DE69216502T2

DE69216502T2 - Elektrische Durchführungsstruktur und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69216502T2
Application number: DE69216502T
Authority: DE
Inventors: Bruce T Cavicchi; Anne V Mason
Original assignee: Spectrolab Inc
Current assignee: Spectrolab Inc
Priority date: 1991-08-19
Filing date: 1992-08-08
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2012-08-09
Also published as: US5425816A; JPH05326991A; EP0528311B1; AU2090792A; EP0528311A3; ES2095991T3; DE69216502D1; AU648921B2; EP0528311A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung durch eine elektrische Schaltungspackung, die ein Halbleitersubstrat mit einander gegenüberliegenden Seiten aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung eine Durchführung durch eine elektrische Packung, die ein Substrat mit einander gegenüberliegenden Seiten umfaßt, eine Durchführungsöffnung durch das Substrat zwischen den gegenüberliegenden Seiten, eine dielektrische Beschichtung auf den Wänden der Durchführungssffnung und eine leitfähige Beschichtung auf der dielektrischen Beschichtung, die elektrisch gegenüber dem Substrat durch die dielektrische Beschichtung isoliert ist und eine elektrische Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Substrates herstellt.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige elektrische Packungsdurchführung sind z.B. aus der FR-A-2 251 981 bzw. aus der EP-A-0 177 686 bekannt. Beide Dokumente betreffen Substrate mit Metallkern, die für gedruckte Schaltungen verwendet werden. Diese Substrate mit Metallkern besitzen eine Isolierschicht, um einzelne Leiter der gedruckten Schaltung gegenüber dem Metallkern zu isolieren.
Gemäß der FR-A-2 251 986 ist ein Metallfilm mit Durchführungsöffnungen versehen. Diese Öffnungen werden im nächsten Schritt mit einem dielektrischen Material gefüllt, das in flüssiger Form verwendet wird und dann bei ungefähr 150ºC ausgehärtet wird. In das ausgehärtete dielektrische Material wird eine Öffnung gebohrt, die mit einer metallischen Verbindung zwischen den Streifenleitern beschichtet wird, die gegenüber dem Metallf ilm durch eine Isolierschicht isoliert sind.
Ferner beschreibt die EP-A-0 177 686 dieses Verfahren als Stand der Technik und stellt fest, daß diese Art von gedruckten Schaltungsplatten mit Metallkern keine größere Verbreitung gefunden hat. Stattdessen schlägt dieses Dokument vor, die Wände der Öffnungen zu ätzen, um den Durchmesser um einen bestimmten Betrag zu vergrößern und um eine Harzbeschichtung aus einer Lösung desselben durch Elektrophorese auf die geätzten Teile der Wände aufzubringen.
Die Erfindung betrifft genauer gesagt eine leitfähige Durchgangsstruktur und ein Herstellverfahren, was verwendet wird, um die Vorderseite einer Solarzelle mit ihrer Rückseite in einer coplanaren Kontaktkonfiguration zu verbinden.
Es gibt eine Anzahl von Anwendungen, bei denen die Notwendigkeit einer elektrischen Verbindung durch ein Substrat hindurch besteht, um die Schaltung auf der einen Seite des Substrates elektrisch zu kontaktieren, indem ein physikalischer Kontakt zur gegenüberliegenden Substratseite hergestellt wird. Z.B. können vielschichtige oder 3-D-integrierte Schaltungschips übereinander gestapelt werden, wobei die Schaltung auf der Oberseite jedes Chips mit einer Schaltung auf den anderen Chips durch leitende Durchführungen durch die Chips hergestellt wird. Vielschichtige Photoneneinrichtungen verwenden gleichfalls elektrische Durchführungen für die einzelnen Schichten. Ein anderes Beispiel ist eine Solarzelle (photovoltaische Zelle), bei der ein Spannungsdifferenzial zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Zelle erzeugt wird, wobei es jedoch erwünscht ist, beide Flächen mit coplanaren Kontakten zu kontaktieren, die auf die Rückfläche alleine aufgebracht sind. Während die gegenwärtige Erfindung sich im wesentlichen auf eine coplanar kontaktierte Solarzelle bezieht, ist sie allgemein auch bei elektrischen Durchführungen für andere Anwendungen verwendbar.
Eine herkömmliche Solarzelle ist in den FIGUREN 1 und 2 dargestellt. Die Zelle besteht aus einem Halbleitermaterial, wie etwa Silizium, und ist mit ihrer Vorderfläche 4 zum Zwecke der Beleuchtung durch die Sonne orientiert. Eine plötzliche Diskontinuität in der Leitfähigkeit des Zellenmaterials wird durch die Hinzufügung von Dotierungen erzeugt. In dem in FIG. 2 gezeigten Beispiel ist der Bereich des Halbleiters oberhalb der Verbindung 6 n-dotiert, während der Bereich unterhalb der Verbindung 6 p-dotiert ist. Der Halbleiter wird charakteristische Photonenenergien aus dem Spektrum des sichtbaren Lichtes absorbieren, um lichtgenerierte elektrische Träger zu erzeugen und somit ein Spannungsdifferenzial zwischen der Vorderfläche 4 und der Rückfläche 8 der Zelle.
