DE102007038744A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements, Halbleiter-Bauelement sowie Zwischenprodukt bei der Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Bauelementen mit einer Kontakt-Struktur mit einem hohen Aspektverhältnis umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines im Wesentlichen flächigen Halbleiter-Substrats (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zweiten Seite (4), Aufbringen einer Maske (6) auf mindestens einen ersten Teilbereich (7) auf mindestens einer der Seiten (3, 4) des Halbleiter-Substrats (2) und Aufbringen einer Kontakt-Struktur (8) auf mindestens einen vom ersten Teilbereich (7) verschiedenen zweiten Teilbereich (9) auf mindestens einer der Seiten (3, 4) des Halbleiter-Substrats (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Bauelementen, insbesondere Solarzellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Halbleiter-Bauelement sowie ein Zwischenprodukt bei der Herstellung eines Halbleiter-Bauelements.
  • Eine Solarzelle besteht üblicherweise aus einem Substrat mit einer Vorder- und einer Rückseite, wobei auf mindestens einer der beiden Seiten eine Kontakt-Struktur aufgebracht ist. Typischerweise hat die Kontakt-Struktur eine Breite von mindestens 100 μm, während ihre Dicke nur etwa 10 bis 15 μm beträgt. Eine größere Breite der Kontakt-Struktur führt zu einer Verminderung des Wirkungsgrads aufgrund der dadurch erhöhten Abschattung.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Kontakt-Struktur mit einem hohen Aspekt-Verhältnis AV sowie ein Halbleiter-Bauteil mit einer derartigen Kontakt-Struktur zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 11 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, vor dem Aufbringen der Kontakt-Struktur auf das Halbleiter-Substrat dieses mit einer Maske zu versehen, insbesondere zu bedrucken. Die Maske ist im Wesentlichen ein Negativ-Abbild der erwünschten Kontakt-Struktur, das heißt sie wird ausschließlich auf die nicht zu metallisierenden Bereiche des Halbleiter-Substrats aufgebracht. Die Maske hat vorteilhafterweise eine Dicke, welche mindestens so groß ist wie die der aufzubringenden Kontakt-Struktur.
  • Die Flanken der Öffnungen in der Maske sind vorzugsweise steil ausgeführt, was zu einer vorteilhaften Geometrie, insbesondere zu einem hohen Aspektverhältnis, der Kontakt-Struktur führt. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiter-Bauelement mit einer aufgebrachten Maske,
  • 2 einen Querschnitt durch das Halbleiter-Bauelement gemäß 1 nach einem Verfahrensschritt, bei welchem Öffnungen in eine Zwischenschicht zwischen dem Halbleiter-Substrat und der Maske eingebracht wurden,
  • 3 einen Querschnitt durch das Halbleiter-Bauelement gemäß 2 nach Aufbringen einer mehrschichtigen Kontakt-Struktur und
  • 4 einen Querschnitt durch das Halbleiter-Bauelement gemäß 3 nach Entfernen der Maske.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Solarzelle, beschrieben. Als Ausgangspunkt weist ein Halbleiter-Bauelement 1 ein Substrat 2 auf. Das Substrat 2 besteht zumindest teilweise aus Silicium. Als Substrat 2 dient insbesondere ein Silicium-Substrat. Als Substrat 2 kann jedoch ebenso ein anderes Halbleiter-Substrat dienen. Das Substrat 2 ist im Wesentli chen flächig ausgebildet mit einer ersten Seite und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite. Die erste Seite bildet hierbei eine Vorderseite 3, während die zweite Seite eine Rückseite 4 des Substrats 2 bildet.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 ein erstes Zwischenprodukt bei der Herstellung des Halbleiter-Bauelements 1 beschrieben. Auf die Vorderseite 3 des Substrats 2 ist als Passivierungsschicht eine Zwischenschicht 5 aufgebracht. Die Zwischenschicht 5 besteht beispielsweise aus Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid. Die Zwischenschicht 5 ist als Anti-Reflex-Schicht ausgebildet. Die Zwischenschicht 5 kann auch auf der Rückseite 4 des Substrats 2 aufgebracht sein.
