CN101185989A - 多站式扫描位移恒定激光烧蚀装置 - Google Patents

多站式扫描位移恒定激光烧蚀装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多站式扫描位移恒定激光烧蚀装置。激光扫描机构和多个处理站在圆周上设置在中心轴周围。激光扫描机构包括用马达驱动、围绕中心轴转动的旋转元件，和固定地安装在旋转元件上的光学系统，该光学系统布置成将来自中心轴的输入激光束脉冲沿着环形的扫描路径重新导向。每个站包括用于跨越环形的扫描路径径向地移动相应目标对象的机构。从扫描机构输出的激光束脉冲可以用来同时处理多个目标对象(例如烧蚀来自多个目标对象的材料)。激光扫描机构重新导向输入的激光束脉冲，使得当激光束脉冲沿着环形(弯曲)的扫描路径被扫描时，激光束保持共轴和焦点对准。制造光生伏打器件的系统采用这种激光烧蚀装置和直接写入金属化装置。

Description

多站式扫描位移恒定激光烧蚀装置
技术领域
本发明涉及光辐射向电能的转换，更加具体地，本发明涉及用于制造将太阳能转换成电能的光生伏打器件(太阳能电池)的方法和工具。
背景技术
太阳能电池是典型地将太阳光直接转换成电的光生伏打器件。太阳能电池通常包括以生成自由电子的一种方式吸收光辐射(例如，太阳光)的半导体(例如，硅)，生成的自由电子又在内置电场的促使下流动，从而生成直流(DC)电源。数个PV电池产生的直流电源聚集在电池上放置的栅格上。从多个PV电池流出的电流随后通过串联和并联的组合被组合成更大电流和更高电压。然后，这样收集到的直流电源经过电线，经常经过多打或数百个电线进行输送。
用来对地面上推广应用的硅太阳能电池进行金属化的现有技术是丝网印刷。丝网印刷已经使用了数十年，但是随着电池制造商通过制作更薄晶片来寻求改善电池效率和低成本，丝网印刷工艺正变成一种限制。丝网印刷机以每小时约1800个晶片的速率工作，其丝网能维持约5000个晶片。故障出现的样式经常为丝网和晶片破裂。这意味着这些工具每两个小时会出现故障一次，从而需要操作员频繁地介入。而且，印刷的特征限于约100微米，并且材料组在很大程度上仅限于银金属化和铝金属化。
希望用于制作太阳能电池的晶片处理工具具有但仍难以获得的特性有：(a)从不会弄破晶片，例如不接触；(b)一秒钟的处理时间(即3600个晶片/小时)；(c)很大的处理窗口；以及(d)除定期维修外每周少于一次的24/7操作。希望用于太阳能电池的低成本金属半导体触点具有但仍难以获得的特性有：(a)最小的接触面积-以避免表面复合；(b)浅接触深度-以避免分流或以其他方式损害电池的pn结；(c)对重掺硅的低接触阻抗；以及(d)高平面形状(aspect)金属特征(对前触点而言，以避免栅格被遮蔽，同时给电流提供低阻抗)。
给定上述一组所希望的特性，人们希望用于下一代太阳能电池工艺线的成套工具非常不同于丝网印刷。由于丝网印刷是一种固有低分辨率的接触法，因此它不可能满足上面所列的所有标准。太阳能电池的制造本来是一种具有极大成本制约的简单工艺。所有在大部分太阳能电池上进行的印刷都只在于接触并金属化电池的发射器部分和基底部分。这种金属化工艺可以描述为以下三个步骤：(1)通过表面钝化开触点；(2)在稳固地机械接触太阳能电池的同时与下面的硅形成电接触；(3)提供远离触点的导电路径。
目前，太阳能产业所采用的银膏是由有机载体上的银颗粒和玻璃粉的混合物构成。加热时，有机载体分解，玻璃粉软化，然后溶解了表面钝化层，从而为硅生成一条抵达银的通路。表面钝化还可以用作抗反射涂覆，它是电池必需的一部分，它需要覆盖除电接触区域以外的电池上的其他所有区域。这种用来开触点的玻璃粉方式具有的优点是不需要任何单独的工艺步骤来打开钝化。膏混合物被丝网印刷在晶片上，当晶片被烘烤时，许多随机的点接触就形成在银图案之下。并且，膏的顶面部分致密成金属厚膜，其传送来自电池的电流。这些膜在晶片的正面形成栅格线，并在晶片的背面形成基极触点。这些银还构成一个表面，用来连接相邻电池的接头可以焊接在该表面上。这种玻璃料膏方式的缺点在于发射器(暴露于阳光的表面)必须被重掺杂，否则银不可能与硅形成良好的电接触。然而，这种重掺杂减小了位于电池顶部内少数载流子的寿命。这限制了电池的蓝光响应以及它整体的效能。
