JP2012526372A - 半導体基板のコンタクト形成方法 - Google Patents

半導体基板のコンタクト形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体基板とのコンタクトを形成する方法、とくに太陽電池とのコンタクトを形成するのに適し、少ない労力でできるだけ高い接触品質が得られる方法を提供する。
【解決手段】基板（１０）の表面上に金属種晶構造（２６）をＬＩＦＴプロセスによって生成してコンタクトを形成する。その後種晶構造（２６）を強化する（２８）。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体基板のコンタクトを形成する方法、とくに太陽電池のコンタクトを形成する方法に関するものである。
太陽電池の製造において、小さな規模では、リソグラフィーで事前構造化した上にサンプルを蒸着することにより太陽電池のコンタクトは十分に形成することができる。しかし、この方法は多数のプロセスステップが必要で、サンプル全体の蒸着により使用する金属の大半が失われる。このため、大きな規模で製造するには高価となる。
このために、太陽電池とのコンタクトを形成するために、業界ではスクリーン印刷プロセスが広く使用されている。この方法の欠点は、太陽電池とのコンタクトを形成するために高温ステップが必要であることである。さらに、スクリーン印刷ラインの接触抵抗は、蒸着接触の場合よりも約１０−３から１０−２Ωｃｍ２大きくなる。ガラスディフューザフリットおよびラインの多孔率は、純粋な金属からなるラインに比べて約４倍ラインの導電率を下げる。別の欠点はスクリーン印刷ラインのアスペクト比で、ライン高さが約２０μｍの場合には最低ライン幅が約１００μｍに制限される。
そのため、太陽電池に関して一連の代替コンタクト形成方法が提案されてきたが、そのすべてに一定の欠点がある。
下記特許文献１は、太陽電池との選択的なコンタクト形成方法を開示しており、コンタクトを形成する表面に誘電体パッシベーション層を被覆し、このパッシベーション層をレーザーアブレーションによって、つまりアブレーションの過程でレーザー光を直接作用させることによって、下層の裸面が露出するまで除去する。コンタクトを形成する表面を局所的に露出させた後、背面の全面に金属を塗布して選択的なコンタクトを形成する、またはリフトオフ技術の後に前面を電気化学的に強化する。
しかし、この方法では、優れた抵抗値を得るために一般にコンタクトをその後３００℃を超える温度で処理しなければならない、すなわち追加のプロセスステップが要求され、これがパッシベーション層の選択を一層制限する。
下記特許文献２は太陽電池とのコンタクトを形成する別の方法を開示している。太陽電池の不動態化誘電層に金属層を塗布してから、放射源によって点または線形に短く局所的に加熱し、その結果金属層、誘電層および半導体から溶融混合物が形成される。これは凝固後に、半導体と金属層との間に優れた電気コンタクトを生成することを目的としている。
しかしながら、この方法で生成された層の接触抵抗はどの場合も十分とはいえない。
下記特許文献３は、太陽電池とのコンタクトを形成する別の方法を開示しており、インクジェットプロセスを使用して金属含有インクによって太陽電池の表面に金属コンタクト構造を塗布する。それから塗布した金属ペーストと半導体との間にコンタクトを形成するために、約４００℃で温度ステップを実行する。この方法ステップの完了後、この方法で生成された接触ラインを電解槽で電気化学的に強化する。
このようなインクジェットプロセスは、コンタクト材料を金属含有インクとして準備しなければならないため、その選択が大幅に制限されるという根本的な欠点がある。さらに、接触抵抗はどの場合も十分とはいえない。結局、追加温度処理ステップは不利と考えられる。
また、先行技術では太陽電池とのコンタクトを形成するレーザー焼結方法が公知である。下記特許文献４によると、基板にまず金属粉末を塗布してから、金属粉末をレーザービームの助けをかりて局所的に焼結または溶融し、焼結または溶融されなかった金属粉末を最後に除去する。
この方法の１つの問題は、焼結されなかった材料を個別のプロセスステップで再び除去して回収しなければならないことであり、これはまず材料の大量な使用を意味し、したがって損失につながるおそれがある。さらに、優れた接触抵抗を達成するためには、確実に完全な焼結をするために、その後２５０℃から４００℃での追加の温度処理を要する。
独国特許出願公開１９９ １５ ６６６ Ａ１号明細書 独国特許出願公開１００ ４６ １７０ Ａ１号明細書 独国特許出願公開１０ ２００６ ０３０ ８２２ Ａ１明細書 独国特許出願公開１０ ２００６ ０４０ ３５２ Ｂ３明細書 米国特許第４，９７０，１９６号明細書
