DE102012219273A1

DE102012219273A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einem photoelektrischen Wafer

Info

Publication number: DE102012219273A1
Application number: DE201210219273
Authority: DE
Inventors: Steffen Polster; Jürgen Hackenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-04-24

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche (12) eines photoelektrischen Wafers (10), umfasst die Schritte Andrücken einer Maske (40), die aus einem für sichtbares Licht (62) transparenten, elektrisch nicht-leitenden Material und als eine Negativform der gewünschten strukturierten Kontaktierungsschicht ausgebildet ist, an die zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10); zumindest teilweise Eintauchen des Wafers (10) mit der angedrückten Maske in ein mit einem Elektrolyten (32) gefülltes, galvanisches Bad (30), so dass zumindest die zu beschichtende Oberfläche (12) des Wafers (10) in den Elektrolyten (32) eingetaucht ist; und mit sichtbarem Licht (62) Beleuchten der in den Elektrolyten (32) eingetauchten, zu kontaktierenden Oberfläche (12) des Wafers (10) mit angedrückter Maske (40), so dass getrieben durch einen Stromfluss (16) in dem photoelektrischen Wafer (10) aufgrund der Beleuchtung der zu kontaktierenden Oberfläche (12) des Wafers (10) in Zwischenräumen (44) der Maske (40) elektrisch leitfähiges Material (36), insbesondere metallisches Material, aus dem Elektrolyten (32) auf der zu kontaktierenden Oberfläche (12) des Wafers (10) abgeschieden wird. Eine Vorrichtung (20) zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche (12) eines photoelektrischen Wafers (10) umfasst ein mit einem Elektrolyten (32) gefülltes galvanisches Bad (30), eine aufgespannte, als Netz oder Sieb ausgebildete Spannschicht (50), die in den Elektrolyten (32) eintauchbar ist, eine Maske (40), die aus einem für sichtbares Licht (62) transparenten, elektrisch nicht-leitenden Material (42) und als eine Negativform der gewünschten strukturierten Kontaktierungsschicht ausgebildet ist und die an eine zu kontaktierende Oberfläche (12) eines Wafers (10) andrückbar ist, eine Halte- und Eintaucheinrichtung (70), die dazu ausgebildet ist, einen Wafer (10) zu halten und den Wafer (10) zumindest teilweise in den Elektrolyten (32) einzutauchen, so dass zumindest die zu kontaktierende Oberfläche (12) eines eingebrachten Wafers (10) in den Elektrolyten (32) eingetaucht und mit der Spannschicht (50) in Kontakt gebracht werden kann, und eine Beleuchtungseinrichtung (60), die, wenn die Spannschicht (50) in den Elektrolyten (32) eingetaucht ist, unterhalb der Spannschicht (50) angeordnet und dazu ausgebildet ist, eine zu kontaktierende Oberfläche (12) eines eingebrachten photoelektrischen Wafers (10) mit angedrückter Maske (40) durch die Spannschicht (50) hindurch mit sichtbarem Licht (62) zu beleuchten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von strukturierten Kontaktierungsschichten auf einer Oberfläche eines photoelektrischen Wafers, wie er beispielsweise in Photovoltaikeinrichtungen, wie etwa Solarzellen, verwendet wird.
Stand der Technik
In der Photovoltaikindustrie kommt bei der Herstellung von Wafer-basierten Solarzellen derzeit eine Spezialform der Galvanik zum Einsatz, das sogenannte Licht-induzierte Metallisieren (englisch: Light-Induced Plating, abgekürzt: LIP). Dabei wird die Geometrie der auszubildenden Kontaktierungsstrukturen bzw. die Flächen, auf denen das Kontaktierungsmetall abgeschieden werden soll, typischerweise durch eine sogenannte Saatstruktur definiert, die üblicherweise in einem Druckverfahren aufgetragen wird. Beim LIP werden die für die galvanische Nachverstärkung der abgeschiedenen Gitterstrukturen nötigen Ladungsträger nicht wie sonst in der Galvanik üblich durch eine externe Stromquelle zur Verfügung gestellt, sondern durch den Fotoeffekt, der durch das während der Beschichtung auf die zu kontaktierende Oberfläche aufgestrahlte Licht induziert wird, in dem Wafermaterial (Silizium) erzeugt. Somit entfällt beim LIP das Bereitstellen und Anschließen einer externen Stromquelle.
