CN101553933A - 在太阳能电池基板上脉冲电镀低应力膜层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例可利用电化学电镀方式来形成具有改良的电性及机械性质的低成本太阳能电池金属接点结构。形成在一太阳能电池装置中的互连的电阻会大幅影响太阳能电池的效率。因此，较佳是形成具有低电阻、可靠且具经济效益的联机的太阳能电池。本文所述的一或多个实施例适以利用内含诸如铜的常见金属的电化学电镀方式来形成低成本且可靠的互连层。但是，一般来说，互连层的电镀部分可包括实质纯金属或金属合金层。本文所揭示的方法可用来生成内含具有低内源性应力的导电金属互连层的太阳能电池。

Description

在太阳能电池基板上脉冲电镀低应力膜层的方法
发明背景
发明领域
本发明大致有关于制造光电电池，且更尤其有关于利用电化学沉积工艺而在基板上形成多层的技术。
相关技术描述
太阳能电池是可直接将阳光转换为电能的光电装置。最常见的太阳能电池材料为硅，其为单晶或多晶晶片的形式。不过，使用硅系太阳能电池产生电力的成本高于利用传统方法产生电力的成本。因此，长久以来希望能降低太阳能电池的制造成本。
图1A及图1B绘示出制造在晶片110上的标准硅晶片100。晶片100包括p-型底部区101、n-型发射区102以及介于其间的p-n结区103。利用特定类型元素(如，磷(P)、砷(As)或锑(Sb))掺杂半导体而制成n-型区或n-型半导体，用以提高负电荷载流子(即，电子)的数量。类似的，通过添加三价原子到晶格中而制成p-型区或p-型半导体，使得一般硅晶格中四个共价键的其中一个共价键会缺少电子。因此，该掺杂原子可从其周围原子的共价键中接收电子来完成其第4个键结。由于此掺杂原子接收电子，导致周围原子会损失一个键结内的半数电子并因而形成所谓的“空穴”。
当光线落在太阳能电池上时，入射光子能量会在该p-n结区103的两侧形成电子-空穴对(electron-hole pair)。电子扩散通过该p-n结区而到达较低的能级，空穴则会朝相反方向扩散，而在发射层上产生负电荷并且在底部累积出相应的正电荷。当在发射层与底部之间制造出一电子电路，并且将p-n结区暴露在特定波长的光线下时，即会产生电流。照光时，由半导体所产生的电流会流过太阳能电池100的前侧120(亦即，光接收侧)以及背侧121上的多个接点。顶部接触结构一般设计成彼此相距一段距离的多个薄金属条或指状物104，可提供电流到大型汇流条(bus bar)105上。背部接点106一般不限于只形成在多个薄条上，因背部接点不会阻挡入射光照射在太阳能电池100上。太阳能电池100一般会覆盖有一薄层的介电材料，例如Si3N4，作为抗反射涂层(anti-reflection coating，ARC)111，以使太阳能电池100顶面的反射光降至最低。
为了简化设计及提高太阳能电池的效率，已研发出一种太阳能电池，其具有多个穿过太阳能基板的孔洞，以作为能使用插销(pin)来连接顶部接点结构与背侧导体结构的导孔(via)。这类型太阳能电池的设计被称为“插销连接模块”(pin up module)，即PUM)。PUM概念的优点之一在于不再需要使用总线(例如图1A所示的汇流条105)来覆盖基板的光接受侧，因此可提高电池效率。另一项优点是由于可通过基板上多个均匀间隔设置在基板上的孔洞，而非延伸横越太阳能电池表面的连接结构(connection)，来收集太阳能电池所产生的电流，因此可减少电阻性损耗(resistive loss)。此外，PUM连接装置的电阻性损耗不会随着太阳能电池表面积的增加而增加，因此，可在不减损效率的情况下制造出大型太阳能电池。
图1C为一PUM电池130的部份截面示意图，其中示出一接点134。与标准太阳能电池(如，太阳能电池100)类似，PUM电池130包括一单晶硅晶片110，其具有p-型底部区101、n-型发射区102以及介于其间的p-n结区103。PUM电池130也包括多个通孔131，其形成在PUM电池130的光接收表面132与背侧133之间。该些通孔131容许在光接收表面132与背侧133之间形成接点134。在每个通孔131中设置有一接点134，接点134包括设于光接收表面132上的一顶接触结构135、设于背板133上的一背侧接点136，以及充填该通孔131且电连接顶接触结构135与背侧接点136的互连结构137。也可在光接收表面132上形成一抗反射涂层107以减小从光接收表面132反射的光能。
与晶片110接触的接点134表面适以和n-型发射区102形成欧姆连结(接点)。欧姆接点(ohmic contact)是半导体元件上可让元件的电流-电压曲线(I-Vcurve)为直线且对称(亦即，在半导体元件已掺杂的硅区与金属接点之间没有高电阻界面)的区域。低电阻又稳定的接点是太阳能电池效能及太阳能电池制作工艺中所形成的电路是否可靠的关键因素。因此，在通孔131中、发光表面132及背侧上形成接点134之后，一般会实施适当温度及时间长度的退火处理(annealing)，以在接点/半导体界面之间产生必须的低电阻金属硅化物。背侧接点139完成PUM电池130所需的电路，以通过与晶片110的p-型底部区101形成欧姆接点来产生电流。
顶接触结构135被设计成其作用如同传统太阳能电池的一或多个指状物般，例如图1A-1B中所示的太阳能电池100中的多个指状物104。在光接收表面132上的较宽导体可减少电阻性损耗，但会因为覆盖更多的光接收表面132而使遮蔽性损失(shadowing loss)提高。因此，要将电池效率最大化，就必需要将这些互相抵触的因素加以平衡。图1D绘示一PUM电池的顶接触结构135实例的平面图，其中指状物宽度和几何形状已被最佳化，以使电池效率最大化。在这种设计中，PUM电池的顶接触结构135被设计成栅状电极138，其是由多个各种宽度的指状区段135A所组成。该指状区段135A所携带的电流量与所选择的特定指状区段135A宽度有关。另外，视需要，指状区段135A被设计成出现分支，以维持与指状物宽度有关的指状物间距。这使电阻损耗以及由指状区段135A造成的遮蔽最小化。
