JP2013157641A - 金属配線コンタクト構造及び層のパターニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン太陽電池用の多層電極構造の形成方法を提供する。
【解決手段】多層電極構造の形成方法１０は、半導体基板１４上に導電コンタクト層２０を成膜するステップと、導電コンタクト層２０の一部分の上に金属含有インクを成膜し、導電コンタクト層２０の露出部分を金属含有インクに隣接させるステップと、導電コンタクト層２０の露出部分を半導体基板１４から除去することによって導電コンタクト層２０をパターニングするステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン光起電セル（以下、「シリコン太陽電池」と称す）用の金属配線コンタクト構造および多層電極構造形成方法に関する。金属配線コンタクト構造および多層電極構造形成方法は、小接触面積で接触抵抗が小さく、表面再結合の小さいシリコン太陽電池を提供する。金属配線コンタクト構造および方法によるシリコン太陽電池では、高い導電率、はんだ性、および銀グリッド線電極を介する電流の安定性が維持される。

太陽電池は一般に、太陽光を電気へ直接変換する光起電デバイスである。通常太陽電池は、太陽光などの光照射を吸収して自由電子を生成するシリコン半導体を備え、この自由電子が、組み込まれた電界の存在によって流れて直流（以下「ＤＣ」と称す）電力を生成する。いくつかの光起電セルで生成されるＤＣ電力は、セル上に配置されたグリッドで集めることができる。多数の光起電セルからの電流が直列と並列の組み合わせで結合されて、より大きな電流および電圧を生じる。このようにして集められたＤＣ電力は、しばしば数十本あるいは数百本ともなる配線によって送電される。

地上に配備されるシリコン太陽電池の最新の金属配線技術は、スクリーン印刷である。スクリーン印刷は何十年に亘って利用されてきており、堅牢、簡単、迅速、そして費用対効果の高い金属配線方法であり、太陽電池の大規模生産向けに容易に自動化できる。太陽電池の金属配線のための従来のスクリーン印刷の手法は、ウェーハに被せたエマルジョンパターンつきのメッシュを通してペーストをスキージ（ｓｑｕｅｅｇｅｅ）で押し付けるものである。太陽電池の金属配線用の一般的なペーストは、銀粒子と有機ビヒクル中のガラスフリットとの混合物である。ウェーハが焼成されると有機ビヒクルは分解し、ガラスフリットが表面のパッシベーション層を軟化、融解させて、ペーストで形成された銀パターンの下に多数のランダム点を形成して、銀がシリコンに到達できる通路を形成する。表面パッシベーションは、反射防止被膜としても作用するが、シリコン窒化物層のような誘電体層であり、電気接触部以外のセルを覆う重要なセル部品である。ペーストの上部は緻密化して、セルから電流を運ぶ１つまたは複数の金属厚膜となる。これらの膜は、ウェーハの表面ではグリッド線を形成し、裏側では裏面電極となる。ペーストの銀は、隣接するセルを接続するタブが半田付けされる表面ともなる。

米国特許出願公開２００４／０２００５２０ 米国特許出願公開２００５／００２２８６２ 米国特許出願公開２００６／０１０２２２８ 米国特許出願公開２００７／０１６９８０６ 米国特許第４，２３５，６４４号 米国特許第６，８１４，７９４号

スクリーン印刷との組み合わせで導通を取るガラスフリット手法は、パッシベーションの穴あけに個別のプロセスを要しないという長所があるが、その一方で、セル効率の改良の制限となる大きな欠点を有している。先ず、接触抵抗が大変大きい。例えば半導体エミッタ層（日光に晒される面）と銀グリッド線との間の接触比抵抗は、約１０-3Ω・ｃｍ2
のオーダである。この半導体エミッタ層と銀グリッド線との間の接触比抵抗は、約１０-7Ω・ｃｍ2のオーダである半導体ＩＣデバイスの接触比抵抗よりも数桁大きい。この大き
な接触比抵抗のために、太陽電池のエミッタ層へのドーピング量を大きくし、エミッタと
銀グリッド線との間の接触面積を大きく取らねばならない。そうしないと、ペーストの銀がシリコンとの良好な電気接触をとることができない。多量にドーピングすることは、セルの表面部の少数キャリアの寿命を損ない、青色波長に対するセルの応答を制限する。また、接触面積が大きいことは、表面での再結合速度を大きくしてしまう。その結果、太陽電池全体としての効率は低下する。ガラスフリット手法のもう一つの問題は、プロセスのマージンが小さいことである。グリッド線を焼成する温度サイクルでは、シリコン窒化物を通してシリコンと銀との導通を取るための熱処理を行うが、このとき銀が接合部にシャントあるいはその他の形でダメージを与えることがないようにする必要があり、プロセスマージンの小さいことが問題となる。このプロセスマージンが小さいことにより、処理時間を約３０秒のオーダに、また最高焼成温度付近で温度幅を約１０℃に、厳密に制限する必要がある。