DE 103 48 434 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum selektiven Beschichten von Metalloberflächen, bei dem die nicht zu beschichtenden Oberflächenbereiche zunächst mit einer schmelzflüssigen, wachsartigen und wasserlöslichen Substanz, wie beispielsweise Polyäthylenglykol oder dergleichen, maskiert werden. Nach dem Erstarrenlassen der wachsartigen Substanz wird die Metalloberfläche selektiv oder vollflächig mit einem geeigneten flüssigen Dielektrikum oder einem Lack beschichtet. Anschließend wird die erste Maskierung, d.h. die wachsartige Substanz, mit einem sich ggf. darauf befindlichem Dielektrikum, mit Wasser wieder vollständig von der Metalloberfläche abgelöst. Die ursprünglich wachsartig maskierten und nunmehr wieder freien Oberflächenbereiche können nun einer entsprechenden Nachbehandlung, wie beispielsweise einer selektiven galvanischen Beschichtung, unterzogen werden. Anschließend kann auch die zweite Maskierung, d.h. die aufgebrachte dielektrische Beschichtung oder Belackung, vorzugsweise in einer geeigneten wässrigen-alkalischen Lösung oder in einem Mikrophasenreiniger, wieder vollständig von der Oberfläche abgelöst werden. Dieser wird dann vorzugsweise noch einem abschließenden Reinigungs- und Trocknungsschritt unterzogen. Nachteilig ist auch bei dem in DE 103 48 434 A1 offenbarten Verfahren, dass die Maskierungsstruktur verloren geht.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche eines photoelektrischen Wafers mit den Merkmalen des beigefügten unabhängigen Anspruchs 1, eine Vorrichtung zum Herstellen von strukturierten Kontaktierungsschichten auf Siliziumwafern-basierten Photovoltaik-Solarzellen mit den Merkmalen des beigefügten unabhängigen Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sowie eine Verwendung derselben sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche eines photoelektrischen Wafers. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Andrücken einer Maske, die aus einem für sichtbares Licht transparenten, elektrisch nicht-leitenden Material und als eine Negativform der gewünschten strukturierten Kontaktierungsschicht ausgebildet ist, an die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers;
zumindest teilweise Eintauchen des Wafers mit der angedrückten Maske in ein mit einem Elektrolyten gefülltes, galvanisches Bad, so dass zumindest die zu beschichtende Oberfläche des Wafers in den Elektrolyten eingetaucht ist; und
mit sichtbarem Licht Beleuchten der in den Elektrolyten eingetauchten, zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers mit angedrückter Maske, so dass getrieben durch einen Stromfluss in dem photoelektrischen Wafer aufgrund der Beleuchtung der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers elektrisch leitfähiges Material, insbesondere metallisches Material, aus dem Elektrolyten auf der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers in Zwischenräumen der Maske abgeschieden wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche eines photoelektrischen Wafers. Die Vorrichtung umfasst folgendes:
ein mit einem Elektrolyten gefülltes galvanisches Bad,
eine Maske, die aus einem für sichtbares Licht transparenten, elektrisch nicht-leitenden Material und als eine Negativform der gewünschten strukturierten Kontaktierungsschicht ausgebildet ist und die an eine zu kontaktierende Oberfläche eines Wafers andrückbar ist,
eine aufgespannte, als Netz oder Sieb ausgebildete Spannschicht, wie etwa ein Drucksieb, die in den Elektrolyten eintauchbar ist,
eine Halte- und Eintaucheinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Wafer zu halten und den Wafer zumindest teilweise in den Elektrolyten einzutauchen, so dass zumindest die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers in den Elektrolyten eingetaucht und mit der Spannschicht in Kontakt gebracht werden kann, und
eine Beleuchtungseinrichtung, die, wenn die Spannschicht in den Elektrolyten eingetaucht ist, unterhalb der Spannschicht angeordnet und dazu ausgebildet ist, die zu kontaktierende Oberfläche eines eingebrachten photoelektrischen Wafers, wenn dieser zwischen einer unteren Seite der Halte- und Eintaucheinrichtung und einer Oberseite der Maske eingebracht worden ist, mit angedrückter Maske durch die Spannschicht hindurch mit sichtbarem Licht zu beleuchten.
Die Anordnung der für sichtbares Licht transparenten Maske zum Galvanisieren angedrückt an die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers während deren Eintauchens in den Elektrolyten bei gleichzeitiger Beleuchtung der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers mit sichtbarem Licht durch die Maske hindurch bewirkt in dem photoelektrischen Wafer einen Stromfluss in Richtung zu den Zwischenräumen der Maske. Dieser Stromfluss treibt die Abscheidung von leitfähigem Material aus dem Elektrolyten in den Zwischenräumen der Maske auf der zu kontaktierenden Oberfläche. Dieser bisher nicht erzielbare technische Effekt ermöglicht die räumlich strukturierte Abscheidung von elektrisch leitfähigem Material aus einem Elektrolyten ohne das bisher erforderliche, vorherige Aufbringen einer Saat-Struktur auf der zu kontaktierenden Oberfläche. Ferner ist es nicht mehr erforderlich, während der Abscheidung des elektrisch leitfähigen Materials aus dem Elektrolyten eine elektrische Spannung zwischen dem Elektrolyten und dem Wafer anzulegen.
Ferner haben Versuche gezeigt, dass der Einsatz der räumlich strukturierten Maske zum Galvanisieren ermöglicht das Erzeugen von Kontaktierungsstrukturen

– mit einer vorteilhaft kleinen Linienbreite von weniger ca. als 100 μm, bei sorgfältiger Prozessführung sogar weniger als ca. als 80 μm,
– mit einem vorteilhaft hohen Aspektverhältnis von Höhe zu Breite ca. 1:2, bei besonders sorgfältiger Prozessführung sogar mehr als 1:1,
– mit einer vorteilhaft hohen elektrischen Leitfähigkeit, die nahezu die elektrische Leitfähigkeit von Bulk-Material des im Elektrolyten eingesetzten elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Materials,
– und dies bei vorteilhaft relativ niedrigen Prozesstemperaturen, die kleiner als 200°C, vorzugsweise sogar kleiner als 50°C sein können.