在这种传统的用以金属化太阳能电池的丝网印刷方法中，涂刷器(squeegee)按压软膏通过带有在晶片上保持的乳剂图案的格网。特征位置精度会受到诸如丝网翘曲和拉伸这些因素的限制。其特征尺寸受限于丝网的特征尺寸和软膏的流变。而且，100微米以下的特征尺寸很难实现，并且晶片越大，特征位置和配准(registration)精确起来越困难。因为很难精确地将一个丝网印刷图案与另外一个丝网印刷图案配准起来，所以大多数的太阳能电池工艺都借助于类似上面所述的那些方法，取消了配准多个工艺步骤，在上述那些方法中，由于银膏内的玻璃料能够溶解氮化物的钝化，因此触点既可以开设又可以金属化。然而，这种方法有许多缺点。已经提到的一个缺点是发射器需要重掺杂。另外一个问题是加工窗口很窄。此外，用以烧热栅格线的热循环还必须通过氮化硅进行灼烧，以在硅与银之间提供电接触而不会使银分流或以其他方式损害结点。这严重限制了加工时间和温度窗口，使温度范围处在关于设定点850C的大约10度C的范围，使加工时间为30秒左右。然而，如果形成接触开口并配准希望类型的金属化，那么就可以用较宽的加工容限来获得较低的接触阻抗。
在如今的生产中，最普通的光生伏打器件电池设计是前表面接触式电池，它包括在基板前表面上的一组栅格线，这些栅格线接触着下面的电池发射器。自从第一个硅太阳能电池在50年前被制造出以来，估算这种电池可以获得最高转换效率就成为一种流行的活动。对于地球上的一个太阳而言，这个所谓的极限效率目前稳定地确立在大约29％(参看Richard M.Swanson，“APPROACHING THE 29％LIMIT EFFICIENCY OFSILICON SOLAR CELLS”31s IEEE Photovoltaic SpecailistsConference 2005)。实验室内的电池达到25％。只有最近，商业上的电池才达到20％效率的水平。一种能够制作效率高于20％的光生伏打器件的成功方法是研制背面接触电池。背面接触电池利用分布在整个p和n区上的定位触点来收集来自电池的电流，其中p和n区形成在器件晶片的背表面(即，远离太阳的那一侧)上。为了获得更好的导电金属线，在晶片上细微分布的那些很小的接触开口通过限制载流子在相对几乎不导电的半导体内行进的距离，不但限制了复合，而且降低了阻抗损耗。
一种进一步改进的方法是减小在定位触点内金属半导体界面处载流子复合的效应。这可以通过将金属半导体的接触面积限制为提取电流仅需的面积来实现。然而，不幸的是，用例如丝网印刷这种低成本制作方法容易制作出来的接触尺寸要比所需的大。丝网印刷能够制作出尺寸在100微米量级的特征。但是，10微米或更小量级的特征却足以提取出电流。对于给定的空穴密度，这种尺寸减小将使总体的金属半导体界面面积及其相关联的载流子复合减小100倍。
降低太阳能的制作成本是持续不断追求的动力，优选地是从电池制作的序列中除去尽可能多的加工步骤。如由SunPower公司申请的美国专利申请公开号US20040200520A1描述的，通常，电流开口这样形成，即首先在晶片上沉积抗蚀剂掩膜，然后把晶片浸入浸蚀剂例如氢氟酸内，刻蚀在晶片上的氧化物钝化物，随后漂洗晶片，干燥晶片，剥落抗蚀剂掩膜，最后漂洗晶片和干燥晶片。
因此，就需要一种制造光生伏打器件(太阳能电池)的方法和处理系统，其通过不仅降低制作成本和复杂性，而且改善所得光生伏打器件的工作效率，能够克服上述现有方法存在的缺陷。
发明内容
在此公开了如下实施方案。
方案1.一种用于同时微机械加工多个目标对象的多站式激光烧蚀装置，其中该装置包括：
激光器装置，其用于沿中心轴选择性地产生多个输入激光束脉冲；
激光扫描机构，其包括被设置成绕中心轴转动的旋转元件和固定地安装在旋转元件上的光学系统，该光学系统被布置成使所述多个输入激光束脉冲从中心轴重新导向到围绕该中心轴确定的环形扫描路径上，借此输出的激光束脉冲被选择性地产生在环形扫描路径上；以及
在圆周上设置在中心轴周围的多个站，每个站都包括用于沿相对于中心轴的相应径向方向移动所述多个目标对象中相应一个的装置，使得所述相应的目标对象横切环形扫描路径的相应部分。
方案2.根据方案1的多站式激光烧蚀装置，其中所述激光扫描机构的旋转元件包括被设置成绕中心轴转动的第一部分，和远离中心轴设置的第二部分；
其中所述光学系统包括：
第一光学元件，其固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使得中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，其被设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，其与第二光学元件成固定关系地设置在旋转元件上；
其中第一和第二光学元件被布置成使第一光学元件重新导向来自中心轴的多个输入激光束脉冲到第二光学元件，其中第二光学元件重新导向从第一光学元件接收到的激光束脉冲通过聚焦元件朝向环形扫描路径，并且其中聚焦元件被设置成聚焦输出的激光束脉冲，以使每个输出激光束脉冲的焦点与环形扫描路径相重合。
