DE102012211161A1

DE102012211161A1 - Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur an einem Trägerelement, Schichtanordnung sowie Verwendung eines Verfahrens oder einer Schichtanordnung

Info

Publication number: DE102012211161A1
Application number: DE102012211161.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grohe; Roland Gauch; Torsten Geppert; Lutz Bornschein; Andreas Letsch; Kamal Katkhouda; Mawuli Ametowobla; Tobias Wuetherich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-02-06
Also published as: WO2014001006A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur (16) an einem Trägerelement (10), umfassend folgende Schritte: a) Beschichten des flächigen Trägerelements (10) zumindest auf der der leitenden Struktur (16) zugewandten Seite mit einer Funktionsschicht (11) b) Bereichsweises Entfernen der Funktionsschicht (11) bis zur Oberfläche des Trägerelements (10) c) Aufbringen einer ersten leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schicht (13) auf die Funktionsschicht (11), wobei die erste Schicht (13) bis zur Oberfläche der von der Funktionsschicht (11) freigelegten Bereiche des Trägerelements (10) reicht d) Aufbringen einer zweiten leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schicht (14) auf die erste Schicht (13) e) Bereichsweises Abtragen der zweiten Schicht (14) mittels einer ersten elektromagnetischen Strahlung in einem ersten Bearbeitungsschritt f) Bereichsweises Abtragen der ersten Schicht (13) mittels einer zweiten elektromagnetischen Strahlung in einem zweiten Bearbeitungsschritt in den Bereichen, in denen die zweite Schicht (14) entfernt wurde.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur an einem Trägerelement. Ferner betrifft die Erfindung eine Schichtanordnung, insbesondere zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, um an einem Trägerelement eine elektrisch leitende Struktur auszubilden. Zuletzt betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung zur Ausbildung von elektrischen Kontaktierungsbereichen an Rückseiten von Solarzellen.
Stand der Technik
Elektrisch leitende Strukturen an Trägerelementen sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise weisen als Schaltungsträger dienende Leiterplatten derartige elektrisch leitende Strukturen auf. Elektrisch leitende Strukturen sind beispielsweise auch bei der elektrischen Kontaktierung von Solarzellen erforderlich. Dabei ist es bereits aus dem Stand der Technik bekannt, die elektrischen Anschlüsse an den Solarzellen lediglich an der Rückseite der als Siliziumwafer ausgebildeten, dotierten und als Funktionselement wirkenden Trägerelemente der Solarzellen anzuordnen. Hierzu müssen elektrisch leitende Strukturen gebildet werden, die voneinander isoliert bzw. getrennt sind. Diese Strukturen sollen zum einen die benötigte Genauigkeit aufweisen, um die angesprochene elektrische Isolierung zwischen den Elementen der Struktur zu gewährleisten, zum anderen ist es erwünscht, dass beim Ausbilden einer derartigen Struktur das Trägerelement und/oder eine das Trägerelement auf der Seite der Struktur angeordnete Funktionsschicht (üblicherweise in Form einer dielektrischen Passivierungsschicht) nicht beschädigt wird, da beschädigte Bereiche eine Reduzierung des erzeugten elektrischen Stroms durch die Solarzelle bewirken und somit den Wirkungsgrad der Solarzelle reduzieren. Darüber hinaus soll ein derartiges Verfahren, das es beispielsweise bei Solarzellen erlaubt, eine elektrisch leitende Struktur ohne Beeinträchtigung der Funktion des Trägerelements (passiviertes Silizium) auszubilden, im industriellen Serieneinsatz kostengünstig erzeugbar sein.
Aus der DE 103 26 505 A1 ist es bei der Herstellung von Solarzellen bereits bekannt, durch die Einstellung von Parametern an einer Laserstrahlquelle, insbesondere durch Verwendung von Pulsdauern von weniger als 10ps oder durch Verwendung eines Laserstrahls mit einer bestimmten Wellenlänge einen Abtragprozess derart zu gestalten, dass die optische Einbringtiefe des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlung in eine abzutragende Schicht geringer ist als die Schichtdicke, so dass eine Energiedeponierung nur in der zu bearbeitenden Schicht erfolgt.
