CN101689569B

CN101689569B - 用于生产半导体器件特别是太阳能电池的金属背部触点的方法

Info

Publication number: CN101689569B
Application number: CN2008800237787A
Authority: CN
Inventors: 罗兰·特拉斯里; 斯蒂芬·威尔德; 刘健; 尤尔根·海因里希; 格哈德·瑞斯特
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: CN101689569A; KR20100046163A; TW200917502A; WO2009030374A1

Abstract

本发明涉及一种用于制造半导体器件的背部触点(21)的方法和用于实施所述方法的真空处理系统的使用方法，所述半导体器件特别是太阳能电池(20)，所述背部触点包括真空处理室中的衬底(22)背部上的金属层(24)。通过所述方法以及其使用方法，因为不需要用于旋转衬底(22)的处理系统，特别是可以省掉丝网印刷步骤，所以尤其是硅基太阳能电池(20)可以在连续工艺序列中以简单的方式设置有背部触点(21)，其中可以特别高效的和经济的设置所述工艺序列。

Description

用于生产半导体器件特别是太阳能电池的金属背部触点的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造半导体元件背部触点的方法，以及根据专利权利要求18的前置特征部分的用于实施所述方法的真空处理系统的使用方法，所述半导体元件特别是根据专利权利要求1的前置特征部分的太阳能电池。

背景技术

由于希望取得不同于化石燃料的能源供应，因为相信光电技术的重要性将进一步提高，所以光电技术引起人们极大的兴趣。虽然最近薄膜太阳能电池技术已经以不断增加的速度进行了研究，但是硅技术仍然创造了最大的收入。其原因不仅在于所述技术是最成熟的技术，还在于因为用所述技术能生产最有效率的太阳能电池。

在硅太阳能电池的制造中，目前执行下列步骤。第一步中，执行硅晶片的损伤修复和纹理化。第二步中，通过一种掺杂物(例如磷供体)的内扩散制造构成射极层的射极，所述掺杂物在硅晶片的表面之下沉积大约0.5μm。在制造所述射极的同时，生成SiO₂，所述SiO₂在第三步中通过蚀刻再被去除。之后，沉积SiN:H抗反射层，所述抗反射层是通过(PE)CVD(plasma enhanced，等离子增强)化学气相沉积或反应溅射工艺实现的。通过在后续的烧结步骤中扩散进入硅晶片的或扩散进入射极层的氢，所述SiN:H层用作钝化空穴的钝化层。在第四步中，在晶片的正面和背部上通过丝网印刷沉积触点，所述丝网印刷中在正面使用银浆(具有射极层的一侧)，在背部使用铝浆作为具有断路器的金属层，在所述金属层中加入银浆作为可焊层。在随后的第五步中，执行加热(烧结步骤)使触点硬化。从而，通过区域中正面上的SiN:H层压印所述银，在与银接触的所述区域中，银沉积到SiN:H层上和硅晶片上。从而，如上面已经描述的，通过氢的内扩散和空穴上的沉积同时执行所述正面空穴的钝化。在背部上，通过烧结步骤形成BSF(back surface field，背面电场)，所述背面电场因此还使得背部空穴钝化。所有这些都是通过铝扩散进入硅晶片执行的，从而形成Al-Si共晶。最终实现边缘绝缘来避免泄露电流，所述泄露电流例如由于晶片破碎引起。

如上所述，所述硅太阳能电池的背部触点通常由金属层或者可能包括阻挡层和可焊层制成。通常，背部触点的金属层目前是通过丝网印刷制造的。从而，给每个衬底分别提供背部触点是连续运行的真空处理系统中的大规模应用所需的，所述真空处理系统使太阳能电池的制造更经济，并且在所述真空处理系统中可同时给多个衬底镀膜。这意味着对于每个衬底需要执行单独的丝网印刷工艺。从而，所述真空处理系统的产量是有限的。此外，为了旋转衬底，需要专用处理系统，因此所述系统的成本增加而产量进一步减小。