使用网印技术来制造PUM电池的栅状电极，网印技术中将一含银泥状物以想要的图样沉积在基板表面上，并将含银印膏(paste)压入基板表面上的通孔131内，然后进行退火。但是，这种制法有多个缺点。第一，当以网印技术来制造栅状电极的薄指状物时，会因为以金属印膏所形成的指状物并非永远会在退火期间聚集(agglomerate)形成连续的互连线，使得这些电极可能出现不连续的情况。第二，聚集期间于栅状电极中形成的孔隙会导致更高的电阻性损耗。第三，银从接点扩散进入P-型底部区或基板背侧表面可能会导致电分流现象。基板背侧出现电分流通常是因为背侧接点界定不佳(例如起伏和/或银残余物)所造成。第四，由于一般太阳能电池应用中所使用的基板厚度相当薄，例如约200微米或更小，网印金属印膏到基板表面时往往会对基板表面造成物理性伤害。最后，对制造太阳能电池的导电性部件来说，银系印膏是一种相当贵的材料。
目前使用含有金属颗粒的印膏的网印法来形成金属互连的方法还有一项问题，就是用来形成图案化特征的方法需要高温的后续处理步骤，才能使所形成的特征密实化并与基板表面形成良好的电接触。因为需要实施高温烧结，因此所形成的互连线将因基板材料与金属线之间的热膨胀差异而产生高外源性应力。在金属互连线中生成高外源性应力，甚至是内源性应力，都会是个问题，因为应力会导致所形成的金属特征破裂、使薄太阳能电池基板弯曲，和/或产生金属特征从太阳能电池基板表面上剥离的现象。由于在高烧结温度下会导致某些材料被破坏，因此也限制了可用来制造太阳能电池的材料选择。此外，网印处理也容易造成不均一、不可靠及不具再现性的结果。因此，需要一种可与基板表面产生强烈键结的低应力互连线。
另一种在太阳能电池基板表面上形成极薄且坚固的指状部方法，涉及利用激光在基板表面上切割出凹槽。接着以无电镀法(electroless plating)填充这些凹槽。但是，激光切割边缘无法被清楚地界定，导致指状部边缘出现起伏，且激光所产生的热也会使硅产生缺陷。
因此，极需一种可用于太阳能电池又具有低阻性且边缘清楚界定的接触结构。此外，也需要一种方法，用以形成太阳能电池可用的具有低阻性且边缘清楚界定的接触结构又不会伤害太阳能电池基板。
发明内容
本发明实施例大致提供一种在太阳能电池基板上形成金属互连(metalinterconnect)的方法，包含提供具有一n-型区域或一p-型区域(其通常邻接基板的光接收表面和后表面)的基板；形成一种晶层，该种晶层与基板的光接收表面和/或后表面上的n-型区域或p-型区域接触；及藉由将该种晶层和一电极浸润在第一电解液内，且相对于该电极而从一电源传输一或多个波形来偏压该种晶层，而于该种晶层上形成一第一金属层。
本发明实施例可更提供在太阳能电池基板上形成金属互连的方法，包含提供一用来接收及维持第一电解液于其中的电解液容器，该电解液容器具有一电极设置在该电解液容器中；提供一头组件，设置在该电解液容器上方，该头组件包括一用来支撑基板的基板固持物和一第一电极，其中该基板固持物覆盖该基板的处理表面，且该基板固持物具有多个形成于其中的特征，这些特征优先容许处理表面的多个区域可接触该第一电解液；放置该基板使其接触该第一电解液、该基板固持物和第一电极；以及在电镀工艺中施加一或多个波形到该第一电极和一第二电极上。
本发明实施例更提供一种用于太阳能电池的金属接触结构，该结构包含位在基板上的n-型区域、位在该基板上且邻接该n-型区域的p-型区域、一第一金属种晶层(其与该n-型区域间彼此电联通)、一第一金属层、一第二金属种晶层(其与该p-型区域彼此电联通)以及一第二金属层；其中该第一金属种晶层是使用一选自下列群组中的工艺所沉积而成的：无电沉积工艺、物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺及原子层沉积工艺；该第一金属层是使用电化学沉积工艺及第一波形而形成在该第一金属种晶层上方；其中该第二金属种晶层是使用一选自下列群组中的工艺所沉积而成的：无电沉积工艺、物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺及原子层沉积工艺；并且该第二金属层是使用电化学沉积工艺及第二波形而形成在该第二金属种晶层上方。可使用多种波形而在一工艺内在该n-型区域与该p-型区域上同时形成该第一金属层和第二金属层。
附图简要说明
参阅部分绘示于附图中的实施例，本发明的更明确叙述概要整理如上，藉以详细了解前述的本发明特征。然而需了解到，附图仅显示典型的本发明实施例，因此不应用来限制本发明范围，本发明还容许其它的等效实施例。
图1A示出内含前侧金属化互连图样的现有技术太阳能电池的等视角图；
图1B示出图1A的现有技术太阳能电池的侧截面图；
图1C示出现有技术PUM型装置的截面图；
图1D出出PUM电池顶部接触结构的平面图，其中指状物宽度与几何形状已被最佳化，以使电池效率达到最大；
图2A为依据所述一实施例的太阳能电池的工艺顺序；
图2B为依据所述实施例的太阳能电池工艺顺序；
图3A～3F示出在图2A及图2B所述工艺顺序中不同阶段的太阳能电池截面示意图；
图4为依据所述实施例的电化学处理腔室的侧截面示意图；
图5A～5E示出根据文中所述实施例可用来电化学电镀一金属层到基板表面上的不同波形；
图5F示出使用本文中所述工艺形成的金属层的截面示意图；及
图5G依据所述实施例可用来电化学电镀一金属层到基板表面上的波形。
为了清楚明确，使用相同的组件符号来代表各图之间共有的相同组件。并且无需进一步说明，便能了解到可将一实施例中的特征并入其它实施例中。