方案3.根据方案2的多站式激光烧蚀装置，其中第一和第二光学元件包括多个反射镜，这些反射镜具有相互平行的各自平坦反射面；以及
聚焦元件包括设置在第二反射镜与焦点之间的物镜。
方案4.根据方案3的多站式激光烧蚀装置，其中第一反射镜设置在距第二反射镜的一个固定距离处；以及
所述物镜设置在距第二反射镜的一个固定距离处。
方案5.根据方案1的多站式激光烧蚀装置，还包括当激光扫描机构的旋转元件被定位在所述半导体基板的其中一个相关半导体基板的钝化层的预定部分之上时，控制激光器装置以选择性地产生多个输入激光束脉冲的装置。
方案6.根据方案5的多站式激光烧蚀装置，其中控制激光器装置的所述装置包括靠近所述多个工作台中的至少一个设置的电子读数装置。
方案7.根据方案1的多站式激光烧蚀装置，其中所述多个目标对象中的每一个都包括半导体基板，该半导体基板包括扩散在其表面内的掺杂区和形成在该掺杂区上的钝化层；以及
其中沿相应径向方向移动所述相应光生伏打器件的所述装置包括用于保持所述相应的目标对象的装置，以使由所述输出激光束脉冲在钝化层内确定的烧蚀区基本平行于所述对应的径向方向。
方案8.根据方案1的多站式激光烧蚀装置，其中所述激光器装置是飞秒激光器装置。
方案9.根据方案1的多站式激光烧蚀装置，还包括围绕中心轴设置的定位凸轮，其用于沿所述相应的径向方向控制所述多个目标对象中的每一个的相关联的位置。
方案10.一种用于制造多个光生伏打器件的系统，每个光生伏打器件包括半导体基板，该半导体基板具有在其表面上设置的钝化层，其中所述系统包括：
激光器装置，其用于沿中心轴选择性地产生多个输入激光束脉冲；
激光扫描机构，其包括被设置成绕中心轴转动的旋转元件和固定地安装在旋转元件上的光学系统，该光学系统被布置成使所述多个输入激光束脉冲从中心轴重新导向到围绕该中心轴确定的环形扫描路径上，借此输出的激光束脉冲被选择性地产生在环形扫描路径上；以及
在圆周上设置在中心轴周围的多个站，每个站都包括用于沿相对于中心轴的相应径向方向移动所述多个光生伏打器件中相应一个的装置，使得所述相应的光生伏打器件横切环形扫描路径的相应部分。
方案11.根据方案10的系统，其中所述激光器装置是飞秒激光器装置。
方案12.根据方案10的系统，其中所述激光扫描机构的旋转元件包括设置成绕中心轴转动的第一部分，和远离中心轴设置的第二部分；
其中所述光学系统包括：
第一光学元件，其固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使得中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，其被设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，其与第二光学元件成固定关系地设置在旋转元件上；
其中第一和第二光学元件被布置成使第一光学元件重新导向来自中心轴的多个输入激光束脉冲到第二光学元件，其中第二光学元件重新导向从第一光学元件接收到的激光束脉冲通过聚焦元件朝向环形扫描路径，并且其中聚焦元件被设置成聚焦输出的激光束脉冲，以使每个输出激光束脉冲的焦点与环形扫描路径相重合。
方案13.根据方案12的系统，其中第一和第二光学元件包括多个反射镜，这些反射镜具有相互平行的各自平坦反射面；以及
聚焦元件包括设置在第二反射镜与焦点之间的物镜。
方案14.根据方案13的系统，其中第一反射镜设置在距第二反射镜的一个固定距离处；以及
所述物镜设置在距第二反射镜的一个固定距离处。
方案15.根据方案10的系统，还包括当激光扫描机构的旋转元件被定位在所述半导体基板的其中一个相关半导体基板的钝化层的预定部分之上时，控制激光器装置以选择性地产生多个输入激光束脉冲的装置。
方案16.根据方案15的系统，其中控制激光器装置的所述装置包括靠近所述多个工作台中的至少一个设置的电子读数装置。
方案17.根据方案10的系统，其中所述多个光生伏打器件中的每一个都包括扩散在其相关半导体基板的表面内的掺杂区；以及
其中沿相应径向方向移动所述相应光生伏打器件的所述装置包括用于保持所述相应的光生伏打器件的装置，以使所述掺杂区基本平行于所述相应的径向方向。
方案18.根据方案10的系统，还包括直接写入金属化装置，其包括：
用于沉积半导体材料到所述多个接触开口中的每一个内的装置；
用于沿平行于相应径向方向的方向移动半导体基板的装置。
方案19.根据方案10的系统，还包括设置在中心轴周围的定位凸轮，其用于沿所述相应的径向方向控制所述多个光生伏打器件中的每一个的相关位置。