Darüber hinaus ist es aus der DE 10 2009 011 306 A1 bekannt, bei der Herstellung von Solarzellen einen Laserstrahl zu verwenden, der in einer Siliziumschicht eine Struktur erzeugt, die anschließend mittels zweier Schichten beschichtet wird, wobei die erste, dem Silizium zugewandte Schicht aus Aluminium mit einer Dicke von 50nm besteht, und die sich an das Aluminium anschließende Schicht aus Titan besteht und eine Schichtdicke von 30nm aufweist. Eine Bearbeitung der beiden Schichten, insbesondere ein gezieltes Abtragen der Schichten mittels des Laserstrahls, findet jedoch nicht statt.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur an einem Trägerelement bereitzustellen, bei dem zumindest die mit der ersten Schicht verbundene, unterhalb der ersten Schicht angeordnete Funktionsschicht und/oder das Material des Trägerelements beim Abtragen der ersten Schicht mittels einer elektromagnetischen Strahlung nicht beschädigt wird. Weiterhin soll das Verfahren sich insbesondere im Großserieneinsatz kostengünstig einsetzen lassen sowie eine hohe Prozesssicherheit aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur an einem Trägerelement gelöst, indem das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Beschichten des flächigen Trägerelements zumindest auf der der leitenden Struktur zugewandten Seite mit einer Funktionsschicht
b) Bereichsweises Entfernen der Funktionsschicht bis zur Oberfläche des Trägerelements
c) Aufbringen einer ersten leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schicht auf die Funktionsschicht, wobei die erste Schicht bis zur Oberfläche der von der Funktionsschicht freigelegten Bereiche des Trägerelements reicht
d) Aufbringen einer zweiten leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schicht auf die erste Schicht
e) Bereichsweises Abtragen der zweiten Schicht mittels einer ersten elektromagnetischen Strahlung in einem ersten Bearbeitungsschritt
f) Bereichsweises Abtragen der ersten Schicht mittels einer zweiten elektromagnetischen Strahlung in einem zweiten Bearbeitungsschritt in den Bereichen, in denen die zweite Schicht entfernt wurde,

Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass durch eine selektive Wahl der Schichtdicke der ersten Schicht die unter der ersten Schicht angeordnete Funktionsschicht oder bei direkter Kontaktierung der ersten Schicht mit dem Material des Trägerelements das Material des Trägerelements nicht beschädigt werden, da beim Eindringen der elektromagnetischen Strahlung nach dem Abtragen der ersten Schicht in die Funktionsschicht bzw. in das Material des Trägerelements durch die höhere Ablations- bzw. Schädigungsschwelle des Materials der Funktionsschicht bzw. des Materials des Trägerelements eine Beschädigung der Funktionsschicht bzw. des Trägerelements vermieden wird.
Eine schichtdickenabhängiger Einfluss auf die Ablationsschwelle bzw. Abtragsschwelle dünner Schichten ist im Rahmen einer „Untersuchung zur Energierelaxationsdynamik in Metallen nach Anregung mit ultrakurzen Laserpulsen“ (von Wellershoff, Sebastian-Svante, Dissertation an der FU Berling, 2000) beobachtet worden. Eine physikalische Begründung ist u.a. darin zu sehen, dass es infolge einer Reduzierung der Schichtstärke zu Werten kleiner als die Diffusionslänge der deponierten Energie zu einer Erhöhung der Energiedichte kommt und dies zu einer Verringerung der Ablationsschwelle der Schicht führt. Darüber hinausgehende Schichtstärken hingehend zeigen diesen Einfluss nicht mehr. Vielmehr ist in diesen Fällen eine Abgängigkeit der Abtragsschwelle in Wesentlichen nur in Bezug auf das Schichtmaterial gegeben.