具体实施方式
本发明实施例包括使用电化学电镀工艺来形成具有改良电性及机械性质的低成本太阳能电池金属接点结构。受益于本发明的太阳能电池基板包括由单晶硅、多重结晶硅、多晶硅、锗(Ge)及砷化镓(GaAs)所组成的基板，以及异质结电池(heterojunction cell)，例如GaInP/GaAs/Ge或ZnSe/GaAs/Ge基板。
形成在太阳能电池装置内的互连结构的电阻会大幅影响太阳能电池的效率。因此，较佳是形成具有低电阻、可靠且具经济效益的连接的太阳能电池装置。如上述，由银印膏所形成的银互连线为目前最喜欢使用的互连方法。但是，虽然相对于其它常见的金属，例如铜(1.7x10-8Ω-m)及铝(2.82x10-8Ω-m)来说，银具有较低的电阻率(1.59x10-8Ω-m)，但其成本是这些其它常见金属的数十倍。因此，此处所述的一或多个本发明实施例适以利用内含常见金属(例如铜)的电化学电镀工艺来形成低成本又可靠的互连层。但是，一般来说，该互连层的电镀部分可包括一实质纯金属或金属合金层，其包含铜、银、金、锡、钴、铼(Rh)、镍、锌、铅、钯和/或铝。较佳是，该互连层的电镀部分包含实质纯铜或铜合金。
图2A出出一系列用来形成内含导电金属互连层(其具有低内源性应力)的太阳能电池的方法步骤300。以下所描述的方法可用来形成具有互连的太阳能电池，所述互连使用任何一种习知的元件互连型式与技术形成。因此，虽然这里所述的实施例与使用PUM类型互连的装置的形成方式一起揭示，但本发明的范围并不受限于此设计。
图3A-3D显示在一金属化基板430上实施方法步骤300的各个步骤后，该基板的各种状态。方法步骤300始于步骤302，在步骤302中，使用习知的太阳能电池和/或半导体制造技术形成基板401(图3A)。该基板可由单晶或多晶硅材料来制成。制造这些基板的方法实例为EFG工艺(边缘界定膜层馈入生长(Edge-defined Film-fed Growth)，如美国专利第5,106,763号)、RGS工艺(基板上彩带式生长(Ribbon Growth on Substrate)，如美国专利第4,670,096号、第5,298,109号、DE 4,105,910A1)及SSP彩带工艺(来自粉末的硅层(SiliconSheets from Powder)，如美国专利第5,336,335号、第5,496,446号、美国专利第6,111,191号和美国专利第6,207,891号)。在一实例中，在已掺杂有p-型掺杂剂的基板401上设有一n-型区域402。可利用传统的化学气相沉积法(CVD)、以扩散炉将n-型掺杂剂驱入或其它类似的掺杂技术或沉积技术来形成该n-型区域402。所形成的p-n结将会形成一p-n结区域403。可使用物理气相沉积法(PVD)或CVD法来形成ARC层407或抗反射涂层。可使用传统的光刻技术和湿蚀刻或干蚀刻半导体技术或激光钻孔技术而在基板401的光接收表面432和背侧433之间，以及横越基板401的表面来形成多个特征431。也可利用激光钻孔或类似的半导体技术来形成结隔离间隙440。
在下一步骤304中，如图3C所示，使用传统选择性无电沉积工艺或选择性CVD沉积工艺，在基板表面的期望区域上形成种晶层445。在一实施例中，太阳能电池的光接收侧有一种晶层445，其为类似如上所讨论的图1D所示的互连金属图样。可用来在一掺杂硅区上生长一种晶层445的无电沉积工艺的例子，进一步揭示在美国专利申请案第11/385,047号中(2006/3/20提出申请)、美国专利申请案第11/385,043号中(2006/3/20提出申请)及美国专利申请案第11/385,041号中(2006/3/20提出申请)，其全部内容并入本案作为参考。在另一实施例中，可使用喷墨式、橡皮章压印或任何可图样沉积含金属液体或胶质介质(cplloidal media)于基板表面上的技术来形成该种晶层。在将含金属液体或胶质介质沉积在基板表面上之后，一般较佳是接续进行热后续处理，以移除任何溶剂并促进金属黏合到基板表面上。可用来在掺杂硅区上形成种晶层445的图样沉积技术揭示于美国专利申请案第11/530,003号中(2006/9/7提出申请)，其全部内容并入本案作为参考。
在一实施例中，以两步骤式种晶层沉积技术将该种晶层445沉积在基板表面的期望区域内，其中先在基板表面上毯覆式地形成一毯覆种晶层(blankedseed layer)445A(图3B)，接着如图3C所示，以一或多种传统技术将一部分的毯覆种晶层445A移除，以于基板表面的期望区域内形成种晶层445。在一实例中，如图3B所示，以CVD或分子束外延(MBE)或原子层沉积(ALD)或PVD法，将一毯覆种晶层445A沉积在基板的整个表面上。接着，以传统的掩模和湿蚀刻技术从基板表面的多个区域上移除部分的毯覆种晶层445A，以形成种晶层445。
一般来说，种晶层445可包含一种导电材料，例如纯金属、金属合金或其它导电材料。在一实施例中，此种晶层445包含一或多个选自以下群组中的金属：镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、钽(Ta)、铼(Rh)、钼(Mo)、钨(W)和钌(Ru)。较佳地，选择的沉积工艺和金属能在掺杂的硅层(例如n型区域402)和沉积金属种晶层445之间形成良好电接触或欧姆接触。在一实施方式中，种晶层445经过选择，使得该种晶层445可作为阻挡层，以防止在后续处理步骤期间形成的接点446中发生金属扩散现象。例如，种晶层445可能含有一或多种选自下列群组中的金属或金属合金：镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、上述金属的硅化物、钛钨(TiW)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钼(Mo)、钨(W)、硅化钨(WSi)、硅化钼(MoSi)和钌(Ru)。
