DE102008031836A1 - Lotkontakt - Google Patents

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DE102008031836A1
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semiconductor device
contact
contact structure
layer
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DE102008031836A
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English (en)
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Hartmut Dipl.-Ing. Schmidt
Andreas Dr. Krause
Bernd Dr. Bitnar
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SolarWorld Industries Sachsen GmbH
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Deutsche Cell GmbH
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Abstract

Zur Herstellung eines Lotkontakts (11) zwischen einem Verbindungs-Element (12) und einer Kontakt-Struktur (5) eines Halbleiter-Bauelements (1) ist ein niederschmelzendes Lot vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Solarzelle mit einem Lotkontakt, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
  • Beim Aufbau von Fotovoltaikmodulen müssen mehrere Solarzellen kontaktiert werden. Dies geschieht üblicherweise durch Anlöten leitfähiger Kontakt-Bänder. Hierbei muss das Lot zumindest bis auf seine Schmelztemperatur erhitzt werden. Da die Elemente einer Solarzelle, insbesondere das Halbleiter-Substrat, welches üblicherweise aus Silizium ist, und das Kontakt-Band, welches üblicherweise aus Kupfer ist, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, treten bei der nachfolgenden Abkühlung auf Umgebungstemperatur mechanische Spannungen in der Solarzelle auf, die um so größer sind, je höher die Erstarrungstemperatur des Lotes ist. Diese Spannungen können zur Verwölbung der Solarzellen oder sogar zu Rissen im Kontakt oder in der Solarzelle führen.
  • Im darauf folgenden Verarbeitungsschritt der Moduleinbettung der verlöteten Solarzellen werden diese noch einmal aufgeheizt. Hierbei können die Lötkontakte beschädigt werden. Aus diesem Grund werden üblicherweise Lote eingesetzt, deren Schmelzpunkt deutlich über der Einbetttemperatur liegt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Lotkontakt eines Halbleiter-Bauelements zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Lotkontakts für ein Halbleiter-Bauelement zu schaffen.
  • Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, zur elektrischen Verbindung eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere einer Solarzelle, deren Anschlüsse mithilfe eines nieder-schmelzenden Lotes mit den dafür vorgesehenen Bereichen ihrer Kontakt-Struktur elektrisch leitend zu verbinden. Das Lot hat vorzugsweise eine Schmelztemperatur von weniger als 230°C, insbesondere weniger als 180°C, vorzugsweise weniger als 150°C. Hierdurch werden thermisch induzierte, mechanische Spannungen im Halbleiter-Substrat erheblich verringert. Im Vergleich zu elektrisch leitfähigen Klebstoffen sind die erfindungsgemäßen Lote erheblich billiger und darüber hinaus einfacher zu verarbeiten. Aufgrund der im weiteren beschriebenen Eigenschaften der Kontaktstruktur führt ein erneutes Aufschmelzen des Lötkontaktes während der Moduleinbettung zu keinen Problemen.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiter-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein Halbleiter-Bauelement 1, beispielsweise eine Solarzelle, umfasst ein Halbleiter-Substrat 2. Das Halbleiter-Substrat 2 ist flächig ausgebildet und weist eine Vorderseite 3 und eine Rückseite 4 auf. Das Halbleiter-Substrat 2 ist insbesondere aus Silizium. Andere Halbleiter-Materialien sind ebenfalls möglich.
  • Auf der Vorderseite 3 des Halbleiter-Substrats 2 weist das Halbleiter-Bauelement Kontakt-Strukturen 5 auf. Bezüglich des genauen Aufbaus der Kontakt-Struktur 5 sei auf die DE 10 2007 031 958.6 , die DE 10 2007 038 744.1 und die DE 10 2008 015 452.0 verwiesen. Die Kontakt-Struktur 5 ist mehrschichtig ausgebildet. Sie umfasst eine auf dem Halbleiter-Substrat 2 aufgebrachte Keim-Schicht 6. Außerdem umfasst die Kontakt-Struktur 5 eine auf der Keim-Schicht 6 angeordnete Diffusionsbarriere 7, eine darauf angeordnete Leitungs-Schicht 8 sowie eine auf dieser angeordnete Korrosions-Schutzschicht 9. Die Keim-Schicht 6, die Diffusionsbarriere 7, die Leitungs-Schicht 8 und die Korrosions-Schutzschicht 9 bilden zusammen die Kontakt-Struktur 5.
  • Die Keim-Schicht 6, welche auf der Vorderseite 3 des Halbleiter-Substrats 2 angeordnet ist, steht in elektrischem Kontakt mit dem Halbleiter-Substrat 2. Sie ist aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Metall, welches einen äußerst geringen Diffusionskoeffizienten in Bezug auf das Material des Halbleiter-Substrats 2 aufweist. Die Keim-Schicht 6 weist insbesondere einen hohen Silberanteil auf. Sie kann auch vollständig aus reinem Silber bestehen. Bei der Keim-Schicht 6 handelt es sich insbesondere um im Siebdruck-Verfahren auf die Vorderseite 3 des Halbleiter-Substrats 2 aufgebrachte Leiterbahnen.
