DE102011076740A1

DE102011076740A1 - Elektronenstrahlgestütztes Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kontakten in Schichtstrukturen

Info

Publication number: DE102011076740A1
Application number: DE102011076740A
Authority: DE
Inventors: Rico Böhme; Gösta MATTAUSCH; Benjamin Graffel; Falk Winckler; Olaf Zywitzki
Original assignee: Roth and Rau AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-12-06

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte in Substraten mit mindestens zwei Metall- und/oder Halbleiterschichten und einer zwischen diesen Schichten verlaufenden, und die Schichten voneinander elektrisch isolierenden, dielektrischen Schicht vorgestellt. Dazu wird mindestens ein Elektronenstrahl bezüglich der Elektronenenergie und der räumlichen Ausrichtung derart eingerichtet, dass das Absorptionsmaximum in oder in unmittelbarer Nähe zu der dielektrischen Schicht liegt. Dadurch erfolgt das Aufschmelzen des Materials der ersten Schicht, der dielektrischen Schicht und der zweiten Schicht lokal und tiefenselektiv so, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht entsteht. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart.

Description

Ziel der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der kristallinen Silizium-Solarzellen ist es insbesondere, den Preis pro Wattpeak produzierter Leistung weiter zu senken. Ein wesentlicher Ansatzpunkt ist die Steigerung des Solarzellenwirkungsgrades durch geeignete Zellenkonzepte und effiziente Produktionsverfahren. Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich eines gesteigerten Zellenwirkungsgrades werden im industriellen Fertigungsprozess heute häufig in der verbesserten Oberflächenpassivierung und in der Ausbildung der elektrischen Kontakte gesehen. Ziel der Optimierung ist es, die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger weiter zu senken, während die Lichtausbeute durch Reflexion an der Zellenrückseite bei gleichzeitig guter elektrischer Anbindung des Halbleitermaterials an die Metallkontakte erhöht wird. Hierzu werden Verfahren benötigt, die elektrische Kontakte mit ausreichend niedrigen Kontaktwiderständen zwischen dem Halbleitermaterial und Metall herstellen, gleichzeitig aber die Passivierung der Oberfläche mit niedrigen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten größtmöglich erhalten.
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung eines Halbleiters, insbesondere einer Solarzelle vorgestellt. Dabei werden lokale elektrische Verbindungen von einer Halbleiterschicht durch eine oder mehrere dielektrische Schichten (dielektrisches Schichtsystem) zu einer Metallschicht durch lokales Aufschmelzen mit einem Elektronenstrahl hergestellt. Beim lokalen Aufschmelzen entsteht ein Metall-Halbleiter-Kontakt, der gute elektrische Eigenschaften zeigt.
Diese Kontaktierung kann bevorzugt in Form einer oder mehrerer punktförmiger Kontaktflächen und/oder linienförmig erfolgen. Bei diesem Verfahren werden für die Mikroelektronik oder die Solarzellenproduktion günstige Effekte ausgenutzt. Dies betrifft die weitgehend erhalten bleibenden Passivierungseigenschaften der nicht aufgeschmolzenen dielektrischen Schicht bzw. des Schichtsystems sowie die lokale Hochdotierung und das sich ausbildende BSF (Back Surface Field – Elektronen reflektierende Schicht in Silizium-Solarzellen) im Bereich der aufgeschmolzenen Kontaktstellen, die durch sehr gute elektrische und optische Eigenschaften hohe Zellwirkungsgrade ermöglichen. Dielektrische Schichtsysteme weisen zudem bessere optische und elektrische Eigenschaften auf als die im Stand der Technik gebräuchlichen dielektrischen Einzelschichten. Schädigungen des umliegenden, nicht aufgeschmolzenen Bereiches werden vermieden.
Wenn im Folgenden von Halbleiter oder Halbleiterschichten die Rede ist, schließt dies ein, dass der Halbleiter bzw. die Halbleiterschicht in einem vorhergehenden oder späteren Arbeitsgang nach Bedarf dotiert wurde bzw. wird. Der Halbleiter kann auch als Schichtsystem unterschiedlich dotierter Halbleiterschichten vorliegen. Ein besonders geeigneter Halbleiter für das nachstehend beschriebene Verfahren ist Silizium. Es wird daher im Folgenden häufig von Silizium gesprochen, auch wenn die Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf Silizium beschränkt ist. Weitere geeignete Halbleiter sind bspw. Ge, GaAs, CdTe, CuInSe₂, a-Si:H, BiTe, GaP, GaN, InP und andere. Die dielektrische Schicht kann ebenfalls als Schichtsystem aus einer Mehrzahl dielektrischer Einzelschichten vorliegen. Wenn im Folgenden von Schicht gesprochen wird, schließt dies somit ein Schichtsystem mit ein. Besonders geeignete Materialien für die dielektrische Schicht sind beispielsweise SiO_x, SiN_x, SiC_x, a-Si, Al₂O₃ und andere. Die verschiedenen Halbleiter werden vorteilhaft mit den aus dem Stand der Technik bekannten, jeweils geeigneten, dielektrischen Schichten zur elektrischen Isolierung versehen. Ebenso versteht der Fachmann, dass der Begriff Metallisierungsschicht bzw. Metallschicht eine Legierung verschiedener Metalle bzw. eine Mischung von Metallen mit weiteren Elementen einschließt. Selbstverständlich können außer den angesprochenen Schichten unterhalb der Halbleiterschicht weitere Schichten existieren. Weitere Schichten oberhalb der Metallisierungsschicht sind vor der Ausbildung der Kontakte nur möglich, wenn sie in dem im Folgenden beschriebenen Verfahren von dem Elektronenstrahl durchdrungen werden können. Nach der Ausbildung der Kontakte können selbstverständlich weitere Schichten auch auf die Metallisierungsschicht aufgebracht werden. Die Ausbildung von Kontaktstrukturen zwischen leitenden Schichten, die von einer dielektrischen Schicht bzw. einem Schichtsystem getrennt sind, ist eine häufige Aufgabe in der Halbleiterindustrie. In der Solarzellenindustrie spielt diese Aufgabe eine besondere Rolle, weil die in der aktiven Schicht von Solarzellen entstehenden Ladungsträger eingesammelt und fortgeleitet werden müssen.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe hat sich im Stand der Technik eine Reihe von Verfahren herausgebildet, die insbesondere die Solarzellenproduktion betreffen:
1. Aluminium-BSF-Rückseitenkontakt:
Bei diesem industriell weit verbreiteten Verfahren wird per Siebdruck, Sputtern oder Dampfen auf die Rückseite der Solarzelle eine Aluminium-Schicht aufgebracht und in einem Hochtemperaturschritt bei 700 bis 800 °C in das p-dotierte Silizium eingebrannt. Die p⁺-Dotierung der Grenzfläche zur sich ausbildenden Aluminium-Silizium-Legierung ermöglicht einerseits einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Metall und dem Halbleiter, andererseits erzeugt sie eine zusätzliche Raumladung, die Überschusselektronen von der Zellenrückseite ins Volumen zurückreflektiert und damit einer Rekombination an der Oberfläche entgegenwirkt. Man spricht in diesem Falle von einem Rückseitenfeld, engl. back surface field (BSF). Nach dem Hochtemperaturschritt entstehen beim Abkühlen jedoch sehr starke mechanische Spannungen, die zur Aufwölbung der Wafer („wafer warping", „wafer bending") und damit zu einer erhöhten Bruchgefahr führen. Ursache dafür sind die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Al und Si. Derartige flächige Rückseitenkontakte können industriell hochproduktiv hergestellt werden. Die erreichbaren Zellwirkungsgrade sind jedoch gering.
2. Ganzflächiges Bor-BSF (Bor-Back-Surface-Field):
Das BSF wird durch Eindiffusion von Bor erzeugt. Dieses Verfahren wird ebenfalls industriell eingesetzt, ist jedoch deutlich weniger verbreitet als das oben genannte AI-BSF-Verfahren. Die elektrische Kontaktierung erfolgt schließlich mittels eines ganzflächigen metallischen AI-Rückseitenkontakts oder eines per Siebdruck hergestellten Kontaktgitters. Es sind zusätzliche, kostenintensive Prozessschritte notwendig, wie der Diffusionsprozess und das nachträgliche Entfernen des zurückbleibenden Borsilikatglases in einem nasschemischen Ätzvorgang. Das Problem der Wafer-Verbiegung wird mit der Ausbildung des BSF durch die Eindiffusion von Bor vermieden (Vermeidung von Temperaturen über 500 °C). Das Verfahren ist aufgrund der zusätzlich notwendigen Prozessschritte (Diffusionsprozess, anschließende Entfernung des Borsilikatglases) weniger verbreitet als 1.
3. Dielektrisch passivierte Rückseite mit lokalen elektrischen Kontakten:
Auf den Si-Wafer wird zunächst eine passivierende, dielektrische Dünnschicht, ca. 100 nm dick, aus SiO_x, SiN_x Al₂O₃ oder a-Si aufgebracht. Diese Schichten reduzieren die Anzahl der Oberflächenzustände durch Absättigung freier Bindungen (beispielsweise thermische aufgewachsene SiO_x-Schichten) oder vermindern die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Ladungsträgertyps an der Oberfläche durch fixierte Ladungen in einer aufgebrachten Passivierungsschicht (beispielsweise durch PECVD-Schichten wie SiN_x mit einer zusätzlichen moderaten Reduzierung der Oberflächenzustände) und führen so zu einer Absenkung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit. Zur Vorbereitung der Kontakte wird die elektrisch isolierende Passivierungsschicht nun lokal punkt- oder linienförmig geöffnet. Die Öffnungen bedecken nur einen kleinen Teil der Rückseite und verschlechtern deshalb die guten optischen und elektrischen Eigenschaften der Passivierung nur geringfügig.
Nach dem Öffnen der Kontakte wird ganzflächig eine Aluminiumschicht mit einer typischen Schichtdicke von 1...2 µm aufgebracht. Zur Herstellung eines guten ohmschen Kontaktes folgt ein wenige Minuten dauernder Sinterschritt bei unter 500°C. Die dielektrisch passivierte Rückseite mit lokalen Kontakten bietet sehr gute elektrische und optische Eigenschaften und ermöglicht hohe Wirkungsgrade. Aufgrund des fehlenden Hochtemperaturschrittes tritt eine Verbiegung der Wafer nicht auf, so dass auch dünne Solarzellen hergestellt werden können. Entsprechende Aussagen dazu finden sich beispielsweise in E. SCHNEIDERLÖCHNER: Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen, Thesis/Dissertation, Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2004
Es finden folgende Methoden zur Öffnung der Passivierungsschicht Anwendung:

– 3.1. Fotolithografische Verfahren: Diese sind jedoch teuer und aufwendig und werden deshalb nicht für industrielle, sondern nur für Weltraumanwendungen benutzt. Hohe Wirkungsgrade von über 20 % sind realisierbar,
– 3.2. Punktuelles Öffnen durch Ablation mit einem Kurzpulslaser: ausgeworfenes Material kann die Oberfläche der Zellen und der optischen Vorrichtungen verunreinigen. Dies führt aufgrund der notwendigen Reinigungsschritte zu kürzeren Wartungsintervallen. Schädigungen am freigelegten Silizium müssen gegebenenfalls in einem zusätzlichen Ätzschritt entfernt werden.
– 3.3. Mechanische Mikrowerkzeuge: auch hier sind evtl. Reinigungsschritte notwendig, außerdem treten Probleme mit dünnen Wafern und bei Wafer-Unebenheiten auf.

4. Der dielektrisch passivierte Rückseitenkontakt mit lokaler Hochdotierung:
Wie unter 3. beschrieben, werden mit fotolithografischen Methoden Kontaktöffnungen in die Passivierungsschicht eingebracht. Vor der Metallisierung wird allerdings nun ein Dotierstoff aufgebracht, der im Bereich der späteren Kontaktstellen in einem Temperaturschritt in den Silizium-Wafer eindiffundiert.
Anschließend wird der Dotierstoff auf der Oberfläche wieder entfernt und die Metallisierung wie oben beschrieben durchgeführt. Durch diese sehr aufwendige und komplexe Prozessfolge ist das Verfahren für den industriellen Einsatz nicht geeignet. Dennoch sind mit diesem Verfahren die gegenwärtig höchsten Wirkungsgrade auf Silizium von ca. 24 % erzielt worden. Aufgrund der aufwendigen und teuren Prozessabfolge (zusätzlicher Diffusionsschritt) ist dieses Verfahren jedoch für den industriellen Einsatz nicht geeignet.
5. Laser-fired Contacts:
Der Silizium-Wafer wird auch hier mit einer Passivierungsschicht bedeckt, die anschließend ganzflächig typischerweise 2 µm dick mit Metall beschichtet wird. Durch kurzes und lokales Aufschmelzen der Metall- und Passivierungsschicht sowie der Oberfläche der darunter liegenden Halbleiterschicht mit Hilfe eines gepulsten Lasers kommt es zur Ausbildung einer Schmelze. Nach dem Erstarren entsteht ein lokaler elektrischer Kontakt zwischen der Halbleiter- und der Metallschicht. Die lokale Aluminiumdotierung des Halbleiters sorgt dabei für einen niedrigen Kontaktwiderstand und die Ausbildung eines lokalen BSF. Die Kontakttiefe beträgt nur wenige Mikrometer. Die eingebrachte Leistung muss so eingestellt werden, dass eine Überhitzung der nicht kontaktierten Materialbereiche und eine Schädigung der Passivierungsschicht und des Halbleitermaterials vermieden werden. Wirkungsgrade von über 20 % sind mit diesem Verfahren im Labor erreichbar.
Das Laser-fired Contacts (LFC)-Verfahren vereint viele Vorteile der oben aufgeführten Verfahren:

– Die erreichbaren Solarzellenwirkungsgrade sind wegen der guten optischen und elektrischen Eigenschaften der überwiegend dielektrisch passivierten Zellenrückseite sehr gut (hoher interner Reflexionsgrad, niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit).
– Die elektrische Kontaktierung erfolgt punktuell. Eine ausreichende lokale Dotierung der Kontaktbereiche senkt den elektrischen Kontaktwiderstand und die Ausbildung des BSF vermindert die Oberflächenrekombination im Kontaktbereich.
– Die Schädigung der den Bearbeitungsort umgebenden Bereiche wird begrenzt, insbesondere der Passivierungs- und Halbleiterschicht.
– Eine Verbiegung der Wafer durch einen Hochtemperaturschritt erfolgt nicht, so dass auch große Wafer prozessiert werden können.
– Der Laser als berührungsloses Strahlwerkzeug erlaubt die schnelle Bearbeitung auch von dünnen Wafern unter 200 µm Dicke.

Als nachteilig erweist sich jedoch:

– Der Energieeintrag mit dem Laser erfolgt nur oberflächlich (Nach H. HÜGEL: Strahlwerkzeug Laser, Teubner Studienbücher, 1992, klingt die Intensität des eingestrahlten Laserlichtes der Wellenlänge 0,1...10 µm bei Aluminium innerhalb weniger 10 nm auf den Bruchteil 1/e des Wertes an der Oberfläche ab.), so dass der Schmelzvorgang im Bereich der dielektrischen Schicht und der Oberfläche der Halbleiterschicht durch Wärmeleitungsprozesse gesteuert wird.
– Insbesondere die zuverlässige Bearbeitung dickerer Metallschichten über etwa 2 µm Dicke bereitet Probleme, so dass eine mehrfache Bearbeitung oder die Entwicklung eines Mehrfachpulsprozesses notwendig wird (nach: GROHE: Einsatz von Laserverfahren zur Prozessierung von kristallinen Silizium-Solarzellen, Thesis/Dissertation, Bibliothek der Universität Konstanz, 2008).
– Aus GROHE ist zum Mehrfachpulsprozess bekannt, dass – die Leerlaufspannung der Solarzelle mit zunehmender Pulszahl sinkt, da Schädigungen im Material und eine größere Lochoberfläche erzeugt werden, die eine verstärkte Rekombination an dieser unpassivierten Oberfläche bewirken. Außerdem ist eine Abnahme der Aluminium-Dotierung mit jedem weiteren, „überflüssigen" Puls feststellbar. – die Kurzschlussstromdichte steigt nach einigen Pulsen auf den üblichen Wert an, jedoch sind bei dickeren Schichten mehr Pulse nötig, um die Passivierungsschicht zu durchbrechen und damit den Serienwiderstand zu verkleinern.
– Dennoch wird es in Zukunft notwendig sein, dickere Metallschichten zu verwenden. Gründe dafür sind (nach GROHE): – Verwendung größerer Zellformate: Der über die Rückseite abfließende Strom wächst quadratisch mit der Kantenlänge der Zelle, so dass der Serienwiderstand eine zunehmende Rolle spielt, – Lötbarkeit der Zellen: Zellverbinder nach jetzigem Stand der Technik sind nicht mit Al direkt verlötbar. Daher ist eine zusätzliche, lötbare Metallschicht notwendig. Aus den jeweiligen notwendigen Mindestdicken für die lokale Dotierung und zum Löten folgt ein Anstieg der Schichtdicke, – Weitere Zellkonzepte: Für Rückseitenkontaktzellen stehen nur schmale Kontaktfinger von einigen Zentimetern Länge und einigen 100 µm Breite zur Verfügung. Schichtdicken zwischen 15 und 30 µm sind erforderlich, um den elektrischen Widerstand ausreichend klein zu halten. – Verwendbarkeit alternativer Metallisierungskonzepte: Siebdruck statt PVD-Verfahren, alternativ kann auch konventionelle AI-Folie eingesetzt werden. Hier sind deutlich größere Schichtdicken möglich.
– Durch die Lasereinwirkung entstehen Dampf und Plasma und ein Teil der Schmelze wird ausgestoßen. Dies führt zur Ausbildung von Kratern an der Zellenrückseite, wobei Ablationsprozesse eine wichtige Rolle spielen. Verdampftes und ausgeworfenes Material schlägt sich auf Anlagenteilen nieder und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit optischer Komponenten.
– Nachteile ergeben sich hierbei insbesondere für den Einsatz des Verfahrens in Vakuumanlagen, wie sie bei Beschichtungsverfahren verwendet und bei denen Strahleintrittsfenster und/oder optische Strahlformungs- und Ablenkungssysteme benötigt werden.
– Es wird berichtet, dass in der Halbleiterschicht immer noch Schäden durch Lasereinwirkung feststellbar sind. (nach A.W.Y. HO, S.R. WENHAM: Fabrication of silicon solar cells with rear pinhole contacts, Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007), 1234–1242)