在一实施例中，种晶层445由至少两层金属所组成，用来促进与基板表面黏合、作为扩散层阻挡层和/或促进接点446内的后续沉积金属层447生长(图3D)。在一实例中，种晶层445包含沉积在基板表面434的第一金属层及含有铜的第二金属层。在此结构中，第二层沉积在该第一金属层上方，以做为其上能够形成后续电化学沉积层的种晶层。在此情况中，第一层中可包含使用无电沉积工艺、传统PVD工艺或传统CVD工艺所沉积而成的一或多种金属或金属合金，该一或多种金属或金属合金选自下列群组中：镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钛钨(TiW)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钼(Mo)、钨(W)和钌(Ru)；且第二含铜层可以为实质的纯层或包含一或多种选自下列金属的合金层：钴(Co)、锡(Sn)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)及镍(Ni)。在一实施方式中，第二层可由无电沉积工艺、传统PVD工艺或传统CVD工艺沉积而成。
金属填充/形成金属层的工艺
回到图2A及图3D，在步骤306中，以电化学沉积工艺在特征431中形成接点446。在此工艺步骤中，利用电源(即，图4中的电极250)相对于电极(即，图4中的电极220)对所形成种晶层445上的多个区域进行阴极偏压(cathodically biased)，使得电解液中接触到种晶层445上多个区域和电极的离子在种晶层445的表面上电镀一金属层447，而形成接点446。
图4绘示出可用来在步骤306中电化学沉积金属层447于金属化基板430的种晶层445上的电化学电镀池200实施例。此电化学电镀池200一般含有头组件205、电极220、电源250和电镀池230。头组件205一般包含有推进板(thrustplate)214和屏蔽板210，其适以在电化学沉积过程中相对于电极220而将金属化基板430固持在定点。在一实施方式中，以一机械致动器215来推动推进板214和金属化基板430使其抵靠着形成在屏蔽板210表面上的电接点212，藉此经由引线251而在金属化基板430表面203上形成的金属层202与电源250之间形成电连接。在一情况中，较佳是在处理期间，以一旋转和/或线性运动致动器(未示出)相对于电极220来转动或移动该金属化基板430和头组件205。在另一实施方式中，电镀系统、腔室或电镀池也可使用输送带型式的设计，以在同一时间内连续电镀多个基板，例如，25～1000个基板。这类系统可以水平方向或垂直方向设立。
屏蔽板210一般以介电材料制成，其内有多个特征213以容许电解液“A”接触基板表面上的暴露区域(例如，表面204)。此种配置方式容许当有一足量的阴极偏压被施加到金属层202上时，可在基板表面的暴露区域204上优先形成电化学沉积金属层。在一实施例中，屏蔽板210是由玻璃、塑料材料或陶瓷材料制成，其中含有以传统机械加工操作(例如激光切割、研磨、水注切割、钻、EDM或压印工艺)形成于屏蔽板210中的多个特征213。这些电接点212可能是形成在屏蔽板210的一或多个表面上的分隔或不连续导电部件或导电区域。这些电接点212可由金属制成，例如铂、金、镍或其它导电材料制成，例如石墨、铜、掺有磷的铜(CuP)及涂覆有铂的钛(Pt/Ti)。
电镀池230一般包括一电镀池主体231及一电极220。电镀池主体231一般包括一电镀区域235和一电解液收集区236，该电解池收集区含有用来电化学沉积金属层于基板表面上的电解液，例如，“A”项目。操作时，一般最好是以泵240将电解液“A”从电解液收集区236泵送通过形成在电极220与支撑特征234之间的空腔237，通过形成在屏蔽板210中的多个特征213，再通过分隔电镀区235的堰232上方，再到电解液收集区236。在一方式中，可将电极220支撑在形成于电镀池主体231内的一或多个支撑特征234上。在一实施例中，电极220包含多个孔洞221，其可容许电解液“A”从空腔237通到电镀区域235，以均匀地分散在整个屏蔽板210上并接触该金属化基板430的至少一表面。由泵240所产生的流体运动容许补充在这些特征213一端处所暴露出的暴露区域204中的电解液组成。电极220可使用会在电镀期间被消耗掉的材料制成(例如，铜)，但更佳是由不会被消耗掉的材料制成。非消耗性电极可使用不会在金属层202形成期间被蚀刻的材料制成，例如涂覆有铂或钌的钛。
系统控制器251适以用来控制各种用于电化学电镀池200中完成电化学制程的部件。系统控制器251一般设计来帮助控制整体工艺腔室的自动化过程，且典型包括一中央处理单元(CPU)(未示出)、内存(未示出)和支持电路(或I/O)(未示出)。此CPU可以是任一种产业用计算机处理器形式，可控制各种系统功能、腔室工艺和支持性硬件(例如，侦测器、机械手、马达、气体源硬件等)并监控电化学电镀池工艺(例如，电解液温度、电源变量、腔室处理时间、I/O信号等)。内存被连接到CPU上，且可以是一或多种可轻易取得的内存，例如随机存取内存(RAM)、只读式内存(ROM)、软盘、硬盘或任何其它数字储存形式(局部或远程)。软件指令和数据可被编码并储存在内存中，以指示CPU如何动作。支持性电路也可连接到CPU并且以传统方式支持处理器。支持性电路包括高速缓冲存储器、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统等。可被系统控制器251读取的程序(或计算机指令)决定应在基板上实施何种工作。较佳是，能被系统控制器251读取的程序包含有可执行与监控和实施电化学工艺工作及各种腔室工艺步骤相关的编码。
