DE102011102270A1 - Ablating dielectric layer of semiconductor substrates by laser beam, comprises removing passivation layer on surface of semiconductor substrate using laser beam, and pre-treating substrate by spatially or temporally displaced laser beam - Google Patents

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Abstract

The method comprises removing a passivation layer on a surface of a semiconductor substrate (12) using a laser beam (18), and pre-treating the semiconductor substrate by spatially or temporally displaced laser beam. The laser beam is pulsed with a maximum pulse frequency of 150 kHz. The semiconductor substrate is scanned by a laser and a laser pulse, which causes a local ablation of the layer in a first region having a higher energy and a local remelting of the semiconductor substrate in a second region having a lower energy. The method comprises removing a passivation layer on a surface of a semiconductor substrate (12) using a laser beam (18), and pre-treating the semiconductor substrate by spatially or temporally displaced laser beam. The laser beam is pulsed with a maximum pulse frequency of 150 kHz. The semiconductor substrate is scanned by a laser and a laser pulse, which causes a local ablation of the layer in a first region having a higher energy and a local remelting of the semiconductor substrate in a second region having a lower energy. A scan speed is low so that it drops on a first laser pulse following a second laser pulse spatially seen into the second region of the first laser pulse. The first laser transmits a high energy density on the semiconductor substrate than the second laser, comprises a narrow focused beam than the second laser, and is a UV-laser such as a frequency-tripled neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG) laser having a wavelength of 355 nm. The second laser emits a radiation in a green light region, and is a frequency-doubled Nd:YAG laser having a wavelength of 532 nm. A laser pulse energy density of the substrate is 1-5 J/cm 2>. The laser pulse energy density of the passivation layer is greater than the laser pulse energy density of the semiconductor substrate. The laser pulse density of the passivation layer is 2-20 J/cm 2>. The laser is used for scanning the semiconductor substrate to remove the layer in a first passage and to melt the semiconductor substrate in a second passage. The ablation of a dielectric layer (14) is carried out on an emitter side of a solar cell and subsequently carried out by screen printing. A doping is generated in an emitter region, and a doping profile is adapted to the local ablation. An independent claim is included for a device for ablating dielectric layers of semiconductor substrates by laser beam.

Description

Bei der Herstellung von Solarzellenkontakten sind im Stand der Technik grundsätzlich zwei Verfahren bekannt. Im Labormaßstab erfolgt die Kontaktierung meist mittels Aufdampfen von Metall, wobei die Vorderseite durch Lithographie vorstrukturiert werden muss. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwändig und teuer. Deshalb wird in der Industrie das einfachere, aber weniger leistungsstarke Siebdruckverfahren verwendet. Bei diesem Verfahren druckt ein Rakel eine metallhaltige Paste durch ein Sieb auf die Solarzelle. Um den Kontakt mit der Solarzelle herzustellen, wird in einem Hochtemperaturschritt die Paste durch eine Passivierungsschicht (dielektrische Schicht), die zur Reduzierung der Solarzellenreflexion sowie zur Oberflächenpassivierung eingesetzt wird, hindurch gefeuert.In the production of solar cell contacts, basically two methods are known in the prior art. On a laboratory scale, the contacting is usually carried out by vapor deposition of metal, wherein the front must be prestructured by lithography. However, this process is very complicated and expensive. Therefore, the industry uses the simpler but less powerful screen printing process. In this process, a squeegee prints a metal-containing paste through a sieve onto the solar cell. In order to make contact with the solar cell, in a high-temperature step, the paste is fired through a passivation layer (dielectric layer) used to reduce solar cell reflection and surface passivation.

Aus der US 6 429 037 B1 ist eine weitere Möglichkeit zur Kontaktierung von Solarzellen bekannt, wobei eine oder mehrere dielektrische Schichten, in denen Dotieratome eingebaut sind, auf die Solarzelle appliziert werden. Ein Laser schmilzt die dielektrische Schicht auf. Dadurch können die Dotieratome dieser Schicht in den Halbleiter diffundieren. Anschließend wird mittels eines galvanischen Schrittes der Kontakt aufgebracht.From the US Pat. No. 6,429,037 B1 Another possibility for contacting solar cells is known, wherein one or more dielectric layers, in which doping atoms are incorporated, are applied to the solar cell. A laser melts the dielectric layer. As a result, the doping atoms of this layer can diffuse into the semiconductor. Subsequently, the contact is applied by means of a galvanic step.

Bei der Verwendung von Siebdruckpasten gemäß dem Standardprozess in der Industrie können durch neuartige Siebdruckpasten mehr Metallpartikel verwendet werden. Dies führt zu einem besseren Kontaktübergangswiderstand und erlaubt es, niedriger dotierte Emitter zu kontaktieren, was für neue Solarzellenkonzepte und Herstellungsverfahren wünschenswert ist. Der Nachteil dieser Pasten besteht darin, dass durch die größere Anzahl von Metallpartikeln das Durchdringen der Antireflexschicht erschwert wird.When using screen-printing pastes according to the standard process in industry, new types of screen-printing pastes can use more metal particles. This results in a better contact resistance and allows to contact lower doped emitters, which is desirable for new solar cell concepts and manufacturing processes. The disadvantage of these pastes is that the penetration of the antireflection layer is made more difficult by the larger number of metal particles.