  • Auf die Zwischenschicht 5 ist zumindest bereichsweise eine Maske 6 aufgebracht. Die Maske 6 ist aus einem organischen Material, beispielsweise einem Polymer oder Wachs. Sie kann auch aus anderen Materialien gebildet sein. Die Maske 6 ist resistent gegenüber den zur Herstellung einer Kontakt-Struktur 8 vorgesehenen Lösungen, insbesondere ätzresistent gegenüber Flusssäure und/oder fluoridhaltigen Pasten. Darüber hinaus ist die Maske 6 vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material. Sie ist darüber hinaus insbesondere aus einem lichtresistenten Material. Die Maske 6 ist auf einen ersten Teilbereich 7 auf der Vorderseite 3 des Substrats 2, in welchem keine Kontakt-Strukturen 8 vorgesehen sind, aufgebracht. In Bereichen, in welchen Kontakt-Strukturen 8 vorgesehen sind, weist die Maske 6 Öffnungen 10 auf. Die Öffnungen 10 sind insbesondere kanalartig ausgebildet. Die Öffnungen 10 haben eine Breite B im Bereich von 5 μm bis 200 μm, insbesondere im Bereich von 30 μm bis 100 μm. Die Maske 6 hat eine Dicke D im Bereich von 1 μm bis 50 μm.
  • Die Maske 6 wird seitlich durch den Öffnungen 10 zugewandte Flanken 11 begrenzt, die bis zur Zwischenschicht 5 reichen. Die Flanken 11 sind steil ausgebildet, das heißt sie schließen einen Winkel b mit der Vorderseite 3 des Substrats 2, beziehungsweise mit der Zwischenschicht 5 ein, für den gilt: 70° ≤ b ≤ 100°, insbesondere 80° ≤ b ≤ 90°. Die Öffnungen 10 sind somit seitlich durch die Flanken 11 der Maske 6 begrenzt, während ihr Boden durch die Zwischenschicht 5 gebildet ist.
  • In einem darauf folgenden Fertigungs-Stadium reichen die Öffnungen 10, wie in 2 dargestellt, bis zum Substrat 2, das heißt in diesem Stadium ist der Boden der Öffnungen 10 durch das Substrat 2 gebildet. Die Flanken 11 der Maske 6 setzen sich insbesondere fluchtend bis zur Vorderseite 3 des Substrats 2 fort. Insbesondere ist die Breite B der Öffnungen 10 im Bereich der Zwischenschicht 5 zumindest annähernd gleich groß wie die Breite B der Öffnungen 10 im Bereich der Maske 6.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 3 ein weiteres Zwischenprodukt bei der Herstellung des Halbleiter-Bauelements 1 beschrieben. Nach einem weiteren Verfahrens-Schritt weist das Halbleiter-Bauelement 1 die Kontakt-Struktur 8 auf. Die Kontakt-Struktur 8 ist in den Öffnungen 10 der Maske 6, das heißt in einem zweiten Teilbereich 9 auf der Vorderseite 3 des Substrats 2 angeordnet. Der erste Teilbereich 7 und der zweite Teilbereich 9 sind insbesondere komplementär zueinander, das heißt sie sind überschneidungsfrei und ihre Vereinigung überdeckt die gesamte Vorderseite 3 des Substrats 2. Die Kontakt-Struktur 8 wird somit seitlich von den Flanken 11 begrenzt. Sie hat somit die gleiche Breite B wie die Öffnungen 10. Die Höhe H der Kontakt-Struktur 8 ist vorteilhafterweise geringer als die Summe der Dicke D der Maske 6 und der Schicht-Dicke Der Zwischenschicht 5. Insbesondere ist die Dicke D der Maske 6 mindestens so groß wie die Höhe H der Kontakt-Struktur 8. Die Höhe H der Kontakt-Struktur 8 beträgt mehr als 1 μm, insbesondere mehr als 10 μm. Die Kontakt-Struktur 8 hat somit ein hohes Aspekt-Verhältnis AV, welches sich bestimmt als Verhältnis der Höhe H der Kontakt-Struktur 8 zu deren Breite B, welche genau so groß ist wie die Breite B der Öffnungen 10, AV = H/B. Das Aspekt-Verhältnis AV der Kontakt-Struktur 8 beträgt mindestens 0,1, insbesondere mindestens 0,3, insbesondere mindestens 0,5.
