EP2976791A1 - Back contact solar cell and method for the producation thereof - Google Patents

Back contact solar cell and method for the producation thereof

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Publication number
EP2976791A1
EP2976791A1 EP14712259.2A EP14712259A EP2976791A1 EP 2976791 A1 EP2976791 A1 EP 2976791A1 EP 14712259 A EP14712259 A EP 14712259A EP 2976791 A1 EP2976791 A1 EP 2976791A1
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EP
European Patent Office
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aluminum
layer
aluminum layer
solder
silicon
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14712259.2A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dirk EBERLEIN
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2976791A1 publication Critical patent/EP2976791A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/05—Electrical interconnection means between PV cells inside the PV module, e.g. series connection of PV cells
    • H01L31/0504—Electrical interconnection means between PV cells inside the PV module, e.g. series connection of PV cells specially adapted for series or parallel connection of solar cells in a module
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    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for back contact of semiconductor devices with a substrate consisting essentially of silicon, wherein on the back of the substrate at least partially an aluminum layer to form a silicon-doped aluminum layer with a eutectic of silicon and aluminum and an aluminum-doped silicon layer is applied as sudréfeid (English Back-surface-field, BSF).
  • a back-contacting semiconductor device is also already provided, which can be produced by the said method.
  • a large-area aluminum layer which is subjected to a sintering process by heat treatment during the production of a solar line, is usually located on the rear side of a silicon solar cell, whereby at the same time a passivation of the solar line rear side by a so-called back side field (BSF) is created.
  • BSF back side field
  • the aluminum layer which is in direct contact with the silicon substrate, is fused at the interface between the aluminum layer and the silicon substrate and alloyed with the adjacent silicon substrate.
  • the aluminum layer Upon cooling solidifies a highly doped with Al
  • Silicon layer epitaxially on the back of the wafer, so the substrate.
  • a silicon-enriched Al layer solidifies on the Al layer, and at the end of the cooling process, an Al-Si eutectic solidifies between the highly aluminum-doped layer and the silicon-enriched layer.
  • the highly aluminum-doped silicon layer is responsible. Due to the high Al doping is in Halbleitermateria! the layer formed an excess of negatively charged, fixed Al acceptors, of which a minor field carrier driving back electric field is generated, the so-called. BSF.
  • soldering problem since it is not readily possible, for. B. tinned or non-tinned metal connectors, in particular copper connector on the aluminum back directly to solder.
  • silver contact traces or solder pads are applied directly to the substrate surface by screen printing, pad printing or other suitable printing and soldered to this tinned copper tapes with a Lotummantelung (usually a tin alloy).
  • Microrissen come, which lead to a lower durability of the solder joint and can also have higher contact resistance, or the compound can tear off as a whole and the mechanical and electrical
  • US 2011/0065231 A1, US 2011/272453 A1, US 2011/204126 A1, US 2011/132451 A1 and US 2008/308892 A1 disclose methods based on ultrasound-assisted soldering with tin -based solders based on the aluminum layer of the solar cell.
  • the problem here is the mechanical strength of the solder joints achieved in this way. In many cases, even a slight load causes a break in the aluminum layer.
  • a method for back side contacting of semiconductor devices with a substrate consisting essentially of silicon wherein on the back of the substrate at least partially an aluminum layer to form a Siiicium doped aluminum layer (first intermediate layer) with a eutectic of Siiicium and aluminum and an aluminum-doped silicon layer ⁇ second intermediate layer) is applied as the back surface field (BSF), with the following steps:
  • a significant advantage of the method according to the invention is based on the fact that compared with the methods known from the prior art, a work step can be saved, which leads to a cost reduction in the production of semiconductor devices.
  • a wetterer advantage is based on the fact that a possibility is created on aluminum in the
  • soldering soldering and beyond by the compression or Compression of the aluminum the adhesive force of the solder joint is substantially increased.
  • the reduction of the porosity is preferably achieved by applying ultrasound to the regions provided for the electrical contacting.
  • This Ultraschallbeierschlagung can be additionally supported by a pressurization.
  • pressurization means any process which makes it possible to compress the aluminum at the soldering point and thus compact the aluminum layer in this area.
  • this includes pressurization by the application of force with an ultrasound probe on the probe
  • pressure ranges can be used which allow compression of the aluminum at the soldering point and thus a compression of the aluminum layer in this area.