此外，由于硬化层是多孔的，并且只有这样才呈现出点状触点，所以如此制造背部触点的不足是所使用的丝网印刷膏很贵并且所形成的触点质量差。对于金属层，需要大约30μm的层厚，从而薄晶片可以弯曲。因为存在减少晶片厚度的需求，所以这种影响变得更重要。因此晶片厚度确定为成本和效率之间的折衷，使得由于电荷载流子复合的损失维持到比较低，其中非常厚的晶片由于所需材料而很贵，非常薄的晶片由于复杂的制造而很贵，而效率一方面由用于吸收光线的足够大的层厚决定，另一方面由足够小的厚度决定。目前，晶片厚度优选的是200μm到250μm，其中弯曲将有不良影响。

发明内容

本发明的一个目的是提高具有金属背部触点的太阳能电池的制造中的真空处理系统的效率，从而尤其使丝网印刷步骤变得多余。因此，所述制造应该很经济的，尤其是经济上可行的，并且应该可能具有比目前的产量更高的产量。

所述目的是通过根据权利要求1的方法以及通过用于实施根据权利要求18的方法的真空沉积系统的使用方法实现的。所述目的的有益改进可以从各个从属权利要求得到。

根据本发明的用于制造在衬底背部上具有金属层的太阳能电池的背部触点的方法，特征在于在在线真空沉积系统中通过从靶材溅射或通过气相沉积来沉积所述金属层，其中沉积所述金属层前后，在衬底的正面和/或背部上沉积至少一个附加层。

对于小批量的硅太阳能电池，U.S.7071081 B2已经提出过在真空中沉积金属层。但是，所述沉积金属层不是在在线真空沉积系统中，而是专用于产生BSF(背部电场)，其中首先通过气相沉积或通过溅射沉积来沉积由铝制成的金属层，然后所述层用一组钒元素烧结和沉积。这三个工艺步骤必须在三个不同的设备中执行。因此，所述沉积方法同样不能经济的应用于在线运行的真空沉积设备中，此外，实际金属背部触点仍然必须通过丝网印刷实施。

从U.S.7071018 B2，进一步了解到硅太阳能电池已经在实验室规模实现了，其中在薄电介质SiO₂或SiN层上通过PVD沉积层厚大于或等于2μm的铝。所述SiO₂或SiN层一方面促进BSF的建立，另一方面避免掺杂扩散。但是，所述方法之所以不适合商业上有成本效率的产品，是因为为此需要硅晶片，所述硅晶片是根据浮区方法制造的。

通过根据本发明的方法，不再需要用于沉积背部触点的丝网印刷步骤，并且真空不是断续的，从而避免了不希望得到的氧化物的形成，并因此省去了后续清理步骤。

当用于沉积背部触点的沉积工具根据产品流动路线配置时，与用于在衬底正面上沉积所述层的沉积工具相对，不再需要复杂的处理系统来旋转衬底。因此，衬底不再需要旋转，但是可以从正反两侧沉积。这样，硅太阳能电池的制造过程的主要部分可以基本上在在线真空沉积设备中连续实施。

为了避免通过载具时对衬底的遮蔽，提供了一种有效的方法，即所述衬底放置在所述载具中大致点状支撑部上。

因此，所述衬底优选的沿着镀膜工具大致水平的运动。这样，因为所述衬底现在可以例如在传送辊上运动，所以可以使用设备，在所述设备中沉积工具与其沉积方向垂直对齐，并且在所述设备中执行水平衬底传送，从而简化了传送过程中对衬底的处理。

在特别有利的方法实施例中，金属层包括铝、银、钼和/或镍中的一种材料，或上述材料中一种或多种的混合物。这些材料由于其导电性，具有非常优异的接触特性。但是，因为铝成本低，优选的是使用铝。所述金属层应特别沉积到厚度为0.1μm到10μm，优选2μm。因为所述薄层的接触特性比通过丝网印刷工艺沉积的金属层的接触特性好很多，所以所述薄层是足够的。对于所述薄层和薄衬底，相对于晶片弯曲也不存在问题。

