CN101187732A - 用于扫描位移恒定的激光烧蚀装置的光扫描机构 - Google Patents

用于扫描位移恒定的激光烧蚀装置的光扫描机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于扫描位移恒定的激光烧蚀装置的光扫描机构。一种扫描/激光烧蚀装置包括安装在径向臂上的轨道物镜，该径向臂围绕中心轴旋转，以使物镜沿着圆形的扫描路径行进。输入的激光束沿着中心轴被导向到第一反射镜，该第一反射镜重新导向该光束到轨道物镜，即通过第二反射镜。轨道物镜将光束聚焦到与目标对象(例如，具有覆盖钝化层的太阳能电池晶片)的平面相重合的焦点上。当聚焦光束越过目标对象时，激光束被重复地脉冲激发，烧蚀钝化层上的相应部分，使得每次扫描经过期间形成接触开口。这些激光脉冲被定时，以使多次扫描经过形成的接触开口排列成平行的柱，随后这些接触开口用金属化相连。

Description

用于扫描位移恒定的激光烧蚀装置的光扫描机构
技术领域
本发明涉及光辐射向电能的转换，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.Swans on，“APPROACHING THE 29％LIMIT EFFICIENCY OFSILICON SOLAR CELLS”31s IEEE Photovoltaic SpecailistsConference2005)。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1.一种光扫描机构，用于将沿中心轴传输的光束重新导向，以使该光束沿着在目标对象上确定的预定扫描路径进行扫描，所述光扫描机构包括：
旋转元件，具有设置用来绕中心轴旋转的第一部分，该旋转元件还具有远离中心轴设置的第二部分；
第一光学元件，固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，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连续地重新导向来自中心轴的光束到第二光学元件，同时旋转元件围绕中心轴在第一角位置与第二角位置之间旋转，聚焦元件被设置成随着旋转元件在第一角位置与第二角位置之间进行旋转，将光束聚焦在与预定扫描路径相重合的焦点上。
方案2.依照方案1的光扫描机构，其中第一和第二光学元件包括反射镜，这些反射镜具有相互平行的各自平坦反射面。
方案3.依照方案2的光扫描机构，其中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.依照方案1的光扫描机构，其中第一光学元件设置在距第二光学元件的一个固定距离处。
方案5.依照方案4的光扫描机构，其中聚焦元件设置在距第二光学元件的一个固定距离处。
方案6.依照方案1的光扫描机构，其中旋转元件包括在第一光学元件与第二光学元件之间延伸的中心部分，并且第一和第二光学元件被设置成使第一光学元件将来自中心轴的光束通过中心部分的中心轴部重新导向到第二光学元件。
方案7.依照方案1的光扫描机构，其中旋转元件还包括平衡块，该平衡块固定地连接在第一部分上并且被设置成使得第一部分位于平衡块与第二部分之间。
方案8.一种用于烧蚀在目标对象上设置的选择材料的激光烧蚀装置，该激光烧蚀装置包括：
用于沿中心轴选择性地产生激光束脉冲的激光器装置；
用于支撑目标对象的工作台；
激光扫描机构，其包括：
旋转元件，具有设置用来绕中心轴旋转的第一部分，该旋转元件还具有远离中心轴设置的第二部分；
第一光学元件，固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，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将来自中心轴的激光束脉冲重新导向到第二光学元件，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，并且聚焦元件被设置成当聚焦元件位于目标对象之上时聚焦激光束脉冲，以使焦点与在目标对象上设置的选择材料相重合；
装置，其用于使旋转元件在第一角位置与第二角位置之间围绕中心轴旋转，以使随着旋转元件在第一角位置与第二角位置之间旋转，焦点追踪所选择材料上的预定扫描路径部分；以及