  • This pressure force per area of the semiconductor component
  • This pressure is preferably in the range from 0.001 bar (N / mm 2 ) to 20 bar, preferably from 0.01 bar to 2 bar and particularly preferably from 0.05 bar to 1 bar
  • Pressurization applied force is preferably in the range up to a maximum of 30 N, preferably up to 15 N and more preferably up to 10 N.
  • a very particularly preferred range is from 0.1 to 6 N.
  • the solder may penetrate only the aluminum layer, and with a force of about 2 to 4 H, the first and second intermediate layers may additionally be penetrated by solder and at a force of 4 to 6, the solder can be driven to the back side panel (BSF). It is further preferred that the immanent on the surface of the aluminum layer oxide layer is broken at least partially mechanically by the action of ultrasound.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides that the reduction of the porosity by the driving of the solder into the aluminum layer and penetration of the aluminum layer to the intermediate layer by the solder in the areas provided for the electrical contacting takes place.
  • the mechanical breaking of the oxide layer and the penetration of the aluminum layer with the solder occur simultaneously.
  • the soldering process is preferably selected from the group consisting of
  • the material of the solder is preferably selected from the group consisting of tin, zinc, bismuth, lead, silver or alloys thereof.
  • the deposition of the aluminum layer on the semiconductor device may be performed according to methods known in the art.
  • the application by an aluminum paste can be done as well as by screen printing, LFC (laser fired contact, LFC), by physical vapor deposition (PVD), by LFC-PVD or by means
  • a back-contacting semiconductor device with a silicon substrate, a backside aluminum layer and, arranged therebetween, a silicon-doped aluminum layer is also used
  • First intermediate layer provided with a eutectic of silicon and aluminum and an aluminum doped Stlicium Anlagen (second intermediate layer) as the back surface field (BSF), wherein the aluminum layer is at least partially contacted with an electrical conductor with a solder and the aluminum layer in the contacting one has lower porosity than in the areas without contact.
  • the aluminum layer is preferably penetrated in the region of the contacting at least partially by the solder, so that there is an electrical connection of the first and / or second intermediate layer and the electrical conductor by the solder.
  • the adhesion between the aluminum layer and the solder is preferably at least 1 N / mm.
  • the adhesion is measured according to DIN EN 50461.
  • the material of the solder is selected from the group consisting of tin, zinc, bismuth, lead, silver or alloys thereof.
  • the rear-contacted semiconductor component can preferably be produced by the method described above.
  • FIG. 1 shows a sectional representation of a first variant of the semiconductor component according to the invention.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a further variant of the semiconductor component according to the invention.
  • FIG. 3 shows a further variant of the semiconductor component according to the invention in a sectional representation.
  • FIG. 4 shows a sectional view of a further variant of the semiconductor component according to the invention.
  • a first embodiment of the semiconductor device according to the invention is shown.
  • a special porous alumina is applied over the entire surface of the wafer, with the exception of the solder pads / solder pads 3.
  • nium paste 2 applied.
  • the aluminum layer fulfills as a second function the formation of the so-called back-surface field (BSF) 2 b as a second intermediate layer.
  • BSF back-surface field
  • a eutectic of aluminum and silicon 2a forms as the first intermediate layer. This is located between the porous aluminum paste 2 and the BSF 2b.
  • the applied aluminum layer remains in a porous state.
  • FIG. 2 shows a further variant of the semiconductor component according to the invention, in which soldering pads are dispensed with in comparison to FIG. 1 and a direct contacting of the flat wire 5 to the aluminum layer is carried out, the aluminum being compacted at the contacted point ,
  • FIG. 3 shows an embodiment of the semiconductor component according to the invention in which a pre-soldering with solder contacts 6 of the aluminum layer is carried out.
  • the pasty aluminum is compressed by this process step, whereby the compaction extends up to the eutectic of aluminum and silicon.
  • the compression of the aluminum thereby selectively increases the adhesive force of the applied solder joints.
  • the electrical coupling is increased because the greatest conductivity is in the eutectic.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the semiconductor component according to the invention, which analogously to FIG. 3 provides for a pre-soldering of the aluminum layer.
  • the solder contacts 6 are driven to the BSF 2b.