  • Die Kontakt-Struktur 8 ist mehrschichtig ausgebildet. Sie umfasst eine auf dem Substrat 2 angeordnete und mit diesem in Berührung stehende Sperrschicht 12, eine auf der Sperrschicht 12 angeordnete Leiterschicht 13 und eine auf der Leiterschicht 13 angeordnete Deckschicht 14. Die Dicke Der Sperrschicht 12 beträgt 0,1 bis 5 μm, insbesondere 0,2 bis 1 μm. Die Sperrschicht 12 ist aus einem Material, insbesondere einem Metall, welches einen vernachlässigbaren Diffusionskoeffizienten bzw. eine vernachlässigbare Mischbarkeit in Bezug auf das Material des Substrats 2 und der Leiterschicht 13 besitzt. Die Sperrschicht 12 ist insbesondere aus elektrolytisch oder chemisch aufgebrachtem Kobalt. Sie kann auch aus Nickel bestehen. Andere Materialien sind ebenfalls denkbar. Die Sperrschicht 12 hat vorteilhafterweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Vorteilhafterweise lässt sich das Material der Sperrschicht 12 gut elektrochemisch strippen. Dies gilt insbesondere für Kobalt.
  • Die Leiterschicht 13 ist aus Kupfer. Sie weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Die Leiterschicht 13 kann auch zumindest teilweise aus einem anderen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen. Es ist insbesondere möglich, dass die Leiterschicht 13 zumindest einen Anteil an Silber aufweist. Die Leiterschicht 13 ist insbesondere aus einem Material, welches einen sehr kleinen partiellen Diffusionskoeffizienten im Bezug auf das Material der Sperrschicht 12 aufweist.
  • Auf der Leiterschicht 13 befindet sich die Deckschicht 14. Die Deckschicht 14 ist insbesondere aus Zinn. Sie kann auch aus Silber sein. Die Deckschicht 14 ist korrosionsschützend.
  • Die Kontakt-Struktur 8 kann auch eine andere Anzahl von Schichten aufweisen. Sie kann insbesondere einschichtig, beispielsweise aus Silber, ausgebildet sein. Die Kontakt-Struktur 8 weist einen Linienwiderstand von weniger als 40 Ω/m, insbesondere weniger als 20 Ω/m, insbesondere weniger als 10 Ω/m auf.
  • Die Anordnungen der Zwischenschicht 5, der Maske 6 sowie der Kontakt-Struktur 8 sind nicht auf die Vorderseite 3 des Substrats 2 beschränkt, sondern können ebenso auf der Rückseite 4 vorgesehen sein.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4 das fertige Halbleiter-Bauelement 1 beschrieben. Nach einem weiteren Verfahrensschritt, in welchem die Maske 6 entfernt wurde, ist die Kontakt-Struktur 8 auf dem Substrat 2 weitgehend freiliegend. Sie ist lediglich bis zur Schichtdicke der Zwischenschicht 5 seitlich von dieser umgeben.
  • Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des Halbleiter-Bauelements 1 beschrieben. Zunächst wird das Substrat 2 mit der Zwischenschicht 5 bereitgestellt und mit der Maske 6 versehen. Die Maske 6 wird mittels eines Druck-Verfahrens, insbesondere mittels eines Inkjet-Druck-Verfahrens das heißt Tintenstrahl-Verfahrens oder mittels eines Siebdruck-Verfahrens oder allgemein eines digitalen Druck-Verfahrens aufgebracht. Alternativ hierzu kann die Maske 6 mittels eines Dispersions- oder Extrusions-Beschichtungs-Verfahren aufgebracht werden. Durch derartige Verfahren ist das Layout der Maske 6 besonders einfach, flexibel und präzise wählbar und realisierbar.
  • In einem darauf folgenden Verfahrensschritt wird die Zwischenschicht 5 im Bereich der Öffnungen 10 der Maske 6 entfernt. Hierzu wird insbesondere ein Ätz-Verfahren, beispielsweise mittels Flusssäure, fluoridhaltiger Pasten oder mittels Plasma-Ätzen eingesetzt. Die Maske 6 ist dabei resistent gegen die eingesetzten Ätz-Chemikalien.
  • Hierauf wird in einem weiteren Verfahrensschritt, einer ersten chemischen oder elektrolytischen Abscheidung, die Sperrschicht 12 im Bereich der Öffnungen 10 auf das Substrat 2 aufgebracht. Insbesondere bei einer galvanischen Beschichtung wird eine gute Haftung der Sperrschicht 12 auf dem Substrat 2 erreicht. Für die elektrolytische Abscheidung der Sperrschicht 12 sind insbesondere wattsche Bäder, die einen moderat sauren pH-Wert, insbesondere pH 3 bis 5, aufweisen, vorgesehen. Es können auch andere Bäder mit einem pH-Wert größer pH 3 verwendet werden. Das elektrische Potential für die elektrolytische Abscheidung der Sperrschicht 12 kann durch Bestrahlung des Substrats 2 mit Licht einer geeigneten Wellenlänge und Intensität erzeugt werden. Ebenso kann durch diese Maßnahme der elektrische Widerstand des Substrats 2 reduziert werden.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt, einer zweiten chemischen oder elektrolytischen Abscheidung, wird die Leiterschicht 13 auf die Sperrschicht 12 aufgebracht. Hierzu wird das Halbleiter-Bauelement 1 potentialkontrolliert in ein saures Kupfer-Bad eingetaucht, das heißt das Anlegen des Potentials geschieht bereits vor Eintauchen des Halbleiter-Bauelements in das Bad.
