DE102012214925B3

DE102012214925B3 - Verfahren und Vorrichtung zum lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheiden von Metall auf einer Oberfläche eines Halbleiterbauelements sowie damit hergestelltes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102012214925B3
Application number: DE102012214925A
Authority: DE
Inventors: Martin Zimmer; Jochen Rentsch; Christian Savio; Clemens Könning; Stefan Glunz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: WO2014029667A2; WO2014029667A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichteinkopplung in Beschichtungsbäder, um damit lichtinduziert oder lichtunterstützt Metall auf einer Oberfläche eines Halbleiterbauelements abzuscheiden. Das Verfahren umfasst dabei zumindest die folgenden Schritte: A) Bereitstellen des Beschichtungsbades, das eine Matrix und eine Strahlungsablenkkomponente enthält oder hieraus besteht; B) Einbringen des mindestens einen Halbleiterbauelements in das Beschichtungsbad; C) Durchführen der lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheidung.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Lichteinkopplung in Beschichtungsbäder, um damit lichtinduziert oder lichtunterstützt Metall auf einer Oberfläche eines Halbleiterbauelements abzuscheiden. Des Weiteren betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, eine spezielle Beschaffenheit des Beschichtungsbades und ein Halbleiterbauelement, das nach diesem Verfahren gefertigt wurde.
Die lichtinduzierte oder lichtunterstützte Plattierung ist ein Verfahren, bei dem Metall auf einer Halbleiteroberfläche abgeschieden wird. Bei der lichtinduzierten Plattierung ist dafür eine Kontaktierung des Halbleiterbauelements nötig, während die lichtunterstützte Plattierung stromlos, das heißt ohne Kontaktierung, funktioniert. Wird in der Folge im Anmeldetext die Abkürzung LIP-Prozess oder LIP-Verfahren verwendet, ist damit stets sowohl die lichtinduzierte als auch die lichtunterstützte Plattierung gemeint. Das LIP-Verfahren ist beispielsweise bekannt aus der DE 23 48 182 A1 , der US 4 144 139 A , der US 4 251 327 A oder der US 4 320 250 A .
Das LIP-Verfahren kann prozesstechnisch im Rahmen eines Durchlaufverfahrens oder eines sogenannten Batch-Verfahrens, also der schubweisen Verarbeitung, implementiert werden. Beide Prozesstechniken weisen jedoch bedeutsame Nachteile auf.
Die Nachteile des Durchlaufverfahrens bestehen darin, dass der anwendbare Parameterraum zur Steuerung des LIP-Prozesses stark eingeschränkt ist. So ist beispielsweise die Prozesszeit durch eine in Produktionslinien übliche Durchlaufgeschwindigkeit sowie der technisch realisierbaren Anlagenlänge beschränkt. Auch die Prozesstemperatur ist im Wesentlichen aufgrund des starken Ausdehnungskoeffizienten des eingesetzten Kunststoffes stark eingeschränkt. Bei der lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung von beispielsweise Solarzellen wird in der industriellen Fertigung dennoch nur das Durchlaufverfahren verwendet.
Den vorstehend beschriebenen Einschränkungen ist man bei der Verwendung einer Batch-Anlage nicht unterlegen. In der typischen Realisierung des Batch-Verfahrens sind die Halbleiterbauelemente im Wesentlichen vertikal in einer so genannten Prozesskassette aufgestellt, werden zur Beschichtung in das Beschichtungsbad eingetaucht und anschließend wieder herausgenommen. Da die Halbleiterbauelemente während des LIP-Prozesses mittels mindestens einer strahlungsemittierender Vorrichtung bestrahlt werden müssen, ist ein wesentlicher Nachteil des Batch-Verfahrens, dass die Beladungsdichte und damit der Durchsatz der Anlage stark reduziert sind.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Batch-Verfahren zur lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung bereitzustellen.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheiden von Metall auf einer Oberfläche mindestens eines Halbleiterbauelements, das in ein Beschichtungsbad zumindest teilweise eingetaucht wird. In dieses Beschichtungsbad wird mittels einer strahlungsemittierenden Vorrichtung Strahlung eingestrahlt. Das Verfahren umfasst dabei zumindest die folgenden Schritte:

A) Bereitstellen des Beschichtungsbades, das eine flüssige oder gelartige Matrix und eine die eingestrahlte Strahlung streuende oder brechende Strahlungsablenkkomponente enthält oder hieraus besteht;
B) Einbringen des mindestens einen Halbleiterbauelements in das Beschichtungsbad;
C) Durchführung der lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheidung derart, dass zumindest während der Abscheidung die Strahlungsablenkkomponenten in der flüssigen oder gelartigen Matrix zumindest über einen Teilbereich verteilt vorliegen, mit der Folge, dass die eingestrahlte Strahlung durch die Strahlungsablenkkomponenten zumindest teilweise in Richtung der Oberfläche des mindestens einen Halbleiterbauelements gestreut oder gebrochen wird.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch die Einführung von Strahlungsablenkkomponenten in das Beschichtungsbad die eingestrahlte Strahlung gestreut oder gebrochen werden kann. Die Wirkung dieser Maßnahme besteht darin, dass mindestens ein Teil der eingestrahlten Strahlung, der ohne Strahlungsablenkkomponenten im Beschichtungsbad nicht auf eine der Oberflächen der eingetauchten Halbleiterbauelemente treffen würde, durch die Strahlungsablenkkomponenten im Beschichtungsbad seitlich abgelenkt wird und in der Folge direkt die zu beschichtenden Oberflächen der eingetauchten Halbleiterbauelemente mit Strahlung beaufschlagen kann. Eine Wirkung der Einführung der Strahlungsablenkkomponente in das Beschichtungsbad ist also der Effekt, dass Bereiche auf der Oberfläche der Halbleiterbauelemente, die ohne das Vorliegen der Strahlungsablenkkomponente kaum oder gar nicht mit der eingestrahlten Strahlung beaufschlagt worden wären, nun zumindest teilweise damit beaufschlagt werden. Dadurch ist ein effizienter LIP-Prozess bei gleichzeitig dicht gepackten Prozesskassetten, das heißt, einer Menge von Halbleiterbauelementen, die sich in geringem Abstand beispielsweise parallel zueinander befinden, möglich. Wesentlich ist, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nun auch bei Verwendung eines Batch-Verfahrens hohe Durchsätze in der industriellen Fertigung möglich sind.
Diese Möglichkeit der Anordnung der Halbleiterbauelemente stellt einen Unterschied zu herkömmlichen Anordnungen dar. Da bei herkömmlichen Beschichtungsbädern keine gezielte Streuung oder Brechung des eingestrahlten Lichtes möglich ist, muss für das Verfahren der lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung die Anordnung bezüglich strahlungsemittierender Vorrichtung und Halbleiterbauelement dergestalt gewählt werden, dass die emittierte Strahlung direkt auf mindestens eine der Oberflächen der Halbleiterbauelemente treffen kann. Wird dagegen ein Beschichtungsbad mit Strahlungsablenkkomponente gewählt, eröffnen sich neue Möglichkeiten der Anordnung der Halbleiterbauelemente und/oder der Strahlungsvorrichtungen.
