. Häufig ist es jedoch zur Erzielung niedriger Kontaktwiderstände vorteilhaft, p- und n-dotierte Bereich mit unterschiedlichen Metallen zu kontaktieren. In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform werden daher unterschiedliche Metall- folien für die Kontaktierung der n-dotierten Bereiche einerseits und der p- dotierten Bereiche andererseits verwendet, so dass insbesondere das jeweils verwendete Metall hinsichtlich eines geringen Kontaktwiderstandes ausgewählt werden kann. Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, die zuletzt aufgebrachte Metallfolie derart zu erhitzen, dass eine Erwärmung an der Unterseite erfolgt. Dadurch entsteht eine Legierung der beiden Metallfolien, was zu einer elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden MetaHfolien führt. Vorteilhaft ist bei den vorgenannten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass durch zwei Iterationen unterschiedlich dotierte Bereiche eines Halbleiterbauelements lokal und getrennt kontaktiert werden können. Dies ermöglicht einen einfachen und kostengünstigen Prozessablauf. Diese vorzugsweisen Ausführungsformen eignen sich insbesondere für die
Rückseitenmetallisierung und Kontaktierung einer Rückseitenkontaktsolarzelle.
Die zuvor beschriebene Aufgabe ist weiterhin gelöst durch einen Bearbeitungstisch gemäß Anspruch 14. Der erfindungsgemäße Bearbeitungstisch dient zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bevorzugt einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der erfindungsgemäße Bearbeitungstisch umfasst einen Auflagebereich für ein Halbleiterbauelement, einen Fixierbereich für das Halbleiterbauelement, einen Fixierbereich für die Metallfolie und mindestens eine Abblasöffnung. Wesentlich ist, dass die Abblasöffnung zwischen dem Fixierbereich für die Metallfolie und dem Auflagebereich für das Halbleiterbauelement angeordnet ist. Die Abblasöffnung ist hierzu vorzugsweise mit einem Abblaskanal verbunden. Der Auflagebe- reich ist vorzugsweise zentral angeordnet. Der erfindungsgemäße Bearbeitungstisch bietet erhebliche Vorteile bei Ausbilden einer metallischen Kontaktierungsstruktur zur elektrischen Kontaktierung eines Halbleiterbauelementes:
Das Halbleiterbauelement wird bei Benutzung des erfindungsgemäßen Arbeitstisches in dem Aufiagebereich fixiert. Das fixierte Halbleiterbauelement wird mit einer Metailfoiie bedeckt. Der Fixierbereich für die Metallfolie ist den zentralen Auflagebereich für das Halbieiterbauelement umschließend angeordnet und derart ausgestaltet, dass die Metailfoiie ohne Lufteinschlüsse auf dem Halbieiterbauelement fixiert ist. Etwaige Lufteinschlüsse führen bei der Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dazu, dass die Metailfoiie aufgrund des fehlenden thermischen Kontakts mit dem Halbleiterbauelement bei der lokalen Erwärmung ganz oder teilweise verdampft wird und sich somit keine oder nur eine unzureichende, einen hohen Kontaktwiderstand aufweisende Metallstruktur ausbildet.
Dadurch, dass die Abblasöffnung zwischen dem Fixierbereich für die Metailfoiie und dem Aufiagebereich für das Halbleiterbauelement angeordnet ist, kann nach dem lokalem Aufschmelzen durch die Abblasöffnung ein Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt werden, so dass die Metallfolie mit dem Gas angeblasen und somit in den nicht aufgeschmolzenen Bereichen von dem Halbieiterbauelement zumindest teilweise beabstandet wird. Hierdurch wird das Entfernen der überschüssigen Metailfoiie vereinfacht.