6. Der dielektrisch passivierte Rückseitenkontakt mit lokalen, mittels Siebdruck hergestellten Kontakten:
Auf die ganzflächig passivierte rückseitige Oberfläche des Wafers werden z. B. mittels Siebdruck lokal Metallkontakte aufgebracht. Die verwendeten Pasten enthalten neben metallischen Bestandteilen auch ätzende Komponenten, die bei einem Temperaturschritt einen lokalen Ätzprozess in Gang setzen, der die dielektrische Schicht lokal öffnet und den elektrischen Kontakt herstellt. Trotz des einfachen Metallisierungsverfahrens erweist sich diese Methode zur Formierung der Rückseitenkontakte als sehr teuer, da die Herstellung der benötigten Spezialpasten aufwendig und kostenintensiv ist. Ein zusätzlicher Reinigungsschritt vor der Metallisierung und ein sich an die Metallisierung anschließender Hochtemperaturschritt erhöhen zusätzlich den Aufwand. Die notwendigen hohen Temperaturen schränken die Auswahl der zur Verfügung stehenden Passivierungsmaterialien stark ein. Nachteilig für die optischen Eigenschaften ist zudem, dass kein flächiger Metallrückseitenspiegel vorhanden ist
Die oben dargestellten Sachverhalte zum Stand der Technik finden sich unter anderem auch in: A. LUQUE (Ed.), S. HEGEDUS (Ed.): Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, 2003, sowie in EP 1319254.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben dargestellten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren vorzustellen, das die Kontaktierung einer Halbleiteroberfläche mit einer Metallschicht durch eine oder mehrere dieser trennenden dielektrischen Schichten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. offenbart. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden der Begriff Halbleiterschicht auch für ein Halbleiterschichtsystem mit mehreren direkt übereinander liegenden Halbleiterschichten, der Begriff Metallisierungsschicht für ein Metallisierungsschichtsystem mit mehreren direkt übereinander liegenden Metallisierungsschichten, sowie der Begriff dielektrische Schicht für ein dielektrisches Schichtsystem mit mehreren direkt übereinander liegenden dielektrischen Schichten verwendet. Der Begriff direkt beschreibt in diesem Zusammenhang, dass zwischen zwei Schichten eines Schichtsystems keine anderen Schichten angeordnet sind, dass also bspw. zwischen zwei Schichten eines Halbleiterschichtsystems keine Metallisierungs- oder dielektrische Schicht gelagert ist. Die beiden Schichten des Halbleiterschichtsystems können jedoch durchaus unterschiedlich dotiert sein. Ebenso können natürlich in einem Metallisierungsschichtsystem in den einzelnen Schichten verschiedene Metalle oder Legierungen bzw. in dem dielektrischen Schichtsystem verschiedene Dielektrika in den jeweiligen Schichten angeordnet sein.
In seiner allgemeinsten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren genutzt, um eine dritte Schicht lokal zwischen zwei, zur dritten Schicht benachbarten, Schichten aufzuschmelzen, so dass eine Verbindung zwischen den zwei Schichten entsteht. So können vorteilhaft Kontakte zwischen zwei Halbleiter- oder zwei Metallisierungsschichten oder zwischen einer Halbleiterschicht und einer Metallisierungsschicht hergestellt werden, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Als dielektrisch werden Materialschichten bezeichnet, die aus einer schwach- oder nichtleitenden nichtmetallischen Substanz bestehen.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt auf ein Substrat mit einer Halbleiterschicht, einer Metallisierungsschicht sowie einer zwischen diesen Schichten verlaufenden und die Schichten voneinander elektrisch isolierenden, dielektrischen Schicht mindestens ein Elektronenstrahl auf einen Punkt gerichtet und die Beschleunigungsspannung so gewählt, dass das Maximum des Energieeintrags in das Werkstück in oder in unmittelbarer Nähe zu der dielektrischen Schicht liegt. Dadurch wird das Material von Halbleiterschicht, der dielektrischen Schicht und der Metallisierungsschicht so aufgeschmolzen, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Halbleiterschicht und Metallisierungsschicht entsteht.
Die Nachteile, die sich aus dem Stand der Technik ergeben, werden insbesondere durch das verwendete Werkzeug – den Elektronenstrahl – überwunden:
Der Elektronenstrahl ist ein Teilchenstrahl. Die Eindringtiefe der Elektronen in das Werkstück wird durch ihre primäre Energie bestimmt, die proportional zur verwendeten Beschleunigungsspannung ist. Durch elastische und inelastische Stöße wird die Energie schrittweise an die Atome und Moleküle des Werkstückes übertragen. Wegen der geringen Masse der Elektronen sind sehr viele Stöße notwendig, bis ihre Energie vollständig an das Werkstück abgegeben wurde. Die Reichweite (Eindringtiefe) der Elektronen, die von der beaufschlagten Oberfläche aus gerechnet wird, hängt dabei außerdem von der Massendichte des Werkstoffes ab. Der integrale Energieeintrag ergibt sich dann aus den freien Parametern Beschleunigungsspannung, Strahlstrom und Strahlverweilzeit pro bearbeitetem Punkt bzw. Strahlvorschubgeschwindigkeit.
Der Elektronenstrahl besitzt eine Energie-Absorptionscharakteristik, die ein Maximum unterhalb der Werkstückoberfläche aufweist und dann ins Werkstückinnere monoton zu Null abfällt. Dieses Maximum liegt bei ca. 1/3 der von Beschleunigungsspannung und Massendichte abhängenden Elektronenreichweite im Werkstück. Durch geeignete Wahl der Beschleunigungsspannung wird die Energie der Elektronen in definierten Tiefenbereichen des Werkstücks deponiert. Zudem kann die eingebrachte Gesamtenergie sowie die örtliche und zeitliche Verteilung des Energieeintrages sehr fein über den Strahlstrom, die Verweilzeit des Strahls am Bearbeitungsort und den Strahldurchmesser eingestellt werden.
Entsprechend diesen spezifischen Eigenschaften des Elektronenstrahls wird die Energie vorteilhaft durch eine geeignete Wahl der Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlquelle gezielt unterhalb der Metalloberfläche im Bereich der dielektrischen Schicht bzw. des dielektrischen Schichtsystems bzw. in ihrer unmittelbaren Nähe deponiert, mit anderen Worten, das Absorptionsmaximum des Elektronenstrahls befindet sich in oder nahe bei der dielektrischen Schicht. Der Abstand des Punktes der maximalen Energieabgabe (Absorptionsmaximum) des Elektronenstrahls von der dielektrischen Schicht sollte bevorzugt ca. 1/3 der spannungsbestimmten Reichweite der Elektronen nicht übersteigen. Die Parameter Strahlstrom, Strahldurchmesser und Strahlverweilzeit werden so eingestellt, dass es in diesem Bereich zur Ausbildung eines Schmelzbades kommt, dass eine elektrische Kontaktierung zwischen der bevorzugt mindestens einige 100 nm (bevorzugt ab 500 nm bis 200000 nm) dicken Halbleiterschicht mit der Metallschicht durch die dielektrische Schicht bzw. das dielektrische Schichtsystem hindurch entsteht. Die trennende, typischerweise 10 nm bis 200 nm dicke dielektrische Schicht bzw. das Schichtsystem wird durch den definiert positionierten Energieeintrag und die entstehende Schmelzbad- und/oder Dampfdynamik gezielt aufgebrochen. Es entsteht eine Metall-Silizium-Legierung mit hoher Leitfähigkeit. Das Dielektrikum geht als Komponente in die Schmelze und nach dem Abkühlen in die Legierung ein. Die Bearbeitung erfolgt vorteilhaft lokal und tiefenselektiv, so dass umgebende Bereiche nicht beeinflusst werden. Insbesondere wird die Oberfläche der Metallisierungsschicht bevorzugt nicht oder nur wenig durchbrochen, so dass idealerweise ein vergrabener Kontakt entsteht. Sollte die Oberfläche der Metallisierungsschicht doch durchbrochen werden, so ist der geschädigte Bereich der Metallisierungsschicht deutlich kleiner, als es bei einer lasergestützten Kontaktierung (laser fired contact) der Fall wäre. Die eingebrachte Energie wird so dosiert, dass eine tiefgreifende thermische Beeinflussung und Schädigung des Halbleitermaterials vermieden wird. Diffusionsvorgänge von anderweitig dotierten Bereichen (wie z. B. vom Emitter auf der Solarzellenvorderseite) finden nicht statt.
Die Metallschicht weist bevorzugt eine Dicke von 0,5 µm bis 30 µm, besonders bevorzugt von 1 µm bis 10 µm und weiterhin besonders bevorzugt von 2 µm bis 5 µm auf. Sie besteht prinzipiell aus einem beliebigen Metall, bevorzugt aus Cu, Al, Ag, Ni, Mo, Ti, Cr oder Legierungen dieser Metalle miteinander oder mit anderen Metallen.
Mit einer für das vorliegende Materialsystem geeigneten Beschleunigungsspannung (größer als 20 kV) können auch dicke Metallschichten über 2 µm Schichtdicke in einem Bearbeitungsschritt kontaktiert werden, was die im Stand der Technik geschilderten Nachteile der Laser-Mehrfachpulsprozesses überwindet. Diese dicken Metallschichten werden bevorzugt durch Bedampfen, Sputtern, Siebdruck und/oder das spaltfreie Aufbringen einer Folie oder eines Bleches hergestellt.
Vorteilhafterweise werden hohe Leistungsdichten, die zu einer verstärkten Materialverdampfung bzw. zur Ablation führen, nicht benötigt.
Die flexible und schnelle Ansteuerbarkeit des Elektronenstrahls erlaubt vorteilhaft die Ausbildung verschiedener, an das Solarzellenkonzept angepasster Kontaktierungsmuster. Diese Kontaktierungsmuster sind bevorzugt Punkte und/oder Linien bzw. Linienmuster bei unterschiedlichen Metallisierungsdicken. Die nahezu trägheitslose Ablenkung des Strahls durch elektromagnetische und/oder elektrostatische Strahlführungssysteme erlaubt sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten mit beispielsweise einer Million Bearbeitungspunkten pro Sekunde.
Die Elektronenstrahleinrichtung wird bevorzugt mit diskontinuierlicher Leistung betrieben (gepulst) und vorzugsweise nur der Ort der Strahleinwirkung auf dem Substrat durch die programmierbare Strahlablenkung eingestellt.
Im Pulsbetrieb liegt die Pulsdauer bevorzugt im Bereich von 100 ns bis 1 ms, besonders bevorzugt von 1 µs bis 100 µs und ganz besonders bevorzugt von 5 µs bis 50 µs. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Bereich der Kontaktierung mit einem defokussierten, kontinuierlichen Elektronenstrahl geringer Leistungsdichte vorgewärmt und anschließend mit stark fokussiertem Strahl hoher Leistungsdichte der Kontakt erzeugt. Dabei ist die Pulsung des Strahls besonders vorteilhaft im Zeitbereich von 10 ns bis 100 µs und bei Pulsleistungen von 100000 W bis 10 W. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, kurze Pulsdauern zu wählen, um die Ableitung der entstehenden Wärme in das umliegende Material möglichst gering zu halten. Daher sollte die Pulsdauer möglichst geringer als die Wärmeleitungsrelaxationszeit gehalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Elektronenstrahleinrichtung mit kontinuierlicher Leistung betrieben und Ort und Dauer der Strahleinwirkung werden durch die programmierbare Strahlablenkung eingestellt, wobei die am momentanen Bearbeitungspunkt eingebrachte Energie durch die Strahlverweilzeit eingestellt wird.
Weiterhin bevorzugt wird die Elektronenstrahleinrichtung mit kontinuierlicher Leistung betrieben und Ort und Dauer der Strahleinwirkung werden durch die programmierbare Strahlablenkung eingestellt, wobei die Leistungsdichte im momentanen Bearbeitungspunkt durch eine schnell programmierbare, dynamische Fokussierung eingestellt wird.
Beim Elektronenstrahlkontaktierungsprozess handelt es sich um einen Vakuumprozess, der bevorzugt bei einem Arbeitsdruck < 10^–2 mbar durchgeführt wird. Ein direkter Anschluss an Vakuumbeschichtungsverfahren (Abscheidung der dielektrischen Schicht bzw. Schichtsysteme, Metallisierung durch Bedampfen und/oder Sputtern) ist also vorteilhaft ohne Schleusen möglich. Die einfache Integration in bestehende Inline-Anlagen ist somit gegeben. Als Elektronenstrahlquelle kommen bevorzugt Axialstrahler mit direkt oder indirekt geheizter Kleinflächen-Kathode, alternativ für Strukturgrößen typischerweise größer als 50 µm plasmabasierte Kathoden zum Einsatz.
Die Monitorierung von entstehenden Sekundäreffekten, vorzugsweise Sekundärelektronen, rückgestreuten Elektronen, Röntgenstrahlung etc. kann vorteilhaft zur Prozesskontrolle eingesetzt werden. So werden bevorzugt die Lage des Werkstücks sowie Metallisierungs- und Strukturierungsfehler erkannt.
Vorzugsweise werden die Sekundäreffekte des Elektronenstrahls von einem oder mehreren Sensoren erfasst, die diese Daten an eine Datenverarbeitungseinrichtung übermitteln, die diese gemeinsam mit der aktuellen Position des Strahles auswertet. Aufgrund der Veränderung des Topologie- und/oder Materialkontrastes an der bestrahlten Kontaktierungsstelle stellt die Datenverarbeitungseinrichtung eine Veränderung der Signalintensität fest. Die Datenverarbeitungseinrichtung vergleicht die gemessene Signalintensität mit der Referenzsignalintensität, die im Rahmen vorhergehender Kalibrierungen bestimmt wurden. Wenn die Referenzsignalintensität erreicht ist, wird die Beaufschlagung des Kontaktierungspunktes oder einer Gruppe von Kontaktierungspunkten beendet.
Eine weitere Prozesskontrollmöglichkeit ist dadurch gegeben, dass in einer bevorzugten Ausführungsform Frontseite und Rückseite des Substrats über einen elektrischen Widerstand und eine Strom-Messeinrichtung leitend verbunden werden, wobei die Strom-Messeinrichtung die Messdaten über eine Datenverbindung zu der Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt. Bei dieser Prozesskontrollmöglichkeit wird ausgenutzt, dass der Elektronenstrahl Ladungen in das Werkstück einbringt und somit selbst als Stromquelle dient. Der daraus resultierende Strom, der durch das Werkstück fließt, wird zur Quantifizierung des Kontaktierungserfolges herangezogen. Die Vermessung kann dabei zeitaufgelöst während des fortschreitenden Kontaktierungsprozesses und/oder global nach der abgeschlossenen Kontaktierung durchgeführt werden. Bevorzugt werden während des Bestrahlungsprozesses zeitgleich die Ableitströme von der Frontseite und der Rückseite des Substrates gemessen. Aus den gemessenen Stromstärken wird in der Datenverarbeitungseinrichtung der sinkende Kontaktwiderstand während des Kontaktierungsprozesses ermittelt und mit einer Referenzmessung (Kalibrierung), die im Vorhinein vorgenommen wurde, verglichen. Wenn der Widerstand zwischen Rückseite und Frontseite den vorher ermittelten Referenzwertes erreicht, wird die Bestrahlung des Kontaktierungspunktes beendet.
Die Tiefenselektivität des Stromeintrages durch den Elektronenstrahl kann bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dazu genutzt werden, vor der Herstellung der Kontaktierung beispielsweise die Qualität der vorher hergestellten Passivierungsschicht und Metallisierungsschicht zu überprüfen. Dabei scannt der Elektronenstrahl über den Rückseitenkontakt, wobei die Beschleunigungsspannung so niedrig gewählt wird, dass die Elektronenreichweite im Bereich der Metallisierungsschichtdicke liegt. Gleichzeitig wird der Ableitstrom über das Frontseiten-Kontaktgrid gemessen. Im Falle einer guten elektrischen Isolation zwischen Rückseitenkontakt und Frontseiten-Kontaktgrid (d.h. Solarzellenvorder- und Rückseite sind nicht über die Kanten durch parasitäre Bedampfung und/oder durch Verschmutzung elektrisch kurzgeschlossen und die Isolationswirkung der dielektrischen Schicht ist gegeben) registriert die Ableitstrom-Messeinrichtung am Frontseiten-Kontaktgrid einen Ableitstrom, der kleiner als ein vorher festgelegter Toleranzwert ist. Bei Vorliegen einer schlechten Kantenisolation und/oder einer Schädigung der dielektrischen Schicht ist der Ableitstrom über den Frontseitenkontakt deutlich erhöht. In diesem Fall kann ein Reparaturversuch unternommen werden, bei dem mit dem fokussierten Elektronenstrahl entlang der Solarzellenkanten Isolationsschnitte gezogen werden („Edge Deletion“). In einer nachfolgenden Ableitstrom-Messung wird der Erfolg der Reparatur überprüft. Sollte keine ausreichende Isolation festgestellt werden, kann ein erneuter Reparaturversuch durchgeführt werden oder die betreffende Solarzelle wird als Ausschuss markiert und ausgesondert.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die Tiefenselektivität des Elektronenstrahls dazu genutzt werden, um vor der Herstellung der Kontaktierung die Dicke und die Homogenität der Metallisierungsschicht zu kontrollieren. Dazu werden mehrere Scans mit zunehmender Beschleunigungsspannung durchgeführt. Zunächst wird mit einer niedrigen Beschleunigungsspannung begonnen, bei der die Elektronenreichweite noch innerhalb der zu erwartenden Metallisierungsschichtdicken liegt. Bedingt durch die elektrische Isolationswirkung der Passivierungsschicht wird die Ableitstrom-Messeinrichtung einen Stromfluss am Rückseitenkontakt der Zelle registrieren. Nimmt die Beschleunigungsspannung zu, so vergrößert sich auch in definierter Weise die Reichweite der Elektronen im Substrat. Sobald auch Elektronen in das unter der Passivierungsschicht liegende Halbleitermaterial gelangen, kommt es zu einem Anstieg des Ableitstromes über den Frontseitenkontakt. Entsprechend des Zusammenhanges zwischen Beschleunigungsspannung, Elektronenreichweite und Metallisierungsschichtdicke kann über die vorgeschlagene Methode die lokale Schichtdickenverteilung der Rückseitenmetallisierung mit Hilfe der Datenverarbeitungseinrichtung bestimmt werden. Die ermittelten Daten können vorteilhaft an eine vorgelagerte Beschichtungsstation übermittelt und zur Nachregelung der Schichtdicke genutzt werden.
Bei einer anderen Variante scannt der Elektronenstrahl mindestens einmal den zu bestrahlenden Bereich mit geringem Strahlstrom ab. Bei diesem flächigen Abscannen des Substrates entstehen Sekundär- und Rückstreuelektronen. Diese werden in einem Sekundär- und/oder Rückstreuelektronendetektor erfasst. Die entsprechenden Daten werden ebenfalls an die Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt, die daraus die Lage des Substrats bestimmt und gegebenenfalls das vorgesehene Bearbeitungsmuster passend ausrichtet und/oder die Lage des Substrates korrigiert.
Bei einer weiteren Variante wird das Abrastern des Werkstückes mit dem Elektronenstrahl dazu benutzt, um mit einer Bildauswertesoftware in der Datenverarbeitungseinrichtung die Bildschärfe (Grad der Fokussierung des Elektronenstrahls auf der Substratoberfläche) zu ermitteln und über eine Verbindung zur Elektronenstrahlquelle diese bei mangelnder Schärfe nachzuregeln und gegebenenfalls bei einem weiteren Scan zu überprüfen.
In einer anderen Monitorierungsvariante wird die Oberfläche des Werkstückes mehrfach flächig abgerastert, wobei jeder einzelne Durchlauf mit einer anderen Beschleunigungsspannung erfolgt. Auf diese Weise können aufgrund der Tiefenselektivität der Sekundäreffekte tomographische Informationen gewonnen und ein 3D-Abbild oberflächennaher Schichten, insbesondere vergrabener Strukturen, generiert und zur Qualitätskontrolle der Bearbeitung herangezogen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kontaktierungsverfahrens wird bei der Bestrahlung für jeden Kontaktpunkt bzw. jeden Punkt (Schritt) einer Kontaktlinie die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlquelle variiert. Der maximale Energieeintrag ins Werkstück erfolgt somit bei verschiedenen Tiefen. Dieser Effekt kann beispielsweise genutzt werden, um ein Vorwärmen des Kontaktierungsbereiches oder seiner Umgebung zu erreichen oder die geometrische Ausbildung desselben förderlich zu beeinflussen. Insbesondere kann somit einer Rissausbildung entgegengewirkt werden.
Das elektronenstrahlbasierte Kontaktierungsverfahren ermöglicht die Verwendung einer Schichtstruktur, die gegenüber den obengenannten Verfahren 1, 2 und 3 aus dem Stand der Technik bessere optische und elektrische Eigenschaften aufweist und damit höhere Solarzellenwirkungsgrade ermöglicht. Das beschriebene Verfahren ist deutlich einfacher und mit weniger Prozessschritten zu realisieren als die Verfahren 3 und 4.
Gegenüber dem Verfahren 5 sind die Vorteile darin zu sehen, dass