Unter einer Beschädigung bzw. einer Beeinträchtigung der Funktionalität der Funktionsschicht bzw. des Trägerelements wird dabei insbesondere ein (unerwünschter) Materialabtrag und/oder aber eine schadhafte Veränderung des Materials des entsprechenden Elements verstanden. Insbesondere ist eine derartige Veränderung gemeint, welche die physikalischen Eigenschaften bzw. die chemische Materialzusammensetzung des entsprechenden Elements in einer Weise verändern, dass gewünschte physikalische oder chemische Reaktionen nicht mehr in vollem Umfang stattfinden. Derartige Veränderungen können z.B. bei Solarzellen die Bildung von amorphen Silizium sein, das aus einer sehr schnell erstarrenden Schmelze von vormals monokristallinem Material entstanden ist. Ebenso ist beispielsweise das Ausgasen von Wasserstoff aus passivierten Schichten denkbar, was deren passivierenden Einfluss auf das beschichtete Element verringern könnte. Weitere Veränderungen könnten die lokale Ausbildung von Spannungen, Mikrorissen, Missmatch an Interfaceschichten, usw. sein. Infolge derartiger Veränderungen bilden sich im Material(Oberflächen-/Interface- oder Volumen-)Defekte, an denen Ladungsträger rekombinieren können. Diese Ladungsträger gehen dann für die Solarzelle verloren. Dies hat eine Verringerung des Stromflusses und des Wirkungsgrades der Solarzelle zur Folge. Direkt messbar wird diese Schädigung beispielsweise bei Solarzellen anhand der Ladungsträgerlebensdauer, z.B. mit einfach anzuwendenden und lokal hochauflösenden Messverfahren wie QSSPC (quasi-steady-state photo conductance) oder Photoluminiszenz.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Ganz besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die zweite Schicht eine materialspezifische Abtragsschwelle aufweist, bei der die zweite Schicht eine geringere Ablationsschwelle beim Eindringen der ersten elektromagnetischen Strahlung aufweist als die erste Schicht beim Eindringen der ersten elektromagnetischen Strahlung, so dass beim Abtragen der zweiten Schicht die an die zweite Schicht angrenzende erste Schicht zumindest im Wesentlichen nicht beschädigt bzw. dessen Funktion nicht beeinträchtigt wird. Bei einem derartigen Verfahren findet somit ein zweistufiger Abtragsprozess an den beiden Schichten statt, wobei zunächst die oberhalb der ersten Schicht angeordnete zweite Schicht bereichsweise abgetragen wird, wobei durch die Auswahl des Materials (und nicht der Schichtdicke wie bei der ersten Schicht) für die zweite Schicht sichergestellt ist, dass die unter der zweiten Schicht angeordnete erste Schicht nicht abgetragen wird.
Üblicherweise findet ein derartiger, zweistufiger Abtragsprozess durch zeitlich aufeinanderfolgendes Einwirken der elektromagnetischen Strahlen an den entsprechenden Bereichen der ersten und zweiten Schicht statt. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die beiden Bearbeitungsschritte (zum Abtragen der ersten und zweiten Schicht) zumindest nahezu zeitgleich durch Verwendung eines Stahlteilers oder eines Strahlformers aus einer einzigen elektromagnetischen Strahlung erfolgt. Dadurch lassen sich die erforderliche Prozesszeit zum Abtragen der beiden Schichten und infolge dessen die Fertigungskosten zusätzlich vermindern. Darüber hinaus ist es auch möglich, zwei unterschiedliche elektromagnetische Strahlungen vorzusehen. Dabei ist die jeweils eine elektromagnetische Strahlung in Abstimmung mit den obigen Schichten und deren Ablationsschwelle bzw. Schädigungsschwelle ausgewählt.
Als elektromagnetische Strahlungsquelle wird vorzugsweise eine Laserstrahleinrichtung verwendet, wobei der von der Laserstrahleinrichtung erzeugte Laserstrahl beim ersten Bearbeitungsschritt (Abtragen der zweiten Schicht) bei der Verwendung von einer metallischen Schicht, insbesondere von Nickel für die zweite Schicht eine Wellenlänge von insbesondere weniger als 10,6µm, insbesondere weniger als 1,6µm, und beim zweiten Bearbeitungsschritt (Abtragen der ersten Schicht) bei Verwendung von Aluminium für die erste Schicht eine Wellenlänge von mehr als 500nm, insbesondere zwischen 1,0µm und 1,6µm aufweist. Diese Parameter müssen selbstverständlich bei Verwendung anderer Materialien für die erste und zweite Schicht so angepasst werden, dass die Abtragsschwelle der zweiten Schicht geringer ist als die Abtragsschwelle für die erste Schicht, und diese wiederum geringer ist als die Schädigungsschwelle für die Funktionsschicht.