装置，用于控制激光器装置产生所述激光束脉冲，同时使焦点设置在所选择材料的预定部分之上的预定扫描路径上，由此使所选择材料的预定部分被烧蚀。
方案9.依照方案8的激光烧蚀装置，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10.依照方案8的激光烧蚀装置，其中第一光学元件设置在距第二光学元件的一个固定距离处；以及
聚焦元件设置在距第二光学元件的一个固定距离处。
方案11.依照方案8的激光烧蚀装置，其中所述用于控制激光器装置的装置包括靠近工作台设置的电子读数装置。
方案12.依照方案8的激光烧蚀装置，还包括用于在所选择材料的预定部分被烧蚀之后将工作台沿预定方向移动一段预定距离的装置。
方案13.一种用于制造光生伏打器件的系统，该光生伏打器件包括带有掺杂区的半导体基板，该掺杂区扩散进基板的表面内，和设置在掺杂区之上的表面上的钝化层，其中该系统包括：
用于沿中心轴选择性地产生激光束脉冲的激光器装置；
用于支撑半导体基板的工作台；
激光扫描机构，包括：
旋转元件，具有设置绕中心轴旋转的第一部分，该旋转元件还具有远离中心轴设置的第二部分；
第一光学元件，固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，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激光束脉冲到第二光学元件，第二光学元件将从第一光学元件接收到的激光束脉冲重新导向通过聚焦元件朝向工作台，并且其中聚焦元件被设置成当聚焦元件位于半导体基板之上时聚焦激光束脉冲，以使焦点与钝化层相重合；
装置，其用于使旋转元件在第一角位置与第二角位置之间围绕中心轴旋转，以使随着旋转元件在第一角位置与第二角位置之间旋转，焦点追踪钝化层上的预定扫描路径部分；以及
装置，用于控制激光器装置产生所述激光束脉冲，同时使焦点设置在钝化层的预定部分之上的预定扫描路径上，由此使钝化层的预定部分被烧蚀以确定接触开口。
方案14.依照方案13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15.依照方案14的系统，其中第一光学元件设置在距第二光学元件的一个固定距离处；以及
聚焦元件设置在距第二光学元件的一个固定距离处。
方案16.依照方案14的系统，其中所述用于控制激光器装置的装置包括靠近工作台设置的电子读数装置。
方案17.依照方案14的系统，还包括用于在钝化层的预定部分被烧蚀之后将工作台沿平行于狭长掺杂区的方向移动一段预定距离的装置。
方案18.依照方案14的系统，还包括：
用于将导电材料沉积在所述多个接触开口中的每一个内的装置；
用于沿平行于狭长掺杂区的方向移动半导体基板的装置。
方案19.依照方案14的系统，其中所述激光器装置是飞秒激光器装置。
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(A)和图1(B)是示出依照本发明一个实施例的简化光扫描机构的顶视图和侧视图；
图2是示出依照本发明一个实施例、用于制造光生伏打器件的简化方法的流程图；
图3是示出依照本发明另一个实施例、用于制造光生伏打器件的系统的简化图；
图4(A)和图4(B)是描绘激光烧蚀之前的简化半导体基板的顶面图和侧视图；
图5是示出依照本发明另一个实施例的激光烧蚀装置的透视图；
图6是示出图5所示依照本发明另一个实施例的激光烧蚀装置在工作之前的顶面图；
图7(A)，图7(B)以及图7(C)是示出图5所示的激光烧蚀装置在依照图6实施例所示操作期间的顶面图；
图8(A)和图8(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9是示出依照本发明的另一方面、在直接写入金属化期间的半导体基板的平面图；以及
图10是示出图9所示的半导体基板在直接写入金属化之后的局部透视图。
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(A)和图1(B)是示出包括光扫描机构120的系统100的顶视图和侧视图，该光扫描机构120用来在目标对象101的表面上扫描从固定光源110接收到的光(例如，激光)束。如下所述，在一个实施例中利用光扫描机构120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，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。