An der Vorderseite der Zelle ist mit Hilfe von elektrischen Leitern 10, die sich über die Vorderfläche erstrecken und durch einen leitfähigen Streifen 12 entlang einer Kante der Zelle miteinander verbunden sind, eine elektrische Verbindung hergestellt. Diese Konfiguration erlaubt es, daß Sonnenlicht in die Zelle durch die Gebiete eintritt, die nicht durch die Leiter auf der Vorderseite beschattet sind. Dabei sind typischerweise etwa 95 % der Vorderfläche exponiert. Ein Kontakt zur Rückfläche 8 ist mit Hilfe eines Metallfilms 14 hergestellt, der diese Fläche bedecken kann.
Die von der Zelle entwickelte Spannung kann abgenommen werden, indem separate elektrische Kontakte zu dem Anschlußstreifen 12 und dem leitfähigen Film 14 hergestellt werden. Jedoch ist es bei zahlreichen Anwendungen erwünscht, daß beide Verbindungen nur auf einer Seite der Zelle gemacht werden. Z.B. wird bei Solar-Arrays für Raumfahrtzwecke, bei denen tausende von Zellen miteinander verbunden werden müssen, die vergrößerte Komplexität der Herstellung einer coplanaren Kontaktzelle (beide Kontakte nur auf einer Seite der Zelle) mehr als aufgewogen durch die verringerten Montagekosten bei der coplanaren Konfiguration.
Um einen elektrischen Kontakt zu dem Anschlußstreifen 12 auf der Vorderseite von der Rückseite der Zelle herzustellen, kann eine Verlängerung des Anschlußstreifens 12 um die Kante der Zelle herumgewickelt werden und zu einer Fläche auf der Rückseite gebracht werden, die gegenüber dem leitfähigen Film 14 und dem Halbleitermaterial auf dieser Seite der Zelle isoliert ist. Diese Art der Kontaktierung, die als ein "Wickelkontakt" bezeichnet wird, ist in zahlreichen Veröffentlichungen offenbart, wie etwa M. Gillanders et al., "High Efficiency Wraparound Contact Solar Cells", Proceedings of the 14th Photovoltaic Science Conference (PVSC), 1980, Seiten 146-150; K. Matthei, noptimization of Large Area Solar Cells for Low Cost Space Application", Proceedings of the 15th PVSC, 1981, Seiten 228-232; D. Michaels et al., "Large Area, Low Cost Space Solar Cells With Optional Wraparound Contacts", Proceedings of the 15th PVSC, 1981, Seiten 225-227; F. Ho et al., "Thin Foil Silicon Solar Cells With Coplanar Back Contacts", Proceedings of the 15th PVSC, 1981, Seiten 102-106; und B. T. Cavicchi et al., "Large Area Wraparound Cell Development", Proceedings of the 17th PVSC, 1984, Seiten 128-133.
Um eine Verlängerung eines leitfähigen Streifens um die Kante der Zelle herum zu vermeiden, wurde kürzlich eine "Durchführungsverbindung" entwickelt, die die Verbindung direkt durch den Zellenkörper herstellt. Diese Art der Durchführungsanordnung ist in FIG. 3 dargestellt, die einen Teil der Vorderfläche für eine Solarzelle zeigt, die ein radiales und kreiskonzentrisches Netzwerk von Leiterlinien 16 aufweist, anstelle der rechteckförmigen Gitterlinien 10 gemäß der FIGUREN 1 und 2. Die leitfähigen Linien 16 erstrecken sich von einem Anschlußring 18, mit dem sie alle elektrisch verbunden sind, radial nach außen. Eine Öffnung oder "Durchführung" 20 befindet sich in der Mitte des Anschlußrings 18 und erstreckt sich nach unten durch die Zelle zur Rückseite. Das leitfähige Material des Anschlußrings 18 erstreckt sich durch die Durchführung 20 und beschichtet seine Innenwände, um eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterlinien 16 auf der Vorderfläche und auf der Rückfläche der Zelle herzustellen. Eine ähnliche Durchführung kann zwischen dem Anschlußstreifen 12 und der Rückseite der in den FIGUREN 1 und 2 dargestellten Zelle vorgesehen sein. Solche "Durchführungen" sind in verschiedenen Artikeln diskutiert, wie etwa. D. Lillington et al., "Development of 8cm x 8cm Silicon Gridded Back Solar Cell for Space Station", Proceedings of the 19th PVSC, 1987, Seiten 489-493; D. Lillington et al., "Optimizat ion of Silicon 8cm x 8cm Wrapthrough Space Station Cells for 'On Orbit' Operation", Proceedings of the 20th PVSC, 1988, Seiten 934-939; und A. Masonet al., "Development of 2.7 mil BSF and BSFR Silicon Wrapthrough Solar Cells", Proceedings of the 21st PVSC, 1990, Seiten 1378-1382.
Ein Beispiel einer herkömmlichen "Durchführung" ist in FIG. 4 gezeigt. Ein aktiver Solarzellenbereich 22 ist auf einem dotierten Halbleitersubstrat 24 gebildet, das als ein elektrischer Leiter arbeitet, um die auf der Unterseite des aktiven Bereiches entwickelte Spannung zur Rückseite 26 der Zelle zu führen. Durch das Substrat erstreckt sich eine Durchführungsöffnung 28, die normalerweise durch Laserschneiden hergestellt wird. Auf die Durchfürungswände und die benachbarten Vorderund Rückflächen der Zelle ist eine dielektrische Schicht 30, typischerweise SiO&sub2;, durch Chemical Vapor Deposition bei niedrigem Druck aufgebracht. Eine leitfähige Metallschicht 32 wird dann auf die SiO&sub2;-Schicht aufgebracht und erstreckt sich über das Dielektrikum auf der Vorderfläche der Zelle hinaus, um einen elektrischen Kontakt mit diesem Bereich des aktiven Bereiches zu schaffen. Die elektrische Schicht 32 ist gegenüber dem Substrat auf seiner Rückfläche isoliert, ist jedoch an dieser Stelle exponiert, so daß sie coplanar mit einem Kontakt auf der Rückfläche kontaktiert werden kann (nicht dargestellt).