• abgestimmt auf die verwendete Metallisierungsdicke, eine durch den Parameter Beschleunigungsspannung angepasste Kontaktierung auch von dicken Metallschichten über 2 µm Schichtdicke in einem Schritt möglich ist. Ausgenutzt wird dabei der Energieeintrag im Volumen des Werkstückes. Mehrpulsprozesse wie beim Laserprozess mit einer oberflächennahen Energieabsorption werden vermieden, was eine Verkürzung der Prozesszeit ermöglicht.
• der Prozess im Vakuum abläuft und damit eine einfache Integration in bestehende Vakuum-Inline-Prozesse (Abscheidung dielektrischer Schichten, Metallisierung) ohne aufwendige Schleusungen realisierbar ist,
• eine Verschmutzung optischer Einrichtungen durch verdampftes oder ablatiertes Material nicht auftritt, was die Prozessstabilität verbessert und die Wartungsintervalle vergrößert,
• die eingebrachte Leistungsdichte nicht so hoch wie beim laserbasierten Kontaktierungsverfahren sein muss, da die Absorptions-Charakteristik des Elektronenstrahls einen gezielten Energieeintrag im Bereich von Metallschicht und Passivierungsschicht bzw. -schichtsystem ohne Ablationsschritte erlaubt, und
• der Elektronenstrahl im Prozess sowohl als Werkzeug als auch gleichzeitig als Sonde zur Prozessmonitorierung eingesetzt wird.