Eine weitere Wirkung der Einführung der Strahlungsablenkkomponente in das Beschichtungsbad ist die Tatsache, dass auch bei direkter Beleuchtung des Halbleiterbauelements durch die strahlungsemittierende Vorrichtung, wodurch im Prinzip alle Bereiche der Oberfläche des Halbleiterbauelements schon mit Strahlung beaufschlagt werden, die Homogenität der Beaufschlagung durch Einsatz der Strahlungsablenkkomponente verbessert werden kann. Dies hat in der Regel einen homogeneren und effizienteren Prozess der lichtunterstützten oder lichtinduzierten Plattierung zur Folge.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass durch die Bestrahlung auf derjenigen Oberfläche, auf der die eingestrahlte Strahlung auftrifft, ein Potenzial anliegt, das über den gesamten zu beschichtenden Bereich gleichmäßig verteilt ist und nicht, wie etwa beim rein galvanischen Verfahren, mit steigender Entfernung vom Kontaktierungspunkt abnimmt. Somit treten bei der lichtinduzierten oder lichtunterstützten Metallabscheidung keine Spannungsverluste und weniger Homogenitätsprobleme während der Metallabscheidung auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements auf und es kann eine weitaus homogenere Schicht abgeschieden werden, als es bisher nach dem Stand der Technik möglich war.
Erfindungsgemäß können grundsätzlich diverse relevante Prozessparameter variiert werden. So kann beispielsweise durch Variation der Beleuchtungsstärke das Kristallwachstum beeinflusst werden. Somit kann die Morphologie der abgeschiedenen Metallstrukturen gesteuert werden. Ebenso kann die Geometrie der abgeschiedenen Metallstrukturen durch Wahl der Prozessparameter beeinflusst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann generell für die Beschichtung von jeglichem Halbleiterbauelement angewendet werden. Lediglich beispielhaft seien an dieser Stelle Solarzellen, LED oder Transistoren genannt.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Saatschicht auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements aufgebracht, auf der in der Folge das Metall abgeschieden wird.
Die Saatschicht kann vor Schritt B) in einem separaten Prozessschritt aufgebracht werden, beispielsweise mittels Aerosoldruck oder mittels Siebdruck, insbesondere fine line Siebdruck (eines Siebdruckverfahrens, mit Hilfe dessen das Drucken besonders schmaler Linien möglich ist). Die Saatschicht kann alternativ auch nach Schritt B) aufgebracht werden. Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere die Ausbildung einer Nickelsaatschicht auf einem Halbleiterbauelement auch durchführbar ist, wenn sich das Halbleiterbauelement schon im Beschichtungsbad befindet.
Durch den Prozess des lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierens wird die aufgebrachte Saatschicht verstärkt. Die Geometrie der durch lichtinduziertes oder lichtunterstütztes Plattieren verstärkten Saatschichten, die mittels eines mehrstufigen Verfahrens hergestellt werden, unterscheidet sich in der Regel von denjenigen Geometrien, die in einem einstufigen Verfahren möglich sind. Besteht die Saatschicht beispielsweise aus einer feinen Linie, die durch ein Verhältnis Höhe zu Breite charakterisiert werden kann, kann durch den Prozess des lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierens für die verstärkten Saatschichten ein Verhältnis Höhe zu Breite erreicht werden, dass größer ist als das der ursprünglichen Saatschicht.
Des Weiteren sind generell die mittels lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierens erhaltenen Metallabscheidungen unempfindlicher gegenüber Unterbrechungen in der Saatschicht.
Handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement beispielsweise um eine Solarzelle, beinhaltet das Aufbringen einer Saatschicht und die Anwendung des LIP-Prozesses weitere, spezifische Vorteile:
Zum einen liegt eine Verringerung des Serienwiderstandes vor, da die Leitfähigkeit der lichtinduziert oder lichtunterstützt abgeschiedenen Metalle höher ist als die Leitfähigkeit, die Metalle haben, die durch Standard-Siebdruckverfahren aufgebracht wurden. Dadurch erhält man einen niedrigeren gesamten Schichtwiderstand und es können höhere Stromdichten erreicht werden.
Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein weiterer Vorteil des LIP-Verfahrens die Materialersparnis der verwendeten Metalle. Wird als Metall beispielsweise Silber verwendet, drückt sich eine erhebliche Verringerung des benötigten Silbers direkt auf die Herstellungskosten aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Strahlung im Wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen der zu beschichtenden Halbleiterbauelemente in das Beschichtungsbad eingestrahlt.
Die Halbleiterbauelemente sind in der Regel flächig ausgeführt, das heißt, sie besitzen zwei im Wesentlichen zueinander parallele Hauptoberflächen, sowie weitere Schmalseiten, deren Flächeninhalt jeweils deutlich (d. h. insbesondere um mindestens eine Zehnerpotenz) kleiner als der beider Hauptoberflächen ist. In anderen Worten ist mit der Hauptoberfläche diejenige Ebene gemeint, die das Halbleiterbauelement als Ganzes aufspannt. Dabei versteht sich von selbst, dass jedes reale Halbleiterbauelement prozesstechnisch bedingte Unebenheiten sowie Strukturierungen auf seinen Hauptoberflächen aufweisen kann. Ordnet man der emittierten Strahlung der strahlungsemittierenden Vorrichtung eine bestimmte Ausbreitungsrichtung zu, die dadurch definiert ist, dass sie die Richtung darstellt, in die sich der größte Teil der Intensität der emittierten Strahlung ausbreitet, so kann man die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit anderen Worten dahingehend beschreiben, dass die Ausbreitungsrichtung der eingekoppelten Strahlung vor der Ablenkung durch die Strahlungsablenkkomponente im Wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen der Halbleiterbauelemente ist. Diese Forderung lässt sich dahingehend quantitativ konkretisieren, dass der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der eingekoppelten Strahlung vor der Ablenkung durch die Strahlungsablenkkomponente und der Hauptoberfläche des zu bestrahlenden Halbleiterbauelements weniger als 10°, insbesondere weniger als 5°, beträgt.