Es ist wichtig, daß die exponierte Substratfläche, die die SiO&sub2;-Beschichtung in der Durchführungsöffnung kontaktiert, ziemlich glatt ist, wie auf der linken Seite des Durchgangs 28 dargestellt. Falls die Substratoberfläche rauh ist, kann sie nicht vollständig mit der SiO&sub2;-Beschichtung bedeckt werden. In diesem Fall kann das leitfähige Metall 32 in die Nähe des Substrates oder in direkten Kontakt mit dem Substrat kommen, was zu einem deutlichen Leistungsverlust und möglicherweise sogar zu einem Kurzschluß der gesamten Einrichtung führt.
Ein Problem beim Laserschneiden von Durchführungsöffnungen in Halbleitern, wie etwa Silizium oder Germanium, besteht darin, daß der Laserschneidvorgang eine Offnung erzeugt, deren Oberfläche ziemlich rauh ist. Danach wird üblicherweise eine aggressive Ätzung durchgeführt, um die Wände der Öffnung zu glätten. Ein Weglassen der Ätzung kann zu der Bildung von Nadellöchern oder Rissen in der SiO&sub2;-Schicht führen, was zu einer Nebenschlußleitung von Strom in das Substrat führt.
Kürzlich wurden Solarzellen entwickelt, die mit GaAs aktive Bereiche auf einem Germanium-Substrat aufweisen. Zwar weisen diese Materialien einen größeren Umwandlungswirkungsgrad als Silizium auf, jedoch wird GaAs durch die starken Ätzmittel angegriffen, die verwendet werden, um die Durchführungswände zu glätten, und muß gegenüber dem Ätzmittel durch eine Schutzmaske isoliert werden. Unglücklicherweise ist es schwierig, den aktiven GaAs-Bereich vollständig zu schützen, und es ergeben sich oft Schäden durch den Ätzprozeß. Theoretisch kann dieses Problem umgangen werden, indem der Herstellungsprozeß umgedreht wird und die Durchführung durch das Germaniumsubstrat gebildet wird, bevor der aktive GaAs-Bereich erzeugt wird. Jedoch führt der Prozeß der Herstellung der Durchführung oft zu Schaden auf der oberen Germaniumoberfläche, so daß ein gutes epitaktisches Wachstum auf der Substratoberfläche nicht erreicht werden kann.
Der Grad, mit dem die Leistungsfähigkeit der Zelle durch diese Art von begrenztem Kurzschluß herabgesetzt wird, der auf der rechten Seite von FIG. 4 dargestellt ist, ist eine Funktion des Shunt-Widerstandswertes, der Betriebsspannung und der Zellenfläche. Auf der Basis von Modellergebnissen für GaAs/Ge-Zellen sind Shunt-Widerstände von wenigstens 400 Ohm notwendig, und 6.000 Ohm sind notwendig, um Verluste bei Zellen mit Flächen von 16 cm² bzw. 1 cm² bei weniger als 0,5% zu halten. Die oben beschriebene herkömmliche Durchgangsstruktur ist nicht in der Lage, dieses Erfordernis zuverlässig zu erfüllen. Ferner haben Dielektrika, wie etwa SiO&sub2;, die durch Chemical Vapor Deposition mit niedrigem Druck aufgebracht werden, eine schlechte Adhäsion zu Germanium.
Im Licht der oben erwähnten Probleme versucht die Erfindung, eine neue Durchgangsstruktur und ein Verfahren zur Herstellung anzugeben, womit die Shunt-Widerstände der Durchgänge erheblich verbessert werden, die Leistungsverluste reduziert werden und die Gefahr des Kurzschlusses eliminiert wird.
Bei dem eingangs erwähnten Verfahren wird diese Aufgabe durch die Schritte gelöst:
Herstellen einer ersten Öffnung durch das Halbleitersubstrat durch Laserschneiden,
Beschichten der ersten Öffnung mit einem dielektrischen Material,
Bilden einer zweiten Öffnung in dem dielektrischen Material und
Beschichten des dielektrischen Materials mit einem leitfähigen Material, das sich zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Substrates erstreckt, wobei das leitfähige Material gegenüber dem Substrat durch dielektrisches Material isoliert ist.
In bezug auf die eingangs erwähnte elektrische Packungsdurchführung wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß das Substrat ein Halbleitersubstrat ist, und daß die Dicke der Wände der dielektrischen Beschichtung, die der leitfähigen Beschichtung zugewandt sind, Durchmesservariationen der Wände der Durchführungsöffnung, die durch Laserschneiden erzeugt sind, kompensiert, und daß das Dielektrikum einen ausgehärteten Festkörper aus einem Material umfaßt, das in seinem nichtausgehärteten Zustand flüssig ist.
Die gegenwärtige Erfindung vermeidet die Notwendigkeit einer chemischen Ätzung, um die Oberfläche in dem Substrat zu glätten, und erlaubt es somit, daß der aktive Bereich der Solarzelle vor der Herstellung der Durchführung hergestellt werden kann und weist eine gute Haftung zwischen dem Dielektrikum und sowohl dem Substrat als auch der Durchführungsmetallisierung auf.
Das Dielektrikum umfaßt ein Material, das in seinem nichtausgehärteten Zustand flüssig ist, jedoch zu einem Festkörper aushärtbar ist. Das Dielektrikum wird zunächst in einem flüssigen Zustand angewandt und danach ausgehärtet Eine teilweise Aushärtung kann vor der Erzeugung der Öffnung durch das Dielektrikum erreicht werden, wobei das Dielektrikum vollständig danach ausgehärtet wird. Bei einer GaAs/Ge-Solarzelle ist Polyimid wegen seiner hervorragenden Haftung zum Germanium und seiner hohen Temperaturbeständigkeit als Dielektrikum bevorzugt.
