JP2011066424A - 電子部品のコンタクト領域を製造するための方法 - Google Patents

電子部品のコンタクト領域を製造するための方法 Download PDF

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【課題】機械的に丈夫で、電気的に確実にはんだ付け可能なコンタクト領域を形成する製造方法、および、この製造方法を用いてコンタクト領域を形成したソーラーセルを提供する。
【解決手段】基板１０はコンタクト側にアルミニウムまたはアルミニウム含有物からなる焼結された多孔性の層１２を備え、多孔性の層１２に固体レーザ２２からレーザビーム２４を照射し、多孔性の層１２を圧縮および／または除去することで、基板１０に、少なくとも１つの部分的なコンタクト領域２０を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンタクト領域をコネクタと接触させるための、電子的構成要素の基板の、その少なくとも１つの部分的なコンタクト領域を形成するための方法に関する。基板は、コンタクト側で、アルミニウムまたはアルミニウム含有物からなる焼結された多孔性の層を有する。
半導体製造、特にソーラセル製造では、製造コストの理由から、焼結された金属コンタクトを、セルの前面または裏面に用いる。
通常は、シリコン・ソーラセルの裏面には、大きい面積のアルミニウム層がある。アルミニウム層を、ソーラセルの製造中に、熱処理によって焼結工程に晒す。このことによって、同時に、ソーラセルの裏面のパッシベーション領域を、いわゆる裏面電界（ＢＳＦ）によって形成する。
焼結の際に、第1の層と呼ばれるシリコン基板と直接に接触しているアルミニウム層を、アルミニウム層とシリコン基板の間の境界面に溶融し、隣接する第1の層と合金化する。冷却の際には、Ａｌが非常にドープされたシリコン層が、ウェハのすなわち基板の裏面で、エピタキシャル的に硬化する。同時に、シリコンが添加されたＡｌ層が、Ａｌ層で硬化する。冷却工程の終わりに、アルミニウムが非常にドープされた層と、シリコンが添加された層との間のＡｌ-Ｓｉ共融混合物が硬化する。アルミニウムが非常にドープされておりエピタキシャル成長されたシリコン層は、ソーラセルの裏面のパッシベーションの原因となる。アルミニウムを非常にドープすることによって、層の半導体に、マイナスに帯電された動かない過剰なＡｌアクセプタを形成する。これらのアクセプタは、少数キャリアを跳ね返す電界、すなわち、いわゆる裏面電界を発生させる。
アルミニウム層が、ソーラセルのすなわち基板の裏面全体に亘って延びているとき、はんだ技術上の問題がある。何故ならば、例えば、スズめっきされた、またはスズめっきされない金属コネクタ、特に銅コネクタをアルミニウムの裏面に直接はんだ付けすることは容易にできないからである。しかし、必要な電気的な接触を実行するためには、通常は、銀コンタクトを有するストリップ導体またははんだ付け点を、基板表面上に、直接、スクリーン印刷、パッド印刷または他の適切な印刷方法によって塗布し、ストリップ導体またははんだ付け点に、スズめっきされた銅ストリップをはんだ付けする。従って、はんだコンタクトの領域に、アルミニウム層の切り欠きが形成されている。その結果、この領域には、裏面電界が形成されない。それ故に、ソーラセルの裏面は、完全には電気的にパッシベーションされず、このことによって、裏面電界のある領域に比べて局部的に低い光電流が生じる。
銀が原料として高価な材料であるので、製造コストを減じるためには、銀を使用しないほうがよい。従って、Ａｇコンタクトを完全に回避することが望ましい。
コンタクトストリップをアルミニウムストリップに直接はんだ付けすることは、幾つかの理由から難しい。或る理由は、Ａｌ粒子の酸化された表面にある。他の理由は、アルミニウムの上面が、焼結工程に基づいて、十分には連結して形成されていないことである。かくして、焼結工程中に、Ｓｉがドープされている合金層に亘って、個々の球状の共に焼結されたＡｌ粒子の形態をとるＡｌ層（焼結層）が生じる。このＡｌ層では、アルミニウムからなる閉じた複合体ではなくて、比較的緩く焼結された複合体がある。この複合体は、アルミニウムペーストの組成および／またはプロセスパラメータに従って、焼結の際に、多かれ少なかれ多孔性である。