Weitere Vorteile der Erfindung
Der Wafer, insbesondere der Siliziumwafer, kann vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Verwendung als photoelektrisches Element einer Photovoltaikzelle vorbereitet worden sein. So kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft bei der Herstellung von Photovoltaikeinrichtungen zur Anwendung kommen und diese effizienter gestalten.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Maske mittels einer als Netz oder Sieb ausgebildeten Spannschicht, wie etwa ein Drucksieb, an die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers gedrückt werden. Weil die Maske dabei zwischen der Spannschicht und der zu kontaktierenden Oberfläche angeordnet ist, bewirkt das Andrücken der Spannschicht gegen die Maske und die zu kontaktierende Oberfläche einen guten, zuverlässigen Kontakt zwischen der Maske und der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers und eine scharfe Begrenzung der Kontaktierungsstrukturen.
In dem Verfahren kann eine konvex gekrümmte Fläche eines Gegenkörpers an die der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers gegenüberliegende Oberfläche des Wafers gedrückt werden, so dass die ansonsten im Wesentlichen plane, zu kontaktierende Oberfläche des Wafers konvex gekrümmt wird. Auf die so zumindest leicht konvex gekrümmte zu kontaktierende Oberfläche des Wafers kann mittels der Spannschicht die Maske mit zuverlässigem flächigem Kontakt an die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers angedrückt werden.
Das Andrücken der konvex gekrümmten Fläche des Gegenkörpers an die der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers kann durch Andrücken der Spannschicht an die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers erfolgen. Durch den Einsatz der Spannschicht wird das Bereitstellen einer formschlüssig passenden Andrückform zum Andrücken der Maske an die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers vermieden.
Die Maske kann aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus einem für sichtbares Licht transparenten Polymermaterial, wie etwa Silikonkautschuk, hergestellt worden sein. Transparentes Polymermaterial ist kommerziell preiswert verfügbar, so dass die Maskierung kostengünstig erfolgen kann.
Bei der Ausführung des Verfahrens und insbesondere während des Andrückens der Maske auf die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers kann in dem Elektrolyten eine Strömung erzeugt werden. Das Vorhandensein einer Strömung in dem Elektrolyten ist vorteilhaft für den Stoffaustausch in den Zwischenräumen der Maske, insbesondere durch ein Zuführen von Ionen für eine elektrochemische Abscheidung bzw. ein Vermeiden von Verarmung an Ionen im Elektrolyten. Darüber hinaus kann die Strömung so ausgebildet sein, dass durch ihre Einwirkung auf die Maske der Kontakt zwischen der Maske und der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers verbessert wird, insbesondere zusätzlich zu dem erwähnten Andrücken der Maske mittels der Spannschicht. In dem Elektrolyten kann insbesondere eine Strömung mit einer Strömungsrichtung, die zumindest eine senkrecht auf die zu kontaktierende Oberfläche gerichtete Komponente aufweist, erzeugt werden. Wie gesagt, bewirkt eine derartige Strömung eine Verbesserung des Stoffaustauschs in den strukturierten Zwischenräumen der Maske und ferner eine Verbesserung des Kontakt bzw. ein stärkeres Andrücken der Maske an die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers.
Zumindest während des Eintauchens des Wafers mit der angedrückten Maske in das mit dem Elektrolyten gefüllte, galvanische Bad kann eine elektrochemische Zelle für das Licht-induzierte Metallisieren der zu kontaktierenden Oberfläche ausgebildet werden, und zwar dadurch dass die der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers anodisch beaufschlagt, insbesondere elektrisch leitfähig mit einer Anodeneinrichtung verbunden wird. Das anodische Beaufschlagen der der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers verhindert das Auftreten unerwünschter chemischer bzw. elektrochemischer Reaktionen an dieser Oberfläche, wie etwa Oxidation oder Materialauflösung, die sonst aus folgendem Grund auftreten könnten. Aufgrund des bei der Belichtung des Wafers in dem Wafer auftretenden photoelektrischen Effekt kommt es in dem Wafer zu Ladungstrennungen. Ist der Wafer zumindest teilweise in einen Elektrolyten getaucht, wird die zu kontaktierende Oberfläche (auf der die strukturierte/n Kontaktierungsschicht/en hergestellt werden sollen) kathodisch polarisiert und die der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche (die „Rückseite“) des Wafers wird anodisch polarisiert. An der anodisch polarisierten Oberfläche könnten in der Folge die erwähnten unerwünschten Reaktionen, wie etwa Oxidation und Materialauflösung, auftreten. Um dies zu verhindern, wird die anodisch polarisierte Oberfläche mit einer als Anode fungierenden Elektrode verbunden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann deren Halte- und Eintaucheinrichtung eine, konvex gekrümmte Fläche aufweisen, die an eine der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers andrückbar ist. Das Bereitstellen einer konvex gekrümmten Andruckfläche ermöglicht das Herstellen eines zuverlässigen und flächigen Kontakts zwischen der Maske und der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers.