如下面详细描述的，光扫描机构120的一个关键方面在于光(激光)束在该机构追踪的整个扫描路径上保持共轴和焦点对准。因而，光扫描机构120能比传统的基于ROS光扫描机构显示出优越的性能，传统的基于ROS光扫描机构采用多角形、多个小面的反射镜装置扫描光束。如上所述，当光扫描机构120被用于制造太阳能电池时，因为通常在太阳能电池上所用的钝化层是光透明的，所以光源110优选为飞秒激光器装置。然而，不幸的是，100×10-15秒这种极短的脉冲宽度会使飞秒激光束不再为单色，从而增大了生成低像差扫描光束的难度。在采用基于ROS的扫描机构时，因为需要在五英寸的扫描上形成十微米的光斑，所以这个问题可以用大场透镜和旋转多角镜加以解决。然而，这些元件却引入了离轴失真，离轴色散，离轴非远心，离轴景深差，以及离轴色像差。即使对这些问题校正后，也不可能可靠地烧蚀。如下所述，光扫描机构120通过在整个扫描路径上将激光束保持同轴和焦点对准，克服了与基于ROS扫描机构相关联的那些问题。
光扫描机构120通常包括旋转元件121，第一光学元件(例如反射镜)123，第二光学元件(例如反射镜)125，以及聚焦元件(例如显微物镜)127，在下面为了清楚的原因，该聚焦元件127有时被称作“轨道物镜”。旋转元件121包括绕中心轴X旋转设置的基部(第一部分)121-1，远离中心轴X设置的头部(第二部分)121-2，以及在基部121-1与头部121-2之间径向延伸的中间部。如图1(B)所示，光源110产生的输入光束(第一光束部分)LB1沿中心轴X发射。注意，旋转元件121的旋转轴与输入光束LB1的光轴共线，因此这两个轴在这里都称作中心轴X。如图1(B)所示，在一个实施例中，基部121-1是用合适轴承的方式旋转地支撑在基部122上的圆柱形轴状结构，中间部是固定地连接在基部121-1与头部121-2之间的的棒状结构。本领域的技术人员能够认识到，旋转元件121还可以采用其他各种形式和形状。第一光学元件123设置在基部121-1的旋转元件121上，并且布置成当旋转元件121处于任何角位置(例如，角位置θ1，θ2，或角位置θ1与θ2之间的任何角位置)时都横切中心轴X。另外，第一光学元件123还布置成当旋转元件在任何两个角位置之间旋转时，使来自中心轴X的光束连续朝着头部121-2重新导向。在目前的例举性实施例中，如图1(B)所示，第一光学元件123是平面反射镜，该平面反射镜设置成使得反射镜面确定的面相对于中心轴X形成45度角，由此沿中心轴X传输的垂直输入光束LB1能够朝着头部121-2水平地重新导向，从而在反射镜123与第二光学元件125之间形成第二光束部分LB2。类似地，在一个实施例中，第二光学元件125是平面反射镜，该平面反射镜安装在头部121-2上，使得反射镜面确定的面设置成平行于第一反射镜123的面，并且相对于水平光束部分LB2形成45度角，由此第二反射镜125使光束部分LB2垂直向下重新导向，形成为平行于中心轴X(和输入光束LB1)导向的第三光束部分LB3。
对于平面输出场，LB1应当平行于LB3。应当注意，随着光束向其目的地行进，第一45度反射镜123和第二45度反射镜125一起在光路上产生两个九十度的弯曲。由此得到的光束LB3平行于光轴LB1。本领域的技术人员能够认识到，这两个反射镜并不限于这个具体角度，其他角度也是可以使用的。例如，如果两个反射镜成30度角，那么随着光束向其目的地行进，这两个反射镜会在光路上产生两个六十度角的弯曲，从而光束LB3平行于输入光束LB1。
依照本发明的一个方面，因为光学元件123和125在旋转元件121上保持固定关系，所以在旋转元件121相对于中心轴X处于任何角位置时，光源110产生的垂直光束都能可靠地传输到聚焦元件127。如图1(A)所示，当旋转元件121处于角位置θ1时，第一光学元件123设置在位置123(θ1)，由此第二光束部分LB(θ1)被导向处于位置125(θ1)的第二光学元件125。因为第一光学元件123和第二光学元件125固定地连接在旋转元件121上，并且第一光学元件123横切中心轴X，所以随着旋转元件121枢转角度θ，第一光学元件123继续重新导向(例如反射)输入光束LB1。另外，当第一光学元件123从位置123(θ1)旋转到位置123(θ2)时，第二光束部分LB2(θ2)被导向到第二光学元件125，此时第二光学元件125假定处于位置125(θ2)。因此，在旋转元件121相对于中心轴X处于任何角位置时，光源110产生的输入光束LB1都能传输到聚焦元件127。