金属配線コンタクトおよび多層電極構造は、誘電体層と誘電体層中に形成したコンタクト用開口部とを含む半導体基板を有する。コンタクト用開口部は、シリコン太陽電池を製造するための通電用焼結金属グリッド線の、位置合わせおよび形成用の下地グリッド線となる。導電コンタクト層は、半導体基板の誘電体層中のコンタクト用開口部の中に成膜される。金属含有インクが、半導体基板の導電コンタクト層の一部分の上に成膜され、半導体基板の誘電体層中に形成されたコンタクト用開口部に位置合わせされる。半導体基板の熱処理によって金属含有インクから通電用焼結金属グリッド線が形成される。

導電コンタクト層は、導電コンタクト層の露出部が半導体基板から除去されることによりパターニングされる。成膜された金属含有インクが導電コンタクト層の非露出部の上に保護マスクを形成し、導電コンタクト層の露出部を除去する際に、非露出部が除去されるのを防止する。半導体基板を熱処理することによって、導電コンタクト層の非露出部と金属含有インクと半導体基板とで構成される、多層電極構造および／または追加的に金属シリサイド層が形成される。

実施形態においては、半導体基板上に導電コンタクト層を成膜するステップを含む、太陽電池の多層電極構造形成方法を開示する。この方法は、金属含有インクを導電コンタクト層の一部分の上に成膜し、導電コンタクト層の露出された部分が金属含有インクに隣接するようにするステップと、導電コンタクト層の露出部分を基板から除去することによって導電コンタクト層をパターニングするステップと、を含む。

本開示は一般的に、シリコン光起電セル（シリコン太陽電池）用の多層電極構造形成のための金属配線コンタクト構造およびその方法に関する。多層電極構造形成のための金属配線コンタクト構造および方法は、半導体基板の上に成膜され、パターニングされた導電コンタクト層を有する。コンタクト用開口部は、非接触パターン形成装置によって半導体基板上に形成され、成膜された導電コンタクト層で充填される。金属含有インクが導電コンタクト層の上に成膜され、半導体基板上に形成されたコンタクト用開口部に位置合わせされる。導電コンタクト層の非露出部がその上に成膜された金属含有インクでマスクされる。導電コンタクト層は、その露出部分が半導体基板から除去されてパターニングされる。導電コンタクト層の非露出部および金属含有インクが熱処理されてエミッタ層、任意のメタルシリサイド層、および低接触抵抗金属層が形成される。さらに、金属含有インクの熱処理により半導体基板上に通電用焼結金属グリッド線が形成される。

多層電極構造の形成方法を示す図である。 多層電極構造形成用プロセス装置を示す図である。 半導体基板にコンタクト用開口部を形成するためのレーザを用いたパターニング装置を示す平面図である。 シリコンに成膜したままのＮｉ導電層、および空気中５００℃で焼成した後のＡｇ／ＮｉのＩ−Ｖ曲線を示すグラフである。 穴が形成された誘電体層表面の平面図である。 細線が形成された誘電体層表面の平面図である。 穴と細線が混合形成された誘電体層表面の平面図である。

例示の構造およびプロセスを図面を参照して説明する。ここで、同じ符号は同じ部品を示す。本開示は図１に示すように、シリコン太陽電池用の多層電極構造１２を形成するための方法１０に関する。方法１０のそれぞれのステップを処理するプロセス装置２００（
以後「装置２００」と称す）を図２に示す。図２のプロセス装置２００は方法１０を実行するための例示であって、方法１０を装置２００の特定の実施形態に限定するものではないことを理解されたい。

半導体基板１４が図１のステップ１００および図２に示すように与えられる。半導体基板１４は半導体基板１４の表側１５に成膜された誘電体層１６を有する。誘電体層１６は半導体基板１４の表側１５を部分的にあるいはほぼ全体的に覆っている。誘電体層は、約５ｎｍ〜約５００ｎｍ、もしくは約２０ｎｍ〜約２００ｎｍ、もしくは約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲の厚さを有する。半導体基板１４は、誘電体層１６の直下に少なくともｎ＋エミッタ層あるいは領域（図には示さず）を含む。

図２に示すようにシリコン太陽電池形成のために半導体基板１４が、基板ロード機構２０４によって装置２００の搬送機構２０２に搭載される。装置２００には、追加的な搬送機構２０２（以後「搬送機構２０２」と称す）、基板ロード機構２０４、非接触パターン形成装置２０８、導電コンタクト層成膜装置２１０、金属含有インク成膜装置２１２、導電コンタクト層除去装置２１４、および／または追加的な基板アンロード機構２１６（以後、「基板アンロード機構」と称す）が含まれる。基板ロード機構２０４および基板アンロード機構２１６は当業者に周知の方法で動作する。したがってここではこれ以上の詳細は述べない。