しかし、この焼結アルミニウム層にはんだ付けすることが万一できるとしても、多孔性の故に、および、層の、多孔性により引き起こされた不安定性の故に、非常に低い保持しか与えられていないであろう。この低い保持は、約２−８Ｎの低い剥離力で表わされる。焼結層は引き裂かれ、それ故に、引裂き点の両側に粒子の球構造が認められる。同様なことは、アルミニウム層のはんだ結合箇所が、モジュールにおいて作動条件下で作用する引張り力に晒されているときに、生じる。はんだ付け点の低い耐久性をもたらし、かつ結果として高い伝達抵抗を伴うことがある小さな亀裂が生じる。あるいは、接続が全体として切れることがあり、機械的および電気的コンタクトが完全に破壊されている。
特許文献１からは、ソーラセルを製造するための方法が公知である。或る工程段階では、アルミニウムを、大きな面積で、半導体基板の裏面に塗布し、半導体基板の中に浸透させて合金化する。シリコンの中に浸透して合金化されていないアルミニウムを、エッチング段階で、少なくとも部分的に除去する。このことは、加工技術的なコストを要する。このコストは、生産ラインの枠内でソーラセルの製造に対しマイナスの影響を及ぼす。
特許文献２は、裏面電界の形成後に、予め形成された焼結されたアルミニウム層が、化学的に除去されてなるソーラセルに関する。
導電性のコンタクトをソーラセル上に製造するために、特許文献３によれば、前駆体混合物が塗布される。前駆体混合物は、アルミニウムを含むことが可能である。材料を焼結するために、パルス状のレーザビームを用いることができる。
電気コンタクトを半導体基板上に塗布するために、特許文献４は、半導体基板上に塗布された金属粉末をレーザビームで焼結することを提案する。焼結されない材料を次に除去する。
金属半導体コンタクトを特許文献５により製造するためには、はんだ付け可能な材料を焼結して、ソーラセル上に塗布されたアルミニウム層の中に浸透させる。
DE-A-10 2007 012 277 EP-A-1 739 690 US-A-2003/0108664 DE-B-10 2006 040 352 EP-A-2 003 699
明細書の最初の部分に記載のタイプの方法を、機械的に丈夫な、電気的に完璧に接続可能およびはんだ付け可能なコンタクト領域が用いられるように、改善するという課題が、本発明の基礎になっている。実際また、従来の技術と比較して、加工技術的な簡略化があることが意図される。
本発明によれば、この課題は、焼結された多孔性の層が、コンタクト領域において、無接触で、集中的な電磁放射ビームによって、好ましくはレーザビームで、圧縮および／または除去することによって解決される。
特には、領域に、集中的な電磁放射ビーム、好ましくはレーザビームを当てることが提案されている。
本発明に係わる教示に基づき、驚いたことに明らかになったのは、集中的な電磁放射ビーム、好ましくはレーザビームを当てることによって、および焼結された多孔性の層の材料をビームの照射によって部分的に圧縮および／または除去することによって、コンタクト領域が形成可能であって、このコンタクト領域が、知られた接続技術、例えば超音波はんだ付けによって、機械的に安定的な回路を可能にすることである。この場合、焼結された多孔性の層によって、以下の利点が与えられている。すなわち、優れた機械的な付着性を有する傷つきにくいアルミニウム面が生じる程度に、アルミニウム層を圧縮することができるという利点である。従って、例えばマスク技術において基板の直接上に、はんだ付けコンタクトを、アルミニウムとは異なる材料から形成する必要はない。従って、構成要素としてのソーラセルの場合には、コンタクトの領域で裏面電界が中断されるという内在的な欠点が回避されるのである。
圧縮によって、同一の材料からなる多孔性の層よりも機械的に安定的な領域が生じる。
特に、焼結された多孔性の層に、波長λ（２００ｎｍ≦λ≦１１０００ｎｍ）を有する集中的な電磁放射ビームを当てることが提案されている。
多孔性の層の領域を無接触で圧縮および／または除去するためには、λ≧８００ｎｍ、好ましくはλ≧１０００ｎｍ、好ましくはλ＝１０６４ｎｍ、特に近赤線領域の波長を有するＩＲビームを放射するレーザを用いることは好ましい。Ｎｄ：ＹＶＯ４-レーザまたはＮｄ：ＹＡＧ-レーザのような固体レーザを用いることは好ましい。この場合、λ＝１０６４ｎｍの波長のレーザビームを放射する固体レーザが、特に好ましい。