Gegenüber dem Verfahren 6 aus dem oben diskutierten Stand der Technik nutzt das vorgeschlagene Verfahren die Vorteile eines großflächigen Metallspiegels zur Verbesserung der optischen Eigenschaften. Zur Metallisierung werden technisch gängige Metalle und Legierungen benutzt und damit auf die Verwendung von teuren Spezialdruckpasten verzichtet.
Insgesamt stellt sich das beschriebene Verfahren als einfach zu realisierendes und einfach in Vakuumbeschichtungsanlagen zu integrierendes Kontaktierungsverfahren dar, dass besonders im Hinblick auf dielektrische Mehrschichtsysteme und dickere Metallisierungsschichtdicken deutliche Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik bietet.
Das Verfahren wird bevorzugt bei der Kontaktausbildung von Solarzellen angewendet, insbesondere wenn ein Metall durch eine dielektrische (Barriere-)Schicht mit einem Halbleiter (c-Si, a-Si, GaAs, CdTe, ...) verbunden werden soll, wie dies bevorzugt für die folgenden Kontaktierungsaufgaben notwendig ist:

• Frontseitenkontakte (punkt- oder linienförmig),
• Rückseitenkontakte (punkt- oder linienförmig), und
• Streifenförmige Kontaktausbildung bei Rückseitenkontaktzellen.

Eine Anwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Metall-Halbleiter-Kontakten in verschiedenen Gebieten der Halbleiter- bzw. Mikroelektronikindustrie ist ebenfalls möglich. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können lithografische Prozessschritte zum Kontaktöffnen eingespart werden. Durch das kurzzeitige lokale Erhitzen wird das Problem der niedrigen Schmelztemperatur des häufig als Leitermaterial eingesetzten Aluminiums bzw. der niedrigen eutektischen Temperatur des Aluminium-Silizium-Systems in kontaktfernen Bereichen umgangen und die Bildung von Aluminiumspikes im prozessierten Kontaktbereich (wie z. B. bei S. WOLF, R.N. TAUBER: Silicon Processing for the VLSI Era, Volume 1 – Process Technology, Lattice Press, 1986, beschrieben) vermieden.
Das Halbleiterschichtsystem ist in einer bevorzugten Ausführungsform auf einem Substrat aufgebaut. Als Halbleiter kommen bevorzugt eine oder mehrere kristalline Si-Schichten, amorphe Si-Schichten, mikromorphe Si-Schichten, mikrokristalline Si-Schicht, Cd-Te, Ge oder sonstige Halbleiter zum Einsatz. Besonders bevorzugt sind Halbleiter, die für die Solarzellenproduktion genutzt werden.
Das Substrat ist vorzugsweise flächig, insbesondere plattenförmig und weist somit eine Vorderseite sowie eine der Vorderseite parallel gegenüberliegende Rückseite auf. Das Substrat kann auch flexibel sein. Vorder- und Rückseite werden durch Stirnseiten verbunden, die die Dicke des Substrats abbilden. Die Dicke des Substrats ist bevorzugt geringer als 5 mm, besonders bevorzugt liegt sie zwischen 4 mm und 0,001 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 0,01 mm. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat um einen Silizium-Wafer für die Solarzellenproduktion.
Die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mindestens eine Vakuumkammer auf, in die das Substrat mittels eines Transportsystems hinein bewegt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat in einem Transportrahmen (carrier) angeordnet. Wenn im Folgenden von Substrat bzw. dem Transport des Substrats gesprochen wird, beinhaltet dies auch den Transport des Rahmens mit dem darin angeordneten plattenförmigen Substrat.
In der Vakuumkammer bzw. als Aufsatz zur Vakuumkammer ist eine Elektronenstrahlvorrichtung nach dem Stand der Technik angeordnet. Das Substrat wird bevorzugt in horizontaler Lage in die Vakuumkammer eingebracht, wobei die Vorderseite des Substrats nach unten gerichtet ist. Es ist jedoch auch jede weitere beliebige Ausrichtung möglich. Wesentlich zur Durchführung des Verfahrens ist, dass die Seite, die die Metallisierungsschicht aufweist, der Elektronenstrahlvorrichtung zugewandt ist. Bevorzugt ist die Elektronenstrahlvorrichtung auf der Oberseite der Vakuumkammer angeordnet und die zu beschichtende Seite des Substrats verläuft horizontal und ist nach oben gerichtet. Zur Vermeidung einer Wendevorrichtung kann beispielsweise beim Bedampfen die zu metallisierende Substratseite auch nach unten gerichtet sein, so dass die Elektronenstrahlvorrichtung nach dem Stand der Technik auch unterhalb des Substrates, vertikal zu diesem angeordnet werden kann. In jedem Fall ist auch eine Anordnung der Elektronenstrahlvorrichtung möglich, bei der der unabgelenkte Strahl nicht parallel zur Oberflächennormalen des Substrates steht und durch ein zusätzliches Umlenkfeld auf das Substrat gelenkt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Substrattransportvorrichtung unter der Elektronenstrahlvorrichtung so ausgestaltet, dass eine Verschiebung der Substrate senkrecht zur Haupttransportrichtung durch die Vakuumkammer, sowie senkrecht zur Achse des nicht abgelenkten Elektronenstrahls der Elektronenstrahlvorrichtung möglich ist. Dies geschieht vorteilhaft mittels eines X-Y-Tisches, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Auf diese Weise kann das Substrat unter die Elektronenstrahlvorrichtung bewegt werden und durch Verschiebung senkrecht zur Transportrichtung in seiner gesamten Breite bearbeitet werden. Auf gleiche Art und Weise ist auch die Substratbewegung relativ zur Elektronenstrahlvorrichtung in jeder anderen Orientierung möglich.
Bevorzugt wird die Elektronenstrahlvorrichtung ebenfalls von der Datenverarbeitungseinrichtung angesteuert, in der auch das zu erzeugende Kontaktmuster hinterlegt ist. Sensoren in der Vakuumkammer erfassen die Position des Substrats und liefern diese Informationen an die Datenverarbeitungseinrichtung. Die Datenverarbeitungseinrichtung berechnet die Strahlablenkangaben für die Elektronenstrahlvorrichtung und steuert daraufhin die Elektronenstrahlvorrichtung hinsichtlich Beschleunigungsspannung, Strahlstromstärke, Ablenkwinkel, Strahlfokussierung und Pulsdauer bzw. Strahlverweilzeit derart, dass der maximale Energieeintrag in der Nähe der dielektrischen Schicht an den vorgegebenen Punkten bzw. Punktfolgen (zur Linienherstellung) des vorgegebenen Kontaktmusters erfolgt.
Die Elektronenstrahlvorrichtung weist bevorzugt einen maximalen Ablenkwinkel des Elektronenstrahls von ±30° besonders bevorzugt von ±15° auf. Der Abstand zwischen Austritt des Elektronenstrahls aus der Elektronenstrahlvorrichtung und Substratoberfläche beträgt bevorzugt zwischen 1000 mm und 40 mm, besonders bevorzugt zwischen 400 mm und 100 mm. Der Fokusdurchmesser ist bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 10 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 µm bis 100 nm und ganz besonders bevorzugt von 10 µm bis 1 µm regelbar. Die Beschleunigungsspannung liegt vorteilhaft zwischen 100 kV und 10 kV
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens einen Sekundär- und/oder Rückstreuelektronendetektor auf. Der Detektor erfasst bzw. die Detektoren erfassen die während der Bestrahlung des Substrats mit der Elektronenstrahlvorrichtung entstehenden Sekundärelektronen und/oder Rückstreuelektronen und liefert bzw. liefern die so gewonnenen Daten an die Datenverarbeitungseinrichtung, die daraus Informationen zur Strahlsteuerung, zur Positionierung des Substrats, der Beschaffenheit der Oberfläche des Substrats, dem Kontaktierungsfortschritt und/oder zur Darstellung eines Bildes des Substrats für die menschliche Wahrnehmung als auch für eine automatische Bildanalyse generiert.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kommen ein oder mehrere Detektoren zum Einsatz, die ebenfalls geeignet sind, weitere, von der Substratoberfläche aufgrund der Elektronenbestrahlung ausgelöste Sekundäreffekte zu erfassen. Dies sind bevorzugt Röntgendetektoren, Auger-Elektronen-Spektroskope usw. Auch diese Detektoren liefern die erfassten Daten vorzugsweise an die Datenverarbeitungseinrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Elektronenstrahleinrichtung beweglich angeordnet. Bevorzugt ist dabei eine Bewegung senkrecht zur Transportrichtung des Substrats, jedoch parallel zur Substratoberfläche realisiert. Dadurch ist es möglich, dass das Substrat zeilenweise von der Elektronenstrahleinrichtung bearbeitet wird. Unterstützt wird dies durch die Ablenkbarkeit des Elektronenstrahls. So ist es möglich, dass die Elektronenstrahleinrichtung nicht die gesamte Breite des Substrats abfahren muss. Die Randbereiche können durch Strahlablenkung erreicht werden. Auch wird durch die Strahlablenkung entlang der Transportrichtung ein Streifen mit einer Bearbeitungsbreite, die aus der möglichen Ablenkung resultiert, erreicht.
Die Vorrichtung weist die folgenden bevorzugten Bewegungsmöglichkeiten auf:

• Das Substrat ruht und die Elektronenstrahlvorrichtung wird nicht bewegt. Die gesamte Substratoberfläche wird lediglich durch Strahlablenkung bearbeitet. Diese Vorgehensweise wird bevorzugt bei kleinformatigen Substraten angewendet.
• Das Substrat wird in den Bearbeitungspausen diskontinuierlich um jeweils die mögliche Breite (gemessen in Transportrichtung) der Bearbeitung in Transportrichtung vorgeschoben, woraufhin die Elektronenstrahleinrichtung den mittels Strahlablenkung erreichbaren Bereich bearbeitet. Die halbe Breite des Substrats darf dabei die aus dem maximalen Ablenkwinkel resultierende Ablenkweite nicht überschreiten. Die Länge des Substrats in Transportrichtung ist beliebig.
• Das Substrat wird in den Bearbeitungspausen diskontinuierlich um jeweils die mögliche Breite der Bearbeitung in Transportrichtung vorgeschoben, woraufhin die Elektronenstrahleinrichtung senkrecht zur Substrattransportrichtung verschoben wird. Dabei kann die Bewegung der Elektronenstrahleinrichtung ebenfalls diskontinuierlich in Bearbeitungspausen oder kontinuierlich während der Bearbeitung erfolgen. Auf diese Weise können Substrate beliebiger Größe (entsprechend der verfügbaren Kammergröße und Verschiebungsweite der Elektronenstrahlvorrichtung zuzüglich der Ablenkweite des Elektronenstrahls) bearbeitet werden.
• Das Substrat wird kontinuierlich in Transportrichtung vorgeschoben, wobei gleichzeitig die Elektronenstrahleinrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Transportrichtung verschoben wird und dabei die Kontaktierung vornimmt. Diese Vorgehensweise ermöglicht es ebenfalls, Substrate beliebiger Größe (entsprechend der verfügbaren Kammergröße und Verschiebungsweite der Elektronenstrahlvorrichtung zuzüglich der Ablenkweite des Elektronenstrahls) zu bearbeiten. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist höher als in der vorhergehend beschriebenen Vorgehensweise. Es ergeben sich jedoch sehr viel höhere Anforderungen an die Überwachung des Prozesses und damit an die Datenverarbeitungseinrichtung. Die Datenverarbeitungseinrichtung muss aufgrund der gleichzeitigen Bewegung von Substrat und Elektronenstrahleinrichtung permanent dynamisch veränderte Werte für die Ablenkung, den Fokusdurchmesser und die Leistung des Elektronenstrahls berechnen.

Die Vakuumkammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Kammer in einer Inline-Anlage ausgebildet. Sie verfügt über einen Zufuhrschlitz, durch den das Substrat vom Transportsystem einer vorgeschalteten Kammer dem Transportsystem der Vakuumkammer mit der Elektronenstrahlvorrichtung übergeben wird und einen Ausfuhrschlitz, durch den das Substrat an das Transportsystem einer nachgeschalteten Kammer übergeben wird. Bevorzugt erfolgt diese Übergabe, ohne dass Schleusungsprozesse notwendig sind. Vorteilhaft sind der Vakuumkammer mit der Elektronenstrahlvorrichtung Kammern vorgeschaltet, in denen der Aufbau des Schichtsystems aus Halbleiterschicht, dielektrischer Schicht und Metallisierungsschicht erfolgt. So erfolgt die Kontaktausbildung in einem kontinuierlichen Prozess mit den vorgeschalteten Kammern und vorzugsweise auch mit nachgeschalteten Kammern.
Die 1 und 2 erläutern den prinzipiellen Ablauf des Verfahrens:
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine Solarzelle, mit einer Halbleiterschicht (5), einer Metallschicht (3) und der zwischen diesen Schichten (3, 5) angeordneten dielektrischen Schicht (4). Die dielektrische Schicht (4) isoliert die beiden anderen Schichten (3, 5) voneinander. Auf der Unterseite der Solarzelle ist bereits die Emitterschicht (6) eindotiert und das Frontseiten-Kontaktgrid (9) aufgebracht. Die Elektronenstrahlkanone (1) wird so eingestellt, dass der Elektronenstrahl (2) seine maximale Energie direkt in bzw. möglichst nahe an der dielektrischen Schicht (4) abgibt.
2 zeigt den Bereich um den Punkt der höchsten Energieabgabe des Elektronenstrahls. Die Metallschicht (3), die dielektrische Schicht (4) und die Halbleiterschicht (5) sind im Kontaktbereich (7) aufgeschmolzen und bilden eine Legierung (8) bzw. Mischung.
Ausführungsbeispiele:
Beispiel 1 (Fig. 3):
3 zeigt, wie der Prozess der Kontaktierung aufgrund des mit jedem Kontakt abnehmenden elektrischen Widerstandes zwischen Vorder- und Rückseite des Substrats kontrolliert werden kann. Dazu wird die zu bearbeitenden Seite der Solarzelle (20) mittels des Kontaktes zur Rückseitenmetallisierung (12) über einen Vorwiderstand (R) an die Ableitstrom-Messeinrichtung (13) angeschlossen. Die nicht zu bearbeitende, gegenüberliegende Seite der Solarzelle (20) ist mit ihrem Frontseiten-Kontaktgrid (9) auf eine Kontaktplatte (21) aufgelegt und mit einem zweiten Kanal der Ableitstrom-Messeinrichtung (13) direkt verbunden. Die Elektronenstrahlkanone (1) richtet mittels Elektronenstrahlablenksteuerung (14) und Elektronenstrahlablenksystem (11) den Strahl (2) auf den beabsichtigten Kontaktierungspunkt. Der aktuelle elektrische Widerstand in der Solarzelle (20) zwischen Metallschicht (3) und Frontseiten-Kontaktgrid (9) wird durch den Vergleich der Ableitströme über den Kontakt (12) und die Kontaktplatte (21) in der Ableitstrom-Messeinrichtung (13) ermittelt. Wenn der momentane Widerstandswert das in vorhergehenden Kalibrierungsläufen ermittelte Maß erreicht, ist die Kontaktierung am momentanen Bearbeitungspunkt abgeschlossen. Vorteilhafterweise kann die Widerstandsbestimmung bei der Elektronenstrahlbearbeitung ohne eine zusätzliche externe Spannungsbeaufschlagung an der Solarzelle (20) erfolgen, wie dies bei anderen Kontaktierungsverfahren nach dem Stand der Technik notwendig ist, da der Elektronenstrahl (2) unmittelbar als Stromquelle dient. Die Elektronenstrahlablenksteuerung (14) kann den Strahl (2) auf einen anderen zu erzeugenden Kontakt ablenken. Die mögliche Bearbeitungsbreite der Elektronenstrahlkanone wird in dieser Darstellung durch die abgelenkten Elektronenstrahlen (2a) symbolisiert.