依照本发明的另一个方面，光束能被可靠地聚焦在目标对象101上，因为对旋转元件121所有的角位置而言，光束在光源110与目标对象101之间传播的距离都是保持恒定的。首先，如图1(B)所示，输入光束LB1(即在光源110与第一光学元件123之间的光束部分)和光束部分LB3(即在第二光学元件125与目标对象101的平坦表面103之间的光束部分)传播的距离对旋转元件121的任何位置都保持恒定。另外，如图1(A)所示，在旋转元件121处于相对于中心轴X的任何角位置时，第三光束部分LB2(即在第一光学元件123与第二光学元件125之间的光束部分)传播的距离保持恒定。此外，如图1(B)所示，聚焦元件127设于第二光学元件125之下(即，使得第三光束部分LB3穿过聚焦元件127)，并且依据已知技术被设定尺寸和定位，以使第三光束部分LB3聚焦在焦点FP上，该焦点FP位于聚焦元件127之下预定的固定距离FD处。在一个实施例中，如图1(B)所示，目标对象101的平坦上表面103定位在聚焦元件127之下聚焦距离FD处。因为每个光束部分LB1，LB2和LB3的长度保持固定，所以光源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。因而，在每个光束部分LB1，LB2和LB3中，光束都保持共轴，并且当旋转元件121处于任何角位置时，入射在上表面103上的光点总保持固定的焦距。从而，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。此外，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。
依照本发明的一个实施例，系统100利用一个可选的控制电路130和一个合适的第一马达132以控制旋转元件121绕中心轴X的旋转，同时还控制工作台移动马达134，使目标对象101在每次扫描经过之后移动。在一个实施例中，目标对象101安装在工作台140上，工作台移动马达134控制工作台140沿方向A(如图1(A)中虚箭头所示)的线性移动，第一马达132启动促使旋转元件120连续地沿例如顺时针方向旋转，使得在每次扫描经过(即在每次聚焦元件127在目标对象101上经过时)期间，聚焦的光束横穿目标对象101上的扫描经过部分SPP。在旋转元件121这样旋转的同时，工作台140在每次扫描经过之后沿方向A系统地平移一个预定距离，从而在每次旋转处于目标对象101的相关联(唯一)部分之上期间，促使扫描经过部分SPP被横穿。举例来说，聚焦元件127在第一次经过期间越过第一扫描路径部分SPP1，随后工作台140平移，这促使聚焦元件127在第二次(下一个连续的)扫描经过期间越过第二扫描经过部分SPP2。如图1(A)所示，通过在每次扫描经过之后平移目标对象101，所得到的由聚焦光束在目标对象101上横穿的扫描经过部分SPP的总和就形成了覆盖目标对象101表面的二维(2D)空间。如下面其他方面所述的，光扫描机构120横穿的弯曲扫描路径SP可以刚好与例如传统的ROS装置产生的直线扫描一样有用。
依照本发明的一个实际实施例，光扫描机构120被用作高效激光烧蚀装置，该高效激光烧蚀装置可以用来例如以下述的方式制造光生伏打器件(太阳能电池)。特别地，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。虽然这里具体参考光生伏打器件的制造描述了这种激光烧蚀装置，但是本领域的技术人员会认识到，这种激光烧蚀装置可以用在许多实际应用中。
图2和图3描绘与本发明相关联的太阳能电池的制造过程。图2是示出依照本发明的一个实施例，将光扫描装置100(上面描述的)用作激光烧蚀装置100A制造光生伏打器件的基本工艺步骤的流程图。图3是图解依照本发明的另一个实施例，使用激光烧蚀系统100A加工光生伏打器件的系统200的简化框图。
