DE102011017807A1

DE102011017807A1 - Verfahren zum laserinduzierten Entfernen von Bereichen von Schichten eines Schichtenstapels

Info

Publication number: DE102011017807A1
Application number: DE102011017807A
Authority: DE
Inventors: Jan Wieduwilt; Dennis Decker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-10-31

Abstract

Ein Verfahren zum laserinduzierten Entfernen von Bereichen einer Schicht (4) eines Dünnschichtstapels (1) wird bereitgestellt. Eine Absorberschicht (3) wird durch Einbringen von Energie mittels eines Laserstrahls (5), der während des Bewegens pulsförmig angesteuert wird, erwärmt, leitet die Energie in die daran angrenzenden zu entfernenden Bereiche der Schicht (4) weiter, und dadurch, dass eine Pulsfrequenz und eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (5) so abgestimmt sind, dass eine Pulsfolge mit einem Pulsüberlapp entsteht, wird der zu entfernende Bereich der Schicht (4) durchgängig entlang einer Bahn von der Absorberschicht (3) abgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum laserinduzierten Entfernen von Bereichen von Schichten eines Schichtenstapels, insbesondere ein Verfahren zum Entfernen von Bereichen einer Schicht eines Dünnschichtstapels durch Einbringen von Laserenergie in eine Absorptionsschicht des Schichtenstapels.
Es sind Dünnschichtstapel bekannt, die beispielsweise bei der Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls verwendet werden. Der Dünnschichtstapel weist als Trägerschicht ein optisch transparentes Substrat, z. B. Glas auf. Auf dieses Substrat ist eine leitfähige Metallschicht (P1) aufgebracht, die beispielsweise aus Molybdän besteht. Als ein Halbleitermaterial ist dann auf die leitfähige Schicht beispielsweise eine dünne Schicht (P2) aus Kupferindiumsulfid (CIS) oder Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS) aufgebracht. Auf dem Halbleitermaterial ist dann wiederum eine dünne Schicht (P3) aus transparentem, elektrisch leitendem Oxid (TCO) vorhanden.
Bei der Produktion von Dünnschicht-Solarmodulen müssen einzelne Solarzellen von einander getrennt werden, um dann in Reihe oder parallel geschaltet, die Basis für ein Solarmodul mit einer ausreichenden Leistungsfähigkeit zu bilden.
Dabei ist es erforderlich, die verschiedenen Schichten eines Dünnschichtstapels in einzelne Bereiche zu trennen. So gibt es eine P1-Strukturierungslinie, bei der vor einem Aufbringen von weiteren Schichten lediglich die direkt auf dem Substrat vorhandene leitfähige Metallschicht in verschiedene Bereiche unterteilt wird, um benachbarte Zellen gegeneinander zu isolieren.
Durch eine P2-Strukturierungslinie wird dicht neben einer P1-Strukturierungslinie die Halbleiterschicht durchtrennt, um in einem nächsten Schritt zu ermöglichen, dass ein elektrischer Kontakt zwischen der danach aufgebrachten leitenden Oxidschicht einer Zelle und der untersten leitfähigen Metallschicht der benachbarten Zelle möglich ist.
Schließlich werden durch P3-Strukturierungslinien die Zellen vollständig in Serie geschalten, indem die TCO und/oder die TCO und die Halbleiterschicht abgetragen werden.
Betrachtet wird nun insbesondere die Bildung der P2-Strukturierungslinie, wobei die Ausführungen vergleichbar auf die Bildung der P3-Strukturierungslinien übertragbar wären. Bei einer bekannten Strukturierung unter Verwendung eines mechanischen Stichels oder bei einem Sandstrahlen zur Herstellung von Kontaktöffnungen stellt sich das Problem, dass keine schmalen Strukturierungslinien zu erzeugen sind, der Stichel stark verschleißt, eine gleichbleibende Prozessrobustheit nicht gewährleistet werden kann und der Prozess langsam ist.
Bekannt sind auch Verfahren, bei denen mittels eines Laserstrahls von der dem Substrat gegenüberliegenden Seite Strukturierungslinien in die P2-Schicht eingebracht werden, indem direkt in die zu entfernende Schicht Energie eingebracht wird. Dabei wird der Bereich der Schicht, in den die Laserenergie einwirkt, beispielsweise durch Verdampfen entfernt.
Problematisch hierbei ist aber, dass die Verfahren nicht in der Lage sind, prozesssicher dünne Strukturierungslinien zu erzeugen.
Daraus ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben angeführten Nachteile eliminiert, und das prozesssicher die Erzeugung einer Strukturierungslinie in einem Dünnschichtstapel ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Durch das Einbringen einer Energie mittels eines Laserstrahls in eine Absorberschicht und ein Leiten der Energie in eine zu entfernende Schicht wird eine abgegebene Energie des Laserstrahls bei einer mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls abgestimmten Pulsfrequenz so in die zu entfernende Schicht geleitet, dass sich die zu entfernende Schicht von der Absorberschicht ablöst, wobei eine dünne Strukturierungslinie erzeugt wird.