方案20.根据方案10的系统，还包括多个处理装置，每个处理装置包括：
装载/卸载自动装置，其用于装载所述多个光生伏打器件中未处理的器件到所述多个站中相关的一个站上，并用于从所述多个站中相关的一个站卸载所述多个光生伏打器件中处理完的器件；以及
直接写入金属化装置，其包括用于沉积导电材料到所述多个光生伏打器件中所述处理完的器件上的装置。
附图说明
参看下面的说明书、所附权利要求书以及所附附图，本发明的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解，在附图中：
图1是示出依照本发明一个实施例的多站式激光烧蚀装置的透视图；
图2是示出在图1所示的激光烧蚀装置中采用的例举性激光扫描机构的透视图；
图3是示出依照本发明的一个实施例、用于制造光生伏打器件的简化方法的流程图；
图4是示出依照本发明的另一个实施例、采用图1所示系统制造光生伏打器件的组件的简化图；
图5(A)和图5(B)是描绘激光烧蚀之前的简化半导体基板的顶视图和侧视图；
图6是示出在工作时如图1所示的多站式激光烧蚀装置的顶视图；
图7(A)和图7(B)是示出激光烧蚀之后的半导体基板的平面透视图和局部透视图；
图8是示出依照本发明的另一方面、在直接写入金属化期间半导体基板的平面图；
图9是示出在直接写入金属化之后、如图8所示的半导体基板的局部透视图；
图10是示出依照本发明一个替代实施例的多站式激光烧蚀装置的透视图；以及
图11(A)和图11(B)是示出依照本发明另一个替代实施例的多站式激光烧蚀装置的视图。
具体实施方式
本发明涉及对用来例如将太阳能转换为电能的光生伏打器件(例如太阳能电池)的改进。下面给出的描述用来使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，只要是在其具体应用及其需求的范围之内。如这里所用的，方向性术语如“上面”、“下面”、“侧”、“前”、“后”旨在为描述的目的而提供相对的位置关系，并不旨在确定绝对的参考结构。对优选实施例的各种改变对本领域的技术人员而言都是显然的，因此这里给出的一般性原理同样可以应用于其他的实施例。因此，本发明并不限于这里示出和描述的各个具体实施例，而应当给予与这里公开的原理和新颖特征相符合的最宽范围。
图1示出依照本发明一个例举性实施例的多站式激光烧蚀装置100。该激光烧蚀装置100包括定位在中央、沿中心轴X发射输入激光束脉冲LB1的激光器装置110，设置成将激光束脉冲重新导向到环形扫描路径SP(用深虚线表示)的新颖激光扫描机构120，以及包括多个处理站155的环形平台150，这些处理站155环形地设置在中心轴X周围，并各自安置一个光生伏打器件晶片(对象目标)211，使得扫描路径SP横切该多个晶片211。
如下所述，在一个实施例中采用多站式激光烧蚀装置100在制造太阳能电池时实施非接触式微机械加工(即对钝化层进行激光烧蚀构图)，从而避免了与传统丝网构图技术相关联的那些问题。用基于激光的烧蚀装置产生的接触开口基本上比用传统的丝网印刷工艺制作的最小开口还要小。基于激光的烧蚀装置还有利于去除钝化，而不会显著改变下面硅层的厚度或掺杂剖面。在一个特定的实施例中，光源110是飞秒激光器，其有利于实现具有最小碎屑的较浅的烧蚀。飞秒激光脉冲的一个特别优点在于功率密度可足够高以使光脉冲的电场变得可与材料内原子的原子间场相比较。在本申请中这个问题变得很重要，因为希望对钝化进行烧蚀但不干扰下面的半导体。钝化典型地是厚度为800埃的氮化硅，其具有较大的带隙，并且通常是透明的。通常，光穿越钝化，变得可被下面的半导体所吸收。在功率密度足够高时，光与物质的相互作用发生改变，使得即使普通的透明材料也变得可吸收。多个光子在受激电子态释放之前可以吸收在材料的某个位置上。通过吸收介电钝化内的能量，表面层可以被选择性地烧蚀。对于具有浅掺杂层的光生伏打器件，这种选择性的表面烧蚀是很有利的。例如，典型的丝网印刷太阳能电池的n型发射器仅为约200～300nm厚。如果钝化内烧蚀出的接触开口贯穿发射器的话，那么这种金属化可能会与发射器下面的p型材料形成分路，从而毁坏整个器件。
虽然本发明这里是具体参考光生伏打器件的制造进行描述的，但是本领域的技术人员能够认识到，多站式激光烧蚀装置100也可以被利用来加工许多不同的目标对象。因此，本发明不限于这里描述的具体实施例，除非在所附权利要求书中特别指明。