在步骤306的实施例中，在电化学沉积处理期间，一或多个直流电(DC)和/或脉冲式电镀波形被传送到种晶层445，以形成具有期望电性及机械特性的层447。图2B绘出可在电化学电镀期间或步骤306期间实施的一系列方法步骤。在一方式中，在步骤306期间，实施一电化学电镀以沉积厚度至少足以实质填充特征431(图3A)的金属层。依据本发明实施例，利用脉冲式电镀技术，使用一或多个模块式波形，以金属来无孔洞(void-free)及无接缝(seam-free)地填充特征431。所施加的偏压波形可以是DC和/或一系列具有不同高度、形状和持续时间的脉冲，以实质填充特征431。在特征431附近的金属离子、添加剂或抑制剂的浓度梯度会受到沉积和溶解脉冲的顺序及时间的影响。举例来说，一般认为沉积脉冲的时间控制着特征侧壁上的沉积作用，至于溶解脉冲则会产生额外的金属离子，因而在特征周围产生出离子浓度梯度。藉由从特征顶部将部分的沉积金属溶解，电溶解脉冲(或逆向脉冲)可在不会形成孔洞或接缝的情况下，在高深宽比特征内以充分的时间由底部往上生长方式来进行填充。再者，可通过改变各个电脉冲大小来控制沉积和溶解速率。
参照图2B及图3C-3D，在步骤306A中，以电源250施加第一波形到种晶层445上，以于种晶层表面引起某些电化学活性。在一实施例中，如图2B所示，以第一波形来阴极偏压该种晶层而形成第一层。在此情况下，虽然施加到种晶层上的偏压并非一直是阴极性，但是以第一波形传送能量的平均时间是阴极性(cathodic)的，因此将会沉积一金属在种晶层445的表面上。在另一实施例中，最好是使用阳极性的平均时间(亦即，溶解材料)，以于实施后续填充步骤之前，用来清洁种晶层表面。
图5A-5C示出可单独使用或与其它波形一起用来充填特征431的各种波形实例。须知，虽然图5A-5C所示的波形是施加电压对时间做图，熟知本领域的技术人员应能了解这些波形也可采用电流对时间做图的方式来表示，而不偏离本发明基本范围。图5A显示方形波类型的波形，其具有大小为V1且持续时间为t1的阴极性脉冲501，一大小为V2且持续时间为t3的阳极性脉冲503，以及多个休止状态502(其具有低施加电位(约0～0.1V)且持续时间为t2)。经常以“逆向脉冲(pulse reverse)”波形一词来表示图5A所示的波形。在此设计中，此模块化波形包含极性相反的电脉冲，以及没有电脉冲的期间，又称“休止期(off-times)”。电镀波形中的休止期可用来使特征431周围电镀溶液中的各种化学物种被重新分配，以达成期望的沉积轮廓(deposition profile)。须知在某些情况中，当扩散边界层很小和/或金属离子浓度相对高的时候，波形中可能不需要一个或多个休止状态502，因此可在不改变本发明基本范围下，可使阴极脉冲直接转变成为阳极脉冲503，或反之亦然。
图5B绘示出方形波类型的波形，其具有一大小为V1且持续时间为t1的阴极性脉冲511，以及多个休止状态512(其具有低施加电位(约0～0.1V)且持续时间为t2)。经常以“正向脉冲(forward pulse)”波形一词来表示图5B所示的波形。图5C绘示出三角形波形，其具有一大小为V1且持续t1时间的阴极性脉冲521、一峰值大小为V2且持续t3时间的阳极性脉冲523、以及多个休止状态522(其具有低施加电压且持续时间为t2)。虽然此处示出的波形为方形或三角形，但本发明并不局限于仅使用此类型波形，也可使用其它种波形来形成特征431。在某些情况下，也可使用如正弦、指数、二次多项式或三次多项式等形状的波形。
参照图2B，实施一选用性的步骤306B，其中利用电源250来施加第二波形到种晶层445上，以在种晶层445表面上或步骤306A所沉积的第一层上引起某些电化学活性。在一实施例中，如图2B所示，以第二波形来阴极偏压种晶层和第一层，以形成第二层。第二波形的形状可与图5A-5C所用的波形类似或是DC类型的偏压。
在步骤306C中，以系统控制器251或使用者输入值来决定在电化学电镀方法300中是否已达成期望厚度，如果没有，可重复步骤306A和/或306B多次直到达成期望厚度为止。在一实例中，如图5D所示，将一系列不同波形施加到种晶层445上以填充特征431。如所示，将具有期望大小(分别为V1和V4)和持续时间(duration)的阴极脉冲与阳极脉冲的第一波形传输到种晶层445上持续一段t1时间。接着，传输仅含有大小为V2的阴极性脉冲的第二波形持续t2时间，然后，传输仅含有大小为V3的阴极性脉冲的第三波形持续t3时间。最后，将具有期望大小(分别为V1和V4)和持续时间的阴极脉冲与阳极脉冲的第四波形传输到种晶层445上持续t4时间。
在另一实例中，如图5E所示，将一系列不同波形施加到种晶层445上以填充特征431。如图5E所示，将具有期望大小(分别为V1和V4)和持续时间的阴极脉冲与阳极脉冲的第一波形传输到种晶层445上持续一段t1时间。接着，传输大小为V2和V3的第二DC型波形持续一段t2时间，然后将大小渐增(在V2和V3之间)的第三脉冲式波形传输到种晶层445持续一段t3时间。最后，将具有期望大小(分别为V1和V4)和持续时间的阴极性脉冲与阳极性脉冲的第四波形传输到种晶层445上持续一段t4时间。须知本发明并不限于所述实例中，此实例中显示每个波形内的脉冲形状、脉冲相对强度、每一波形内的脉冲数目和/或每个脉冲持续期间仅为示范，不应用来限制本发明的范围。
一般相信藉由控制连续脉冲的强度、持续时间和极性，可控制电化学沉积工艺中所形成的金属层的颗粒大小。已知相较于一般使用具有较长持续时间和/或较小脉冲强度的DC波形或脉冲式波形来说，利用具有多个快速脉冲的脉冲式电镀波形(其具有高强度或多个极性交替变换的脉冲)可产生具有较低应力及较小颗粒的层。因此，通过控制波形、沉积速率和使用的化学物来形成具有不同颗粒大小的金属层447，可形成低应力金属层，其能够用来填充基板表面上的特征431。