  • the compacting of the aluminum selectively receives a further improved adhesive force, as described in Fig. 3, the applied

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Abstract

The invention relates to a method for the back-surface contacting of solar cells having a substrate, which substrate is substantially composed of silicon, wherein an aluminum layer (2) is applied to the back surface of the substrate at least in some regions, an aluminum layer (2a) doped with silicon and having a eutectic of silicon and aluminum and a silicon layer (2b) doped with aluminum as a back surface field (BSF) thereby being formed. The porosity of the aluminum layer is reduced simultaneously with the bonded connection (6) of the solar cell to an electrical conductor (5). The invention further relates to a back contact solar cell that can be produced by means of said method.

Description

RÜCKSEITENKONTAKTIERTE SOLARZELLE UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG  REVERSE CONTACTED SOLAR CELL AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
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 Rückseitenfeid (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. The invention relates to a method for back contact of semiconductor devices with a substrate consisting essentially of silicon, wherein on the back of the substrate at least partially an aluminum layer to form a silicon-doped aluminum layer with a eutectic of silicon and aluminum and an aluminum-doped silicon layer is applied as Rückseitenfeid (English Back-surface-field, BSF). In this case, the porosity of the aluminum layer is reduced simultaneously to the cohesive connection of the semiconductor component to an electrical conductor. According to the invention, a back-contacting semiconductor device is also already provided, which can be produced by the said method.
In der Halbleiterfertigung, insbesondere der Solarzellenproduktion, werden aus Produktionskostengründen gesinderte Metallkontakte auf der Vorder- und/oder Rückseite der Zelle eingesetzt. In semiconductor manufacturing, in particular solar cell production, for reasons of production costs, reduced metal contacts on the front and / or back of the cell.
Üblicherweise befindet sich auf der Rückseite einer Siliciumsolarzelle eine großflächige Aluminiumschicht, die durch Wärmebehandlung während der Herstellung einer Solarzeile einem Sinterprozess ausgesetzt wird, wodurch gleichzeitig eine Passivierung der Solarzeilenrückseite durch ein sogenanntes Rückseitenfeld (BSF) geschaffen wird. A large-area aluminum layer, which is subjected to a sintering process by heat treatment during the production of a solar line, is usually located on the rear side of a silicon solar cell, whereby at the same time a passivation of the solar line rear side by a so-called back side field (BSF) is created.
Beim Sintern wird die Aluminiumschicht, die sich in direktem Kontakt mit dem SÜicumsubstrat befindet, an der Grenzfläche zwischen der Aluminiumschicht und dem Silicumsubstrat aufgeschmolzen und legiert mit dem angrenzenden Siliciumsubstrat. Beim Abkühlen erstarrt eine hoch mit AI dotierte During sintering, the aluminum layer, which is in direct contact with the silicon substrate, is fused at the interface between the aluminum layer and the silicon substrate and alloyed with the adjacent silicon substrate. Upon cooling solidifies a highly doped with Al
Siliciumschicht epitaktisch auf der Rückseite des Wafers, also des Substrats. Simultan dazu erstarrt eine mit Silicium angereicherte AI-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 AI- Dotierung wird im Halbleitermateria! der Schicht ein Überschuss an negativ geladenen, ortsfesten AI-Akzeptoren gebildet, von denen ein die Minoritätsträger zurücktreibendes elektrisches Feld erzeugt wird, das sog. BSF. Silicon layer epitaxially on the back of the wafer, so the substrate. Simultaneously, a silicon-enriched Al layer solidifies on the Al layer, and at the end of the cooling process, an Al-Si eutectic solidifies between the highly aluminum-doped layer and the silicon-enriched layer. For the passivation of the solar cell backside, the highly aluminum-doped silicon layer is responsible. Due to the high Al doping is in Halbleitermateria! the layer formed an excess of negatively charged, fixed Al acceptors, of which a minor field carrier driving back electric field is generated, the so-called. 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 Metall- verbinder, insbesondere Kupferverbinder auf der Aluminiumrückseite direkt anzulöten. Um ungeachtet dessen die erforderliche elektrische Kontaktierung durchzuführen, werden üblicherweise Silberkontaktleiterbahnen oder Lötpads (selektive Siiberkontakte) 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 Soiarzellenrückseitenfläche nicht voll- ständig elektrisch passiviert ist und hierdurch lokal geringere Fotoströme auftreten. Durch eine vollflächige Aluminiummetallisierung erhöht sich die Leer- laufspannung (Uoc) und die Nennspannung (Umpp), wodurch eine höhere Leistung zu erwarten ist. If the aluminum layer extends over the entire back of the solar cell or the substrate, however, there is a soldering problem, since it is not readily possible, for. B. tinned or non-tinned metal connectors, in particular copper connector on the aluminum back directly to solder. In order to perform the required electrical contacting regardless, usually silver contact traces or solder pads (selective Siiberkontakte) are applied directly to the substrate surface by screen printing, pad printing or other suitable printing and soldered to this tinned copper tapes with a Lotummantelung (usually a tin alloy). Consequently, a recess of the aluminum layer is provided in the region of the solder contacts, with the consequence that no BSF can form in this region, so that the solar cell rear side surface is not completely electrically passivated and as a result locally lower photocurrents occur. Full-surface aluminum metallization increases the vacancy rate. running voltage (Uoc) and the nominal voltage (Umpp), whereby a higher performance is expected.