• Zunächst wird die Solarzellenvorderseite (156 mm × 156 mm) komplett mit Passivierungsschicht und gedrucktem oder galvanisch erzeugtem Frontseiten-Grid (9) versehen.
• Anschließend durchläuft die Zelle eine PECVD-Station, in der auf die Solarzellenrückseite eine ca. 80 nm dicke SiN_x-Schicht auf eine ca. 100 nm dicke SiO_x-Schicht (diese beiden Schichten bilden gemeinsam die dielektrische Schicht (4)) aufgebracht wird.
• Anschließend werden auf die Solarzellenrückseite ganzflächig eine 4 µm Aluminiumschicht aufgedampft oder aufgesputtert und eine 100 nm dicke Silberschicht zur späteren Lötbarkeit der Zelle aufgedampft oder aufgesputtert. Die Aluminium- und die Silberschicht bilden gemeinsam die Metallschicht (3).
• Die Solarzelle erreicht nun die Vakuumstation zur Elektronenstrahlstrukturierung. Das Frontseiten-Kontaktgrid (9) der Solarzelle wird mit der Kontaktplatte (21) elektrisch kontaktiert Die rückseitige Metallisierung (3) wird ebenso kontaktiert, wobei hier zusätzlich ein vorgeschalteter Widerstand (R) benutzt wird. Der vorgeschaltete Widerstand muss entsprechend der zu kontaktierenden Solarzelle gewählt werden. Der Elektronenstrahl (2) rastert nun einmal die Solarzellenrückseite und ihre angrenzende nähere Umgebung mit kleinem Strom (1 mA) ab und erfasst mit Hilfe des Rückstreuelektronenauffängers (10), der sich gegenüber der Solarzellenrückseite befindet, die Lage der Solarzelle.
• Mittels einer Bildauswertungssoftware wird aus dem generierten Rückstreuelektronenbild die Fokuslage des Strahls (2) anhand der Bildschärfe überprüft und gegebenenfalls nachgeregelt. Außerdem wird die aktuelle Lage der Solarzelle (20) festgestellt.
• Während des Scans über den Rückseitenkontakt (3) der Solarzelle (20) wird gleichzeitig der Ableitstrom über das Frontseiten-Grid (9) gemessen. Für das Abrastern wird eine Beschleunigungsspannung von 20000 V gewählt, so dass die Elektronenreichweite im Rückseitenkontakt (3) kleiner als die Dicke des Rückseitenkontaktes ist. Übersteigt der Ableitstrom am Frontseiten-Kontaktgrid einen vorher festgelegten Toleranzwert, so kann davon ausgegangen werden, dass ein unerwünschter Kurzschluss zwischen Front- und Rückseite vorliegt, der z.B. durch eine parasitäre Bedampfung und/oder Verschmutzung der Waferkanten und/oder einer Schädigung der dielektrischen Schicht hervorgerufen werden kann. Entsprechend der festgestellten Lage wird der Elektronenstrahl deshalb nahe der Kante der Solarzellenrückseite entlanggeführt und Isolationsschnitte („Edge Deletion“) gesetzt. Mittels eines anschließenden erneuten Flächenscans wird ein Erfolg der Kantenisolationsschnitte geprüft. Liegt immer noch ein Kurzschluss vor, ist auf eine Schädigung der dielektrischen Schicht zu schließen. Die Solarzelle wird in diesem Falle als Ausschuss markiert und von der weiteren Bearbeitung ausgeschlossen. Die Datenverarbeitungseinrichtung der Elektronenstrahl-Strukturierungs-Station sendet außerdem eine Statusmeldung an die PECVD-Station, um dort die Ursache für die mangelhafte Isolationseigenschaft der dielektrischen Schicht zu ermitteln. Liegt jedoch kein Kurzschluss mehr vor, setzt sich die Prozesskette wie folgt fort:
• Entsprechend der festgestellten Lage werden nun die punktuellen Kontaktstellen (7) in der Steuerung des Elektronenstrahlablenksystems (11) berechnet und im gewünschten Muster und der erforderlichen Position auf der Solarzelle (20) hergestellt. Synchron dazu wird der Ableitstrom der durch den Elektronenstrahl (2) eingebrachten Ladungen an der Rückseitenmetallisierung (3) und am Frontseiten-Kontaktgrid (9) gemessen.
• Da die mittlere Beschleunigungsspannung dabei 40000 V beträgt, liegt das Maximum der Energieabsorption etwa 4 µm unterhalb der Aluminiumoberfläche und damit etwa im Bereich des dielektrischen Schichtsystems (4). Der Strahlstrom beträgt typischerweise 5 bis 50 Milliampere. Die Verweilzeit des Strahls (2) beträgt typischerweise 5 bis 50 Mikrosekunden und wird durch das Steuerungssystem (14) in Echtzeit wie folgt nachgeregelt: Sobald ein Kontakt hergestellt ist, fließt ein Teil des Strahlstromes nicht mehr ausschließlich über die kontaktierte Solarzellenrückseite ab, sondern kann als von der Anzahl der Kontakte (7) abhängiger Strom am Frontseiten-Grid (9) registriert werden. Dieser Strom ist eine Maß für die hergestellten Kontaktwiderstände und wird mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Der Sollwert wird während vorhergehender Kalibrierungen ermittelt. Weicht der Istwert um einen festgelegten Wert vom Sollwert ab, wird durch Nachregelung der Verweilzeit des Strahls (2) die für die nachfolgenden Kontakte (7) je Bearbeitungspunkt eingetragene Energie und damit der Umfang der sich ausbildenden Schmelze verändert. Mit der zunehmenden Anzahl von Kontaktpunkten (7) nimmt der Stromfluss über das Frontseiten-Kontaktgrid (9) weiter zu.
• Abschließend wird der Elektronenstrahl (2) auf einem metallisierten Bereich der Zellenrückseite positioniert. Gleichzeitig werden die Ableitströme über Zellenvorder- und -rückseite bei konstantem Strahlstrom gemessen und mit zuvor bestimmten Referenzwerten verglichen. Liegen die gemessenen Werte innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches, so wird die Solarzelle mittels Elektronenstrahlgravur mit einer eindeutigen Identifikationsmerkmal, z. B. einer Seriennummer versehen. Liegen die Werte außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches, so wird der Wafer mittels Elektronenstrahlgravur als Ausschussteil markiert.
• In einem optionalen nachfolgenden schnellen Scan über die gefeuerten Kontakte und ihre nahe Umgebung können die durch den lokalen Energieeintrag während des Kontaktierens entstandenen Defekte im Halbleitermaterial durch eine mäßige Temperaturerhöhung (unter 400 °C) an der Solarzellenrückseite weitestgehend ausgeheilt werden. Dieser Prozessschritt wird als „Inline-Electron Beam-Annealing“ bezeichnet.
• Anschließend verlässt die Solarzelle die Elektronenstrahl-Strukturierungsstation.

Beispiel 2 (Fig. 4):
4 zeigt, wie der Erfolg der Kontaktierung mittels der rückgestreuten und sekundären Elektronen ermittelt wird. Dazu werden die rückgestreuten Elektronen im Rückstreuelektronendetektor (10) und die sekundären Elektronen im Sekundärelektronendetektor (16) erfasst und in der zugehörigen Auswerteeinheit (17) wird der Material- und Topologiekontrast berechnet. Die Ermittlung des Kontakterfolges erfolgt durch den Vergleich der ermittelten Kontraste mit den in einem Kalibrierungslauf ermittelten Werten.
Die Herstellung und Bearbeitung der Solarzelle erfolgt mit Ausnahme der Kurzschlussmessung wie in Variante 1. Jedoch erfolgt die Kontrolle des Kontaktierungserfolges nicht über eine Messung der elektrischen Ableitströme an der Zelle, sondern nutzt die Detektion der Signale der rückgestreuten und sekundären Elektronen und deren Auswertung. Das Verfahren erfordert somit keine zusätzliche mechanisch-elektrische Kontaktierung der Solarzellenrückseite.

