CN102985240A - 微孔的产生 - Google Patents

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Abstract

一种用于在电介质材料或半导体的薄片材状工件（1）中产生多个孔（12）的方法和设备。穿孔点由HF耦合点（10）标记并借助HF能量软化，以便在该处实现介电击穿（11）。击穿（11）被加宽成孔（12）。

Description

微孔的产生
技术领域
本发明涉及在电介质材料或半导体的薄片材状工件中产生多个孔的方法，并且进一步涉及一种用于执行该方法的设备以及通过这种方法产生的产品。
背景技术
通过电产生的火花对塑料膜进行穿孔从US4,777,338已知。提供多个电极-对电极对，其间引入塑料膜并跨塑料膜释放高电压能量。通过水浴移除该膜，并且利用水浴温度来控制穿孔的尺寸。
用于在塑料膜中产生孔的另一方法从US6,348,675B1已知。在塑料膜插入电极之间的情况下，在电极对之间产生脉冲序列，第一脉冲用于在穿孔点处加热塑料膜，并且进一步的脉冲用于形成穿孔并对其构形。
从US4,390,774，从切割工件或焊接工件的意义，已知通过电方式处理非导电工件。将激光束引导在曝光期间移动的工件上，并且利用两个电极形成处理工件的电弧而将高电压施加至受热区域。在工件切割期间，其以可控的方式燃烧，或其电导率随温度增大，类似于对玻璃的切割。当要焊接工件时，另外地将反应性或惰性气体引导至受热区域，从而与工件或电极或焊剂反应。以此方式，可以切割玻璃、纸张、布料、纸板、皮革、塑料、陶瓷以及半导体，或者可以焊接玻璃和塑料，可以硫化橡胶以及可以热固化合成树脂。但是，设备本身太过于笨重，因此不能在工件中形成微孔。
从WO2005/097439A2已知一种在电绝缘基板的区域中形成结构、优选地形成孔或腔或沟道的方法，其中优选以热的形式或通过激光束将能量提供至该基板或区域，且将电压施加至该区域以在该区域处产生介电击穿。利用反馈机构控制该过程。能够相继产生独立的微孔，但是不能同时采用多个电极对。这是因为并联的高电压电极彼此相互影响且单独击穿吸引全部电流。
从WO2009/059786A1已知一种在电绝缘基板的区域中形成结构、特别是形成孔或腔或沟道或凹陷的方法，其中将存储的电能跨该区域释放，并且将优选为热的另外的能量提供至基板或该区域以提高基板或该区域的电导率，并且因此引发电流，其能量耗散在基板中，即转换成热，其中通过电流和功率调制元件控制电能的耗散速度。并未公开用于同时产生多个孔的设备。
WO2009/074338A1公开了一种在电绝缘或半导电基板的第一区域中引入介电和/或光学性质改变的方法，基板任选地具有导电或半导电或绝缘层，该基板的光学或介电性质由于基板温度的临时提高而不可逆转地改变，其中电能从电压源提供至第一区域以在不导致第一区域的材料喷出的情况下显著加热或熔化部分或全部第一区域，并且其中进一步任选地，提供另外的能量以产生局部加热并限定第一区域的位置。电能的耗散本身体现为基板中流动的电流的形式。通过电流和功率调制元件控制电能的耗散。通过该方法产生的基板表面的改变还包括在已经提供有石蜡的绝缘层或热熔粘合剂的硼硅酸玻璃或硅基板中产生孔。而且，在硅、氧化锆、蓝宝石、磷化铟或砷化镓中产生孔。部分地，通过在10.6μm波长处的激光束（CO2激光）辐射开始放电过程。还公开了一种孔的网格，但是其具有相对大的孔间距。没有公开同时产生多个孔的设备。
DE2830326A1公开了一种利用高电压脉冲用于膜状片材的超细穿孔的布置。针对用作电极和对电极，它们被布置在交错的行中并被依次成组地控制，同时片材通过传输辊穿过多行针阵列之间。为针阵列中各个相对的针对提供激励电路。
