CN102246313A - 半导体元件制造期间的定制金属化图案 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式涉及在多晶半导体衬底上沉积材料的系统和方法。该方法可包括检测多晶半导体衬底的特性；基于该衬底的特性产生线的定制图案的影像数据；及依据该定制图案的影像数据将来自一个或更多个喷嘴的材料沉积于该衬底上。该特性可包括该衬底的晶界及薄层电阻的空间变化和/或该衬底的少数载子寿命。

Description

半导体元件制造期间的定制金属化图案
背景技术
在光伏打太阳电池领域中，目标通常是以最低可能的价钱去传送给定的功率输出。这目标需要高效率及最小生产费用。由于原始材料将是费用的最大原因，可能的话想要使用的是多晶硅而非高纯度单晶硅。然而，使用多晶硅的缺点是它含有许多降低效率的缺陷及衬底的各种电气及物理特性的固有非一致性。
半导体元件，诸如光伏打电池现在是由非定制制程商业制造，其复杂、耗时、昂贵且不适于定制制造。特别是，太阳电池前表面(接收阳光的表面)上的金属化栅格的沉积制程是基于单一金属化图案，其并未考虑各个多晶衬底的独特特性。
例如，多晶衬底内的薄层电阻值在衬底的不同区域可能会有差异。本领域的技术人员熟知，在相当高的薄层电阻值时，金属化栅格的指状件(fingers)间的空间会比较低薄层电阻值时还小。因此，基于平均薄层电阻值设计的多晶衬底的金属化栅格并未具有效率且将导致电流的损耗。因此，将会考虑各个多晶衬底的独特特性的定制半导体元件的低成本生产方法是高度想要的。
附图说明
本发明的主题在本说明书的结论部分被特别地指明并清楚地请求。然而，就本发明的操作结构及方法两者，以及其目标、特性及优点而言，通过阅读下面的详细说明同时参考附图可以被最佳地了解，其中：
图1是依据本发明一些实施例的在半导体元件制造期间用于生产定制金属化图案的沉积系统的高阶方块图；
图2是依据本发明实施例的在半导体元件制造期间用于沉积材料于定制图案的方法的流程图；
图3是示出了有助于阐明本发明实施例的多晶半导体表面的晶界的例示图形；
图4是依据本发明实施例的多晶半导体表面上的例示定制金属化图案的图形；及
图5A及5B显示依据本发明实施例的在多晶半导体表面上产生例示定制金属化图案的方法。
将会了解，为说明的简便及清晰，图中的元件不一定会准确地或依比例绘制。例如，一些元件的尺寸为了清楚可相对于其他元件而被放大。再者，在考虑为适当的地方，元件编号在图之间可以重复以指示对应或类似的元件。再者，图中描述的一些方块可结合成为单一功能。
具体实施方式
在以下的详细描述中，将说明诸多特别的细节以提供对于本发明的全面了解。然而，本领域的技术人员将会了解，没有这些特别的细节，本发明也可以实施。在其他例子中，熟知的方法、步骤、组件及电路可以不被详细描述以避免模糊了本发明。
本发明实施例针对一种用于衬底上的定制材料沉积的方法及系统，其是基于在线实时确认及衬底各种特性的非一致性绘制。本发明的例示实施例针对一种于制造半导体元件期间，依据定制金属化图案在多晶半导体衬底或薄膜表面上施用金属化栅格的方法。例如，一种于用作光伏打电池(太阳电池)前表面的多晶半导体衬底上施用金属化栅格的方法。金属化图案通常施用于太阳电池的前表面(接收阳光的表面)以产生电气接触。依据本发明其他实施例，该方法可用于在半导体元件(诸如薄膜晶体管)内将由多晶半导体制作的薄膜施用于金属化栅格上。
本领域的技术人员应该了解，本发明实施例不限于此方面，而且依据定制金属化图案施用金属化的方法可被应用于其他用途。再者，本领域的技术人员应该了解本发明实施例也可应用于非金属材料沉积。为了说明容易及清晰，本发明实施例主要针对光伏打电池的前侧上的金属化网络的定制金属化图案而描述。
