JP2010525554A - 基板を精密加工するための方法およびその使用 - Google Patents

基板を精密加工するための方法およびその使用 Download PDF

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Abstract

本発明は、基板を精密加工するための方法に関し、特に、薄層の微細構造の形成、局所的なドーパント導入および金属核形成層の局所的な形成のための方法であって、液体補助レーザー法を実行する、すなわち、適切な反応性液体によって加工される領域が覆われた基板にレーザー照射を行う方法に関する。

Description

本発明は、基板を精密加工するための方法に関し、特に、薄層の微細構造化の形成、局所的なドーパント導入(dopant introduction)および金属核形成層(metal nucleation layer)の局所的な形成のための方法に関する。これは、液体補助レーザー(liquid-assisted laser)法の実行、すなわち、適切な反応性液体によって加工される領域が覆われた基板にレーザー照射を行う方法を意味する。これに従って、液体、レーザー源および方法パラメータを使用する。特に、この方法は、異なったレーザー化学(laser-chemical)を組み合わせて、太陽電池の加工、誘電体層の微細構造の形成、ならびに、同時あるいは連続して、電気的なコンタクト(contacting)を形成するための局所的なドーピング(doping)および核形成層(nucleation layer)のデポジション(deposition)に対して使用される。
太陽電池の製造は、ウエハを精密加工するための非常に多くのプロセスを含んでいる。ここでは、とりわけエミッタ拡散(emitter diffusion)、誘電体層の形成およびその微細構造の形成、ウエハのドーピング、バックコンタクト(rear-side contacting)、ならびに、核形成層の形成およびその増厚化(thickening)を取り上げる。
従来の太陽電池の誘電体層の微細構造の形成において、一般的に焼成プロセスが適用される。このプロセスは、局所的に塗布されたガラスフリット含有印刷ペースト(glass frit containing printing paste)を、約800〜900℃の温度工程によって、その条件下でSiN層とともに燃焼するものである。あるいは、このプロセスは、SiN層をレーザー照射によって局所的に除去し、その結果生じた結晶のダメージを湿式化学法で除去するものである。
マスキング工程の微細構造の形成の場合においては、いくつかの工程において標準的な処理が施される。この処理としては、例えば、レジスタントペースト(resistant paste)の印刷およびその後の湿式化学処理が挙げられる。さらに、マスキングペースト(masking paste)はその後に湿式化学法で除去される。また、フォトリソグラフィによって微細構造の形成が可能になる。ここで、フォトリソグラフィは、感光性材料(light-sensitive varnish)の塗布(噴霧/遠心分離)、シャドーマスク(shadow mask)を通した所望の構造の露光、露光領域(ポジ型材料)あるいは非露光領域(ネガ型材料)の除去、湿式化学法あるいはプラズマ技術を用いることによる開口された領域の誘電体層の除去、湿式化学法による感光性材料の除去の処理を含む。
選択的なエミッタドーピング(emitter doping)の場合、選択的なエミッタはBPソーラー(BP Solar)社で開発された太陽電池において変更されています。チャネルがレーザー照射によってSiNのコーティングされた表面に形成され、その結果として生じたレーザーダメージが湿式化学法で除去され、その後、局所的な高濃度のn型ドーピング(選択的なエミッタ)がPOCl拡散により実行される。
レーザードーピング(laser doping)の概念は、最先端技術(Ametowobla M., Esturo-Breton A., Kohler J. R., Werner J. H.: “Laser Processing of Silicon Solar Cells”, IEEE (2005))を意味している。リン含有物質(phosphorus-containing substance)の閉じた層はウエハ表面に形成され、温度工程の間にリンケイ酸ガラス(phosphorus silicate glass)が形成される。レーザービームの局所加熱手段によって、リンがシリコン内に導入される。リン含有ガラス(phosphorous glass)は、ドーピング工程後に、フッ化水素酸の混合物(hydrofluoric acid mixtures)を用いたエッチング工程で再び除去されなければならない。
標準的な太陽電池の表面コンタクト(front-side contacting)における最新技術は、ガラスフリット(glass frit)を含有し、かつ、コンタクト金属(contact metal)として一般的に銀(silver)やスズ(tin)を含有した金属ペーストを用いた、SiN層の印刷技術である。スクリーン印刷プロセスが重要な印刷技術となっている。金属ペーストの塗布後、このペーストは、まず乾燥せしめられ、有機溶剤が除去され、そして高温(約900℃)で加熱せしめられるようになっている。この焼結工程において、ガラスフリットは、SiN層に衝突し、それを局所的に分解し、その結果シリコン金属コンタクトの形成を可能にする。その後、金属コンタクトが再び電気的に連続的に増厚化され、その表面がはんだ付けされて、表面コンタクトが形成される。
この工程においては、ガラスフリットによって生じる高いコンタクト抵抗(10−3Ωcmより大きい)、ならびに、不動態化層(passivation layers)の質およびシリコン基板の質を低下させるための必要な高いプロセス温度が、欠点となっている。
SiN層を局所的に開口するための従来の選択肢は、湿式化学エッチング法と組み合わせたフォトリソグラフィの使用にある。まず、フォトレジスト層がウエハ上に塗布され、紫外線(UV)露光および現像(development)によって構造が形成されていく。湿式化学エッチング工程は、フッ化水素酸を含有した化学系(chemical system)に依拠する。この系は、フォトレジストが開口された位置においてSiNを除去するものである。この方法の大きな欠点は、多大なる複雑性およびそれに関連するコストである。また、この方法では、商業用の太陽電池の製造に対する十分な処理能力がない。さらに、幾分の窒化物が含まれる場合には、ここで述べた方法は使用することができない。なぜなら、与えられたパラメータウィンドウ(parameter window)内でのエッチング系のエッチング速度は、標準的な湿式化学法の場合には、遅すぎるからである。
この方法におけるシリコンナイトライド(silicon nitride)のダメージフリー(damage-free)の除去の原理は、レーザーパラメータの最適な選択によってレーザービームでシリコンナイトライドが加熱され、それが液体ジェット(liquid jet)において取り込まれたリン酸(phosphoric acid)と反応を起こすという事実に基づいている。シリコンのエミッタ層は、シリコンナイトライド層の下に位置し、数ナノメータの厚さとなっている。そして、この厚さによってガラスフリットの衝突が防止される。
このようにして、シリコンナイトライドのコンタクトポイントは、ここで述べた他の方法を用いる場合よりも、はるかに低コストで開口されている。しかしながら、可能な限りコンタクト抵抗を小さくするという金属コンタクトの問題は、未解決のままである。金属コンタクトの構造は、次のプロセスを経てはじめて完成する。
無電流ニッケルデポジット法(currentless nickel deposition)が現在よく使用されている。これは、多くの長所に基づいてニッケルの電気的なデポジションを行うためのものであり、以下のような側面を有している(Pearlstein, F: Electroless Plating in: “Modern Electroplating”, 3rd edition, Ed.: Frederick Lowerheim, Wiley (1974), 710 - 744)
−露光された領域あるいは端部の形状に応じた特別な処理を施すことなく、より均一なデポジションが可能。
−無電流でデポジットされた(deposited)層は、電気的にデポジットされた層より小さい間隙率を有する。
−電流供給やコンタクトを全く必要としない。これは、電気的なデポジションに関連する重要な技術の単純化を意味している。
−非導電性材料に対するデポジションも可能になる。
−デポジット層(deposited layers)は単一の化学的特性および機械的特性を有する。
ニッケル浴(nickel baths)に必要不可欠な要素は以下の通りである。
1)例えば、NiCl・(xHO)、NiSO・(xHO)などのニッケル塩
2)還元剤(主に次亜リン酸塩(hypophosphite)、HPO 、または例えばBなどのボラン(boranes))
3)1つあるいは複数の有機酸の塩(salts of organic acids)。この塩はNiイオンに対して錯体構造(complex formers)を有し、同時にバッファー(buffers)となる。例えば、様々なクエン酸塩(citrates)、酒石酸塩(tartrates)、乳酸塩(lactates)、酢酸塩(acetates)などが挙げられる。