Die Vorrichtung kann ferner Mittel zum Andrücken der Halte- und Eintaucheinrichtung mit daran, insbesondere an deren konvex gekrümmter Fläche, gehaltertem Wafer an die Spannschicht und/oder Mittel zum Andrücken der Spannschicht an die Halte- und Eintaucheinrichtung, insbesondere an deren konvex gekrümmte Fläche, umfassen. Weil die Maske dabei zwischen der Spannschicht und der zu kontaktierenden Oberfläche angeordnet ist, bewirkt das Andrücken der Spannschicht gegen die Maske und die zu kontaktierende Oberfläche einen guten, zuverlässigen Kontakt zwischen der Maske und der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers.
Die Maske kann aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus einem für sichtbares Licht transparenten Polymermaterial, wie etwa Silikonkautschuk, hergestellt sein. Wie bereits gesagt ist transparentes Polymermaterial kommerziell preiswert verfügbar, so dass die Maskierung kostengünstig erfolgen kann.
Die Vorrichtung kann ferner Mittel zum anodischen Beaufschlagen der der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers umfassen. Die anodischen Beaufschlagungsmittel können eine Kontaktierungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers elektrisch leitfähig zu kontaktieren, eine Anodeneinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein anodisches elektrisches Potential bereitzustellen, und Mittel zum Einrichten einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Anodeneinrichtung und der Kontaktierungseinrichtung sowie vorzugsweise einem in dem Elektrolyten eingetauchten Element, wie etwa die Spannschicht bzw. das Drucksieb oder der Spannrahmen bzw. der Siebrahmen, umfassen. Das Gegenstück zu der Anodeneinrichtung, d.h. die entsprechende Kathode, wird durch die in den strukturierten Zwischenräumen der Maske bloßliegenden Bereiche der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers gebildet.
In einer Ausgestaltung kann die Kontaktierungseinrichtung auf der bzw. an der bzw. eingelegt in einen flächig ausgenommenen Bereich in der konvex gekrümmten Fläche der Halte- und Eintaucheinrichtung angeordnet sein. In einer anderen Ausgestaltung kann die Kontaktierungseinrichtung als gesondertes Element ausgebildet sein, das auf bzw. an der der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers auf- bzw. anlegbar ist. In noch einer anderen Ausgestaltung kann die Kontaktierungseinrichtung auf der bzw. an der der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers angeordnet, insbesondere abnehmbar angeordnet, sein. In den vorgenannten Ausgestaltungen kann die Kontaktierungseinrichtung zumindest an ihrer mit der der zu kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des Wafers in elektrisch leitfähigen Kontakt kommende Oberfläche eine Schicht aus einem in der (elektro)chemischen Umgebung nicht korrodierenden, mithin keine Verunreinigungen freisetzenden und formstabilen Edelmetall, wie etwa Platin, aufweisen.
Die Vorrichtung kann ferner Mittel zum Erzeugen einer Strömung in dem Elektrolyten umfassen. Das Vorhandensein einer Strömung in dem Elektrolyten ist vorteilhaft für den Stoffaustausch in den Zwischenräumen der Maske, insbesondere durch ein Zuführen von Ionen für eine elektrochemische Abscheidung bzw. ein Vermeiden von Verarmung an Ionen im Elektrolyten. Darüber hinaus kann die Strömung so ausgebildet sein, dass durch ihre Einwirkung auf die Maske der Kontakt zwischen der Maske und der zu kontaktierenden Oberfläche verbessert wird, insbesondere zusätzlich zu der Wirkung durch das erwähnte Andrücken der Maske mittels der Spannschicht. Dabei kann die erzeugte Strömung insbesondere eine Strömungsrichtung mit zumindest einer senkrecht auf die zu kontaktierende Oberfläche gerichteten Komponente aufweist. Die so erzeugte Strömung verbessert den Stoffaustausch in den strukturierten Zwischenräumen der Maske und erhöht ferner den Anpressdruck der Maske auf die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers und verbessert damit den Kontakt der Maske mit der zu kontaktierenden Oberfläche noch weiter.
Die Spannschicht kann in einem im Wesentlichen um die Spannschicht umlaufenden Spannrahmen gefasst und aufgespannt sein. Wenn als Spannschicht etwa ein Drucksieb eingesetzt wird, kann dieses in einem Siebrahmen gefasst und aufgespannt sein.
Die Beleuchtungseinrichtung kann eine im Wesentlichen flächenförmige Abstrahlfläche aufweisen, deren Größe im Wesentlichen zumindest so groß wie die zu kontaktierende Oberfläche des Wafers, bevorzugt mindestens so groß wie die zu beleuchtende Maske, und mehr bevorzugt mindestens so groß wie die aufgespannte Spannschicht ist. Diese Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung ermöglicht eine homogene Beleuchtung der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers mit angedrückter Maske.
Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung können zum Herstellen einer Photovoltaikeinrichtung verwendet werden, deren photoelektrisches Element ein Mehrschichtsystem umfasst, insbesondere einen Heteroübergang von einer Schicht aus kristallinem Silizium zu einer, insbesondere dünnen, Schicht aus nicht-kristallinem, beispielsweise amorphen, Silizium (Englisch: heterojunction with intrinsic thin-layer, abgekürzt als HIT). Derartige Photovoltaikeinrichtungen weisen eine besonders hohe Konversionseffizienz für die Umwandlung von eingestrahltem Licht (Sonnenlicht) in elektrischen Strom (Solarstrom) auf und sind zum Einsatz in Solarzellen zukünftiger Generationen vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand einer in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in weiteren Einzelheiten beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Zustand vor dem Eintauchen eines Wafers in ein galvanisches Bad gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 eine schematische Querschnittansicht der Vorrichtung aus der 1 in einem Zustand nach dem Eintauchen des Wafers in das galvanische Bad gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie im unteren Bereich eine schematische Ausschnittvergrößerung, die einen Zwischenraum der Maskenstruktur und das darin auf der zu kontaktierenden Oberfläche des Wafers abgeschiedenes elektrisch leitfähiges Material zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche 12 eines aus einem fotoelektrischen Material hergestellten Wafers 10, etwa ein Siliziumwafer 18, umfasst folgende: ein mit einem Elektrolyten 32 gefülltes galvanisches Bad 30, eine aufgespannte und als Netz oder Sieb ausgebildete Spannschicht 50, wie etwa ein Drucksieb 52, das in den Elektrolyten 32 eingetaucht werden kann, eine Maske 40, die aus einem für sichtbares Licht 62 transparenten, elektrisch nicht-leitenden Material 42 und als eine Negativform der gewünschten strukturierten Kontaktierungsschicht ausgebildet ist, eine Beleuchtungseinrichtung 60, die in einem unteren Bereich des galvanischen Bades 30 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die zu kontaktierende Oberfläche 12 des fotoelektrischen Wafers 10 mit angedrückter Maske durch die Spannschicht 50 hindurch mit sichtbarem Licht 62 im Wesentlichen homogen zu beleuchten, und eine Halte- und Eintaucheinrichtung 70, die dazu ausgebildet ist, einen Wafer 10 zu halten und diesen Wafer 10 zumindest teilweise in den Elektrolyten 32 des elektrolytischen Bades 30 einzutauchen, sodass zumindest die zu kontaktierende Oberfläche 12 des Wafers 10 in den Elektrolyten 32 eingetaucht und mit der Spannschicht 50 in Kontakt ist. Die Spannschicht 50 bzw. das Drucksieb 52 können in den Elektrolyten 32 eingetaucht werden, wie in 1 gezeigt. Dann kann die Maske 40, wie in 2 gezeigt, an eine zu kontaktierende Oberfläche 12 eines Wafers 10 angedrückt werden. Die unterseitige Oberfläche 72 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70 ist, wie in 1 gezeigt, konvex gekrümmt ausgebildet.
In dem in 1 gezeigten Zustand der Vorrichtung 20 ist die Halte- und Eintaucheinrichtung 70 noch oberhalb des galvanischen Bades 30 so angeordnet, dass ein Zwischenraum zwischen einer unterseitigen Oberfläche 72 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70 und der Elektrolytoberfläche 34 (Flüssigkeitsoberfläche) in dem galvanischen Bad 30 verbleibt. In diesen Zwischenraum wird der Wafer 10, beispielsweise ein Siliziumwafer 18, so eingebracht, dass eine zu kontaktierende Oberfläche 12 des Wafers 10 der Maske 40 bzw. dem Galvanikbad 30 und der Spannschicht 50 zugewendet ist und dass eine der zu kontaktierenden Oberfläche 12 gegenüberliegende Oberfläche 14 des Wafers 10 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70 zugewendet ist.
Die Vorrichtung 20 umfasst Mittel zum anodischen Beaufschlagen der der zu kontaktierenden Oberfläche 12 gegenüberliegende Oberfläche 14 des Wafers 10. In der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform umfassen diese anodischen Beaufschlagungsmittel eine Kontaktierungseinrichtung 76, die dazu ausgebildet ist, die der zu kontaktierenden Oberfläche 12 gegenüberliegende Oberfläche 14 des Wafers 10 elektrisch leitfähig zu kontaktieren, eine Anodeneinrichtung 80, die dazu ausgebildet ist, ein anodisches elektrisches Potential bereitzustellen, und Mittel, einschließlich elektrisch leitfähiger Verbindungskabel (nicht bezeichnet), zum Einrichten einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Anodeneinrichtung 80 und der Kontaktierungseinrichtung 76 sowie einem in den Elektrolyten 32 eingetauchten Element der Vorrichtung 20, beispielsweise die Spannschicht 50 bzw. das Drucksieb 52 oder der Spannrahmen 56 bzw. der Siebrahmen 58. In der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die Kontaktierungseinrichtung 76 auf bzw. an der konvex gekrümmten Fläche 72 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70 angeordnet und dort befestigt, und die Anodeneinrichtung 80 ist mit der Kontaktierungseinrichtung 76 und mit dem Spann- 56 bzw. Siebrahmen 58 elektrisch leitfähig verbunden. Die Kontaktierungseinrichtung 76 ist platiniert ausgeführt, so dass sie gegenüber (elektro)chemischer Auflösung während des Kontakts mit dem Elektrolyten 32 beständig und mithin formstabil ist und, insbesondere in den Elektrolyten 32, keine Verunreinigungen abgibt. Als Gegenstück zu der Anodeneinrichtung 80 bilden sich auf den in den strukturierten Zwischenräumen 44 der Maske 40 bloßliegenden Bereichen der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers 10 bzw. wirken diese Bereich als entsprechende Kathoden (nicht bezeichnet).
