DE102006007797B4

DE102006007797B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102006007797B4
Application number: DE102006007797A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dipl.-Phys. Schultz; Marc Dipl.-Ing. Hofmann (FH)
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: US20090032095A1; WO2007096084A1; EP1987548A1; KR20080095252A; DE102006007797A1; JP2009527895A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche, bei dem ein Siliciumwafer, der an zumindest einer seiner Oberflächen zumindest bereichsweise eine ätzbare dielektrische Schicht aufweist, bereitgestellt wird, anschließend auf der Schicht eine Maskierungsschicht aus amorphem Silicium zur Maskierung ausgewählter Bereiche der Schicht gegen den Angriff fluidischer Ätzmedien abgeschieden wird und in einem anschließenden Schritt ein fluidisches Ätzen erfolgt, wobei die ausgewählten Bereiche der dielektrischen Schicht durch die Maskierungsschicht gegen den Angriff der fluidischen Ätzmedien maskiert werden und in einem weiteren Schritt auf der Maskierungsschicht eine Schicht aus Aluminium abgeschieden wird sowie durch eine thermische Behandlung eine Auflösung des Siliciums im Aluminium erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements aus einem Siliciumwafer mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche, bei dem durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise Verspiegelungen mit hohem Reflexionswert hergestellt werden können.
Für die Wirtschaftlichkeit von Solarzellen ist es entscheidend, zum einen den Wirkungsgrad zu erhöhen, zum anderen die Dicke des Wafers zu reduzieren. Hierfür ist die Entwicklung der Rückseite der Solarzelle entscheidend, da hier besonders hohe Anforderungen an optische wie elektrische Eigenschaften gestellt werden. Hinsichtlich der Optik wird eine möglichst hohe interne Reflektivität angestrebt, sodass Licht, welches von der Vorderseite in den Wafer eingedrungen ist und noch nicht absorbiert wurde, an der Zellen rückseite reflektiert werden kann und so eine erneute Möglichkeit zur Absorption des Lichts im Silicium besteht. Die elektrischen Eigenschaften hingegen lassen sich besonders gut durch Verwendung einer dielektrischen Passivierungsschicht erreichen. Derartige dielektrische Passivierungsschichten, die in der Regel aus Siliciumoxid bestehen, weisen einen Brechungsindex auf, der sich stark von dem des Siliciums unterscheidet, was Vorteile bei der internen Reflexion des Lichts in der Solarzelle mit sich bringt.
Die interne Reflektivität wird dann durch eine zusätzlich abgeschiedene metallische Schicht, in der Regel aus Aluminium, weiter erhöht.
Derartige Systeme bringen jedoch bei der Herstellung einige Probleme mit sich, da eine Bearbeitung der Siliciumscheibe, welche auf mindestens einer Seite Siliciumoxid aufweist, mit Flusssäure nicht möglich bzw. schwer möglich ist, ohne das Siliciumoxid anzuätzen.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu bislang Lösungsansätze bekannt, die das Aufbringen einer Lackschicht vorsehen, durch die das Siliciumoxid zumindest bereichsweise vor der Flusssäure geschützt wird. Derartige Lösungsansätze bringen jedoch den Nachteil mit sich, dass eine solche Lackschicht entfernt werden muss, was mit einem zusätzlichen Prozessaufwand verbunden ist (J. Knobloch et al. „High-efficiency Solar Cells From FZ, CZ and MC Silicon Material", Proceedings of the 23^rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, S. 271–276, Louisville, Kentucky, USA, 1993 und O. Schultz et al., "Silicon Oxide/Silicon Nitride Stack System for 20 % Efficient Silicon Solar Cells", 31^st IEEE Photovoltaic Specialists Conferen ce, Florida, USA, 2005).
Aus der US 6423568 B1 sowie der US 4927770 geht jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines Rückseitenkontakts einer auf Silizium basierenden Solarzelle mit p- und n-dotierten Regionen auf der gleichen Seite durch Aufbringung einer Passivierungsschicht auf der Oberfläche der Zelle hervor.
Die JP 09237910A beschreibt eine solare Batterie, bei der eine aus n-dotiertem Silizium bestehende Halbleiterschicht auf einer Oberfläche bestehend aus einer p-dotierten Silizium-Halbleiterschicht sowie eine Siliziumoxidschicht auf der Rückseite eines p-dotierten Siliziumsubstrats aufgebracht wird.