デポジションプロセスは、次亜リン酸塩の触媒の脱水素化(catalytic dehydrogenation)によって達成される。すなわち、これは、触媒表面にヒドリドイオン(hydride ions)が移動した後に、当該ヒドリドイオンとNi2+イオンとの反応が起こるというものである。
ニッケルの無電流デポジションのための標準的なニッケル浴は、大変不安定なものであり、頻繁にニッケル沈殿(nickel precipitating)が生じる。
無電流ニッケルデポジションの場合、ニッケルで塗布された加工対象製品の表面が、加熱されたニッケル溶液(nickel solution)で浸される。しかしながら、ニッケルのデポジションは、加工対象製品の表面が触媒として作用する領域のみで生じる。標準的な無電流ニッケルデポジションの場合、塗布された領域が異なった金属核形成層で形成され、一般的には、例えばPdやPtなどの白金族(platinum metal)で形成されるようになっている。より経済的な観点から、これに代わるものとして、スズでの核形成がある。
最近の研究においては次のようなことが見出されている。ニッケルの無電流デポジションの間、半導体の表面は、それらが高濃度でドープされて(doped)いるときには触媒として作用し、例えばレーザー光の照射や機械的影響によって引き起こされる局所的な結晶構造のダメージを受け、あるいは、例えば大きな浸透特性(porous property)に起因した非常に大きな有効表面(effective surface)を有する。レーザー光の照射あるいは他の高エネルギー放射により局所的に発生する電子/正孔対が触媒として作用する。
Wang J., Xudong F., Zuzhan Y., Zhao Gらの“Laser-induced selective deposition of Ni-P alloy on silicon, Applied Surface Science 84 (1995) 383 - 389”には、標準的なニッケル浴を多孔質のP型シリコンに用いることによるニッケルのデポジションが開示されている。すなわち、波長がλ=514.5nmで、15〜30時間も連続照射可能な65W/cm〜88W/cmのレーザーパワーを有するArイオンレーザーで、局所的に表面を露出させるようにした。
一つの方法としては、US5、059、449に開示されているように、半導体、金属および絶縁体の表面を無電流の金属層で覆い、例えば次亜リン酸塩などの標準的なリン含有還元剤(phosphorus-containing reduction agents)の使用を回避することが挙げられる。基板表面は金属塩溶液(metal salt solution)を通してレーザー照射される。レーザー光は溶液中で様々な水素化合物(hydrogen compounds)の局所的な熱分解(thermal decomposition)を生じさせる。このようにして生成された水素は、ニッケルに対する還元剤として作用する。ここで、水素源(hydrogen sources)としては、アンモニア(ammonia)およびシクソヘキサノール(cyclohexanol)を用いることが好ましい。
商業的な太陽電池の場合、その表面コンタクトの最も進んだプロセスは、例えばBP Solarex社のSATURN(商標登録)のような、いわゆるBC(埋め込みコンタクト(buried contact))太陽電池を用いることにより、達成される。
リン源としてPOClを用いた標準的なエミッタ拡散、および、その後のPECVD法による反射防止膜(antireflection layer)の塗布によって、最大50μmの深さおよび20〜30μmの幅を有するチャネル(channels)は、エミッタの下に位置するシリコンバルク(silicon bulk)へ乾式レーザービーム(dry laser beam)が通されることにより、該レーザービームで切断される。これによってダメージをうけた材料が、次のエッチング工程において、切断されたチャネルから除去される。第2の拡散工程は、高濃度にドープされた領域(n++)がチャネル内およびウエハ裏面上に形成される途中で行われる。表面の反射防止膜は、ドープ原子(doping atoms)のさらなる導入からフラットなエミッタ(flat emitter)を保護するためのものである。拡散工程後は、リンケイ酸ガラスが、フッ化水素酸を含む溶液を用いたエッチング工程によって、チャネルから除去される。高濃度にドープされたチャネルの壁には、ニッケルの薄膜が層を閉じるように無電流でデポジットされる。チャネルにおける電気的にデポジットされた銅(copper)は、このようにして製造された太陽電池において金属コンタクトとして作用する。
BC太陽電池は、スクリーン印刷コンタクト(screen printing contacts)を用いた標準的な太陽電池と関係しているが、一連の異なる長所を有する(Green M. A., Wenham S. R., Zhao J., Bowden S., Milne A. M., Taouk M., Zhang F.: “Present Status of Buried Contact Solar Cells”, IEEE Transactions on Electron Devices, (1991), 46 - 53)。
1)微細構造の形成手段としてレーザーを使用することにより、スクリーン印刷技術を用いた場合よりも、コンタクトの間に行われる微細な構造形成が可能になる。
2)コンタクトをとるためにチャネルでデポジットされる金属混合物は、銀ペーストで焼成されたコンタクトの場合に比べて高い伝導性を有する。コンタクトでのより高い伝導性は、太陽電池の一連の抵抗を減少させる役割を果たしている。
3)コンタクトによって引き起こされる太陽電池表面のシェーディングロス(shading losses)は、コンタクト面(contact face)が増加したにもかかわらず、減少する。より少ないシェーディングは、同時に回路電流の増加ができることを意味する。
4)コンタクトの周りに高濃度にドープされた領域は、少数電荷キャリヤ(minority charge carriers)に対する効果的な拡散バリアーを形成する。また、この領域は、コンタクト金属として使用され、シリコン太陽電池に大きなダメージを与える銅に対する効果的な拡散バリアーを形成する。
したがって、本願発明の目的は、基板、特にウエハの精密加工のための個々の工程の実施を単純化することであり、それと同時に、これらの工程の精度を上げることである。
この目的は、請求項1に記載された方法によって達成される。さらに、従属請求項は好ましい実施形態を規定したものである。請求項45〜48は本発明に係る方法の使用について言及したものである。
本発明によれば、基板を精密加工するための方法が提示され、基板表面に向けられたレーザービームを基板の加工すべき領域上に誘導し、プロセス用試薬(processing reagent)を含む液体によって基板の加工すべき領域を少なくとも覆うようにする。
本発明に係る方法は、液体補助レーザーに基づくものであり、この適用に関して、異なったプロセス用試薬を含む液体または異なったレーザー源を使用する。好都合なことに、太陽電池の製造のための工程順序はこれらの可能性から生じる。
本発明に係る方法は、基板がプロセス用試薬を含む液体で少なくとも一部の領域を覆われているという事実に基づいたものである。そして、好都合なことに、この領域における液体層の厚みが精密にコントロールされる。それによって、波形的または液体的な動きの発生が妨げられる。レーザービームは、基板のこの領域に向けられ、液体面での反射、屈折、散乱を考慮して、基板に焦点を合わせられている。結果として、熱反応または光化学反応がその照射部分で起こり、金属の局所的な加熱によって局所的な対流電流(convection current)が生じる。それ故、反応薬品に関する交換効率が向上する。
本発明によれば、レーザー光は、さまざまな役割をもっている。第一に、基板表面の衝突点(impingement point)において基板を局所的に加熱することが可能になり、場合によってはその部分を溶融させ、極端な場合にはその部分を消滅させてしまう。加熱された基板の表面で薬品が同時に存在する結果、動力学的に制限されまたは熱力学的に不利である標準条件下では起こらない化学的なプロセスが、活性化され得る。レーザー光の熱的効果に加えて、光活性化(photochemical activation)も可能になる。すなわち、レーザー光が基板表面において例えば電子−正孔対を生じさせ、これらの電子−正孔対がこの領域におけるレドックス反応(redox reactions)の進行を促進し、あるいは初めの段階からレドックス反応を生じさせることを可能にする。
それ故、液体層は、保護ガス雰囲気(protective gas atmosphere)下でのレーザー法に比べて、強い局所的な対流電流による急速な液体交換や効率的な冷却を可能にする。
レーザービームおよび液体レーザーが一緒になることにより、新しい加工手段が形成される。この加工手段は、その組み合わせにおいて、原則的に、それを個々に含む系よりも優れている。
