DE102013204828A1 - Rückseitenkontaktiertes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Halbleiterbauelementen mit einem Substrat, das im wesentlichen aus Silicum besteht, wobei auf der Rückseite des Substrats zumindest bereichsweise eine Aluminiumschicht unter Ausbildung einer mit Silicium dotierten Aluminiumschicht mit einem Eutektikum von Silicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht als Rückseitenfeld (engl. Back-surface-field, BSF) aufgebracht ist. Hierbei erfolgt eine Reduzierung der Porosität der Aluminiumschicht simultan zur stoffschlüssigen Verbindung des Halbleiterbauelementes mit einem elektrischen Leiter. Erfindungsgemäß wird ebenso ein rückseitenkontaktiertes Halbleiterbauelement bereits gestellt, das mit dem besagten Verfahren herstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Halbleiterbauelementen mit einem Substrat, das im wesentlichen aus Silicum besteht, wobei auf der Rückseite des Substrats zumindest bereichsweise eine Aluminiumschicht unter Ausbildung einer mit Silicium dotierten Aluminiumschicht mit einem Eutektikum von Silicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht als Rückseitenfeld (engl. Back-surface-field, BSF) aufgebracht ist. Hierbei erfolgt eine Reduzierung der Porosität der Aluminiumschicht simultan zur stoffschlüssigen Verbindung des Halbleiterbauelementes mit einem elektrischen Leiter. Erfindungsgemäß wird ebenso ein rückseitenkontaktiertes Halbleiterbauelement bereits gestellt, das mit dem besagten Verfahren herstellbar ist.
  • In der Halbleiterfertigung, insbesondere der Solarzellenproduktion, werden aus Produktionskostengründen gesinderte Metallkontakte auf der Vorder- und/oder Rückseite der Zelle eingesetzt.
  • Üblicherweise befindet sich auf der Rückseite einer Siliciumsolarzelle eine großflächige Aluminiumschicht, die durch Wärmebehandlung während der Herstellung einer Solarzelle einem Sinterprozess ausgesetzt wird, wodurch gleichzeitig eine Passivierung der Solarzellenrückseite durch ein sogenanntes Rückseitenfeld (BSF) geschaffen wird.
  • Beim Sintern wird die Aluminiumschicht, die sich in direktem Kontakt mit dem Silicumsubstrat befindet, an der Grenzfläche zwischen der Aluminiumschicht und dem Silicumsubstrat aufgeschmolzen und legiert mit dem angrenzenden Siliciumsubstrat. Beim Abkühlen erstarrt eine hoch mit Al dotierte Siliciumschicht epitaktisch auf der Rückseite des Wafers, also des Substrats. Simultan dazu erstarrt eine mit Silicium angereicherte Al-Schicht auf der Al-Schicht, und am Schluss des Abkühlvorgangs erstarrt ein Al-Si-Eutektikum zwischen der hoch mit Aluminium dotierten Schicht und der mit Silicum angereicherten Schicht. Für die Passivierung der Solarzellenrückseite ist die hoch mit Aluminium dotierte Silicumschicht verantwortlich, Durch die hohe Al-Dotierung wird im Halbleitermaterial der Schicht ein Überschuss an negativ geladenen, ortsfesten Al-Akzeptoren gebildet, von denen ein die Minoritätsträger zurücktreibendes elektrisches Feld erzeugt wird, das sog. BSF.
  • Wenn sich die Aluminiumschicht über die gesamte Rückseite der Solarzelle bzw. des Substrats erstreckt, gibt es jedoch ein löttechnisches Problem, da es nicht ohne Weiteres möglich ist, z. B. verzinnte oder nicht verzinnte Metallverbinder, insbesondere Kupferverbinder auf der Aluminiumrückseite direkt anzulöten. Um ungeachtet dessen die erforderliche elektrische Kontaktierung durchzuführen, werden üblicherweise Silberkontaktleiterbahnen oder Lötpads (selektive Silberkontakte) direkt auf die Substratoberfläche durch Siebdruck, Tampondruck oder andere geeignete Druckverfahren aufgebracht und an diese die verzinnten Kupferbänder mit einer Lotummantelung (meist einer Zinnlegierung) angelötet. Folglich ist im Bereich der Lötkontakte eine Aussparung der Aluminiumschicht vorgesehen mit der Folge, dass sich in diesem Bereich kein BSF ausbilden kann, so dass die Solarzellenrückseitenfläche nicht vollständig elektrisch passiviert ist und hierdurch lokal geringere Fotoströme auftreten. Durch eine vollflächige Aluminiummetallisierung erhöht sich die Leerlaufspannung (Uoc) und die Nennspannung (Umpp), wodurch eine höhere Leistung zu erwarten ist.