• Dabei werden die rückgestreuten Elektronen (BSE) und sekundären Elektronen (SE) am BSE-Detektor (10) und SE-Detektor (16) aufgefangen und die Signale zusammen mit der aktuellen Position des Strahles (2) ausgewertet.
• Kommt es am Bearbeitungspunkt zu einer Kontaktausbildung, so kann aufgrund der sich ändernden Kontraste eine Veränderung der Signalintensitäten festgestellt werden. Die Auswertung der Signale erfolgt dabei mit hoher zeitlicher Auflösung in der Größenordnung von 100 ns.
• Anhand einer Kalibration an einem Referenzwafer werden im Vorhinein die für die gewünschte Kontaktausbildung erforderlichen Signalintensitäten lokal für die einzelnen Kontaktierungspunkte (7) ermittelt. Im Produktionsprozess wird die Verweilzeit des Strahls (2) durch das Steuerungssystem (14) wie folgt geregelt: Der Strahl (2) verweilt solange auf seiner Position, bis sich das BSE- bzw. SE-Signal auf den gewünschten Wert geändert haben. Anschließend springt der Elektronenstrahl (2) zum nächsten Kontaktierungspunkt (7), und ein neuer Kontaktierungszyklus beginnt.

Bezugszeichenliste

1: Elektronenstrahlkanone
2: Elektronenstrahl
2a: abgelenkter Elektronenstrahl
3: Metallschicht
4: dielektrische Schicht
5: Halbleiterschicht
6: Emitterschicht
7: Kontaktbereich
8: Metall-Halbleiter-Legierung
9: Frontseiten-Kontaktgrid
10: Rückstreuelektronendetektor
11: Elektronenstrahlablenksystem
12: Kontakt zur Rückseitenmetallisierung
13: Ableitstrom-Messeinrichtung
14: Elektronenstrahlablenksteuerung
15: Messung des Strahlstroms
16: Sekundärelektronendetektor
17: Schnelle Messwertverarbeitung der Elektronendetektoren
20: Solarzelle mit obenliegendem Rückseitenkontakt und untenliegendem Frontseitengrid
21: Kontaktplatte
R: Vorwiderstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1319254. [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

E. SCHNEIDERLÖCHNER: Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen, Thesis/Dissertation, Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2004 [0009]
H. HÜGEL: Strahlwerkzeug Laser, Teubner Studienbücher, 1992 [0015]
GROHE: Einsatz von Laserverfahren zur Prozessierung von kristallinen Silizium-Solarzellen, Thesis/Dissertation, Bibliothek der Universität Konstanz, 2008 [0015]
GROHE [0015]
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A.W.Y. HO, S.R. WENHAM: Fabrication of silicon solar cells with rear pinhole contacts, Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007), 1234–1242 [0015]
A. LUQUE (Ed.), S. HEGEDUS (Ed.): Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, 2003 [0017]
S. WOLF, R.N. TAUBER: Silicon Processing for the VLSI Era, Volume 1 – Process Technology, Lattice Press, 1986 [0049]

Claims

Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Schritte ausgeführt werden:: a) Bereitstellen eines Substrates mit mindestens i. einer erste Schicht, ii. einer zweiten Schicht sowie iii. einer zwischen den Schichten i und ii. verlaufenden und die Schichten voneinander elektrisch isolierenden, dielektrischen Schicht, b) Einstellen und Führen mindestens eines Elektronenstrahls bezüglich der Elektronenenergie und der räumlichen Ausrichtung derart, dass das Absorptionsmaximum in oder in unmittelbarer Nähe zu der dielektrischen Schicht liegt, c) Aufschmelzen des Materials der ersten Schicht, der dielektrischen Schicht und der zweiten Schicht durch den Elektronenstrahl lokal und tiefenselektiv so, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht Halbleiterschichten sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht eine Metallschicht mit einer Dicke von 0,5 µm bis 30 µm, bevorzugt von 1 µm bis 10 µm und besonders bevorzugt von 2 µm bis 5 µm ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht eine Halbleiterschicht ist, die die kristalline Si-Schicht oder die amorphe Si-Schicht oder die mikromorphe Si-Schicht oder die mikrokristalline Si-Schicht oder eine Cd-Te, Ge oder GaAs-Heterojunction-Schicht eines Wafers in der Solarzellenproduktion ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinrichtung mit kontinuierlicher Leistung betrieben und dass Ort und Dauer der Strahleinwirkung durch die programmierbare Strahlablenkung eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte im momentanen Bearbeitungspunkt durch eine schnell programmierbare, dynamische Fokussierung eingestellt wird.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahleinrichtung mit diskontinuierlicher Leistung betrieben und dass nur der Ort der Strahleinwirkung auf dem Substrat durch die programmierbare Strahlablenkung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Einwirkdauer des Elektronenstrahls am momentanen Bearbeitungsort bevorzugt im Bereich von 100 ns bis 1 ms, besonders bevorzugt von 1 µs bis 100 µs und ganz besonders bevorzugt von 5 µs bis 50 µs liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorbereitend zu oder in Schritt b). i. Rückseite des Substrats über einen Widerstand und die Frontseite direkt mit einer Ableitstrom-Messeinrichtung leitend verbunden werden, wobei die Ableitstrom-Messeinrichtung eine Datenverbindung zu einer Datenverarbeitungseinrichtung aufweist. ii. der Elektronenstrahl mindestens einmal den zu bestrahlenden Bereich mit geringem Strom abrastert und ein Sekundärelektronen- und/oder Rückstreuelektronenmonitor die Sekundärelektronen und/oder Rückstreuelektronen erfasst, die Daten an die Datenverarbeitungseinrichtung liefert und die Datenverarbeitungseinrichtung die Lage des Substrats bestimmt. iii. Eine Bildauswertesoftware in der Datenverarbeitungseinrichtung die Bildschärfe (Fokus) ermittelt und über eine Verbindung zur Elektronenstrahlquelle diese bei mangelnder Schärfe nachregelt. iv. Die Datenverarbeitungseinrichtung die Steuerdaten für die Elektronenstrahlquelle anhand der ermittelten Lage des Substrat und des vorgegebenen Kontaktmusters ermittelt und an die Elektronenstrahlquelle überträgt
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und/oder c) mehrfach durchlaufen werden, wobei i. eine zeitgleiche Messung des Ableitstroms von der Frontseite und der Rückseite erfolgt und die gemessenen Stromstärken an die Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt werden, ii. die Datenverarbeitungseinrichtung die gemessene der Ableitstromstärke von der Solarzellenvorderseite mit der Referenzstromstärke aus einer Kalibrierung vergleicht iii. die Einbringung weiterer Kontaktierungspunkte beendet wird, wenn die Referenzstromstärke erreicht wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c). i. die Sekundäreffekte des Elektronenstrahls von einem oder mehreren Sensoren erfasst, diese Daten an die Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt und von dieser gemeinsam mit der aktuellen Position des Strahles ausgewertet werden, ii. die Datenverarbeitungseinrichtung aufgrund von sich ändernden Topologie- und/oder Materialkontrasten eine Veränderung der Signalintensitäten feststellt iii. die Datenverarbeitungseinrichtung die gemessenen Signalintensitäten mit der jeweiligen Referenzsignalintensität aus einer Kalibrierung vergleicht iv. die Bestrahlung des Kontaktierungspunktes beendet wird, wenn die Referenzsignalintensität erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der beobachtete Sekundäreffekt die rückgestreuten Elektronen (BSE: backscattered electrons) und/oder die Sekundärelektronen und/oder Röntgenquanten sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt c) für jeden Kontaktpunkt bzw. jeden Schritt einer Kontaktlinie die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlquelle variiert wird, um einen Tiefenbereich um das beabsichtigte Aufschmelzvolumen vorzuwärmen und anschließend bei konstanter oder mittels gepulster örtlicher Strahlleistungsdichte, was durch Variation von Beschleunigungsspannung, Strahlleistung, Fokussierung und/oder Ablenkungsgeschwindigkeit erreicht werden kann, ein Aufschmelzen des Materials der ersten Schicht, der dielektrischen Schicht und der zweiten Schicht erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche die mindestens eine Vakuumkammer mit einem Transportsystem und mindestens einer Elektronenstrahlvorrichtung aufweist, wobei • die Vakuumkammer einen Zufuhr- und einen Ausfuhrschlitz aufweist, durch die das zu bearbeitende Substrat vom Transportsystem schleusungsfrei übernommen und schleusungsfrei an nachfolgende Systeme übergegeben wird, • die Elektronenstrahlvorrichtung auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Vakuumkammer angeordnet und senkrecht zur Transportrichtung und parallel zur Substratoberfläche verschiebbar ist, • das Transportsystem den Wafer bis unter bzw. über die Elektronenstrahlvorrichtung transportiert und unter bzw. über der Elektronenstrahlvorrichtung in der Ebene der Substratoberfläche positioniert und/oder bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung von Sekundäreffekten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die die Daten der Kontaktmuster enthält sowie Informationen des Transportsystems, der Elektronenstrahlvorrichtung und ggf. der Sensoren verarbeitet und mindestens das Transportsystem und die Elektronenstrahlvorrichtung steuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumkammer eine oder mehrere Beschichtungskammern zur Aufbringung der dielektrischen Schicht und/oder der Metallisierungsschicht vorgeschaltet sind, und das Substrat ohne Schleusung von Transportsystemen der vorgeschalteten Kammer in die Vakuumkammer mit der Elektronenstrahlvorrichtung transportiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundäreffekte genutzt werden, um die Schichtdicken, die in den der Vakuumkammer vorgeschalteten Beschichtungskammern erzeugt wurden, zu ermitteln, die Daten an die vorgeschalteten Beschichtungskammern zu übermitteln und den Beschichtungsprozess im Falle einer Abweichung vom Sollwert nachzuregeln.