半導体基板１４が基板ローディング機構２０４によって搬送機構２０２に移される前に、誘電体層１６が半導体基板１４の表側１５に事前に形成されてもよい。さらに、半導体基板１４は、ｎ＋エミッタ層あるいはｎ＋エミッタ領域のような、１つまたは複数のドーピングされた拡散領域を含むように前処理されていてもよい。搬送機構２０２は図２に示すようにコンベヤ２０６を有することができる。搬送機構２０２のコンベヤ２０６は、上向きのベルト部分を有し、半導体基板１４を、非接触パターン形成装置２０８、導電層成膜装置２１０、金属含有インク成膜装置２１２、導電層除去装置２１４、および／または基板アンロード機構２１６へ搬送することができる。１つの非接触パターン形成装置２０８、導電層成膜装置２１０、金属含有インク成膜装置２１２、導電層除去装置２１４、および基板アンロード機構２１６は、コンベヤ２０６の搬送方向に、例えば図２の左側から右側へというように、順番に配置されていてもよい。

本実施形態においては、半導体基板１４は、シリコンおよび類似の材料などの半導体材料でできている。また、本発明の実施形態においては、半導体基板１４の誘電体層１６用の適切な誘電材料として、ＳｉＯ２やＴｉＯ２のような酸化物、もしくは、シリコン窒化物やシリコン酸窒化物のような窒化物を含むことができる。

搬送機構２０２のコンベヤ２０６が、半導体基板１４を半導体基板ロード機構２０４から非接触パターン形成装置２０８まで搬送する。図１のステップ１１０に示すように、１つまたは複数のコンタクト用開口部１８（以後「１つまたは複数の開口部１８」と称す）が、半導体基板１４の上に、および半導体基板１４の誘電体層１６の中に形成される。

本実施形態においては、誘電体層１６に形成された１つまたは複数のコンタクト用開口部１８は、図５に示すような少なくとも１つあるいは複数の穴５００であるか、図６に示すような少なくとも１つあるいは複数の線５０２であるか、図７に示すような少なくとも１つあるいは複数の穴５００と少なくとも１つあるいは複数の線５０２の組み合わせであるか、または他の形状（図示せず）である。実施形態においては、少なくとも１つあるいは複数の穴５００のそれぞれは、同一の形状、幅および直径を有している。少なくとも１つあるいは複数の穴５００のそれぞれの直径は、約１μｍ〜約２００μｍ、もしくは約５μｍ〜約１００μｍ、もしくは約１０μｍ〜約５０μｍの範囲である。少なくとも１つあ
るいは複数の穴５００のそれぞれは、約０．０１ｍｍ〜約２ｍｍ、もしくは約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ、もしくは約０．２ｍｍ〜約０．５ｍｍのピッチである。

本実施形態においては、少なくとも１つあるいは複数の線５０２は、誘電体層１６の中の溝、すなわちトレンチである。複数の線５０２のそれぞれの線幅は、約１μｍ〜約２００μｍ、もしくは約５μｍ〜約１００μｍ、もしくは約１０μｍ〜約５０μｍの範囲である。本実施形態においては、１つまたは複数のコンタクト用開口部１８のそれぞれは、穴または幅の小さい線のほかに、その他の幾何形状を有する外形線を含むことができる。

１つまたは複数の開口部１８は、半導体基板１４の上に成膜された通電用焼結金属グリッド線用の下地グリッド線であってもよい。図１のステップ１１０および図２に示すように、非接触パターン形成装置２０８によって１つまたは複数の開口部１８が誘電体層１６を貫通して形成され、半導体基板１４のドーピング領域を露出させて半導体基板１４の表側１５を開放する。

本実施形態では、非接触パターン形成装置２０８は、レーザベースのアブレーション（除去）装置である。この装置は十分なエネルギのレーザパルス（ＬＰ）を発生して、誘電体層１６をアブレート（除去）して１つまたは複数の開口部１８を形成し、金属配線する前に洗浄やその他の処理を何もすることなく、半導体基板１４の表側１５を露出させる。レーザアブレーションを用いる利点は、アブレーションを行った後に、半導体基板１４の洗浄、乾燥の必用がないことである。洗浄および乾燥のステップの省略により、金属配線形成前の、１つまたは複数の開口部１８の迅速かつ連続的なプロセスが可能となる。また、これに代わるものとして、非接触パターン形成装置２０８は、イオンミリング装置のような、誘電体層１６に１つまたは複数の開口部１８を形成する粒子ビーム発生装置であってもよい。

本実施形態においては、非接触パターン形成装置２０８として、図３に示すように、走査型レーザ装置３００（レーザ装置３００）が含まれる。この装置では、レーザ３１０で発生したレーザパルスＬＰがビーム調整光路を経て回転ミラー３３０に向かい、適切な走査レンズ３４０を通して、誘電体層１６の上に所定の走査パターンで照射される。レーザ装置３００は、静電プリンタ機の光受容体に静電気像を描くのに使用されるものと同様なものであってよい。このようなレーザ処理ツールのスループットは、毎秒基板１枚程度のオーダであり、これは低速ないし中速のレーザプリンタ装置の印刷速度に匹敵する。スポットサイズ、すなわち１つまたは複数の開口部１８の平均直径によって、アブレーションで切除されるコンタクト用開口部３１７のそれぞれのサイズが決定される。このサイズは通常、直径で約５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲である。