１つのまたは複数のコンタクト領域を形成する際に、レーザが、パルス・モードまたはＱスイッチ・モードで作動するほうがよい。エネルギを所定の領域に亘って集中させるためにおよびホット・スポットを避けるために、更に、バック電極層を構造化する際に、レーザビームが、トップハット形のビームプロファイルを有することが提案されている。
ビームプロファイルに影響を与えるためには、代替または補足として、レーザと基板との間に、ビーム変換システム、例えば、屈折性のまたは回折性の光学系または開口部を設けることが提案されている。
特に、多孔性の層の光吸収が少なくとも０．５％、特に少なくとも１０％であってなる波長を有するレーザビームを用いる方がよい。
用いる方がよい波長は、焼結された多孔性の層の中で、層を加熱するために、吸収され、それ故に、当てられたレーザビームの領域で、コンタクト領域を形成すべく、層の材料が蒸発される。
レーザビームの代わりに、任意の無接触の放射エネルギによる、例えば、任意の波長を有する、レンズまたはミラーによって集束された光による熱エネルギを用いることができる。
圧縮という概念について、補足的に述べねばならない。すなわち、圧縮とは、少なくとも１０％および高々１００％の密度の増大を達成するための、層の材料または作用物質の処理を意味しなければならない。密度の１００％の増大は、層が、またはこの層の領域が、エネルギ入力によって完全に溶融すること、従ってまた、もはや多孔性ではないすなわち１００％の密度を有する例えば結晶性の層が、形成されることを意味する。
除去とは、焼結された多孔性の層の処理を意味する。この処理によって、層が、部分的にまたは完全に除去される。部分的な除去とは、基本的には、焼結された多孔性の層の、元来の層の厚さのうちの、少なくとも１０％が、除去されることを含むことが意図される。完全な除去とは、処理後の元来の層の多孔性の部分領域が、基板上に、しかも、接触がなされることが意図されてなる領域に全然残っていないことを意味する。ソーラセルの場合、このことは、多孔性の層が、焼結中に形成されたＡｌ-Ｓｉ共融混合物まで除去されることを意味するだろう。
本発明に係わる教示は、はんだ付けされたまたははんだ付け可能な層を塗布することができる相手である適切なベース面が用いられるように、層の処理を行なうことを目指している。この層とは、例えば、スズ層であってもよい。
当然ながら、はんだ付けを、内的結合を可能にする他の結合タイプによっても、例えば、溶接または貼着によって、代替することができる。
圧縮、あるいは、完全なまたは部分的な再溶融は、完全なまたは部分的な位相変換を含む。それ故に、種々の合金または合金集中が生じる。
電子部品としてのソーラセルの場合には、本発明に係わる方法が、特に用いられる。電子部品は、半導体材料からなる第１の層を基板として有し、この第１の層の上に延びている第２の層を、アルミニウムまたはアルミニウム含有物からなる焼結された多孔性の層として有し、第１の層と第２の層との間に延びておりかつ第１のおよび第２の層の材料から形成される少なくとも２つの中間層を有し、導電性のコンタクト領域を有し、第２の層に向いた第１の中間層は、第１のおよび第２の層の材料からなる共融混合物を含むことができる。コンタクト領域は、第１の層との電気接続を形成し、第２の層から延びており、あるいは、この第２の層を貫通し、第２の層の材料の無接触の圧縮および／または除去によって形成されている。コンタクト領域における多孔性の層の材料の圧縮および／または除去の後に、コンタクト領域を、特にはんだ付け、例えば超音波はんだ付けによって、コネクタと導電接続する。
本発明の複数の他の詳細、利点および特徴は、複数の請求項と、これらの請求項から読み取れる、単独および／または組合せで生じる複数の特徴とからのみならず、図面から見て取れる複数の好ましい実施の形態の以下の記述からも明らかである。
半導体素子の概略図を示す。 第１の実施の形態に示した、半導体素子の処理後の半導体素子の、その概略図を示す。 第２の実施の形態に示した、半導体素子の処理後の半導体素子の、その概略図を示す。 第３の実施の形態に示した、半導体素子の処理後の半導体素子の、その概略図を示す。 第４の実施の形態に示した、半導体素子の処理後の半導体素子の、その概略図を示す。 第５の実施の形態に示した、半導体素子の処理後の半導体素子の、その概略図を示す。