Um ein vollständiges Verschließen der anfänglichen Durchführungsöffnung zu unterstützen, wenn das Dielektrikum eine geringere als die optimale Viskosität aufweist, kann die Durchführungsöffnung mit Schrägprofilen auf jeder Seite gebildet werden, die durch einen engeren Durchgangsweg verbunden sind. Die Dicke des Dielektrikums ist im Durchgangsweg deutlich größer als in den schrägen Gebieten, die vom Durchgangsweg entfernt wurden. Die Erfindung erlaubt es, daß die Öffnung durch das Dielektrikum deutlich glatter ausgeführt wird als die anfängliche Durchführungsöffnung durch das Substrat und erlaubt bei einer GaAs/Ge-Solarzelle ein epitaktisches Wachstum des aktiven GaAs- Bereiches auf der Germanium-Basis, bevor der Durchgang erzeugt wird. Da die neue Durchgangsstruktur die Notwendigkeit für eine chemische Ätzung zur Glättung der Oberfläche der anfänglichen Durchführungsöffnung vermeidet, wird gleichfalls eine unerwünschte Beschädigung des aktiven Bereiches durch eine Leckage der Ätzflüssigkeit vermieden. Die neue Durchgangsstruktur führt ferner zu einer deutlichen Vergrößerung des Widerstands der Durchführung gegenüber Leckströmen und verbessert so den Wirkungsgrad der Zelle.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten durch die folgende ausführliche Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich, in denen:
FIG. 1 eine ebene Ansicht einer herkömmlichen Solarzelle ist;
FIG. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 gemäß FIG. 1 ist;
FIG. 3 eine ebene Ansicht eines Bereiches einer anderen herkömmlichen Solarzelle ist, bei der eine Durchführung die Vorderfläche mit der Rückfläche der Zelle verbindet;
FIG. 4 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Durchführungsanordnung ist;
Die FIGUREN 5a, 5b und 5c Schnittansichten sind, die aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung einer verbesserten Durchführungsstruktur gemäß der Erfindung zeigen;
FIG. 6 eine Sonnittansicht einer alternativen Durchführungsstruktur gemäß der Erfindung ist;
FIG. 7 eine ebene Ansicht ist, die einen Teil der Rückfläche einer Solarzelle mit einer Durchführungs-Kontaktplatte zeigt und
FIG. 8 ein Flußdiagramm eines Herstellungsverfahrens für eine Durchführung gemäß der Erfindung ist.
Die gegenwärtige Erfindung weicht deutlich von der herkömmlichen Methode zur Bildung von Durchführungen ab. Anstatt einfach eine dielektrische Beschichtung über eine Durchführungsöffnung zu schaffen, um die leitfähige Schicht des Substrates zu isolieren, kapselt sie die Durchführungsöffnung vollständig oder teilweise ein und schließt diese ab. Eine neue, engere Öffnung durch das Dielektrikum wird dann erzeugt, und dies liefert die Basis für die leitfähige Beschichtung. Das Einkapselungsverfahren erlaubt dickere dielektrische Schichten, die die Probleme von rauhen Durchführungswänden vermeiden, und verbreitert den Bereich von dielektrischen Materialien, die verwendet werden können, so daß Materialien mit besserer Haftung und besseren Isoliereigenschaf ten für die jeweilige Anwendung verwendet werden können.
Das Herstellungsverfahren für eine Ausführung der Erfindung ist in den FIGUREN 5a-5c dargestellt. Es ist eine Solarzelle gezeigt, jedoch ist die Erfindung gleichfalls auf andere Arten von elektrischen Schaltungspackungen anwendbar, bei denen eine Durchführung zwischen gegenüberliegenden Flächen erforderlich ist.
Ein Solarzellensubstrat 34 ist mit einer aktiven, auf seiner oberen Fläche (Frontfläche) erzeugten Schicht 36 dargestellt. Eine Durchführungsöffnung 38 durch das Substrat wird in herkömmlicher Weise durch ein Laserschneidverfahren erzeugt, bei dem der Substratblock unter einem gepulsten YAG-Laser bewegt wird, um eine Durchführungsöffnung der gewünschten Größe und Form zu erzeugen. Die Durchführungswände 40 können relativ rauh sein (die Rauhigkeit ist in den Zeichnungen übertrieben), wie bei herkömmlichen Durchführungen.
Statt ein starkes chemisches Ätzmittel zu verwenden, um die Durchführungswände zu glätten, wird an diesem Punkt die rauhe Öffnung mit einem dielektrischen Material 42 eingekapselt, das die Öffnung abschließt und sich über die Oberfläche des Substrates auf beiden Seiten erstreckt. Um diese Einkapselung zu erreichen, ist das Dielektrikum vorzugsweise eine Flüssigkeit, die zu einer festen Form ausgehärtet werden kann, nachdem sie auf die Durchführungsöffnung angewendet wurde. Das flüssige Dielektrikum kann auf die Durchführungsöffnung in Tropfen von jeder Seite aufgebracht werden, im Siebdruck aufgebracht werden oder auf die gesamte Zelle aufgebracht werden, wobei sich ein photolithographisches Entfernen außer in der Umgebung der Durchführung anschließt. Ein additiver Prozeß, wie das Aufbringen des Dielektrikums mit einem Tropfer nur dort wo es notwendig ist, ist allgemein bevorzugt, da er weniger Herstellungsschritte erfordert als die photolithographische Mustererzeugung, die bei einem subtraktiven Prozeß erforderlich ist, bei dem das Dielektrikum das vollständige Substrat beschichtet und dann entfernt wird, außer in den gewünschten Gebieten. Der letztgenannte Prozeß würde allgemein das Aufbringen einer lichtempfindlichen Abdeckung auf den gewünschten Flächen auf der Vorder- und Rückfläche des Substrates erfordern, gefolgt von einem Tauchen des Substrates in einen Entwickler, um das belichtete Dielektrikum zu entfernen, sowie ein anschließendes Abwaschen der lichtempf indlichen Schicht. Es hat sich gezeigt, daß Polyimid als dielektrisches Material allgemein bevorzugt ist, insbesondere für eine GaAs/Ge-Solarzelle. Polyimide erfordern nur einen herkömmlichen Wärmebehandlungsschritt zur Aushärtung zu einem Festkörper, zeigen eine gute Haftfähigkeit zu Germanium und können photolithographisch bemustert werden, falls diese Art der Anwendung erwünscht ist. Ein geeignetes Polyimid ist Dupont PI-2610D, das bis zu ungefähr 600ºC stabil ist.