Insbesondere können vorteiihafterweise nach Beabstanden der Folie durch Zuführen von Gas durch die Abblasöffnung Sollbruchstellen erzeugt werden. Hierdurch wird vermieden, dass bei dem Erzeugen von Sollbruchstellen an den Sollbruchstellen die Metailfoiie an dem Halbieiterbauelement anhaftet. Weiterhin wird ein thermischer Kontakt an den Sollbruchstellen zwischen Metailfoiie und Halbieiterbauelement vermieden, so dass in einfacher Weise mittels lokaler Wärmeeinwirkung, bevorzugt durch einen Laser, die Metallfolie an den Solibruchstellen abgedünnt oder verdampft werden kann.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist der Fixierbereich für das Halbieiterbauelement als mindestens eine Ansaugöffnung ausgestaltet, die mit einer ersten Absaugleitung verbunden ist. Über die erste Absaugleitung und die Ansau- göffnung kann das Halbleiterbauelement mit Vakuum/Unterdruck beaufschlagt werden und so an dem Auflagebereich fixiert werden.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist der Fixierbereich für die Metallfolie als den Aufiagebereich für das Halbleiterbauelement umschließende Ansaugrinne ausgebildet. Die Ansaugrinne ist mit einer zweiten Absaugleitung verbunden. Über die zweite Absaugleitung und die Ansaugrinne kann die IVIetallfolie mit Vakuum/Unterdruck beaufschlagt werden und damit auf dem Halbleiterbauelement fixiert werden.
I n einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist der Auflagebereich ist als Vertiefung ausgebildet, derart, dass bei in die Vertiefung eingelegtem Halbleiterbauelement das Halbleiterbauelement und die daran seitlich angrenzenden Oberfläche des Bearbeitungstisches eine plane Fläche bilden.
Dadurch ist gewährleistet, dass die angesaugte Metallfolie ohne Lufteinschlüsse an dem Halbleiterbauelement anliegen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Ausbildung metallischer Kontaktierungsstrukturen einseitig kontaktierter Solarzellen und insbesondere von Rückseitenkontaktsolarzellen geeignet. Ebenso liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung , das erfindungsgemäße Verfahren für die Erzeugung der Vorder- seitenkontaktierung von zweiseitig kontaktierten Solarzellen und/oder für die Kontaktierung beliebiger alternierend dotierter Halbleiterbauelemente zu verwenden.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 a bis Figur 1 e Verfahrensschritte A bis D eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 2a bis Figur 2d Verfahrensschritte a bis d eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 3a bis Figur 3c Verfahrensschritte eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 4a bis Figur 4h Verfahrensschritte eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 5 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Be- arbeitungstischs.
Figur 6 Draufsicht auf die schematische Darstellung der Rückseite einer Rückseitenkontaktsolarzellen in den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Die Figuren 1 bis 4 stellen schematische Ansichten eines Halbleiterbauelements dar, welches eine photovoltaischen Solarzelle bzw. einer Vorstufe einer solchen Solarzelle während des Herstellungsprozesses ist. Hierbei ist jeweils ein Teilausschnitt schematisch dargestellt; die Solarzelle setzt sich an beiden Seiten jeweils analog fort. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gieichwirkende Elemente.
In den Figuren 1 a bis 1 e ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.
Figur 1 a zeigt ein Halbleiterbauelement 1 , umfassend eine Halbleiterschicht 2 mit einem p-dotierten Bereich 2a und einem n-dotierten Bereich 2b. Der n- dotierte Bereich 2b ist mit einer Isolierungsschicht 3 beschichtet. Die Isolierungsschicht ist einerseits elektrisch isolierend ausgebildet und weist darüber hinaus eine Passivierungswirkung hinsichtlich der an der Isolierungsschicht 3 angrenzenden Oberfläche der Halbleiterschicht 2 auf, so dass an dieser Oberfläche die Ladungsträgerrekombinationsgeschwindigkeit und damit Rekombinationsverluste verringert werden. In einem Verfahrensschritt A des Verfahrens wird die Metallfolie 4 auf die Isolierschicht 3 aufgebracht. Figur 1 a zeigt somit den Zustand nach Durchführen des Verfahrensschrittes A.
Die etallfoläe 4 äst mehrschichtig aus zwei Schichten wie folgt ausgebildet: Zur lokalen Kontaktierung der n-dotierten Emitter-Schicht 2b umfasst die mehrschichtige Metallfolie 4 auf der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite eine ungefähr 1 00 nm dicke Nickelschicht. Die zweite Schicht der mehrschichti- gen Metalffolie auf der dem Halbieiterbauelement abgewandten Seite ist eine Silberschicht zur weiterführenden Verschaltung.
Figur 1 b zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrensschritts B des Verfahrens. Hier wird mittels Laserstrahlen 5 die Metallfolie 4 lokal erhitzt. Die Laserstrahlen werden mittels eines nicht dargestellten Lasers erzeugt und sequentiell auf die zu erhitzenden Bereiche 5a, 5b mittels einer optischen Ablenkeinheit (nicht dargestellt) gerichtet. Der verwendete Laser ist ein gepulster Nd:YAG- Laser mit einer Wellenlänge von 1 064 ηττι, und einer Pulsdauer von 100 ns.