在衬底和金属接触层之间，沉积钝化层，所述钝化层由SiN:H、SiC:H、SiO₂:H或a-Si:H中的一种材料制成，优选的是SiN:H。此外，以一种有效地方式设置阻挡层，所述阻挡层例如由WTi制成。为了提高所述金属接触层的焊接性能，以一种有效地方式在所述层上沉积可焊层。所述层可具有银(Ag)、镍(Ni)、钒镍合金(NiV)、镍铬合金(NiCr)和铬(Cr)中材料形成的一个或多个层。因此，层也包括实施例，在所述实施例中不存在封闭表面层。可焊层也可具有结构，这意味着仅部分覆盖所述表面。

然后，还根据本发明的工艺沉积这些附加层，其中气相沉积和溅射沉积都是可以的，但是优选的是溅射沉积。

在优选实施例中，通过强烈的激光束部分熔化衬底实现衬底背部上金属层的接触，使得形成激光烧结场(laser fired contact，LFC)。当钝化层呈现在所述衬底和所述金属层之间的背部时，也可有利的应用这种方法。

在特别优选方法中，在衬底背部沉积至少一层的过程中，在衬底正面沉积至少一层。因此，在真空处理装置的至少一个真空处理室中设置相对的沉积工具，其中所述衬底移动到所述沉积工具之间。通过所述衬底限定了所述处理室分别的两个区域。因此，由于两层同时沉积在衬底上，所以物理体积大小和所述真空处理装置的成本可以降低，同时能增加产量。

在本实施例中必须确定所述沉积工艺不相互影响和妨碍。因此，例如当所述金属不相互影响时，多种金属可以同时气相沉积。此外，因为工艺气体和所述层材料不相互影响，所以可以溅射同样的层。但是，因为所述工艺气体气压在10^-4mbar或在10^-3mbar大不相同，所以所述层不能同时气相沉积或溅射。

对于本发明，为了沉积各种层，“在线处理”不一定意味着从一个真空室向另一个真空室物理传送衬底，还有通过不需要物理传送衬底的特别处理步骤的传送，这意味着在所述衬底正面或背部同时沉积层。也就是说，“在线”还意味着真空处理装置中的所述衬底传送进入真空处理室，放置在其中的一个位置，在正面和背部上的镀膜生效之后，再次离开所述真空室并可能离开所述真空装置。当然，在镀膜过程中也可以传送衬底。

当向特别定位在通用载具中的多个衬底同时提供金属层时，可以额外增加产量。

为了简化设备维护，至少一个镀膜工具可以设置在所述真空处理室的一个抽屉中。在抽屉装置中去除分别的抽屉后，不发生处理真空的中断，但是衬底还可以通过真空中分别的真空室传送。因此，所述真空处理室的传送区域可以相对于真空与可插入部分分开。

当气相沉积一层所述金属层时，所述金属可以优选设置为穿过真空通路到蒸发器的金属线。

另一方面，当气相沉积金属时，也使用了下列步骤：所述金属的蒸发器设置在后续的真空处理室中，在真空处理室中蒸发所述金属直到包含在第一蒸发器中的所述金属消耗完。当第一蒸发器中的所述金属消耗完时，用第二蒸发器蒸发其他真空处理室中的金属，而不需要中断气相沉积。然后，特别是当所述第一蒸发器设置在抽屉中时，可以维护第一蒸发器，之后，当第二蒸发器消耗完后，第一蒸发器可以继续蒸发，依此类推。从而，因为所述金属可以以这种方式蒸发而不需要中断沉积过程，所以增加了产量。

当实施溅射沉积取代气相沉积时，每个金属接触层优选的可以用至少一个可旋转的阴极溅射沉积。用所述可旋转的阴极与用例如静态平面阴极相比，产生了更多的长期恒定沉积条件。从而，特别的在DC溅射工艺中实施沉积，其中也可能是脉冲DC溅射或MF溅射(至少两个靶材的中频溅射)，并且尤其在衬底传送的同时可以动态实施沉积。

在优选实施例中，根据阴极的溅射额、所到达的金属层的厚度和真空处理装置要完成的产量选择阴极的数量。这意味着阴极的数量是与预定的层厚、溅射额和产量相适应的。当然，同时，通过调整溅射条件及溅射额和/或通过调整传送速度，也能适应产量。