于此指称的术语“衬底”包括多晶半导体衬底以及含有多晶半导体的沉积薄膜两种。半导体衬底可包括例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)及铜铟镓硒(CIGS)、及其他半导体材料。
此方法可应用于使用按需要喷墨(drop-on-demand)沉积系统，诸如喷墨打印机的光伏打电池的大量生产。依据本发明的例示实施例，沉积系统可为国际专利申请案PCT/IL2007/001468(其并入此处作为参考)所描述的喷墨系统。然而，本领域的技术人员应明白，本发明实施例不限于此方面，且沉积系统可包括任何其他喷墨打印系统、悬浮微粒喷系统或分散器。
本方法可包括实时确认衬底的独特特性，至少基于该独特特性设计定制图案及依据该定制图案沉积金属化栅格。定制图案可基于最优化计算，该计算考虑一个或更多个衬底独特特性，特别是衬底内的非一致性或此种特性。可基于以下非穷尽列举特性中的至少一个确定定制图案：衬底晶界的位置、衬底薄层电阻的非一致性、元件的少数载子寿命图、衬底的大小及形状、及生产成本。
由于材料的多晶性质及材料内的杂质，多晶半导体衬底具有内在的不均匀特性。多晶半导体衬底的晶界为增强重组的区域。这个现象造成不想要的电流损耗及在这些区域内的加热，因而导致元件效率的降低。此外，制造过程可在衬底内生成另外的不均匀特性或空间变化，诸如，电气及/或物理性质的非一致性。例如，导致衬底内非一致离子扩散图案的离子扩散制程，在衬底的不同区域可引起非一致接合深度数值及/或薄层电阻数值。于加工期间的温度改变也可增加各种衬底特性的不均匀性。
依据本发明实施例，提供一种基于多晶半导体衬底独特不均匀特性的确认能够实时产生定制图案的沉积系统。现参考图1，其简要显示依据本发明实施例的例示沉积系统100。在一些说明的本发明实施例中，系统100可包括沉积单元或元件120，加工或控制元件130及一个或更多个检查或测量元件，这些统称为检查系统140。沉积单元120可为喷墨打印系统或任何按需要喷墨的打印系统。例示的喷墨打印系统可包括一个或更多个打印头，各个具有一个或更多个喷嘴，通过该喷嘴沉积材料(诸如导电墨水)可被喷射于衬底上。沉积单元120可为国际专利申请案PCT/IL2007/001468所描述的喷墨系统。如本领域的技术人员所了解，检查元件可以是独立的元件或可结合成为一系统。
至少为了确定衬底的正确形状及大小并绘制衬底的晶界的目的，测量或检查系统140可包括光学检测器150(诸如相机)以捕捉衬底的影像数据。本领域的技术人员应该了解，本发明实施例可应用于在单晶粒衬底上打印，绘制晶界的操作于此案例中即不相关。
检查系统140还可包括薄层电阻绘制单元160以绘制衬底内的发射体薄层电阻。薄层电阻绘制单元160可利用任何合适的方法执行发射体薄层电阻的测量，例如使用荷兰Petten的SunLab B.V销售的商标名为Sherescan的绘制单元执行4点扫描探测。本领域的技术人员应该了解，本发明实施例不限于使用此种元件且任何其他薄层电阻绘制单元也可被同样地使用。依据本发明实施例，薄层电阻绘制数据可通过使用例如匈牙利Budapest的SemiLab co.销售的产品运用任何非接触、非破坏性的测量方法收集。
除了薄层电阻绘制单元160之外或是替代薄层电阻绘制单元160，检查系统140还可包括少数载子寿命绘制单元170来绘制大部分光伏打电池中的少数载子寿命。少数载子寿命绘制单元170可使用任何合适的方法执行少数载子寿命的测量，诸如载子密度成像、光束诱发电流(LBIC)、光致发光、时间解析光致发光特性鉴定及其他等等。