Mittels des Verfahrens werden linienartige metallische Kontaktierungsstrukturen erzeugt. Die Laserstrahlen werden daher in etwa entlang einer Linie bewegt, welche in Figur 1 (und auch in den nachfolgend beschriebenen Verfahren zu den Figuren 2, 3 und 4) senkrecht zur Zeichenebene steht.
An den erhitzten Bereichen 5a, 5b entsteht eine Schmelzmischung aus der Metallfolie 4, der Isolierungsschicht 3 und der Halbieiterschicht 2. Nach dem Erstarren der Schmelzmischung besteht ein elektrischer Kontakt 6 zu der darunterliegenden Halbleiterschicht 2. Figur 1 b zeigt somit den Zustand nach Durchführen des Verfahrensschrittes B.
Wie in Figur 1 c dargestellt, wird die Metallfolie 4 vor dem Strukturierungsschritt an den nicht kontaktierten Bereichen von der Halbleiterschicht 2 abgehoben. Dies kann durch zum Beispiel durch Erwärmen des Halbleiterbauelements 1 erfolgen. Dadurch dehnt sich die Metallfolie 4 aus und wölbt sich zwischen den erzeugten Kontakten 6 von der Halbleiterschicht 2 weg. Alternativ kann die Metallfolie auch durch Ansaugen von oben oder Anblasen von unten vom Halbleiterbauelement 1 beabstandet werden. Durch das Abheben der Metallfolie 4 bildet sich zwischen Metallfolie 4 und Halbleiterschicht 2 ein oder mehrere Luftspalte 23 aus.
Hierdurch wird sichergestellt, dass in einem darauffolgenden Strukturierungsschritt kein mechanischer Kontakt zwischen Metallfolie 4 und Halbleiterschicht 2 besteht und es wird vermieden, dass die Metallfolie 4 in den nicht verschmolzenen Bereichen während des Strukturierungsschritts an dem Halbleiterbauele- ment 1 anhaftet.
In Figur 1 d ist der Strukturierungsschritt der Metallfolie 4 mittels Laserstrahlung 5 dargestellt. Durch die lokale Bestrahlung mittels Lasers werden an den Rändern der Kontakte 6 Solibruchstellen in die von der Halbleiteroberfläche beab- standete Metallfolie 4 eingraviert. Die Sollbruchstellen können als Perforierung und/oder Abtrag von Metallfolie zur lokalen Dickenverringerung ausgebildet sein.
Anschließend an den in Figur 1 d gezeigten Zustand wird die Metallfolie an den nicht verschmolzenen Bereichen, d. h. außerhalb der Kontakte 6, entfernt. Dies erfolgt durch Abziehen der Folie.
Figur 1 e zeigt in einem letzten Verfahrensschritt die zurückbleibenden zuvor erzeugten Kontakte 6 nach Abziehen der Metallfolie 4.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen die in schematischer Darstellung Verfahrensschritte eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 2a zeigt äquivalent zu Figur 1 a eine Halbleiterbauelement 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingegangen.
In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird im Verfahrensschritt A eine dünne Metallfolie 7, mit einer Dicke von etwa 2 |jm, aufgebracht.
Figur 2b zeigt das lokale Erhitzen mittels Laserstrahlung 5 im Verfahrensschritt B. An der erhitzten Stelle entsteht eine Schmelzmischung aus der Metallfolie 7 und der Isolierungsschicht 3. Hierbei wird das Metall durch die Isolierungsschicht 3 geschmolzen. Bei Verwendung der dünnen Metallfolie 7 wird die Halbleiterschicht 2 nicht mit aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren der Schmelzmischung besteht ein elektrischer Kontakt 6 zum darunterliegenden Halbleiterbauelement 1 . Zusätzlich wird bei Verwendung der dünnen Metallfolie 7 der kontaktierte Bereich gleichzeitig von der Folie getrennt, denn beim Erstarren zieht sich das flüssige Metall aufgrund der Oberflächenspannung zusammen und es ent- steht eine Trennung zwischen den Bereichen, in denen das Metall aufgeschmolzen wurde und den Bereichen in denen das Metall nicht aufgeschmolzen wurde.