因此，从现有技术已经清楚怎样利用适当频率或脉冲形状的高电压电场对电介质材料箔和薄片材穿孔。材料的局部加热在要被穿孔的点处降低了电介质强度，因此所施加的场强足以使电流跨材料流动。如果如在玻璃、玻璃陶瓷以及半导体（以及许多塑料）的情况下，材料显示出随温度升高而显著增大的电导率，结果是材料中的穿孔沟道的“电热自聚焦”。穿孔材料越来越热，电流密度会增大直至材料被蒸发并且穿孔被“炸开”。但是，因为穿孔基于介电击穿，因此难以准确匹配击穿的所需位置。如公知的，闪蒸（flash）按照非常不规则的过程。
CPU芯片在其底面上的小区域上分布了几百个接触点。为了产生到接触点的供电线，采用薄片材（<1mm），即被称为“中介片（interposer）”的涂覆有环氧材料的纤维玻璃垫，供电线穿过其延伸。为此，在中介片中设置几百个孔并填充导电材料。典型孔尺寸范围是每个孔250至450μm。在CPU芯片和中介片之间在长度上不应有任何改变。因此，中介片应展现出类似于芯片的半导体材料的热膨胀形式，但是现有采用的中介片不是这种情况。
在太阳能技术中，为了制造太阳能电池，在硅晶片中钻多个孔（取决于所采用的技术，从10至100或几万量级的孔），以便在后续工艺步骤中扩展从背面接触到对应的太阳能电池的正表面的微细指状物。利用掩模和蚀刻技术产生该孔，其并不特别适用于产生具有光滑孔壁（回火抛光）以及高长宽比（片材厚度比孔直径）的圆柱形孔。还已知通过激光钻孔在太阳能电池板中产生孔，但这过于昂贵。
现有技术中还缺乏在孔间间距范围是120μm至400μm，并且利用电热穿孔工艺的情况下，以工业规模制造彼此相邻的多个微孔。
发明内容
本发明的目的是提供一种在如果需要满足以下条件的情况下，在电介质材料或半导体的薄片材状工件中产生多个孔的方法和设备：
孔必须被精确定位（±20μm）。
必须能够在孔间紧密容限的条件下使每个工件容纳多个小孔（从10个至几万个）。
孔间间距可能小（30μm至1000μm）。孔应当在工业规模上可生产。
根据本发明的方法应当特别适用于产生具有以下性质的“玻璃中介片”：
-玻璃中介片应当具有多个孔，例如约1000和5000之间。
-孔直径应当范围是从20μm至450μm，从50μm至120μm的范围是优选的，并且长宽比（玻璃厚度比孔直径）为从1至10。
-必须能够满足孔的中心间距离范围是120μm至400μm。
-孔应被构形为孔的入口和出口处具有圆形边缘并且在片材内为圆柱形。
-任选地，可以允许孔边缘周围的熔珠（bead）具有不超过5μm的熔珠高度。
-孔壁应当是光滑的（回火抛光）。
此外，该方法应当允许产生通常包括片材厚度为0.12至0.3mm且片材边缘长度从125至250mm的硅晶片并将设置多个孔（10至几万个）的太阳能电池。孔应当具有范围为50至200μm的直径。孔壁应当是光滑的（回火抛光）。
根据本发明的方法可以分两步执行。首先，可以在意图穿孔点处产生介电击穿，并且在第二步中，可以加宽这些介电击穿。
为了精确标记介电击穿的位置，将耦合材料以点的形式印刷至相应工件的意图穿孔点。例如通过加热活化耦合材料。或将印刷的工件引入板形HF电极之间，并且HF能量的输出致使耦合材料的点之间的工件的更强加热，直至工件在该处变软，由此降低对电击穿的抵抗。现在当跨电极施加高电压时，在耦合点处造成介电击穿。
在电介质材料由玻璃或玻璃状的材料构成的情况下，玻璃浆料可以用作耦合材料，其在经受HF能量时展现出高电介质损耗。在玻璃、玻璃状材料或半导体材料的情况下，具有导电成分的浆料同样可用作耦合材料。这种浆料可以包含金属粒子，或者金属粒子可以由热和/或化学过程的作用而被释放。这些导电成分可以形成用于在意图穿孔点处提供高频能量的相应的微天线，这对于介电击穿的快速发展是有用的。
