DE60021663T2 - Passivierungsätzmittel für metallpartikel - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Dünnfilm-Silizium-Solarzellen und Verfahren zum Formen von partikelabgeleiteten Ohmschen Kontakten mit P-Silizium. Ein Verfahren wird vorgesehen, um die Oxyd- oder Hydroxyd-Korrosionsschicht von der Oberfläche der Metallpartikel abzuätzen, wie beispielsweise von Aluminium, wovon gezeigt wurde, dass dies die elektrischen Eigenschaften der Kontakte zum P-Silizium verbessert.
  • Während von verschiedenen Verfahren zur Herstellung von partikelabgeleiteten Dünnfilmen berichtet wurde, ist die Dünnfilmanwendung dieser Materialien in der Mikroelektronik durch eine schlechte Verbindbarkeit zwischen den Partikeln behindert worden, wenn diese als Filme auf Substraten aufgebracht wurden. Diese Verbindbarkeit, sowohl strukturell als auch elektrisch, ist in vielen Fällen durch die Bildung einer Korrosionsschicht beschränkt (d. h. Oxyd oder Hydroxyd), die die Oberfläche der Partikel verunreinigt. Diese passivierten Oberflächen lassen im Allgemeinen einen Isoliereffekt erscheinen, und eine Impedanz beim strukturellen Sintern von Partikeln.
  • Um einen Dünnfilm zur Anwendung bei Fotoumwandlungs- und Mikroelektronikvorrichtungsanwendungen zu bilden, werden die mit den Partikeln beschichteten Regionen typischerweise gesintert, um eine elektrische Kontinuität beim gesamten Merkmal sicherzustellen. Eine verringerte Schmelztemperatur für Nanophasenmetalle (C. R. M. Wronski, British Journal of Applied Physics, (1967) 18: 1731; J. F. Pocza, A. Barna und P. B. Barna, J. Phys. F. (1972) 2: 441) und Halbleiter (A. N. Goldstein, C. M. Echer und A. P. Alivisatos, Science, (1992) 256: 1425; und A. N. Goldstein, Ph. D. Dissertation, University of California, Berkley, (1993) ist zuvor gezeigt worden. Die Offenbarungen sind hier durch Bezugnahme mit aufgenommen. Eine Hochtemperatursinterung eliminiert oft einige der Probleme, die mit der Oberflächenverunreinigung assoziiert sind. Jedoch kann bei der Bildung von Nanopartikelkontakten mit fotovoltaischen Halbleitern, die übliche Sinterung bei hoher Temperatur oft nicht ausgeführt werden, und zwar aufgrund von thermischen Beschränkungen, die mit den darunter liegenden Schichten der Vorrichtung assoziiert sind.
  • Im Hinblick auf die vorangegangenen Betrachtungen gibt es eine offensichtliche Notwendigkeit für ein Niedertemperaturverfahren zum Ätzen der Korrosionsoxyd- oder Hydroxydschichten. Das Ätzen verbessert die elektrische Leitfähigkeit auf dem gesamten Merkmal und ist nützlich für die Bildung von partikelabgeleiteten Ohmschen Kontakten, wie beispielsweise Aluminium, und zwar mit einer P-Siliziumschicht der Silizium-Solarzellen. Die Bildung einer Passivierungsschicht nach dem Ätzen behindert weiter die Korrosion und macht die Partikel stabil gegen oxidierende und wässrige Umgebungen. Entsprechend ist es ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ätzen einer Metallpartikeloberfläche vorzusehen, um die Korrosionsschicht zu entfernen, um eine Passivierungsschicht nach dem Ätzen auf den Partikeln zu bilden, und schließlich die elektrische Leitfähigkeit der Metallkontakte zu verbessern.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Formen von Ohmschen Kontakten vorzusehen, die von Metallpartikeln abgeleitet werden, wie beispielsweise Aluminium, und zwar P-Siliziumschicht einer Silizium-Solarzelle.
  • Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden, die nun folgt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Ätzen einer Korrosionsschicht, wie beispielsweise Oxyd oder Hydroxyd, von der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln vor, und die damit einhergehende Bildung einer Passivierungsschicht. Eine Reaktionsmischung wird durch Dispersion von Natrium-Hexafluoracetylacetonat (Na(hfa)) und einem Metallpartikelpulver mit Oxyd- oder Hydroxyd-Korrosionsschichten in einem Hexan-Lösungsmittel. Die Mischung darf für eine ausreichende Zeit reagieren, um die Oxyd- oder Hydroxydgruppen von der Partikeloberfläche zu Ätzen und die Oberflächen mit (hfa) zu passivieren. Hexan kann aus der Mischung verdampft werden, und irgendwelches übriges Na(hfa) kann aus der Reaktionsmischung durch Sublimation oder Spülung mit einem polaren aprotischen Lösungsmittel getrennt werden. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Aluminiumpartikel zuerst geätzt und passiviert und dann verwendet, um Ohmsche Kontakte mit P-Silizium zu bilden. Dieses Ätzen/Passivieren verbessert die elektrischen Eigenschaften des Kontaktes.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt die Strom-Spannung-Charakteristiken einer Solarzelle, wo Aluminiumpartikel auf ein P-Silizium geschlämmt werden und bei 645 Grad in Argon für eine Stunde vergütet bzw. eingebrannt werden. Dies ist die Kontrollprobe.
  • 2 zeigt die Strom-Spannung-Charakteristik einer Solarzelle, wo Aluminiumpartikel mit Na(hfa) gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geätzt/passiviert werden, auf P-Silizium geschlämmt werden und für eine Stunde bei 649 Grad in Argon vergütet bzw. eingebrannt werden.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Während es innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt, Partikel von größerer Größe zu verwenden, werden in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel Nanopartikel verwendet. Ein Nanopartikel ist ein Partikel mit Abmessungen im Nanometerbereich, d. h. von weniger als 10 nm. Während Materialien in diesem Größenbereich verwendet werden könnten, ist der bevorzugte Größenbereich von 3–8 nm. Die Nanopartikel weisen ohne Einschränkungen alle Metalle und Legierungen mit nützlichen Eigenschaften als Kontakte mit Halbleitern auf, wie beispielsweise Ni, Au, Al, Ag, und Au-Ga. Die partikelabgeleiteten Ohmschen Kontakte können hier gemäß der Erfindung auf irgendeiner geeigneten Oberfläche oder einem geeigneten Substrat geformt werden, beispielsweise auf Kohlenstoff, Silizium, Germanium, III-V-Halbleitern, II-VI-Halbleitern, und I-III-VI2-Halbleitern. Diese Verbundwerkstoffe und ihre Anwendung in elektronischen Solid-State-Vorrichtungen bzw. Festkörpervorrichtungen sind wohl bekannt. Alle Bezugnahmen hier auf eine Klasse von Verbundstoffen beziehen sich hier auf die Klasse der Elemente, wie in der Periodentabelle der Elemente dargestellt, die von der American Chemical Society veröffentlicht wurde. Die Offenbarung aller hier zitierten Patente wird durch Bezugnahme mit aufgenommen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht das Ätzen einer Korrosionsschicht, wie beispielsweise Oxyd- oder Hydroxyd, von der Oberfläche von Metallpartikeln vor und die damit einhergehende Bildung einer Passivierungsschicht auf der Oberfläche der Metallpartikel. Ohmsche Kontakte, die von der Schlemmungsablagerung von mit Na(hfa) geätztem/passiviertem Aluminiumpartikelpulver gebildet werden, und zwar vergütet bzw. eingebrannt mit P-Silizium, sehen ein Beispiel eines Ohmschen Kontaktes mit wünschenswerten Strom-Spannung-Charakteristiken vor. Das folgende Beispiel beschreibt im Detail das Verfahren zur Vorbereitung von mit Na(hfa) geätzten/passivierten Aluminiumpartikeln.