Um beispielsweise bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Solarzellen eine Stromleitung mit geringen ohmschen Verlusten ausbilden zu können, ist es erforderlich, die üblicherweise aus Aluminium bestehende erste Schicht zu verdicken. Die dazu vorgesehene zweite Schicht dient dabei hauptsächlich als Grundlage für eine galvanischen Verdickung, indem in den Bereichen, in denen die zweite Schicht nicht abgetragen wurde, die zweite Schicht mittels einer dritten (metallischen) Schicht aufgedickt wird. Diese galvanische Aufdickung hat dabei üblicherweise eine Dicke im Mikrometer-Bereich.
Die Erfindung umfasst auch eine Schichtanordnung, die insbesondere zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Dabei umfasst die Schichtanordnung ein flächiges Funktions- bzw. Trägerelement, eine an das Trägerelement anschließende Funktionsschicht, die von einer ersten leitenden, vorzugsweise metallischen Schicht überdeckt ist, wobei die Funktionsschicht freigelegte Bereiche aufweist, in denen die erste Schicht bis zum Trägerelement reicht und beispielsweise bei Solarzellen einen elektrischen Kontakt zum dotierten Siliziumträger herstellt, sowie eine an die erste Schicht angrenzende zweite leitende, vorzugsweise metallische Schicht, und wobei es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Schichten durch Materialabtrag bereichsweise abgetragen sind, und dass die erste Schicht eine Schichtdicke aufweist, bei der die erste Schicht eine geringere Ablations- bzw. Schädigungsschwelle beim Eindringen einer elektromagnetischen Strahlung in die erste Schicht aufweist als die Funktionsschicht bzw. das Material des Trägerelements.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Schichtaufbaus bzw. der Schichtanordnung ist es vorgesehen, dass die zweite Schicht aus einem Material besteht, bei der die zweite Schicht eine geringere Ablationsschwelle beim Eindringen einer elektromagnetischen Strahlung aufweist als die erste Schicht beim Eindringen dieser einen elektromagnetischen Strahlung.
Vorzugsweise wird eine derartige Ablationsschwelle bei der Verwendung eines gepulsten Laserstrahls mit einer Pulsdauer von etwa 10ps an der ersten Schicht bei einer Schichtdicke von weniger als 100nm, vorzugsweise weniger als 50nmm, ganz bevorzugt etwa 25nm erreicht, wenn die erste Schicht zumindest vorwiegend aus Aluminium besteht. Diese geringe Schichtdicke hat den Vorteil, dass ein Laserstrahl mir relativ geringer Fluenz verwendet werden kann, wodurch eine Beschädigung der unter der Aluminiumschicht angeordneten Funktionsschicht bzw. des Trägerelements vermieden werden kann. Für den Fall, dass anstelle des Aluminiums ein anderes Material verwendet wird, kann die geeignete Schichtdicke durch Variation der Schichtdicke in Versuchen ermittelt werden.
Für die zweite Schicht kommen eine Vielzahl von unterschiedlichen Metallen bzw. Materialien in Frage. Insbesondere kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die zweite Schicht zumindest vorwiegend aus Titan, Nickel, Nickel-Vanadium, Nickel-Chrom, Wolfram, Nickel mit Legierungsbestandteilen, Titannitrid oder elektrisch leitfähigen Oxidschichten (TCO) wie dotiertes Aluminiumzinkoxid oder dotiertes Indiumzinnoxid besteht. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Nickel oder einer Nickellegierung, wobei die Schichtdicke der zweiten Schicht weniger als 500nm, vorzugsweise weniger als 60nm beträgt. Auch hier kann die Schichtdicke anhand von Versuchsreihen ermittelt werden.
Für die Funktionsschicht kommen insbesondere bei Solarzellen beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid zur Anwendung.
Um das Funktions- bzw. Trägerelement nicht nur auf der Seite, auf der die elektrisch leitende Struktur angeordnet ist, funktional auszubilden, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass die Funktionsschicht auf beiden Seiten des (flächigen) Trägerelements angeordnet ist.
Zur Verminderung des elektrischen Übergangswiderstands zwischen dem üblicherweise aus Silizium bestehenden, dotierten Trägerelement bei Solarzellen und der ersten, insbesondere aus Aluminium bestehenden Schicht kann es vorgesehen sein, dass das Trägerelement mit der darauf aufgebrachten ersten Schicht einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Diese Wärmebehandlung findet dabei vorzugsweise vor dem Aufbringen der zweiten Schicht statt.