参看图2中的框190以及图3、图4(A)和图4(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，使得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“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2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3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100A上，该激光烧蚀装置100A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暴露出基板212的上表面213的相应部分。烧蚀处理在下面详细描述。
在穿过钝化层215确定接触孔217之后，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，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5是示出在图3的激光烧蚀系统100A中利用的激光扫描机构120A的透视图。输入激光束LB1以上述图1(A)和图1(B)所述的方式由激光器装置(未示出)沿中心轴X发送。激光扫描机构120A通常包括旋转元件121A，第一反射镜123A，第二反射镜125，以及物镜127A。旋转元件121A包括通常为圆柱形的基(第一)部121-1A，其安装在固定的基部122A上并被设置成根据马达132A绕中心轴X旋转。基部121-1A以类似上述的方式支承着第一反射镜123A。旋转元件121A还包括支承着第二反射镜125A的头(第二)部121-2A，和连接在基部121-1A与头部121-2A之间的刚性、管状中心部分121-3A。第一反射镜123A布置成将来自中心轴X的输入激光束LB1沿第二激光束部分LB2连续反射到第二反射镜125A，第二激光束部分LB2穿过管状中心部分121-3A的中心轴区域。第二反射镜125A平行于第一反射镜123A设置，将水平的激光束部分LB2垂直向下反射，形成平行于中心轴X导向的第三激光束部分LB3。在本发明中，第三激光束部分LB3穿过物镜127A，物镜127A将激光束聚焦在物镜127A之下具有预定距离的焦点FP上。类似于上面参看图1(A)和图1(B)所述的实施例，旋转元件121A的旋转促使焦点FP在弯曲的扫描路径SP上行进，该弯曲的扫描路径SP确定一个平面。
依照本发明的另一个方面，旋转元件121A还包括从基部121-1A延伸出的第二管状部121-4A，和固定连接在该第二管状部121-4A的一端上的平衡块128A，该平衡块128A被设置成使基部121-1A位于平衡块128A与头部121-2A之间。平衡块128A可以促进轨道物镜127A的高速旋转，从而有利于光生伏打器件的高效率制造。
图6是示出在烧蚀来自器件211T1的钝化材料215的选定部分之前的激光烧蚀装置100A的平面图。类似于上面描述的方式，激光烧蚀装置120A包括控制器(例如，微处理器及其相关联的软件)130A，用于控制旋转的马达132A、工作台(stage)移动马达134A以及激光器110A。在一个实施例中，控制器130A控制马达132A，使旋转元件127A绕中心轴X以恒定的旋转速度旋转，使得光学元件127A确定的焦点追踪圆形的扫描路径SP。，另外，控制器130A控制工作台移动马达134A以定位工作台140A，使得当头部121-2A旋转角度θA时，扫描路径SP追踪钝化层215表面上的第一弯曲路径(这里称作扫描路径部分)SPP-1A，该角度θA在第一角位置θA1与第二角位置θA2之间延伸。随着光学元件127A越过器件211T1，控制器130A促使激光器110A选择性地产生高能量脉冲，烧蚀钝化层215的相应部分，由此沿扫描路径部分SPP-1A形成一系列接触开口217-11至217-15。
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，使得接触开口217-11至217-15分别暴露出掺杂区214-1至214-5的各部分。在一个实施例中，电子读数装置160包括设置在工作台140A上或靠近工作台140A设置的传感器，该电子读数装置160在每次头部121-2A越过传感器装置160的时候向控制器130A发送探测信号。然后，控制器130A利用该探测信号和有关旋转元件120A的旋转速度的信息来执行激光脉冲的精确计时，以便使接触开口217-11至217-15分别形成在掺杂区214-1至214-5之上。合适的传感器对本领域的技术人员而言是公知的。