本実施形態では、レーザ３１０は、パルス繰返し速度が約１００ＫＨｚのオーダの、コヒーレント社モデルＡＶＩＡ２６６−３００ ＱスイッチＮｄ−ＹＡＧレーザである。誘電体層の表面をアブレーションするのに必要なフルエンスは約１Ｊ／ｃｍ2のオーダであ
る。レーザ３１０のパルス長は約数十ナノ秒のオーダである。波長は約２６６ｎｍのオーダである。短パルス、短波長のこのようなレーザでは、エネルギが表面近傍に蓄積され、半導体基板１４の溶融はあったとしても短時間である。その結果、半導体基板１４の拡散領域におけるドーピングプロファイルの変化は最小に抑えられる。波長が２６６ｎｍのフォトンのエネルギは約４．６６ｅＶである。誘電体層１６のバンドギャップは広範囲に変化するが、このフォトンのエネルギは最も透明な形態のシリコン窒化物のバンドギャップに匹敵する。この高エネルギのフォトンは表面のパッシベーション、および／またはその下の半導体基板の最表面の数ナノメートルで吸収される。ドーピング量の少ないエミッタは、燐の拡散深さが約２００ｎｍであり、シート抵抗は約１００Ωのオーダで、物理的な表面ではドーパントは非縮退レベルにある。半導体基板１４の材料は熱の良い伝導体であ
り、誘電体層１６の表面パッシベーションの下に形成される半導体基板１４の溶融部を急速に冷却する。実施形態においては、プロセス条件を適切に制御することにより、下のシリコン層の厚さ、あるいはドーピングプロファイルを大きく変化させることなく、シリコン窒化物のパッシベーションを除去することができる。

本実施形態では、レーザ装置３００はフェムト秒レーザを含む。フェムト秒レーザを使用する利点は、材料が熱平衡状態になるのに要する時間よりも短い時間でレーザエネルギを蓄積できることである。そうすると、より残渣の少ない状態でパッシベーション材料を除去することができる。

本実施形態では、１つまたは複数の開口部１８の形成に、他の接触方式あるいは非接触方式のパターン形成装置もしくは方法を用いることもできる。前述したように、これらのパターン形成プロセスはプロセス装置２００あるいはコンベヤ２０６を使用しなくてもよい。例えば、インクジェット印刷、スクリーン印刷、パッド印刷、またはその他の印刷方法を用いて、半導体基板１４上の誘電体層１６にエッチャント材料を直接印刷して化学エッチングすることで、１つまたは複数の開口部１８を形成することができる。もしくは、半導体基板１４上の誘電体層１６にエッチング保護マスクを直接印刷し、この基板をエッチング液に浸すことによっても化学エッチングを行うことができる。エッチング保護マスクは回転塗布法、スプレイ塗布法、あるいは蒸着で保護層を形成し、これをパターニングすることによっても形成できる。

搬送機構２０２のコンベヤ２０６は図２に示すように、１つまたは複数の開口部１８を有する半導体基板１４を非接触パターン形成装置２０８から導電コンタクト層成膜装置２１０へと搬送する。図１のステップ１２０に示すように、半導体基板１４および半導体基板１４の表側１５上の誘電体層１６の上に、導電コンタクト層成膜装置２１０によって導電コンタクト層２０が成膜される。導電コンタクト層２０は、約１ｎｍ〜約２０００ｎｍ、もしくは約５ｎｍ〜約１０００ｎｍ、もしくは約２０ｎｍ〜約２００ｎｍの膜厚範囲を有する。

導電コンタクト層成膜装置２１０が誘電体層１６および半導体基板１４の上に、導電コンタクト層２０を成膜する。導電コンタクト層２０は図１に示すように、誘電体層１６の中の１つまたは複数の開口部１８の中に、または１つまたは複数の開口部１８を埋めるように成膜される。導電コンタクト層２０は半導体基板１４の表側１５を１つまたは複数の開口部１８を越えて完全あるいは実質的に覆う。本実施形態においては、導電コンタクト層２０は、半導体基板１４の表側１５および誘電体層１６の全体に亘って、ほぼ均一に、または一様に成膜される。

導電コンタクト層２０は、例えば、低接触抵抗、半導体基板１４または半導体基板１４中のｎ＋エミッタ層への堅牢な接着力、を有する金属薄膜層である。本実施形態においては、導電コンタクト層２０が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、および類似の導電性金属材料で構成される。導電コンタクト層成膜装置２１０では、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ（化学気相堆積法）、スプレイ塗布、回転塗布、インクジェット印刷などの成膜方法によって半導体基板１４の上に導電コンタクト層２０が成膜される。導電コンタクト層成膜装置２１０でスプレイ塗布、回転塗布、インクジェット印刷などを用いる場合には、導電コンタクト層２０用の適切な材料として有機金属インクあるいはナノ粒子インクが含まれる。導電コンタクト層２０の成膜には、図２に示す装置２００およびコンベヤ２０６を使用しないで処理することも可能である。

用語「ナノ粒子」とは、例えば平均粒子サイズが約１ｎｍ〜約５００ｎｍのものを言う
。例として、ナノ粒子インクの粒子は、約１ｎｍ〜約２５０ｎｍ、もしくは約５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、もしくは約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの平均粒子サイズを有する。