Es können auch andere aushärtbare flüssige Dielektrika verwendet werden, die der Substratform und dem Abschließen der Durchführungsöffnung entsprechen, obwohl solche häufig in der Praxis eine oder mehrere Einschränkungen bei ihrer Benutzung bedeuten. Z.B. können verschiedene Arten von Epoxidharzen verwendet werden, die durch einen Tropfer oder durch einen Siebdruckprozeß aufgebracht werden können, jedoch gibt es Probleme mit ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und mit ihrer thermischen Unbeständigkeit sowie Umweltprobleme.
Im nächsten Schritt des Herstellungsprozesses wird eine zweite, engere Öffnung 44 durch das dielektrische Material 42 innerhalb der Durchführungsöffnung 40 erzeugt. Das dielektrische Material wird teilweise ausgehärtet, um die Entfernung von Dielektrikum von dem Substrat außer in der Nachbarschaft der Durchführung zu erleichtern, wenn das Dielektrikum anfangs durch Tropfen aufgebracht wird. Es wird dann vollständig in einer abschließenden Wärmebehandlungsfolge ausgehärtet, nachdem die unerwünschten Teile entfernt wurden, jedoch bevor die innere Öffnung 44 erzeugt wird. Falls das Dielektrikum durch einen additiven Prozeß, wie etwa Tropfenaufbringung oder Siebdrucken aufgebracht wird, kann es vollständig in einem einzigen Schritt ausgehärtet werden, bevor die Öffnung 44 erzeugt wird.
Wie bei der anfänglichen Durchführungsöffnung 38 kann ein Laserschneiden verwendet werden, um die innere Öffnung 44 zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, daß sich bei der Verwendung von Polyimid als dielektrisches Material beim Laserschneiden eine Öffnung mit erheblich glatteren Wänden erreichen läßt als beim Halbleitersubstrat 34. Die Dicke des Dielektrikums innerhalb der Durchführungsöffnung 38 wird teilweise von dem Durchmesser der anfänglichen Durchführungsöffnung 38 abhängen (typischerweise ungefähr 0,25-0,5 mm), sowie von der Fähigkeit des dielektrischen Materials, das offene Gebiet einzukapseln, ohne dabei übermäßig ausgedünnt zu werden. Auf jeden Fall wird die Dicke des Dielektrikums innerhalb der Durchführungsöffnung 38 deutlich größer gemacht als die typische Dicke vön 1 Mikrometer bei herkömmlichen Durchführungsstrukturen mit dielektrischen Beschichtungen, die durch CVD aufgebracht sind. Das Erreichen dieser größeren Dicke der dielektrischen Schicht stellt eine Versicherung gegenüber Nadellöchern und anderen Gebieten mit niedrigem Widerstand im Dielektrikum dar.
Der letzte Schritt bei der Herstellung der Durchführung ist in FIG. 5c dargestellt. Eine Metallisierungsschicht 46 wird auf die Oberfläche des Dielektrikums 42 typischerweise durch ein herkömmliches Aufdampfverfahren aufgebracht. Auf der Rückseite des Substrates erstreckt sich die Metallisierung 46 über das Dielektrikum, jedoch endet es kurz vor der rückwärtigen Oberfläche des Substrates, wodurch somit jeglicher Kurzschluß zwischen der Metallisierung und der rückwärtigen Fläche vermieden wird. Obwohl in FIG. 5c nicht dargestellt, könnte sich das Dielektrikum allgemein über einen zusätzlichen Bereich der rückwärtigen Substratoberfläche auf einer Seite der Durchführung erstrecken, um eine Basis für einen Durchführungskontaktanschluß zu bilden.
Auf der Vorderfläche des Substrates erstreckt sich die Durchführungsmetallisierung 46 über dem Dielektrikum und darüber hinaus, um einen elektrischen Kontakt mit der Vorderfläche der aktiven Schicht 36 zu bilden. Zu diesem Zweck ist die Metallisierung 46 vorzugsweise integral mit dem Anschlußstreifen oder Ring des Leiter-Netzwerkes an der Vorderfläche in einem einzigen Verdampfungsschritt aufgebracht, wodurch der Herstellungsprozeß somit vereinfacht wird. Auf diese Weise wird das Spannungssignal, das sich an der Vorderfläche der Zelle entwickelt, durch die Zelle über die Metallisierung zu der Rückseite hindurchgeführt, wo es zur coplanaren Kontaktierung zusammen mit dem Potential der rückwärtigen Fläche zur Verfügung steht.