以上に鑑みて、本発明は、半導体基板とのコンタクトを形成する方法、とくに太陽電池とのコンタクトを形成するのに適し、少ない労力でできるだけ高い接触品質が得られる方法を提供するという目的に基づいている。
本発明によると、前記目的は、コンタクトを形成する表面にＬＩＦＴプロセスによって金属種晶構造を生成し、その後種晶構造を強化する、半導体基板とのコンタクトを形成する方法、とくに太陽電池とのコンタクトを形成する方法によって達成される。
本発明の目的は、このように完全に達成される。
ＬＩＦＴプロセス（レーザー誘起前方転写）は、原理上は先行技術（参照、上記特許文献５）で公知である。この場合、被覆する基板の前に、塗布する材料の薄膜とともに光学的に透明なマウント材料を置く。塗布する材料をレーザービームの助けをかりて、マウント材料から離れてすぐ隣の基板に沈積する程度まで、光学的に透明なマウント材料を通して局所的に加熱する。相対的に高いレーザー強度で、とくにパルスレーザーを使用するときに、材料は蒸発点に達する程度まで加熱されて、基板表面への転写プロセスが金属蒸気圧によって支援されて、実行される。
本発明によると、原理上公知のこの方法を今度は薄い金属層を半導体基板に転写するために使用して、基板とのコンタクトを形成する。ＬＩＦＴプロセスによって生成された種晶構造をその後強化することによって、十分に接着し、優れた導電率を有するコンタクトが得られる。
ＬＩＦＴプロセスを使用すると、ごくわずかな労力で高品質のコンタクトを生成することが可能である。この結果、スクリーン印刷方法の場合よりもかなり優れた接触抵抗となる。この方法は構造化にマスクを使用する必要がないため、かなりの柔軟性がある。
イメージング法の場合よりも簡単に構造（ライン幅、ラインの位置、ラインの高さ等）の変更を実施できる。このために必要なことは、例えば、スキャナの助けをかりて、レーザーを適切に制御することだけである。
さらに、ＬＩＦＴプロセスの助けをかりて、多数の金属を堆積できる。また、ごく薄いラインを表すことができるため、前面(front surface)で太陽電池表面の被覆がほとんどなくなり、太陽電池の効率に有利である。最後に、ラインのアスペクト比（高さ対幅の比）は幅広い範囲で設定できる。例えば、ラインの導電率を下げる必要なく、ラインの幅を減らすことができる。
本発明の別の改良形態によると、種晶構造は電気化学的な方法または非電気的な方法で強化される。
原理上、種晶構造の強化には他の方法も実行可能であるが、導電率の層を生成できる電気化学的な方法が非常にコスト効果的に優れた方法である。
本発明の別の改良形態によると、種晶構造は基板表面上のカバー層を通して生成される。
本発明によると、ＬＩＦＴプロセス中に生成されるエネルギを使用して、基板表面に通常接着しているカバー層を直接通して金属種晶構造を生成できる。一般に、太陽電池は反射防止層をその前面に設けており、これが誘電特性を有する。ＬＩＦＴプロセス中の局所的なエネルギは十分に高いため、種晶構造はカバー層または反射防止層を通して基板表面に直接「焼成」できる。
このことは、コンタクトが追加のプロセスステップなく非常にコスト効果的に、かつ高効率で形成されることを意味する。対応するやり方で、太陽電池の背面のパッシベーション層を通して基板表面上に直接種晶構造を生成できる。
自明なことであるが、原理上、レーザーエネルギが適切に制御されるならば、種晶構造は複数の一連の層を通して基板表面上に直接生成することもできる。
本発明の別の改良形態によると、半導体基板上にＬＩＦＴプロセスによって第１金属から構成される種晶構造をまず生成してから、異なる金属で強化する。
例えば、まず、基板表面上に十分に接着し、かつ拡散のほとんどない種晶構造を加工することが可能である。この層をさらに、これより導電率がかなり高い、例えば銀または銅を含む異なる金属で強化できる。この場合、第１層は拡散バリアとして作用できる。例えば、これはニッケル層であってもよい。
さらに、まず、ＬＩＦＴプロセスによって第１金属から構成される第１種晶構造を生成してから、次にもう一度ＬＩＦＴプロセスによって異なる金属から構成される別の層を生成することが可能である。
また、第１種晶構造は、異なる金属の層を塗布する前に、まず同じ金属で強化することもできる。ここでも、これは例えば電気化学的なプロセスによって行うことができる。
ＬＩＦＴプロセスにはパルスレーザーを使用することが好ましい。
この場合、少なくとも４０ナノ秒のパルス持続時間を使用するととくに有利であることが分かっている。これにより粒子散乱を防止でき、これは生成される接触層の品質に有利な効果を有する。
この場合、長手方向に集光するレーザービーム、好ましくは楕円焦点をもつレーザービームを使用するととくに有利であることが分かっている。
また、本発明の別の改良形態によると、第１種晶構造はフィルムマウントから基板表面にＬＩＦＴプロセスによってロール・ツー・ロールプロセスで転写される。