An den bestrahlten Stellen verbleibt eine geöffnete Isolierschicht 2 mit einer das Halbleiterbauelement 1 bedeckenden Kontakte 8, dargestellt in Figur 2c.
Figur 2d zeigt die in einem zusätzlichen Verfahrensschritt metallisch verstärkten Kontakte 9. Hierfür wird an den metallischen Kontakten 8, die im ersten Schritt als Saatschicht erzeugt wurden, zusätzlich Metall, beispielsweise galvanisch abgeschieden. Zur galvanischen Verstärkung der als Saatschicht dienenden Kontakte 8 kann auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden.
I n den Figuren 3a bis 3c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.
Figur 3a zeigt ein Halbleiterbauelement 1 äquivalent zu Figur 1 a und 2a.
Die Metallfoüe 4 kann wahlweise unterschiedlich dick, aus unterschiedlichen Materialien oder mehrschichtig ausgebildet sein. Dabei ist es beispielsweise möglich, die Unterseite der Folie derart zu beschichten, dass die Kontaktbildung verbessert wird und die Oberseite der Folie im Hinblick auf eine einfachere Ver- schaltung optimiert wird. Zusätzlich kann die mittige Lage der mehrschichtigen Metailfolie 4 aus einem kostengünstigen Material bestehen, das lediglich eine gute Leitfähigkeit aufweisen muss. I n diesem Ausführungsbeispiel wird eine mehrlagige Metallfolie aus drei Schichten mit folgendem Aufbau verwendet: Die dem Halbleiterbauelement 1 zugewandte Schicht besteht aus Titan und weist eine Dicke von ungefähr 200 nm auf. Darauf folgt als mittlere Schicht eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von ungefähr 1 0 μηη. Die anschließende dem Halbleiterbauelement 1 abgewandte Schicht besteht aus Aluminium und weist eine Dicke von 200 nm auf.
Figur 3b zeigt den Verfahrensschritt B, indem die Metallfolie 4 lokal mittels Laserstrahlung 5 erhitzt wird. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird ein Laser mit einem Strahlprofil verwendet, das an den Rändern eine höhere Intensität als in der Mitte aufweist. Das Strahlprofil weist entlang der gestrichelten Linie 1 folgenden Intensitätsverlauf auf: in der angegebenen Reihenfolge folgt einem ersten Intensitätsmaximum ein Intensitätsminimum und darauf ein zweites Intensitätsmaximum. Die Intensität des Strahlprofiis weist somit senkrecht zur Bewegungsrichtung des Lasers relativ zu der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 in einem mittleren Bereich eine niedrigere Intensität als in den beiden äußeren Bereichen auf. Dies ist qualitativ (mit beliebigen Einheiten) in Teilbild 3b.1 dargestellt, wobei die Y-Achse die Intensität und die X-Achse den Ortsposition entlang der Linie 1 1 wiedergibt.
Ein geeignetes Strahlprofil ergibt sich beispielsweise durch die Überlagerung zweier Laserstrahlen mit gaußförmiger intensitätsverteilung , derart, dass die beiden Intensitätsmaxima den gewünschten Abstand voneinander aufweisen.
Durch das lokale Erhitzen entsteht eine Schmelzmischung aus "aufgeschmolzener Metallfolie 4 und Isolierschicht 3. Beim Erstarren zieht sich das flüssige Metall aufgrund der Oberflächenspannung zusammen und es entsteht eine Trennung zwischen den Bereichen, in denen das Metall aufgeschmolzen wurde und den Bereichen in denen das Metall nicht aufgeschmolzen wurde.
Anschließend wird die nicht verschmolzene Metallfolie mechanisch entfernt.
Figur 3c zeigt die zurückbleibenden zuvor erzeugten Kontakte 6 nach dem Abziehen der Folie.
Die Figuren 4a bis 4h zeigen schematisch die Verfahrensschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 4a zeigt ein Halbleiterbauelement 1 , das als Vorstufe einer Rückseiten- kontaktsolarzelle ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement 1 umfasst eine Halbleiterschicht 13 mit einer kammartigen Dotierstruktur 14 und eine Isolierschicht 3. Die kammartige Dotierstruktur ist bei Rückseitenkontaktsolarzellen üblich und als Draufsicht auf die Rückseite des Halbleiterbauelementes 1 in Figur 6 dargestellt: Die Basisdotierung des Halbleiterbauelementes ist rückseitig mit einer kammartigen Emitterdotierung als Dotierstruktur 14 bedeckt, so dass in der Darstellung gemäß Figur 6 in Richtung A alternierend p-dotierte Bereiche 2a und n-dotierte Bereiche 2b vorliegen. Figur 4b zeigt das Halbleäterbauelement 1 aus Figur 4h, weiches zusätzlich mit einer Metallfolie 4 beschichtet ist. Hierbei können unterschiedlich dicke Folien aus unterschiedlichen Materialien, bevorzugt Titan, Nickel oder Silber verwendet werden.
