CN101569004A - 用于将结构施加在半导体组件上的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将由结构材料制成的预定结构施加在半导体组件上的方法，所述方法包括以下步骤：A)用遮蔽层部分地覆盖半导体组件的表面，B)将由结构材料制成的膜施加在遮蔽层上并在由遮蔽层空出的区域内施加在半导体组件的表面上，C)溶解遮蔽层连同位于遮蔽层上的结构材料。这里重要的是，在步骤B和C之间在步骤B2中部分去除由结构材料制成的膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1所述的用于将由结构材料制成的结构施加在半导体组件上的方法，以及一种按权利要求15所述的半导体层结构。
背景技术
按照权利要求1前序部分所述的方法通常用在半导体工艺中，以便在半导体组件上施加薄的金属化结构。例如已知，在硅晶片上施加金属结构，其中首先在硅晶片上施加光敏漆。接着通过曝光掩模使光敏漆曝光，使得硅晶片上的以后在表面上应该有金属的光敏漆区域被曝光。在曝光后使所述漆显影，从而使得漆的曝光区域被去除。
现在在下一步骤中将整个表面涂镀金属膜，使得金属膜一方面位于余留下的漆上，另一方面在所述漆又被去除的区域内使金属膜施加在硅晶片上。
最后用溶剂去除剩下的漆，使得在这个步骤中一起去除在金属膜位于漆上的区域内的金属膜。
结果在硅晶片上余留下预定的金属结构，上述方法也被称为“掀去法/剥落法(Lift-Off-Verfahren)”。
在这种方法中重要的是，溶剂必须透过金属膜到达位于金属膜下面的漆，以便将漆溶解掉。为此要么需要长的用于溶解过程的处理时间，以便使溶剂能通过小的气孔穿过金属膜，要么可以从侧面溶解某些区域内的漆，从而使溶解过程最终延伸到被漆覆盖的整个区域。
同样由US3,934,057已知，实施一种两级漆涂覆法，使得金属膜在涂覆后不是整个面相连接，而是通过空缺将其中金属膜位于漆上的区域和其中金属膜直接位于硅晶片上的区域分隔开。用这种方式可以使溶剂通过所述空缺到达所述漆。
但是这种方法有这样的缺点，即需要成本高、时间长的至少两级漆涂覆工步。
发明内容
因此本发明的目的是，改进用于将由结构材料制成的预定结构施加在半导体组件上的已知方法，使得特别是可以缩短工艺处理时间并此外节省成本。此外通过本发明的方法应该对所使用的用于溶解漆的溶剂和对用于形成遮蔽层的方式/工具具有较低的要求，使得一方面可以节省成本，另一方面可以降低由于工艺副产物而造成的环境负担。
所述目的通过本发明的按权利要求1的方法，以及按权利要求15的半导体层结构来实现。有利的方法实施例在权利要求2至14中限定。
因此本发明的方法适合于将由结构材料制成的结构施加在半导体组件上。这包括上述将金属结构施加在半导体组件上，但是同样也可通过本发明的方法将由任何其它结构材料制成的任何其它结构施加在半导体组件上。
在制造所述结构时首先在步骤A中用遮蔽层部分地覆盖半导体组件的表面，使得空出这样的区域，即在该区域处在本方法结束后结构材料应位于半导体组件表面上。接着在步骤B中施加由结构材料制成的膜，使结构材料一方面覆盖遮蔽层，另一方面在由遮蔽层空出的区域内覆盖半导体组件的表面。
在步骤C中进行如上所述的“掀去”，亦即溶解遮蔽层，使位于遮蔽层上的结构材料同样一起溶解。其结果是结构材料在预定的、由遮蔽层空出的区域内保留在半导体组件的表面上。
重要的是，在步骤B和C之间在一步骤B2中部分去除由结构材料制成的膜。由此在溶解遮蔽层之前在由结构材料制成的膜中产生开口。由此可以使在步骤C中溶解遮蔽层的溶剂通过在步骤B2中产生的开口穿过由结构材料制成的膜到达遮蔽层，从而开始溶解过程。
用这种方式可以实现步骤C的明显加速，因为溶解过程通过在步骤B2中产生的开口能立即开始。还可以弃用复杂的和成本高的方法，所述方法--如开头所述--这样修改遮蔽层，使得不形成封闭的金属膜。
