DE102006003607A1 - Verfahren und Vorrichtung zur lokalen Dotierung von Festkörpern sowie dessen Verwendung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Dotierung und gegebenenfalls Metallisierung von Festkörpern über ein Flüssigkeitsstrahl-geführtes Laserverfahren. Dabei kann die Oberfläche des Festkörpers zunächst lokal dotiert werden, indem ein Flüssigkeitsstrahl enthaltender Dotierstoff durch Laserstrahlung eingetrieben wird. Anschließend kann optional durch Verwendung einer metallhaltigen Flüssigkeit und gleichzeitige Einwirkung von Laserstrahlung eine dünne Metallschicht auf der Oberfläche erzeugt werden, die beispielsweise als Keimschicht für eine nachfolgende Galvanik dienen kann.
Description
- Die Erfindung betrifft die Dotierung und gegebenenfalls Metallisierung von Festkörpern über ein Flüssigkeitsstrahl-geführtes Laserverfahren. Dabei kann die Oberfläche des Festkörpers zunächst lokal dotiert werden, indem ein Flüssigkeitsstrahl enthaltener Dotierstoff durch Laserstrahlung eingetrieben wird. Anschließend kann optional die Verwendung einer metallhaltigen Flüssigkeit und gleichzeitige Einwirkung von Laserstrahlung eine dünne Metallschicht auf der Oberfläche erzeugt werden, die beispielsweise als Keimschicht für eine nachfolgende Galvanik dienen kann.
- Stand der Technik für Dotierungsverfahren in der Mikroelektronik ist eine lokale Dotierung durch photolithografisches Strukturieren einer aufgewachsenen SiO2-Maske mit nachfolgender ganzflächiger Diffusion in einem Diffusionsofen. Die Metallisierung wird durch Aufdampfen auf eine photolithografisch definierte Lackmaske mit nachfolgender Lösung des Lacks in organischen Lösemitteln erreicht. Dieses Verfahren hat den Nachteil eines sehr großen Aufwandes, des hohen Zeit- und Kostenbedarfs sowie der ganzflächigen Erhitzung des Bauteils, die eventuell weitere vorhandene Diffusionsschichten verändern sowie die elektronische Qualität des Substrats verschlechtern kann.
- Eine lokale Dotierung kann auch über Siebdruck einer selbstdotierenden (z.B. aluminiumhaltigen) Metallpaste mit nachfolgendem Trocknen und Feuern bei Temperaturen um 900°C erfolgen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die hohe mechanische Belastung des Bauteils, die teuren Verbrauchsmaterialien sowie die hohen Temperaturen, denen das gesamte Bauteil ausgesetzt wird. Weiterhin sind hiermit nur Strukturbreiten > 100 μm möglich.
- Ein weiteres Verfahren („vergrabene Basiskontakte") nutzt eine ganzflächige SiNx-Schicht, öffnet diese lokal mittels Laserstrahlung und diffundiert dann die Dotierschicht im Diffusionsofen. Durch die SiNx-Maskierung bildet sich nur in den lasergeöffneten Bereichen eine dotierte Zone. Die Metallisierung wird nach dem Rückätzen des entstehenden Phosphorsilikatglases (PSG) durch stromlose Abscheidung in einer metallhaltigen Flüssigkeit gebildet. Nachteil dieses Verfahrens ist die durch den Laser eingebrachte Schädigung sowie der notwendige Ätzschritt, um das PSG zu entfernen. Zudem besteht das Verfahren aus einigen Einzelschritten, die viele Handling-Schritte erforderlich machen.
- Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Dotierung von Festkörpern bereitzustellen, bei dem eine Schädigung des Substrates, z.B. eine Kristallschädigung, vermieden werden kann und gleichzeitig die thermischen Belastungen gegenüber dem Festkörper möglichst reduziert werden. Gleichzeitig soll das Verfahren einfach und schnell zu handhaben sein.
- Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die hiernach hergestellten Festkörper mit den Merkmalen der Ansprüche 16 und 17 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 21 und 22 werden erfindungsgemäße Verwendungen aufgeführt.
- Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur lokalen Dotierung von Festkörpern bereitgestellt, bei dem mindestens ein auf die Oberfläche des Festkörpers gerichteter und mindestens einen Dotierstoff enthaltender Flüssigkeitsstrahl über zu dotierende Bereiche der Oberfläche geführt wird, wobei die Oberfläche vorher oder gleichzeitig durch einen Laserstrahl lokal aufgeheizt wird.