图5F为种晶层445与金属层447的截面图，其示出金属化工艺期间可生成不同颗粒大小的实例。如所示，可利用图5G的电化学沉积波形来生成金属层447中的各区域447A～447D的颗粒大小。在此实例中，第一区域447A包含小颗粒，因为第一期间t1所施加波形451为高强度、短时间且极性交替。因为在t2期间施加阴极性DC偏压波形，因此第二区域447B的颗粒尺寸会包含大颗粒。由于施加可具有较长持续时间ta且只有阴极性脉冲的波形，因此第三区域447C在期间t2所形成的颗粒尺寸包含中等尺寸的颗粒。最后因为在第四期间t4施加强度相当大、短时间且极性交错的波形，因此第四区域447D包含小颗粒。相信藉由控制形成层中所包含的金属颗粒大小，可调节及控制所形成层中的应力。也相信借着调整所施加波形中各成分而来调整颗粒大小，可控制整层的应力。
电解液溶液
一般来说，较佳以由下往上(即，从硅通孔的中间开始生长)填充的方式并且没有缺陷(即，无接缝、孔洞或间隙)的金属层来形成特征431。为加强由下往上生长(即，从硅通孔中间开始生长)无缺陷的低应力膜层，在电化学电镀池200中实施的电化学工艺会使用内含金属离子源和酸性溶液的电解质溶液。在某些情况下可添加一种或多种添加剂(例如，加速剂、抑制剂、整平剂、界面活性剂、增亮剂或其组合)至电解质溶液中，来帮助控制电化学沉积金属层的颗粒大小及均匀度。但是，添加剂一般会造成电化学工艺控制更为复杂，且造成电化学电镀过程中所需使用的消耗物成本增加，因其一般会在电化学过程中被消耗或分解。在一实施方式中，为提高平坦化能力(planarization power)，电解质可选用性地包含无机酸(例如，硫酸、磷酸或焦磷酸)、各种无机性支持盐和其它可用来改善电镀表面质量的添加剂(如，氧化剂、界面活性剂、增亮剂等)。
在一实例中，在图2A和图2B中，步骤306所用的电解质溶液中的金属离子源为铜离子源。在一实施例中，电解液中的铜离子浓度介于约0.1M至约1.1M之间，较佳是在约0.4M至约0.9M间。有用的铜源包括硫酸铜(CuSO4)、氯化铜(CuCl2)、醋酸铜(Cu(CO2CH3)2)、焦磷酸铜(Cu2P2O7)、氟硼酸铜(Cu(BF4)2)、其衍生物、其水合物或其组合。电解液组成物也可基于碱性铜电镀浴(例如，氰化物、甘油、氨水等)。
在一实例中，电解液是一种含有约200～250g/l的五水合硫酸铜(CuSO45(H2O))、约40～70g/l的硫酸(H2SO4)及约0.04g/l的氢氯酸(HCl)的水溶液。在某些例子中，较佳是添加低价格的pH调整剂，例如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)来形成具有期望pH值的廉价电解液，以降低业主制造太阳能电池的金属接点结构的成本。在某些情况下，较佳是使用氢氧四甲基铵(TMAH)来调整pH值。
在另一实例中，电解液是一种含有约220～250g/l的氟硼酸铜(Cu(BF4)2)、约2～15g/l的四氟硼酸(HBF4)及约15～16g/l的硼酸(H3BO3)的水溶液。在某些例子中，较佳是添加低价格的pH调整剂，例如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)来形成具有期望pH值的廉价电解液，以降低业主制造太阳能电池的金属接点结构的成本。在某些情况下，较佳是使用氢氧四甲基铵(TMAH)来调整pH值。
在另一实例中，电解液是一种含有约60～90g/l的五水合硫酸铜(CuSO4·5(H2O))、约300～330g/l的焦磷酸钾(K4P2O7)及约10～35g/l的5-磺基水杨酸脱水钠盐(5-sulfonsalicylic acid dehydrate sodium salt，C7H5O6SNA·2H2O)的水溶液。在某些例子中，较佳是添加低价格的pH调整剂，例如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)来形成具有期望pH值的廉价电解液，以降低业主制造太阳能电池可用的金属接点结构的成本。在某些情况下，较佳是使用氢氧四甲基铵(TMAH)来调整pH值。
在另一实例中，电解液是一种含有约30～50g/l的五水合硫酸铜(CuSO4·5(H2O))、约120～180g/l的十水合焦磷酸钠(Na4P2O7·10H2O)的水溶液。在某些例子中，较佳是添加低价格的pH调整剂，例如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)来形成具有期望pH值的廉价电解液，以降低业主制造太阳能电池可用的金属接点结构的成本。在某些情况下，较佳是使用氢氧四甲基铵(TMAH)来调整pH值。
在一实施例中，较佳是添加第二金属离子到含有主要金属离子的电解浴(例如，含铜离子的电解浴)中，用来电镀或被并入正在生长中的电化学沉积层或其颗粒边界中。生成含有一百分比的第二元素的金属层对于减少所生成层的内部应力和/或改善其电性及电迁移性质非常有用。在一实例中，较佳是添加一含量的银、镍、锌或锡金属离子源到铜电镀浴中，来形成在沉积层中含有约1％至约4％的第二金属的铜合金。
在一实例中，用于图2A及图2B的步骤306中的电解液中的金属离子源可以是银、锡、锌或镍离子源。在一实施例中，电解液中的银、锡、锌或镍离子浓度在约0.1M至约0.4M之间。有用的镍离子源包括硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、磷酸镍、其衍生物、其水合物或其组合。
接点界面层