Ein wesentliches Merkmal für die soeben beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also die Tatsache, dass der Anteil der Intensität der eingestrahlten Strahlung, der auf die Oberflächen der Halbleiterbauelemente trifft, aufgrund der in das Beschichtungsbad eingebrachten Strahlungsablenkkomponenten vergrößert wird. So sind insbesondere Anordnungen der Halbleiterbauelemente im Beschichtungsbad denkbar, bei denen sich die zu bearbeitenden Halbleiterbauelemente im Wesentlichen parallel zueinander (d. h. die Hauptoberflächen zweier benachbarter Halbleiterbauelemente schließen eine Winkel kleiner als 10°, insbesondere kleiner als 5°, ein) in, relativ zu der Größe ihrer Hauptoberflächen, geringem Abstand befinden. Ein relativ zu der Größe ihrer Hauptoberflächen geringer Abstand bedeutet quantitativ, dass der Abstand der Halbleiterbauelemente mindestens eine Zehnerpotenz kleiner ist als die längste der Kantenlängen des Halbleiterbauelements. Eine hohe Beladungsdichte im Batch-Verfahren ist somit möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens trifft – insbesondere aus Gründen der geometrischen Anordnung mehrerer Bauelemente – weniger als 20%, häufig sogar weniger als 10% der Intensität der eingestrahlten Strahlung, die in das Beschichtungsbad eingekoppelt wird, direkt auf die in das Beschichtungsbad eingebrachten und zu bearbeitenden Halbleiterbauelemente. Dies kann gemessen werden, indem bei einer gegebenen Anordnung statt des erfindungsgemäß eingesetzten Beschichtungsbades ein identisches Beschichtungsbad ohne die Strahlungsablenkkomponente verwendet wird und die in das Beschichtungsbad eingekoppelte Strahlungsintensität mit der Strahlungsintensität, die auf die zu bearbeitenden Halbleiterbauelemente trifft, verglichen wird. Unter dem direkten Auftreffen ist insbesondere ein Strahlengang der eingestrahlten Strahlung ohne Streuung oder Brechung an den Strahlungsablenkkomponenten im Beschichtungsbad zu verstehen. Der Effekt der vorliegenden Strahlungsablenkkomponenten besteht darin, dass ein größerer Anteil der eingestrahlten Strahlung auf die Halbleiterbauelementoberflächen trifft, als es ohne das Vorliegen dieser Strahlungsablenkkomponenten der Fall wäre. Die Zahlenwerte der Lichtintensität können beispielsweise mit einem Photometer oder Luxmeter bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlungsablenkkomponente des erfindungsgemäßen Verfahrens gasförmig, flüssig, oder fest, wobei eine feste Strahlungsablenkkomponente häufig einfacher handhabbar ist. Insbesondere besteht die Strahlungsablenkkomponente zumindest teilweise aus Nanopartikeln oder Minoritätskomponenten von Emulsionen oder Gasblasen oder Kombinationen daraus.
Um das eingestrahlte Licht ohne den Einsatz von optischen Elementen auf die Solarzelloberfläche zu leiten, bietet sich zum einen die Streuung an Festkörpern, insbesondere Nanopartikeln, an, die dem Beschichtungsbad zugesetzt werden. Unter Nanopartikeln werden hier Partikel mit einer Größe von 1 bis einigen Nanometern bezeichnet, insbesondere also ein Verbund von wenigen bis einigen Tausend Atomen oder Molekülen. Die Größe der Partikel kann mittels Streulichtmessung (Laserbeugung nach NF X11-666-01 bzw. NF ISO 13320-1: 2000-09) bestimmt werden. In der oben beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens fallen mindestens 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 80 Gewichtsprozent, nochmals vorzugsweise 95 Gewichtsprozent der sich im Beschichtungsbad als Strahlungsablenkkomponenten befindlichen Nanopartikel in den Größenbereich von bis zu 100 Nanometern.
Die Konzentration der Nanopartikel im Beschichtungsbad liegt gemäß einer weiteren Ausführungsform zwischen 0,0001 und 1 Gewichtsprozent, insbesondere zwischen 0,005 und 0,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Beschichtungsbades.
Als weitere Strahlungsablenkkomponente kommen auch die Minoritätskomponenten von Emulsionen in Frage. Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung. Eine Flüssigkeit bildet kleine Tröpfchen, verteilt in der anderen Flüssigkeit. Die Phase, die Tröpfchen bildet, nennt man innere Phase oder auch disperse Phase. Die Tröpfchen, die in vorliegendem Fall als Strahlungsablenkkomponenten fungieren, werden im Folgenden als Minoritätskomponenten bezeichnet. Emulsionen, deren nicht mischbare Flüssigkeiten unterschiedliche Brechungsindices besitzen, bilden eine sehr attraktive Option. Die eingestrahlte Strahlung wird hierbei nicht gestreut, sondern an der Grenzfläche zwischen den optisch dichteren und dünneren Medien gebrochen.
Weiterhin können auch feine Gasbläschen in flüssigen Schäumen als Strahlungsablenkkomponenten dienen. Unter einem flüssigen Schaum versteht man hierbei ein heterogenes Stoffgemisch aus einem ersten Stoff, der sich im gasförmigen Aggregatszustand befindet und einem zweiten Stoff, der sich im flüssigen Aggregatszustand befindet. Flüssige Schäume werden beispielsweise durch das Einblasen von Gas in das Beschichtungsbad, beispielsweise durch einen mikroporösen Filter, erzeugt und werden häufig durch Additive, in der Regel oberflächenaktive und viskositätsaktive Substanzen, stabilisiert. Die eingestrahlte Strahlung wird hierbei an den Gasbläschen gestreut oder an deren Oberfläche gebrochen und trifft somit mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Halbleiterbauelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen die sich im Beschichtungsbad befindlichen Nanopartikel aus dielektrischen Materialien oder umfassen derartige Materialien als (gewichtsmäßige) Hauptkomponente. Als dielektrisches Material wird eine elektrisch schwach- oder nichtleitende, nichtmetallische Substanz bezeichnet, die insbesondere einen hohen spezifischen Widerstand (> 10¹⁰ Ω·cm) besitzt. Besonders vorteilhafte Materialien für das erfindungsgemäße Verfahren sind beispielsweise dielektrische Substanzen, die aus Titandioxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid bestehen oder diese umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die strahlungsemittierende Vorrichtung aus einer oder mehreren Leuchtdioden (LED), einer oder mehreren organischer Leuchtdioden (OLED), einer oder mehrerer Neonröhren oder einem oder mehreren Lasern oder einer Kombination daraus.