- Die Erfindung basiert darauf, dass der Laserstrahl ebenfalls am Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls auftrifft und in diesem Bereich den Festkörper bzw. die Oberfläche des Festkörpers lokal erhitzt. Damit können innerhalb dieses begrenzten Bereiches die für die Diffusion im Festkörper notwendigen Temperaturen erzeugt und der Dotierstoff eingetrieben werden. Da die Diffusion bei geringen Temperaturen nur extrem langsam erfolgt, wird somit nur im Bereich der auftreffenden Laserstrahlung eine Dotierung des Festkörpers erreicht, während in den angrenzenden Bereichen des Festkörpers keine Veränderung erzeugt wird.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Kristallschädigung bei der lokalen Dotierung vermieden, da durch die Laserstrahlung die Oberflächentemperatur unterhalb des Schmelzpunktes gehalten werden kann. Weiterhin wird eine Temperaturbelastung des gesamten Festkörpers vermieden.
- Vorzugsweise weist der Flüssigkeitsstrahl einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 100 μm auf. Auf diese Weise kann eine möglichst präzise Auswahl der Aufheizungsbereiche garantiert werden. Der Flüssigkeitsstrahl ist dabei vorzugsweise laminar.
- Hinsichtlich der im Flüssigkeitsstrahl enthaltenen Dotierstoffe sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Dotierstoffe einsetzbar. Besonders bevorzugt werden hier Phosphorsäure eingesetzt.
- Eine besonders einfache Durchführung des Verfahrens lässt sich realisieren, wenn der Laserstrahl in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt wird. Der Laserstrahl kann dann auf besonders effektive Weise durch Totalreflexion in den Flüssigkeitsstrahl geführt werden, sodass dieser als Lichtleiter fungiert.
- Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf beliebige Festkörper anwenden, wobei solche aus Silicium, Glas, Keramik, Kunststoffe und deren Verbunde bevorzugt sind.
- In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgesehen, dass vor der Dotierung eine Mikrostrukturierung der Oberfläche des Festkörpers durchgeführt wird. Dies lässt sich da durch realisieren, dass anstelle der den mindestens einen Dotierstoff enthaltenden Flüssigkeit eine mindestens eine das Festkörpermaterial ätzende Verbindung enthaltende Flüssigkeit verwendet wird. Diese Variante ist besonders bevorzugt, da in der gleichen Vorrichtung zunächst die Mikrostrukturierung und durch den Austausch der Flüssigkeiten anschließend die Dotierung durchgeführt werden kann. Alternativ kann die Mikrostrukturierung auch mittels eines Aerosol-Strahls durchgeführt werden, wobei bei dieser Variante nicht zwingend Laserstrahlung erforderlich ist, da vergleichbare Ergebnisse dadurch erreicht werden können, dass das Aerosol bzw. dessen Komponenten vorgeheizt werden.
- Bei der Mikrostrukturierung wird vorzugsweise eine Flüssigkeit eingesetzt, die als ätzende Verbindung Phosphorsäure enthält.
- Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft einen zusätzlichen Metallisierungsschritt. Hierfür wird im Anschluss an die Dotierung eine Metallisierung der dotierten Oberflächenbereiche durch Austausch der den Dotierstoff enthaltenden Flüssigkeit durch eine mindestens eine Metall-Verbindung enthaltende Flüssigkeit durchgeführt. Auch hier ist es wieder besonders einfach, durch Wechsel der entsprechenden Flüssigkeiten die Verfahrensschritte der Dotierung und Metallisierung sequentiell in der gleichen Vorrichtung durchzuführen.
- Vorzugsweise wird bei der Metallisierung als Metall-Verbindung eine Verbindung aus der Gruppe der Metalle bestehend aus Silber, Aluminium, Nickel und Chrom eingesetzt. Besonders bevorzugt wird als Metall-Verbindung Silbercyanid und dessen Lösungen verwen det.