参照图2A至图3E，在步骤308中，在步骤306所生成的金属层447表面上沉积一层选用性的接点界面层448。可使用电化学沉积工艺、无电沉积工艺、CVD沉积工艺或其它兼容性沉积工艺来生成接点界面层448，藉以在所生成的特征431与外部互连总线(未示出)之间形成良好的欧姆接触，所述外部互连总线适于将一或多太阳能电池连接在一起。在一实施例中，由金属所形成的接点界面层448与金属层447中所含的金属不同。在此设计中，接点界面层448可由纯金属或包含以下金属的金属合金来形成，例如锡、银、金、铅、铜或钌(Ru)。
在一实施例中，此接点界面层448是由电化学工艺来生成。在某些情况下，较佳是在与步骤306中相同的电化学电镀池内实施步骤308。在此设计中，使用能在接点界面层电解液(其接触种晶层445、金属层447和一电极)中产生离子的电源，相对于该电极来对种晶层445和金属层447进行阴极性偏压，以将接点界面层448电镀在种晶层445和/或金属层447的表面上。当接点界面层448是在与形成金属层447相同的电化学电镀池200内形成，且接点界面层448包含一或多种与金属层447不同的元素时，必须将用来形成金属层的电解液抛弃，并且以新的接点界面层电解液来取代，以形成新的接点界面层448。
接点界面层电解溶液
在一实施例中，接点界面层448包含锡且是使用电化学沉积工艺来形成。在接点界面层电解液中的锡离子浓度可在约0.1M至约1.1M之间。有用的锡来源包括硫酸锡(SnSO4)、氯化锡(SnCl2)和氟硼酸锡(Sn(BF4)2)、其衍生物、其水合物或其组合。在另一实施方式中，为提高平坦化能力，电解液可选用性地含有一种无机酸(如，硫酸、磷酸或焦磷酸)、各种无机性支持盐及其它可用来改善电镀表面质量的添加物(例如，氧化剂、界面活性剂、增亮剂等)。也可依据碱性锡电镀浴(例如，氰化物、甘油及氨水等)来调整电解液的组成。该电解液也可包含甲基磺酸(methane-sulfonic acid，MSA)。
在一实例中，电解液是一种含有约200～250g/l的五水合硫酸锡(SnSO4·5(H2O))、约40～70g/l的硫酸及约0.04g/l的氢氯酸的水溶液。在某些例子中，较佳是添加一或多种有机添加剂(例如，整平剂、加速剂、抑制剂)来促进所沉积层的均匀生长。在某些例子中，较佳是添加低价格的pH调整剂，例如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)来形成具有期望pH值的廉价电解液，以降低业主制造太阳能电池的金属接点结构的成本。在某些情况下，较佳是使用氢氧四甲基铵(TMAH)来调整pH值。
为了减少生成金属层447和/或448的制造时间，最好是采取可使电镀速率达到最大的方式，同时产生具有良好电子特性及低应力的均匀层。可用来改善电镀速率的典型方法包括搅拌电解液、增加电解液流动和/或基板在电解液中运动。在一方式中，将电解液的温度控制在约18℃至约85℃之间，较佳是在约30℃至约70℃之间，以便使电镀速率可达到最大。已知温度越高，电镀速率越快。
多重金属化步骤
以上配合图2～5揭示的实施例可用来在基板表面形成一或多个接点446。虽然较佳是同时形成各种适用于太阳能电池的接点结构，但有时因为各种处理条件的限制，而无法达成。在某些情况下，需要两种金属化工艺，例如，形成如图3A～3E所示的前侧接点的金属化工艺，以及第二金属化工艺，以于基板430的不同区域上形成第二接点，例如图3F所示的背侧接点。
如图3F所示，可使用第二金属化步骤来形成背侧接点470，背侧接点470适于连接到该太阳能电池装置的一有源区(如，图3A中的p-型区)。在此实例中，先在基板401上形成一凹槽474，使得后续金属层可直接接触基板401的底部区域。一般来说，可利用传统的光刻法、湿蚀刻法、干蚀刻法和/或激光熔蚀处理来形成凹槽474。接着，利用以上参照步骤304所述的工艺步骤或其它类似的技术来形成种晶层471。最后，利用以上参照步骤306～308和图2B、3D～3E、4及5A-5G所叙述的工艺步骤来形成金属层472和互连层473。虽然上述工艺可用来形成使用PUM型互连配置方式的太阳能电池，但本发明范围并不局限于此配置方式。
后处理步骤
参照图2A，在步骤310中，实施一或多个后处理步骤，来减少应力或改善所沉积金属层(如，金属层445、446、448、471、472及473)的性质。可于步骤310中实施的后处理步骤可包括退火、清洁、度量或可在金属化基板表面后实施的其它类似处理步骤。在一实施例中，在太阳能电池基板上实施退火步骤以减少或完全除去所形成金属层中含有的内生性应力。在一方式中，退火处理是在低氮气分压环境下于介于约200℃至约450℃之间的温度下实施。在一方式中，退火处理是用来提高介于所形成金属层之间的电接触和/或增进金属层与基板表面间的黏性，以及生成硅化物。
虽然本发明已参照多个实施例揭示如上，但在不悖离本发明精神范围下，仍可对本发明实施方式进行各种改良与修饰，本发明范围是由后附权利要求书所界定。

Claims (23)

1.一种在太阳能电池基板中形成金属互连的方法，包含：
提供具有一n-型区域或一p-型区域的基板，且该n-型区域或p-型区域通常邻接该基板的一表面；
形成一种晶层，该种晶层与该基板的该表面上的该n-型区域或该p-型区域电联通；及
藉由将该种晶层和一电极浸润在一第一电解液内，并且相对于该电极使用一电源输送的一或多个波形来偏压该种晶层，而于该种晶层上形成一第一金属层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该表面为一光接收表面或一背侧表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该一或多个波形包含一第一波形和一第二波形，该第一波形适以形成一具有一第一颗粒尺寸的第一金属层，该第二波形适以形成一具有一第二颗粒尺寸的第二金属层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该第一电解液包含一选自下列群组中的铜盐：硫酸铜、氯化铜、醋酸铜、焦磷酸铜及氟硼酸铜。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该第一金属层包含铜和至少一种选自以下群组中的元素：银、镍、锌及锡。