Ferner führt das Aufschmelzen einer dielektrischen Schicht, die mit Dotieratomen versetzt ist, gemäß der vorstehend genannten US 6 429 037 B1 nicht nur zum Einbau der Dotieratome in den Halbleiter, sondern auch zur Diffusion der Dotieratome in die anderen Bestandteile der Schicht. Diese verunreinigen den Halbleiter und führen zu einer erhöhten Rekombination.Furthermore, the melting of a dielectric layer which is mixed with doping atoms, according to the aforementioned US Pat. No. 6,429,037 B1 not only for the incorporation of the doping atoms in the semiconductor, but also for the diffusion of the doping atoms in the other constituents of the layer. These contaminate the semiconductor and lead to increased recombination.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ablation von Schichten von Halbleitersubstraten, insbesondere zur Entfernung von dielektrischen Schichten für die Kontaktierung von Solarzellen, anzugeben.Against this background, the object of the invention is to specify an improved method for the ablation of layers of semiconductor substrates, in particular for the removal of dielectric layers for the contacting of solar cells.

Ferner soll eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden.Furthermore, a device suitable for carrying out such a method should be specified.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ablation von Schichten, insbesondere dielektrischen Schichten, von Halbleitersubstraten mittels Laserstrahlen gelöst, bei dem eine Schicht auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates, insbesondere eine Passivierungsschicht, mit Hilfe eines Laserstrahls lokal beschränkt entfernt wird und das Halbleitersubstrat mittels eines räumlich oder zeitlich versetzten Laserstrahls nachbehandelt wird.This object is achieved by a method for ablation of layers, in particular dielectric layers, of semiconductor substrates by means of laser beams, in which a layer on a surface of a semiconductor substrate, in particular a passivation layer, is locally restricted with the aid of a laser beam and the semiconductor substrate is spatially or spatially removed aftertreated laser beam is aftertreated.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Ablation von Schichten, insbesondere dielektrischen Schichten, von Halbleitersubstraten mittels Laserstrahlen gelöst, mit mindestens einem Laser, der eine lokale Ablation einer Schicht von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates erlaubt, sowie eine lokale Nachbehandlung des Halbleitersubstrates mittels eines räumlich oder zeitlich versetzten Laserstrahls, vorzugsweise mittels eines räumlich oder zeitlich versetzten Laserpulses.With regard to the device, the object of the invention is achieved by a device for ablation of layers, in particular dielectric layers, of semiconductor substrates by means of laser beams, with at least one laser, which allows a local ablation of a layer from a surface of a semiconductor substrate, as well as a local aftertreatment of the semiconductor substrate by means of a spatially or temporally offset laser beam, preferably by means of a spatially or temporally offset laser pulse.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.The object of the invention is completely solved in this way.

Durch die Nachbehandlung des Halbleitersubstrates nach der lokalen Ablation der Schicht mittels des Laserstrahls können die durch den Ablationsschritt entstehenden Kristalldefekte ausgeheilt werden können. Somit können durch den Ablationsschritt bedingte Nachteile durch die Nachbehandlung mittels des räumlich oder zeitlich versetzten Laserstrahls weitgehend beseitigt werden.By post-treatment of the semiconductor substrate after local ablation of the layer by means of the laser beam, the crystal defects resulting from the ablation step can be healed. Thus, disadvantages caused by the ablation step can be largely eliminated by the aftertreatment by means of the spatially or temporally offset laser beam.

Durch den Nachbehandlungsschritt kann die Halbleiteroberfläche wieder aufgeschmolzen werden, wodurch die durch den Ablationsvorgang entstandenen Kristalldefekte weitgehend ausgeheilt werden.By the post-treatment step, the semiconductor surface can be remelted, whereby the crystal defects resulting from the ablation process are largely healed.

Soweit der Vorgang eine Emitterdotierung bei Solarzellen betrifft, werden durch die Nachbehandlung die schon vorher mittels Ofendiffusion in den Halbleiter eingebrachten Dotieratome verteilt, wodurch das Dotierprofil angepasst werden kann und die Dotierung insgesamt verbessert wird. Ebenso ist es möglich, dieses Verfahren auf der Rückseite von Solarzellen anzuwenden, um diese lokal zu kontaktieren. Die Rückseite kann dotiert oder undatiert sein.As far as the process is concerned with emitter doping in solar cells, the post-treatment distributes the doping atoms introduced into the semiconductor beforehand by means of furnace diffusion, as a result of which the doping profile can be adapted and the doping as a whole is improved. It is also possible to use this method on the back of solar cells to contact them locally. The back may be doped or undated.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird der Laserstrahl gepulst, vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz von mindestens 20 kHz, vorzugsweise von mindestens 50 kHz, weiter bevorzugt von mindestens 80 kHz.In a preferred embodiment of the invention, the laser beam is pulsed, preferably with a pulse frequency of at least 20 kHz, preferably of at least 50 kHz, more preferably of at least 80 kHz.