  • Ein unmittelbares Löten der Kontaktbänder auf der Aluminiumschicht ist aus mehreren Gründen schwer möglich. Ein Grund liegt in der oxidierten Oberfläche der Al-Partikel. Ein weiterer Grund ist, dass die Aluminiumoberseite aufgrund des Sinterprozesses nicht im hinreichenden Umfang zusammenhängend ausgebildet ist. So entsteht während des Sinterprozesses über der mit Si dotierten Legierungsschicht eine Al-Schicht in Form von aus einzelnen kugelförmigen zusammen gesinterten Al-Partikeln (Sinterschicht), bei der kein geschlossener, sondern ein relativ locker gesinterter Verbund aus Aluminium vorliegt, der in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Aluminiumpaste bzw. der Prozessparameter beim Sintern mehr oder weniger porös ist.
  • Sollte es ungeachtet dessen gelingen, auf dieser Sinter-Aluminium-Schicht zu löten, so würde jedoch aufgrund der Porosität und hierdurch bedingten Instabilität der Schicht nur ein sehr geringer Halt gegeben sein. Dieser geringere Halt äußert sich in geringen Schälkräften von ca. 0,2–0,8 N wobei die Sinterschicht in sich auseinander gerissen wird, so dass man auf beiden Seiten der Abrissstelle die Kugelstruktur der Partikel erkennt. Dasselbe passiert, wenn die Lötverbindung auf der Aluminiumschicht den in einem Modul unter Betriebsbedingungen wirkenden Scherkräften ausgesetzt ist. Es kann zu Microrissen kommen, die zu einer geringeren Haltbarkeit der Lötstelle führen und auch höhere Übergangswiderstände zur Folge haben können, oder die Verbindung kann als Ganzes abreißen und der mechanische und elektrische Kontakt ist vollständig zerstört.
  • Aus der US 2011/0065231 A1 , der US 2011/272453 A1 , der US 2011/204126 A1 , der US 2011/132451 A1 und der US 2008/308892 A1 sind Verfahren bekannt, die auf einem Ultraschall-gestützten Löten mit Zinn-basierten Loten auf der Aluminiumschicht der Solarzelle basieren. Problematisch ist hier die mechanische Festigkeit der so erzielten Lötstellen. In vielen Fällen kommt es schon bei geringfügiger Belastung zu einem Bruch in der Aluminiumschicht.
  • Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur elektrischen Kontaktierung hinsichtlich der mechanischen Festigkeit der Verbindungen zwischen Halbleiterbauelement und elektrischem Leiter zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Halbleiterbauelementen mit einem Substrat, das im wesentlichen aus Silicium besteht, bereitgestellt, wobei auf der Rückseite des Substrats zumindest bereichsweise eine Aluminiumschicht unter Ausbildung einer mit Silicium dotierten Aluminiumschicht (erste Zwischenschicht) mit einem Eutektikum von Silicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht (zweite Zwischenschicht) als Rückseitenfeld (BSF) aufgebracht ist, mit folgenden Schritten:
    • • Reduzierung der Porosität der Aluminiumschicht in den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen zur Verbesserung der Haftung in diesen Bereichen,
    • • zumindest bereichsweises stoffschlüssiges Verbinden mindestens eines elektrischen Leiters mit den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen des Halbleiterbauelementes mittels eines Lötverfahrens zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen dem elektrischen Leiter und der ersten und/oder zweiten Zwischenschicht.
  • Hierbei erfolgt die Reduzierung der Porosität simultan zu der stoffschlüssigen Verbindung.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert darauf, dass gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein Arbeitsschritt eingespart werden kann, was zu einer Kostenreduzierung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen führt. Ein weiterer Vorteil beruht darauf, dass eine Möglichkeit geschaffen wird, auf Aluminium im Weichlötbereich zu löten und darüber hinaus durch die Komprimierung bzw.
  • Verdichtung des Aluminiums die Haftkraft der Lötstelle wesentlich erhöht wird.
  • Die Reduzierung der Porosität wird vorzugsweise durch eine Beaufschlagung der für die elektrische Kontaktierung vorgesehen Bereiche mit Ultraschall. Diese Ultraschallbeaufschlagung kann zusätzlich durch eine Druckbeaufschlagung unterstützt werden.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, dass die an der Oberfläche der Aluminiumschicht immanente Oxidschicht durch die Einwirkung des Ultraschalls zumindest bereichsweise mechanisch aufgebrochen wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Reduzierung der Porosität durch das Eintreiben des Lotes in die Aluminiumschicht und Durchdringen der Aluminiumschicht bis zur Zwischenschicht durch das Lot in den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen erfolgt.