Die Erfindung findet bevorzugt Verwendung zur Ausbildung von elektrischen Kontaktierungsbereichen an Rückseiten von Solarzellen. Die Erfindung soll jedoch keinesfalls auf derartige Anwendungsfälle beschränkt sein. Vielmehr kann die Erfindung auch in der Mikrosystemtechnik, der Sensortechnik oder der Chiptechnik eingesetzt werden. Grundsätzlich ist die Erfindung immer dort vorteilhaft anwendbar, wo ein Halbleitermaterial mit einer metallischen Schicht mit einer Dicke von mehr als 50nm elektrisch kontaktiert werden soll, wobei durch einen Abtragprozess an einer metallischen Schicht eine Schädigung bzw. Funktionsbeeinträchtigung entstehen würde und/oder wo elektrisch miteinander verbundene Bereiche aus einer flächigen Metallschicht hergestellt werden sollen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 bis 7 den Fertigungsprozess zum Erzeugen einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung, bei der durch eine Laserstrahlbehandlung an der Oberseite eine elektrisch leitende Struktur ausgebildet wird, jeweils im Längsschnitt und
8 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung, die es ermöglicht, den Abtragprozess zweier Schichten an einem erfindungsgemäßen Schicht aufbau zumindest nahezu gleichzeitig zu ermöglichen.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein flächiges Funktionselement in Form eines Trägerelements 10 dargestellt, wie es insbesondere als Bestandteil von Solarzellen in Form eines dotierten Siliziumwafers verwendet wird. Ein derartiger Siliziumwafer bzw. ein derartiges Trägerelement 10 ist an der Rückseite (in Bezug zur Einstrahlrichtung der Sonne) hochdotiert. In einem ersten, in der 1 dargestellten Fertigungsschritt wird das Trägerelement 10 beidseitig mit einer Funktionsschicht 11 in Form einer dielektrischen Passivierung versehen. Als Material für die Funktionsschicht 11 kommt dabei insbesondere Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder amorphes Silizium mit einer Schichtdicke zwischen 10nm und 1µm zur Anwendung. Anschließend wird die Funktionsschicht 11, die in der Darstellung der 1 bis 7 an der Rückseite der Solarzelle bzw. des Trägerelements 10 angeordnet ist, bereichsweise dort wieder geöffnet bzw. mit Aussparungen 12 versehen, wo eine elektrische Verbindung mit dem Trägerelement 10 erfolgen soll, wie dies in der 2 dargestellt ist. Die Aussparungen 12 sind dabei insbesondere als punkt- oder kanalartige Aussparungen 12 mit einer Breite von beispielsweise zwischen 1µm bis zu einigen hundert µm ausgebildet, die sich in der Darstellung der Figuren auch senkrecht zur Zeichenebene der Figuren erstrecken. Das Ausbilden der Aussparungen 12 erfolgt in an sich bekannter Art und Weise, beispielsweise mit Ätzpasten oder mittels einer Laserstrahleinrichtung durch einen (Ultra-)Kurzpuls-Abtrag. Dazu gehörende Schritte zum Ausbilden der Funktionsschicht 11 bzw. der Aussparungen 12, wie beispielsweise das Reinigen oder Annealen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher nicht weiter erläutert.
In einem dritten, in der 3 dargestellten Fertigungsschritt wird auf die Oberseite der mit den Aussparungen 12 versehenen Funktionsschicht 11 eine erste, elektrisch leitende Schicht 13 als Bestandteil der Struktur 16 aufgebracht. Die erste Schicht 13 besteht dabei vorzugsweise aus Aluminium und weist in den Bereichen, in denen keine Aussparungen 12 vorhanden sind, eine Schichtdicke d₁ von weniger als 100nm, vorzugsweise weniger als 50nm, ganz besonders bevorzugt etwa 25nm auf. Das Aufbringen der ersten Schicht 13 auf die Funktionsschicht 11 erfolgt durch PVD-Verfahren wie vollflächiges Sputtern oder Bedampfen der Funktionsschicht 11.
Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle von Aluminium für die erste Schicht 13 auch Silber oder dotierte Halbleitermaterialien verwendet werden kann.