参看图1，依照本发明的一个方面，激光扫描机构120包括旋转元件121，该旋转元件121安装在固定的基部122上，并被马达132驱动以围绕中心轴X旋转；由第一反射镜(光学元件)123和第二反射镜(光学元件)125形成的光学系统；以及物镜(聚焦元件)127，该物镜(聚焦元件)127固定地安装在旋转元件121上，并布置成将来自中心轴X的输入激光束脉冲LB1重新导向到环形扫描路径SP。具体地，如图1所示和图2详细示出地，第一反射镜123安装在旋转元件121的通常为圆柱形的基(第一)部121-1上。旋转元件121还包括支撑着第二反射镜125的头(第二)部121-2，和连接在基部121-1与头部121-2之间的刚性管状的中心部分121-3。第一反射镜123布置成将来自中心轴X的输入激光束脉冲LB1沿水平激光束路径LB2反射到第二反射镜，该水平激光路径LB2穿过管状中心部分121-3的中心轴区域。第二反射镜125被布置平行于第一反射镜123，并且将在水平路径LB2上传输的激光束脉冲垂直向下反射，以形成平行于中心轴X导向的输出激光束脉冲LB3。输出激光束脉冲LB3穿过物镜127，该物镜127将该输出激光束脉冲聚焦在物镜127之下具有预定距离的焦点FP上。旋转元件121围绕中心轴X的旋转促使焦点FP沿环形的扫描路径SP行进。旋转元件121还包括从基部121-1延伸出的第二管状部121-4，和固定连接在该第二管状部121-4一端的平衡块128，该平衡块128被设置成使基部121-1位于平衡块128与头部121-2之间。平衡块128可以促进轨道物镜127的高速旋转，从而有利于光生伏打器件的高效率制造。有关激光扫描机构120的更多细节和替代实施例描述在共同所有和共同申请的美国专利申请序列号xx/xxx,xxx，名称为“LIGHT SCANNING MECHANISM FOR SCANDISPLACEMENT INVARIANT LASER ABLATION APPARATUS”(代理人卷号No.20060270-US/NP(XCP-077))中，该专利申请被全文引入在此作为参考。
依照本发明的一个方面，由激光扫描装置120传输到晶片211的输出激光束脉冲LB3被可靠地聚焦在晶片211上，因为对旋转元件121所有的角位置而言，光束在光源110与晶片211之间传播的距离都是保持恒定的。首先，输入光束脉冲LB1(即位于激光器装置110与第一反射镜123之间)和输出光束脉冲LB3(即位于第二反射镜125与具体晶片211的上表面之间)传播的垂直距离对旋转元件121的任何位置而言都保持恒定。另外，在旋转元件121处于相对于中心轴X的任何角位置时，光束脉冲沿光束路径LB2(即位于第一反射镜123与第二反射镜125之间)传播的距离保持恒定。另外，物镜127设于第二反射镜125之下，使输出光束脉冲LB3在其中穿过，并且依据已知技术被设定尺寸和定位，以使输出激光束部分LB3聚焦在焦点FP上，该焦点FP位于物镜127之下的预定的固定距离FD处。而且，目标晶片211的平坦上表面被定位在位于物镜127之下的焦距FD处。因此，每个激光束部分LB1、LB2和LB3的长度都保持固定，从而激光器装置110与焦点FP之间的总距离在沿扫描路径SP的任何位置处都保持恒定。从而，在每个光束部分LB1、LB2和LB3中，激光束脉冲都保持共轴(on-axis)，并且当旋转元件121处于任何角位置时，每个激光束脉冲的焦点都与晶片211的上表面重合。因此，光扫描机构120消除了在传统多角ROS装置中出现的离轴聚焦误差和位移像差。而且，与传统的ROS装置相比，光扫描机构120制造起来比较廉价，而且比较稳固和可靠。
再次参看图1，激光烧蚀装置100还包括控制器(例如微处理器及其相关联的软件)130，用于选择性地控制马达132、工作台(stage)移动马达134、激光器装置110、工作台装载装置170以及工作台卸载装置175。处理站155环形地设置在中心轴X周围，使扫描路径SP同时横切多个晶片211。在一个实施例中，每个未处理的晶片211T1设置在对应的工作台140上，其用工作台装载机构170装载在对应的站155内，每个处理完的晶片211T2用工作台卸载机构175从对应的站155卸载。每个站155都包括有一种机构(例如工作台移动马达134和径向槽157)，该机构被利用来沿相对于中心轴X的径向移动装载的工作台140(和晶片211)，使得晶片211的上表面在环形的扫描路径SP上系统地平移。采用这种方式，在轨道物镜127每次旋转期间，环形的扫描路径SP能同时横切多个晶片211，从而有利于有效利用激光器装置110。例如，当轨道物镜127设置在每个晶片211之上时产生的输出激光束脉冲LB3可以被用来烧蚀晶片211表面上的材料。另外，通过在每次扫描经过之后促使每个站155在相关联的径向方向(例如，远离中心轴X)上平移其相关联的晶片211，就能够有效地处理每个晶片211的二维区域。