在进一步处理中，扩大所产生的介电击穿。为此，可以采用击穿沟道的电热自聚焦的方法，即通过连续施加适当频率或脉冲形状的高电压实现完成要形成的相应孔。
但是，同样可以通过化学方式扩大上述孔。在玻璃或玻璃状材料的工件的情况下，提供类似卤素的反应气体致使介电击穿的区域中的硅的消耗，这使得玻璃的软化点向更低温度移动，由此加速材料的腐蚀。还可以利用等离子体化学方法，即通过深反应离子蚀刻方法加宽孔。可以采用蚀刻和钝化的交替循环。在玻璃工件的情况下，可以利用CF4气体或SF6气体实现蚀刻，并且利用C4F8气体实现钝化。
孔的加宽可以与产生介电击穿一起在组合设备中实现，但是也能够利用用于产生介电击穿和用于加宽的分离的设备。在任何情况下，将反应气体以射流形式引导至形成中的孔的位置是有利的。一旦已经形成了孔，吹扫气体用于移除被腐蚀的孔材料。
用于实施上述方法的设备包括两个相互平行的板，其限定用于工件的处理空间。这些平行板可以同时分别形成HF电极以及HF对电极。工件保持件在处理空间中的正确位置处支撑工件。提供HF发生器以将高频能量提供至电极-对电极对，并加热提供在意图穿孔点处的HF耦合材料。在这些加热点处，降低了材料的电介质强度，使得在将高电压施加至电极-对电极对时，在意图穿孔点处触发介电击穿。
如果要采用介电击穿的化学加宽，则设备包括朝工件的意图穿孔点对准的喷嘴孔，喷嘴孔连接至气体供应管线。此外，气体抽吸装置连接至处理空间以排放多余气体以及被腐蚀的穿孔材料。
附图说明
以下将参考附图说明本发明的示例性实施例，其中：
图1示出用于在薄片材状工件中产生介电击穿的设备；以及
图2示出用于加宽介电击穿的设备。
具体实施方式
图1示意性示出用于在电介质材料或半导体的薄（<1mm）片材状工件1中产生介电击穿11的设备。工件1已在意图穿孔点处被印刷有点形式的耦合材料10，其可以利用印刷工艺根据要形成的孔的局部坐标而以高精度方式实现。
设备包括两个相互平行的电极2、3，该电极2、3可通过HF发生器9供电。电极之间的中间空间形成处理空间23，在处理空间23中通过工件保持件5支撑工件1。电极2、3可以具有板状或环形电极凸起6、7，它们（与附图对比）与耦合点10紧密相邻或甚至略微接触。为此，工件保持件5允许基于坐标精确转移工件1，使得电极凸起6、7与HF耦合点10对准。
在玻璃中介片用作工件1的情况下，耦合点10具有从20μm至450μm、优选地从50μm至120μm范围的直径，并且工件1的厚度小于1mm。耦合点10之间的中心间距离范围从120μm至400μm。点的数量范围可以从10至10,000。
在设备操作期间，使工件1经受高频能量，使工件1一般地被加热，但是特别是在耦合材料的点10之间的材料区域中被加热。这致使材料的电介质强度降低，这种电介质强度的降低在相反的耦合点10之间的中间区域中最为明显。随后来自发生器9的适当的高电压使得跨这些耦合点10发生介电击穿11。
当利用多个高电压脉冲实施该方法时，击穿11的区域中的材料越来越热，电流密度增大直至材料蒸发并且介电击穿加宽成孔12。被腐蚀的穿孔材料可以通过吹扫气体移除，吹扫气体经由供应和排放通道22、33被引入和排放。
对于制造单晶或多晶太阳能电池（厚度约0.2mm，边长约150mm），采用硅半导体晶片片材，在其正面上具有SiN层。该正面在意图穿孔点（从10至10,000以上的孔；孔直径从50至200μm）处被印刷有浆料，该浆料包括PbO或BiO成分。例如在炉中加热被（一侧）印刷的半导体晶片，由此使PbO或BiO与SiN层反应并释放Pb或Bi金属，这可以用作用于电热穿孔的局部天线并且随后用作Si电池中的金属接触。已经结合图1中的耦合点10说明了局部天线的效果。