搬送機構２０２のコンベヤ２０６は、導電コンタクト層２０を有する半導体基板を、図２に示す導電コンタクト層成膜装置２１０から金属含有インク成膜装置２１２へと搬送する。図１のステップ１３０に示すように、金属含有インク成膜装置２１２によって金属含有インク２２が導電コンタクト層２０の上に成膜される。金属含有インク成膜装置２１２では、金属含有インク２２が誘電体層１６の中に形成された１つまたは複数の開口部１８に位置合わせされて配列されるように、誘電体層１６の中の１つまたは複数の開口部１８の上にある導電コンタクト層２０の上に金属含有インク２２を成膜する。その結果、金属含有インク２２が導電コンタクト層２０の上に成膜され、導電コンタクト層２０および誘電体層１６中に形成された１つまたは複数の開口部１８の上に金属含有インクグリッド線が形成される。さらに、半導体基板１４の上の金属含有インク２２が熱処理されて、誘電体層１６中の１つまたは複数の開口部１８に位置合わせされて配列された、焼結金属グリッド線が形成される。

金属含有インク２２は図１のステップ１３０に示すように、誘電体層１６の中の１つまたは複数の開口部１８の上にある導電コンタクト層２０の非露出部の上に成膜される。この結果、導電コンタクト層２０の非露出部が金属含有インク２２によってマスクされる、すなわち保護される。導電コンタクト層２０の非露出部は金属含有インク２２と半導体基板１４との間に位置する。金属含有インク２２は導電コンタクト層２０の露出部の上には成膜されない。この結果、導電コンタクト層２０の露出部は金属含有インク２２で覆われない、すなわちマスクされない。

導電コンタクト層２０の露出部は、１つまたは複数の非露出部および金属含有インク２２に隣接する。さらに、導電コンタクト層２０の露出部は、２つ以上の導電コンタクト層２０の非露出部の間に位置する。さらに、導電コンタクト層２０の非露出部と金属含有インク２２とが、シリコン太陽電池の多層電極構造１２用のグリッド線を形成する。

導電コンタクト層２０の非露出部の上に金属含有インク２２を成膜することによって、高導電性の通電金属配線が形成される。この通電金属配線は、誘電体層１６中の１つまたは複数の開口部１８と導電コンタクト層２０の非露出部とで構成される低抵抗のコンタクト部を介して、下部の半導体基板１４と結合する。金属含有インク２２の下の導電コンタクト層２０の非露出部はバリア層となって、金属含有インク２２が半導体基板１４の中へ拡散することを防ぐ。

金属含有インク成膜装置２１２は、金属含有インク２２を導電コンタクト層２０の上に成膜するための、スクリーン印刷型装置、押出し型ディスペンサ装置、パッド印刷装置、インクジェット印刷装置、およびそれらに類似したものを含むことができる。金属含有インク成膜装置２１２を用いて金属含有インク２２を成膜することによって、導電層２０の上の、および誘電体層１６中の１つまたは複数の開口部１８を覆う、金属配線２２を高精度に配置することができる。成膜された金属含有インクは、約０．１μｍ〜約１０００μｍ、もしくは約５μｍ〜約５００μｍ、もしくは約１０μｍ〜約１００μｍの膜厚範囲を有する。

金属含有インク２２を導電コンタクト層２０の非露出部上へ成膜するのに、スクリーン印刷型装置を利用することができる。スクリーン印刷型装置は、半導体基板１４上へ金属含有インク２２を高精度かつ高効率に成膜する機構を提供することができる。また、スクリーン印刷型装置は、金属含有インク２２を導電層２０に精度よく成膜して、金属含有インク２２を誘電体層２０中の１つまたは複数の開口部１８と位置合わせして配列すること
ができるという従来法にはない利点がある。

本実施形態においては、金属含有インク成膜装置２１２として、導電コンタクト層２０の上に金属含有インク２２を成膜する、押出し方式のディスペンサ装置が含まれる。結果として、一緒に押出される透明材料によって両側を支持された、高アスペクト比の押出金属線を備える前面コンタクトセル方式デバイス用のグリッド線を、金属含有インク２２で形成することができる。

金属含有インク２２は高分子バインダ樹脂すなわち有機ビヒクルと、金属の粒子（あるいは粉）あるいは剥片と、溶媒中の任意のガラスフリットと、を含む。金属粒子あるいは金属剥片用の材料は、例えば銀、錫、ニッケル、銅、あるいはその他の金属材料などである。実施形態では、金属含有インクが乾燥されると、高分子バインダ樹脂によって、半導体基板１４から導電コンタクト層２０の露出部を除去する際の化学エッチング液に対する化学的耐性が乾燥した金属含有インクに与えられる。この機能材料用の適切な高分子材料としては、エチルセルロース、ポリメチルメタアクリレート（以後「ＰＭＭＡ」）、ウッドロジン、フェノール樹脂、ポリメタアクリレート、および類似のものなどのセルロース高分子が含まれる。金属含有インク２２は、約５％〜約９８％、もしくは約２０％〜約９０％、もしくは約５０％〜約８０％の重量パーセントの金属粒子もしくは金属剥片を有する。