阻挡层和可焊层也能用气相沉积或溅射技术沉积。但是，钝化层只能通过溅射沉积。

使用具有至少一个真空处理室的真空处理设备是独立要求保护的，其中所述真空处理设备包括用于实施上述过程的至少两个镀膜工具。

优选的，当真空处理设备具有大致水平的传送路径时，其中沉积装置和沉积工具垂直对齐。例如专利文本DE 10352143 A1和DE 10352144 A1中描述的真空沉积设备是合适的，其中所述专利文本和所述真空沉积设备整体通过引用结合于本发明公开的内容。

特别优选的，当真空处理装置包括至少一个抽屉部件时，所述抽屉部件可以可插入至少一个真空处理室的内部或可以从所述内部中拉出，其中镀膜工具设置在可插入部件处。这样，因为可以用特别简单的方法替换或维护镀膜工具，所以为本方法设置了模块化系统，在所述方法中减小了处理时间。特别的，对于例如上面描述的真空沉积，当两个蒸发器交替运行时，镀膜工具的处理时间可以完全省去，所述两个蒸发器设置在后续的真空处理室中，设置在可可插入的部件中。

从EP 1698715 A1中可以了解到分别的真空预处理装置，其中所述文本和其中所示真空处理系统通过引用整体结合于本发明公开的内容。

在特别优选的方法中，所述系统的至少一个真空处理室包括至少两个沉积工具，其中第一沉积工具指向将在真空处理系统中镀膜的一个或多个衬底的正面，而第二沉积工具指向背面。这样，如上所述可以优化所述系统的长度和其成本以及产量。在优选的方法中，至少一个可插入部件具有两个沉积工具，所述沉积工具分别指向衬底的正面和背面。因此，所述系统长度可以变得更短，所述两个沉积工具都可以通过所述可可插入的部件同时取出和维护。

对于特别简化的处理方法，规定了真空处理系统具有传送辊，在所述传送辊上(多个)衬底或用于多个衬底的载具可以通过所述真空处理系统传送。

附图说明

本发明在此参考两个实施例和附图详细说明，在所述附图中：

图1是用于实施根据本发明的方法的在线真空沉积系统；和

图2是根据本发明的工艺生产的太阳能电池。

具体实施方式

图1以纯粹示意图的形式示出了水平在线真空沉积系统1。所述系统1分成多个真空沉积室2、3、4、5、6、7、8和装载区域9以及卸载区域10，为了沿着所述系统1的延伸在传送辊上传送定位于载具(未示出)中的衬底(未示出)，使其通过特定的后续真空室2、3、4、5、6、7、8，所述系统具有设置在水平面(未示出)上的衬底传送系统，所述衬底传送系统通过传送辊实现，所述传送辊是机械传动的。

用于镀膜的真空室4、5、6具有可插入部件11、12、13，在所述可插入部件上设置与真空室相连的沉积工具14、15、16。此外，特别的真空泵(未示出)与每个沉积室相连，所述真空泵通常是涡轮分子泵。溅射源，例如溅射阴极和磁控管，还有热蒸发器等，适合作为沉积工具使用。设置所述可插入部件11、12、13保证了各个镀膜工具的快速维护和迅捷替换。

载具中容纳的单个或多个硅衬底随后载入传送辊上，并连续运动通过特别室2、3、4、5、6、7、8，随后具备了太阳能电池所必备的各层。当然，当衬底在镀膜过程中不这样传送时，也可能存在不连续的传送。

因此，通过定位在衬底传送路径上的指向垂直向下的沉积工具，执行所述层的沉积，所述层位于衬底正面。当通过溅射沉积所述层时，以所谓的“向下溅射”的模式执行所述沉积。但是，根据图1的实施例只示出了制造背部触点。通过沉积工具14、15、16轮流沉积用于太阳能电池的背部触点的金属层，所述沉积工具设置在衬底传送路径的下方，朝向垂直向上。当通过溅射沉积所述层时，以所谓的“向上溅射”的模式执行所述沉积。