Obwohl eine vollständige Einkapselung der Durchführungsöffnung gemäß der Darstellung in FIG. 5a als die ideale Situation angesehen wird, kann in der Praxis das dielektrische Material für bestimmte Durchführungsabmessungen nicht ausreichend viskos sein, und es kann sich ergeben, daß das Dielektrikum dazu neigt, sich innerhalb der Durchführungsöffnung auszudünnen. In diesem Fall kann vorteilhaft eine alternative Durchführungsgeometrie verwendet werden, die in FIG. 6 dargestellt ist. Bei dieser Ausführung ist die Dicke des aktiven Bereiches 36 in bezug auf das Substrat 34 zum Zwecke der Erläuterung übertrieben dargestellt. Die Durchführung besteht aus zwei schrägen Öffnungen 48a und 48b, die sich in die Zelle von deren gegenüberliegenden Seiten aus erstrecken. Die schrägen Öffnungen sind koaxial und etwas voneinander beabstandet, mit einem engeren axialen Durchlaßweg 50, der sie verbindet. Eine dielektrische Schicht 52, vorzugsweise Polyimid für eine GaAs/Ge-Zelle, beschichtet die Wände der Durchführungsöffnung und erstreckt sich etwas nach außen über die Vorderfläche und die Rückfläche der Zelle. über die dielektrische Schicht erstreckt sich eine Metallisierungsschicht 54, um einen Kontakt mit dem aktiven Zellbereich 36 auf der Vorderfläche zu bilden, und endet auf der dielektrischen Schicht vor der exponierten Substratfläche auf der Rückseite. Die Metallisierung 54 ist typischerweise ungefähr 5 Mikrometer dick. Es ist ein rückwärtiger Kontaktfilm 56 dargestellt, der die dielektrische Schicht 52 umgibt und davon beabstandet ist, obwohl sich theoretisch der rückwärtige Kontaktfilm 56 bis zur Kante des Dielektrikums 52 erstrecken könnte, solange ein elektrischer Kontakt mit der Durchführungsmetallisierung 54 vermieden wird. Die Grenze zwischen den ndotierten und den p-dotierten Bereichen des aktiven Bereiches 36 ist durch die Ziffer 58 dargestellt.
Die Anordnung gemäß FIG. 6 hat den Vorteil, daß sie mit einem Dielektrikum, wie etwa Polyimid, geformt werden kann, das nicht vollständig viskos ist, um eine Durchführung von herkömmlichen Abmessungen vollständig einzukapseln. Und dennoch bietet diese deutliche Vorteile bei der Isolierung der Spannung auf der Durchführungsmetallisierung 54 gegenüber dem Substrat.
Bei der Aufbringung entweder durch Tauchen oder durch Tropfenanwendung kann die Dicke des Polyimides in dem Schräggebiet wenigstens ungefähr 2 Mikrometer betragen, was das Zweifache der Dicke einer herkömmlichen durch CVD aufgebrachten SiO&sub2;-Schicht ist. Die Dicke von SiO&sub2; ist typischerweise durch Zugspannungen begrenzt, die zu Rißbildung und anschließender Kurzschlußbildung bei Dicken führen kann, die größer als 1 Mikrometer sind. An den übergängen 60a und 60b zwischen den schrägen Öffnungen und der Vorderfläche bzw. der Rückfläche der Zelle bildet das Dielektrikum einen stumpfen Winkel, was zu einer deutlich geringeren Anfälligkeit gegenüber Rißbildung und somit gegenüber ein Zusammenbrechen des Widerstandes führt, als dies bei herkömmlichen Durchführungen der Fall war, bei denen der Winkel erheblich näher an 90º lag.
Die Außendurchmesser der schrägen Öffnungen 48a, 48b liegen allgemein ungefähr bei 1 - 1,5 mm, wobei der Durchmesser der inneren Substratöffnung, die durch die Substratwand 50 begrenzt ist, üblicherweise ungefähr 0,5 mm beträgt und die Dicke des inneren Durchlaßweges durch das Dielektrikum 52 zwischen den beiden schrägen Öffnungen ungefähr 0,25 mm beträgt. Somit kann die gesamte Durchführungsstruktur derart hergestellt werden, daß sie eine geringere Zellenfläche als herkömmliche Durchführungen einnimmt und dennoch eine verläßlichere elektrische Isolierung zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Zelle gewährleistet.
In FIG. 7 ist eine ebene Ansicht der rückwärtigen Zellfläche in der Nähe der Durchführung für die Ausführungen gemäß der FIGUREN 5a-5c oder gemäß FIG. 6 dargestellt. Die rückwärtige Durchführungsöffnung 66 ist von der Durchführungsmetallisierung 68 umgeben, die sich über die Durchführung hinaus erstreckt und sich über die rückwärtige Fläche der Zelle als Kontaktfläche 70 erstreckt. Die gesamte rückwärtige Durchführungsmetallisierung einschließlich der Kontaktfläche 70 ist gegenüber der rückwärtigen Zellenoberfläche durch die dielektrische Schicht isoliert (nicht dargestellt). Der rückwärtige metallische Kontaktfilm 56 umgibt die Durchführungsmetallisierung, ist jedoch gegenüber der Metallisierung zurückgesetzt, um jeglichen elektrischen Kontakt damit zu vermeiden. Ein rückwärtiger Zellenkontakt kann an irgendeiner beliebigen Stelle auf der rückwärtigen Kontaktfilmfläche 56 gebildet werden.
FIG. 8 ist ein Flußdiagramm der Herstellung, in der ein Herstellverfahren für die schräge Durchführungsstruktur gemäß FIG. 6 erläutert wird. Im ersten Schritt 72 wird der aktive Bereich auf dem Halbleitersubstrat erzeugt und dotiert, um die Basis der Photozelle herzustellen. Im Falle einer GaAs/Ge-Zelle kann der aktive Bereich dann maskiert werden, falls gewünscht. Jedoch ist dies normalerweise nicht notwendig, da keine Glättung der Durchführungsöffnung mit den entsprechenden aggressiven Ätzmitteln erforderlich ist. Zu dieser Zeit kann das Substrat auch ausgedünnt werden, um das Endgewicht der Zelle zu reduzieren, falls erwünscht.