  • Vorzugweise erfolgen das mechanische Aufbrechen der Oxidschicht und das Durchdringen der Aluminiumschicht mit dem Lot simultan.
  • Das Lötverfahren ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ultraschalllöten, ultraschallgestütztem Löten, ggf. mit Druckvariation, und leitfähigem Kleben. Das Material des Lotes ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Bismut, Blei, Silber oder Legierungen hiervon.
  • Die Aufbringung der Aluminiumschicht auf dem Halbleiterbauelement kann gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durchgeführt werden. So kann die Aufbringung durch eine Aluminiumpaste ebenso erfolgen wie durch Siebdruck, LFC-Siebdruck (engl.: laser fired contact, LFC), mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), mittels LFC-PVD oder mittels Folienapplikation.
  • Erfindungsgemäß wird ebenso ein rückseitenkontaktiertes Halbleiterbauelement mit einem Silicium-Substrat, einer rückseitigen Aluminiumschicht und, zwischen diesem angeordnet, einer mit Silicium dotierten Aluminiumschicht (erste Zwischenschicht) mit einem Eutektikum von Silicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht (zweite Zwischenschicht) als Rückseitenfeld (BSF) bereitgestellt, wobei die Aluminiumschicht zumindest bereichsweise mit einem elektrischen Leiter mit einem Lot kontaktiert ist und die Aluminiumschicht im Bereich der Kontaktierung eine geringere Porosität als in den Bereichen ohne Kontaktierung aufweist.
  • Die Aluminiumschicht ist vorzugweise im Bereich der Kontaktierung zumindest bereichsweise vom Lot durchdrungen, sodass durch das Lot eine elektrische Verbindung von der ersten und/oder zweiten Zwischenschicht und dem elektrischen Leiter vorliegt.
  • Die Adhäsion zwischen der Aluminiumschicht und dem Lot beträgt vorzugsweise mindesten 1 N/mm. Die Adhäsion wird dabei gemäß DIN EN 50461 gemessen.
  • Vorzugweise ist das Material des Lotes ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Bismut, Blei, Silber oder Legierungen hiervon.
  • Das rückseitenkontaktierte Halbleiterbauelement ist vorzugsweise nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
  • 1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine erste Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
  • 2 zeigt in einer Schnittdarstellung eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
  • 3 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes in einer Schnittdarstellung.
  • 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dargestellt. Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, z. B. Silicium basierten Solarzellen 1 wird auf die Waferrückseite ganzflächig, mit Ausnahme der Lötkontaktstellen/Lötpads 3, eine spezielle poröse Aluminiumpaste 2 aufgebracht. Die Aluminiumschicht erfüllt zusätzlich zur Abführung der generierten Majoritätsladungsträger als zweite Funktion die Bildung des sogenannten Back-Surface-Fields (BSF) 2b als zweite Zwischenschicht. Gleichzeitig bildet sich ein Eutektikum aus Aluminium und Silicium 2a als erste Zwischenschicht aus. Diese befindet sich zwischen der porösen Aluminiumpaste 2 und dem BSF 2b. Insgesamt werden in drei Schritten verschiedene Pasten auf den Wafer aufgebracht, nach jedem dieser Schritte werden die Druckpasten auf 250°C erhitzt, damit das enthaltene Lösungsmittel verdampfen kann. Am Ende der Waferprozessierung ist dieser noch nicht funktionsfähig, sondern muss in einem letzten Schritt einem „fast firing process” unterzogen werden, wobei der Wafer kurzzeitig auf ca. 800°C erhitzt wird. Dieser Schritt dient der Herstellung des Halbleiterkontaktes. Während der Prozessierung des Wafers bis zur fertigen Solarzelle bleibt die aufgebrachte Aluminiumschicht in einem porösen Zustand.
  • In 2 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dargestellt, bei dem im Vergleich zu 1 auf Lötkontaktstellen verzichtet wird und hier eine direkte Kontaktierung des Flachdrahtes 5 auf die Aluminiumschicht durchgeführt wird, wobei das Aluminium an der kontaktierten Stelle verdichtet wird.