为了减小系统的纵向伸缩以及同时为了增加产量，规定在所述室中还设置用于在正面沉积层的沉积工具(未示出)，在所述室中同时设置用于沉积背部触点的沉积工具。但是，如上所述，在此必须确定两种沉积工艺相互不影响或妨碍。例如，可以同时在衬底的正面或背部完成制造SiN:H层。然后，所述室的两个沉积工具设置在分别的可插入部件处，因此可以替换和维护。当溅射源轮流设置为沉积工具时，然后因此在室中同时执行“向下溅射”和“向上溅射”。对于连续衬底传送，两个沉积工具的沉积速率需要调整，使得根据传送辊上衬底的所述传送速度，在两侧动态取得分别所需的层厚。同时，也适应其他室的沉积工具的沉积速率，使得可以沿着系统内整个传送路径连续传送(多个)衬底。在不连续传送的情况下，不需要调整沉积速率。

在制造硅太阳能电池期间，完成对应于背部触点引入所述系统的硅衬底的沉积过程，使得在“向上溅射”工艺中一个或多个旋转阴极14、15、16在后续的室4、5、6中动态沉积钝化层、金属接触层、可能有的阻挡层(未示出)，以及最终为了提高背部触点的焊接性能，沉积硅衬底的背部上的可焊层。因此，每个镀膜室所述旋转阴极14、15、16的数量取决于沉积速率、所需的层厚和所需的产量，从而取决于所述系统的传送速度。在另一种实施例中(未示出)，大致如第一实施例中那样设置所述系统，其中用于沉积金属层和/或阻挡层和/或可焊层的沉积工具，不是溅射源，而是热蒸发器。所述热蒸发器设置在可插入部件中，提供了衬底背部的镀层。因此，可以给蒸发器提供金属，或者作为通过真空通路与空气封闭的金属线，或者优选的两个分别的蒸发器各自设置在后续室中的可插入部件中。当蒸发器的材料消耗完(通常在运行24小时后发生)，水平阀在分别的可插入部件上移动，所述水平阀将可插入部件与内有衬底运动的传送体分开。同时，用相邻室中的其它蒸发器开始沉积过程。这时可以释放并去除由所述阀分开的可插入部件，使得其中设置的空的蒸发器可以装备新的材料。

从而，通过一个或多个旋转阴极以“向上溅射”工艺再次沉积钝化层。还可以溅射阻挡层和可焊层，所述溅射代替了气相沉积，使得只有金属层是气相沉积的。

通过根据本发明的方法制造的太阳能电池20具有根据图2的背部触点21，所述背部触点构造成硅衬底22的衬底背部上的叠层系统，并具有钝化层23、金属接触层24和可焊层25的序列。所述钝化层由SiN:H、SiC:H、SiO₂:H或a-Si:H组成。所述金属层包括铝、银、钼和/或镍中的一种材料，优选的是铝。钝化层23优选由SiN:H制成，金属层24优选由铝制成。在可焊层25和金属层24之间，或许可以设置阻挡层(未示出)，所述阻挡层层例如由WTi制成。所述可焊层包括一个或多个层，所述层由Ag、Ni、NiV、NiCr和Cr、以及例如Ag/NiV的层序列中的材料制成，优选的是银。沉积金属层24之后，提供LFC步骤，在所述步骤中通过激光诱导熔化，金属层24在某些点与衬底22接触，从而在其中形成激光烧结触点。

选择气相沉积或溅射所述金属铝接触层24取决于实际所需的层厚和溅射工具的沉积速率。例如要生产LFC触点(激光烧结触点)时，需要几个μm的层厚，为此需要使用气相沉积。一方面，对于小于1μm的薄层，需要使用溅射。因此，由于厚度小于1μm，所以阻挡层和可焊层25优选也是溅射的。

此外，太阳能电池20具有射极层26，SiN:H钝化层27和由银制成的条形正面触点28，所述射极层通过掺杂材料的内扩散生成，所述掺杂材料例如是磷。沉积所述这些层也可以并入在线真空沉积系统1的工艺序列。