加工或控制单元110可包括处理器130以接收来自检查系统140的数据并基于该接收的数据产生导电栅网格线的定制图案。加工单元可执行此处所述的方法。控制单元110包括用户接口105、存储器125及处理器130。控制单元可于一般用途的微电脑上执行。虽然此处呈现的控制单元是独立系统，但其不限于此，而是可以经由网络(未显示)结合至其他计算机系统(未显示)。控制单元110可包括存储媒体(诸如存储器125)，其可将含有用于实时产生定制图案的最优化算法的指令储存于其中。存储器125的实现可包括随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器及只读存储器(ROM)。用户接口705包括输入元件，诸知键盘或语音辨识子系统，其让用户得以与处理器710进行信息及命令选择上的沟通。用户接口105可包括一个或更多个输出元件(诸如显示器或打印机)，及一个或更多个输入元件(诸如键盘、鼠标、轨迹球或操纵杆)。控制单元110还可控制沉积单元120及沉积制程。
现参考图2，其为依据本发明实施例于制造半导体元件期间用于沉积材料于定制图案中的方法的流程图。依据一些实施例，若需要的话，例如显示高发射体薄层电阻及/或短少数载子寿命的区域，金属化栅格或金属化网络一般会沿着晶界的位置，于该处额外金属线可沉积于各个单晶内。
依据例示的本发明实施例，如图2方格210所示，该方法可包括实时地确认并绘制衬底的独特特性。确认衬底的独特特性可包括例如，确定衬底的真正形状及大小并绘制衬底晶界(方格210A)，测量并绘制衬底薄层电阻的差异(方格210B)，及测量并绘制衬底内少数电荷载子寿命的差异(方格210C)。
有多种用于确认多晶晶界的非破坏测量方法。依据本发明实施例，绘制衬底晶界可使用光学传感器，诸如高解析相机来执行。于捕捉影像数据之前，通过控制各种参数，诸如是否使用侧边照明、暗视野、光波长、偏极光、差分干涉对比及类似方式，照明的环境状况可被调整以达到最佳的影像。影像数据于半导体元件制程期间可被实时地捕捉。就由多晶衬底而非薄膜制成的光伏打电池而言，数据捕捉制程可在涂覆前的裸衬底上执行。就薄膜光伏打电池而言，由多晶材料制成的薄膜可沉积于衬底上，且数据捕捉制程可在其他薄膜的额外沉积(诸如通常施用至多晶半导体表面上的抗反射涂覆)之前或者之后执行。
衬底大小的确认及晶界的绘制可包括使用影像处理算法，诸如例如边检测、线检测、纹理分析与其他。例如，加工单元110可接收来自单元150的影像数据并处理这些数据来取得晶界绘制数据。图像处理算法可储存于加工单元110的存储器125中，或者在检查系统140内的另一加工单元中或在另外的外部加工单元中。影像处理可产生想要分辨率的衬底(晶圆)晶界图。该图可储存于加工单元110的存储器125中，且可被用作计算定制图案计算的输入项。
图3是有助于说明本发明实施例的显示多晶半导体表面的晶界的例示图。如显示的，例示衬底300包括随机位于衬底内的各种大小的晶粒。例如，晶粒310的区域粗估比晶粒320小10倍。
回到图2，确认衬底的独特特性可包括，例如，产生衬底薄层电阻分布的图(方格210B)。测量并绘制薄层电阻可以任何合适的方法，诸如4点扫描方法执行。依据本发明实施例，绘制方法可包括以电容探针测量、测量涡电流或光诱发的光伏打测量。薄层电阻图可被储存于加工单元110的存储器125中，且可被用作定制图案计算的输入项。