因此在节省成本的同时可以使工艺过程加速。
在本发明方法中在步骤B2内有利地部分去除在这样的区域内的结构材料，即在该区域中所述膜被施加在遮蔽层上。由此在步骤C内溶剂可以直接通过所形成的自由区到达遮蔽层并开始溶解过程。
在步骤B2中有利地对由结构材料制成的膜打孔，亦即在多个大致规则设置的打孔点上穿孔。这里如果打孔这样选择，亦即各个穿孔这样设置，使得两个穿孔之间不超过一预定的最大距离，则特别有利。由此保证，遮蔽层的每个点与一穿孔--亦即这样的区域，在该区域内由结构材料制成的膜被去除且溶剂直接作用在遮蔽层上--最多相距预定的最大距离。由此也限制了在溶解过程中所需的持续时间，因为溶解过程最多只须推进两个打孔点之间的预定最大距离。
申请人的研究表明，优选地，所述穿孔最大间隔5000μm，特别是最多1000μm，极其特别是最多500μm。
在另一种有利的方法实施例中，在步骤B2内对由结构材料制成的膜沿至少一条预定的线条至少打孔。
同样可以考虑，沿预定的线条完全去除由结构材料制成的膜。在沿所述线条完全去除结构材料时得到这样的优点，即，当在遮蔽层的空出区域外部可能具有余留在半导体组件上的不希望的结构材料时由于所述线条使该结构材料和余留在空出区域内的结构材料分开。由此例如在金属化/金属涂覆(Metallisierung)时使空出区域内的金属结构和此区域之外的不希望地留下的残留金属之间没有电接触，并且可以防止短路。
所述线条有利地这样设计，使它们跟随空出区域，亦即大致具有空出区域的边缘的形状和走向。
因此可以将预定的线条设计在由遮蔽层空出的区域的边缘附近，使得特别是可以沿着在本方法结束后保留在半导体组件表面上的结构开始确定的溶解过程。
对此如果在预定结构的至少两侧如上所述地设计一线条，由结构材料制成的膜沿着该线条打孔或完全去除，则特别有利。完全去除例如可以借助脉冲激光进行，其中对通过激光脉冲去除的区域进行搭接。
预定线条有利地离预定结构，亦即离空出区域的边缘具有基本上恒定的距离。这具有以下背景：
如上所述，在半导体组件表面上在由遮蔽层空出的区域内保留有结构材料。因此在空出区域的边缘处在溶解遮蔽层时所述由结构材料制成的膜被剥落，于是一方面在半导体组件表面上在空出区域内保留了结构材料，另一方面位于遮蔽层上的结构材料被一起溶解。
因此，通过沿着沿空出区域边缘分布的预定线条对结构材料打孔或完全去除结构材料，对于剥落过程可以预定一确定的切入点，使得作用在留在半导体组件表面上的结构材料上的力减小，并可以防止结构材料在空出区域内的不希望的剥落。
申请人的研究表明，预定线条大致位于空出区域的边缘上，亦即预定线条到空出区域边缘的距离大致为0，是有利的。由此避免在溶解过程中作用在留在半导体组件上的结构材料上的力，并可以防止结构材料从空出区域不希望地剥落。
通过将线条大致设计在空出区域的边缘上还得到另一个重要的优点：
为了发生上述由结构材料制成的膜的剥落，需要一个作用在所述膜上的最小力。这里作用在空出区域边缘处的膜上的力还取决于所述膜的借助溶剂溶解的区域的大小：溶解区域越大，作用在空出区域边缘处的膜上的力越大。在预定线条离空出区域边缘的距离很小时，由于作用力太小所述膜不会剥落，因此在空出区域外部一部分由结构材料制成的膜不会溶解。
为了考虑在步骤B2中在去除结构材料时的调整不精确性，有利的是，所述距离在10μm至20μm之间，使得在调整不精确时也不去除在空出区域内的结构材料。
只要在结构材料和半导体组件表面之间存在良好的机械接触，亦即良好的附着，那么在步骤C中的溶解过程可以这样进一步加速，即，使预定线条离空出区域边缘具有一较大距离，亦即至少具有一预定距离，因为在这种情况下溶解过程从预定线条出发既向空出区域边缘方向又向相反方向开始。
这种预定的最小距离的另一个优点是，由此在空出区域边缘处的由结构材料制成的膜上形成足够大的力，使得发生剥落，并且如上所述地由于作用力太小而得以避免不希望的、余留在半导体组件上的残留膜。因此为了确保剥落有利的是，要么将预定线条大致设计在空出区域边缘上，要么相对于这个边缘保持一最小距离。