  • In 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dargestellt, bei dem ein Vorbeloten mit Lötkontakten 6 der Aluminiumschicht durchgeführt wird. Das pastös vorliegende Aluminium wird durch diesen Prozessschritt verdichtet, wobei sich die Verdichtung bis zum Eutektikum aus Aluminium und Silicium erstreckt. Das Verdichten des Aluminiums erhöht dabei punktuell die Haftkraft der aufgebrachten Lötverbindungen. Ebenso wird die elektrische Ankopplung erhöht, da sich die größte Leitfähigkeit im Eutektikum befindet.
  • In 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dargestellt, das analog zu 3 ein Vorbeloten der Aluminiumschicht vorsieht. In 4 werden allerdings die Lötkontakte 6 bis zum BSF 2b getrieben. Das Verdichten des Aluminiums erhält punktuell eine nochmals verbesserte Haftkraft, als in 3 beschrieben, der aufgebrachten Lötverbindung, sowie den Vorteil der elektrischen Ankopplung im Eutektikum. Da der Kontakt alle Schichten durchdringt (2, 2a, 2b) und somit auch Kontaktiert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2011/0065231 A1 [0008]
    • US 2011/272453 A1 [0008]
    • US 2011/204126 A1 [0008]
    • US 2011/132451 A1 [0008]
    • US 2008/308892 A1 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN 50461 [0023]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Halbleiterbauelementen mit einem Substrat (1), das im Wesentlichen aus Silicium besteht, wobei auf der Rückseite des Substrats zumindest bereichsweise eine Aluminiumschicht (2) unter Ausbildung einer mit Silicium dotierten Aluminiumschicht (erste Zwischenschicht, 2a) mit einem Eutektikum von Silicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht (zweite Zwischenschicht, 2b) als Rückseitenfeld (BSF) aufgebracht ist, mit folgenden Schritten: • Reduzierung der Porosität der Aluminiumschicht (2) in den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen zur Verbesserung der Haftung in diesen Bereichen, • zumindest bereichsweises stoffschlüssiges Verbinden mindestens eines elektrischen Leiters (5) mit den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen des Halbleiterbauelementes mittels eines Lötverfahrens zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen dem elektrischen Leiter (5) und der ersten (2a) und/oder zweiten (2b) Zwischenschicht, wobei die Reduzierung der Porosität simultan zu der stoffschlüssigen Verbindung erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Porosität durch eine Beaufschlagung der für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereiche mit Ultraschall, ggf. mit Druckvariation, erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Oberfläche der Aluminiumschicht (2) immanente Oxidschicht durch die Einwirkung des Ultraschalls zumindest bereichsweise mechanisch aufgebrochen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Porosität durch das Eintreiben des Lotes in die Aluminiumschicht (2) und Durchdringen der Aluminiumschicht (2) bis zur ersten (2a) und/oder zweiten (2b) Zwischenschicht durch das Lot in den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Aufbrechen der Oxidschicht und das Durchdringen der Aluminiumschicht mit dem Lot simultan erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ultraschalltöten, ultaschallgestütztem Löten, ggf. mit Druckvariation, und leitfähigem Kleben.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Lotes ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Bismut, Blei, Silber oder Legierungen hiervon.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (2) auf dem Halbleiterbauelement pastös, mittels Siebdruck, mittels LFC-Siebdruck, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), mittels LFC-PVD oder mittels Folienapplikation aufgebracht wurde.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine Solarzelle ist.
  10. Rückseitenkontaktiertes Halbleiterbauelement mit einem Silicium-Substrat, einer rückseitigen Aluminiumschicht (2) und, zwischen diesem angeordnet, einer mit Silicium dotierten Aluminiumschicht (erste Zwischenschicht, 2a) mit einem Eutektikum von Silicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht (zweite Zwischenschicht, 2b) als Rückseitenfeld (BSF), wobei die Aluminiumschicht (2) zumindest bereichsweise mit einem elektrischen Leiter mit einem Lot kontaktiert ist und die Aluminiumschicht (2) im Bereich der Kontaktierung eine geringere Porosität als in den Bereichen ohne Kontaktierung aufweist.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (2) im Bereich der Kontaktierung zumindest bereichsweise vom Lot durchdrungen ist und durch das Lot eine elektrische Verbindung von der ersten (2a) und/oder zweiten (2b) Zwischenschicht und elektrischem Leiter (5) vorliegt.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsion zwischen Aluminiumschicht (2) und Lot mindestens 1 N/mm, gemessen gemäß DIN EN 50461 beträgt.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Lotes ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Bismut, Blei, Silber oder Legierungen hiervon.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13 und herstellbar nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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