图2示意性示出用于化学加宽工件1中的介电击穿11的设备。该设备类似于图1中所示的设备，处理空间23由两个板26和27限定，该两个板26和27与工件1以近间距布置（与附图对比），且它们具有相对于要对准的穿孔点10相互对准的喷嘴20、30。为此，提供工件保持件5，其基于坐标可微调。导管和管道系统22、33允许将反应气体和吹扫气体引导至工件1的穿孔点10。
图2的设备如下操作：
假设工件1由具有小于700ppm的碱含量的玻璃制成，其因为膨胀系数而适用于产生中介片。通过深反应离子蚀刻，介电击穿11形成为微孔12。为此，诸如CF4或SF6的蚀刻气体以及诸如C4F8的钝化气体借助喷嘴20、30被交替引导至穿孔点或已经存在的介电击穿11处，同时，以卤化硅气体形式的被腐蚀的穿孔材料经由处理空间23移除。在工件1的两侧夹紧蚀刻掩模以覆盖意图穿孔外部的区域。能够交替切换通过喷嘴20的气流以及通过喷嘴30的气流，以便提供孔12，孔12被形成为在其中心部分具有均匀圆柱形，同时沟道形孔12的入口和出口处的边缘被磨掉。以此方式，以如最终制造的中介片所需的形状来产生孔12。
腐蚀性和钝化气体之间的气体的快速更替以及高气体流率导致可以达到20μm/min的增加的蚀刻速率。因此，等离子体化学方法适于用于诸如中介片的工业批量产品的孔的工业生产。
可以组合图1和2中所示的设备。图2中所示的喷嘴板26和37被形成为高频电极2和3，并且电极凸起6和7被设计成环形以用于容纳喷嘴20和30的相应出口。类似于图1，一旦已经相对于电极2、3正确定位了工件1，则电极板2、3可以设置为在其凸起6、7的区域中非常接近耦合材料点10。
操作极大地对应于如参考图1和2说明的上述方法流程。但是可以在工件1经受HF能量的同时提供反应气体，特别是因为在更强的加热位置10处希望硅快速消耗，并且卤化硅气体从形成孔的区域逸出，预期的穿孔点采用较低熔点（共晶，用于玻璃熔体的熔剂），并且加速材料的移除，这部分地因为与分别实施介电击穿和加宽相比，介电击穿发生得更快。

Claims (20)

1.一种用于在电介质材料或半导体的薄片材状工件（1）中产生多个孔（12）的方法，包括以下步骤：
a）对相应工件（1）在意图穿孔点处印刷有以点形式的耦合材料（10）；
b）将印刷的工件（1）引入处理空间（23）中；
c）活化所述耦合材料（10）以产生穿孔开始点；
d）在电极（2、3）之间产生高电压以在所述穿孔开始点处产生介电击穿（11）。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中在步骤a）中，所述工件（1）的两个表面都印刷有HF耦合材料；
其中在步骤b）中，板形HF电极（2、3）位于所述处理空间（23）两侧；
其中在步骤c）中，所述工件（1）经受HF能量，所述HF能量主要加热以点形式施加的所述HF耦合材料（10）直至该处的工件材料软化，并且
其中在耦合材料的相反的点之间的软化的区域在执行步骤d）时形成穿孔开始沟道。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述工件（1）由玻璃、玻璃状材料或半导体材料制成，并且其中所述耦合材料（10）包括在经受高频能量时展现高电介质损耗的玻璃浆料。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述工件（1）由玻璃、玻璃状材料或半导体材料制成，并且其中所述耦合材料（10）是具有导电成分的浆料。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中所述浆料包括金属粒子。