In einem vierten Fertigungsschritt wird anschließend entsprechend der 4 auf die erste Schicht 13 eine zweite, vorzugsweise ebenfalls metallische Schicht 14 als Bestandteil der elektrisch leitenden Struktur 16 aufgebracht. Dies erfolgt vorzugsweise durch Aufsputtern. Die zweite Schicht 14 besteht aus einem Metall, welches entweder gut als Galvanikstartschicht geeignet ist, oder aber das zumindest eine gute Haftung einer galvanisch abgeschiedenen Schicht auf der zweiten Schicht 14 ermöglicht. Typischerweise werden für die zweite Schicht 14 Metalle wie Titan, Nickel, Nickel-Vanadium, Nickel-Chrom, Silber, oder Wolfram verwendet. Weiterhin ist es wesentlich, dass die zweite Schicht, wie später noch näher erläutert wird, für einen Laserabtrag eine geringere Abtragsschwelle besitzt wie die darunterliegende, insbesondere aus Aluminium bestehende erste Schicht 13. Aus diesem Grund wird für die zweite Schicht 14 vorzugsweise eine Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung verwendet. Die Schichtdicke d₂ der zweiten Schicht 14 ist vorzugsweise geringer als 500nm, insbesondere geringer als 60nm.
Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle der erwähnten Materialien für die zweite Schicht 14 auch beispielsweise Titannitrid oder transparente leitfähige Oxidschichten (TCO) wie beispielsweise dotiertes Aluminiumzinkoxid oder dotiertes Indiumzinnoxid verwendet werden können.
Anschließend wird die soweit beschriebene Schichtanordnung 100 mit einer elektromagnetischen Strahlung behandelt. Hierzu ist es vorgesehen, dass entsprechend der 5 in einem ersten Bearbeitungsschritt vorzugsweise ein gepulster Laserstrahl 1, der mittels einer nicht dargestellten Laserstrahleinrichtung erzeugt wird, senkrecht zur Schichtanordnung 100 auf die zweite Schicht 14 gerichtet wird. Insbesondere wird der Laserstrahl 1 dabei so zur Schichtanordnung 100 ausgerichtet, dass sich die Strahlungsachse des Laserstrahls 1 zwischen zwei Aussparungen 12 in der Funktionsschicht 11 befindet. Weiterhin wird er Laserstrahl 1 relativ zur Oberfläche der zweiten Schicht 14 bewegt.
Durch die Bestrahlung der zweiten Schicht 14 mit dem Laserstrahl 1, der vorzugsweise kurze bzw. ultrakurze Laserimpulse mit einer Pulsdauer von kleiner 600ps, vorzugsweise kleiner 30ps aufweist, wird die zweite Schicht 14 bis in Höhe der ersten Schicht 13 abgetragen. Dadurch, dass die Ablationsschwelle der zweiten Schicht 14 geringer ist als die Ablationsschwelle der unter der zweiten Schicht 14 angeordneten ersten Schicht 13 wird erfindungsgemäß die erste Schicht 13 beim Abtragen der zweiten Schicht 14 zumindest im Wesentlichen nicht beschädigt.
Anschließend erfolgt in einem zweiten Bearbeitungsschritt entsprechend der 6 ein Abtragen der ersten Schicht 14 in den Bereichen, in denen zuvor die zweite Schicht 14 entfernt wurde. Hierzu wird der Laserstrahl 1 ebenfalls senkrecht zur Schichtanordnung 100 ausgerichtet, wobei dieser kurze, vorzugsweise ultrakurze Laserimpulse mit weniger als 30ps mit einer Wellenlänge von mehr als 500nm, vorzugsweise zwischen 1,0µm und 1,6µm, aufweist. Dadurch, dass die Ablationsschwelle der ersten Schicht 13 infolge der Wahl der Schichtdicke der ersten Schicht 13 so gewählt ist, dass die Schädigungsschwelle der unterhalb der ersten Schicht 13 angeordneten Funktionsschicht 11 höher ist, findet beim Abtragen der ersten Schicht 13 bis auf Höhe der Funktionsschicht 11 zumindest nahezu, insbesondere keine Beschädigung der Funktionsschicht 11, und zumindest nahezu, insbesondere keine Beschädigung des unterhalb der Funktionsschicht 11 befindlichen Materials des Trägerelements 10 statt.