- Wird bei der Metallisierung ein Laserstrahl eingesetzt, so kann dieser die Metallisierung im Bereich des Auftreffpunkts des Flüssigkeitsstrahls auf der Oberfläche katalysieren. Die Metallisierung kann dabei so lange fortgeführt werden, bis die gewünschte Gesamtstärke erreicht ist oder aber nach dem Aufwachsen einer wenige Nanometer dünnen Schicht gestoppt und im Anschluss galvanisch verdickt werden.
- Die zuletzt beschriebene Variante ermöglicht ein Gesamtverfahren, bei dem z.B. ein Silicium-Wafer in einer einzigen Bearbeitungsstation nur unter Austausch der eingesetzten Flüssigkeiten strukturiert, dotiert und metallisiert werden kann.
- Erfindungsgemäß wird ebenso eine Vorrichtung zur lokalen Dotierung von Festkörpern eingesetzt, die eine Düseneinheit mit einem Fenster zum Einkoppeln eines Laserstrahls, eine Laserstrahlquelle, eine Flüssigkeitszufuhr für eine Dotierstoffe-haltige Flüssigkeit und eine auf eine Oberfläche des Festkörpers gerichtete Düsenöffnung umfasst.
- Das Einkoppeln des Laserstrahls in den Flüssigkeitsstrahl erfolgt dabei vorzugsweise durch ein zur Strahlrichtung des Flüssigkeitsstrahls senkrecht orientiertes Fenster in der Düseneinheit. Das Fenster kann dabei auch als Linse zum Fokussieren des Laserstrahls ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine von dem Fenster unabhängige Linse zum Fokussieren oder Formen des Laserstrahls verwendet werden. Die Düseneinheit ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die Flüssigkeit von einer Seite oder von mehreren Seiten in zur Strahlrichtung radialer Rich tung zugeführt wird. Typischerweise wird die Flüssigkeit, unabhängig davon, ob bei der Mikrostrukturierung, Dotierung oder Metallisierung ein Druck von 20 bar bis 500 bar entsteht, zugeführt. Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Düseneinheit und die Laserstrahlquelle mit einer Führungsvorrichtung zum gesteuerten Führen der Düseneinheit über die zu dotierende Oberfläche gekoppelt sind.
- Eine zweite ebenso bevorzugte Variante sieht vor, dass die Düseneinheit und die Laserstrahlquelle stationär sind und der Festkörper wiederum mit einer Führungsvorrichtung im Verhältnis zur Düseneinheit und der Laserstrahlquelle gesteuert wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren findet Verwendung zur lokalen Dotierung und gegebenenfalls Metallisierung von Festkörpern. Ebenso findet die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Variante auch Verwendung für einen Gesamtprozess aus Mikrostrukturierung, Dotierung und Metallisierung von Festkörpern.
- Anhand des nachfolgenden Beispiels und der Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigte spezielle Ausführungsform einschränken zu wollen.
- Beispiel
- Vorderseitenmetallisierung von Silicium-Solarzellen auf p-Typ-Silicium.
- Es werden zwei Bearbeitungsköpfe nacheinander zum Strukturieren + Dotieren bzw. Metallisieren eingesetzt. Im ersten Bearbeitungsschritt wird Phosphor säure als Flüssigkeit zusammen mit einem frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser eingesetzt, um eine lokale Hochdotierung mit Phosphor zu erreichen. Nachfolgend enthält der zweite Bearbeitungskopf eine übliche Silbergalvanik-Lösung (z.B. Silbercyanid-haltig) mit einem frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser. Mit diesem Bearbeitungsschritt kann eine wenige Nanometer dünne Silberschicht auf dem zuvor hochdotierten Bereich aufgewachsen werden, die in einem folgenden Galvanikschritt auf einige Mikrometer verdickt wird.