  • Die elektrolytische Abscheidung kann durch Bestrahlung mit Licht geeigneter Intensität und Wellenlänge unterstützt werden.
  • Auf die Leiterschicht 13 wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Deckschicht 14 aufgebracht. Hierzu wird das Halbleiter-Bauelement 1 kurz in ein Silber-Bad eingetaucht. Alternativ hierzu kann die Deckschicht 14 auch kostengünstiger mittels elektrolytischer Abscheidung von Zinn aufgebracht werden.
  • Die erfindungsgemäß hergestellte Kontakt-Struktur 8 weist stabile Schichten auf. Abzugstests haben eine sehr gute Haftfestigkeit der Kontakt-Struktur 8 auf dem Silicium-Substrat 2 ergeben. Da die Flanken 11 der Maske 6 eine Verbreiterung der Kontakt-Struktur 8 verhindern, ist durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Kontakt-Struktur 8 mit einem hohen Aspekt-Verhältnis AV herstellbar. Die Dicke D der Maske 6 ist insbesondere so gewählt, dass die Kontakt-Struktur 8 nicht über die Maske 6 herauswächst.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Maske 6 entfernt. Hierzu ist ein chemisches Verfahren, insbesondere ein Ätz-Verfahren, in einem Lösungsmittel, beispielsweise Aceton oder einer alkalischen Lösung vorgesehen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Bauelementen umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines im Wesentlichen flächigen Halbleiter-Substrats (2) mit einer ersten Seite (3) und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite (4), – Aufbringen einer Maske (6) auf mindestens einen ersten Teilbereich (7) auf mindestens einer der Seiten (3, 4) des Halbleiter-Substrats (2), – Aufbringen einer Kontakt-Struktur (8) mit einer Höhe H auf mindestens einen zweiten Teilbereich (9) auf mindestens einer der Seiten (3, 4) des Halbleiter-Substrats (2) und – Entfernen der Maske (6).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche (7, 9) komplementär zueinander sind.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (6) mittels eines Druckverfahrens, insbesondere mittels Inkjet-Drucks auf das Substrat (2) aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (6) eine Dicke D aufweist, welche mindestens so groß ist wie die Höhe H der Kontakt-Struktur (8).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (6) Öffnungen (10) aufweist, welche eine Breite B im Bereich von 5 μm bis 200 μm, insbesondere im Bereich von 30 μm bis 100 μm aufweisen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (6) Flanken (11) aufweist, welche unter einem Winkel b zu ersten Seite (3) des Substrats (2) angeordnet sind, für den gilt: 70° ≤ b ≤ 100°, insbesondere 80° ≤ b ≤ 90°.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Struktur (8) eine Höhe H und eine Breite B aufweist, und ein Aspekt-Verhältnis AV, welches gleich dem Verhältnis der Höhe H zur Breite B ist, AV = H/B, wobei das Aspekt-Verhältnis AV mindestens 0,1, insbesondere mindestens 0,3, insbesondere mindestens 0,5 beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (6) aus einem ätzresistenten Material ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (6) aus einem hitzebeständigen Material ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Struktur (8) mehrere Schichten (12, 13, 14) aufweist.
  11. Zwischenprodukt bei der Herstellung eines Halbleiter-Bauelements gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend a. ein im wesentlichen flächig ausgebildetes Halbleiter-Substrat (2) mit einer ersten Seite (3) und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite (4) und b. eine auf mindestens einer der Seiten (3, 4) des Halbleiter-Substrats (2) zumindest bereichsweise aufgebrachte Maske (6).
  12. Halbleiter-Bauelement umfassend – ein Halbleiter-Substrat (2) mit einer ersten Seite (3) und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite (4) und – eine auf mindestens eine der Seiten (3, 4) des Halbleiter-Substrats (2) aufgebrachte Kontakt-Struktur (8).
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