Durch einen gepulsten Laser lässt sich die notwendige Energie in vorteilhafter Weise dosieren und steuern.By a pulsed laser, the necessary energy can be dosed and controlled in an advantageous manner.

Durch eine höhere Pulsfrequenz lässt sich ein höherer Durchsatz erreichen, wobei die Pulsfrequenz vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 100 kHz liegt. By a higher pulse rate, a higher throughput can be achieved, wherein the pulse frequency is preferably in the order of about 100 kHz.

Aus technischen Gründen ist die Pulsfrequenz nach oben relativ begrenzt und liegt in der Regel bei maximal 200 kHz, insbesondere bei maximal 150 kHz.For technical reasons, the pulse frequency is relatively limited upwards and is usually at a maximum of 200 kHz, in particular at a maximum of 150 kHz.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Halbleitersubstrat mittels eines Lasers gescannt und ein Laserpuls verwendet, der in einem ersten Bereich eine lokale Ablation der Schicht bewirkt und der in einem zweiten Bereich ein lokales Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates bewirkt.According to a further embodiment of the invention, the semiconductor substrate is scanned by means of a laser and a laser pulse is used, which causes a local ablation of the layer in a first region and which effects a local re-melting of the semiconductor substrate in a second region.

Hierbei kann der Laserpuls einen ersten Bereich mit einer höheren Energie und mindestens einen zweiten Bereich mit einer niedrigeren Energie umfassen.Here, the laser pulse may comprise a first region with a higher energy and at least a second region with a lower energy.

Vorzugsweise wird die Scan-Geschwindigkeit so niedrig gewählt, dass ein auf einen ersten Laserpuls folgender zweiter Laserpuls räumlich gesehen zumindest teilweise noch in den zweiten Bereich des ersten Laserpulses fällt.Preferably, the scan speed is selected to be so low that, spatially seen, a second laser pulse following a first laser pulse at least partially still falls within the second range of the first laser pulse.

Auf diese Weise ergibt sich eine bessere Energieausnutzung und eine optimierte Verfahrensführung.This results in better energy utilization and optimized process management.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung werden zwei Laser verwendet, mittels derer die Oberfläche eines Halbleitersubstrates räumlich versetzt gescannt wird.According to a further embodiment of the invention, two lasers are used, by means of which the surface of a semiconductor substrate is scanned spatially offset.

So kann eine Beschleunigung des Verfahrens erreicht werden. Ferner können die einzelnen Laser speziell in ihrer Charakteristik auf den Ablationsschritt bzw. auf die Nachbehandlung, insbesondere ein Wiederaufschmelzen an der Oberfläche, angepasst werden.Thus, an acceleration of the process can be achieved. Furthermore, the individual lasers can be specially adapted in their characteristics to the ablation step or to the aftertreatment, in particular a remelting on the surface.

Hierbei kann der erste Laser gegebenenfalls eine höhere Energiedichte auf das Halbleitersubstrat übertragen als der zweite Laser.In this case, the first laser may optionally transmit a higher energy density to the semiconductor substrate than the second laser.

Weiter kann der erste Laser etwa einen enger fokussierten Strahl als der zweite Laser aufweisen.Furthermore, the first laser may have a narrower focused beam than the second laser.

Da für den Ablationsvorgang in der Regel eine höhere Energiedichte als für ein Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates an seiner Oberfläche notwendig ist, wird auf diese Weise eine optimierte Verfahrensführung ermöglicht.Since a higher energy density is usually necessary for the ablation process than for a remelting of the semiconductor substrate on its surface, an optimized process control is made possible in this way.

Werden zwei getrennte Laser verwendet, so kann vorteilhaft der Laser, der zur Ablation verwendet wird, ein UV-Laser sein, beispielsweise ein frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm. Gleichfalls kann für den ersten Laser etwa ein im grünen Lichtbereich abstrahlender Laser, insbesondere ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet werden.If two separate lasers are used, the laser used for ablation can advantageously be a UV laser, for example a frequency-tripled Nd: YAG laser with a wavelength of 355 nm. Similarly, for the first laser, approximately one in the green light range emitting laser, in particular a frequency doubled Nd: YAG laser with a wavelength of 532 nm are used.

Anstatt zwei voneinander unabhängige Laser zu verwenden, ist auch möglich zwei Laserpulse mit unterschiedlichen Wellenlängen in einem Laserkopf zu erzeugen. Beispielsweise wird hierzu die fundamentale Wellenlänge eines Nd:YAG-Lasers von 1064 nm verdoppelt, um einen grünen Laserpuls bei 532 nm zu erzeugen. Ein Teil dieser verdoppleten Laserstrahlung kann dann zusammen mit einem weiteren Anteil der fundamentalen Wellenlänge gemischt werden, um so gleichzeitig einen UV-Laserpuls einer Wellenlänge von 355 nm zu erzeugen.Instead of using two independent lasers, it is also possible to generate two laser pulses with different wavelengths in one laser head. For example, to do this, the fundamental wavelength of a 1064 nm Nd: YAG laser is doubled to produce a green laser pulse at 532 nm. A portion of this doubled laser radiation may then be mixed together with another portion of the fundamental wavelength to simultaneously generate a UV laser pulse of wavelength 355 nm.