Prinzipiell können auch weitere Arten von Leuchtmitteln, beispielsweise Leuchtstoffröhren oder Halogenlampen oder Kombinationen daraus verwendet werden. Es ist jedoch vorteilhaft, eine hohe Bestrahlungsintensität zu erreichen, weshalb sich in erster Linie Hochleistungs-LED oder Laser zur Beleuchtung der Oberflächen anbieten. Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Wahl der strahlungsemittierenden Vorrichtung ist ihre Richtcharakteristik, also ihre winkelabhängige Lichtstärke. Dabei beschreibt der Abstrahlwinkel bei gerichteten Lichtquellen (z. B. bei Leuchtdioden, Reflektorlampen oder Kaltlichtspiegellampen) den Winkel, der von den seitlichen Punkten mit halber Maximal-Lichtstärke eingeschlossen wird. Der so definierte Abstrahlwinkel ist bei LED typischerweise im Bereich 25° bis 50°, bei Laser typischerweise < 10°. Der Abstrahlwinkel bei gerichteten Lichtquellen ist dabei zu unterscheiden von dem perspektivischen Effekt, gemäß dessen die Strahlungsstärke der von einem Flächenelement emittierten Strahlung mit flacher werdendem Abstrahlwinkel abnimmt und die physikalisch durch das Lambertsche Gesetz quantifiziert wird. Unabhängig von dem zuvor Gesagten ist daher die Strahlungsquelle in der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere eine Strahlungsquelle mit einem Abstrahlwinkel von maximal 50°, insbesondere maximal 35°, häufig auch maximal 25°.
Für das erfindungsgemäße Verfahren bietet es sich an, eine gerichtete, strahlungsemittierende Vorrichtung mit einem geringen Abstrahlwinkel zu wählen, um einen größtmöglichen Anteil der emittierten Strahlung in das Beschichtungsbad einzukoppeln und dann mit Hilfe der Strahlungsablenkkomponenten auf die zu beschichtenden Oberflächen der Halbleiterbauelemente zu leiten.
Des Weiteren erscheint es vorteilhaft, brechende optische Elemente, wie beispielsweise Linsen, einzusetzen, die das einstrahlende Licht fokussieren, richten oder bündeln.
Des Weiteren wird als strahlungsemittierende Vorrichtung häufig eine Lichtquelle gewählt werden, die im sichtbaren Bereich emittiert.
Schließlich kann auch eine Anordnung gewählt werden, in der die strahlungsemittierende Vorrichtung verschiebbar angeordnet ist und sequentiell verschiedene Bereiche des Beschichtungsbades bzw. verschiedene Halbleiterbauelemente nacheinander mit Strahlung beaufschlagt. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Lichtquellen reduziert werden, allerdings verlängert sich potenziell die Prozesszeit zur lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung aller zu bearbeitenden Halbleiterbauelemente.
Das Beschichtungsbad enthält eine flüssige oder gelartige Matrix und eine die eingestrahlte Strahlung streuende oder brechende Strahlungsablenkkomponente oder es besteht hieraus. Diese Strahlungsablenkkomponente liegt zumindest während der Abscheidung in der Matrix zumindest über einen Teilbereich des Beschichtungsbades verteilt vor.
Die Matrix kann gelartig ausgebildet sein, wobei darunter ein feindisperses System aus mindestens einer festen und einer flüssigen Phase verstanden wird, die sich vollständig durchdringen, also bikohärent sind. Die Wahl einer gelartigen Matrix hat den Effekt, dass der Brechungsindex in der Regel besser einstellbar ist und dass die Strahlungsablenkkomponenten in der Regel weniger stark absinken. Ist die Matrix flüssig ausgebildet, spricht man in der Praxis oftmals von einem nasschemischen Prozessbad. Nasschemische Prozessbäder werden in der Regel auch bei der herkömmlichen lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung eingesetzt.
Ein potenzieller Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere bei Verwendung einer flüssigen Matrix, ist die Sedimentierung der Strahlungsablenkkomponenten. Aus diesem Grund ist es möglich, Mittel vorzusehen, die einem Absinken der Strahlungsablenkkomponenten entgegenwirken. Als Beispiel sei hier ein Durchmischen des Beschichtungsbades genannt. Dies kann kontinuierlich, in periodischen Abständen oder bedarfsorientiert geschehen. In jedem Fall sollte sichergestellt werden, dass die Strahlungsablenkkomponenten zumindest während der Abscheidung zumindest über einen relevanten Teilbereich des Beschichtungsbades verteilt vorliegen.
Es kann auf der anderen Seite eine Anforderung an das erfindungsgemäße Verfahren gestellt werden, dass die Strahlungsablenkkomponenten gerade nicht homogen in der Matrix verteilt sein sollen, sondern beispielsweise ein Konzentrationsgradient der Strahlungsablenkkomponenten im Beschichtungsbad vorliegt. Dabei würde vorteilhafterweise die Konzentration der Strahlungsablenkkomponenten mit zunehmenden Abstand von der strahlungsemittierenden Vorrichtung zunehmen, um eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung des Halbleiterbauelements zu gewährleisten. In diesem Fall wäre es vorteilhaft, Mittel vorzusehen, die einen Konzentrationsgradienten der Strahlungsablenkkomponenten im Beschichtungsbad aufrechterhalten. Hier kann eine gelartige Matrix gegenüber einer flüssigen Matrix Vorteile aufweisen.
Andererseits kann auch das Absinken der Strahlungsablenkkomponenten gerade gewünscht sein. So ist es denkbar, während der Durchmischung des Beschichtungsbades die Halbleiterbauelemente nicht zu bestrahlen, sondern die strahlungsemittierende Vorrichtung erst wieder einzuschalten, nachdem das Beschichtungsbad durchmischt wurde und ein Zeitraum vergangen ist, währenddessen ein Teil der Strahlungsablenkkomponenten abgesunken ist. Dadurch wäre ebenfalls ein LIP-Prozess möglich, bei dem ein Konzentrationsgradient der Strahlungsablenkkomponenten im Beschichtungsbad vorliegt.
Gemäß einer Ausführungsform des Beschichtungsbades umfasst die Matrix des Beschichtungsbades eine wässrige Lösung, die Metallsalze enthält oder hieraus besteht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Beschichtungsbades umfasst die Matrix des Beschichtungsbades eine wässrige Lösung, die Metallsalze und zusätzlich Stabilisatoren, Netzmittel und/oder pH-Puffer enthält oder hieraus besteht.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform des Beschichtungsbades umfasst die Matrix des Beschichtungsbades eine wässrige Lösung, die Metallsalze und zusätzlich Inhibitoren und/oder Reduktionsmittel enthält oder hieraus besteht.
Ein Beispiel für einen Elektrolyten zum Durchführen des LIP-Prozesses sind das kommerziell erhältliche Eless Nickelelektrolyt, bestehend aus Nickel und Natriumhypophosphit auf Basis einer Natronlauge, deren pH-Wert mittels Schwefelsäure eingestellt wird.
Ein weiteres Beispiel ist der in Fachkreisen als ”Watt's electrolyt” bekannte Nickelelektrolyt, der aus Nickelsulfat, Nickelchlorid und Borsäure besteht.
Neben dem beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ebenso eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Diese Vorrichtung dient dem lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheiden von Metall auf einer Oberfläche mindestens eines Halbleiterbauelements in einem Beschichtungsbad, wobei Strahlung aus mindestens einer strahlungsemittierenden Vorrichtung in das Beschichtungsbad eingestrahlt wird. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Behältnis für das Beschichtungsbad sowie Mittel zur Halterung von Halbleiterbauelementen enthält, die so ausgebildet sind, dass die Strahlung der strahlungsemittierenden Vorrichtung im Wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen der Halbleiterbauelemente eingestrahlt wird.