依据本发明实施例，确认衬底的独特特性可包括，例如绘制少数载子寿命于衬底内的分布(方格210C)。少数载子寿命的测量可以任何适当方法执行，其包括但不限于，载子密度成像、光束诱发电流、光致发光及时间解析的(time-resolved)光致发光特性鉴定。少数载子寿命图可被储存于加工单元110的存储器125中，及可用作定制图案计算的输入项。
依据本发明实施例，该方法可包括至少基于确认的衬底独特特性(诸如晶圆大小、晶界及薄层电阻及/或少数载子寿命)设计定制图案(方格220)。处理器130可执行最优化计算以决定最佳定制金属化图案，其至少基于接收来自单元150、160及170的信息而可使电流损耗降至最少及增加太阳电池的效率。例如，想要的定制图案可以预定想要的限制加以计算。依据一些实施例，该限制可以是金属化线盖住的全部区域及额外地或替代地为不超过想要值的金属化栅格的总长度。
最优化计算可决定光伏打电池中金属化线的图案，该光伏打电池就光伏打电池的光电流收集效能而言是最优化的。
最优化计算可基于额外的信息，诸如例如被金属化(阴影区域)的相对覆盖率。依据本发明实施例，最优化算法可形塑在多晶太阳电池前表面上的金属化网络，以及进一步地在此种金属化网络中的电流流动。然后，最优化演算法可计算太阳电池中的电流损耗与散热性。最优化计算可包括一个或更多个例如与成本考虑相关的限制。此种限制的一例为要被沉积材料的数量。演算法可计算在给予一定数量的欲沉积材料下，关于太阳电池效率的最佳金属化图案。该演算法可进一步计算在增加要被用作金属化栅格的材料数量的情况下，所预期的效率增加。这种方案使得制造者可以实时地决定每个晶圆或元件定制的最佳成本效益。依据本发明实施例，金属化图案可依据晶圆的精确大小而定制，以及可依据晶圆的真正大小而缩小产生或放大产生。
该计算可为开始于晶界上的线图案的迭代计算，如图3所示。晶界及金属化栅格之间相关联的动机来自增加太阳电池效率的愿望。这可被视为可随着多晶半导体内晶粒大小及形状的随机性，有效地制造随机形状的小单晶线太阳电池。然而，如果含小区域(小于想要阈值)的晶粒被金属化线环绕的话，效率会减少。因此，小晶粒(小于想要阈值)可以例如与其他相邻的小晶粒融合成为单一区域(如图5A及5B所示)，及额外的平行金属化线可被加入至少一些环绕区域内的图案中(如图4所示)。
定制图案可包括被金属化线晶体围绕的至少一些区域内的平行金属化线，各个界定一单晶。不同区域中的线间的间隔可以彼此不同。图4是依据本发明实施例的多晶半导体表面上的例示定制金属化图案，显示以金属化线之间的不同间隔图案化的两个区域。如显示的，例示衬底400包括随意散置于衬底内的各种大小的晶粒。例如，基于此处细述的检查方法，已经决定区域410比区域420对应较高的发射体薄层电阻。因此，区域410内的金属化线设计为较区域420内的线更为紧密，亦即区域410内各个线之间的距离较小，而区域420内相邻线间的距离较大。再者，例示衬底400可被定制，如此金属化线不会被加至某些被确定为含短寿命少数电荷载子的区域上，以经由重组使过多的电流泄漏最小化。当决定定制图案时，其他另外或者替代的考虑因素也可被列入考虑。
图5A及5B为具融合区域的例示金属化栅格图形，显示依据本发明实施例的于多晶半导体表面产生例示定制金属化图案的方法。如显示的，例示衬底500包括散置于衬底内的各种大小的晶粒。例如，晶粒510的尺寸大于阈值尺寸(区域)，然而晶粒520及530两者的尺寸小于阈值尺寸。依据本发明实施例，晶粒520及530融合成一大于阈值尺寸的区域540。融合制程可以重复进行，直到金属化网络不含任何小于阈值区域的区域。