Als zweiter Laser für den Nachbehandlungsschritt kann vorteilhaft ein im grünen Lichtbereich abstrahlender Laser, beispielsweise ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm, verwendet werden.As a second laser for the post-treatment step, a laser emitting in the green light range, for example a frequency-doubled Nd: YAG laser with a wavelength of 532 nm, can advantageously be used.

Wird dagegen nur ein einziger Laser verwendet, der mit einer besonderen Pulsform ausgestattet wird, so kann hierzu etwa ein UV-Laser, wie vorstehend erwähnt, aber auch ein im grünen Lichtbereich abstrahlender Laser, wie vorstehend erwähnt, verwendet werden.On the other hand, if only a single laser is used, which is equipped with a special pulse shape, this can be done using, for example, a UV laser as mentioned above, but also a laser emitting in the green light range, as mentioned above.

Für den Nachbehandlungsschritt zum Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates beträgt die Laserpulsenergiedichte vorzugsweise 0,5 J/cm2 bis 10 J/cm2 und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 J/cm2 bis 5 J/cm2.For the after-treatment step of remelting the semiconductor substrate, the laser pulse energy density is preferably 0.5 J / cm 2 to 10 J / cm 2, and is preferably in the range of about 1 J / cm 2 to 5 J / cm 2 .

Es hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Laserpulsenergiedichte ein vorteilhaftes Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates im Bereich, wo zuvor die Ablation erfolgte, durchgeführt werden kann, wobei ein günstiger Ausheilungsprozess für zuvor erzeugte Kristalldefekte erzielt werden kann und gleichzeitig eine gute Anpassung eines zuvor erzeugten Dotierprofils im Falle der Kontaktierung von Solarzellen.It has been found that with such a laser pulse energy density, an advantageous remelting of the semiconductor substrate in the area where ablation previously took place can be achieved, whereby a favorable annealing process can be achieved for previously generated crystal defects and at the same time a good adaptation of a previously generated doping profile in the case the contacting of solar cells.

Die Laserpulsenergiedichte beim ersten Schritt zum lokalen Entfernen der Schicht ist vorzugsweise größer als die Laserpulsenergiedichte beim zweiten Schritt des Nachbehandelns des Halbleitersubstrates und kann beispielsweise im Bereich von 0,5 J/cm2 bis 100 J/cm2, vorzugsweise im Bereich von 2 J/cm2 bis 20 J/cm2, liegen.The laser pulse energy density in the first step for locally removing the layer is preferably greater than the laser pulse energy density in the second step of after-treatment of the semiconductor substrate and may for example be in the range of 0.5 J / cm 2 to 100 J / cm 2 , preferably in the range of 2 J / cm 2 to 20 J / cm 2 , lie.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird lediglich ein Laser verwendet, der zum aufeinander folgenden Scannen des Halbleitersubstrates verwendet wird, um in einem ersten Durchgang die Schicht abzulösen und in einem zweiten Durchgang das Halbleitersubstrat wieder aufzuschmelzen.According to a further embodiment of the invention, only one laser is used, which is used for sequential scanning of the Semiconductor substrate is used to peel off the layer in a first pass and reflow the semiconductor substrate in a second pass.

Auch unter Verwendung von nur einem Laser lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren realisieren. Hierdurch ergibt sich ein insgesamt kostengünstigerer Aufbau, was mit einem gewissen Nachteil einer verlängerten Verfahrensführung erkauft wird.Even using only one laser, the inventive method can be realized. This results in an overall more cost-effective structure, which is bought with a certain disadvantage of a prolonged process management.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorzugsweise ein gepulster Laser zum Scannen der Oberfläche des Halbleitersubstrates verwendet, wobei die Laserpulse jeweils einen ersten Bereich zur lokalen Ablation der Schicht und einen zweiten Bereich zum lokalen Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates aufweisen.In a device according to the invention, a pulsed laser is preferably used for scanning the surface of the semiconductor substrate, wherein the laser pulses each have a first region for local ablation of the layer and a second region for local re-melting of the semiconductor substrate.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Entfernung von dielektrischen Schichten für die Kontaktierung von Solarzellen bei gleichzeitiger Anpassung des Dotierprofils geeignet, wodurch sich verbesserte Kontaktübergangswiderstände ergeben. Auf diese Weise können besonders gute Kontakte hergestellt werden, etwa durch Siebdruck, Galvanikverfahren usw.The method according to the invention is particularly suitable for the removal of dielectric layers for the contacting of solar cells with simultaneous adaptation of the doping profile, resulting in improved contact contact resistances. In this way, particularly good contacts can be made, such as screen printing, electroplating, etc.