  • Die Diffusionsbarriere 7, welche die Keim-Schicht 6 vollständig abdeckt, ist aus einem Material, insbesondere einem Metall, welches einen vernachlässigbaren Diffusionskoeffizienten und eine vernachlässigbare Mischbarkeit in Bezug auf das Material der Keim-Schicht 6 besitzt. Die Diffusionsbarriere 7 weist insbesondere zumindest einen Anteil Nickel und/oder Kobalt bzw. eine Legierung derselben auf. Sie hat eine Dicke von wenigen Mikrometern.
  • Die Leitungs-Schicht 8 ist aus einem elektrisch gut leitenden Material. Die Leitungs-Schicht 8 ist insbesondere aus Kupfer. Sie kann jedoch zumindest teilweise auch aus einem anderen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet sein.
  • Die Leitungs-Schicht 8 ist vollständig von der lötbaren Korrosions-Schutzschicht 9 abgedeckt. Letztere verhindert den Zugriff korrodierender Medien auf die Leitungs-Schicht 8. Die Korrosions-Schutzschicht 9 ist vorteilhafterweise aus einem spontan selbstpassivierenden Material. Hierdurch wird der Korrosions-Schutz verbessert. Die Korrosions-Schutzschicht 9 ist auch im passivierten Zustand gut verlötbar. Sie hat eine Dicke von höchstens 3 μm, insbesondere höchstens 2 μm, insbesondere höchstens 1 μm. Die Korrosions-Schutzschicht 9 weist einen Anteil Nickel auf. Der Nickel-Anteil beträgt vorzugsweise mindestens 50%, insbesondere mindestens 90%, insbesondere mindestens 99%. Die Korrosions-Schutzschicht 9 kann auch aus Zinn sein.
  • Vorteilhafterweise weist die Diffusionsbarriere 7 die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Korrosions-Schutzschicht 9 auf. Selbstverständlich kann die Diffusionsbarriere 7 auch eine andere chemische Zusammensetzung als die Korrosions-Schutzschicht 9 aufweisen.
  • Die Diffusionsbarriere 7, die Leitungs-Schicht 8 und die Korrosions-Schutzschicht 9 bilden zusammen eine Abdeck-Schicht 10, welche die darunterliegende Keim-Schicht 6 vollständig abdeckt. Insbesondere die Diffusionsbarriere 7 und/oder die Korrosions-Schutzschicht 9 überdecken die silberhaltige Keim-Schicht 6 vollständig. Die Abdeck-Schicht 10 verhindert dadurch zuverlässig die Penetration der Keim-Schicht 6 durch das Ma terial eines auf der Korrosion-Schutzschicht 9 angeordneten Lotkontakts 11. Der Lotkontakt 11 dient der elektrisch leitenden Verbindung eines Verbindungs-Elements 12 mit der Kontakt-Struktur 5. Als Verbindungs-Element 12 dient beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Kupferband. Alternative Anschlüsse zur Kontaktierung einer Solarzelle sind selbstverständlich ebenso möglich.
  • Der Lotkontakt 11 ist zumindest teilweise aus einem nieder-schmelzenden Lot gebildet. Das Lot hat vorzugsweise eine Schmelztemperatur von weniger als 230°C, insbesondere weniger als 180°C, insbesondere weniger als 150°C. Erfindungsgemäß basiert das Lot auf einer Zinn- und oder Wismut-haltigen Legierung, insbesondere einer eutektischen Zinn-Wismut-Legierung. Leichte Abweichungen von der eutektische Zusammensetzung sind ebenfalls denkbar, insbesondere dann, wenn aus technologischen Gründen eine etwas höhere Schmelztemperatur des Lotes erforderlich wird. Eine Zinn-Wismut-Silber-Legierung ist ebenfalls möglich. Die Abdeck-Schicht 10 verhindert die Penetration der silberhaltigen Leiterbahnen der Kontaktstruktur 5 mit Wismut aus dem Lot des Lotkontakts 11. Außerdem wird hierdurch ein Ablegieren der silberhaltigen Keim-Schicht 6 vermieden.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiter-Bauelements 1, insbesondere zur Herstellung des Lotkontakts 11 beschrieben. Zunächst wird das Halbleiter-Substrat 2 mit der Kontakt-Struktur 5 versehen. Bezüglich der genauen Details sei hierbei auf die DE 10 2008 015 452.0 verwiesen. Zunächst wird das Halbleiter-Substrat 2 bereitgestellt und mittels eines Siebdruck-Verfahrens auf der Vorderseite 3 mit der Keim-Schicht 6 versehen. Anschließend werden die weiteren Schichten der Kontakt-Struktur 5 mittels elektrolytischer und/oder chemischer Abscheidungs-Prozesse auf das Halbleiter-Substrat 2 aufgebracht.