  • Beispiel
  • Eine Aluminiumpartikelreaktionsmischung wurde vorbereitet durch Dispersion von 0,12 g Aluminiumpartikelpulver in einer Mischung, die 11.0 g Hexafluoracetylacetonat in ungefähr 150 ml Hexan aufweist. Ein aliquoter Teil NaH wurde zur Reaktionsmischung hinzu gegeben, und die Mischung durfte ungefähr für 12 Stunden reagieren, wobei sie unter einer Stickstoffgasbelüftung gerührt wurde. Diese Mischungsbedingungen haben eine ausreichende Zeit zur Ätzung der Oxyd- und/oder Hydroxyd-Gruppen von den Aluminiumpartikeln mit einer einhergehenden Bildung einer Passivierungsschicht vorgesehen. Hexan-Supernatant wurde dann aus der Reaktionsmischung abgegossen, und die restliche Lösung wurde durch Zentrifugation bei 2600 U/min für 10 Minuten getrennt. Supernatante Flüssigkeit wurde dann aus dem Zentrifugenröhrchen abgegossen, und das restliche Lösungsmittel wurde in vacuo entfernt. Der restliche Feststoff wurde zu einer Dailey-Sublimationsvorrichtung in einer mit He gefüllten Kugelhülle gefüllt. Die Sublimationsvorrichtung wurde in eine Schlenk-Linie gesetzt und auf 10–3 torr evakuiert. Ein Ölbad wurde eingesetzt, und die Mischung wurde auf 200 Grad Celsius aufgeheizt. Bei dieser Temperatur hat das nicht reagierte Na(hfa) bis zum kalten Finger bzw. kalten Rest, was Na(hfa)-behandelte Aluminiumpartikel am Boden zurückließ. Eine FTIR-Spektroskopie einer Grube des Na(hfa)-behandelteten Aluminiums zeigt Spitzen aufgrund der hfa-Bindung. TEM-EDS zeigte eine deutliche Verringerung des Sauerstoffgehaltes genauso wie das Auftreten von Fluorin.
  • Na(hfa)-behandeltes Aluminiumpulver wurde dann auf das P-Silizium aufgebracht, um den Ohmschen Kontakt zu überprüfen. Eine Kontrollprobe wurde unter Verwendung von unbehandeltem Aluminiumpulver auf den P-Silizium vorbereitet. In beiden Fällen wurde ein aliquoter Teil von Aluminium mit Hexan in eine mit Helium gefüllten Umhüllung geschlemmt und auf den Silizium-Wafer abgelassen. Diese Proben wurden dann zu einem Röhrenofen transportiert, die Röhre wurde mit Argon gespült, und die Proben wurden für eine Stunde bei 645–649 Grad Celsius aufgeheizt. Nach der Kontaktvergütung bzw. dem Einbrand wurde der Rest, der übrig geblieben ist, wo die Aluminiumschlemmung aufgebracht wurde, unter Verwendung eines mit Isopropanol benetzten Q-Tip entfernt. Silberfarbe wurde auf diese Regionen hinzu gegeben, und eine I-V-Charakterisierung wurde ausgeführt.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Ätzen der Korrosionsschicht von der Oberfläche von Metallpartikeln und zur damit einhergehenden Bildung einer Passivierungsschicht, welches Folgendes aufweist: a) Bildung einer Reaktionsmischung durch Dispersion von Natrium-Hexafluoracetylacetonat und Metallpartikeln mit Oxyd- oder Hydroxydkorrosionsschichten in einer Lösung, die Natrium-Hexafluoracetylacetonat (Na(hfa)) und Hexan aufweist, und b) Reaktion der Mischung für eine ausreichende Zeit zum Ätzen und Passivieren der Oberfläche.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel Aluminium sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, welches weiter das Verdampfen von Hexan aus der Reaktionsmischung nach der Reaktion der Mischung aufweist, und dann die Entfernung von nicht reagiertem Na(hfa) durch Sublimation.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Sublimation bei ungefähr 200 Grad Celsius und 103 (Ü: 10–3) torr ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel Nanopartikel im Nanometerbereich von weniger als 10 nm aufweisen.
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