依据本发明实施例，可以想要沉积于衬底上的导电材料数量作为限制而进行迭代程序。基于此想要的导电材料数量，处理器可选择哪一个小晶粒将留在金属化网络，及哪一个晶粒将被融合。例如，该程序可以基于导电材料的数量(考虑线的宽度及其高度)计算所需的网络总长度(L0)作为开始。在给定的迭代中计算所得的网络长度(L)与所需的总长度(L0)比较。若所需的总长度(L0)小于计算的长度(L)，网络中最小的晶粒与其最接近且最小的邻居融合，并重新计算新长度。在后续的迭代中，继续该程序并比较所需的总长度(L0)与新计算的长度(L)。该程序可以重复直到金属化网络所需的总长度(L0)等于或大于计算所得的长度。
依据本发明另一实施例，不是以总材料数量作为计算的限制，计算的基础为比较沉积材料的成本与光伏打电池的转换效率。光伏打电池的光电流收集效率基于薄层电阻及少数电荷载子寿命的测定参数可就给定的金属化网络加以计算。
依据本发明实施例，如图2方格230所述，该方法可包括沉积导电材料以在经检查的半导体衬底上依据定制图案形成金属化栅格。例如，最优化的金属化线图案可包括各种可变高度及宽度的线。各个线的高度及/或宽度可依据欲被该线所载的电流而设计。金属化栅格可设计成使金属线的电阻降至最低且不增加光伏打电池的阴影区域。线可被设计成以层状沉积而且层的数目可依据想要的高度决定。线的形状可被设计成具有锥形的或类似楔形的横截面。线的锥形横截面可使晶圆的阴影变得最小。此种线可增加太阳电池的效率，因为无法照到阳光的阴影区域减少。
金属线可被能够多次通过(multi-pass)打印的打印系统打印而产生较薄及较高的接触线，该接触线能够携带与标准较宽及“较短”接触相同量的电流。此种线可增加太阳电池的效率，因为无法照到阳光的阴影区域减少。
依据例示本发明实施例，用于收集电流的金属化栅格可比拟为叶内维管系统的结构。因此，定制图案可设计成具有不同的宽度及高度的金属化线，其中宽度及高度是依据想要流动通过金属化线的电流量的不同而变化。应该收集相当低电流的太阳电池区域可包括窄且短的线，这些可平均或随机地分布于该区域内，而且这些窄线可连接到较宽及较高的线以容纳想要流动通过它们的较大电流。金属化栅格还可包括想要携带较大电流的汇流线。依据其他本发明实施例，汇流线可从金属化图案排除。依据本发明实施例，任意地，金属化栅格在首次沉积操作之后可进一步检查。若需要的话，第二沉积制程可执行以更正被检查到的任何缺陷。
虽然本发明实施例的叙述是关于光伏打电池前表面上的金属化图案，本领域的技术人员应该了解本发明实施例也可用于背面接触金属化。
一些本发明实施例可在用于处理器为主的系统执行的软件中实施。例如，本发明实施例可以编码执行并可储存于储存媒体上，用于程序化系统以执行指令的指令储存于这些储存媒体上。储存媒体可包括，但不限于，任何形式的盘片，包含软盘、光盘、只读光盘存储器(CD-ROMs)、可擦写光盘(CD-RW)及磁光盘，半导体元件诸如只读存储器(ROMs)、随机存取存储器(RAMs)，诸如动态RAM(DRAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROMs)、快闪存储器、电可擦可编程只读存储器(EEPROMs)，磁性或光学卡，或适于储存电子指令的任何类型的媒体，包括可编程储存元件。
此种系统可包括元件诸如，但不限于，多个中央处理单元(CPU)或任何其他合适的多用途或特别处理器或控制器，多个输入单元，多个输出单元，多个存储器单元及多个储存单元。此种系统可另外包括其他合适的硬件组件及/或软件组件。
虽然本发明实施例是关于金属材料而描述，本发明并不限于此方面而是可以使用其他材料，诸如适于变更表面性质的材料、适于蚀刻的材料、适于钝化的材料、适于改变表面物理参数(诸如表面自由能或疏水性)的材料、含有玻璃熔块的材料、导电材料、绝缘材料、金属-有机化合物、酸类及它们的任何组合。