Weiterhin betrifft die US 4994879 ein photoelektrisches Bauelement, auf dem eine optisch transparente Texturschicht auf einer optisch transparenten Schutzschicht aufgebracht ist.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Herstellung derartiger Halbleiterbauelemente in einer vereinfachten Prozesskette ermöglicht wird. Gleichzeitig sollte aber auch eine hohe interne Reflektivität der so hergestellten Solarzellen sichergestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In Anspruch 11 ist eine erfindungsgemäße Verwendung angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche bereitgestellt. Dieses Verfahren basiert darauf, dass ein Siliciumwafer, der an zumindest einer seiner Oberflächen zumindest bereichsweise eine ätzbare dielektrische Schicht aufweist, mit einer Maskierungsschicht aus amorphem Silicium zur Abschirmung gegenüber fluidischen Medien versehen wird, wobei die Maskierungsschicht auf der dielektrischen Schicht abgeschieden wird. Nach einem fluidischen Ätzschritt wird auf der Maskierungsschicht anschließend eine Aluminiumschicht abgeschieden. In einem weiteren Schritt erfolgt dann eine thermische Behandlung des Schichtsystems, wobei es zu einer Auflösung des Siliciums im Aluminium kommt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine effiziente Maskierung ausgewählter Bereiche gegen den Angriff fluidischer Ätzmedien, wie z.B. durch Flusssäure, ermöglicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass amorphes Silicium oder siliciumreiche Schichten eine hohe Resistenz gegenüber Flusssäure besitzen.
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die Maskierungsschicht aus amorphem Silicium besteht, das eine besonders hohe Resistenz gegenüber Flusssäure aufweist.
Hinsichtlich der Abscheidung der Maskierungsschicht sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren einsetzbar, wobei eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung bevorzugt wird. Für die Abscheidung von amorphem Silicium können hier als Ausgangsstoffe bevorzugt Silan (SiH₄) und gegebenenfalls Wasserstoff (H₂) eingesetzt. Die Gasphasenabscheidung erfolgt vorzugsweise bei einem Druck von 20 bis 280 Pa, insbesondere 30 bis 75 Pa. Die Temperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 400 °C, insbesondere 200 bis 300 °C.
Die Abscheidung der Maskierungsschicht kann in einer weiteren bevorzugten Variante auch mittels Sputterverfahren erfolgen.
Für die Passivierungsschicht wird vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumkarbid und Aluminiumoxid eingesetzt.
Nach Abscheiden der einzelnen Schichten erfolgt eine thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich von bevorzugt 150 bis 950 °C und besonders bevorzugt von 300 bis 550 °C. Die Temperaturwahl wird dabei über das Zeitfenster bestimmt, sodass eine kurze thermische Behandlung bei höherer Temperatur zu dem gleichen Ergebnis wie eine längere Behandlung bei niedriger Temperatur führt. Durch diese beschriebene Temperaturbehandlung kommt es zu einem Auflösungsprozess des Siliciums im Aluminium. Die sich dabei bildende Schicht aus Aluminium und Silicium weist sehr hohe Reflexionswerte auf.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach Abscheiden der Maskierungsschicht diese mittels Laserablation strukturiert werden, sodass die Maskierungsschicht als lokale Ätzmaske eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement aus einem Siliciumwafer mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche hergestellt. Der Siliciumwafer weist dabei an der mindestens einen optischen verspiegelten Oberfläche eine dielektrische Passivie rungsschicht auf. Auf der Passivierungsschicht ist weiterhin eine Aluminium und Silicium enthaltende Verspiegelungsschicht aufgebracht, die durch eine thermische Behandlung erzeugt wurde.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass die erfindungsgemäß hergesteltten Halbleiterbauelemente gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen aus einem Wafer mit darauf abgeschiedener Siliciumoxidschicht vergleichbar hohe Reflexionswerte aufweisen. So weisen die erfindungsgemäß hergesteltten Halbleiterbauelemente vorzugsweise einen Reflexionswert im Bereich von > 90 % auf. Dies führt gleichzeitig zu einem Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Solarzelle von mindestens 18 %
Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen.
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.