微細構造の形成、ドーピング、またはシリコン太陽電池の金属化(metallisation)の間に生じる全ての化学的なプロセスは、高温で行われる。これは、逆の言い方をすれば、この目的のために必要とされる薬品が、標準条件下では全く反応しないかまたはごくわずかしか反応しないことを意味している。
SiNXは、主にシリコン太陽電池の反射防止層として使用される。SiNXは、非常に高い温度(150℃を超える温度)において、たった数百nm〜数μm/時の非常に遅いエッチング速度で、それ自体がエッチングされる。衝突するエッチング粒子は、一般的には陽子である。陽子は様々な酸から生じるものであるが、エッチングプロセスにおいては高温が要求されるため、陽子としては主に濃リン酸(concentrated phosphoric acid)が使用される。濃リン酸の沸点は約180℃である。すなわち、濃リン酸は、現在商業的に簡単に入手可能な工業的に製造される全ての酸のうちで最も高い沸点を有する。エッチング反応は、次式、
Figure 2010525554
に従って生じる。
標準的なニッケル電気メッキ浴は、少なくとも70℃の温度から行われるが、通常は、組成に依存し、90〜100℃の範囲でのみ有効となる。
その後のリン拡散に伴う、塩化ホスホリル(phosphoryl chloride)POClまたはリン酸からなるリンケイ酸ガラスの形成は、800℃より高い温度で行われる。
個々のプロセスで使用される試薬は重要な化学的な類似点を有する。全ての3つのプロセスにおいてリン含有物質が使用されるが、場合によっては、リンの異なった酸化段階で使用される。リンは、リン酸にて酸化段階+Vを有する。一方で、リンは、次亜リン酸にて酸化数+Iを有し、強力な還元剤として対応するものとなるが、リン酸水素イオン(hydrogen phosphate ion)は、強力な還元傾向も酸化傾向も示さない。次亜リン酸の還元傾向は、溶液のpH値に依存するが、塩基性溶液においては、それは、中性または酸性媒体の場合よりも高い。対照的に、リン酸のシリコンナイトライドに対するエッチング効果は、酸性溶液でのみ有効である。リンケイ酸ガラスの形成の場合、使用されるリン含有物質のpH値は、酸素原子を有するリンの原子価の飽和(saturation)より重要でない。これらは、リンケイ酸ガラスにおける網状構造(network formation)の形成のために必要となる。これらは、ケイ素原子とリン原子との間の架橋結合(bond bridges)を形成する。リン酸は、例えば亜リン酸(phosphorous acid)または次亜リン酸よりも良好なガラス形成体(glass former)である。このため、低酸素の塩化ホスホリルのガラス化(glassification)は、酸素を含有する大気中にてのみ行われる。
個々の反応媒体の組成、リンおよびその酸素化合物の化学、および3つの全てのプロセスの場合において、かなりの高温までの温度上昇が必要になるという事実は、3つのプロセスである、窒化物構造の形成(nitride structuring)、リンドーピングおよび単一の高温工程におけるシリコン太陽電池の金属化の組み合わせを可能している。
基板は、プロセス用試薬を含む液体中に浸されることが好ましい。
基板は、シリコン、またはガラス、または金属、またはセラミック、またはプラスチック材料またはそれらを2以上組み合わせた複合材料からなる群の中から選択されることが好ましい。基板は、処理されるべき表面において、1つ以上のコーティングが行われるのが好ましい。コーテイング膜としては、SiN、またはSiO、またはSiO、またはMgF、またはTiO、またはSiCが挙げられる。
使用可能なタイプのレーザーとして、以下のような種々の固体レーザーを使用するのが好ましい。
特に、高頻度で商業的に使用される波長1064nm、532nm、355nm、266nmおよび213nmを有するNd:YAGレーザー、1000nm未満の波長を有するダイオードレーザー、波長514〜458nmを有するアルゴンイオンレーザー、および、エクシマーレーザー(波長:157〜351nm)などが挙げられる。
表面層においてレーザーによって誘発されるエネルギーが、波長が短くなるにつれて、表面上においてより集中するので、微細構造形成の質を高める傾向がある。これにより、加熱された領域でのエネルギーの低下がもたらされる。それに関連して、不動態化層の下方のリンドープされたシリコンにおいて、材料中の結晶ダメージの低下をもたらす傾向がある。この場合、フェムトセカンド(femtosecond)〜ナノセカンド(nanosecond)の範囲のパルス長を有する、青色レーザーおよび近紫外領域(例えば、355nm)のレーザーが特に有効であることは立証されている。
これと対照的に、ドーピング工程に対しては、赤外レーザーが適している。なぜなら、赤外レーザーはUVレーザーよりも侵入度が大きく、より深い溶融ゾーンを生成でき、結果として、より深いドーピングを可能にするからである。
特に短波レーザー光を使用することにより、さらに、シリコン中での電子/正孔対の直接発生の選択肢が存在する。これは、ニッケルデポジションの間の電気化学的なプロセスのために使用される。こうして、例えば、レーザー光により発生するシリコン内の自由電子は、表面上のニッケルの還元に直接関係する、リン酸または次亜リン酸によるニッケルイオンのレドックスプロセス(既に上記に記載)に寄与することができる。この電子/正孔の発生は、構造形成プロセスの間、所定の波長(特にλ≦355nmを有する近紫外領域において)での試料への持続的な照射により、ずっと維持される。そして、この持続的な方法で、金属核形成プロセスが促進されうる。
このために、太陽電池の特性は、p−n接合による過剰な電荷キャリヤを分離してn型の導電性表面を負に帯電するために、利用される。
本発明に係る方法のさらに好ましい実施形態によれば、レーザービームが、時間的および/または空間的パルスの波形にて有効に調節される。ここで、フラットトップ波形(flat top form)、M−プロファイル波形(M-profile)もしくは矩形波形パルスが、挙げられる。
本発明に係る精密加工は、第1の好ましい実施形態によれば、基板としてのシリコンウエハへのドーパントのエミッタ拡散を含むのが好ましい。
レーザービームでの基板の局所加熱によって、基板内での拡散に必要な温度がこの限られた領域内で生じ、ドーパントが導入される。低温での拡散は極めてゆっくりとしたものであるので、基板のドーピングは衝突するレーザー放射の領域内でのみ行われる。一方で、基板の隣接領域では何の変化も生じない。
本発明に係る方法により、レーザー照射により表面温度が融点より低く維持されるので、局所的なドーピングによる結晶ダメージは、回避される。さらに、基板全体の温度負荷が回避される。
液体中に含有されるドーパントに関しては、公知の全てのドーパントを使用することが可能である。特に好ましくは、ドーパントは、ここで、リン、ホウ素、インジウム、ガリウムおよびそれらの混合物からなる群より選択される。
さらに好ましい実施形態によれば、基板を精密加工するための工程の1つ前または後に、基板上に誘電層が形成される。この層は、基板の不動態化の役割を果たす。
誘電層は、好ましくは、SiNx、SiO、SiOx、MgF、TiOおよびSiCxからなる群より選択される。
本発明に係る方法のさらに好ましい実施形態によれば、精密加工の間に、前述した誘電層の微細構造の形成が行われる。
微細構造の形成は、好ましくは、乾式レーザーによる処理によって開口される誘電層の開口に基づく。
誘電層がレーザーによる処理によって開口され、基板が還元剤を含有する液体によって覆われ、その還元剤が基板に対するよりも誘電層に対して強いエッチング効果を有するエッチング剤であることが好ましい。エッチング剤は、好ましくは、基板内のダメージも再エッチング可能なプロセス用試薬として選択される。好ましいエッチング剤は、HPO、KOH、HF/HNO;塩素化合物、および硫酸からなる群より選択される。
液体は、特に好ましくは、純粋なリン酸、または高度に濃縮されたリン酸、または、希釈されたリン酸から形成されうる。リン酸は、例えば水中または水と異なる適当な溶剤中で希釈され、種々の濃度で使用されうる。pH値を変化させるための(酸または苛性ソーダ溶液(lye))添加剤、湿潤状態を変化させるための(例えば、界面活性剤(surfactants)) 添加剤、または粘度を変化させるための(例えば、アルコール類)の添加剤がまた添加されうる。特に良好な結果は、50〜85重量%の重量比でリン酸を含有する液体を使用する際に達成される。したがって、特に表面層の迅速な加工は、基板および周囲領域にダメージを与えることなく行われる。
本発明に係る微細構造の形成によって、2つの異なる材料層が簡単に得られる。
一方で、表面層は、基板にダメージを与えることなく、前述の領域にて完全に除去することができる。何故ならば、液体は、基板上でのエッチング効果が低いか(好ましくは、全くない)からである。それと同時に、除去される領域の表面層の局所加熱に起因して、その結果、好ましくは、これら領域だけが加熱され、これら領域に限られた表面層の十分に局在化されかつ制限された除去が可能となる。これは、液体のエッチング効果が温度の上昇につれて典型的に高まり、部分的なエッチング液が表面層に到達して、隣接する非加熱領域内の表面層へのダメージが広く回避されるという事実に基づく。