Zuletzt kann entsprechend der 7 in einem weiteren Fertigungsvorgang zur Verdickung der Struktur 16 und zur Erzielung einer guten elektrischen Leitfähigkeit mit geringem ohmschen Widerstand auf die Oberseite der zweiten Schicht 14 eine dritte Schicht 15 aufgebracht werden. Dies erfolgt vorzugsweise im Galvanikverfahren. Die zweite Schicht 14 ist somit insbesondere mit Blick auf ihre Eignung als Grundlage für das galvanische Abscheiden der Schicht 15 auf die zweite Schicht 14 ausgewählt bzw. ausgebildet. Die abgeschiedene Schicht 15 ist bevorzugt eine Größenordnung dicker ausgebildet als die darunter angeordneten ersten und zweiten Schichten 13, 14. Durch den Abtrag der ersten und der zweiten Schicht 13, 14 sind jeweils Schichtanordnungen umfassend die erste Schicht 13, die zweite Schicht 14 und die dritte Schicht 15 quer zur Abtragungsrichtung zueinander beabstandet. Die Beabstandung ist bevorzugt größer als die durch die erste, zweite und dritte Schicht 13, 14, 15 gebildete Gesamtschichtstärke.
Die 8 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Fertigungseinrichtung 20, die dazu geeignet ist, die beiden Abtragsprozesse an den beiden Schichten 13, 14 gleichzeitig vorzunehmen. Hierzu weist die Fertigungseinrichtung 20 einen Strahlenteiler 21 auf, der einen ankommenden Laserstrahl 1 in zwei getrennte Laserstrahlen 1‘ und 1‘‘ aufteilt, die über eine Fokussieroptik 25 auf die Schichtanordnung 100 geleitet werden. Die Laserstrahlen 1‘ und 1‘‘ werden dabei in Richtung des Pfeils 26 relativ zur Oberfläche der Schichtanordnung 100 bewegt. Alternativ hierzu ist auch eine Bewegung der Laserstrahlen 1‘, 1‘‘ senkrecht zur Zeichenebene der 8 denkbar, wobei diese Bewegung in Form zweier aufeinanderfolgender Spuren erfolgt, die seitlich versetzt in der Zeichenebene der 8 angeordnet sind. Die Leistung des Laserstrahls 1 wird in solch einem Verhältnis aufgeteilt, dass jeweils die für den selektiven Abtrag der zweiten Schicht 14 und die für den selektiven Abtrag der ersten Schicht 13 notwendigen Bedingungen vorliegen. Anstelle eines Strahlteilers 20 kann, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, auch ein Strahlformer verwendet werden, der einen Laserstrahl 1 mit Bereichen unterschiedlicher Fluenz erzeugt. Auch können Einrichtungen unter Verwendung zweier separat erzeugter Laserstrahlen unter Einhaltung obiger Bedingungen verwendet werden.
Die soweit beschriebene Schichtanordnung 100 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10326505 A1 [0003]
DE 102009011306 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur (16) an einem Trägerelement (10), umfassend folgende Schritte: a) Beschichten des flächigen Trägerelements (10) zumindest auf der der leitenden Struktur (16) zugewandten Seite mit einer Funktionsschicht (11) b) Bereichsweises Entfernen der Funktionsschicht (11) bis zur Oberfläche des Trägerelements (10) c) Aufbringen einer ersten leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schicht (13) auf die Funktionsschicht (11), wobei die erste Schicht (13) bis zur Oberfläche der von der Funktionsschicht (11) freigelegten Bereiche des Trägerelements (10) reicht d) Aufbringen einer zweiten leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schicht (14) auf die erste Schicht (13) e) Bereichsweises Abtragen der zweiten Schicht (14) mittels einer ersten elektromagnetischen Strahlung in einem ersten Bearbeitungsschritt
f) Bereichsweises Abtragen der ersten Schicht (13) mittels einer zweiten elektromagnetischen Strahlung in einem zweiten Bearbeitungsschritt in den Bereichen, in denen die zweite Schicht (14) entfernt wurde, wobei die erste Schicht (13) eine Schichtdicke (d₁) aufweist, bei der die erste Schicht (13) eine geringere Ablationsschwelle beim Eindringen der zweiten elektromagnetischen Strahlung in die erste Schicht (13) aufweist als die Schädigungsschwelle der Funktionsschicht (11) und/oder das Material des Trägerelements (10) beim Eindringen der zweiten elektromagnetischen Strahlung, so dass beim Abtragen der ersten Schicht (13) die an die erste Schicht (13) angrenzende Funktionsschicht (11) und/oder das Material des Trägerelements (10) zumindest im Wesentlichen nicht beschädigt bzw. dessen Funktion nicht beeinträchtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite Schicht (14) ein Material verwendet wird, das eine materialspezifische Abtragsschwelle aufweist, bei der die zweite Schicht (14) eine geringere Ablationsschwelle beim Eindringen der ersten elektromagnetischen Strahlung aufweist als die erste Schicht (13) beim Eindringen der ersten elektromagnetischen Strahlung, so dass beim Abtragen der zweiten Schicht (14) die an die zweite Schicht (14) angrenzende erste Schicht (13) zumindest im Wesentlichen nicht beschädigt bzw. dessen Funktion nicht beeinträchtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bearbeitungsschritte des Abtragens der ersten und zweiten Schicht (13, 14) zumindest nahezu zeitgleich durch Verwendung eines Stahlteilers (21) oder eines Strahlformers aus zumindest einer einzigen elektromagnetischen Strahlung erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlung ein vorzugsweise gepulster Laserstrahl (1) mit einer Pulsdauer von weniger als 600ps, vorzugsweise weniger als 30ps, ganz besonders bevorzugt weniger als 10ps verwendet wird, und dass die Wellenlänge des Laserstrahls (1) beim zweiten Bearbeitungsschritt mehr als 500nm, insbesondere zwischen 1,0µm und 1,5µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abtragen der ersten Schicht (13) auf die zweite Schicht (14) zumindest bereichsweise eine dritte Schicht (15), vorzugsweise galvanisch, aufgebracht wird.
Schichtanordnung (100), insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem flächigen Trägerelement (10), einer an das Trägerelement (10) anschließenden Funktionsschicht (11), die von einer ersten leitfähigen, vorzugsweise metallischen Schicht (13) überdeckt ist, wobei die Funktionsschicht (11) freigelegte Bereiche (12) aufweist, in denen die erste Schicht (13) bis zum Trägerelement (10) reicht, und eine an die erste Schicht (13) angrenzende zweite leitfähige, vorzugsweise metallische Schicht (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (13, 14) durch Materialabtrag bereichsweise abgetragen sind, und dass die erste Schicht (13) eine Schichtdicke (d₁) aufweist, bei der die erste Schicht (13) eine geringere Ablationsschwelle beim Eindringen einer elektromagnetischen Strahlung in die erste Schicht (13) aufweist als die Schädigungsschwelle der Funktionsschicht (11) bzw. das Material des Trägerelements (10) beim Eindringen dieser elektromagnetischen Strahlung.
Schichtanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (14) aus einem Material besteht, bei der die zweite Schicht (14) eine geringere Ablationsschwelle beim Eindringen einer weiteren elektromagnetischen Strahlung aufweist als die erste Schicht (13) beim Eindringen dieser weiteren elektromagnetischen Strahlung.
Schichtanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (13) zumindest vorwiegend aus Aluminium besteht und eine Schichtdicke (d₁) von weniger als 100nm, vorzugsweise weniger als 50nm, ganz besonders bevorzugt etwa 25nm aufweist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (14) zumindest vorwiegend aus Titan, Nickel, Nickel-Vanadium, Nickel-Chrom, Silber, Wolfram, Nickel mit Legierungsbestandteilen, Titannitrid oder elektrisch leitfähigen Oxidschichten, besonders bevorzugt aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht, und dass die Schichtdicke (d₂) der zweiten Schicht (14) weniger als 500nm, vorzugsweise weniger als 60nm beträgt.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (10) zumindest vorwiegend aus Silizium besteht und auf der der ersten Schicht (13) zugewandten Seite mit einer Dotierung versehen ist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (11) aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid, amorphem Silizium oder Aluminiumoxid mit einer Schichtdicke zwischen 10nm und 1µm besteht.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (11) auf beiden Seiten des Trägerelements (10) angeordnet ist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Verbindungsbereich des Trägerelements (10) mit der ersten Schicht (13) wärmebehandelt ist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Schicht (14) eine zusätzliche metallische dritte Schicht (15) angeordnet ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 zur Ausbildung von elektrischen Kontaktierungsbereichen an Rückseiten von Solarzellen.