Die Erfindung wird nun mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figur erklärt.
Die Figur zeigt einen Dünnschichtstapel 1, beispielsweise einen Dünnschichtstapel zur Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls. Alternativ können auch andere elektronische Bauteile oder Schaltkreise aus Dünnschichtstapel auf Substraten hergestellt werden.
Der Dünnschichtstapel 1 ist auf einem Substrat 2 aufgebaut, das optisch transparent ist, was bedeutet, dass das Substrat 2 transparent für eine Strahlung einer verwendeten Wellenlänge ist. Das Substrat 2 besteht aus Glas. Auf dem Substrat 2 ist beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen eine nicht transparente, leitfähige Absorberschicht 3, hier Molybdän, aufgebracht. Auf der Absorberschicht 3 ist eine Halbleiterschicht 4 vorgesehen, die wiederum beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht wird. Die Halbleiterschicht 4 wird aus einem Halbleiter aus der Gruppe I, III und VI gebildet. Hier wird Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS) verwendet. Alternativ ist auch ein anderer Halbleiter, wie z. B. Kupferindiumdisulfid (CIS) möglich. Eine weitere Ausführungsform ist der Dünnschichtstapel, der ohne ein Substrat aufgebaut ist. Die Strahlung wird dann ebenfalls von der der Halbleiterschicht abgewandten Seite der Absorberschicht auf diese gerichtet.
Zum Erstellen einer P2-Strukturierungslinie, wird linienförmig ein Bereich einer P2-Schicht, hier der Kupferindiumgalliumdiselenid(CIGS)-Schicht (4) entfernt.
Dazu wird ein Laserstrahl 5 von der der Absorberschicht abgewandten Seite des Substrats auf den Dünnschichtstapel 1 gerichtet. Der Laserstrahl 5 weist eine Wellenlänge auf, die an das Material der Absorberschicht angepasst ist, so dass der Laserstrahl 5 in der Absorbersicht 3 absorbiert wird. Die Laserstrahlen 5 werden durch einen Faserlaser erzeugt. Alternativ kann auch ein Stab-, Dioden- oder Scheibenlaser zur Erzeugung des Laserstrahls 5 verwendet werden. Sowohl Grundwellenlängen der verschiedenen Lasertypen als auch deren Harmonische können eingesetzt werden. Wichtig ist, dass die Wellenlänge derart gewählt wird, dass ausreichend Energie durch die Absorberschicht in Wärme umgewandelt wird. Neben der materialabhängigen Auswahl der Wellenlänge ist aber auch eine wellenlängenabhängige Auswahl der Absorberschicht denkbar.
Der Laserstrahl 5 wird durch einen nicht gezeigten Lasergenerator so angesteuert, dass der Laserstrahl 5 gepulst abgegeben wird, also immer nur kurze Laserlichtblitze abgegeben werden. Durch eine Abstimmung einer Pulsfrequenz, mit der der gepulste Laserstrahl 5 abgegeben wird, mit einem Vorschub V des Laserstrahls 5 in Richtung einer Bahn, auf der die Halbleiterschicht 4 zu entfernen ist, wird ein hoher Pulsüberlapp des Prozesses erzeugt. Die Pulsfrequenz beträgt in dieser Ausführungsform 1000000 Hz. Es wird eine Streckenenergie von 1 J/m bis 7 J/m in die Absorberschicht 4 eingebracht. In alternativen Ausführungsformen kann die Pulsfrequenz auch in einem Bereich von 50000 Hz bis in den MHz-Bereich, also quasi kontinuierlicher Wellen, liegen.
Der hohe Pulsüberlapp bedeutet, dass sich auf dem Dünnschichtstapel 1 auftreffende Lichtpunkte der einzelnen nacheinanderfolgenden Laserlichtblitze in großem Maß überdecken, also ein großer Bereich der Fläche eines vorangehenden Lichtpunkts von der Fläche des nachfolgenden Lichtpunkts nochmals beleuchtet wird. Der Pulsüberlapp bei dem vorliegenden Prozess beträgt mindestens 90%, was bedeutet, dass 90% der Fläche eines vorangehenden Lichtpunkts nochmals durch den darauffolgenden Lichtpunkt beleuchtet werden. Um ein besseres Ergebnis des Prozesses zu erzielen beträgt der Pulsüberlapp mindestens 95%. In der Figur sind die nacheinanderfolgenden Lichtblitze als eine Mehrzahl der Laserstrahlen 5 dargestellt. Die sich überdeckenden Lichtpunkte 6 sind schematisch in die Zeichnungsebene geklappt dargestellt.
Bei dem vorgegebenen Pulsüberlapp und einem vorhandenen Durchmesser des Laserstrahls 5 bedeutet dies, dass ein Pulsabstand, also ein Abstand zwischen zwei Mittelpunkten der Lichtpunkte 6, was einem Vorschub V pro Puls entspricht, maximal 5 μm, beträgt, wobei für das bessere Prozessergebnis, der Pulsabstand, also der Vorschub V pro Puls, maximal 2 μm beträgt.