I n Figur 4c ist das lokale Erhitzen der Metallfolie 4 mittels Laserstrahlung 5 dargestellt. An den bestrahlten Steilen werden die Metallfolie 4 und die Isolierschicht 3 aufgeschmolzen. Dadurch entsteht ein Kontakt 6 zum darunterliegenden Halbleiterbauelement 1 . Die Steilen für das lokale Erhitzen werden derart ausgewählt, dass alternierend ein p-dotierter 2a und ein n-dotierter 2b Bereich der Dotierstruktur 14 kontaktiert werden.
In Figur 4d sind die zurückbleibenden zuvor erzeugten metallischen Kontakte 6 nach dem Abziehen der Metallfolie 4 dargestellt. Die aneinander grenzenden p- und n-dotierten Bereiche der Dotierstruktur 14 sind jetzt jeweils getrennt elektrisch kontaktiert.
I n Figur 4e ist die zweite Iteration des Kontaktierungsverfahrens dargestellt. Hier wird eine zweite dickere Metallfolie 15 aus einem kostengünstigen Material , wie z. B. Aluminium, auf die zuvor erzeugte Kontaktstruktur 6 gelegt.
Figur 4f zeigt das lokale Erhitzen der zweiten Metallfolie 15 mittels Laserstrahlung 5. Die Metaüfolie 15 schmilzt an den bestrahlten Stellen und bildet mit den an der Unterseite der zweiten Metallfolie 5 anliegenden Kontakten 6 eine Legierung. Dies führt zu einer elektrischen und mechanischen Verbindung der zweiten Metallfolie 1 5 mit der darunterliegenden Kontäktstruktur 6 und damit mit dem Halbleiterbauelement 1 . Mit Hilfe geeigneter Fokussieroptiken kann hier ein bis zu Ι Ομιη dünner Bestrahlungsspot realisiert werden.
In Figur 4g ist der Strukturierungsschritt für die zweite Metallfolie 15 dargestellt. An den Rändern der Kontakte werden mittels Laserstrahlung 5 Sollbruchstellen eingraviert. Durch die erste Kontaktstruktur 6 befindet sich ein Luftspalt 23 zwischen zweiter Metallfolie 1 5 und Halbleiterbauelement 1 , da die Kontaktstruktur 6 verhindert, dass die Metallfolie 1 5 auf dem Halbleiterbauelement 1 anliegt. Die zweite Metallfolie 1 5 kann also mittels Laserstrahlung 5 durchtrennt werden, ohne weitere Kontakte auf dem Halbleiterbauelement 1 zu erzeugen. In Figur 4h ist eine erzeugte zweischichtige Kontaktstruktur für eine Rückseitenkontaktsolarzelle nach dem Abziehen der zweiten Metallfolie 15 dargestellt. Die alternierende metallische Kontaktierung 6 entspricht der Dotierstruktur 14 der Rückseitenkontaktsolarzelle. Hierbei ist der direkte Kontakt zwischen Halbleiterschicht 2 und Kontaktstruktur 6 mit einer Metallisierung mit niedrigem Kontaktwiderstand und mit hoher Leitfähigkeit ausgebildet. Der zweite Teil der Kontaktstruktur 6 kann aus einem kostengünstigeren Material ausgebildet sein.
Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Kontaktierung einer Rückseitenkontaktsolarzelle, dargestellt in den Figuren 4a bis 4h. Ebenso liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung, das erfindungsgemäße Verfahren für die Erzeugung der Vorderseitenkontaktierung und/oder für "die Kontaktierung beliebiger alternierend dotierter Halbleiterbauelemente zu verwenden.
Figur 5a zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bearbeitungstisches.