金属含有インク成膜装置２１２は、金属含有インク２２を導電コンタクト層２０の上に直接印刷するための、インクジェット型ディスペンサ装置を含む。インクジェット型ディスペンサ装置を介して、導電コンタクト層２０の上に直接印刷すると、金属含有インク２２は、インク中に懸濁された金属のナノ粒子を有する極微小相の金属インクとなる。あるいはまた、金属含有インク２２は、１つまたは複数の有機金属化合物の溶液を有する金属有機物インクであってもよい。

金属含有インク２２は導電コンタクト層２０の上にパターン状に成膜することができる。パターニングした金属含有インク２２は、追加的な金属粒子をめっきするためのシードとして使用し、シリコン太陽電池用のバルクの金属グリッド線を形成することができる。例としては、１つまたは複数の有機金属化合物を有する金属含有インク２２の薄層がインクジェット印刷で導電層２０の上に形成され、この薄層の金属含有インク２２の上に追加の金属粒子を被着して、通電金属グリッド線が形成される。この方式では、成膜される金属含有インクは約１ｎｍほどの薄さでよい。

搬送機構２０２のコンベヤ２０６が、導電コンタクト層２０および金属含有インク２２を有する半導体基板１４を、図２に示す金属含有インク成膜装置２１２から、導電コンタクト層除去装置２１４へと搬送する。導電コンタクト層除去装置２１４は、半導体基板１４と金属含有インク２２の間に挿設された導電コンタクト層２０をパターニングする。図１のステップ１４０に示すように、導電コンタクト層２０の露出された部分を半導体基板１４から除去することにより、導電コンタクト層がパターニングされる。

パターン形成の一方法として、半導体基板１４が導電コンタクト層除去装置２１４を介して化学エッチング液に晒される。半導体基板１４が導電コンタクト層２０の露出された部分を除去するために化学エッチング液に晒されて、導電コンタクト層２０がパターニングされる。化学エッチング液が、導電コンタクト層２０の露出された部分を化学的に反応させ溶解して半導体基板１４から除去することによって、導電コンタクト層２０をパターニングする。

半導体基板１４は、約０.５秒〜約３０分の範囲のある時間、化学エッチング液に晒さ
れる。化学エッチング液は望ましくは、金属含有インク２２、および金属含有インク２２でマスクされ保護されている導電コンタクト層２０の非露出部に損傷を与えない。

本実施形態においては、導電コンタクト層２０の露出部を除去するための適切な化学エッチング液として、塩化第二鉄エッチング液、フッ化水素酸、硝酸、燐酸、および類似のものが含まれる。ここでも、半導体基板１４上の導電コンタクト層２０のパターニングに、装置２００もしくはコンベヤ２０６を使う必要はない。

搬送機構２０２のコンベヤ２０６が、導電コンタクト層２０の非露出部および金属含有インク２２を有する半導体基板１４を、導電コンタクト層除去装置２１４から基板アンロード機構２１６へと搬送する。以下の説明にしたがって金属含有インク成膜装置２１２および導電層除去装置２１４による処理が終了した後、基板アンロード機構２１６は、半導体基板１４をコンベヤ２０６から取り外す。

次に半導体基板１４を熱処理するために、半導体基板１４が基板アンロード機構２１６から熱処理システム２１８へ搬送される。半導体基板１４は、約２００℃〜約１０００℃、約４００℃〜約９００℃、もしくは約５００℃〜約８５０℃の間のある温度で熱処理され、それによって金属含有インクが金属粒子の焼結構造へ変わる。金属含有インク２２中の溶媒は、熱処理中に蒸発あるいは分解する。

ここで、金属粒子の焼結構造は電気めっきで得られる構造とは明らかに異なる。電気めっきにおいては、分子レベルから金属が積層される。しかし焼結構造においては、金属含有インク２２中の金属粒子が、半導体基板１４の熱処理中に溶解して液相になることはない。熱処理中に金属含有インク２２の中では金属粒子間での固体反応が起きる。金属含有インク２２中の金属粒子が焼結して相互に結合し、通電金属構造のような密な金属構造を形成する。結果として、熱処理装置２１８での半導体基板１４の熱処理の後、金属含有インク２２から導電コンタクト層２０の上に通電できる焼結金属グリッド線が形成される。

半導体基板１４が熱処理装置２１８で熱処理されると、通電できる焼結金属のグリッド線と導電コンタクト層２０と半導体基板１４とによって多層電極構造１２が形成される。結果として薄い導体／半導体層、およびエミッタ層が形成される。導電コンタクト層２０として、ニッケル、コバルト、チタン、タンタル、タングステン、モリブデンなどの金属が使用される場合、熱処理中あるいは熱処理後に、ニッケルシリサイドのような、任意の金属シリサイド層が導電コンタクト層２０と半導体基板１４との界面に形成される。