依照本发明的一个实施例，用电子读数(registration)装置160精确计时激光束脉冲，这些电子读数装置160分别邻近每个站155设置。在一个实施例中，电子读数装置160包括传感器，该传感器在头部121-2每次越过传感器160的时候向控制器130发送探测信号。然后，控制器130利用该探测信号和有关旋转元件120其旋转速度的信息来执行激光脉冲的精确计时，以便使晶片211以希望的方式加以处理。用作传感器160的合适装置对本领域的技术人员而言是公知的。
依照本发明下面详细描述的一个实际实施例，激光烧蚀装置100被利用来通过在光生伏打器件晶片上形成的钝化层，以下面描述的方式产生接触开口。在本申请中，因为在扫描路径的所有点上激光(光)束都保持共轴和可靠聚焦，所以激光扫描机构120可以提供稳固且可重复的烧蚀性能。注意，物镜仍旧不得不在离表面一个合适的高度来聚焦光束，但是与传统的ROS装置相比，本发明能使这个聚焦问题更加容易管理。
图3和图4描绘与本发明相关的太阳能电池的制造过程。图3是示出依照本发明的一个实施例，利用激光扫描装置100(上面描述的)在光生伏打器件上形成的钝化层内形成接触开口的基本工艺步骤的流程图。图4是图解依照本发明的另一个实施例，使用激光烧蚀装置100加工光生伏打器件的系统200的简化框图。
参看图3中的框190以及图4、图5(A)和图5(B)，这里提出的方法开始于用已知的光刻或其他已知技术加工半导体(例如，单晶或多晶硅)基板212，使几个平行的狭长掺杂扩散区214分布在其上表面213内，随后进一步处理基板212，使其包括一个设置在上表面213上的覆盖钝化(电绝缘)层215，该覆盖钝化层215位于掺杂区214之上。如这里所提到的，光生伏打器件通常称作“晶片”或“器件211”，在加工周期的每个阶段，光生伏打器件用附加的后缀指示器件当前所处的加工阶段(例如，在下面所述的烧蚀处理之前，器件211称作“器件211T1”，后缀“T1”表示加工周期中相对较早的点)。用来提供具有掺杂区214和带有钝化层215的覆盖面213的器件211T1的操作(图3中的框190)采用众所周知的加工技术来实施，因而用来制造器件211T1的设备在图4中被通常描绘成晶片加工系统框210。
在初始处理之后，器件211T1被转移到激光烧蚀装置100，该激光烧蚀装置100用来通过钝化层215确定接触孔217，使得这些接触孔217成直线地平行排列在掺杂扩散区上(框192)，其中接触孔217暴露基板212的上表面213的相应部分。烧蚀处理在下面另外详细描述。
在穿过钝化层215确定接触孔217之后，局部处理过的晶片211T2被传递到直接写入金属化装置250上，该直接写入金属化装置250用来将接触结构218沉积在接触孔217内，并且在钝化层215上形成金属互连线219，使得每条金属互连线219将设置在相关掺杂扩散区上的接触结构218连接起来(框194)。如这里使用的，“直接写入金属化装置”被定义为这样的装置，即其中金属化材料仅被喷射、挤压或以其他方式沉积在基板上需要金属化的那些部分上(即，不需要随后的掩模和/或蚀刻处理来去除其中一些金属化材料)。在金属化处理完成之后，金属化过的器件211T3被从直接写入金属化装置250传递到一个可选的后金属化处理系统270，以进行随后处理，形成完整的器件211T4。
图6是描绘在工作时的激光烧蚀装置100的简化平面图。为了说明的目的，与平台150相关联的工作台140及结构在图6中被省略。激光扫描机构120的旋转元件121以上面所述的方式围绕中心轴X转动，使得从头部121-2发射的输出激光束脉冲(未示出)在沿圆形扫描路径SP的选择点处产生，并被向下导向(即进入纸张内)。在该公开的实施例中，使用组合式晶片装载/卸载机构(自动装置)178装载未处理的晶片211T1A并卸载处理过的晶片211T2。在一个具体实施例中，自动装置178保持在一个固定位置，圆形工作台150围绕中心轴X转动，以有利于晶片相对于在圆周上设置的八个站155-1至155-8中的每一个进行装载/卸载处理。在一个替代实施例中，圆形工作台150保持在一个固定位置，自动装置178围绕圆形工作台150的围缘转动，以有利于晶片的装载/卸载处理。