Wenn die dielektrische Schicht (zum Beispiel SiNX) auf der Emitterseite zuvor mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens entfernt wurde, so muss bei einer anschließenden Kontaktierung mittels Siebdruck die Siebdruckpaste nicht durch diese Schicht „hindurchgefeuert” werden. Aus diesem Grund kann der Anteil der Glasfritten, die für das „Hindurchfeuern” benötigt werden, in der Siebdruckpaste verringert werden und der Metallanteil (meist Silber) erhöht werden, Auf diese Weise wird die Leitfähigkeit der Kontakte verbessert und tendenziell die Verwendung von kleineren Kontakten ermöglicht, wodurch Abschattungsverluste reduziert werden.When the dielectric layer has been removed (for example, SiN X) on the emitter side previously by the inventive method, the screen printing paste must not be "fired through" through this layer in a subsequent contacting by means of screen printing. For this reason, the proportion of glass frits needed for "fire-through" in the screen printing paste can be reduced and the metal content (usually silver) increased. Thus, the conductivity of the contacts is improved and the use of smaller contacts tends to be enabled , which reduces shading losses.

Auch können Siebdruckpasten verwendet werden, die eine geringere Feuertemperatur benötigen, was sich vorteilhaft auch für zukünftige Solarzellenkonzepte auswirken kann. Eine direkte Kontaktierung des Halbleitersubstrats mittels der Siebdruckpaste durch Ablation der dielektrischen Schicht ermöglicht auch die Verwendung weniger temperaturstabiler dielektrischer Passivierungsschichten (z. B. Siliziumcarbid, amorphes Silizium, Aluminiumoxid), weil dadurch die Kontaktbildung bei niedrigeren Feuertemperaturen ermöglicht wird.It is also possible to use screen printing pastes which require a lower firing temperature, which may also have advantageous effects on future solar cell concepts. Direct contacting of the semiconductor substrate by screen printing paste by ablation of the dielectric layer also allows for the use of less thermally stable dielectric passivation layers (eg, silicon carbide, amorphous silicon, alumina), thereby enabling contact formation at lower fired temperatures.

Durch die Anpassung des Dotierprofils wird ferner die Verwendung niedrig dotierter Emitter ermöglicht, was weniger Verluste in der Solarzelle und somit einen höheren Solarzellenwirkungsgrad zur Folge hat.By adapting the doping profile, the use of low-doped emitters is furthermore made possible, which results in fewer losses in the solar cell and thus higher solar cell efficiency.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. Show it:

1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in vereinfachter Darstellung, 1 a device for carrying out the method according to the invention in a simplified representation,

2 eine schematische Darstellung für den Fall der Verwendung zweier Laserpulse, wobei der erste Laser zur Ablation verwendet wird und der zweite Laser zum Wiederaufschmelzen verwendet wird und 2 a schematic representation for the case of using two laser pulses, wherein the first laser is used for ablation and the second laser is used for remelting and

3 eine schematische Darstellung für den Fall der Verwendung eines Laserpulses, wobei der erste Teil des Pulses zur Ablation der Schicht dient und der zweite Teil des Pulses zum Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates dient. 3 a schematic representation for the case of using a laser pulse, wherein the first part of the pulse is used for ablation of the layer and the second part of the pulse is used for re-melting of the semiconductor substrate.

In 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.In 1 a device for carrying out the method according to the invention is shown schematically and in total with the numeral 10 designated.

Im vorliegenden Fall wird ein Halbleitersubstrat 12 behandelt, das eine Basisschicht 13 aufweist, auf deren Oberfläche eine Passivierungsschicht oder dielektrische Schicht 14 aufgetragen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt jedoch insbesondere zur Ablation von dielektrischen Schichten auf der Emitterseite von Solarzellen verwendet, durch eine zusätzliche Emitterschicht 15 angedeutet ist. Bei dem dargestellten Halbleitersubstrat 12 handelt es sich also um eine Solarzelle mit Emitterschicht 15 und Basisschicht 13. Die Kontaktschichten sind nicht dargestellt.In the present case, a semiconductor substrate 12 treats that as a base layer 13 has on its surface a passivation layer or dielectric layer 14 is applied. However, the method according to the invention is preferably used in particular for ablating dielectric layers on the emitter side of solar cells by means of an additional emitter layer 15 is indicated. In the illustrated semiconductor substrate 12 So it is a solar cell with emitter layer 15 and base layer 13 , The contact layers are not shown.

Im vorliegenden Fall sind gemäß 1 zwei Laser vorgesehen, ein erster Laser 16 und ein zweiter Laser 20, mit denen die Oberfläche des Halbleitersubstrates 12 räumlich versetzt abgescannt wird. Mit der Ziffer 24 ist die Scanrichtung angedeutet. Bei dem ersten Laser 16 kann es sich beispielsweise um einen UV-Laser in Form eines frequenzverdreifachten Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm handeln. Bei dem zweiten Laser 20 kann es sich beispielsweise um einen im grünen Lichtbereich abstrahlenden Laser, etwa einen frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm, handeln. Beide Laser werden vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz von etwa 100 kHz betrieben.In the present case, according to 1 two lasers are provided, a first laser 16 and a second laser 20 with which the surface of the semiconductor substrate 12 spatially offset is scanned. With the numeral 24 the scanning direction is indicated. At the first laser 16 it may, for example, be a UV laser in the form of a frequency-tripled Nd: YAG laser with a wavelength of 355 nm. At the second laser 20 it may, for example, be a laser emitting in the green light range, such as a frequency-doubled Nd: YAG laser with a wavelength of 532 nm. Both lasers are preferably operated at a pulse frequency of about 100 kHz.