Eine Anlage zur lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung umfasst demzufolge gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Behältnis zur Aufnahme und eventuellen Temperierung des Beschichtungsbades, welches beispielsweise durch ein nasschemisches Prozessbad realisiert ist. Das Behältnis kann beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, insbesondere einem transparenten Kunststoff, bestehen oder auch zumindest in den Bereichen, in denen der Eintritt der Strahlung beabsichtigt ist aus einem dieser Materialien bestehen. Die zu beschichtenden Halbleiterbauelemente werden in der Prozesskassette, die im Fachjargon oftmals auch als „Carrier” bezeichnet wird, in das Beschichtungsbad entweder vollständig oder nur mit der zu beschichtenden Seite getaucht. Das Beschichtungsbad enthält eine flüssige oder gelartige Matrix, die als Elektrolyt wirkt. Das Beschichtungsbad wird von einer oder mehreren Seiten beleuchtet.
Im Hinblick auf die Einkopplung der Strahlung der strahlungsemittierenden Vorrichtung in das Beschichtungsbad bieten sich zumindest bereichsweise transparente, lichtdurchlässige Wände des Behältnisses an. Es ist in der Regel erstrebenswert, einen möglichst großen Anteil der von der Strahlungsvorrichtung emittierten Strahlungsintensität in das Behältnis einzukoppeln.
Des Weiteren enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zur Halterung der Halbleiterbauelemente. Im Stand der Technik gibt es zahlreiche Ausführungsformen zur Halterung der Halbleiterbauelemente bei einer Vorrichtung zur lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung. So kann beispielsweise ein Halbleiterbauelement im Wesentlichen horizontal in das Behältnis getaucht werden (wie beispielsweise in DE 23 48 182 A1 oder US 4 144 139 A gezeigt). Die strahlungsemittierende Vorrichtung kann sich in dieser Anordnung entweder ober- oder unterhalb des Halbleiterbauelements befinden, wobei auf der der Strahlungsvorrichtung zugewandten Seite die Metallabscheidung stattfindet. Prinzipiell können auf diese Weise auch mehrere Halbleiterbauelemente gleichzeitig beschichtet werden, indem diese nebeneinander angeordnet werden und gegebenenfalls die Zahl der Strahlungsvorrichtungen ebenfalls vervielfacht wird. Dennoch ist die Anzahl der gleichzeitig bearbeitbaren Halbleiterbauelemente in dieser Anordnung deutlich begrenzt, was das (Batch-)Verfahren mit einer derartigen Anordnung im Umfeld einer industriellen Fertigung wenig attraktiv macht.
Die Zahl der gleichzeitig bearbeitbaren Halbleiterbauelemente kann einfach verdoppelt werden, in dem immer zwei Halbleiterbauelemente übereinander in das Beschichtungsbad getaucht werden. Die Zahl der Strahlungsvorrichtungen muss dabei allerdings auch verdoppelt werden. Die Strahlungsvorrichtungen werden dabei sich gegenüberstehend platziert und es werden wiederum die der Strahlungsvorrichtung zugewandten Oberflächen der Halbleiterbauelemente mit Metall beschichtet.
Um die Beladungsdichte im Beschichtungsbad noch weiter zu erhöhen, sind auch noch ausgefeiltere Vorrichtungen zur Anordnung der Halbleiterbauelemente denkbar. So könnte man beispielsweise sechs Halbleiterbauelemente gemäß den Seitenflächen eines Würfels im Beschichtungsbad platzieren und mindestens eine Strahlungsvorrichtung jedem Halbleiterbauelement gegenüber platzieren. Des Weiteren ist es denkbar, die Halbleiterbauelemente als Polyeder im Beschichtungsbad anzuordnen, auch wenn die Halterung dafür sehr kompliziert erscheint und deswegen für eine Anwendung in der industriellen Fertigung kaum interessant sein dürfte. Für polygonale Anordnungen, etwa einer Anordnung von sechs Halbleiterbauelementen, deren Seitenkanten in der Draufsicht nahezu ein Sechseck bilden, gelten ähnlich bedeutsame Vorurteile für die Implementierung in der industriellen Fertigung.
Im Gegensatz dazu besteht die Halterung in einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einer Prozesskassette, in der sich die Halbleiterbauelemente parallel, in engem Abstand zueinander, befinden. Die Strahlung der strahlungsemittierenden Vorrichtung wird parallel zu den Hauptoberflächen der Halbleiterbauelemente eingestrahlt. Ohne den Einsatz von Strahlungsablenkkomponenten würde bei diesem Aufbau kein oder nur ein sehr geringer Anteil des eingestrahlten Lichts auf die Oberflächen der Halbleiterbauelemente treffen. Enthält das Beschichtungsbad dagegen Strahlungsablenkkomponenten, wie im erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, wird ein signifikanter Anteil des eingestrahlten Lichts an den Strahlungsablenkkomponenten gestreut oder gebrochen, erreicht eine der Oberflächen der Halbleiterbauelemente und setzt den LIP-Prozess in Gang.
Eine Alternative zur Prozesskassette, in der sich die Halbleiterbauelemente parallel zueinander befinden ist eine Prozesskassette, in der die Halbleiterbauelemente radial zueinander angeordnet sind. Eine strahlungsemittierende Vorrichtung kann im Zentrum der Anordnung platziert sein, mit optional zusätzlichen strahlungsemittierenden Vorrichtungen am äußeren Rand der Anordnung.
Für die Halterung bzw. das Einbringen der Prozesskassette in das Beschichtungsbad gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Prozesskassette kann beispielsweise mittels eines Roboterarms in das Beschichtungsbad eingetaucht und diesem nach Beenden des LIP-Prozesses wieder entnommen werden. Alternativ ist es auch möglich, dass für die Prozesskassette mit der Halterung für die Halbleiterbauelemente selber eine Halterung am Beschichtungsbad vorhanden ist, in der sie, beispielsweise verschiebbar und/oder drehbar, gelagert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Halterung des mindestens einen zu bearbeitenden Halbleiterbauelements dadurch gekennzeichnet, dass sie drehbar, verschiebbar oder eine Kombination daraus ist.