- In der Figur ist eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese basiert auf einer Düseneinheit
1 , die ein Fenster2 zum Einkoppeln eines Laserstrahls3 sowie eine Flüssigkeitszufuhr4 und eine Düsenöffnung5 umfasst. Diese Düseneinheit dient zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls6 , in den der eingekoppelte Laserstrahl3 durch Totalreflexion geführt wird. Das Fenster2 ist zu einer Strahlrichtung des Flüssigkeitsstrahls6 senkrecht orientiert. Eine oberhalb des Fensters2 angeordnete, genauso orientierte Linse7 dient zum Fokussieren des Laserstrahls. Als den Flüssigkeitsstrahl6 bildende Flüssigkeit wird eine einen Dotierstoff enthaltende Flüssigkeit eingesetzt, z.B. Phosphorsäure. Diese wird in zur Strahlrichtung radialer Richtung mit einem Druck von 20 bis 500 bar durch die Flüssigkeitszufuhr4 der Düseneinheit1 zugeführt. Diese Düseneinheit ist auf eine Festkörperoberfläche eines Silicium-Substrates8 gerichtet. Am Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls9 kommt es zur Dotierung des Oberflächenbereichs. - Ergänzend kann dann in einem weiteren Verfahrensschritt eine Metallisierung durchgeführt werden, indem die Phosphorsäure gegen eine Silbercyanid-Lösung ausgetauscht wird und so eine wenige Nanometer dünne Silberschicht auf dem dotierten Bereich aufgewachsen wird.
Claims (21)
- Verfahren zur lokalen Dotierung von Festkörpern, bei dem mindestens ein auf die Oberfläche des Festkörpers gerichteter und mindestens einen Dotierstoff enthaltender Flüssigkeitsstrahl über zu dotierende Bereiche der Oberfläche geführt wird, wobei die Oberfläche vorher oder gleichzeitig durch einen Laserstrahl lokal aufgeheizt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 100 μm aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl laminar ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl als Dotierstoff Phosphorsäure enthält.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt wird.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in dem Flüssigkeitsstrahl durch Totalreflexion geführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silicium, Glas, Keramik, Kunststoff und deren Verbunden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Dotierung eine Mikrostrukturierung der Oberfläche des Festkörpers durchgeführt wird, wobei anstelle der den mindestens einen Dotierstoff enthaltenden Flüssigkeit eine mindestens eine das Festkörpermaterial ätzende Verbindung enthaltende Flüssigkeit verwendet wird.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die ätzende Verbindung Phosphorsäure ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Dotierung eine Metallisierung der dotierten Oberflächenbereiche durch Austausch der den Do tierstoff enthaltenden Flüssigkeit durch eine mindestens eine Metallverbindung enthaltende Flüssigkeit durchgeführt wird.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe der Metalle bestehend aus Silber, Aluminium, Nickel und Chrom.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallverbindungen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Silbercyanid oder deren Lösung ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung durch einen auf den Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls auf der Oberfläche gerichteten Laserstrahl katalysiert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der metallisierte Bereich im Anschluss galvanisch verdickt wird.
- Dotierter Festkörper herstellbar nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
- Dotierter und metallisierter Festkörper herstellbar nach einem der Ansprüche 10 bis 14.
- Vorrichtung zur lokalen Dotierung von Festkörpern umfassend eine Düseneinheit mit einem Fenster zum Einkoppeln eines Laserstrahls, eine Laserstrahlquelle, eine Flüssigkeitszufuhr für eine dotierstoffhaltige Flüssigkeit und eine auf eine Oberfläche des Festkörpers gerichtete Düsenöffnung.
- Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinheit und die Laserstrahlquelle mit einer Führungsvorrichtung zum gesteuerten Führen der Düseneinheit über die zu dotierende Oberfläche gekoppelt ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinheit und die Laserstrahlquelle stationär sind und der Festkörper mit einer Führungsvorrichtung zum gesteuerten Führen des Festkörpers im Verhältnis zur Düseneinheit und der Laserstrahlquelle gekoppelt ist.
- Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur lokalen Dotierung von Feststoffen.
- Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur lokalen Dotierung und Metallisierung von Festkörpern.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009022018A1 (de) * | 2009-05-19 | 2010-11-25 | Rena Gmbh | Metallisierungsverfahren zur Herstellung von Solarzellen |
| DE102011102166A1 (de) * | 2011-05-20 | 2012-11-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zu Homogenisierung des Laserstrahlprofils bei Prozessen unter Einsatz eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers und entsprechende Vorrichtung |
| DE102011107982A1 (de) | 2011-07-20 | 2013-01-24 | Rena Gmbh | Werkzeugkopf (LCP-Kopf) |
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2006
- 2006-01-25 DE DE102006003607A patent/DE102006003607A1/de not_active Withdrawn
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| WO2013010713A1 (de) | 2011-07-20 | 2013-01-24 | Rena Gmbh | Laserkopf |
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