可能な限り低い接触抵抗を有し、可能な限り有益な金属コンタクトを達成するために、本発明における液体は、微細構造を形成する間に、エッチング剤に加え、還元剤、および、場合によっては金属塩を有する。有益なことに、エッチング剤および還元剤は、同一の化学元素、例えば、リンを異なる酸化段階で有する。特に有益な実施形態によれば、以下の対が成分系(component system)で使用される。すなわち、エッチング液としてHPOおよび還元剤としてHPO、エッチング液としてHSOおよび還元剤としてHSO、エッチング液としてHNOおよび還元剤としてHNOが使用される。有益なことに、KFの添加は、SiN上でのエッチング速度をさらに高める限られた量の遊離性のフッ化水素酸を十分なものにする。金属塩としては、銀の塩、ニッケルの塩、スズの塩、Pbの塩、アルミニウムの塩またはクロムの塩が使用されうる。還元剤の助けにより、ドーピング濃度に関して、エミッタ層または基板層のより高いドーピングが可能となる。そして、例えば、続いて電気的な金属のデポジジョンが改善され、接触抵抗が減少する。金属塩を添加することにより、加熱された局所表面領域における還元剤の助けにより、金属イオンの元素金属(elementary metal)への還元が可能となる。そして、これにより、続く電気めっきプロセスのための効率的なデポジション核(deposition nuclei)の形成をもたらす。したがって、金属粒子のこのようなデポジションは、同様に、形成可能な低い接触抵抗での金属コンタクトをもたらす。
金属コンタクトがこのように改善される結果、加工が複雑化することなく、このようにして製造される太陽電池の導電性が改善される。
本発明に係る微細構造の典型的な応用の場合において、表面層は、1mm〜300nmの厚さを有するであろう。基板は、本方法の典型的な応用にて、25μm〜800μmの層厚さを有するのがよい。例えば、太陽電池の製造に適した構造が、結果として生ずるであろう。
公知の微細構造の形成プロセスに関して、本発明の以下の実施形態には有益な効果がある。
(1) 液体補助レーザー法では、マスクが不要(mask-free)で、すなわち、マスキング層の形成および除去が必要とされない。
(2) この層の形成または基板材料の除去は、ダメージを与えることなく行われ、すなわち、続く洗浄またはエッチングを必要としない。
特に好ましい変形例によれば、微細構造の形成およびドーピングは、同時に実施される。本発明に係るさらなる変形例によれば、微細構造を形成したシリコンウエハのドーピングは精密加工の間に微細構造の形成に続いて行われる。このときのプロセス用試薬はドーパントである。
これは、少なくとも1種のドーパントを含有する液体の代わりに、固体材料をエッチングする少なくとも1種の化合物を含有する液体が使用されることで達成される。この変形例は、同一の装置を使用して、まず微細構造の形成を行い、液体を交換することによって、続いてドーピングを行うことができるので、特に好ましい。
本発明に係る方法のさらなる変形例によれば、同様に、精密加工の間に、基板内の領域でのみドーピングが行われ、続いて、基板表面上に位置する液体が乾燥せしめられ、基板が弱い表面ドーピングおよび局所的な高濃度のドーピングを有するように、基板が加熱処理される。
使用されるドーパントは、好ましくは、リン酸、または亜リン酸、またはホウ素化合物、またはガリウム化合物およびこれらの2以上の混合物からなる群より選択される。
公知のドーピングプロセスに関して、本発明の以下に示す特徴は有効である。
(3) 新規の方法によるドーピングの間、さらなる温度コントロール工程を完全に不要とすることができる。
(4) 従来の方法と比較して、非常に高いドーピング濃度(ほぼ1021P−原子/cm)および、それに関連する低いコンタクト抵抗が達成される。
本発明に係る方法のさらなる実施形態によれば、精密加工は、シリコンウエハ上の少なくとも一部領域における核形成層の形成を含む。したがって、これは金属化工程を含む。
好ましくは、ドーピングに続いて、ドーパントを含有する液体を、少なくとも1種の金属化合物を含有する液体と交換することによって、ドープされた表面領域の金属化が行われる。ここで、対応する液体を交換することにより、ドーピングおよび金属化のための本方法の工程を同一の装置で順次実施することが、特に簡単となる。
核形成層の形成は、ニッケル電気めっき、ニッケルレーザー法、インクジェット法、エアロゾル法、蒸着、レーザー微細焼結法(laser microsintering)、スクリーン印刷および/またはタンポン印刷(tampon printing)によって行うことができる。ここで、核形成層の形成は、少なくとも1種の金属化合物を含むプロセス用試薬を含有する液体補助レーザーにより行うのが特に好ましい。
好ましくは、金属化の間、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステンおよびクロムからなる金属群の化合物が、金属化合物として使用される。特に好ましくは、シアン化銀、または酢酸銀、または硝酸銀、またはそれら2以上の溶液が金属化合物として使用される。
核形成層の形成の間に、レーザービームが使用される場合、レーザービームは、表面上の液体で覆われた領域における金属化に触媒として寄与する。金属化は、所望の全体の厚さに形成されるまで続けられるか、または数ナノメートルの薄層の成長後に停止させて、その後電気的に増厚化するように、行われる。
上記の実施形態によれば、使用する液体を交換するだけで、1つの加工位置で、例えば、シリコンウエハを構造形成し、ドープし、金属化することのできる方法を提供することができる。
好ましくは、核形成層は、シリコンウエハのドープされた領域上に形成される。
公知の金属化方法に関して、以下の実施形態は、とりわけ、従来のプロセスの有益な効果を示している。
(1) 新規な方法により、窒化物層(nitride layers)の開口、ドーピングおよび核形成の両方、または高濃度にドープされた領域のコーティングは、1つの単一プロセスで同時に実施することができる。とりわけ、ドーピングは、同一の装置で窒化物の構造形成と同時に行うことができるので、従来のBC太陽電池コンタクトプロセスと比較して有益である。
(2) ドーピング/金属化溶液の選択によって、ドーピング/金属化と平行して行われる製造されたチャネルのダメージエッチングをも行うことができる。
(3) コンタクトの間の特別なメカニズムにより、コンタクトの質が改善される。すなわち、コンタクト面上のニッケルシリサイド(nickel silicide)の形成により、接着力の改善がなされる一方で、接触抵抗の低下が可能になる。その結果、このプロセスにおいてさらなる焼結プロセスは全く必要とされなくなる。
(4) 同様に、使用される装置において、ドーピング/金属化溶液のさらなる加熱を不要とすることができる。
さらに好ましい変形例によれば、基板の精密加工のための工程が、微細構造の形成、ドーピングおよび核形成層の形成を含み、これらの個々の工程が、連続的してまたは平行して実施される。
本発明に係る方法のさらに好ましい実施形態によれば、バックコンタクトは、核形成層の形成後に行われる。これは、蒸着またはスパッタリングよって行われることが特に好ましい。核形成層の形成後、同様にして、追加のバックコンタクトをレーザー加熱バックコンタクト(LFC)により行うことが可能となる。
さらに好ましい実施形態によれば、熱処理は、核形成層の形成後に特に100℃〜900℃の温度で0.5〜30分間行われる。この熱処理は、例えば、点フォーカスあるいは線フォーカスによるレーザーアニールによって達成することができる。
本発明に係る精密加工において、さらに、核形成層の増厚化は、核形成層の形成後に行うことができる。この増厚化は、例えばAgの電気的なデポジション、または例えばCuの無電流デポジションによって行われるのが好ましい。
特に好ましくは、太陽電池を製造するためのトータルプロセスであって、複数または全ての前述したプロセスが連続してまたは平行して行われるプロセスを提供する。すなわち、微細構造の形成、ドーピング、核形成層の形成および核形成層の増厚化を行うことが可能なトータルプロセスを提供できる。
本発明に係る方法は、特に太陽電池を製造するためのプロセス連鎖(process chain)における様々な工程に適している。ここで、シリコンウエハのエミッタ拡散、基板の微細構造の形成、そのドーピングおよびシリコンウエハ上への核形成層の形成が挙げられる。
以下の6つの加工シーケンス(A)〜(F)は、本発明に係る方法により使用可能である。反応性キャリヤ液体を用いたLAL(液体補助レーザー)が以下のように使用される。
この加工シーケンスは、切断ダメージおよびそのざらざらな状態が修復されたクリーンなウエハを用いることから始まる。全体のシーケンスに全く必要のない個々の工程は、選択可能になっている。
A:エミッタ拡散、不動態化、不動態化レーザー開口(passivation laser opening)、核形成層の形成および増膜化
・選択的なエミッタの拡散(層抵抗(layer resistance)が30Ω/sqより小さい)、例えばマスキング酸化(masking oxidation)、フォトリソグラフィによる構造化、チューブ炉(tube furnace)におけるPOClの拡散、フッ化水素(選択可能)によるリンケイ酸ガラスのエッチング。