図面からは、半導体素子の断面が単に原理的に見て取れる。以下、半導体素子を、簡単にするために、ソーラセルという。ここでは、シリコンからなる基板１０すなわち半導体層が示されている。基板の前面または半導体層の前面には、通常、ｐｎ接合ならびにフロントコンタクトおよび場合によってはパッシベーション層を形成するために、複数の半導電性の層が塗布されていることができる。しかし、更に詳細な説明を必要とすることなく、ソーラセルのような半導体素子のよく知られた構造を参照するよう指摘する。
第１の層と呼ぶ半導体層１０に、例えば、スクリーン印刷、パッド印刷、熱噴霧によって、アルミニウムからなるまたはアルミニウムを含む層を形成する。以下、この層をアルミニウム層または単に層ともいう。この層を、ソーラセルの製造中に、焼結する。このことによって、外側のアルミニウム層１２が第２の層として生じる。アルミニウム層１２とシリコンの基板１０との間に、裏面電界を形成しておりかつアルミニウムがドープされたシリコン層１４と、シリコンがドープされておりかつＡｌ-Ｓｉ共融混合物１８を有するアルミニウム層１６とを形成する。しかし、同様に、よく知られた従来の技術を参照されたい。シリコンがドープされたアルミニウム層１６を第１の中間層と呼び、アルミニウムがドープされたシリコン層を第２の中間層１４と呼ぶ。
アルミニウムからなる外側のすなわち第２の層１２は、焼結工程の故に、多孔性であるので、多数の中空空間を有する。
共融混合物１８を含めた、層１０，１２および中間層１４，１６に関しては、これらの層は図面では単に原理的に示されており、実際の寸法を反映していないことを述べねばならない。
第２の層と呼ばれるアルミニウム焼結層１２に、接触用のコネクタ、例えば銅コネクタをはんだ付けするために、焼結層１２に、コンタクト領域２０を形成する。このコンタクト領域は、本発明によれば、特に、集中的な電磁放射ビームによってアルミニウム材料を非接触で圧縮および／または除去することによって、生じる。アルミニウム材料は、層１２の領域にあって、この領域には、コンタクト領域２０が形成される。
アルミニウム材料を非接触で圧縮または除去するためには、Ｎｄ：ＹＶＯ４-レーザのような固体レーザを用いることが可能である。このレーザは、ホスト結晶としてはイットリウム-バナジウムを有する。実際また、ホスト結晶は、イットリウム-アルミニウム-ガーネット（ＹＡＧ）であってもよい。それ故に、Ｎｄ：ＹＡＧ-固体レーザが用いられる。ドーピングのためには、ネオジウムを用いることが好ましい。それ故に、１０６４ｎｍの波長を有する固体レーザが用いられる。場合によっては、共融混合物またはイッテルビウムまたは他の元素も、レーザによるドーピングのために、用いることができる。ネオジウムがドープされた結晶を用いるイットリウム-バナジウム-レーザ（Ｎｄ：ＹＶＯ４-レーザ）、またはネオジウムがドープされた結晶を用いるＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）が、特に好ましい。
レーザ放射ビームに所望のプロファイルを強制するために、光路へ、開口部でのビーム拡大のための光学手段、あるいは屈折性のまたは回折性の光学素子のような光学式のビーム変換システムを設けることができる。
このような処置によって、コンタクト領域２０が、多孔性のアルミニウム層１２に適切に形成される。アルミニウム層は、知られた接続技術、例えば、超音波はんだ付けによって、機械的に安定的な接続を可能にする。特に、集中的な電磁放射ビームによって照射を、以下の程度に行なう。すなわち、アルミニウム層からなるコンタクト領域が生じ、この領域は、図１，４，５に示すように、非常に圧縮され、部分的に圧縮され、あるいは、最初は多孔性の層の密度に亘って密度勾配を有し、場合によっては、傷のつきにくいアルミニウム面を有し、このアルミニウム面が、良好な機械的な付着をもたらす程度に行なうのである。
しかしながら、本発明は、形成されるコンタクト領域で、第２の層１２の材料ならびに場合によっては層１６および１８を含めまたは層１６(図２，３)のみを含めた材料が、完全に蒸発され、かくして、外側の層１２に隣接する中間層１６の真下で接触が行なわれることを含む。