Ist die Prozesskassette, in der die zu bearbeitenden Halbleiterbauelemente platziert sind, beispielsweise um ihre Längsachse, die sich beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zu den Halbleiterbauelementen befindet, drehbar und wird die Prozesskassette zumindest während des LIP-Prozesses rotiert, kann eine Erhöhung der Homogenität der eingestrahlten Strahlung auf die Oberflächen und eine Erhöhung der Intensität der eingestrahlten Strahlung auf die Oberflächen erreicht werden. Des Weiteren kann durch das Bewegen der Prozesskassette eine nicht perfekte Gleichverteilung der Strahlungskomponente im Beschichtungsbad zumindest teilweise kompensiert werden. Alternativ zur Drehung der Prozesskassette um etwa ihre Längsachse sind auch andere Drehbewegungen oder Verschiebungen der Prozesskassette relativ zum Behältnis oder Kombinationen aus einer Drehbewegung und einer Verschiebung möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Teile der Oberflächen des Behältnisses zumindest teilweise verspiegelt.
Es bietet sich an, die Innenflächen des Behältnisses zu verspiegeln, da somit der Anteil der eingebrachten Strahlung, die das Beschichtungsbad durchquert, ohne von den Halbleiterbauelementen absorbiert zu werden, an der Innenwand des Behältnisses reflektiert werden kann und ein weiteres Mal in das Beschichtungsbad eingekoppelt werden kann. Die Intensität der Strahlung, die auf die Halbleiterbauelemente trifft, bzw. die Quantenausbeute des Prozesses kann durch diese Maßnahme gesteigert werden.
Ebenso erscheint es möglich und sinnvoll, das Behältnis zumindest teilweise aus teildurchlässigen Spiegeln zu konstruieren. Der Effekt ist, analog wie oben beschrieben, eine Steigerung des Anteils der Strahlung, der auf die Halbleiterbauelemente trifft und dort den Prozess der lichtinduzierten oder lichtunterstützten Plattierung in Gang setzen oder halten kann.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass sie eine Kontaktiereinrichtung zur elektrischen Kontaktierung einer der Oberflächen des Halbleiterbauelements aufweist.
Um das Verfahren des lichtunterstützten oder lichtinduzierten Abscheidens von Metall auf einer Halbleiteroberfläche durchzuführen, ist es prinzipiell nötig, diejenigen Bereiche des Halbleiterbauelements zu kontaktieren, die denjenigen Dotiertyp tragen, der entgegengesetzt zu dem Dotiertyp derjenigen Oberfläche ist, auf der das Metall abgeschieden werden soll. Nimmt man als Beispiel für ein Halbleiterbauelement etwa eine Solarzelle mit einer p-Typ dotierten Basis und einem n-Typ dotierten Emitter und strebt man eine Metallabscheidung auf dem Emitter an, müsste man zur Durchführung des LIP-Prozesses die Basis kontaktieren. Die erfindungsgemäße Kontaktiereinrichtung als Teil der gesamten Vorrichtung kann demnach dazu verwendet werden, um die zu beschichtenden Halbleiterbauelemente vor Beginn des LIP-Prozesses elektrisch zu kontaktieren. Beispielsweise geschieht die Kontaktierung nach dem Einsetzen der Halbleiterbauelemente in die Prozesskassette und vor dem Eintauchen in das Beschichtungsbad.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Kontaktiereinrichtung beweglich ist.
Besteht die Vorrichtung zur Halterung der Halbleiterbauelemente im Wesentlichen aus einer Prozesskassette, in der mehrere zu beschichtende Halbleiterbauelemente im Wesentlichen parallel zueinander platziert sind, können diese auf unterschiedliche Art und Weise kontaktiert werden. Hierbei sind Federn, Bürsten, Schleifen oder Stangen denkbar. Als Beispiel kann eine Kontaktierstange dergestalt ausgebildet sein, das sie an den Halbleiterbauelementen entlang läuft und mit Ausstülpungen, beispielsweise so genannten Kontaktierstegen, den elektrischen Kontakt zu den zu kontaktierenden Oberflächen der Halbleiterbauelemente herstellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht vor, dass diese Kontaktierstange verschiebbar ist. Somit ist die Möglichkeit gegeben, dass sich die Kontaktierstange in einer Ruheposition A befindet, wenn die Prozesskassette mit den zu bearbeitenden Halbleiterbauelementen bestückt wird. Anschließend wird die Kontaktierstange in die Arbeitsposition B verschoben, in der alle zu bearbeitenden Halbleiterbauelemente in einem Schritt elektrisch kontaktiert sind. Nach der Metallabscheidung wird die Kontaktierstange wieder zurück in die Ruheposition verschoben. Die verschiebbare, länglich ausgebildete Kontaktierstange befindet sich während des gesamten Prozesses beispielsweise im Wesentlichen lotrecht zu den Halbleiterbauelementen.
Neben dem bisher beschriebenen Verfahren, dem beschriebenen Beschichtungsbad und der beschriebenen Vorrichtung umfasst die Erfindung auch ein Halbleiterbauelement mit zumindest einer Metallschicht, die auf einer Oberfläche abgeschieden ist. Dieses Halbleiterbauelement ist nach dem beschriebenen Verfahren oder mittels des beschriebenen Beschichtungsbades oder mittels der beschriebenen Vorrichtung hergestellt.
Eine Verwendung des Verfahrens kann beispielsweise durch mikroskopische und/oder chemische Untersuchungen des Halbleiterbauelements, insbesondere der abgeschiedenen Metallschicht, nachgewiesen werden. Geeignete Charakterisierungsmethoden sind beispielsweise die Rastertunnelmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) oder Querschliffe des untersuchten Halbleiterbauelements. Es wurde beobachtet, dass beispielsweise bei als Strahlungsablenkkomponenten verwendeten Nanopartikeln diese auch im fertigen Endprodukt nachgewiesen werden konnten.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements besteht darin, dass das Halbleiterbauelement eine Solarzelle ist und die Metallschicht als elektrischer Vorderseitenkontakt dienen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein auf Halbleiterbauelemente anwendbar, bei denen eine lichtinduzierte oder lichtunterstützte Metallabscheidung durchgeführt wird. Das Verfahren kann insbesondere für die Herstellung der Metallkontakte bei Solarzellen verwendet werden. So ist es beispielsweise bei einer klassischen Silicium-Solarzelle wünschenswert, wenn auf der der Sonne zugewandten Seite, die im Rahmen dieser Anmeldung stets als die Vorderseite bezeichnet wird, die Metallkontakte, die sich aus Kontaktfingern und Busbars zusammensetzen, einerseits eine hohe Leitfähigkeit haben, anderseits aber möglichst wenig Abschattung auf der Vorderseite verursachen. Unter den Kontaktfingern wird eine in der Regel kammartige Struktur der Vorderseitenkontakte mit Kontaktlinien verstanden, die in der Regel möglichst schmal ausgebildet sind, um möglichst wenig Bereiche der Solarzellenvorderseite abzuschatten. Die Sammelschienen, davon gibt es in der klassischen 156 × 156 mm² Solarzelle in der Regel 2–3 Stück, sammeln den abgeleiteten Strom aus den Kontaktfingern und leiten ihn weiter und werden als Busbars bezeichnet.