半導体基板１４の熱処理によって形成された通電用焼結金属グリッド線を含む多層電極構造１２によって、半導体基板１４と通電用焼結金属グリッド線との間の接触抵抗および接触面積が低減される。その結果、半導体基板１４の金属含有インク／導電層からなる多層電極構造１２が、多層電極構造１２を含むシリコン太陽電池の絶対効率を約０．５％〜約３％向上させる。これはシリコン太陽電池を相対的に約４％〜約２０％改良することになる。

多層電極構造１２と半導体基板１４とは、従来のシリコン太陽電池の接触面積に比べると約５０分の１〜約４００分の１に減少した接触面積を有する。接触面積が減少すると、半導体基板１４と導電コンタクト層２０および金属含有インク２２の間の再結合が減少する。多層電極構造１２は軽微にドーピングされたエミッタ層の使用を含むことができ、その結果、青色波長に対する応答および光吸収が改良される。これらすべての改良により効率向上がもたらされる。さらに、多層電極構造１２と半導体基板１４との間の接触比抵抗は、約１０-1Ω・ｃｍ2未満〜約１０-8Ω・ｃｍ2、もしくは約１０-2Ω・ｃｍ2未満〜約
１０-8Ω・ｃｍ2、もしくは約１０−４Ω・ｃｍ2未満〜約１０-8Ω・ｃｍ2となる。

本実施形態では、方法１０は、裏面接触方式太陽電池用の多層電極構造形成にも利用することができる。すなわち、１つまたは複数のｐ領域、および／または１つまたは複数のｎ領域が半導体基板１４の裏面に形成される場合、半導体基板１４の裏面電極形成に、この方法１０を半導体基板１４の裏面に適用することができる。また、成膜された金属含有インク２２は、エッチングの後でアセトンなどの溶液を用いて除去することができる。この結果、成膜された金属含有インク２２は一般に導体層２０の非露出部に対する保護マスクとして考えられ、あるいは導電層除去装置２１４で導電層２０の露出部分を除去する間は非導電性であるともみなされる。

上に述べたように、導電コンタクト層は熱処理の前にパターニングすることができる。または、熱処理の後に導電コンタクト層をパターニングすることもできる。

ここに開示した多層電極構造および多層電極構造を形成する方法は、太陽電池以外の多層電極構造形成に使用することができる。また、低接触抵抗と高電流通電電極が必要とされる任意の電気・電子デバイスに対しても使用することができる。

ここで開示された方法は、下層の第１の機能層材料上の一部分に成膜され、第１の機能材料のパターニングのための保護マスクとして使用されかつ最終機能構造の一部分となる、第２の機能層材料を含む、任意の機能構造あるいは機能デバイスの形成に用いることもできる。

本発明の実施形態を説明するために以下の実施例を示す。

シリコン半導体基板は、窒化物誘電体層の形成された表側を有する。この窒化物誘電体層に複数の穴が形成される。複数の穴のそれぞれは、約２０μｍの直径を有し、ピッチが約０．２５ｍｍである。ニッケルの導電コンタクト層がこの窒化物誘電体層の上および窒化物誘電体層中に形成された複数の穴の中に成膜される。ニッケルの導電コンタクト層は約１００ｎｍの膜厚を有する。

銀の金属含有インクがスクリーン印刷によってニッケルの導電コンタクト層の上に成膜され、窒化物誘電体層中に形成された複数の穴に位置合わせされて配列される。ニッケルの導電コンタクト層の非露出部分は、シリコン半導体基板と銀の金属含有インクとの間に挿設されている。ニッケルの導電コンタクト層の露出部分は、複数の穴および銀の金属含有インクの間に位置している。ニッケルの導電コンタクト層は、シリコン半導体基板からニッケルの導電コンタクト層の露出部分を除去することによりパターニングされる。

シリコン半導体基板を塩化第二鉄溶液に浸漬し、ニッケルの導電コンタクト層の露出部分をシリコン半導体基板からエッチング除去する。シリコン半導体基板上のニッケルの導電コンタクト層の非露出部分および銀の金属含有インクが、シリコン基板上に銀のグリッド線を形成する。シリコン基板を約５００℃で加熱して熱処理を行い、通電できる焼結銀のグリッド線を有する、銀／ニッケル多層電極構造が形成される。

銀／ニッケル多層電極の接触抵抗は、約２５．４ｍｍの長さを有する配線に対して、約０．０３Ω未満である。さらに銀／ニッケル多層電極は、約１２１ｍｍの長さの標準のラインに対しては、約０．００６３Ω未満の接触抵抗である。これは、標準のスクリーン印刷した銀グリッド線の接触抵抗の約０．００５５Ωと同等であるが、実施例１の銀／ニッケル多層電極構造の接触面積は、標準のスクリーン印刷した銀グリッド線の約１００分の１以下である。

実施例２の銀／ニッケル多層電極を、窒化物誘電体層に穴や開口部がないことを除いて、実施例１の銀／ニッケル多層電極と同様の手順によって作製した。実施例２の銀／ニッケル多層電極では、銀／ニッケル多層電極とシリコン半導体基板との間にオーミックコンタクトを持たず、接触抵抗は約２５．４ｍｍの長さの配線に対して約１５Ω以上である。実施例１と２の結果を比較すると、ニッケル導電コンタクト層によって、銀の金属含有インクがシリコン半導体基板および／または窒化物誘電体層へ拡散することを防止する有効なバリア層が形成されていることがわかる。