Die Spannschicht 50 bzw. das Drucksieb 52 ist in einem Spannrahmen 56, insbesondere einem Siebrahmen 58, gefasst und aufgespannt, und in dem Elektrolyten 32 des galvanischen Bades 30 in einem geringen Abstand unterhalb der Elektrolytoberfläche 34 eingetaucht. Der Abstand zwischen der Spannschicht 50 und der Elektrolytoberfläche 34 ist dabei zunächst noch kleiner als die Dicke der Maske 40. Die Maske 40 ist auf der in dem Elektrolyten 32 eingetauchten Spannschicht 50 aufgelegt, wobei die Oberfläche der Maske 40, gegen die im weiteren Verlauf der Prozessführung noch die zu kontaktierende Oberfläche 12 des Wafers 10 angedrückt wird, oberhalb der Elektrolytoberfläche 34 angeordnet, d.h. noch nicht in den Elektrolyten 32 eingetaucht ist, wie in 1 gezeigt.
Die Maske 40 ist aus einem dielektrischen, und wie bereits erwähnt für sichtbares Licht transparenten und elektrisch nicht-leitenden Material ausgebildet. Das Material 42 kann ein für sichtbares Licht transparentes Polymermaterial, wie etwa Silikonkautschuk, sein.
Die Beleuchtungseinrichtung 60 weist eine im Wesentlichen flächenförmig ausgestaltete Abstrahlfläche 64 auf. Die Größe bzw. laterale Ausdehnung der Abstrahlfläche 64 ist im Wesentlichen zumindest so groß wie die zu kontaktierende Oberfläche 12 des Wafers 10, vorzugsweise so groß wie die zu beleuchtende Maske 40 und weiter bevorzugt mindestens so groß wie die aufgespannte Spannschicht 50.
In 2 ist die Vorrichtung 20 aus der 1 in einem gemäß der erfindungsgemäßen Prozessführung fortgeschrittenen Zustand. Dabei ist der Wafer 10 in den Elektrolyten 32 des galvanischen Bads 30 eingetaucht, bewirkt durch Absenken und Andrücken der konvex gekrümmten unterseitigen Oberfläche 72 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70 in Richtung der in 2 gezeigten Pfeile 74 auf bzw. gegen die Maske 40 und an bzw. gegen die in dem Spannrahmen 56 aufgespannte Spannschicht 50. Weil der Wafer (auch ein Siliziumwafer 18) in einem geringen Maße flexibel ist, bewirkt die konvex gekrümmte Ausbildung der unterseitigen Oberfläche 72 und der durch die in 2 gezeigten Pfeile 74 aufgebrachte Anpressdruck auf den Wafer 10 eine Verwölbung des zu beschichtenden Wafers 10 während des Anpressens der konvex gekrümmt ausgebildeten unterseitigen Fläche 72 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70. Eine derartige Verwölbung ist für den Beschichtungs- bzw. Kontaktierungsprozess des Wafers 10 vorteilhaft, weil dadurch das Anliegen bzw. ein formschlüssiger Kontakt der Maske 40 auf der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers 10 über die gesamte, von der Maske 40 überdeckte Fläche, besser gewährleistet wird.
Es ist auch möglich, die unterseitige Fläche 72 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70 im Wesentlichen plan bzw. eben auszugestalten, sodass beim Andrücken der Fläche 72 an den Wafer 10 bzw. weiter an die Maske und in die Spannschicht 50 keine Verwölbung des Wafers 10 entsteht. Das Vermeiden einer Verwölbung kann mechanisch für einen Siliziumwafer 18 vorteilhaft sein.