・フラットエミッタ(flat emitters)の拡散(層抵抗が40−300Ω/sq)、例えばチューブ炉におけるPOClの拡散、フッ化水素によるリンケイ酸ガラスのエッチング。エミッタはエピタキシャルに成長する。
・寄生エミッタ(parasitic emitters)の除去:インラインの湿式化学による、例えば、HF/HNO混合物(選択可能)の片側エッチング。
・表面および/または裏面における1つ以上の誘電体層のデポジション:例えば、蒸着、PECVD法またはスパッタリング。層材料は、例えばSiN、SiO、SiO、MgF、TiO、SiC
・局所的な微細構造の形成/誘電体層の開口:従来のレーザー、ウォータジェット誘導(water-jet-guided)レーザー、LAL(誘電体層またはシリコンに関連する効果的なエッチングを行うためのエッチング剤)またはリン酸のエアロゾルジェット(aerosol jets)。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉(continuous furnace)、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・バックコンタクトの形成:例えば、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系(metal layer systems)の蒸着およびLFC加工(レーザー焼成コンタクト)(選択可能)。
・破壊された表面層を除去するための該表面層の調整処理(conditioning)、例えば短時間の湿式化学工程による天然SiO、例えば、HF−ディップ(dip)(選択可能)
・核形成層の形成:暗室内または従来の照明下での無電流Niデポジション、金属含有液体を用いたLAL、インクジェッティング(inkjetting)、エアロゾル噴霧(aerosol spraying)、蒸着、金属粉末のレーザー焼成、フリットを含まない(fritless)金属ペーストのスクリーン印刷またはタンポン印刷。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(以前に適用されていないならば、選択可能)。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉(continuous furnace)、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・コンタクト厚膜化(contact thickening):メッキによって、例えば、シアン化物浴(cyanide baths)でのAgメッキ、または無電流金属デポジション(例えば、Cu)。
B:エミッタ拡散、局所的な核形成層の成長化および増厚化、および、不動態化
・選択的なエミッタの拡散(層抵抗が30Ω/sqより小さい)、例えばマスキング酸化、フォトリソグラフィによる構造化、チューブ炉におけるPOClの拡散、フッ化水素(選択可能)によるリンケイ酸ガラスのエッチング。
・フラットエミッタの拡散(層抵抗が40−300Ω/sq)、例えばチューブ炉におけるPOClの拡散、フッ化水素によるリンケイ酸ガラスのエッチング。あるいは、エミッタはエピタキシャルに成長する。
・寄生エミッタの除去:インラインの湿式化学による、例えば、HF/HNO混合物(選択可能)の片側エッチング。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・バックコンタクトの形成:例えば、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFC加工(レーザー焼成コンタクト)(選択可能)。
・破壊された表面層を除去するための該表面層の調整、例えば短時間の湿式化学工程による天然SiO、例えば、HF−ディップ(dip)(選択可能)。
・核形成層の形成:局所的な従来の照明下での無電流Niデポジション、金属含有液体を用いたLAL、インクジェッティング、エアロゾル噴霧、蒸着、金属粉末のレーザー焼成、フリットを含まない金属ペーストのスクリーン印刷またはタンポン印刷。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(以前に適用されていないならば、選択可能)。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・コンタクト厚膜化:メッキによって、例えば、シアン化物浴でのAgメッキ、または無電流金属デポジション(例えば、Cu)。
・表面および/または裏面における1つ以上の誘電体層のデポジション:例えば、蒸着、PECVD法またはスパッタリング。層材料は、例えばSiN、SiO、SiO、MgF、TiO、SiC
C:エミッタ拡散、不動態化、不動態化開口およびLALでの局所的なドーピング、核形成層の成長化および増膜化
・フラットエミッタの拡散(層抵抗が40−300Ω/sq)、例えばチューブ炉におけるPOClの拡散、フッ化水素によるリンケイ酸ガラスのエッチング。あるいは、エミッタはエピタキシャルに成長する。
・寄生エミッタの除去:インラインの湿式化学による、例えば、HF/HNO混合物(選択可能)の片側エッチング。
・表面および/または裏面における1つ以上の誘電体層のデポジション:例えば、蒸着、PECVD法またはスパッタリング。層材料は、例えばSiN、SiO、SiO、MgF、TiO、SiC
・局所的な微細構造の形成/誘電体層の開口:LAL(誘電体層またはシリコンに関連する効果的なエッチングを行うためのエッチング剤)による同時局所的高濃度ドーピング
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(選択可能)
・破壊された表面層を除去するための該表面層の調整、例えば短時間の湿式化学工程による天然SiO、例えば、HF−ディップ(dip)(選択可能)。
・核形成層の形成:局所的な従来の照明下での無電流Niデポジション、金属含有液体を用いたLAL、インクジェッティング、エアロゾル噴霧、蒸着、金属粉末のレーザー焼成、フリットを含まない金属ペーストのスクリーン印刷またはタンポン印刷。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(以前に適用されていないならば、選択可能)。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉(continuous furnace)、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・コンタクト厚膜化:メッキによって、例えば、シアン化物浴でのAgメッキ、または無電流金属デポジション(例えば、Cu)。
D:フラットで深いエミッタの同時LAL、核形成層の成長化および増厚化
・LAL(誘電体層またはシリコンに関連する効果的なエッチングを行うためのエッチング剤)による局所的高濃度ドーピング、その後フラットで弱いドーピング用のドーパントとしてウエハを濡らしている液体の乾燥化。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニールで、フラットエミッタ拡散を行う。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(選択可能)
・破壊された表面層を除去するための該表面層の調整、例えば短時間の湿式化学工程による天然SiO、例えば、HF−ディップ(dip)(選択可能)。
・核形成層の形成:局所的な従来の照明下での無電流Niデポジション、金属含有液体を用いたLAL、インクジェッティング、エアロゾル噴霧、蒸着、金属粉末のレーザー焼成、フリットを含まない金属ペーストのスクリーン印刷またはタンポン印刷。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(以前に適用されていないならば、選択可能)。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・コンタクト厚膜化:メッキによって、例えば、シアン化物浴でのAgメッキ、または無電流金属デポジション(例えば、Cu)。
・表面および/または裏面における1つ以上の誘電体層のデポジション:例えば、蒸着、PECVD法またはスパッタリング。層材料は、例えばSiN、SiO、SiO、MgF、TiO、SiC
E:エミッタ拡散、不動態化、LAL開口+ドーピング+同時核形成層デポジション、増厚化
・フラットエミッタの拡散(層抵抗が40−300Ω/sq)、例えばチューブ炉におけるPOClの拡散、フッ化水素によるリンケイ酸ガラスのエッチング。あるいは、エミッタはエピタキシャルに成長する。
・寄生エミッタの除去:インラインの湿式化学による、例えば、HF/HNO混合物(選択可能)の片側エッチング。
・表面および/または裏面における1つ以上の誘電体層のデポジション:例えば、蒸着、PECVD法またはスパッタリング。層材料は、例えばSiN、SiO、SiO、MgF、TiO、SiC