Die Figur zeigt eine Reflexionsmessung an einem erfindungsgemäß hergesteltten Halbleiterbauelement, mit einer Siliciumscheibe (250 μm Dicke), einer Passivierungsschicht aus Siliciumoxid (100 nm Dicke), einer Maskierungsschicht aus amorphem Silicium (50 nm Dicke) und einer Aluminiumschicht (2 μm Dicke). Dem gegenübergestellt werden Reflexionsmessungen an einem aus dem Stand der Technik bekannten System, das keine Maskierungsschicht aufweist.
Beispiel
Auf der Rückseite einer Solarzelle befand sich eine Schicht mit einem deutlich geringeren Brechungsindex als der von Silicium. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Siliciumoxid, z.B. durch thermische Oxidation erzeugt oder durch bekannte Beschichtungsverfahren abgeschieden wurde. Untersucht wurden thermische Oxide, die im Rohrofen bei Temperaturen zwischen 800 und 1050 °C durch Erhitzen des Wafers in sauerstoffhaltiger Atmosphäre hergestellt wurden. Abgeschiedene Oxide wurden aus Lachgas (N₂O) und Silan (SiH₄) in plasmaunterstützer chemischer Gasphasenabscheidung in einem Parallelplattenreaktor hergestellt. Die Temperaturen variierten im Bereich von 250 und 350 °C, wobei der Druck etwa 1000 mTorr betrug. Der Brechungsindex der dielektrischen Schicht lag bei n ≈ 1.45 (gemessen bei 630 nm und RT). Je größer die Unterschiede im Brechungsindex zwischen Silicium (n ≈ 3.6), gemessen bei 630 nm und RT, und der dielektrischen Schicht, desto besser für die interne Verspiegelung. Auf diese Schicht, nennen wir es Siliciumoxid, wurde Aluminium aufgedampft und es entstand ein guter Spiegel. Das amorphe Silicium wurde dann durch thermische Behandlung in der Aluminiumschicht aufgelöst. Das amorphe Silicium wurde dabei aus Silan (SiH₄) und Wasserstoff (H₂) durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) in einem Druckbereich von 30 bis 75 Pa bei Temperaturen von 200 bis 300 °C hergestellt.
Die auf der Vorderseite des erfindungsgemäß hergesteltten Halbleiterbauelementes wieder austretende Strahlungsleistung wurde gemessen und mit der eingestrahlten Leistung ins Verhältnis gesetzt, hieraus ergibt sich der Reflexionswert. Bei einem Schichtsystem mit amorphem Silicium ist der Reflexionswert vor der thermischen Behandlung bei 1200 nm bei ca. 75 %. Durch das Aufheizen der Solarzelle für 10 min. bei 400 °C löst sich das Silicium im Aluminium und die Reflexion steigt auf über 90 %, so wie es auch ohne das amorphe Silicium bei diesem Schichtsystem der Fall ist (s. Figur).

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche, bei dem ein Siliciumwafer, der an zumindest einer seiner Oberflächen zumindest bereichsweise eine ätzbare dielektrische Schicht aufweist, bereitgestellt wird, anschließend auf der Schicht eine Maskierungsschicht aus amorphem Silicium zur Maskierung ausgewählter Bereiche der Schicht gegen den Angriff fluidischer Ätzmedien abgeschieden wird und in einem anschließenden Schritt ein fluidisches Ätzen erfolgt, wobei die ausgewählten Bereiche der dielektrischen Schicht durch die Maskierungsschicht gegen den Angriff der fluidischen Ätzmedien maskiert werden und in einem weiteren Schritt auf der Maskierungsschicht eine Schicht aus Aluminium abgeschieden wird sowie durch eine thermische Behandlung eine Auflösung des Siliciums im Aluminium erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht gegen Flusssäure resistent ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungs schickt mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoff Silan und gegebenenfalls Wasserstoff verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung bei einem Druck von 20 bis 280 Pa, insbesondere von 30 bis 75 Pa erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung bei einer Temperatur von 20 bis 400 °C, insbesondere von 200 bis 300 °C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht mittels Sputterverfahren abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Sliliciumkar bid und Aluminiumoxid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 950 °C, insbesondere von 300 bis 550 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abscheiden der Maskierungsschicht diese mittels Laserablation strukturiert wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung von Solarzellen.