ニッケル導電コンタクト層は、通常の約０．５Ω・ｃｍの比抵抗を有する軽くドーピングされたシリコンウェーハであるシリコン半導体基板上に、スパッタリングで成膜した。銀の金属含有インクをニッケル導電コンタクト層の非露出部分の上に成膜し、シリコン半導体基板の誘電体層中の穴に位置合わせした。ニッケル導電コンタクト層の露出部分を、塩化第二鉄溶液でエッチングして基板から除去して、ニッケル導電コンタクト層のパターニングを行った。ニッケル導電コンタクト層と銀の金属含有インクとを有するシリコン半導体基板を、空気中５００℃で加熱処理し、銀／ニッケル多層電極および通電用焼結銀グリッド線を形成した。

銀／ニッケル多層電極はショットキバリアを形成し、オーミックコンタクトとはならなかった。ショットキバリアの形成によって、銀／ニッケル多層電極のＩ−Ｖ曲線からショットキバリア高さを算出でき、このシリコン半導体基板と銀／ニッケル多層電極の界面特性が決定できる。図４は、銀の金属含有インクでおおわれた、シリコン半導体基板上のニッケル導電コンタクト層について、成膜したまま（スパッタリングにより）と約５００℃で熱処理したもののＩ−Ｖ曲線のグラフを示すものである。

図４に示すように、成膜したままのニッケルの状態（銀の金属含有インクを塗布する前）と銀／ニッケル多層電極を約５００℃で加熱処理した後（通電用焼結金属グリッド線を形成した後）とでは、Ｉ−Ｖ曲線に大きな違いは見られない。また、成膜したままのニッケル導電コンタクト層と、銀／ニッケル多層電極を加熱し通電用焼結金属グリッド線を形成した後のバリア高さの例は、それぞれ約０．５８ｅＶと約０．６０ｅＶである。ニッケル導電コンタクト層とシリコン半導体基板との間の通常のバリア高さは、約０．６１ｅＶであり、ニッケルシリサイド層とシリコンとの間は約０．６７ｅＶである。

実施例のバリア高さと通常のバリア高さとの比較により、銀／ニッケル多層電極を空気中で加熱しても、ニッケルもしくはニッケルシリサイドとシリコンとの間の界面は、ニッケル導電層のアニールで起きることのあるニッケル導電層の酸化などの劣化による破壊が起きていないことが確認される。さらに、空気中での銀／ニッケル多層電極の加熱後、実施例のバリア高さはわずかに増加し、銀／ニッケル多層電極とシリコン半導体基板との間にニッケルシリサイドが形成されることを示唆している。さらにまた、銀の金属含有インクがニッケル導電層を保護している可能性がある。それは、銀の金属含有インクが下層のニッケル導電コンタクト層を保護し、銀の金属含有インク中の有機物の分解が局所的な還元雰囲気すなわち不活性雰囲気を形成している可能性があるからである。それ故に、ニッケル導電コンタクト層および銀の金属含有インクは、ニッケル導電コンタクト層あるいはニッケルシリサイド／シリコン界面を変化させることなく、空気中で加熱することができる。その結果、銀／ニッケル多層電極の接触抵抗を小さく保ったまま、シリコン太陽電池用のコンタクト材料としてニッケル導電層を使用することができる。

１０ 方法
１２ 多層電極構造
１４ 半導体基板
１５ 半導体基板表側
１６ 誘電体層
１８ 開口部
２０ 導電コンタクト層
２００ 装置
２０２ 搬送機構
２０４ 基板ロード機構
２０６ コンベヤ
２０８ 非接触パターニング装置
２１０ 導電層成膜装置
２１２ 金属含有インク成膜装置
２１４ 導電層除去装置
２１６ 基板アンロード機構
２１８ 熱処理装置
３００ レーザ装置
３１０ レーザ
３３０ 回転ミラー
３４０ 走査レンズ
３１７ コンタクト用開口部
５００ 穴
５０２ 線

Claims (2)

1. 半導体基板上の金属配線コンタクト構造であって、
   前記半導体基板への１つまたは複数の開口部を含むパターニングされた誘電体層と、
   前記１つまたは複数の開口部に対して位置合わせされた通電用焼結金属グリッド線と、
   前記通電用焼結金属グリッド線と前記パターニングされた誘電体層との間に、前記通電用焼結金属グリッド線に対して位置合わせされて配設された、パターニングされた導電コンタクト層と、
   を含むことを特徴とする金属配線コンタクト構造。
2. 層のパターニング方法であって、
   基板上に層を成膜するステップと、
   前記層の一部分の上に金属含有インクを成膜し、前記層の露出された部分を前記金属含有インクに隣接させるステップと、
   前記成膜された金属含有インクを保護マスクとして用いて、前記層の前記露出された部分を前記基板から除去することによって、前記層をパターニングするステップと、
   前記金属含有インクを除去するステップと、
   を含むことを特徴とする層のパターニング方法。
   

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