・誘電体層の開口、局所高濃度ドーピングおよびLALによる核形成層ドーピング。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(以前に適用されていないならば、選択可能)。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・コンタクト厚膜化:メッキによって、例えば、シアン化物浴でのAgメッキ、または無電流金属デポジション(例えば、Cu)。
F:エミッタ拡散、不動態化、LAL開口+ドーピング+同時核形成層デポジション、核形成層の完成化、増厚化
・フラットエミッタの拡散(層抵抗が40−300Ω/sq)、例えばチューブ炉におけるPOClの拡散、フッ化水素によるリンケイ酸ガラスのエッチング。あるいは、エミッタはエピタキシャルに成長する。
・寄生エミッタの除去:インラインの湿式化学による、例えば、HF/HNO混合物(選択可能)の片側エッチング。
・表面および/または裏面における1つ以上の誘電体層のデポジション:例えば、蒸着、PECVD法またはスパッタリング。層材料は、例えばSiN、SiO、SiO、MgF、TiO、SiC
・誘電体層の開口、局所高濃度ドーピングおよびLALによる核形成層ドーピング。
・核形成層の形成:局所的な照明下での無電流Niデポジション、金属含有液体を用いたLAL、インクジェッティング、エアロゾル噴霧、蒸着、金属粉末のレーザー焼成、フリットを含まない(fritless)金属ペーストのスクリーン印刷またはタンポン印刷(tampon printing)。この工程は、次の工程に適用される非連続の核形成層の完成のために行うものである。2つの段階を経ることによって、基板における付着性が増加する。これは、LALプロセスが金属原子を液体シリコンに導入するものであるからである。
・バックコンタクトの形成、金属含有ペーストのスクリーン印刷および焼成、または、金属層系の蒸着およびLFCプロセス(レーザー焼成コンタクト)(以前に適用されていないならば、選択可能)。
・0.5〜30分間の100〜900℃での加熱、例えば、チューブ炉、連続加熱炉(continuous furnace)、または、点フォーカスあるいは線フォーカス(選択可能)によるレーザーアニール。
・コンタクト厚膜化(contact thickening):メッキによって、例えば、シアン化物浴(cyanide baths)でのAgメッキ、または無電流金属デポジション(例えば、Cu)。
続いて、以下の実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。しかし、ここで示す具体的な実施形態は、本発明を何ら限定するものではない。実施例に記載する全体のプロセスは、単純化した混合液体(liquid composition)によって、それらの部分的なプロセスを減らすことが可能になる。そして、例えば、シリコンナイトライドの構造形成は、金属塩が液体に添加されない場合に、同時ドーピングによりまた金属化することなく行われる。
(実施例1)
次亜リン酸塩、リン酸および金属塩を含む液体による窒化物の構造形成/ドーピングおよび核形成
本発明の実施形態によれば、3つの全ての化学系は3つの個々のプロセスから組み合わされ、それらの濃度は新しい系に適用される。この概念に反して、個々のプロセスにおいて、リンを含有しない試薬の互いの相互作用は小さいという事実がある。例えば、金属イオンは、リンガラス形成を全く妨げず、またシリコンナイトライドに対するリン酸のエッチング効果も妨げない。リン酸水素(hydrogen phosphates)および次亜リン酸イオンは、一緒になって、金属イオンを還元する有効なレドックス対(redox pair)を形成する。溶液の低pH値およびリン酸水素イオンの存在は、次亜リン酸の還元電位(reduction potential)を低下させる。ニッケルの無電流デポジションの浴の場合には、反応浴にて自然発生する分解の危険性があるので、この還元電位は、結果としてかなり低下せしめられる。
しかしながら、次亜リン酸は、単に非常に低い沸点を有する大変弱い酸である。次亜リン酸の低い酸強度(acid strength)は、陽子濃度(proton concentration)が液体中のリン酸濃度によってほぼ確実に決定されるようになっている。これは、次亜リン酸の還元電位を結果的にかなり大きく降下させ、再び金属イオンを還元することができるので、その一部においては高すぎる値ではない。個々の成分の濃度範囲は、このような系にて制限されない。次亜リン酸の低い沸点は、その処理能力(management)を困難にし、完全な系のために重要となる成分の蒸発(evaporation)による、系内の緩やかな濃度低下の危険性を高める。液体中の次亜リン酸の非常に高い濃度は、液体媒体の耐久性を低下させる。これは、技術的な使用にとって重要な問題となる。化学系は、還元剤としての次亜リン酸では極めて不安定なものとなるが、液体の耐久性を要求しない場合においては、非常に有効的である。
この例において、以下の成分系が使用される。
[NiCl・6HO]=0.1〜1mol/l
[NaHPO・HO]=0.1〜5mol/l
[HPO]=0.5〜5mol/l
Ni2+イオンについての錯体構造およびバッファー、例えば、[HOCHCOOH]=0.5〜2mol/lを有するヒドロキシ酢酸(hydroxyacetic acid)
(実施例2)
亜リン酸、リン酸および金属塩を含む液体による窒化物の構造形成/ドーピングおよび核形成
例えば、塩化ニッケル(nickel chlorides)NiCl・xHO、硫酸ニッケル(nickel sulphates)NiSO・xHOまたは硝酸ニッケルNi(nickel nitrates)(NO・xHOのような、金属源として水溶性ニッケル塩を有する、リン酸と亜リン酸とを含む系は、自然発生する分解に対してはさらに安定的したものとなる。このような系のpH値は、水酸化カリウム(potassium hydroxide)溶液またはなお良好には水酸化アンモニウム(ammonium hydroxide)溶液の助けを借りて調節される。一般的に、それは幾分酸性領域に位置する。
亜リン酸を含むHPO 2−とリン酸を含むHPO 2−が一緒になってレドックス対を形成する。第2のレドックス対は、Ni2+/Niの形のニッケルによって形成される。
Figure 2010525554
塩基性媒体において、HPO 2−イオンは次亜リン酸塩のような強力な還元剤である。すなわち、それは、より塩基性の金属類のイオン類を元素金属に還元することも可能であるが、次亜リン酸塩を用いた場合ほど効果的なものではない。なぜなら、リンが、+Iである次亜リン酸塩に比べて、酸化状態+IIIを有する亜リン酸イオンより低い還元電位を有するからである。亜リン酸によるNi2+イオンの自然な還元は、水溶液中ではほとんど観察されない。反対に、高温で触媒作用を有する表面上で、金属イオン類の還元、ニッケルの還元を伴う、亜リン酸イオンのリン酸への酸化は、容易に可能となる。
次亜リン酸と比較して、亜リン酸は、以下の2つのさらなる実質的な利点を有する。
(1) 亜リン酸は、次亜リン酸よりもかなり高い沸点を有する。このため、亜リン酸は、かなり遅い速度で蒸発する。
(2) 亜リン酸は、十分強い酸であり、リン酸と同様に、シリコンナイトライドにとって次亜リン酸よりもさらに有効なエッチング剤となる。
金属デポジションのためのレドックスプロセスの熱力学的促進(thermodynamic promotion)
HPO 2−イオンを含有した液体の還元容量(HPO 2−/HPO 2−系の起電力)は、液体中における前述のイオンの活量(activities)、および液体のpH値に、より正確にはヒドロキシドイオン(hydroxide ion)濃度に依存する。これは、HPO 2−/HPO 系についてのネルンスト(Nernst)の式から明らかである。
Figure 2010525554
希釈された液体において、個々のイオン種の活量は、液体中のそれぞれのイオン種の濃度cと同等である。HPO 2−イオン濃度がより高く、および/またはpH値がより高いほど、ΔE(HPO 2−/HPO 2−)がより負極性となり、すなわち、半電池(half cell)の還元容量がより多く増加する。
しかしながら、半電池のEMFは、温度による影響も受け、以下のネルンストの式の一般形で表される。
Figure 2010525554
ここで、ΔEは起電力(EMF)、E°は標準電位(標準条件下でのEMF)、Rは理想気体定数=8.31451JK−1mol−1、Tはケルビン(Kelvin)絶対温度、zは等価電荷量(charge equivalent)(式単位当りの交換される電子数)、Fはファラデー(Faraday)定数で96485A・s(C/mol)であり、aoxおよびaredは酸化された種と還元された種の濃度である。
したがって、温度が上昇すると、半電池の還元容量も増加する。ヒドロキシドイオンの活量が分子に3倍の影響を及ぼすので、ネルンスト(Nernst)の式の対数部分の分母は分子より大きい。
金属デポジションのためのレドックスプロセスの動的促進
ここで、レドックス反応も含めた化学反応の反応速度の加速は、温度関数としての、反応の速度定数kを記載したアレニウス(Arrhenius)の関係式は、次式で示される。
Figure 2010525554
ここで、kは速度定数、Aは反応特異前置指数因子(reaction-specific pre-exponential factor)、EAは活性化エネルギー(activation energy)、Rは一般的な気体状数、Tはケルビン絶対温度である。