Die Pulsfolgen müssen nicht, wie in dem Ausführungsbeispiel, eine konstante Pulsfrequenz aufweisen, sondern die Pulsfolgen können alternativ auch durch Wobbeln, also mit einer Überlagerung einer Bahnbewegung mit oszillierenden oder rotatorischen „Kleinstbewegungen” mit sich verändernden Frequenzen und/oder Pulssprüngen, bei denen entgegen einem sequentiellen Aufbringen serieller Lichtpunkte, die einzelnen Lichtpunkte in veränderter Reihenfolge aufgebracht werden, verändert werden.
In einer weiteren Variation des Verfahrens kann die Bahn auch mehrfach, also mindestens zweimal überfahren werden.
Prozessparameter, wie zumindest eine Pulsenergie des Laserstrahls 5, die Wellenlänge, eine Pulsdauer und Wiederholfrequenzen, müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass an den Bereich des Materialabtrags angrenzenden Schichten nicht negativ beeinflusst werden, sich also nicht in einer ungewünschten Weise so verändern, dass die Effektivität oder die Lebensdauer des Halbleiterstapels 1 verringert werden, insbesondere muss die Pulsenergie unterhalb einer Ablationsschwelle des Materials der Absorberschicht 3 liegen.
Im Betrieb ist der Laserstrahl 5 so parametrisiert und positioniert, dass ein Maximum der Energie durch das optisch transparente Substrat 2 hindurch geht und von der Absorberschicht 3 absorbiert wird. Die Energie des in der Absorberschicht 3 absorbierten Laserstrahls 5 wird in die zu entfernende Halbleiterschicht 4 weitergeleitet und modifiziert dort ein Mikrovolumen, das einen kleinen Bereich der Bahn des Laserstrahls 5 abdeckt, in der Weise, dass ausschließlich durch die sehr hohe Pulsfolge ein Abplatzprozess der zu entfernenden Halbleiterschicht 4 erfolgt. Das Abplatzen der Halbleiterschicht 4 erfolgt jedoch nicht bei jedem Puls des Laserstrahls 5, sondern durch die Modifikation des Mikrovolumens, indem Energie so lange in die Absorberschicht eingebracht wird, dass allmählich ein Druck in dem Mikrovolumen durch Verdampfen zumindest eines Bestandteils des Halbleitermaterials und/oder der Absorberschicht 3 ansteigt, bis der dadurch erzeugte Überdruck ausreicht, um die zu entfernende Halbleiterschicht abplatzen zu lassen. Das zu entfernende Material platzt dann „großflächig”, d. h. in Flächen größer als die Fläche eines Lichtpunkts, in länglichen Streifenabschnitten entlang der Bahn ab. Die abgeplatzten Streifenabschnitte sind in der Figur schematisch dargestellt und mit den Bezugszeichen 7 versehen.
Optional können die abgeplatzten Streifenabschnitte alternativ mit Hilfe einer jeweiligen Vorrichtung dafür von der Oberfläche des Dünnschichtstapels 1 weggeblasen oder abgesaugt werden. Dies verbessert die Qualität der Strukturierungslinien.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Dünnschichtstapels 1 können spezielle Partikel mit einem niedrigen Schmelzpunkt in der Halbleiterschicht 4 vorgesehen sein, um den Abtrag weiter zu fördern.
Die Pulsfrequenz und die Pulsdauer können mit dem Vorschub alternativ auch so abgestimmt sein, dass der Pulsüberlapp gegen 100% geht, so dass eine quasi-„continous-wave”-Laserstrahlung in den Bereich der Absorberschicht 3 übertragen wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Laserstrahl nicht gepulst, sondern der Laserstrahl wird durchgängig in einem continuous-wave-Modus betrieben. Für ein Strukturieren der Schichten ist es hier erforderlich, den Energieeintrag in die Absorberschicht 3 genau zu steuern. Insbesondere ist eine genaue Abstimmung zwischen der Energie, ggf. dem Verlauf des Energieeintrags, und der Wellenlänge des Laserstrahls, die durch den Laser eingebracht wird, und der Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl verfahren wird, wichtig, um eine Strukturierungslinie zu erzeugen, die zum einen die Schichten sicher trennt, zum anderen aber möglichst schmal ausgeführt wird. Die in den Dünnschichtstapel 1 eingebrachte Streckenenergie beträgt im coninuous-wave-Modus zwischen 1 J/m und 7 J/m.
Die Bahn, entlang der die zu entfernende Schicht 4 von der Absorberschicht 3 entfernt wird, muss nicht zwangsläufig eine längliche Bahn sein. Durch ein Abfahren einer entsprechenden Bahn kann auch eine größere Fläche der zu entfernenden Schicht abgetragen werden. Letztlich sind alle aus mehreren Pulsen zusammensetzbare Flächen bzw. Strukturierungslinien realisierbar.
Zudem ist nicht nur einen Schicht über eine Absorberschicht ablösbar, sondern auch ein Schichtverbund. Einzubringende Energie pro Volumen pro Zeit sind u. a. schichtdickenabhängig zu wählen.