Unabhängig davon, ob die unterseitige Fläche 72 der Halte- und Eintaucheinrichtung 70 konvex gekrümmt bzw. gewölbt oder eben bzw. plan ausgebildet ist, kann durch geeignete zusätzliche Maßnahmen, wie etwa das Erzeugen einer Strömung des Elektrolyten 32 in dem galvanischen Bad 30, der Kontakt zwischen der Maske 40 und der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers 10 verbessert bzw. noch zuverlässiger gewährleistet werden (sekundärer Vorteil). Als primärer Vorteil zu der damit erzielbaren Erhöhung des Anpressdrucks der Maske 40 auf die zu kontaktierende Oberfläche 12 ist das Erzeugen einer Strömung in dem Elektrolyten jedoch vorteilhaft für den Stoffaustausch in den Zwischenräumen 44 der Maske 40, insbesondere durch ein Zuführen von Ionen aus dem Elektrolyt 32 für eine elektrochemische Abscheidung in den Zwischenräumen 44 bzw. ein Vermeiden von Verarmung an Ionen im Elektrolyt 32. Zur Verbesserung des primären und des sekundären Vorteils wird die Strömung in dem Elektrolyten 32 so erzeugt, dass über der von der Maske 40 überdeckten Fläche die erzeugte Strömung eine Richtungskomponente aufweist, die in Richtung auf die Maske 40 und die zu kontaktierende Oberfläche 12 des Wafers 10 hin gerichtet ist. Nachdem die zu kontaktierende Oberfläche 12 des Wafers 10 an die Maske 40 angedrückt und zusammen mit der Maske 40 in den Elektrolyten 32 eingetaucht worden ist, wird die Beleuchtung der Beleuchtungseinrichtung 60 eingeschaltet. Die im Wesentlichen plane Ausgestaltung der Abstrahlfläche 64 der Beleuchtungseinrichtung 60 bewirkt, dass die zu kontaktierende Oberfläche 12 des Wafers mit gedrückter Maske 40 durch die Spannschicht 50 hindurch im Wesentlichen homogen, d.h. mit über der Fläche konstanter Lichtintensität, mit dem über die Abstrahlfläche 64 abgestrahlten Licht 62 beleuchtet wird. Durch die für das abgestrahlte Licht 62 transparente Ausbildung der Maske 40 (bzw. des Maskenmaterials 42) wird durch das Licht 62 in dem fotoelektrischen Wafer 10 ein fotoelektrischer Strom bzw. ein Stromfluss 16 erzeugt, wie in der Ausschnittvergrößerung der 2 angedeutet. Dabei ist der Stromfluss 16 bezüglich der Zwischenräume 44 der Maske 40 so gerichtet, dass sich in den Bereichen der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers 10, die in den offenen Zwischenräumen 44 der Maske 40 angeordnet sind, eine lokale elektrische Ladung erzeugt wird, die als Elektrode bzw. Abscheidungselektrode für das aus dem Elektrolyten 32 abzuscheidende, elektrisch leitfähige Material (z.B. das Metall) wirkt. Die lokal bzw. strukturiert an der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers 10 erzeugten elektrischen Ladungen bewirken die Abscheidung des elektrisch leitfähigen Materials (z.B. des Metalls) aus dem Elektrolyten 32 und eine Ansammlung dieses Materials 36 auf der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers 10 in den Zwischenräumen 44 der Maske 40.
In dem Elektrolyten 32 ist ein Metall, beispielsweise Silber, bezüglich der Kosten jedoch vorteilhaft auch Kupfer, gelöst, das während des vorstehend beschriebenen und in der Ausschnittvergrößerung der 2 veranschaulichten Abscheidungsprozesses in den gewünschten Bereichen der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers abgeschieden wird.
Weil der zuvor beschriebene Abscheidungsprozess des elektrisch leitfähigen Materials 36 aus dem Elektrolyten 32 auf die gewünschten Oberflächenbereiche der zu kontaktierenden Oberfläche 12 des Wafers 10 durch das Beleuchten mit dem Licht 62 und den dadurch induzierten fotoelektrischen Effekt bewirkt wird, kann der Prozess bei niedrigen Prozesstemperaturen von beispielsweise weniger als 200 °C, vorzugsweise von weniger als 50 °C und näherungsweise bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Es ist vorteilhaft, dass ein thermisches Nachbehandeln dabei nicht erforderlich ist, im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik, bei dem mittels Druck- oder Aufsprühverfahren aufgebrachtes Material zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit thermisch nachbehandelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10348434 A1 [0003, 0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche (12) eines, beispielsweise für eine Verwendung als photoelektrisches Element einer Photovoltaikzelle vorbereiteten, photoelektrischen Wafers (10), wie etwa einem Siliziumwafer (18), mit den folgenden Schritten: Andrücken einer Maske (40), die aus einem für sichtbares Licht (62) transparenten, elektrisch nicht-leitenden Material und als eine Negativform der gewünschten strukturierten Kontaktierungsschicht ausgebildet ist, an die zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10); zumindest teilweise Eintauchen des Wafers (10) mit der angedrückten Maske in ein mit einem Elektrolyten (32) gefülltes, galvanisches Bad (30), so dass zumindest die zu beschichtende Oberfläche (12) des Wafers (10) in den Elektrolyten (32) eingetaucht ist; und mit sichtbarem Licht (62) Beleuchten der in den Elektrolyten (32) eingetauchten, zu kontaktierenden Oberfläche (12) des Wafers (10) mit angedrückter Maske (40), so dass getrieben durch einen Stromfluss (16) in dem photoelektrischen Wafer (10) aufgrund der Beleuchtung der zu kontaktierenden Oberfläche (12) des Wafers (10) elektrisch leitfähiges Material (36), insbesondere metallisches Material, aus dem Elektrolyten (32) auf der zu kontaktierenden Oberfläche (12) des Wafers (10) in Zwischenräumen (44) der Maske (40) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (40) mittels einer als Netz oder Sieb ausgebildeten Spannschicht (50), wie etwa ein Drucksieb (52), an die zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10) gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine konvex gekrümmte Fläche (72) eines Gegenkörpers (70) an die der zu kontaktierenden Oberfläche (12) gegenüberliegende Oberfläche (14) des Wafers (10) gedrückt wird, so dass auch die ansonsten im Wesentlichen plane, zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10) konvex gekrümmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrücken der konvex gekrümmten Fläche (72) des Gegenkörpers (70) an die der zu kontaktierenden Oberfläche (12) gegenüberliegende Oberfläche (14) des Wafers (10) durch Andrücken der Spannschicht (50) an die zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Eintauchens des Wafers (10) mit der angedrückten Maske (40) in das mit dem Elektrolyten (32) gefüllte, galvanische Bad (30) die der zu kontaktierenden Oberfläche (12) gegenüberliegende Oberfläche (14) des Wafers (10) anodisch beaufschlagt, insbesondere elektrisch leitfähig mit einer Anodeneinrichtung (80) verbunden, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Andrückens der Maske (40) an die zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10) eine Strömung in dem Elektrolyten (32) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolyten (32) eine Strömung mit einer Strömungsrichtung, die zumindest eine senkrecht auf die zu kontaktierende Oberfläche (12) gerichtete Komponente aufweist, erzeugt wird.