6.根据权利要求4所述的方法，
其中所述浆料由于热和/或化学处理而释放金属粒子。
7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的方法，
其中所述工件（1）是太阳能电池的一部分，并且所述工件（1）的一个表面设置有SiN涂层，耦合材料与所述SiN涂层在活化时进行化学反应，以形成用于所述太阳能电池的金属接触点。
8.根据权利要求4至7中的任何一项所述的方法，
其中所述耦合点（10）用作用于提供的高频能量的微天线以导致所述介电击穿（11）。
9.根据权利要求1至6中的任何一项所述的方法，
其中，在玻璃工件的情况下，通过提供包含卤素的反应气体，在介电击穿（11）的区域中实现Si的消耗。
10.根据权利要求8或9所述的方法，
其中通过深反应离子蚀刻来实现所述介电击穿（11）到孔（12）的加宽。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中通过利用CF4气体或SF6气体的蚀刻以及利用C4F4气体的钝化的交替循环来实现到孔的加宽。
12.根据权利要求8至11中的任何一项所述的方法，
其中将所述反应气体和/或吹扫气体引导至形成中的孔的位置。
13.根据权利要求1至12中的任何一项所述的方法，
其中在第一步骤中，在所述工件（1）中产生介电击穿（11），并且在第二步骤中，将所述击穿（11）加宽成孔（12）。
14.一种用于执行根据权利要求1至13中的任何一项所述的方法的用于在电介质材料或半导体的薄片材状工件（1）中同时产生多个孔（12）的设备，所述工件（1）在意图穿孔点处设置有以点形式的耦合材料（10），所述设备包括以下特征：
-两个相互平行的电极板（2、3；26、37），所述电极板（2、3；26、37）限定处理空间（23），形成电极（2）和对电极（3）；
-工件保持件（5），所述工件保持件（5）用于在所述处理空间（23）中定位所述工件（1）；
-发生器（9），所述发生器（9）用于将高电压能量提供至所述电极-对电极对（2、3），以在意图穿孔点处导致介电击穿（11）。
15.根据权利要求14所述的设备，
其中高频电压能够被施加至所述电极-对电极对（2、3）以在所述意图穿孔点处加热所述耦合材料（10）。
16.根据权利要求14或15所述的设备，
其中平行的电极板（2、3；26、37）对具有朝所述意图穿孔点对准的喷嘴孔（20、30），所述喷嘴孔可连接至气体供应管线（22、33）。
17.根据权利要求14至17中的任何一项所述的设备，其中用于中性气体和/或气体抽取装置的冲洗通道连接至所述处理空间（23）。
18.一种玻璃中介片，包括：
玻璃基础基板，所述玻璃基础基板具有小于700ppm的碱含量；以及
根据权利要求1至13中的任何一项所述的方法产生的孔，并且所述孔的直径范围从20μm至450μm，并且具有回火抛光质量的孔壁。
19.一种太阳能电池面板，包括：
由涂覆有SiN的硅制成的基板；以及
根据权利要求1至13中的任何一项所述的方法产生的孔，并且孔直径范围从50至200μm。
20.根据权利要求19所述的太阳能电池面板，其中SiN涂层被设置在硅基板的一个表面上，并且其中产生孔的工艺开始于通过与所述SiN涂层的反应而在穿孔处形成金属接触点。
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