Ein unmittelbares Löten der Kontaktbänder auf der Aluminiumschicht ist aus mehreren Gründen schwer möglich. Ein Grund liegt in der oxidierten Oberfläche der Ai-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 AI-Schicht in Form von aus einzelnen kugelför- migen zusammen gesinterten AI-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.0,2-0,8N 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 An immediate soldering of the contact strips on the aluminum layer is difficult for several reasons. One reason is the oxidized surface of the Ai particles. Another reason is that the aluminum top is not formed coherent due to the sintering process to a sufficient extent. Thus, during the sintering process, an Al layer is formed over the Si-doped alloy layer in the form of single spherical globally sintered Al particles {sintered layer) in which no closed, but rather loosely sintered composite of aluminum is present, depending on of the composition of the aluminum paste or the process parameters during sintering is more or less porous. Nevertheless, if it were possible to solder on this sintered aluminum layer, due to the porosity and consequent instability of the layer, only very little support would be given. This lower hold manifests itself in low peel forces of about 0.2-0.8 N, whereby the sintered layer is torn apart so that the spherical structure of the particles is recognized on both sides of the break-off point. The same thing happens when the solder joint on the aluminum layer is exposed to the shear forces acting in a module under operating conditions. It can be too
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 elektrischeMicrorissen come, which lead to a lower durability of the solder joint and can also have higher contact resistance, or the compound can tear off as a whole and the mechanical and electrical
Kontakt ist vollständig zerstört. Contact is completely destroyed.
Aus der US 2011/0065231 AI, der US 2011/272453 AI, der US 2011/204126 AI, der US 2011/132451 AI und der US 2008/308892 AI sind Verfahren be- kannt, 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. US 2011/0065231 A1, US 2011/272453 A1, US 2011/204126 A1, US 2011/132451 A1 and US 2008/308892 A1 disclose methods based on ultrasound-assisted soldering with tin -based solders based on the aluminum layer of the solar cell. The problem here is the mechanical strength of the solder joints achieved in this way. In many cases, even a slight load causes a break in the aluminum layer.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur elektrischen Kontaktierung hin- sichtlich der mechanischen Festigkeit der Verbindungen zwischen Halbieiter- bauelement und elektrischem Leiter zu verbessern. Based on this, it was an object of the present invention to provide the methods of electrical contacting known from the prior art. visibly improve the mechanical strength of the connections between semi-conductor and electrical conductor.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Halbleiterbaueiement mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. This object is achieved by the method having the features of claim 1 and by the Halbleiterbaueiement having the features of claim 10. The other dependent claims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Halbleiterbauelementen mit einem Substrat, das im wesentlichen aus Siiicium besteht, bereitgestellt, wobei auf der Rückseite des Substrats zumindest bereichsweise eine Aluminiumschicht unter Ausbildung einer mit Siiicium dotierten Aluminiumschicht (erste Zwischenschicht) mit einem Eutektikum von Siiicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht {zweite Zwischenschicht) als Rückseitenfeld (BSF) aufgebracht ist, mit folgenden Schritten: According to the invention, a method is provided for back side contacting of semiconductor devices with a substrate consisting essentially of silicon, wherein on the back of the substrate at least partially an aluminum layer to form a Siiicium doped aluminum layer (first intermediate layer) with a eutectic of Siiicium and aluminum and an aluminum-doped silicon layer {second intermediate layer) is applied as the back surface field (BSF), with the following steps:
• Reduzierung der Porosität der Aluminiumschicht in den für die elektrische ontaktierung vorgesehenen Bereichen zur Verbesserung der Haftung in diesen Bereichen, Reduction of the porosity of the aluminum layer in the areas provided for the electrical ontaktierung to improve the adhesion in these areas,
• zumindest bereichsweises stoffschiüssiges 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. • at least partially materialschiüssiges connecting at least one electrical conductor with the provided for the electrical contacting areas of the semiconductor device by means of a soldering method for producing an electrical contact between the electrical conductor and the first and / or second intermediate layer.