Claims

Verfahren zum laserinduzierten Entfernen von Bereichen zumindest einer Schicht (4) eines Dünnschichtstapels (1), bei dem sich eine nichttransparente Absorberschicht (3) durch Einbringen von Energie mittels eines Laserstrahls (5) erwärmt, die Energie an eine an die Absorberschicht (3) angrenzende Schicht (4), aus der die Bereiche zu entfernen sind, weitergeleitet wird, und dadurch der an die Absorberschicht (3) angrenzende zu entfernende Bereich der Schicht (4) aus dem Dünnschichtstapel (1) abgetragen wird, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist: Bereitstellen des Dünnschichtstapels (1) mit zumindest der Absorberschicht (3) und der daran angrenzenden Schicht (4), Einbringen der Energie mittels des Laserstrahls (5) in die Absorberschicht (3), wobei die Absorberschicht (3) die Energie in die Schicht (4) leitet, sich der zu entfernende Bereich der Schicht (4) erwärmt und dadurch die Schicht (4) bereichsweise aus dem Dünnschichtstapel (1) abgetragen wird, relatives Bewegen des Laserstrahls (5) zu dem Dünnschichtstapel (1) entlang einer Bahn, wobei der Laserstrahl (5) während des Bewegens gepulst ist, so dass auf der Absorberschicht (3) einzelne Lichtpunkte (6) beleuchtet werden, und eine Pulsfrequenz und eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (5) so abgestimmt sind, dass eine Pulsfolge mit einem Pulsüberlapp, also mit einer Überdeckung von Flächen der einzelnen nacheinanderfolgenden Lichtpunkte (6) auf der Absorberschicht (3), entsteht, so dass die zu entfernende Schicht (4) in einem durchgängigen Bereich der Bahn von der Absorberschicht (3) bereichsweise abgetragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dünnschichtstapel (1) mit einer optisch transparenten Substratschicht (2) bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Pulsüberlapp mindestens 90% beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Pulsüberlapp mindestens 95% beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pulsfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (5) so abgestimmt sind, dass ein Pulsabstand, also ein Abstand zwischen zwei Mittelpunkten von zwei der einzelnen nacheinanderfolgenden Lichtpunkten (6) weniger als 5 μm beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Pulsabstand weniger als 2 μm beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Pulsfolge durch Wobbeln verändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Pulsfolge durch Pulssprünge verändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Pulsüberlapp gegen 100% geht, so dass eine quasi-„continous-wave”-Laserstrahlung in den Bereich der Absorberschicht (3) übertragen wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bahn mindestens zweimal abgefahren wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Parameter des Laserstrahls (5) so eingestellt sind, dass sich das Substrat (2) nicht in einer ungewünschten Weise verändert.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Parameter des Laserstrahls (5) so eingestellt sind, dass sich die Absorberschicht (3) nicht in einer ungewünschten Weise verändert.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wellenlänge des Laserstrahls (5) so auf ein Material der Absorberschicht (3) abgestimmt ist, dass der Laserstrahl (5) absorbiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schicht (4) ein Halbleitermaterial aufweist, und die Energie so lange in die Absorberschicht (3) eingebracht wird, bis zumindest ein Bestandteil des Halbleitermaterials verdampft und durch einen dadurch erzeugten Überdruck zwischen der Absorberschicht (3) und der Schicht (4), die zu entfernenden Bereiche der Schicht (4) abplatzen.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (5) von der der Schicht (4) abgewandten Seite der Absorberschicht (3) auf die Absorberschicht (3) gerichtet wird.
Solarmodul, hergestellt aus einem Dünnschichtstapel (1), bei dem Bereiche einer Schicht (4) mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 abgetragen werden.