Der erste Laser 16 bewirkt mit seinem gepulsten Laserstrahl 18 eine lokale Ablation der dielektrischen Schicht, während der zweite Laser 20 mit seinem gepulsten Laserstrahl 22 ein lokales Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates 12 bewirkt. Durch den Wiederaufschmelzvorgang werden zuvor durch den Ablationsprozess entstandene Kristalldefekte weitgehend wieder ausgeheilt. Handelt es sich um einen in einem früheren Verfahrensschritt dotierten Emitter, so kann das Dotierprofil durch den zweiten Laser 20 ferner in einer gewünschten Weise angepasst werden. The first laser 16 causes with its pulsed laser beam 18 a local ablation of the dielectric layer, while the second laser 20 with his pulsed laser beam 22 a local re-melting of the semiconductor substrate 12 causes. The remelting process largely heals the crystal defects previously produced by the ablation process. If it is a doped in an earlier process step emitter, the doping profile by the second laser 20 be further adapted in a desired manner.

Nach einer derartigen Behandlung kann eine unmittelbare Kontaktierung auf der Emitterseite durchgeführt werden, etwa mittels Siebdruck. Da zuvor die Passivierungsschicht 14 an den gewünschten Stellen geöffnet wurde, kann auf das „Hindurchfeuern” der Siebdruckpaste durch die dielektrische Schicht 14 verzichtet werden, wodurch sich eine günstigere Verfahrensführung ergibt.After such a treatment, an immediate contact on the emitter side can be carried out, for example by means of screen printing. Because before the passivation layer 14 has been opened at the desired locations, may be due to the "firing" of the screen printing paste through the dielectric layer 14 be omitted, resulting in a more favorable procedure.

In 2 sind die Laserpulse bei der Verwendung von zwei getrennten Lasern gemäß 1 in Scanrichtung schematisch dargestellt. Ein erster Laserpuls 26 dient zur lokalen Ablation der dielektrischen Schicht 14. Ein zweiter Laserpuls 28, der vom zweiten Laser 20 erzeugt wird und zum Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates 12 dient, hat normalerweise eine größere räumliche Breite und in der Regel auch eine geringere Maximalenergie. Die Laserpulsenergiedichte, die sich als Quotient aus der Laserleistung P und dem Produkt aus Pulsfrequenz f und Fläche A des Laserpulses ergibt, liegt beim zweiten Laserpuls etwa zwischen 1 J/cm2 und 5 J/cm2. Sie hängt natürlich in einer gewissen Weise von der Laserpulsdauer ab. Die Laserpulsenergiedichte des ersten Laserpulses 26 liegt in der Regel etwas höher als die Laserpulsenergiedichte des zweiten Laserpulses 28.In 2 For example, when using two separate lasers, the laser pulses are according to FIG 1 shown schematically in the scanning direction. A first laser pulse 26 serves for local ablation of the dielectric layer 14 , A second laser pulse 28 , the second laser 20 is generated and the remelting of the semiconductor substrate 12 serves, usually has a larger spatial width and usually a lower maximum energy. The laser pulse energy density, which results as a quotient of the laser power P and the product of pulse frequency f and area A of the laser pulse, is approximately between 1 J / cm 2 and 5 J / cm 2 in the second laser pulse. Of course, it depends on the laser pulse duration in a certain way. The laser pulse energy density of the first laser pulse 26 is usually slightly higher than the laser pulse energy density of the second laser pulse 28 ,

In 3 ist der Scanvorgang für den Fall eines Laserpulses bei der Verwendung nur eines Lasers schematisch dargestellt.In 3 the scanning process in the case of a laser pulse when using only one laser is shown schematically.

Ein erster Laserpuls 30 weist einen ersten Bereich A zur Ablation der dielektrischen Schicht 14 auf. Ein zweiter Bereich B des ersten Laserpulses 30 dient zum Wiederaufschmelzen der Oberfläche des Halbleitersubstrates 12. Im zweiten Bereich B ist die Energiedichte des Laserpulses geringer als im ersten Bereich A. Ein zweiter Laserpuls 32, der natürlich die gleiche Pulsform wie der erste Laserpuls 30 aufweist, ist räumlich versetzt dargestellt. Der Versatz 34 zwischen den beiden Laserpulsen 30, 32 ist vorteilhaft so gering, dass der Versatz 34 kleiner als der zweite Bereich B des Laserpulses 30 ist. Dies bedeutet, dass die Scan-Geschwindigkeit so niedrig gewählt wird, dass sich auf diese Weise eine bessere thermische Ausnutzung der Laserenergie ergibt.A first laser pulse 30 has a first region A for ablation of the dielectric layer 14 on. A second area B of the first laser pulse 30 serves to remelt the surface of the semiconductor substrate 12 , In the second region B, the energy density of the laser pulse is lower than in the first region A. A second laser pulse 32 , which of course has the same pulse shape as the first laser pulse 30 has shown spatially offset. The offset 34 between the two laser pulses 30 . 32 is advantageous so low that the offset 34 smaller than the second area B of the laser pulse 30 is. This means that the scan speed is chosen so low that results in a better thermal utilization of the laser energy.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 6429037 B1 [0002, 0004] US 6429037 B1 [0002, 0004]