Hierbei erfolgt die Reduzierung der Porosität simultan zu der stoffschlüssigen Verbindung. In this case, the reduction of the porosity takes place simultaneously with the cohesive connection.
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 wetterer Vorteil beruht darauf, dass eine Möglichkeit geschaffen wird, auf Aluminium im A significant advantage of the method according to the invention is based on the fact that compared with the methods known from the prior art, a work step can be saved, which leads to a cost reduction in the production of semiconductor devices. A wetterer advantage is based on the fact that a possibility is created on aluminum in the
Weichlötbereich zu löten und darüber hinaus durch die Komprimierung bzw. Verdichtung des Aluminiums die Haftkraft der Lötstelle wesentlich erhöht wird. Soldering soldering and beyond by the compression or Compression of the aluminum, the adhesive force of the solder joint is substantially increased.
Die Reduzierung der Porosität wird vorzugsweise durch eine Beaufschlagung der für die elektrische Kontaktierung vorgesehen Bereiche mit Ultraschall.The reduction of the porosity is preferably achieved by applying ultrasound to the regions provided for the electrical contacting.
Diese Ultraschallbeaufschlagung kann zusätzlich durch eine Druckbeaufschlagung unterstützt werden. This Ultraschallbeaufschlagung can be additionally supported by a pressurization.
Unter Druckbeaufschlagung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Verfahren zu verstehen, das eine Kompression des Aluminiums an der Lötstelle und damit eine Verdichtung der Aluminiumschicht in diesem Bereich ermöglicht. Hierzu zählt beispielsweise als bevorzugte Variante eine Druckbeaufschlagung durch Kraftausübung mit einer Ultrascha!lsonde auf das For the purposes of the present invention, pressurization means any process which makes it possible to compress the aluminum at the soldering point and thus compact the aluminum layer in this area. For example, as a preferred variant, this includes pressurization by the application of force with an ultrasound probe on the probe
Halbleiterbaulement im Bereich der Lötstelle. Hierbei können kreisförmige oder rechteckige Ultraschallsotroden (bezogen auf die Kontaktfläche der Sonde) eingesetzt werden. Semiconductor construction in the area of the solder joint. In this case, circular or rectangular ultrasonic probes (based on the contact surface of the probe) can be used.