本発明に係わる教示に基づいて生じる種々の可能性は、基本的には、図２ないし６から見て取れる。この場合、本発明に係わる方法を、任意の或るソーラセルを参照して新たに説明する。それ故に、同一の要素に対しては、同一の参照符号を用いる。
図２および３が示すように、コンタクト領域２０を用いるためには、図２に示すように、アルミニウム層１２のみを除去し、または、図３に示すように、このアルミニウム層を、この層に隣接しかつシリコンがドープされたアルミニウム層１６と共に除去する。
図４および５が原理的に示すように、アルミニウム層１２の圧縮を、所望の程度に行なうことができる。その目的は、接触を行なうために、所望の機械的な安定性を有するコンタクト領域２０を形成するためである。図４の実施の形態では、焼結層すなわち外側のアルミニウム層１２が、異なった密度の領域２２，２４で、圧縮される。図５の実施の形態では、焼結層１２が、コンタクト領域２０で、徐々に外側から内側へと増加するように、圧縮されている。密度勾配が存する。
最後に、或る層の領域、すなわち、実施の形態ではアルミニウム層１２を除去し、残りの部分を圧縮する可能性もある。かような領域には、図６では、参照符号２６（除去された領域）および２８（圧縮された領域）が付されている。
これらの実施の形態では、層１２の中にまたは下方に、只１つのコンタクト領域２０が示されているとき、当然ながら、必要な接続の範囲で、適切な数のコンタクト領域を、本発明に係わる教示により、製造することができる。
上記のこととは別に、本発明に係わる方法が、ソーラセルのような半導体素子の裏面にのみ適用される訳ではないことを指摘しなければならない。むしろ、同様のことが、正面にも当て嵌まる。
更に、本発明にかかわる圧縮および／または除去あるいは除去および／または圧縮が、特に、セルコネクタのようなコネクタとの接続が形成されることが意図されてなる領域でのみ、なされることが提案されている。更に、予め形成された焼結された多孔性のアルミニウム層が、ソーラセルの裏面全体に沿って延びていることは好ましい。
同様に、本発明に係わる方法の適用後に、補足的に、処理された領域に、１つまたは複数の層を塗布することができ、その後、実際のはんだ付け工程または接続工程を行なうことも指摘されねばならない。
圧縮された層の形態が、特に、本発明の適用の証拠を表わしているのは、検査されるアルミニウム層の部分領域が、通常、処理されていない部分領域に比較してより高い密度または密度勾配を有する場合である。
同様に、多孔性の層のないことが、特に、本発明の適用の証拠を表わしているのは、例えば、検査されるアルミニウム層の部分領域が、処理されていない部分領域に比較して、完全または部分的にない場合である。
１０…基板
１２…アルミニウム層、焼結層
１４…シリコン層
１６…アルミニウム層
１８…Ａｌ-Ｓｉ共融混合物

Claims (17)

  1. コンタクト領域をコネクタと接触させるための、電気的構成要素の基板の、少なくとも１つの部分的なコンタクト領域を形成するための方法であって、前記基板は、コンタクト側で、アルミニウムまたはアルミニウム含有物からなる焼結された多孔性の層を有し、
    前記焼結された多孔性の層を、集中的な電磁放射ビームによって形成されるコンタクト領域で、圧縮および／または除去することを特徴とする方法。
  2. 前記焼結された多孔性の層に、波長λを有する集中的な電磁放射ビームを当て、但し、２００ｎｍ≦λ≦１１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記多孔性の層の、前記形成されるコンタクト領域に、λ≧８００ｎｍ、好ましくはλ≧１０００ｎｍの波長を有し、かつ特に近赤線領域にある波長のレーザビームを当てることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 集中的な電磁放射ビームを発生させるために、ネオジウムがドープされた結晶を用いかつλ＝１０６４ｎｍの波長を有する固定レーザ（２２）、あるいは、イットリウム-アルミニウム-ガーネット-またはイットリウム-バナジウム-固体レーザ（２２）、特に、ネオジウムがドープされた結晶を用いるイットリウム-アルミニウム-ガーネット-レーザ（２２）、あるいは、ネオジウムがドープされた結晶を用いるイットリウム-バナジウム-レーザを用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記レーザ（２２）は、前記焼結された多孔性の層（１２）の光吸収が少なくとも０．５％、好ましくは１０％と１００％との間の範囲にあってなる波長を有するレーザビーム（２４）を放射することを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