如在图6的底部所示，当自动装置178将从晶片处理系统210(参看图4)接收到的未处理晶片211T1装载进空着的站155-1内时，激光烧蚀装置100实施的接触孔形成(或其他微机械加工)处理开始。站155-2至站155-8分别由晶片211T1-2至211T1-8占据，这些晶片示出了处理的不同阶段，其中晶片211T1-8示出了最后的处理阶段。在一个优选实施例中，在处理循环开始时，未处理的晶片被定位在相对紧密地靠近中心轴X的位置处，并且随着微机械加工处理的进行，被逐步平移远离中心轴X。例如，在站155-1处，当处理开始之前，晶片211T1-1被示出为处于全部插入的位置。在每个随后的扫描经过之后，晶片211T1-1都沿径向槽157-1被系统地平移远离中心轴X一个预定的径向距离。例如，在初始的处理经过(其中，在钝化层125内形成第一行接触开口)之后，站155-2图解出晶片211T1-2。如在站155-3处所示，在第一行的接触开口形成之后，晶片211T1-3向外递增地平移，在下一个连续的扫描经过期间，第二行接触开口形成。采用这种方式，能够以最小的延迟方便地移动整个晶片211T2。
图7(A)示出在连续的扫描经过SP-1至SP-4期间产生的一部分晶片211T1-4和激光脉冲，这些扫描经过SP-1至SP-4烧蚀(去除)钝化层215的相关部分，形成接触开口217，从而在掺杂区214上暴露出基板212的表面部分21 3A，而不需要在金属化之前做清洗或做其他处理。例如，激光束LP-11至LP-13在扫描经过SP-1期间产生，分别形成接触开口217-12、217-13以及217-14。采用激光烧蚀与采用其他接触开口方法像化学蚀刻相比，其优势在于当烧蚀实施完之后，基板212不需要进行漂洗和干燥。漂洗和干燥步骤的免除能够快速而连续地处理接触开口和之后的金属化。同时，漂洗和/或其他后烧蚀作业的免除对于烧蚀处理完成之后立即实施金属化也是很必要的。特别地，在烧蚀/蚀刻之后进行漂洗和干燥通常会妨碍随后金属化的精确机械加工配准。另外，漂洗和干燥还会导致晶片破裂。
回来参看图6，晶片211T1-1至211T1-7描绘出系统的平移和扫描经过，这些平移和扫描经过最后形成一个完整的二维处理区域，例如晶片211T2所描绘的区域(站155-8)。依照本发明的另一个方面，电子读数装置160与工作台移动马达134(参看图1)联合起来使用，以补偿弯曲的扫描路径SP，从而制造出分别与每个晶片211T1-1至211T1-7以及整个晶片211T2的掺杂区214对准的成行/成列的接触开口。为了制造出这种对准，如在图6的底部所示，将晶片211T1-1装载进站155-1内，使狭长的扩散区214平行于径向的晶片处理方向(即平行于相关联的径向槽157-1，并且基本垂直于环形的扫描路径SP)。然后，在第一个扫描经过期间利用电子读数装置160在掺杂区214上产生接触开口217，如用晶片211T1-2(站155-2)所指示的。在一个实施例中，电子读数装置160在当头部121-2接近每个晶片时，发射指示头部121-2的精确位置的探测信号，激光控制电路利用该探测信号启动一序列精确计时的激光束脉冲，从而制造出与掺杂区214相对准的接触开口217。因为每个晶片在每次扫描经过之后都沿径向方向(即平行于狭长的掺杂区214)平移，所以对每一行的接触开口217，探测头部121-2和起动精确计时的激光束脉冲序列的过程都可以重复进行。如所示地，这个增量地移动工作台140A并精确驱动激光装置来产生成行接触开口的过程可以重复进行，直到产生最后一行接触孔。此时，烧蚀处理就全部完成，从而器件211T2就具有所希望的二维接触开口图案。如图7(B)所示的，由接触开口217确定的二维图案包括沿相应的掺杂区214-1至214-5延伸的直线列。例如，在第一个扫描经过期间形成的接触开口217-11与在第二扫描经过期间形成的接触开口217-21以及在第N个扫描经过期间形成的接触开口217-N1对准。
在微机械加工处理完成之后，用自动装置178将整个晶片211T2从其相关联的站移走，该自动装置178随后将整个晶片211T2传送到直接写入金属化装置250(参看图4)。
图8描绘依照本发明另一个方面的简化直接写入金属化装置250A。如这里使用的，“直接写入金属化装置”被定义为这样的装置，即其中金属化材料仅被喷射、挤压或以其他方式沉积在基板上需要金属化的那些部分上(即，不需要随后的掩模和/或蚀刻处理来去除其中一些金属化材料)。在图8所示的实施例中，直接写入金属化装置250A包括第一喷射头250A1，其用来将接触(金属化)部分218A沉积到器件211T2的每个开口217内，和直接处于第一喷射头250A1下游的第二喷射头250A2，其用来形成在相关联的掺杂扩散区214之上延伸的电流传输导线219A。有关直接写入金属化装置250A的其他细节以及替代实施例披露在共同所有的美国专利申请序列号11/336,714，名称为“SOLARCELL PRODUCTION USING NON-CONTACT PATTERNING AND DIRECT-WRITEMETALLIZATION”中，该专利申请的内容被全文引入作为参考。