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134A一起使用，以补偿弯曲的扫描路径SP，从而制造出分别与掺杂区214-1至214-5对准的直线行/列的接触开口。为了得到这种对准，如图6所示，器件211T1安装在工作台140A上，使得狭长的掺杂区214-1至214-5在移动方向A上排列(即，使得扫描路径SP基本垂直于狭长的掺杂区214)。然后，在第一次扫描经过期间，利用电子读数装置160以上述的方式在掺杂区214-1至214-5之上产生接触开口217-11至217-15。接着，如图7(A)所示，在旋转元件121A随后以顺时针方向的旋转期间(即在头部121-2A远离器件211T1定位的时候)，控制器130A启动工作台移动马达134A，其依次又促使工作台140A沿移动方向A(即沿远离中心轴X的径向方向)移动一个增量R。随后，如图7(B)所示，当头部211-2A再次越过器件211T1时，控制器130A启动激光器装置(未示出)，沿扫描路径部分SPP-2A产生第二行的接触开口。如图7(C)所示，这种逐渐增加地移动工作台140A并启动激光器装置来产生接触开口行的过程一直重复，直到在最后扫描SPP-NA期间产生最后一行接触孔为止。此时，烧蚀加工完成，器件211T2具有希望的二维接触孔图形。参看图3，器件211T2随后被传递到直接写入金属化装置(即，准备用于金属化的装置，如下面所要讨论的)。
注意，如图7(A)至图7(C)所示，头部121-2A仅在圆形扫描路径SP的很小一部分上能有效地处于器件211T1之上。在共同所有和共同申请的美国专利申请公开No.xx/xxx,xxx，名称为“MULTIPLESTATION LASER ABLATION APPARATUS”(代理人卷号No.20060269-US/NP(XCP-075))披露的替代实施例中，多个器件211T1定位在中心轴X周围，从而将在扫描经过之间位于单个器件之上明显无效的阶段降至最小，该专利申请被全文引入在此作为参考。
图8(A)和图8(B)示出在图7(A)至图7(C)所示的烧蚀加工完成时的器件211T2。如图8(A)所示，由接触开口217确定的二维图形包括沿相应的掺杂区214-1至214-5延伸的直线柱(straightcolumn)。举例来说，在第一个扫描经过期间形成的接触孔217-11与在第二个扫描经过期间形成的接触孔217-21以及在第N个扫描经过期间形成的接触孔217-N1排成直线。如图8(B)的垂直虚线所示，在连续的扫描经过SPP-1A至SPP-4A期间产生的激光脉冲烧蚀(去除)钝化层215的相关部分，以形成在掺杂区214之上暴露出基板212的表面部分213A的接触开口217，同时不需要在金属化之前进行清洗或其他处理。例如，激光脉冲LP-11至LP-3在扫描经过SPP-1A期间产生，分别形成接触开口217-12、217-13和217-14，这些接触开口依次在各个掺杂区214上暴露出对应的表面部分213A。因而，与其他诸如化学蚀刻这些接触开口方法相比，使用激光烧蚀的优点在于基板212不需要在烧蚀完成后进行漂洗和干燥。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/或其他后烧蚀处理的免除对于烧蚀加工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。
图9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9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No.11/336,714，名称为“SOLAR CELL PRODUCTION USING NON-CONTACT PATTERNINGAND DIRECT-WRITE METALLIZATION”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9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10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3)。