  6. 波長を有するレーザビーム（２４）を放射するレーザ（２２）を用い、このレーザビームは、前記多孔性の層（１２）によって、この層を加熱するために、吸収され、多孔性の材料が、当てられたレーザビームの領域で、前記コンタクト領域（２０）を形成するために、蒸発されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
  7. 前記コンタクト領域（２０）を形成するために、前記レーザを、パルス・モードまたはＱスイッチ・モードで用いることを特徴とすることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
  8. 前記コンタクト領域（２０）を形成するために、前記レーザビームに、トップハット形のビームプロファイルを強制することを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
  9. 前記レーザビーム（２４）に影響を及ぼすために、前記レーザ（２２）と前記層（１４）との間に、ビーム変換システム、例えば、屈折性のまたは回折性の光学素子または開口部が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
  10. 前記レーザ（２２）を、光音響スイッチによってパルス化させることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  11. 電子部品としてソーラセルを用い、このソーラセルは、半導体材料からなる第１の層（１０）を基板として有し、この第１の層の上に延びている第２の層（１２）を、アルミニウムまたはアルミニウム含有物からなる焼結された多孔性の層として有し、前記第１の層と前記第２の層との間に延びておりかつ前記第１のおよび第２の層の材料から形成される少なくとも２つの中間層（１４，１６）を有し、前記第１の層の電気接続を形成するコンタクト領域を有し、前記第２の層（１２）に向いた前記第１の中間層（１６）は、前記第１のおよび第２の層の材料からなる共融混合物（１８）を含むことができ、前記形成されるコンタクト領域において前記焼結された多孔性の層の材料を圧縮および／または除去した後、前記コンタクト領域を、特に、超音波はんだ付けのようなはんだ付けによって、コンタクトと、導電接続する、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記焼結された多孔性の層を、部分的に除去し、かつ部分的に圧縮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 前記焼結された多孔性の層を、少なくとも１つの領域で、異なった密度の領域が生じるように、圧縮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 前記焼結された多孔性の層を、密度勾配が生じるように、圧縮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  15. 前記焼結された多孔性の層を、異なった密度の少なくとも２つの層が生じるように、少なくとも１つの領域で、圧縮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  16. 前記焼結された多孔性の層を、前記形成されるコンタクト領域で、まず外側で除去し、次に残りの領域を圧縮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  17. 前記対応の領域に前記多孔性の層を圧縮および／または除去した後に、１つまたは複数の層を塗布し、これらの層と接触を行なうことを特徴とする請求項１に記載の方法。
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