Für die Druckbeaufschlagung können Druckbereiche angewandt werden, die eine Kompression des Aluminiums an der Lötstelle und damit eine Verdich- tung der Aluminiumschicht in diesem Bereich ermöglichen. Dieser Druck (Kraft pro Fläche des Halbleiterbauelements} liegt vorzugsweise im Bereich von 0,001 bar (N/mm2) bis 20 bar, bevorzugt von 0,01 bar bis 2 bar und besonders bevorzugt von 0,05 bar bis 1 bar. Die für die Druckbeaufschlagung angewandte Kraft liegt dabei vorzugsweise im Bereich bis maximal 30 N, bevorzugt bis 15 N und besonders bevorzugt bis 10 N. Ein ganz besonders bevorzugter Bereich liegt von 0,1 bis 6 N. Hierbei kann durch die Einstellung der Kraft bei der Druckbeaufschlagung eingestellt werden, wie weit das Lotmaterial in das Halblelterbaueiement getrieben wird. Beispielsweise kann bei einer Kraft von etwa 0,1 bis 2 N das Lot nur die Aluminiumschicht durchdringen, bei einer Kraft von etwa 2 bis 4 H können zusätzlich die erste und zweite Zwischenschicht mit Lot durchdrungen werden und bei einer Kraft von 4 bis 6 kann das Lot bis zum Rückseitenfeld (BSF) getrieben werden. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die an der Oberfläche der Aluminiumschicht immanente Oxidschicht durch die Einwirkung des Ultraschalls zumindest bereichsweise mechanisch aufgebrochen wird. For pressure application, pressure ranges can be used which allow compression of the aluminum at the soldering point and thus a compression of the aluminum layer in this area. This pressure (force per area of the semiconductor component) is preferably in the range from 0.001 bar (N / mm 2 ) to 20 bar, preferably from 0.01 bar to 2 bar and particularly preferably from 0.05 bar to 1 bar Pressurization applied force is preferably in the range up to a maximum of 30 N, preferably up to 15 N and more preferably up to 10 N. A very particularly preferred range is from 0.1 to 6 N. This can be adjusted by adjusting the force during the pressurization For example, with a force of about 0.1 to 2 N, the solder may penetrate only the aluminum layer, and with a force of about 2 to 4 H, the first and second intermediate layers may additionally be penetrated by solder and at a force of 4 to 6, the solder can be driven to the back side panel (BSF). It is further preferred that the immanent on the surface of the aluminum layer oxide layer is broken at least partially mechanically by the action of ultrasound.
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. A preferred embodiment of the method according to the invention provides that the reduction of the porosity by the driving of the solder into the aluminum layer and penetration of the aluminum layer to the intermediate layer by the solder in the areas provided for the electrical contacting takes place.
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 ausPreferably, the mechanical breaking of the oxide layer and the penetration of the aluminum layer with the solder occur simultaneously. The soldering process is preferably selected from the group consisting of
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. Ultrasonic soldering, ultrasound-assisted soldering, if necessary with pressure variation, and conductive bonding. The material of the solder is preferably selected from the group consisting of tin, zinc, bismuth, lead, silver or alloys thereof.
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 mittelsThe deposition of the aluminum layer on the semiconductor device may be performed according to methods known in the art. Thus, the application by an aluminum paste can be done as well as by screen printing, LFC (laser fired contact, LFC), by physical vapor deposition (PVD), by LFC-PVD or by means
Folienapp!ikation. Folienapp ication!.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein rückseitenkontaktiertes Halbleiterbauelement mit einem Siiicium-Substrat, einer rückseitigen Aluminiumschicht und, zwischen diesem angeordnet, einer mit Silicium dotierten AluminiumschichtAccording to the invention, a back-contacting semiconductor device with a silicon substrate, a backside aluminum layer and, arranged therebetween, a silicon-doped aluminum layer is also used
(erste Zwischenschicht} mit einem Eutektikum von Silicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Stliciumschicht (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. (First intermediate layer) provided with a eutectic of silicon and aluminum and an aluminum doped Stliciumschicht (second intermediate layer) as the back surface field (BSF), wherein the aluminum layer is at least partially contacted with an electrical conductor with a solder and the aluminum layer in the contacting one has lower porosity than in the areas without contact. The aluminum layer is preferably penetrated in the region of the contacting at least partially by the solder, so that there is an electrical connection of the first and / or second intermediate layer and the electrical conductor by the solder.
Die Adhäsion zwischen der Aluminiumschicht und dem Lot beträgt vorzugsweise mindesten lN/mm. Die Adhäsion wird dabei gemäß DIN EN 50461 gemessen. The adhesion between the aluminum layer and the solder is preferably at least 1 N / mm. The adhesion is measured according to DIN EN 50461.
Vorzugweise ist das Material des Lotes ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Bismut, Blei, Silber oder Legierungen hiervon. Preferably, the material of the solder is selected from the group consisting of tin, zinc, bismuth, lead, silver or alloys thereof.
Das rückseitenkontaktierte Haibleiterbaueiement ist vorzugsweise nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar. The rear-contacted semiconductor component can preferably be produced by the method described above.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen. Reference to the following figures, the subject invention is to be explained in more detail without wishing to limit this to the specific embodiments shown here.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine erste Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes. 1 shows a sectional representation of a first variant of the semiconductor component according to the invention.
Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes. 2 shows a sectional view of a further variant of the semiconductor component according to the invention.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes in einer Schnittdarstellung. FIG. 3 shows a further variant of the semiconductor component according to the invention in a sectional representation.