Die gemäß eines Verfahrens der lichtunterstützten oder lichtinduzierten Plattierung resultierende Geometrie der Vorderseitenkontakte bietet im Allgemeinen einen besseren Kompromiss aus hoher Leitfähigkeit und geringer Abschattung als es bei konventionellen, einstufigen Metallisierungsverfahren möglich ist.
Aus der Perspektive einer industriellen Fertigung liegt ein wesentliches Charakteristikum des LIP-Verfahrens darin, dass, im Vergleich zu einer konventionellen Metallabscheidung, die Solarzelle während der Beschichtung bei gezielter Beleuchtung selbst Strom produziert. Durch diesen selbst induzierten Strom wird von der Solarzelle ein elektrisches Potenzial vorgegeben. Es genügt dann, die ganzflächig metallisierte Rückseite zu kontaktieren und es muss nicht zusätzlich das feine Vorderseitenkontaktgitter kontaktiert werden, was bei hohem Durchsatz in einer industriellen Fertigungslinie nur schwer realisierbar wäre.
Die Solarzelle generiert also selbst einen Photostrom, der von der Beleuchtungsstärke und der Beleuchtungshomogenität abhängig ist. Dabei liegt die Vorderseite einer Solarzelle, deren Basis beispielsweise p-Typ dotiert ist, auf einem niedrigeren elektrischen Potenzial als die kontaktierte Rückseite und fungiert somit als Kathode. Um das unerwünschte Auflösen des ganzflächigen Rückseitenkontaktes zu vermeiden, wird über eine externe Spannungsquelle ein Potenzial, das ebenfalls an eine Metallelektrode, der Anode, anliegt, an dieses System angeschlossen ist und ebenfalls in das elektrolytische Beschichtungsbad eingetaucht. Da eine Metallabscheidung nur auf der Vorderseite der Solarzelle erwünscht ist, müssen die Potenziale der beteiligten Elektroden genau geregelt werden. Im Idealfall sind Reduktion und Oxidation auf der Rückseite gleich groß und es findet effektiv nur eine Metallabscheidung durch Reduktion an dem Vorderseitenkontaktgitter und eine Auflösung durch Oxidation nur an der Anode statt.
Ein spezifischer Vorteil bei der Verwendung von Strahlungsablenkkomponenten, wie beispielsweise Nanopartikel, liegt neben den schon erwähnten Vorteilen im Abscheideverfahren in den abgeschiedenen Metallschichten selbst. Da diese Metallschichten in der Regel die sich in der Matrix befindlichen Nanopartikel auch teilweise enthalten, erhält man bei geeigneter Wahl der Nanopartikel dotierte Metallschichten. Diese können Vorteile in der Haftung zueinander bzw. in der Haftung auf dem Halbleiterbauelement aufweisen. Des Weiteren sind Vorteile bei der elektrischen Stromleitung möglich.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand mehrerer Figuren näher erläutert werden. Des Weiteren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung konkret beschrieben. Es zeigt
1: Beschichtungsbad mit Strahlungsablenkkomponenten zum lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheiden von Metall
2: Beispielhafte Anordnung der gerichteten Strahlungsvorrichtung und der zu beschichtenden Halbleiterbauelemente
3: Weitere beispielhafte Anordnung der gerichteten Strahlungsvorrichtung und der zu beschichtenden Halbleiterbauelemente
Die 1 zeigt ein Beschichtungsbad 1, das sich in einem entsprechenden Behältnis 2 befindet. Dabei besteht das Beschichtungsbad aus einer flüssigen oder gelartigen Matrix sowie Strahlungsablenkkomponenten 5. Die flüssige oder gelartige Matrix kann beispielsweise ein Nickelelektrolyt sein. In einer beispielhaften Ausführungsform besteht dieser aus 240–310 g/l Nickelsulfat NiSO₄·6H₂O, 20–50 g/l Nickelchlorid NiCl₂·6H₂O und 20–40 g/l Borsäure H₃BO₃. Als Strahlungsablenkkomponenten können Nanopartikel verwendet werden, beispielsweise durchschnittlich 80 nm große Al₂O₃-Partikel, die in einer Konzentration von 0,01 Gewichtsprozenten in das Beschichtungsbad eingefüllt werden. Die erwähnten Nanopartikel haben eine spezifische Oberfläche von weniger als 10 m²/g, eine annähernd kugelförmige Geometrie und ein weißes, pulverförmiges Aussehen. Die Al₂O₃-Partikel sind kommerziell erhältlich, beispielsweise von der Firma IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH in Heilbronn.
Um eine gute Durchströmung des Beschichtungsbads und damit eine gute Durchmischung des Elektrolyten mit den Nanopartikeln zu gewährleisten, kann der Elektrolyt beispielsweise mit einem winkelverstellbaren Strahlrohr im vorderen, unteren Teil des Behältnisses eingepumpt werden. Das Behältnis wäre in diesem Fall beispielsweise zweigeteilt und mittels eines Wehres getrennt, wobei im vorderen Teil, in dem sich der Einlass befindet, auch die Metallabscheidung stattfindet, und im hinteren Teil sich der Auslass befindet. Ein transparentes Plexiglas 4 ist in der unteren Wand des Beckens angebracht, um das Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung in das Beschichtungsbad zu ermöglichen. Davor befindet sich eine strahlungsemittierende Vorrichtung, die hier durch Glühlampen 10, 11 und 12 symbolisiert ist. In einer beispielhaften Ausführungsform wird als strahlungsemittierende Vorrichtung ein LED-Array verwendet, das aus 80 LEDs besteht, die in Gruppen à 20 Stück auf einem Heatspread-Material vormontiert sind. Die abgestrahlte Wellenlänge der LEDs ist 625 nm (rot), aber auch LED-Arrays mit einer Wellenlänge von 525 nm (grün) haben sich bei bestimmten Elektrolyten als vorteilhaft erwiesen.
Zur Durchführung des LIP-Prozesses werden Halbleiterbauelemente 6, die sich im Wesentlichen parallel zueinander in einem Carrier 3 befinden, in das Beschichtungsbad eingetaucht. In einer beispielhaften Ausführungsform sollte die Füllhöhe des Elektrolyten so gewählt werden, dass die Halbleiterbauelemente, die beispielsweise zu prozessierende Solarzellen sind, vollständig vom Elektrolyt umgeben sind.
Nach Kontaktierung der Solarzellenrückseite wird die strahlungsemittierende Vorrichtung eingeschaltet und diese sendet elektromagnetische Strahlung 8 aus. Ein Teil davon wird in das Beschichtungsbad eingekoppelt und trifft auf die sich dort befindliche Strahlungsablenkkomponente. Die auftreffende Strahlung 7 wird an der Strahlungsablenkkomponente gestreut oder gebrochen. Der Anteil der eingekoppelten Strahlung, der somit auf die zu beschichtenden Oberflächen auftrifft, kann durch den Einsatz von Nanopartikeln deutlich erhöht werden. In einem konkreten Ausführungsbeispiel konnten ohne den Einsatz von Nanopartikeln bei einer Lichtintensitätsmessung nur 2–6% der Strahlung senkrecht zur Beleuchtungsrichtung mit einem Messsensor nachgewiesen werden. Wurden jedoch Nanopartikel in das Beschichtungsbad hinzugefügt, konnte die Lichtintensität senkrecht zur Beleuchtungsrichtung auf 25–30% gesteigert werden.