この結果とくにコスト効果的に生成され、大規模製造に適する。ロール・ツー・ロールプロセスの場合、各レーザー書き込みプロセス後の該当フィルムマウントの側方オフセットにより、マウントフィルムに設けられる金属コーティングの非常に良好な材料利用を達成することが可能である。
上記説明してきた本発明の特徴および以下の文章でこれから説明する本発明の特徴は、それぞれ記載される組み合わせだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組み合わせまたはそれ自体でも使用できることは自明である。
本発明のさらなる特徴および利点は、図面を参照して、ある好適な例示的な実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。
前面上にＬＩＦＴプロセスによって生成し、電気化学的に強化したニッケルコンタクトが形成された太陽電池の電流／電圧特性を示す。 ＬＩＦＴプロセスによって塗布したニッケル層について、レーザービームの移動速度に対する接触抵抗の関係を示す。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、ＬＩＦＴプロセスによる金属層の塗布中の様々な段階を模式的に図示している。 （ａ）および（ｂ）は、生成した種晶構造の電気化学的な方法による強化を説明するための模式図を示す。
ＬＩＦＴプロセスの原理を、図３を参照して以下の文章で詳しく説明する。
太陽電池の作成中、この太陽電池の前面および背面に金属コンタクトを設けなければならない。例として、図３を示す。図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、ｐ型ドープされた基材（Ｓｉウエハまたは多結晶Ｓｉ）１１を示しており、その前面にエミッタを形成するｎ型ドープされた材料の層１０が配置されている。この基板層１０に、５０〜１００ｎｍの層厚の窒化ケイ素層など、反射防止層であるカバー層１２が設けられている。
金属種晶構造２６が、ＬＩＦＴプロセスによって、カバー層１２を通して、基板層１０の表面上に直接生成される。このために、薄いガラス層または薄膜の形のマウント材料１４が基板層１０の前のすぐ近くに配列されて、基板層１０に対向する側に薄い金属層１６が設けられる。例として、これはニッケル層であってもよい。
図３（ｂ）は、前記薄い金属層１６からレーザービーム２４の助けをかりて、どのように薄い金属層１６の一部を局所的に剥離するかを示す図である。図３（ｃ）に図示されるように、カバー層１２を通して、基板層１０の表面に直接焼成される。これはパルスレーザー１８を使用して行われる。パルスレーザー１８はレーザービーム２４をレンズ２０および隙間(gap)２２を通過して透明マウント層１４を通して金属層１６上に照射される。パルスレーザービームの高エネルギは金属層１６を局所的に剥離して、カバー層１２を通して蒸発させるので、図３（ｃ）のように基板層１０の表面上に種晶構造２６として沈積する。この層は追加の方法ステップ、例えば電気化学的なステップで一般に強化されるので、この層をここでは「種晶構造」(seed structure)という。
図３は単に模式的な図であり、実際のサイズ関係を反映しているものでない。さらに、ＬＩＦＴプロセスは、エネルギが適切に制御されることを条件に、複数の層を通して種晶構造２６の生成にも使用できる。
ＬＩＦＴプロセスは好ましくは、約４０ナノ秒のパルス持続時間で操作されるパルスレーザーを使用して行われる。例として、これは５３２ｎｍまたは１０６４ｎｍの波長のＮｄ：ＹＡＧレーザーであってもよい。原理上、ＬＩＦＴプロセスは波長とはおおむね独立している。しかし、転写される金属およびそれぞれの吸収によって、固有の波長が好ましいこともある。
図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に図示するように生成される種晶構造はさらに、図４特に、図４（ｂ）に模式的に示すように強化される。例として、このために電気化学的な方法または非電気的な方法を使用できる。この結果、高い導電率をもつ強化構造２８が得られる。これは種晶構造２６と同じ材料または種晶構造２６とは異なる材料から構成してもよい。
ＬＩＦＴプロセスの使用により、コンタクト構造の塗布中の構成に関して自由度が非常に高まる。例として、レーザービームは、基板表面１０上に所望の種晶構造を生成するために、スキャナによって適したやり方で制御できる。
図１のグラフはＬＩＦＴプロセスによって生成した、前面にニッケルコンタクトを有する太陽電池の電流／電圧特性を示している。種晶構造はウエハ（ｎ型ドープされたＳｉエミッタ）上の反射防止コーティングを通して直接塗布された後で、電気化学的に強化した。この特性は、このように太陽電池の前面に生成されたコンタクトが高品質の太陽電池を実現することを示している。