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarsteliung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes. 4 shows a sectional view of a further variant of the semiconductor component according to the invention.
In Fig. 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 Alumi- niumpaste 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 Siücium 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 funktionsfä- hig, 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 In Fig. 1, a first embodiment of the semiconductor device according to the invention is shown. In the production of semiconductor components, for example silicon-based solar cells 1, a special porous alumina is applied over the entire surface of the wafer, with the exception of the solder pads / solder pads 3. nium paste 2 applied. In addition to the removal of the generated majority charge carriers, the aluminum layer fulfills as a second function the formation of the so-called back-surface field (BSF) 2 b as a second intermediate layer. At the same time, a eutectic of aluminum and silicon 2a forms as the first intermediate layer. This is located between the porous aluminum paste 2 and the BSF 2b. In total, three pastes of different pastes are applied to the wafer, after each of these steps the print pastes are heated to 250 ° C to allow the contained solvent to evaporate. At the end of the wafer processing, this is not yet functional, but must be subjected to a "fast firing process" in a last step, the wafer being briefly heated to about 800 ° C. This step serves to produce the semiconductor contact
Prozessierung des Wafers bis zur fertigen Solarzelle bleibt die aufgebrachte Aluminiumschicht in einem porösen Zustand. Processing of the wafer to the finished solar cell, the applied aluminum layer remains in a porous state.
In Fig. 2 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dargestellt, bei dem im Vergleich zu Fig. 1 auf Lötkontaktstellen verzichtet wird und hier eine direkte Kontaktierung des Flachdrahtes 5 auf die Aluminiumschicht durchgeführt wird, wobei das Aluminium an der kontaktier- ten Stelle verdichtet wird. FIG. 2 shows a further variant of the semiconductor component according to the invention, in which soldering pads are dispensed with in comparison to FIG. 1 and a direct contacting of the flat wire 5 to the aluminum layer is carried out, the aluminum being compacted at the contacted point ,
In Fig. 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. FIG. 3 shows an embodiment of the semiconductor component according to the invention in which a pre-soldering with solder contacts 6 of the aluminum layer is carried out. The pasty aluminum is compressed by this process step, whereby the compaction extends up to the eutectic of aluminum and silicon. The compression of the aluminum thereby selectively increases the adhesive force of the applied solder joints. Likewise, the electrical coupling is increased because the greatest conductivity is in the eutectic.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dargestellt, das analog zu Fig. 3 ein Vorbeloten der Alumtnium- schicht vorsieht. In Fig. 4 werden allerdings die Lötkontakte 6 bis zum BSF 2b getrieben. Das Verdichten des Aluminiums erhält punktuell eine nochmals verbesserte Haftkraft, als in Fig. 3 beschrieben, der aufgebrachten FIG. 4 shows a further embodiment of the semiconductor component according to the invention, which analogously to FIG. 3 provides for a pre-soldering of the aluminum layer. In Fig. 4, however, the solder contacts 6 are driven to the BSF 2b. The compacting of the aluminum selectively receives a further improved adhesive force, as described in Fig. 3, the applied
Lötverbindung, sowie den Vorteil der elektrischen Ankopplung im Eutektikum. Kontakt alle Schichten durchdringt (2, 2a, 2b) und somit auch Kontak- Solder connection, as well as the advantage of electrical coupling in the eutectic. Contact all layers penetrates (2, 2a, 2b) and thus also contact

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Halbleiterbauelementen mit einem Substrat (1), das im Wesentlichen aus Siiicium besteht, wobei auf der Rückseite des Substrats zumindest bereichsweise eine Aluminiumschicht (2) unter Ausbildung einer mit Siiicium dotierten Aluminiumschicht (erste Zwischenschicht, 2a) mit einem Eutektikum von Siiicium und Aluminium und einer mit Aluminium dotierten Siliciumschicht (zweite Zwischenschicht, 2b) als Rückseitenfeld (BSF) aufgebracht ist, mit folgenden Schritten: A method for back-side contact of semiconductor devices with a substrate (1) consisting essentially of Siiicium, wherein on the back of the substrate at least partially an aluminum layer (2) to form a Siiicium doped aluminum layer (first intermediate layer, 2a) with a eutectic of Siiicium and aluminum and an aluminum-doped silicon layer (second intermediate layer, 2b) is applied as the back surface field (BSF), comprising the following steps:
* Reduzierung der Porosität der Aluminiumschicht (2) in den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen zur Verbesserung der Haftung in diesen Bereichen, * Reduction of the porosity of the aluminum layer (2) in the areas provided for the electrical contacting in order to improve the adhesion in these areas,
• zumindest bereichsweises stoffschlüssiges Verbinden mindestens eines elektrischen Leiters (5) mit den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereichen des Halbleiterbauelementes mitteis 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. At least partially cohesive bonding of at least one electrical conductor (5) to the areas of the semiconductor component intended for electrical contacting by means of a soldering process to produce an electrical contact between the electrical conductor (5) and the first (2a) and / or second (2b) Interlayer, wherein the reduction of the porosity occurs simultaneously with the cohesive connection.