Die 2 zeigt beispielhaft, wie die zu beschichtenden Halbleiterbauelemente relativ zu den Komponenten einer gerichteten, strahlungsemittierenden Vorrichtung angeordnet sein können. In einem Behältnis 20 befindet sich ein Beschichtungsbad 21. Darin senkrecht eingetaucht sind die zu beschichtenden Halbleiterbauelemente 23. In der 2 sind zwölf Halbleiterbauelemente gezeigt, die sich parallel zueinander angeordnet befinden. Diese sind völlig in das Beschichtungsbad eingetaucht, was sich an der Höhe des Füllstandes 22 des Beschichtungsbades erkennen lässt.
Es befinden sich immer zwei Halbleiterbauelemente eng beieinander, wobei sich jeweils die zu beschichtenden Seiten und die nicht zu beschichtenden Seiten gegenüberstehen. Die zu beschichtenden Seiten, im Folgenden als Vorderseite bezeichnet, zeigen in der in 2 gezeigten Anordnung in Richtung des beleuchteten Bereichs, während sich die nicht zu beschichtenden Seiten, im Folgenden als Rückseite bezeichnet, in engem Abstand zueinander befinden und in den nicht oder kaum beleuchteten Bereich zeigen. An der Unterseite des Behältnisses befinden sich sechs strahlungsemittierende Vorrichtungen 24. Diese sind so angeordnet, dass sie sich zentriert zwischen den Vorderseiten der Halbleiterbauelemente befinden. In 2 handelt es sich bei der strahlungsemittierenden Vorrichtung um eine gerichtete Strahlungsquelle. Die Ausbreitungsrichtung liegt parallel zu den Halbleiterbauelementen. Die Strahlungsvorrichtung emittiert Strahlung 25 in einem Abstrahlkegel. Es sind diejenigen Linien eingezeichnet 26, 27, auf der die Strahlungsintensität auf 50% der Strahlungsintensität in Ausbreitungsrichtung abgefallen ist.
Es ist offensichtlich, dass die 2 ein Beschichtungsbad ohne Strahlungsablenkkomponente zeigt. Mit Zugabe einer Strahlungsablenkkomponente wird das eingestrahlte Licht an der Strahlungsablenkkomponente, wie in 1 gezeigt, gebrochen oder gestreut und der Anteil der eingestrahlten Lichtintensität, der auf die zu beschichtende Vorderseite auftrifft, erhöht sich.
Die 3 zeigt beispielhaft eine weitere Anordnungsmöglichkeit von zu beschichtenden Halbleiterbauelementen und der Strahlungsvorrichtung. Hierbei wird die strahlungsemittierende Vorrichtung nicht zentriert zwischen die Vorderseiten, sondern zentriert zwischen die Rückseiten positioniert. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass die Anzahl der benötigten strahlungsemittierenden Vorrichtungen auf nahezu die Hälfte reduziert werden kann. Andererseits ist bei dieser Anordnung der Bereich, den eine Strahlungsvorrichtung jeweils ausleuchten muss, größer. Des Weiteren ist bei dieser Anordnung von Bedeutung, wie nah zueinander die Rückseiten positioniert werden können.

Claims

Verfahren zum lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheiden von Metall auf einer Oberfläche mindestens eines Halbleiterbauelements, wobei das Halbleiterbauelement in ein Beschichtungsbad zumindest teilweise eingetaucht wird und mittels mindestens einer strahlungsemittierenden Vorrichtung Strahlung in das Beschichtungsbad eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: A) Bereitstellung des Beschichtungsbades, wobei das Beschichtungsbad eine flüssige oder gelartige Matrix und eine die eingestrahlte Strahlung streuende oder brechende Strahlungsablenkkomponente enthält oder hieraus besteht, B) Einbringen des mindestens einen Halbleiterbauelements in das Beschichtungsbad und C) Durchführung der lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheidung derart, dass die Strahlungsablenkkomponente zumindest während der Abscheidung des Metalls in der flüssigen oder gelartigen Matrix zumindest über einen Teilbereich verteilt vorliegt, so dass die eingestrahlte Strahlung durch die Strahlungsablenkkomponente teilweise in Richtung der Oberfläche des mindestens einen Halbleiterbauelements gestreut oder gebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt B) eine Saatschicht auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements aufgebracht wird, auf der das Metall abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement zwei Hauptoberflächen besitzt und die Strahlung der strahlungsemittierenden Vorrichtung im Wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen des Halbleiterbauelements eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt C) weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 4%, der Intensität der in das Beschichtungsbad eingekoppelten Strahlung ohne Streuung oder Brechung an den Strahlungsablenkkomponenten auf die Halbleiterbauelemente auftrifft.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsablenkkomponente zumindest zum Teil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nanopartikeln, Minoritätskomponenten von Emulsionen, Gasblasen und Kombinationen derselben.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die im Beschichtungsbad befindlichen Nanopartikel aus dielektrischen Materialien, insbesondere aus Titandioxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid bestehen oder diese umfassen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als strahlungsemittierende Vorrichtung mindestens eine LED oder eine OLED oder ein Laser oder eine Kombination daraus bereitgestellt wird.
Vorrichtung zum lichtinduzierten oder lichtunterstützten Abscheiden von Metall auf einer Oberfläche mindestens eines Halbleiterbauelements in einem Beschichtungsbad, wobei mittels mindestens einer strahlungsemittierenden Vorrichtung Strahlung in das Beschichtungsbad eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Behältnis für das Beschichtungsbad und Mittel zur Halterung des mindestens einen Halbleiterbauelements enthält, die so ausgebildet sind, dass die Strahlung der strahlungsemittierenden Vorrichtung im Wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen des mindestens einen Halbleiterbauelements eingestrahlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung drehbar, verschiebbar oder eine Kombination daraus ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des Behältnisses für das Beschichtungsbad zumindest teilweise verspiegelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kontaktiereinrichtung zur elektrischen Kontaktierung mindestens einer der Oberflächen mindestens eines Halbleiterbauelements aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktiereinrichtung im Behältnis beweglich ist.
Halbleiterbauelement mit zumindest einer Metallschicht, die auf einer Oberfläche abgeschieden ist, das nach einem der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder mittels der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 hergestellt wurde.
Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Halbleiterbauelement eine Solarzelle ist und die Metallschicht als Vorderseitenkontakt einer Solarzelle dienen kann.