申请人的研究表明，这里至少100μm，特别是约500μm的距离是有利的。
此外，如果至少在空出区域两侧上沿一线条对由结构材料制成的膜打孔或完全去除由结构材料制成的膜，则是有利的。
在本发明方法另一种有利的实施例中，在步骤B2内为整个由结构材料制成的膜配备栅格状穿孔。这时有利地空出未被遮蔽层覆盖的区域，使得由结构材料制成的膜在应该在半导体组件上产生结构的区域内不穿孔。这种栅格状穿孔在遮蔽层上造成大量用于溶剂的作用点，使得在步骤C内实现溶解过程的最佳加速。
在步骤B2中部分去除由结构材料制成的膜可以有利地用机械方式实现。这例如可设想通过用尖锐的或刀片形的装置刮刻，同样也可以用旋转的切割片铣削或切割。
但是如果在步骤B2中用辐射的局部/当地作用部分去除由结构材料制成的膜，则特别有利。申请人的研究表明，特别是用激光部分地去除所述膜是有利的。因为为此所用的装置是已知的，所述装置例如通过采用在激光束光路内的旋转镜使激光束可相对于半导体组件精确定位，且同样还可以在半导体组件表面上的多个点之间快速变换。由此能够特别是通过用激光束使结构材料气化而在最短时间内在大量点上对由结构材料制成的膜打孔。
通过采用激光还不产生铣头或切割片的磨损，从而可取消相应的维护工作。
当在步骤B2中部分去除由结构材料制成的膜时这样选择这个去除过程，使得不损坏半导体组件，特别是，不会例如由于在半导体结构内产生故障部位/损伤部位而改变和影响半导体组件的电性能。
这里如果用于去除由结构材料制成的膜的辐射的能量和遮蔽层的厚度具有一预定的最小值，使得激光束虽然可以改变遮蔽层，但是不造成在遮蔽层下面的半导体组件的变化，则是有利的。
申请人的研究表明，为了制造金属化结构在采用激光束来给金属膜开口时有利的是，遮蔽层的厚度至少为1μm，特别是至少为5μm，尤其特别是10μm，此外特别是在20μm至40μm的范围内。
在步骤A中用遮蔽层部分地遮盖半导体表面可通过公知的光刻法进行：
为此首先在步骤A1中用光敏漆覆盖半导体组件表面。
接着在步骤A2中在半导体组件表面应该用结构材料覆盖的区域内曝光光敏漆。
此后在步骤A3中使光敏漆显影，使得从半导体组件表面上仅去除光敏漆的曝光区域。
作为另一种选择也可考虑采用所谓的“负片漆(Negativ-Lack)”，亦即这样的漆，其中未曝光的区域在显影时被溶解。相应地在这种情况下半导体组件的不希望通过结构材料覆盖的表面区域不被曝光。
但是特别是在采用本发明方法进行太阳能电池的金属化时，如果在步骤A中用公知的丝网印刷法或喷墨法将遮蔽层施加在半导体组件上，亦即在所述情况下施加在太阳能电池晶片上，则是有利的。在J.Heinzl，C.H.Hertz的“Ink-Jet Printing(喷墨印刷术)”(Advances in Electronics andElectron Physics，Vol.65(1985)，pp.91-112)中可以找到关于喷墨印刷法工艺的概述。
这些方法是特别经济的制造方法，它们与本发明的特别是在采用激光的情况下部分去除由结构材料制成的膜相结合有助于在制造太阳能电池时进一步降低成本。
如开头所述，在已知方法中在步骤C中为了通过溶剂溶解遮蔽层常常需要长的作用持续时间。因此在已知方法中必须采用高级的因此价格昂贵的溶剂，所述溶剂在作用时间长时不会侵蚀由结构材料制成的膜，亦即特别是金属膜。
但是通过本发明的方法为了溶解遮蔽层只需要较短的溶剂作用时间，因此也可采用在作用时间长的情况下对半导体组件和/或金属薄有损害的廉价的溶剂，此外还可采用环境能承受的溶剂。
特别是采用碱性溶剂，如低浓度的钾碱液(例如稀释到3％的KOH-碱液)，是有利的。
此外可以有利地采用二元酯，例如由地址为Grevenbroich D-41515的LEMRO Chemieprodukte Michael Mrozyk合伙股份公司(LEMROChemieprodukte Michael Mrozyk KG)提供的名为“DBE”的。这里得到附加的优点，即金属膜不受二元酯侵蚀。