通过上面的描述，很显然通过根据本发明的方法以及通过根据本发明的真空处理系统使用方法，尤其是硅基太阳能电池可以简单的设置有用于背部触点的金属层，其中可以特别高效(高产量)和经济的设置工艺序列，因为可以省掉丝网印刷步骤，所以不需要中断真空。此外，因为减少了对晶片的操作，所以可以减小晶片缺陷率。

尽管本发明只详细说明了太阳能电池，很显然本发明还可以以有利的方式应用到其他半导体元件的背部触点。

Claims

1.一种用于生产半导体元件的背部触点(21)的方法，其中

所述背部触点(21)包括衬底(22)背部上的金属层(24)，

所述半导体器件(20)在所述衬底(22)的正面和/或背部具有额外层(23、25、27、28)，

通过沉积工具(14、15、16)设置所述金属层和所述额外层(23、24、25、27、28)，其中

在在线真空沉积系统(1)中由靶材(15)通过溅射或者通过气相沉积来沉积所述金属层(24)，

在沉积所述金属层(24)之后，在所述在线真空沉积系统(1)中沉积至少一个所述额外层(23、25、27、28)而无需中断真空，其中，所述至少一个所述额外层是可焊层(25)，所述可焊层包括Ag、Ni、NiV、NiCr或Cr中材料制成的一个或多个层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

提供所述沉积工具(14、15、16)，使得根据所述真空沉积系统(1)的产品流动路径设置用于在所述衬底(22)的背部上沉积所述金属层和所述额外层(23、24、25)的所述沉积工具(14、15、16)，

所述沉积工具(14、15、16)与用于在所述衬底(22)的正面上沉积所述额外层(27、28)的沉积工具相对。

3.根据权利要求1所述的方法，其中

所述衬底(22)沿着所述沉积工具(14、15、16)在水平路径中移动，使得所述沉积方向是垂直的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中

所述金属层(24)包括铝、银、钼和/或镍中的一种材料或材料混合物。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述金属层由铝组成，其中所述金属层沉积到0.1μm到10μm的厚度。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

在沉积所述金属层(24)之前沉积钝化层(23)，所述钝化层由SiN:H、SiC:H、SiO₂:H或a-Si:H中的一种材料制成。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述钝化层由SiN:H制成。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

在沉积所述金属层(24)之后，为了连接所述衬底的背部上的所述金属层(24)与所述衬底(22)，通过强激光束部分熔化所述金属层(24)，使得形成激光烧结触点(LFC)。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

在沉积所述金属层(24)之后，沉积阻挡层。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阻挡层由WTi制成。

11.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

在真空处理室中沉积至少两层，其中在所述衬底(22)的背部上沉积层的时候，在所述衬底(22)的正面沉积层。

12.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

在普通载具中设置多个衬底，同时所述衬底设置有所述金属层和所述额外层。

13.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

至少一个沉积工具(14、15、16)设置在真空处理室中的可插入部件(11、12、13)中，所述可插入部件形如抽屉。

14.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

至少两个镀膜工具设置在真空处理室中的可插入部件中，所述可插入部件形如抽屉。

15.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

金属层(24)、阻挡层和可焊层(25)中至少一者是气相沉积的，其中各自的材料设置为穿过真空通路进入蒸发器的金属线。

16.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

金属层(24)、阻挡层和可焊层(25)中至少一个所述层是气相沉积的，其中各自的材料分别在两个后续真空处理室中的第一和第二蒸发器中蒸发，所述材料在所述第一蒸发器中蒸发直到所述第一蒸发器中的材料消耗完，然后由所述第二蒸发器蒸发所述材料而无需中断各自的其他真空处理室中的气相沉积，当各自的第一蒸发器中的材料消耗完时，同时维护各自第一蒸发器。

17.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中

由至少一个旋转阴极(14、16)溅射所述可焊层(23、25)。

18.根据权利要求17所述的方法，在用于金属层的DC溅射工艺中溅射所述可焊层。

19.根据权利要求17所述的方法，其中

根据所述阴极的溅射额、所述可焊层将取得的厚度和真空处理系统所完成的产量确定阴极的数量。