6.根据权利要求1所述的方法，更包含藉由将该第一金属层和一电极浸润在一第二电解液内，并且相对于该电极使用一电源输送一或多个波形来偏压该第一金属层，而于该第一金属层上形成一第二金属层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中该第二电解液中含有一选自下列群组中的金属离子：锡、银、铜、金、铅及钌。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该波形包含持续一第一时间段的一直流电成分和持续一第二时间段的一脉冲电镀成分，其中该脉冲电镀成分是一正向式脉冲或一逆向式脉冲。
9.一种在一太阳能电池基板上形成一金属互连的方法，包含：
提供一电解液容器，用来接收及维持一第一电解液于其中，该电解液容器具有一电极，设在该电解液容器内部；
提供一头组件，设在该电解液容器上方，该头组件包括一用来支撑一基板的基板固持物和一第一电极，其中该基板固持物盖住该基板的处理表面，且该基板固持物具有多个形成于其中的特征，该特征优先容许该处理表面上的多个区域接触该第一电解液；
放置该基板，使该基板与该第一电解液、该基板固持物和该第一电极接触；以及
在一电镀工艺期间，施加一或多个波形到该第一电极和一第二电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该基板具有一n-型区域或一p-型区域以及一种晶层，该n-型区域或该p-型区域通常邻接基板的一光接收表面，该种晶层接触该基板的光接收表面上的该n-型区域或p-型区域。
11.根据权利要求9所述的方法，其中该一或多个波形包含一第一波形和一第二波形，该第一波形适以形成一具有一第一颗粒尺寸的第一金属层，并且该第二波形适以形成一具有一第二颗粒尺寸的第二金属层。
12.根据权利要求9所述的方法，该第一电解液包含一选自下列群组中的铜盐：硫酸铜、氯化铜、醋酸铜、焦磷酸铜及氟硼酸铜。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该第一电解液包含铜离子和至少一种选自以下群组中的金属离子：银、镍、锌及锡。
14.根据权利要求9所述的方法，更包含：
自该电解液容器中移除该第一电解液；
将一第二电解液输送到该电解液容器中，其中该第二电解液包含一未见于该第一电解液内的金属离子；以及
施加一或多个波形到该第一电极与第二电极上，其中该处理表面和该第二电极接触该第二电解液。
15.根据权利要求14所述的方法，其中该第二电解液包含一选自下列群组中的金属离子：锡、银、金、铅及钌。
16.根据权利要求9所述的方法，其中该一或多个波形为一逆向脉冲式波形、一正向式波形或一直流电波形。
17.根据权利要求9所述的方法，其中该一或多个波形包含持续一第一时间段的一直流电成分和持续一第二时间段的一脉冲电镀成分，其中该脉冲电镀成分是一正向式脉冲或一逆向式脉冲。
18.一种太阳能电池用的金属接点结构，包含：
一n-型区域，位于一基板上；
一p-型区域，位于该基板上且邻接该n-型区域；
一第一金属种晶层，其与该n-型区域电联通，其中该第一金属种晶层是以一选自下列群组中的工艺沉积而成：无电沉积工艺、物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺及原子层沉积工艺；
一第一金属层，其是使用一第一波形及一电化学沉积工艺形成在该第一金属种晶层上方；
一第二金属种晶层，其与该p-型区域电联通，且该第二金属层是使用一选自下列群组中的工艺沉积而成：无电沉积工艺、物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺及原子层沉积工艺；以及
一第二金属层，其是使用一第二波形及一电化学沉积工艺形成在该第二金属种晶层上方。
19.根据权利要求18所述的金属接点结构，其中该第一金属种晶层及该第二金属种晶层各自包括至少一种选自下列群组中的金属：镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钛钨(TiW)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钼(Mo)、钨(W)、铝(Al)和钌(Ru)。
20.根据权利要求18所述的金属接点结构，其中该第一金属种晶层及该第二金属种晶层各自包括：
一第一层，其含有至少一种选自由钴、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钼、钨及钌组成的群组中的金属；以及
一第二层，其含有至少一种选自由铜、银、钌及镍组成的群组中的金属。
21.根据权利要求18所述的金属接点结构，其中该第一金属种晶层及该第二金属种晶层各自包括至少一种选自由铜、银、金、锡、钴、铼、钌、铁、镍、锌、铅、钯、和/或铝组成的群组中的金属。
22.根据权利要求18所述的金属接点结构，更包含：
一第三金属层，其是使用一电化学工艺沉积在该第一金属层上方；及
一第四金属层，其是使用一电化学工艺沉积在该第二金属层上方。
23.根据权利要求22所述的金属接点结构，其中该第三金属层和该第四金属层各自包含至少一种选自由锡、银、铜、金、铅及钌组成的群组中的金属。
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