Vorrichtung (20) zum Herstellen einer strukturierten Kontaktierungsschicht auf einer zu kontaktierenden Oberfläche (12) eines beispielsweise für eine Verwendung als photoelektrisches Element einer Photovoltaikzelle vorbereiteten, photoelektrischen Wafers (10), wie etwa einem Siliziumwafer (18), mit: einem mit einem Elektrolyten (32) gefüllten galvanischen Bad (30), einer Maske (40), die aus einem für sichtbares Licht (62) transparenten, elektrisch nicht-leitenden Material (42) und als eine Negativform der gewünschten strukturierten Kontaktierungsschicht ausgebildet ist und die an eine zu kontaktierende Oberfläche (12) eines Wafers (10) andrückbar ist, einer aufgespannten, als Netz oder Sieb ausgebildeten Spannschicht (50), wie etwa ein Drucksieb (52), die in den Elektrolyten (32) eintauchbar ist, einer Halte- und Eintaucheinrichtung (70), die dazu ausgebildet ist, einen Wafer (10) zu halten und den Wafer (10) zumindest teilweise in den Elektrolyten (32) einzutauchen, so dass zumindest die zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10) in den Elektrolyten (32) eintauchbar und mit der Spannschicht (50) in Kontakt bringbar ist, und einer Beleuchtungseinrichtung (60), die unterhalb der Spannschicht (50) angeordnet und dazu ausgebildet ist, eine zu kontaktierende Oberfläche (12) eines eingebrachten photoelektrischen Wafers (10), wenn dieser zwischen einer unteren Seite (72) der Halte- und Eintaucheinrichtung (70) und einer Oberseite der Maske (40) eingebracht worden ist, mit angedrückter Maske (40) durch die Spannschicht (50) hindurch mit sichtbarem Licht (62) zu beleuchten.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Eintaucheinrichtung (70) eine, konvex gekrümmte Fläche (72) aufweist, die an eine der zu kontaktierenden Oberfläche (12) gegenüberliegende Oberfläche (14) des Wafers (10) andrückbar ist.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Mittel zum Andrücken der Halte- und Eintaucheinrichtung (70) mit daran, insbesondere an deren konvex gekrümmter Fläche (72), gehaltertem Wafer (70) an die Spannschicht (50) und/oder Mittel zum Andrücken der Spannschicht (50) an die Halte- und Eintaucheinrichtung (70), insbesondere an deren konvex gekrümmte Fläche (72).
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (40) aus einem dielektrischen Material (42), insbesondere aus einem für sichtbares Licht transparenten Polymermaterial, wie etwa Silikonkautschuk, hergestellt ist.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch Mittel zum anodischen Beaufschlagen der der zu kontaktierenden Oberfläche (12) gegenüberliegende Oberfläche (14) des Wafers (10), insbesondere umfassend eine Kontaktierungseinrichtung (76), die dazu ausgebildet ist, die der zu kontaktierenden Oberfläche (12) gegenüberliegende Oberfläche (14) des Wafers (10) elektrisch leitfähig zu kontaktieren, eine Anodeneinrichtung (80), die dazu ausgebildet ist, ein anodisches elektrisches Potential bereitzustellen, und Mittel zum Einrichten einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Kontaktierungseinrichtung (76) und der Anodeneinrichtung (80).
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannschicht (50), wie etwa das Drucksieb (52), in einem im Wesentlichen um die Spannschicht (50) umlaufenden Spannrahmen (56), wie etwa einem Siebrahmen (58), gefasst und aufgespannt ist.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (60) eine im Wesentlichen flächenförmige Abstrahlfläche (64) aufweist, deren Größe im Wesentlichen zumindest so groß wie die zu kontaktierende Oberfläche (12) des Wafers (10), bevorzugt mindestens so groß wie die zu beleuchtende Maske (40), und mehr bevorzugt mindestens so groß wie die aufgespannte Spannschicht (50) ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bzw. der Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 14 zum Herstellen einer Photovoltaikeinrichtung, deren photoelektrisches Element ein Mehrschichtsystem umfasst, insbesondere einen Heteroübergang von einer Schicht aus kristallinem Silizium zu einer, insbesondere dünnen, Schicht aus nicht-kristallinem, beispielsweise amorphen, Silizium.