此外用本发明的方法可以采用用于借助丝网印刷法或喷墨法施加的遮蔽层的典型的保护漆，特别是由地址为D-47906的Lackwerke Peters有限及两合公司(die Lackwerke Peters GmbH+Co KG)提供的名为“SD2154E”的保护漆。该保护漆可用此前所述的“DBE”溶解。
另一种可能性是采用由同一个供货商提供的名为“SD2042AL”的漆，所述漆可以用KOH碱液溶解。
在采用本发明方法以在半导体组件上制造金属化结构时，如果在步骤B中借助于气相处理(Verdampfen)或喷涂来施加金属，则特别有利。
附图说明
下面借助附图更详细地阐述本发明方法的一种实施例。在附图中：
图1示出按照本发明的用来在太阳能电池上制造金属化结构的方法的示意图，以及
图2示出具有金属化结构的太阳能电池的俯视图，其中通过点来指明在哪些位置上用本发明的方法打孔。
具体实施方式
如上所述，本发明的方法特别适合于将金属化结构施加到太阳能电池上。这种方法表示在图1中。其中在分图a)中示出半导体组件，它做成太阳能电池1，在这个例子中该太阳能电池由一带有用来产生pn结的相应掺杂物的硅晶片组成。在分图a)中示出一方法阶段，其中已经借助于遮蔽层3使介电层2具有一定的结构：
在太阳能电池1上整个面地施加介电层2，在该介电层上通过丝网印刷印制一遮蔽层3，该遮蔽层空出希望在其中进行太阳能电池的金属化/金属涂覆的区域。遮蔽层3由上述漆“SD2154E”组成，亦即遮蔽层是一耐腐蚀层，不受腐蚀性物质的作用。因此通过腐蚀工步可以腐蚀掉由遮蔽层3空出的区域内的介电层2。遮蔽层3具有在20μm至40μm范围内的厚度。
如在图1的分图b)中所示，接着整个面地施加由结构材料制成的膜，所述膜在所述情况下做成金属膜4。金属膜4以已知方法通过气相沉积来施加，并由多个层组成：首先气相沉积约300nm厚的铝层，接着是约30nm厚的钛层和约100nm厚的银层。由此一方面保证金属结构和半导体之间良好的电的和机械的接触，另一方面保证金属结构低欧姆的横向线路电阻。
如在分图b)中可见，由此金属膜4一方面覆盖遮蔽层3，另一方面在由遮蔽层3空出的区域内覆盖太阳能电池1。
现在在下一个步骤中借助于激光束7、7′进行金属膜4的打孔，见图1分图c)，其结果表示在分图d)中：
通过激光束7的能量输入，在各个点8、8′上局部地使金属化层4气化。这里遮蔽层3的厚度和激光束7、7′的强度这样选择，使得一方面在打孔区8、8′内完全去除金属膜4，另一方面不会由于激光束7、7′损坏太阳能电池1或介电层2。这里激光束的脉冲能量选择成小于5μJ，以便避免由于激光束损坏太阳能电池。这里按照申请人的研究特别是2μJ的脉冲能量是有利的。
打孔借助于波长为355nm的三倍频Nd:YAG激光器来进行。激光器用脉冲激光束工作，其中脉冲长度在20ns至30ns的范围内。
现在在下一个步骤中将整个结构放入一溶剂浴内，使得特别是在金属膜4的在图1的分图e)中用箭头表示的开口8、8′处，溶剂5、5′直接穿过所述开口到达遮蔽层3并使它溶解。
用这种方法可以使遮蔽层3快速溶解，使得产生如图1的分图f)中所示的结构，亦即带有介电层2的太阳能电池1，该介电层在希望的留空部位处具有由金属膜4的余留区组成的金属化结构10。
图2中示出一带有特别简化表示的梳形金属化结构10的太阳能电池的俯视图：
太阳能电池1具有一梳形金属化结构10，由硅晶片组成的电荷载体可通过该金属化结构到达一(未画出的)接通点。
图2中的点给出沿预定线条的穿孔，其中例如以附图标记11、11′表示两条线条。在线条上借助本发明的方法部分地去除金属膜4。所示穿孔跟随线条行进，使得在金属化结构10边缘处得到金属膜的确定的剥落，所述线条距离由遮蔽层空出的区域、亦即金属化结构10以约500μm的恒定距离设置。