Claims (21)

Verfahren zur Ablation von Schichten, insbesondere dielektrischen Schichten, von Halbleitersubstraten (12) mittels Laserstrahlen (18, 22), bei dem eine Schicht (14) auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates (12), insbesondere eine Passivierungsschicht, mit Hilfe eines Laserstrahls (18) lokal beschränkt entfernt wird und das Halbleitersubstrat (12) mittels eines räumlich oder zeitlich versetzten Laserstrahls (22) nachbehandelt wird.Method for ablating layers, in particular dielectric layers, of semiconductor substrates ( 12 ) by means of laser beams ( 18 . 22 ), in which a layer ( 14 ) on a surface of a semiconductor substrate ( 12 ), in particular a passivation layer, with the aid of a laser beam ( 18 ) is removed locally limited and the semiconductor substrate ( 12 ) by means of a spatially or temporally offset laser beam ( 22 ) is treated. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Laserstrahl (18, 22) gepulst wird, vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz von mindestens 20 kHz, vorzugsweise mindestens 50 kHz, weiter bevorzugt mindestens 80 kHz.Method according to Claim 1, in which the laser beam ( 18 . 22 ) is pulsed, preferably with a pulse frequency of at least 20 kHz, preferably at least 50 kHz, more preferably at least 80 kHz. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Pulsfrequenz verwendet wird, die maximal 200 kHz, insbesondere maximal 150 kHz beträgt.Method according to Claim 2, in which a pulse frequency is used which is a maximum of 200 kHz, in particular a maximum of 150 kHz. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Halbleitersubstrat (12) mittels eines Lasers (16, 20) gescannt wird und ein Laserpuls (30, 32) verwendet wird, der in einem ersten Bereich (A) eine lokale Ablation der Schicht (14) bewirkt und der in einem zweiten Bereich (B) ein lokales Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates (12) bewirkt.Method according to Claim 2 or 3, in which the semiconductor substrate ( 12 ) by means of a laser ( 16 . 20 ) and a laser pulse ( 30 . 32 ), which in a first region (A) performs a local ablation of the layer ( 14 ) and in a second region (B) a local re-melting of the semiconductor substrate ( 12 ) causes. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Laserpuls (30, 32) einen ersten Bereich (A) mit einer höheren Energie und mindestens einen zweiten Bereich (B) mit einer niedrigeren Energie umfasst.Method according to one of Claims 2 to 4, in which the laser pulse ( 30 . 32 ) comprises a first region (A) having a higher energy and at least a second region (B) having a lower energy. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Scan-Geschwindigkeit so niedrig ist, dass ein auf einen ersten Laserpuls (26; 32) folgender zweiter Laserpuls (28, 30) räumlich gesehen zumindest teilweise noch in den zweiten Bereich (B) des ersten Laserpulses (26, 32) fällt.Method according to Claim 5, in which the scan speed is low enough for a scan to be performed on a first laser pulse ( 26 ; 32 ) the following second laser pulse ( 28 . 30 ) spatially seen at least partially in the second area (B) of the first laser pulse ( 26 . 32 ) falls. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zwei Laser (16, 18) verwendet werden, mittels derer die Oberfläche eines Halbleitersubstrates (12) räumlich versetzt gescannt wird.Method according to one of Claims 1 to 3, in which two lasers ( 16 . 18 ), by means of which the surface of a semiconductor substrate ( 12 ) is scanned spatially offset. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der erste Laser (16) eine höhere Energiedichte auf das Halbleitersubstrat (12) überträgt als der zweite Laser (20).Method according to Claim 7, in which the first laser ( 16 ) a higher energy density on the semiconductor substrate ( 12 ) transmits as the second laser ( 20 ). Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der erste Laser (16) einen enger fokussierten Strahl als der zweite Laser (20) aufweist.Method according to Claim 7 or 8, in which the first laser ( 16 ) has a narrower focused beam than the second laser ( 20 ) having. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Laser, vorzugsweise der erste Laser (16), ein UV-Laser, insbesondere ein frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 Nanometer, ist oder ein im grünen Lichtbereich abstrahlender Laser, insbesondere ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 Nanometer, ist.Method according to one of the preceding claims, in which a laser, preferably the first laser ( 16 ), a UV laser, in particular a frequency tripled Nd: YAG laser with a wavelength of 355 nanometers, or is a laser emitting in the green light range, in particular a frequency doubled Nd: YAG laser with a wavelength of 532 nanometers. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Laser, vorzugsweise der zweite Laser (20), ein im grünen Lichtbereich abstrahlender Laser, insbesondere ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 Nanometer, ist.Method according to one of the preceding claims, in which a laser, preferably the second laser ( 20 ), a laser emitting in the green light region, in particular a frequency-doubled Nd: YAG laser having a wavelength of 532 nanometers. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem die Laserpulsenergiedichte beim zweiten Schritt des Nachbehandelns der Schicht (14) im Bereich von 0,5 J/cm2 bis 10 J/cm2, vorzugsweise im Bereich von 1 J/cm2 bis 5 J/cm2, liegt.Method according to one of claims 2 to 11, wherein the laser pulse energy density in the second step of the post-treatment of the layer ( 14 ) in the range of 0.5 J / cm 2 to 10 J / cm 2 , preferably in the range of 1 J / cm 2 to 5 J / cm 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, bei dem die Laserpulsenergiedichte beim ersten Schritt bei der lokalen Ablation der Schicht (14) größer ist als die Laserpulsenergiedichte beim zweiten Schritt des Nachbehandelns des Halbleitersubstrates (12).Method according to one of claims 2 to 12, wherein the laser pulse energy density in the first step in the local ablation of the layer ( 14 ) is greater than the laser pulse energy density in the second step of after-treatment of the semiconductor substrate ( 12 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, bei dem die Laserpulsdichte beim ersten Schritt der lokalen Ablation der Schicht (14) im Bereich von 0,5 J/cm2 bis 100 J/cm2, vorzugsweise im Bereich von 2 J/cm2 bis 20 J/cm2, liegt.Method according to one of claims 2 to 13, wherein the laser pulse density in the first step of the local ablation of the layer ( 14 ) is in the range of 0.5 J / cm 2 to 100 J / cm 2 , preferably in the range of 2 J / cm 2 to 20 J / cm 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 10 bis 14, bei dem ein Laser (16, 18) verwendet wird, der zum aufeinander folgenden Scannen des Halbleitersubstrates (12) verwendet wird, um in einem ersten Durchgang die Schicht (14) abzulösen und in einem zweiten Durchgang das Halbleitersubstrat (12) wieder aufzuschmelzen.Method according to one of Claims 1 to 6 or 10 to 14, in which a laser ( 16 . 18 ) used for sequentially scanning the semiconductor substrate ( 12 ) is used in a first pass the layer ( 14 ) and in a second pass the semiconductor substrate ( 12 ) melt again. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Ablation einer dielektrischen Schicht (14) auf einer Emitterseite einer Solarzelle ausgeführt wird und anschließend eine Kontaktierung, insbesondere mittels Siebdruck, durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, in which an ablation of a dielectric layer ( 14 ) is carried out on an emitter side of a solar cell and then a contacting, in particular by means of screen printing, is performed. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Dotierung im Emitterbereich erzeugt wird und das Dotierprofil nach der lokalen Ablation im Nachbehandlungsschritt angepasst wird.A method according to claim 16, characterized in that first a doping in the emitter region is generated and the doping profile is adapted after local ablation in the post-treatment step. Vorrichtung zur Ablation von Schichten, insbesondere dielektrischen Schichten, von Halbleitersubstraten mittels Laserstrahlen, mit mindestens einem Laser (16, 18), der eine lokale Ablation einer Schicht (14) von einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates (12) erlaubt, sowie eine lokale Nachbehandlung des Halbleitersubstrates (12) mittels eines räumlich oder zeitlich versetzten Laserstrahls (18, 22), vorzugsweise mittels eines räumlich oder zeitlich versetzten Laserpulses (26, 28; 30, 32).Device for ablation of layers, in particular dielectric layers, of semiconductor substrates by means of laser beams, with at least one laser ( 16 . 18 ), which is a local ablation of a layer ( 14 ) from a surface of a semiconductor substrate ( 12 ), as well as a local aftertreatment of the semiconductor substrate ( 12 ) by means of a spatially or temporally offset laser beam ( 18 . 22 ) preferably by means of a spatially or temporally offset laser pulse ( 26 . 28 ; 30 . 32 ). Vorrichtung nach Anspruch 18, mit einem ersten Laser (16) und einem zweiten Laser (20) zum räumlich versetzten Scannen des Halbleitersubstrates (12).Apparatus according to claim 18, comprising a first laser ( 16 ) and a second laser ( 20 ) for the spatially offset scanning of the semiconductor substrate ( 12 ). Vorrichtung nach Anspruch 18, mit einem Laser (16), der einen Laserkopf aufweist, der zwei Laserpulse mit unterschiedlichen Wellenlängen abgibt.Apparatus according to claim 18, with a laser ( 16 ) having a laser head emitting two laser pulses of different wavelengths. Vorrichtung nach Anspruch 18, 19 oder 20, mit einem gepulsten Laser (16, 20) zum Scannen der Oberfläche des Halbleitersubstrates (12), wobei die Laserpulse (30, 32) jeweils einen ersten Bereich zur lokalen Ablation der Schicht (14) und einen zweiten Bereich zum lokalen Wiederaufschmelzen des Halbleitersubstrates (12) aufweisen.Apparatus according to claim 18, 19 or 20, comprising a pulsed laser ( 16 . 20 ) for scanning the surface of the semiconductor substrate ( 12 ), whereby the laser pulses ( 30 . 32 ) each have a first region for local ablation of the layer ( 14 ) and a second region for local re-melting of the semiconductor substrate ( 12 ) exhibit.
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