Der Bearbeitungstisch 1 7 umfasst einen zentralen Auflagebereich 1 8 für ein Halbleiterbauelement 1 , einen Fixierbereich 1 9 für das Halbleiterbauelement, einen Fixierbereich 20 für die Metallfolie 4 und eine Abblasöffnung 21 . Die Fixierbereiche 1 9 und 20 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ansaugöffnungen, die mit Absaugleitungen 24 verbunden sind. Die Abblasöffnung 21 ist mit einem Abblaskanal 22 verbunden und zwischen dem Fixierbereich für die Metallfolie 20 und Auflagebereich 1 8 angeordnet.
Wie in Figur 5b dargestellt, kann durch die Anordnung der Abblasöffnung 21 zwischen dem Fixierbereich für die Metallfolie 20 und dem Auflagebereich für das Halbleiterbauelement 1 8 nach dem lokalem Aufschmelzen durch die Abblasöffnung 21 ein Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt werden, so dass die Metallfolie 4 mit dem Gas angeblasen und somit in den nicht aufgeschmolzenen Bereichen von dem Haibleiterbauelement 1 zumindest teilweise beabstandet wird. Hierdurch wird das Entfernen der überschüssigen Metallfolie 4 vereinfacht.
Da die metallischen Kontaktstrukturen zwischen Metallfolie und Halbleiterbauelement sich nicht über die gesamte Breite des Halbleiterbauelements erstre- cken, bilden sie keine luftdichten Barrieren, sodass die Metallfolie auch in den mittigen Bereichen (z. B. zwischen zwei metallischen Kontaktstrukturen) von der Oberfläche des Halbleiterbauelements abgehoben wird.
Der erfindungsgemäße Bearbeitungstisch findet insbesondere eine vorteilhafte Anwendung, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Aufschmelzen der Metallfolie in einem weiteren Verfahrensschritt Sollbruchstellen in der Metallfolie erzeugt werden, wie beispielsweise zu dem zugehörigen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in den Figuren 1 c bis 1 d beschrieben.
Hierbei wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Bearbeitungstisches gemäß dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel beim Erzeugen der Sollbruchstellen durch das lokale Beabstanden der Metallfolie 4 vermieden, dass die Metailfolie 4 an den Stellen, an denen die Sollbruchstellen erzeugt werden, an dem Halbleiterbauelement 1 anhaftet. Weiterhin wird ein thermischer Kontakt an den Sollbruchstellen zwischen Metallfolie 4 und Halbleiterbauelement 1 vermieden, so dass in einfacher Weise mittels lokaler Wärmeeinwirkung, bevorzugt durch einen Laser, die Metallfolie 4 an den Sollbruchstellen abgedünnt, d. h. lokal die Dicke verringert wird, oder lokal verdampft werden kann.
Der Auflagebereich 18 ist als Vertiefung ausgebildet, derart, dass bei in die Vertiefung eingelegtem Halbleiterbauelement 1 das Halbleiterbauelement 1 mit der daran seitlich angrenzenden Oberfläche des Bearbeitungstisches 17 eine plane Fläche bildet.
Dadurch ist gewährleistet, dass die angesaugte Metallfolie 4 ohne Luftein- schiüsse an dem Halbleiterbauelement 1 anliegt. Etwaige Lufteinschlüsse führen bei der Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dazu, dass die Metallfolie 4 aufgrund des fehlenden thermischen Kontakts mit dem Halbleiterbauelement 1 bei der lokalen Erwärmung ganz oder teilweise verdampft wird und sich somit keine oder nur eine unzureichende, einen hohen Kontaktwiderstand aufweisende Metallstruktur ausbildet. Durch die Ausbildung des Auflagebereichs für das Halbleiterbauelement 1 8 als Vertiefung, derart, dass bei in die Vertiefung eingelegtem Halbleiterbauelement 1 das Halbleiterbauelement 1 mit der daran seitlich angrenzenden Oberfläche des Bearbeitungstisches 17 eine plane Fläche bildet, ergibt sich der Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von Lufteinschlüssen zwischen Metallfolie 4 und Halbleiterbaueiement 1 verringert wird und dadurch die Qualität der erzeugten metallischen Kontaktierungs- struktur 6 in Bezug auf Haftung und Leitfähigkeit steigt.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur lokalen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements (1 ), welches Halbleiterbauelement (1 ) Teil einer photovoltaische Solarzelle oder einer Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle ist, folgende Verfahrensschritte umfassend:
A Aufbringen mindestens einer Metallschicht auf eine Seite des Halbleiterbauelements (1 ),
B Lokales Erhitzen zumindest der Metallschicht, derart, dass in einem lokalen Bereich kurzzeitig ein Aufschmelzen zumindest der Metallschicht erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Metallschicht eine Metallfolie (4) verwendet wird und
dass nach Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt C die nicht verschmolzenen Bereiche der Metallfolie (4) entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt A-a vor dem Verfahrensschritt A zumindest eine Zwischenschicht (3) auf eine Seite des Halbleiterbauelements (1 ) aufgebracht wird, vorzugsweise eine dielektrische
Schicht, insbesondere,
dass in einem weiteren zusätzlichen Verfahrensschritt A-b zwischen dem Verfahrensschritt A-a und dem Verfahrensschritt A die Zwischenschicht in den lokalen Bereichen entfernt wird, vorzugsweise mittels Laserablation.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallfoüe (4) während des Kontaktierungsvorgangs gleichzeitig strukturiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das lokale Erhitzen während des Kontaktierungsvorgangs zumindest Sollbruchstellen (1 1 ) in der Metallfolie (4) erzeugt.