Verfahren nach Anspruch 1, Method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Porosität durch eine Beaufschlagung der für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Bereiche mit Ultraschall, ggf. mit Druckvariation, erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, characterized in that the reduction of the porosity by applying the intended for electrical contacting areas with ultrasound, optionally with pressure variation takes place. Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die an der Oberfläche der Aluminiumschicht (2) immanente Oxidschicht durch die Einwirkung des Ultraschalls zumindest bereichsweise mechanisch aufgebrochen wird. characterized in that on the surface of the aluminum layer (2) immanent oxide layer is at least partially mechanically broken by the action of ultrasound.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
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. characterized in that the reduction of the porosity by driving the solder into the aluminum layer (2) and penetrating the aluminum layer (2) to the first (2a) and / or second (2b) intermediate layer provided by the solder in the for electrical contacting Areas.
Verfahren nach Anspruch 4, Method according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Aufbrechen der Oxidschicht und das Durchdringen der Aluminiumschicht mit dem Lot simultan erfolgt. characterized in that the mechanical breaking of the oxide layer and the penetration of the aluminum layer with the solder takes place simultaneously.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Lötverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Uitraschalllöten, ultaschallgestütztem Löten, ggf. mit Druckvariation, und leitfähigem Kleben. characterized in that the soldering method is selected from the group consisting of Uitraschalllöten, ultrasound-assisted soldering, optionally with pressure variation, and conductive bonding.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Lotes ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Bismut, Blei, Silber oder Legierungen hiervon. characterized in that the material of the solder is selected from the group consisting of tin, zinc, bismuth, lead, silver or alloys thereof.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht (2) auf dem Halbleiterbauelement pastös, mittels Siebdruck, mittels LFC-Siebdruck, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) mittels LFC-PVD oder mittels Foüenapplikation aufgebracht wurde. characterized in that the aluminum layer (2) on the semiconductor device pasty, by screen printing, by means of LFC screen printing, by means of physical vapor deposition (PVD) by means of LFC-PVD or was applied by Foüenapplikation.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine So! le ist.  characterized in that the semiconductor device is a So! le is.
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) ats 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. Backside-contacted semiconductor device having a silicon substrate, a backside aluminum layer (2) and, interposed therebetween, a silicon-doped aluminum layer {first interlayer, 2a) having a silicon-aluminum eutectic and an aluminum-doped silicon layer (second interlayer, 2b) ats Rückseitenfeld (BSF), wherein the aluminum layer (2} at least partially contacted with an electrical conductor with a solder and the aluminum layer (2) in the contact area has a lower porosity than in the areas without contact.
Ha!bleiterbauelement nach Anspruch 10, Semiconductor component according to claim 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.  characterized in that the aluminum layer (2) is at least partially penetrated by solder in the region of the contacting and by the solder is an electrical connection of the first (2a) and / or second (2b) intermediate layer and electrical conductor (5).
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. Semiconductor component according to one of claims 10 or 11, characterized in that the adhesion between aluminum layer (2) and solder is at least 1 N / mm, measured according to DIN EN 50461.
13. Haibleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 13. semiconductor device according to any one of claims 10 to 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Lotes ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Bismut, Blei, Silber oder Legierungen hiervon. characterized in that the material of the solder is selected from the group consisting of tin, zinc, bismuth, lead, silver or alloys thereof.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13 und herstellbar nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Semiconductor component according to one of Claims 10 to 13 and producible according to one of Claims 1 to 9.
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