  • Zur Kontaktierung des Halbleiter-Bauelements 1 wird das Verbindungs-Element 12 mit der Kontakt-Struktur 5 verlötet. Hierbei wird zum Verlöten das oben beschriebene nieder-schmelzende Lot eingesetzt. Als Lötverfahren ist ein Kontakt-, Laser-, Licht- oder Induktions-Lötverfahren vorgesehen.
  • Der Lotkontakt 11 ist punktförmig ausgebildet. Er kann jedoch auch durchgehend ausgebildet sein und sich entlang der Leiterbahn erstrecken.
  • Beim Verlöten des Verbindungs-Elements 12 mit der Kontakt-Struktur 5 wird lediglich der örtlich begrenzte Lotkontakt 11 zur Αufschmelzung des Lotes erwärmt. Hierdurch werden die beim Abkühlen auftretenden mechanischen Spannungen im Halbleiter-Substrat 2 weiter verringert. Selbstverständlich ist es auch möglich, zur Herstellung des Lotkontakts 11 das gesamte Halbleiter-Bauelement 1 zu erwärmen.
  • Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen, nieder-schmelzenden Lotes können sehr kurze Prozesszeiten erreicht werden. Zur Herstellung des Lotkontakts 11 zwischen dem Verbindungs-Element 12 und der Kontakt-Struktur 5 werden weniger als 30 Sekunden, insbesondere weniger als 15 Sekunden, insbesondere weniger als 5 Sekunden, benötigt.
  • Bei einem erneuten Aufschmelzen der Lötverbindung während der Moduleinbettung verhindert die Abdeck-Schicht 10 vollständig eine Penetration der darunter liegenden Silberschicht in den Wismut-haltigen Lotkontakt 11. Dadurch wird eine Ablösung der silber-haltigen Leiterbahnen, die ohne Vorhandensein der Abdeck-Schicht 10 beobachtet wurde, wirkungsvoll verhindert.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Kontakt-Strukturen 5 ausschließlich auf der Rückseite 4 des Halbleiter-Substrats 2 angeordnet. Es handelt sich in diesem Fall bei dem Halbleiter-Bauelement 1 um eine Rückseiten-Kontakt-Solarzelle.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (13)

  1. Halbleiter-Bauelement (1) umfassend a. mindestens ein Halbleiter-Substrat (2) mit b. mindestens einer auf dem Halbleiter-Substrat (2) angeordneten Kontakt-Struktur (5), c. mindestens ein elektrisch leitendes Verbindungs-Element (12) zum elektrischen Kontaktieren der Kontakt-Struktur (5), d. wobei das mindestens eine Verbindungs-Element (12) mittels eines Lotkontaktes (11) mit der mindestens einen Kontakt-Struktur (5) elektrisch leitend verbunden ist und e. wobei der Lotkontakt (11) zumindest teilweise aus einem nieder-schmelzenden Lot gebildet ist.
  2. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot eine Schmelztemperatur von weniger als 230°C, insbesondere weniger als 180°C, vorzugsweise weniger als 150°C aufweist.
  3. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot auf einer Zinn- und/oder Wismut-haltigen Legierung, insbesondere einer eutektischen Zinn-Wismut- oder Zinn-Wismut-Silber-Legierung basiert.
  4. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Struktur (5) mehrschichtig ausgebildet ist.
  5. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Struktur (5) eine Kupfer-Schicht aufweist.
  6. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Struktur (5) eine Silber-Schicht aufweist.
  7. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Struktur (5) als oberste Schicht eine Nickel- oder Zinn-Schicht aufweist.
  8. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Struktur (5) eine Abdeck-Schicht (10) aufweist, welche eine darunter liegende silberhaltige Schicht der Kontakt-Struktur (5) zur Verhinderung der Penetration derselben vollständig von dem Lotkontakt (11) separiert.
  9. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lotkontakt (11) punktförmig ausgebildet ist.
  10. Halbleiter-Bauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lotkontakt (11) durchgehend ausgebildet ist.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Lotkontaktes (11) mit einem Halbleiter-Bauelement (1) umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen des Halbleiter-Bauelements (1) mit – mindestens einer Kontakt-Struktur (5) und – mindestens einem elektrisch leitenden Verbindungs-Element (12), – Verlöten des mindestens einen Verbindungs-Elements (12) mit der mindestens einen Kontakt-Struktur (5), – wobei zum Verlöten ein nieder-schmelzendes Lot eingesetzt wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot auf einer Zinn- und/oder Wismut-haltigen Legierung, insbesondere einer eutektischen Zinn-Wismut- oder Zinn-Wismut-Silber-Legierung basiert.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verlöten ein Kontakt-, Laser-, Licht- oder Induktions-Lötverfahren vorgesehen ist.
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