5. Verfahren nach einem der der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt als ein Strukturierungsschritt zumindest Sollbruchstellen (1 1 ) in die Metallfolie (4) eingebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallfolie (4) vor dem Strukturierungsschritt zumindest teilweise in den nicht verschmolzenen Bereichen von dem Halbleiterbauelement (1 ) beabstandet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallfolie (4) durch Anblasen von unten und/oder Ansaugen von oben und/oder Erwärmen von dem Halbleiterbauelement (1 ) zumindest teilweise beabstandet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallfolie (4) zumindest während des Verfahrensschritts B auf das Halbleiterbauelement (1 ) gespannt und/oder angesaugt und/oder angeblasen wird.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Metallschicht eine mehrschichtige Metallfolie (25) verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verfahrensschritt B durch Beleuchtung von der der Metallfolie (4) abgewandten Seite des Halbleiterbauetements (1 ) erfolgt.
1 1 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt B ein Laser (5) verwendet wird, dessen Strahlprofil an den Rändern eine höhere Intensität als in der Mitte aufweist.
2. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Metallisierungsschritt mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche eine metallische Saatschicht (8) erzeugt wird, welche Saatschicht (8) in einem zweiten Metaliisierungsschritt verstärkt wird, vorzugsweise galvanisch verstärkt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halbleiterbauelement (1 ) an der einen Seite sowohl n- dotierte, als auch p-dotierte Bereiche aufweist und in Verfahrensschritt B diese Bereiche elektrisch kontaktiert werden, indem die Metallfolie (4) lokal an den n-dotierten und den p-dotierten Bereiche aufgeschmolzen wird, so dass nach Entfernen der Metallfolie (4) gemäß Verfahrensschritt C metallische ontaktierungsstrukturen sowohl der n-dotierten, als auch der p-dotierten Bereiche vorliegen, vorzugsweise,
dass in einem weiteren Verfahrensschritt die metallischen Kontaktierungsstrukturen (1 6) metallisch verstärkt werden, insbesondere, indem in die Verfahrensschritte A bis C wiederholt werden, vorzugsweise unter Verwendung einer zweiten Metallfolie (1 5), die ein zu der zuvor verwendeten Metallfolie (7) unterschiedliches Metall aufweist.
4. Bearbeitungstisch, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
welcher Bearbeitungstisch einen Auflagebereich (18) für ein Halbleiterbauelement (1 ), mindestens einen Fixierbereich (19) für die Metallfolie (4) und mindestens eine Abblasöffnung (21 ) aufweist, welche Abblasöffnung mit einem Abblaskanal (22) verbunden ist und zwischen Fixierbereich (19) und Auflagebereich (18) angeordnet ist.
5. Bearbeitungstisch nach Anspruch 14
dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierbereich (1 9) bezogen auf den Auflagebereich (1 8) umlaufend, vorzugsweise als Ansaugrinne, welche Ansaugrinne mit einem Ansaugkanal (24) verbunden ist, ausgebildet ist.
Bearbeitungstisch nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Auflagebereich (1 8) als Vertiefung ausgebildet ist, derart, dass bei in die Vertiefung eingelegtem Halbleiterbauelement (1 ) das Halbleiterbauelement (1 ) und mit der daran seitlich angrenzenden Oberfläche des Bearbeitungstisches ( 7) eine plane Fläche bilden.
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