反応性液体において、個々の種の濃度は、標準条件下にて、表面加工までの液体の調合(preparation)による時間窓で、それらが互いに反応しないようになっており、このプロセスの間が相互に適合するようになっている。このため、レドックス系Ni2+/NiおよびHPO 2−/HPO 2−間の電圧は、十分に低く維持される必要がある。これは、pH値または液体中の関係する種の濃度の調節により達成される。
液体がシリコンナイトライド表面上でレーザービームによって加熱および溶融されるが、その時、以下の様々なプロセスが連続的に生ずる:
(1) 最初に、溶融物の一部が対流電流により除去されて洗い流される。このようにして除去される溶融物は、大きい活性表面において、エッチング剤、リン酸/亜リン酸にさらされ、それが、レーザーによる乾式シリコンナイトライド除去の場合のように、カットされた部分の縁上でデポジットしないように、リン酸/亜リン酸によって溶解される。その結果、非常にクリーンな切り口の溝が生み出される。
(2) シリコン溶融物が存在する限り、液体中に存在するリン源は、その中に含有されたリンが純粋に加熱分解されることによって、リンをシリコン中に含ませることができる。リンは、ある程度シリコン中で溶融される。同様に、金属イオン、この場合ニッケルイオンの一部が液体により搬送される。溶融されたシリコンにおいて、リンの拡散速度は、非常に速い。リンの配合は、その酸化状態が低いほど、全てより良好に行われる。なぜなら、系から数個の電子をリンへと移動させる必要があり、これが、シリコンと比較してシリコン結晶中におけるドーパントとして、電子的に負の結合パートナー(bond partner)となるからである。対流電流により、ドーピングおよび金属化混合物は、シリコン溶融物に適切に混合される。したがって、ドーピングおよび金属化混合物は、それが溶融物と一緒に凝固するシリコン溶融物に一緒に適切に混合され、かつ最終的に一部直接シリコン結晶中に組み込まれる。このように、カットされた部分における数μmの非常に深いドーピング深さは、場合によっては、カット位置の溶融物の深さの関数とし示される。薬品混合物のさらなる部分は、リンケイ酸ガラス島(phosphorus silicate glass islands)として表面の下方に包含されたままであり、かつ、温度制御工程の範囲内でシリコンにとってのドーピング源として、役割を果たすことができる。同様に、局所的に非常に大容量を包含するニッケルは、局所的にシリコンと合金を形成して、NiSiを形成する。その結果、それは、接触抵抗の低下に寄与する。
(3) シリコンの高い熱伝導率、とりわけ、シリコンが金属性を有する液体状態のシリコンの高い熱伝導率のため、シリコンの温度は比較的急速に低下する。リンケイ酸ガラスは、また、シリコン表面上にも形成される。そのガラスの網状構造形成体は、シリコンおよびリン原子を含む三次元網状構造体である。シリコンおよびリン原子は、酸素架橋により相互に結合される。統計学に基づいて、一部の酸素原子は、1つの結合パートナーおよび自由に局在する負の電荷を有する原子価のみを有する。液体からのNi2+イオンは、このための電荷の均一化を形成し、結果として、表面に電気的に結合される。さらなる移動工程(transfer step)の間、それらは、リンケイ酸ガラスから一番上層のシリコン層へと拡散され、さらなるニッケル原子のための析出核が形成される。反対に、亜リン酸と比較して、リンケイ酸ガラスの助けを借りてのシリコンのドーピングの間、リン酸は、リンの全ての原子価がガラス内の網状構造形成に必要とされる酸素原子で飽和されるので、より好ましいリン源であることが証明されている。
(4) シリコン表面上の高温の低下進行過程において、その温度領域は、また、リン酸とニッケルイオンとの間の前述のレドックスプロセスの加熱活性化のみが溶液中で穏やかに行われる温度領域を逸脱する。しかしながら、プロセスの開始時のような成分の直接溶融は行われない。さて、表面上の金属核形成層の増厚化は、カットされた部分(notch)内に位置する溶液の結果として生じ、前述したレドックス反応は、核形成されかつ高度にドープされたシリコン表面上において局所的に生ずる。
カットされた部分の壁上のリンケイ酸ガラスは、太陽電池のコンタクト抵抗の絶縁体としては有効に作用しない。このため、ドーピングが達成された後の全プロセス進行過程において、それを再び除去する必要がある。これはドーピングおよび核形成プロセスと平行して生じさせることができ、少量のフッ化水素酸が反応混合物に添加される。しかしながら、このような場合に、核の増厚化は、先行するプロセス(窒化物除去、ドーピング、核形成)のために使用した同一液体で着手することはできない。何故ならば、フッ化水素酸の存在により、既に析出した元素金属の新しく取り替えられた液体に、際立った傾向が生ずるからである。このような場合、LCE法の助けを借りて、初期のニッケル溶液がカットされた部分に導入され、直流電流によらないニッケルがデポジットされ、カットされた部分がレーザーの助けを借りて局所的に加熱されることによって、その後工程の範囲内でコンタクトの増厚化が完了する。金属の局所的なデポジションは、2つの因子によって影響を受ける。1つ目は、高ドーピングおよびすでに存在するチャネル壁の核形成であり、触媒のように作用する因子の影響である。2つ目はレーザーによるデポジションプロセスの加熱または光化学的活性化因子の影響である。
本実施例にては、以下の成分系をとりわけ使用することができる:
Figure 2010525554
Figure 2010525554
Figure 2010525554
Figure 2010525554
(実施例3)
KOH溶液、リン酸水素塩および金属塩を含む化学系による窒化物構造形成/ドーピング/核形成およびダメージエッチング
コンタクト用のチャネルの加工の間、結晶構造において、レーザー波長に応じた異なる浸透深さのダメージが生じる。これは、太陽電池の電気的特性のための品質低下(reducing quality)因子となり、望ましくない。BC太陽電池の場合、このダメージは、チャネルが形成された後、金属化工程が実施される前に、追加のダメージエッチング工程により再び除去される。
本発明にて、このダメージエッチングは、3つの部分プロセス:すなわち、窒化物開口/ドーピング/核形成と平行して行われ、使用される化学系を適合させるためのものである。この点で、Baumannらの(2006年)の研究によれば、KOH溶液基準のLCE法により、シリコンにダメージを与えることなく、ダメージを受けた部分を除去することが可能であることが開示されている。
また窒化物の純粋な加熱アブレーション(ablation)により窒化物除去を行うことができるという仮定から出発する。ドープされたシリコン表面の金属核形成も、リン化合物の助けを借りて金属イオンの還元を受けずに行われる。実施例1〜2にて示した化学系は、リン含有化合物をリンドーピング用に使用するように改良されうる。この場合、リン酸水素塩、例えば、水酸化カリウム溶液に溶解させられたリン酸水素リチウムが、リン源として役割を果たす。金属源は、ニッケル塩、例えば、塩化ニッケルである。塩基性の領域にて、Ni(OH)が沈殿するという事実に基づき、ニッケルイオンのための錯体構造、例えば、アンモニアもその溶液に加える必要がある。これらは、アンモニアにより、塩基性媒体中に存在する[Ni(NH]2+(aq)錯体を形成する。
ドーピングおよび核形成は、ここで、実施例2の(1)〜(3)の点にて記載したようにして行われる。ダメージエッチングは、本プロセスの間に、カットされたチャネル内の上澄み溶液中に位置する水酸化カリウムイオンにより行われる。一方で、レーザービームは、それをさらに進行させる。溶融および凝固プロセスの間に、コンタクトポイントで局所的にシリコン結晶に同様に組み込まれたリチウムイオンは、また、太陽電池のコンタクト抵抗を低下させる。
金属核形成層は、さらなるプロセスで、古典的な無電流でのニッケルデポジションまたは他の方法により、例えば、オプトメック(Optomec)R法(登録商標)の助けを借りて、増厚化される。
本実施例にて、以下の成分系を使用することができる:
KOH溶液の含有率:2〜20重量%
[LiHPO]=0.1〜5mol/l
[Ni2+]=1mol/l
ほぼ20mlの濃NH溶液/1溶液
(実施例4)
リン酸/硝酸/フッ化水素酸を含む化学系により金属核形成することのない窒化物構造形成/ドーピングおよびダメージエッチング
窒化物構造形成および同時ドーピングの進行過程において、金属核形成が行われる。これがその後の工程でのみ実施される場合に、HF/HNOの混合物がリン酸に添加するダメージエッチング試薬として使用される。HF/HNOは、KOHと比較して、はるかに速いエッチング速度と等方性エッチング特性を有するダメージエッチング試薬としての利点を有する。
本実施例にて、以下の成分系をとりわけ使用することができる:
リン酸溶液の含有率:80〜87重量%
HF(49%):35ml/1溶液
HNO(70%):15ml/1溶液

Claims (48)

  1. 基板を精密加工するための方法であって、
    レーザービームを基板表面に向け、基板の加工される領域上に誘導し、