依照本发明的另一个方面，如图8所示，器件211T2沿移动方向A(即沿平行于掺杂区214的方向)在直接写入金属化装置250之下穿过。因为本发明能够有利于接触孔在掺杂区214之上成直线地非接触形成，因此金属化处理的直接实施就能被显著地简化，从而降低了总体的制造成本。
如图9所示，接触部分218A能够促进电流传输导线219A与基板212内形成的扩散区214的电连接。一旦用直接写入金属化装置250A完成了金属化处理，器件211T3就被传送到可选的后金属化处理系统270(图4)。
图10是示出依照本发明一个替代实施例的多站式激光烧蚀装置100A的透视图。多站式激光烧蚀装置100A与上面所述实施例的不同之处在于它包括定位凸轮180和可移动站155A。定位凸轮180围绕着中心轴X，使得凸轮面182围绕着激光扫描机构120的固定基部122延伸。可移动站155A(示出一个)设置成沿径向A相对于环形的平台150A移动(即每个可移动站155A被限制成沿相应的导槽157A滑动)，可移动站155A包括接触凸轮面182的凸轮从动件(follower)(正面)152。每个站155A支撑着晶片211/工作台140，使得晶片211相对于它相关联的可移动站155A保持固定关系，由此可移动站155A的径向移动能够促使晶片211相对于扫描路径(未示出)作相应的移动。在一个实施例中，装置100A包括用来绕中心轴X转动定位凸轮180的机构(未示出)，环形平台150A相对于定位凸轮180保持固定。在一个替代的实施例中，定位凸轮180保持固定，而环形平台150A围绕中心轴X转动。在任何一个实施例中，每个可移动站155A的径向位置由凸轮面182上接触着该可移动站的凸轮从动件152的那一点确定。例如，图10示出站155A接触着凸轮面区域182A的凸轮从动件152，该凸轮从动件152距离中心轴X相对较远，从而可移动站155A和晶片211距中心轴X相对远地定位。相反地，当可移动站155A接触凸轮面区域182B时，可移动站155A将距中心轴X相对近地定位。通过用这种方式控制每个可移动站的定位，如图6所示的逐级处理安排就能够实现，而不需要昂贵的工作台定位机构。
图11(A)和图11(B)是示出依照本发明一个替代实施例的多站式激光烧蚀装置100B的视图。多站式激光烧蚀装置100B与上面所述实施例的不同之处在于，每个站都用处理装置190支撑着，该处理装置190包括装载/卸载自动装置178和直接写入金属化装置250(上面都已经描述)。通过给每个站提供处理装置190和装载/卸载自动装置178，多站式激光烧蚀装置100B能够有利于例如光生伏打器件的大批量生产。
虽然参看某些具体实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应当清楚，本发明创造性的特征也可以应用于其他的实施例，这些所有的实施例都应当落入本发明的范围内。例如，尽管本发明是具体参看具有集成的背接触(IBC)电池这种几何形状(即包括狭长的掺杂区214)的太阳能电池进行描述的，但是本发明也可以被利用来制造其他的太阳能电池类型。

Claims (2)

1.一种用于同时微机械加工多个目标对象的多站式激光烧蚀装置，其中该系统包括：
激光器装置，其用于沿中心轴选择性地产生多个输入激光束脉冲；
激光扫描机构，其包括被设置成绕中心轴转动的旋转元件和固定地安装在旋转元件上的光学系统，该光学系统被布置成使所述多个输入激光束脉冲从中心轴重新导向到围绕该中心轴确定的环形扫描路径上，借此输出的激光束脉冲被选择性地产生在环形扫描路径上；以及
在圆周上设置在中心轴周围的多个站，每个站都包括用于沿相对于中心轴的相应径向方向移动所述多个目标对象中相应一个的装置，使得所述相应的目标对象横切环形扫描路径的相应部分。
2.一种用于制造多个光生伏打器件的系统，每个光生伏打器件包括半导体基板，该半导体基板具有在其表面上设置的钝化层，其中所述系统包括：
激光器装置，其用于沿中心轴选择性地产生多个输入激光束脉冲；
激光扫描机构，其包括被设置成绕中心轴转动的旋转元件和固定地安装在旋转元件上的光学系统，该光学系统被布置成使所述多个输入激光束脉冲从中心轴重新导向到围绕该中心轴确定的环形扫描路径上，借此输出的激光束脉冲被选择性地产生在环形扫描路径上；以及
在圆周上设置在中心轴周围的多个站，每个站都包括用于沿相对于中心轴的相应径向方向移动所述多个光生伏打器件中相应一个的装置，使得所述相应的光生伏打器件横切环形扫描路径的相应部分。
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