図２のグラフは、移動速度に対する接触抵抗の依存性を示している。移動速度が速いほど接触抵抗は低くなっている。達成される最善の接触抵抗は、エミッタ上３×１０−５Ωｃｍ２である。このときガラス上のニッケル層の厚さが２５０ｎｍ、１平方あたりの表面抵抗は５５Ωである。
ＬＩＦＴプロセスは有利なことに、太陽電池の背面上にコンタクトを形成するのにも使用できる。
残りの面積と比較して接触面積が小さいことは、背面上にコンタクトを形成する場合にも同様に望ましい。残りの面積はパッシベーション層で保護されるため、より効率的な太陽電池が得られる。
ｎ型材料でコンタクトを形成するのにはＡｇ、Ｔｉまたはニッケルを使用するのが好ましい。これに対して、ｐ型材料とのコンタクトを形成するには、異なる材料、例えばアルミニウムを使用するのが好ましい。それぞれの材料はコンタクトを形成するそれぞれの層によって選択してもよく、ＬＩＦＴプロセスで塗布してもよい。次の強化ステップでは同じ材料または異なる材料を使用してもよい。例えば、ＬＩＦＴプロセスを使用して拡散バリア層としてまずニッケル層を塗布でき、さらにこれをまず電気化学的に強化して、さらにそれに銅層を同様に電気化学的に塗布する。
使用するレーザーは約５μｍの幅で、約２０μｍから３０μｍの長さの楕円焦点を有する。

Claims (15)

  1. 金属種晶構造（２６）をＬＩＦＴプロセス（レーザー誘起前方転写プロセス）によってコンタクトを形成する基板表面上に生成し、その後前記種晶構造（２６）を強化する、半導体基板（１０）のコンタクトを形成する方法、とくに太陽電池のコンタクトを形成する方法。
  2. 前記種晶構造（２６）は電気化学的な方法または非電気的な方法によって強化されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記種晶構造（２６）は前記基板表面（１０）上にカバー層（１２）を通して生成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記種晶構造（２６）はとくに太陽電池の前面上に、反射防止層を通して生成されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 前記種晶構造（２６）はとくに太陽電池の背面上に、パッシベーション層を通して生成されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  6. 第１金属から構成される種晶構造をまず前記ＬＩＦＴプロセスによって前記半導体基板上に生成してから、その後異なる金属で強化することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 種晶構造をまず前記半導体基板上に第１金属からＬＩＦＴプロセスによって生成してから、その後前記第１種晶構造上にＬＩＦＴプロセスによって異なる金属から構成される少なくとも１つの別の層を生成することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記第１種晶構造は拡散バリア層として構成されることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
  9. 前記第１種晶構造はニッケルまたはニッケル合金から生成することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
  10. 前記第１種晶構造を異なる金属の層を塗布する前にまず同じ金属で強化することを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記ＬＩＦＴプロセス中にパルスレーザー（１８）を使用することを特徴とする、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 少なくとも４０ナノ秒のパルス持続時間のレーザー（１８）を使用することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ＬＩＦＴプロセスに長手方向に集光するレーザービーム、好ましくは楕円焦点をもつレーザービームを使用することを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記第１種晶構造は前記ＬＩＦＴプロセスによってロール・ツー・ロールプロセスでフィルムマウント（１４）から前記基板表面に転写されることを特徴とする、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
  15. ＬＩＦＴプロセスを使用して生成される金属種晶構造（２６）を有し、電気化学的に生成された強化構造（２８）を有する、少なくとも１つのコンタクトを有する太陽電池。
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