    プロセス用試薬を含む液体によって、基板の加工される領域を少なくとも覆うようにすることを特徴とする方法。
  2. 前記基板を、前記プロセス用試薬を含む液体中に浸すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記基板を、シリコン、またはガラス、または金属、またはセラミック、またはプラスチック材料またはそれらを2以上組み合わせた複合材料からなる群の中から選択することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記基板の表面上に、SiN、またはSiO、またはSiO、またはMgF、またはTiO、またはSiCのうちの1つ以上の膜をコーティングすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
  5. 前記レーザービームを、時間的および/または空間的なパルスの波形、特に、フラットトップ波形、またはM−プロファイル波形、または矩形波形に調節することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
  6. 前記精密加工の間に、基板としてのシリコンウエハに、ドーパントのエミッタ拡散を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記ドーパントを、リン、またはホウ素、またはインジウム、またはガリウム、またはそれらを2以上組み合わせた混合物からなる群の中から選択することを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 前記エミッタ拡散を、POClを含有する液体を用いて行うことを特徴とする請求項6または7に記載の方法。
  9. 前記エミッタ拡散の後に、寄生的にデポジットされたドーパントを、特に基板の端部で、再び除去することを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の方法。
  10. 前記エミッタ拡散の間に、前記基板のドーピングを一部領域内のみに行うことを特徴とする請求項6〜9のいずれかに記載の方法。
  11. 前記精密加工の前に、少なくとも1つの誘電体層を、不動態化のために前記基板にデポジットすることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の方法。
  12. 前記誘電体層を、SiN、およびSiO、およびSiO、およびMgF、およびTiO、およびSiCからなる群の中から選択することを特徴とする請求項11に記載の方法。
  13. 前記精密加工の間に、前記誘電体層の微細構造の形成を行うことを特徴とする請求項11〜13のいずれかに記載の方法。
  14. 前記誘電体層を、乾式レーザー又はウォータジェット誘導レーザーで処理することによって開口させることを特徴とする請求項11〜13のいずれかに記載の方法。
  15. 前記誘電体層を、レーザーで処理して開口させ、
    前記プロセス用試薬として、前記基板に対してよりも前記誘電体層に対して強いエッチング効果を有するエッチング剤を使用することを特徴とする請求項11〜14のいずれかに記載の方法。
  16. 前記誘電体層を、レーザーで処理して開口させ、
    前記プロセス用試薬として、前記基板内のダメージ部分をその後エッチングするためのエッチング剤を使用することを特徴とする請求項11〜15のいずれかに記載の方法。
  17. 前記エッチング剤を、HPO、およびKOH、およびHF/HNO、および塩化化合物、および硫酸からなる群の中から選択することを特徴とする請求項11〜16のいずれかに記載の方法。
  18. 前記液体がさらに還元剤を有していることを特徴とする請求項13〜17のいずれかに記載の方法。
  19. 前記エッチング剤および前記還元剤が、同一の元素を異なった酸化段階で含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 前記エッチング剤がHPOとその還元剤HPOを含有するか、または、前記エッチング剤がHSOとその還元剤HSOを含有するか、または、前記エッチング剤がHNOとその還元剤HNOを含有することを特徴とする請求項19に記載の方法。
  21. 前記液体が、リン含有したもの、特に、塩化ホスホリルおよび/または三塩化リンを含むことを特徴とする請求項13〜20のいずれかに記載の方法。
  22. 前記還元剤が、アルデヒドを含むことを特徴とする請求項18〜21のいずれかに記載の方法。
  23. 前記液体は、前記エッチング剤および前記還元剤に加えて、金属塩、特に、銀、またはニッケル、またはアルミニウムまたはクロムの塩を含むことを特徴とする請求項18〜22のいずれかに記載の方法。
  24. 前記ニッケル塩が塩化ニッケルNiCl、または硫酸ニッケルNiSO、または硝酸ニッケルNi(NOであることを特徴とする請求項23に記載の方法。
  25. 前記微細構造の形成およびドーピングを同時に行うことを特徴とする請求項13〜24のいずれかに記載の方法。
  26. 前記精密加工の間に、前記微細構造の形成されたシリコンウエハのドーピングを、前記微細構造の形成後に行い、
    そのプロセス用試薬が、ドーパントを含むものであることを特徴とする請求項13〜24のいずれかに記載の方法。
  27. 前記精密加工の間に、ドーピングを基板の領域内のみで行い、
    その後、基板表面上に位置する液体を乾燥させ、
    基板が弱い表面ドーピングと強い局所的なドーピングを有するように、基板を熱処理することを特徴とする請求項13〜24のいずれかに記載の方法。
  28. 前記ドーパントを、リン酸、または亜リン酸、またはホウ素化合物、またはガリウム化合物、または窒素化合物、またはヒ素化合物、またはアンチモン化合物、化合物それらの混合物からなる群から選択することを特徴とする請求項25〜27のいずれかに記載の方法。
  29. 前記精密加工の間に、核形成層の形成をシリコンウエハ上の領域で行うことを特徴とする請求項1〜28のいずれかに記載の方法。
  30. 前記核形成層の形成を、ニッケルめっき、ニッケルレーザー法、インクジェット法、エアロゾル法、蒸着、レーザー微細焼結法、スクリーン印刷、および/またはタンポン印刷を用いて行うことを特徴とする請求項29に記載の方法。
  31. 前記プロセス用試薬が少なくとも1種の金属化合物を含むことを特徴とする請求項29または30に記載の方法。
  32. 前記少なくとも1種の金属化合物を、銀化合物、およびアルミニウム化合物、およびニッケル化合物、およびチタニウム化合物、およびモリブデン化合物、およびタングステン化合物、およびクロムの化合物からなる群の中から選択することを特徴とする請求項31に記載の方法。
  33. 前記金属化合物が、シアン化銀、または酢酸銀、または硝酸銀であることを特徴とする請求項32に記載の方法。
  34. 前記核形成層の形成の間に、金属がレーザービームによって触媒作用を受けることを特徴とする請求項29〜33のいずれかに記載の方法。
  35. 前記核形成層がシリコンウエハのドープされた領域に形成されることを特徴とする請求項29〜34のいずれかに記載の方法。
  36. 前記微細構造の形成、および前記ドーピング、および前記核形成層の形成を、連続してまたは平行して実施することを特徴とする請求項29〜35のいずれかに記載の方法。
  37. 前記核形成層の形成後、バックコンタクトを、特に、蒸着またはスパッタリングによって行うことを特徴とする請求項29〜36のいずれかに記載の方法。
  38. 前記核形成層の形成後、さらなるバックコンタクトを、レーザー焼成バックコンタクト、すなわちLFCによって、行うことを特徴とする請求項29〜37のいずれかに記載の方法。
  39. 前記核形成層の形成後、熱処理を、特に100〜900℃の温度で実行することを特徴とする請求項29〜38のいずれかに記載の方法。
  40. 前記熱処理を、点フォーカスあるいは線フォーカスによるレーザーアニールによって、行うことを特徴とする請求項39に記載の方法。
  41. 前記精密加工および前記核形成層の形成後に、核形成層の増厚化を行うことを特徴とする請求項29〜40のいずれかに記載の方法。
  42. 前記核形成層の増厚化を、例えばAgの電気的なデポジション、または、Cuの無電流のデポジションによって、行うことを特徴とする請求項41に記載の方法。
  43. 前記精密加工の間に、上記の複数の工程を、連続してまたは平行して行うことを特徴とする請求項1〜42のいずれかに記載の方法。
  44. 前記精密加工が、微細構造の形成、およびドーピング、および核形成層のデポジション、および核形成層の増厚化を含むことを特徴とする請求項43に記載の方法。
  45. シリコンウエハのエミッタ拡散を行うための、請求項1〜44のいずれかに記載の方法の使用。
  46. 基板の微細構造を形成するための、請求項1〜44のいずれかに記載の方法の使用。
  47. 基板のドーピングのための、請求項1〜44のいずれかに記載の方法の使用。
  48. シリコンウエハ上に核形成層を形成するための、請求項1〜44のいずれかに記載の方法の使用。
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