虽然参看具体的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，第一光学元件123和第二光学元件125中的一个或多个可以用平面反射镜之外的其他光学元件(例如，曲面反射镜或透镜)来实现，而且其他的光学元件也可以包括在光源110与聚焦元件127之间的光路中。另外，聚焦元件127可以用不同于显微物镜的一个或多个能够实现所希望的聚焦功能的其他光学元件来实施，并且可以放置在光源110与焦点FP之间(即，第一光学元件123与第二光学元件125之间)光路的任何位置上。此外，代替通过完整的旋转来旋转扫描器，扫描器的头部121-2可以在目标对象之上往复运动(即，枢轴地来回运动)。而且，如图1(B)所示，代替目标对象101采用工作台140的方式，扫描器头部121-2可以沿径向方向移动(例如，沿虚箭头B的方向)，尽管物镜127的这种重新定位通过改变扫描路径的形状，可能会产生不希望的聚焦问题和/或复杂的二维扫描过程。另外，虽然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 (3)

1.一种光扫描机构，用于将沿中心轴传输的光束重新导向，以使该光束沿着在目标对象上确定的预定扫描路径进行扫描，所述光扫描机构包括：
旋转元件，具有设置用来绕中心轴旋转的第一部分，该旋转元件还具有远离中心轴设置的第二部分；
第一光学元件，固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，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连续地重新导向来自中心轴的光束到第二光学元件，同时旋转元件围绕中心轴在第一角位置与第二角位置之间旋转，聚焦元件被设置成随着旋转元件在第一角位置与第二角位置之间进行旋转，将光束聚焦在与预定扫描路径相重合的焦点上。
2.一种用于烧蚀在目标对象上设置的选择材料的激光烧蚀装置，该激光烧蚀装置包括：
用于沿中心轴选择性地产生激光束脉冲的激光器装置；
用于支撑目标对象的工作台；
激光扫描机构，其包括：
旋转元件，具有设置用来绕中心轴旋转的第一部分，该旋转元件还具有远离中心轴设置的第二部分；
第一光学元件，固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，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将来自中心轴的激光束脉冲重新导向到第二光学元件，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，并且聚焦元件被设置成当聚焦元件位于目标对象之上时聚焦激光束脉冲，以使焦点与在目标对象上设置的选择材料相重合；
装置，其用于使旋转元件在第一角位置与第二角位置之间围绕中心轴旋转，以使随着旋转元件在第一角位置与第二角位置之间旋转，焦点追踪所选择材料上的预定扫描路径部分；以及
装置，用于控制激光器装置产生所述激光束脉冲，同时使焦点设置在所选择材料的预定部分之上的预定扫描路径上，由此使所选择材料的预定部分被烧蚀。
3.一种用于制造光生伏打器件的系统，该光生伏打器件包括带有掺杂区的半导体基板，该掺杂区扩散进基板的表面内，和设置在掺杂区之上的表面上的钝化层，其中该系统包括：
用于沿中心轴选择性地产生激光束脉冲的激光器装置；
用于支撑半导体基板的工作台；
激光扫描机构，包括：
旋转元件，具有设置绕中心轴旋转的第一部分，该旋转元件还具有远离中心轴设置的第二部分；
第一光学元件，固定地设置在旋转元件的第一部分上，以使中心轴横切该第一光学元件的一部分；
第二光学元件，设置在旋转元件的第二部分上；以及
聚焦元件，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激光束脉冲到第二光学元件，第二光学元件将从第一光学元件接收到的激光束脉冲重新导向通过聚焦元件朝向工作台，并且其中聚焦元件被设置成当聚焦元件位于半导体基板之上时聚焦激光束脉冲，以使焦点与钝化层相重合；
装置，其用于使旋转元件在第一角位置与第二角位置之间围绕中心轴旋转，以使随着旋转元件在第一角位置与第二角位置之间旋转，焦点追踪钝化层上的预定扫描路径部分；以及
装置，用于控制激光器装置产生所述激光束脉冲，同时使焦点设置在钝化层的预定部分之上的预定扫描路径上，由此使钝化层的预定部分被烧蚀以确定接触开口。
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