如图2中示意性示出的那样，典型的梳形金属化结构通常具有大量(80个以上)从在图2中位于下方的连接区出发在图2中向上延伸的“指状物”，其中所述指状物相互具有约为1200μm的距离，并具有约150μm的宽度。
Claims (15)
1.一种用于将由结构材料制成的预定结构施加在半导体组件上的方法，包括以下步骤：
A用遮蔽层部分地覆盖半导体组件的表面，
B将由结构材料制成的膜施加在遮蔽层上并在由遮蔽层空出的区域内施加在半导体组件的表面上，
C溶解遮蔽层连同位于遮蔽层上的结构材料，
其特征为：
在步骤B和C之间在步骤B2中部分地去除由结构材料制成的膜。
2.按权利要求1所述的方法，
其特征为：
在步骤B2中由结构材料制成的膜在其中已将所述膜施加在遮蔽层上的区域内被部分地去除。
3.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征为：
在步骤B2中对由结构材料制成的膜打孔，特别是，各个打孔区域具有一最多5000μm，特别是最多1000μm，尤其特别是最多500μm的最大距离。
4.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征为：
在步骤B2中沿至少一条预定的线条对由结构材料制成的膜至少打孔，特别是，沿至少一条预定的线条去除由结构材料制成的膜。
5.按权利要求4所述的方法，
其特征为：
所述预定的线条与所述预定结构的边缘的至少一部分的走势大致相符，其中所述预定的线条相对于所述预定结构的边缘具有一预定的、基本上恒定的距离，特别是，所述距离为0，尤其特别是在10μm至20μm之间。
6.按权利要求5所述的方法，
其特征为：
至少在所述预定结构的两侧上沿一线条对由结构材料制成的膜打孔或完全去除由结构材料制成的膜。
7.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征为：
在步骤B2中用机械方式部分地去除由结构材料制成的膜，特别是通过铣削去除所述膜。
8.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征为：
在步骤B2中用辐射的局部作用部分地去除由结构材料制成的膜。
9.按权利要求8所述的方法，
其特征是，
借助于激光器，特别是借助于Nd:YAG激光器，去除金属化结构。
10.按权利要求8或9所述的方法，
其特征为：
在步骤B2中将局部辐射选择成使该局部辐射具有小于5μJ、特别是约为2μJ的脉冲能量。
11.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征为：
遮蔽层包括光敏漆；步骤A包括以下步骤：
A1用光敏漆覆盖半导体组件的表面，
A2部分曝光光敏漆，
A3使光敏漆显影，
A4使光敏漆被曝光或未曝光的区域溶解。
12.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征为：
在步骤A中借助于丝网印刷或喷墨法施加遮蔽层。
13.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征为：
在步骤C中借助于二元酯或碱性溶剂，特别是借助于稀释的钾碱液，去除遮蔽层。
14.按上述权利要求之一所述的方法。
其特征为：
所述结构是金属化结构；在步骤B中由结构材料制成的膜是金属膜，特别是，所述金属膜借助于气相处理或喷涂来施加。
15.半导体层结构，包括
-半导体组件，
-遮蔽层，该遮蔽层部分地覆盖半导体组件的表面，
-由结构材料制成的膜，所述膜覆盖遮蔽层，并在由遮蔽层空出的区域内覆盖半导体组件，
其特征为：
由结构材料制成的膜具有开口区，所述开口区按权利要求1至14之一的方法产生。
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