依据其他本发明实施例，上述的方法及系统可用于光刻法应用以设计依据半导体衬底特性而定制的最佳图案，以及在想要的区域执行直接选择性蚀刻。使用依据本发明实施例的方法可去除生产预先界定的光刻掩膜的需要，对于各元件或衬底而言，该掩膜不能定制。依据本发明实施例，上述的方法及系统可被用于另外的应用中，诸如产生用于电子束刻蚀装置的定制数据，基于进行再加工的衬底物理及电气特性的实时检测及确认的激光烧蚀装置或蚀刻装置。
虽然本发明的某些特征已经显示及描述于此，但本领域的技术人员可进行许多修改、取代、改变与均等更改。所以，应该了解的是附加的权利要求书想要涵盖所有的此等修改及变更，因为它们落入本发明真正的范围内。

Claims (15)

1.一种在多晶半导体衬底上沉积材料的方法，该方法包括：
将来自一个或更多个喷嘴的材料沉积于该衬底上以在该多晶半导体衬底上形成金属化线的栅格，其中该金属化线的至少一条具有可变的高度。
2.如权利要求1所述的方法，其中该金属化线的至少一条具有可变的宽度。
3.如权利要求1所述的方法，包括：
产生对应于该金属化线的栅格的影像数据，其中该高度依据想要被该线携带的电流流动的量设计。
4.如权利要求1所述的方法，包括：
检测该多晶半导体衬底的特性，该特性为该衬底的晶界、该衬底的大小及薄层电阻的空间变化或该衬底的少数载子寿命中的至少一个，其中该影像数据基于该衬底的特性而产生。
5.一种在多晶半导体衬底上沉积材料的方法，该方法包括：
检测多晶半导体衬底的特性，该特性为该衬底的晶界及薄层电阻的空间变化或该衬底的少数载子寿命中的至少一个；
基于该衬底的特性产生线的定制图案的影像数据；及
依据该定制图案的影像数据将来自一个或更多个喷嘴的材料沉积于该衬底上。
6.如权利要求5所述的方法，其中使用数字喷墨头执行所述材料的沉积。
7.如权利要求5所述的方法，其中产生该定制图案的影像数据包括执行最优化计算以确定该定制图案，其中该计算是利用有关该线的总长度的限制(constraint)来执行。
8.如权利要求5所述的方法，其中产生该定制图案的影像数据包括执行最优化计算以确定该定制图案，其中该计算利用有关相邻线之间空间的限制来执行。
9.如权利要求5所述的方法，其中产生该定制图案的影像数据包括执行最优化计算，以确定相对于该光伏打电池的光电流收集效能而言最优化的、光伏打电池中的金属化线的图案。
10.如权利要求5所述的方法，其中该定制图案代表金属化栅格，且产生该定制图案的影像数据包括基于想要被该线携带的电流流动的量确定该线的高度及宽度。
11.如权利要求5所述的方法，其中检测该衬底的特性及产生该影像数据是实时进行的。
12.如权利要求5所述的方法，其中沉积该材料于该衬底上产生用于从光伏打电池收集电流的导电接触的金属化栅格。
13.如权利要求5所述的方法，其中该线的横截面形成为楔形。
14.一种系统，包括：
检查系统，用于检测多晶半导体衬底的特性，其中该检查系统包括光学检测器，以检测物理特性，及测量单元，用于确认薄层电阻的空间变化或该衬底的少数载子寿命；
处理器，用于基于该衬底的特性产生线的定制图案的影像数据；及
打印头，用于依据该定制图案的影像数据将来自于一个或更多个喷嘴的材料沉积于该衬底上。
15.如权利要求14所述的系统，其中该处理器用于执行最优化计算，以确定相对于该光伏打电池的光电流收集效能而言最优化的、光伏打电池中的金属化线的图案。
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