Als nächstes wird im Schritt 74 die innere Öffnung 50 durch die gesamte Zelle geformt, einschließlich sowohl der aktiven Schicht als auch des Substrates. Sie wird durch Laserschneiden hergestellt. Dann wird im Schritt 76 ein runder Schneidkopf verwendet, um eine Schräge auf jeder Seite der Zelle, verbunden mit der inneren Öffnung 50, zu erzeugen. Falls zuvor eine Maske über der aktiven Schicht gebildet wurde, so würde diese entfernt, wenn die Schrägen fertiggestellt sind. Das Dielektrikum wird als nächstes im Schritt 78 über die Durchführungsöffnung aufgebracht. Wie oben beschrieben, kann dies entweder durch Träufeln, Tropfenanwendung, Siebdrucken oder auf eine andere herkömmliche Weise erfolgen. Wenn das Dielektrikum anfangs aufgebracht ist, überbrückt es vollständig die innere Öffnung, um die Durchführung zu verschließen. Dies ist durch die gestrichelten Linien 80 in FIG. 6 dargestellt. Das Dielektrikum wird dann im Schritt 82 ausgehärtet, gefolgt von der Bildung einer 5ffnung durch die Brücke des Dielektrikums im Schritt 84. Diese Öffnung wird vorzugsweise in einer Laserschneidoperation mit einem Laser erzeugt, der auf ungefähr 0,025 mm fokussiert ist und verwendet wird, um eine Öffnung im Dielektrikum von ungefähr 0,25 mm im Durchmesser zu erzeugen.
Als nächstes wird die Metallisierungsschicht aufgebracht. Dies geschieht, indem zunächst die gesamte Zelle außer den Bereichen, in denen die Metallisierung erwünscht ist, mit einer lichterripfindlichen Schicht im Schritt 86 beschichtet wird. Das Muster der lichtempfindlichen Schicht weist vorzugsweise sowohl an der Vorderseite als an der Rückseite Kontaktmetallisierungen zur selben Zeit wie die Durchführungsmetallisierung auf. Das Metall wird dann im Schritt 88 auf die Zelle aufgedampft, gefolgt von der Entfernung der lichtempfindlichen Schicht und der darüberliegenden Metallisierung im Schritt 90.
Die Funktion der Solarzelle ist nun vollständig. Falls Mehrfachzellen auf einem gemeinsamen Wafer gebildet werden, werden die einzelnen Zellen nun eingekapselt und getestet.
In dem gerade beschriebenen Verfahren wird der aktive Bereich hergestellt, bevor eine Durchführungsöffnung gebildet wird, ohne daß man sich um einen Schutz des aktiven Bereiches gegenüber Ätzmitteln kümmern muß, die zuvor verwendet wurden, um die Durchführungsöffnungen zu glätten. Alternativ könnte der aktive Bereich gebildet werden, nachdem die Durchführung hergestellt ist. In diesem Falle wäre es grundsätzlich erwünscht, die Substratoberfläche zu maskieren, um ihre Beschädigung während der Herstellung der Durchführung zu vermeiden. Solch eine Maske müßte lediglich einen mechanischen Schutz für die Substratoberfläche gewährleisten, da keine starken Ätzmittel verwendet werden, die die Maskierung degradieren könnten.
Die sich ergebende Durchführungsstruktur führt zu einer deutlichen Verbesserung beim Leckwiderstand im Vergleich zu herkömmlichen coplanar kontaktierten Solarzellendesigns. An dem Durchführungsdesgin gemäß FIG. 6 wurden an einer GaAs/Ge- Zelle mit einer Polyimid-Beschichtung von ungefähr 2 Mikrometer Dicke in den schrägen Gebieten durchschnittliche Wirkungsgrade von ungefähr 17 % und ein Spitzenwirkungsgrad von ungefähr 18,5 % bei 28ºC bei einer Luftmasse von Null gemessen. Soweit es der Anmelderin bekannt ist, wurden die einzigen herkömmlichen coplanar kontaktierten GaAs/Ge-Solarzellen von Applied Solar Energy Corporation hergestellt, und diese verwendeten ein Umwickeln anstelle von "Durchführungskontaktierung" zwischen der Vorderseite und der Rückseite. Es wird davon ausgegangen, daß die Wirkungsgrade dieser Anordnungen im Bereich von 15 % bis 16 % lagen.
Der gemessene Leckwiderstand der Testeinrichtungen der Anmelderin lag durchschnittlich bei 2 Megaohm, was erheblich größer als die 300 Ohm ist, die bei herkömmlichen Durchführungen typisch sind. Der niedrigste gemessene Widerstandswert der Testeinrichtungen war 360 Ohm, was immer noch genug ist, um die Verluste bei weniger als 0,7 % zu halten. Es wurde ferner festgestellt, daß die Testeinrichtungen eine gute mechanische Integrität und eine deutlich vergrößerte Zugfestigkeit als herkömmliche Einrichtungen mit aufgeschweißten Kupferkontakten aufwiesen.
Zusammenfassend sind eine elektrische Durchführungsanordnung und ein Herstellverfahren beschrieben, die besonders geeignet sind, um Solarzellen coplanar zu kontaktieren, wobei eine Anfangsöffnung 38, 48a, 48b durch das Substrat beschichtet wird und mit einem dielektrischen Material 42, 52, 80 weitgehend abgeschlossen wird. Dann wird eine innere Öffnung 44 durch das Dielektrikum erzeugt, und die Durchführung wird mit einer leitfähigen Beschichtung 46, 54 versehen. Das Dielektrikum wird anfangs in einem flüssigen Zustand aufgebracht und danach zu einem Festkörper ausgehärtet. Die Notwendigkeit für starke chemische Ätzmittel zur Glättung der Durchführungsöffnung vor der Anwendung des Dielektrikums und vor der Metallisierung wird eliminiert, und ein Polyimid-Dielektrikum auf einer GaAs/Ge- Solarzelle hat zu einer deutlichen Verbesserung beim Leckwiderstand und beim Zellenwirkungsgrad geführt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Durchführung durch eine elektrische Schaltungspackung, die ein Halbleitersubstrat (34) mit gegenüberliegenden Seiten aufweist, umfassend die Schritte:

Herstellen einer ersten Öffnung (38, 48a, 48b) durch das Substrat (34) durch Laserschneiden,

Beschichten der ersten Öffnung (38, 48a, 48b) mit einem dielektrischen Material (42, 52, 80), das die Öffnung verschließt,

Herstellen einer zweiten Öffnung (44) durch das dielektrische Material (42, 52, 80), und

Beschichten des dielektrischen Materials (42, 52, 80) mit einem leitfähigen Material (46, 54), das sich zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Substrates (34) erstreckt, wobei das leitfähige Material (46, 54) von dem Substrat (34) durch das dielektrische Material (42, 52, 80) isoliert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das dielektrische Material (42, 52, 80) ein Material umfaßt, das in einem nichtausgehärteten Zustand flüssig ist, jedoch zu einem Festkörper aushärtbar ist, wobei das dielektrische Material (42, 52, 80) verwendet wird, um die erste Öffnung (38, 48a, 48b) in seinem nichtausgehärteten flüssigen Zustand zu beschichten und weitgehend zu verschließen und danach zu seinem festen Zustand ausgehärtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungspackung eine Solarzelle mit einer Vorderseite und einer Rückseite umfaßt, mit vorderen und rückwärtigen elektrischen Kontaktschichten, die die Vorderseite bzw. die Rückseite kontaktieren, wobei die leitfähige Beschichtung (46, 54) und die vordere elektrische Kontaktschicht (54) gleichzeitig als eine einheitliche leitfähige Schicht (54) hergestellt werden.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den zus zusätzlichen Schritt der Herstellung der zweiten Öffnung (44) durch Laserschneiden.

5. Elektrische Packungsdurchführung hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend:

- ein Halbleitersubstrat (34) mit gegenüberliegenden Seiten,

- eine Durchführungsöffnung (38, 48a, 48b) durch das Substrat (34) zwischen den gegenüberliegenden Seiten,

- eine dielektrische Beschichtung (42, 52) auf den Wänden (40) der Durchführungsöffnung (38, 48a, 48b) und

- eine leitfähige Beschichtung (46, 54) auf der dielektrischen Beschichtung (42, 52), die gegenüber dem Substrat (34) durch die dielektrische Beschichtung (42, 52) elektrisch isoliert ist und eine elektrische Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Substrates (34) schafft, wobei die Dicke der Wände der gegenüberliegenden Beschichtung (42, 52), die der leitfähigen Beschichtung (46, 54) zugewandt sind, Durchmesservariationen der Wände (40) der Durchführungsöffnung (38, 48a, 48b) kompensiert, die durch Laserschneiden herbeigeführt sind, wobei das Dielektrikum (42, 52) eine ausgehärtete Festkörperform eines Materials umfaßt, das in seiner nichtausgehärteten Form flüssig ist.

6. Elektrische Packungsdurchführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungsöffnung (48a, 48b), die dielektrische Beschichtung (52) und die leitfähige Beschichtung (54) entsprechende Schrägprofile (48a, 48b) aufweisen, die den gegenüberliegenden Substratseiten zugewandt sind.

7. Elektrische Packungsdurchführung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägprofile (48a, 48b) koaxial voneinander beabstandet sind, wobei sich die dielektrische und die leitfähige Beschichtung (52, 54) zwischen den Schrägprofilen (48a, 48b) durch eine innere Öffnung (50) in dem Substrat (34) erstrecken, die wesentlich enger als die Breite der Schrägprofile (48a, 48b) in der Nähe der gegenüberliegenden Substratseiten ist.

8. Elektrische Packungsdurchführung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Beschichtung (52) wesentlich größer in der inneren Öffnung (50) als in den Schrägprofilen (48a, 48b) ist.

9. Coplanare Solarkontaktzelle, umfassend:

- eine Zelle mit einander gegenüberliegender Vorderseite und Rückseite, wobei die Zelle aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das in seiner Leitfähigkeit eine Diskontinuität aufweist, um als Reaktion auf eine Sonnenbestrahlung eine Spannung zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten zu erzeugen,

- ein rückwärtiges elektrisches Kontaktmittel (56) zur Kontaktierung der Rückseite,

- ein vorderes elektrisches Kontaktmittel (54), das die Vorderseite kontaktiert und

- eine elektrische Durchführung, die sich von dem vorderen elektrischen Kontaktmittel (54) zu der Rückseite erstreckt, um eine coplanare elektrische Kontaktierung der Vorderfläche und der Rückfläche zu erlauben,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Durchführung eine elektrische Durchführung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ist, wobei das Substrat (34) die Solarzelle umfaßt und

- daß die elektrische Beschichtung (46, 54) mit dem vorderen elektrischen Kontaktmittel (54) verbunden ist und gegenüber dem rückwärtigen elektrischen Kontaktmittel (56) elektrisch isoliert ist und ferner

- Mittel (68, 70) auf der rückwärtigen Zellfläche vorgesehen sind, um einen elektrischen Kontakt zu der leitfähigen Beschichtung (46, 54) herzustellen.

10. Coplanare Solarkontaktzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Beschichtung (46, 54) eine Verlängerung der vorderen elektrischen Kontaktmittel (46, 54) umfaßt.