JP5362946B2 - 半導体デバイスの製造方法、およびそこで使用される導電性組成物 - Google Patents
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Description
本発明の無機成分は、(1)電気機能性銀粉末と、(2)Mn含有添加剤と、(3)ガラスフリットと、任意選択で(4)(a)Zn、Ti、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された金属、(b)金属酸化物MOx(ただしMは、Zn、Ti、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択される)、(c)焼成によって(b)の金属酸化物を生成することのできる任意の化合物、および(d)これらの混合物から選択された追加の金属/金属酸化物添加剤とを含む。
一般に、厚膜組成物は、適切な電気機能性を組成物に与える機能相を含む。機能相は、組成物を形成する機能相に対して、担体として働く有機媒体中に分散された、電気機能性粉末を含む。この組成物を焼成して、有機相を燃焼し尽くし、無機結合剤相を活性化し、電気機能性を付与する。
本発明のMn含有添加剤は、(a)Mn、(b)Mnの金属酸化物、(c)焼成によってMnの金属酸化物を生成することができる任意の化合物、および(d)これらの混合物から選択することができる。Mn含有添加剤の平均粒径は、これをスクリーン印刷技術に適合させなければならないことを除き、特に重要ではない。一般に、平均粒径は10ミクロン未満である。
本発明で使用することができる、ガラスフリット組成物の例には、非晶質であり部分的に結晶化可能なケイ酸鉛ガラス組成物、ならびにその他の適合性あるガラスフリット組成物が含まれる。他の実施形態では、これらのガラスフリットは、カドミウムを含まない。本発明で有用な、いくつかのガラスフリット組成物を、以下の表1に詳述する。
本発明の、追加の金属/金属酸化物添加剤は、(a)Zn、Ti、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された金属、(b)金属酸化物MOx(ただしMは、Zn、Ti、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択される)、(c)焼成によって(b)の金属酸化物を生成することが可能な任意の化合物、および(d)これらの混合物から選択することができる。
無機成分は、典型的な場合、機械的混合によって有機媒体と混合し、それによって、印刷に適したコンシステンシーおよび流体力学的性質を有する「ペースト」と呼ばれる粘性組成物を形成する。広く様々な不活性の粘性材料を、有機媒体として使用することができる。有機媒体は、無機成分を、適度な安定度で分散させることができるものでなければならない。媒体の流体力学的性質は、固形分の安定な分散、スクリーン印刷に適切な粘度およびチキソトロピー、基板およびペースト固形分の適切な湿潤性、良好な乾燥速度、および良好な焼成特性も含めた良好な付着性を、組成物に与えるようなものでなければならない。本発明の厚膜組成物で使用される有機分散媒は、非水性の不活性な液体であることが好ましい。増粘剤、安定剤、および/またはその他の一般的な添加剤を含んでも含まなくてもよい様々な有機分散媒のいずれも利用することができる。有機媒体は、典型的な場合、ポリマーを溶媒に溶かした溶液である。さらに、界面活性剤などの少量の添加剤を、有機媒体の一部にすることができる。この目的で、最も頻繁に使用されるポリマーは、エチルセルロースである。エチルヒドロキシエチルセルロース、ウッドロジン、エチルセルロースとフェノール樹脂の混合物、低級アルコールのポリメタクリレート、エチレングリコールモノアセテートのモノブチルエーテルを含めたポリマーのその他の例も、使用することができる。厚膜組成物に見られる、最も広く使用される溶媒は、エステルアルコール、およびテルペンであって、例えばα−またはβ−テルピネオールなど、あるいはこれらとその他の溶媒、例えばケロシン、ジブチルフタレート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ヘキシレングリコール、高沸点アルコールおよびアルコールエステルなどとの混合物である。さらに、基板上に付着させた後、迅速な硬化を促進させるための揮発性液体も、分散媒に含めることができる。所望の粘度および揮発性要件が得られるように、これらおよびその他の溶媒の、様々な組合せを配合する。
したがって本発明は、半導体デバイスの製造に利用することができる新規な組成物を提供する。半導体デバイスは、接合部を持つ半導体基板と、その主要面上に形成された窒化シリコン絶縁膜とからなる構造要素から、以下の方法によって製造することができる。半導体デバイスを製造する方法は、絶縁膜に浸透する能力を有する本発明の導電性厚膜組成物を、所定の形状および所定の位置で絶縁膜上に付着させる(典型的な場合、被覆し、印刷する)ステップと、次いで導電性厚膜組成物が融解しかつ絶縁膜内を通過するように焼成し、シリコン基板との電気接触を実現するステップとを含む。導電性厚膜組成物は、本明細書で既に述べたように、銀粉末、Mn含有添加剤、軟化点が300から600℃であるガラスまたはガラス粉末混合物であって有機分散媒に分散させたもの、および任意選択で追加の金属/金属酸化物添加剤で作製された、厚膜ペースト組成物である。
実施例で利用されるガラス組成物を、以下の表2で詳述し、表3で特定する。
ペーストの調製は、一般に、以下の手順により実現した。適切な量の溶媒、媒体、および界面活性剤を計量し、次いで混合缶内で15分間混合し、次いでガラスフリットおよび金属添加剤を添加し、さらに15分間混合した。Agは、本発明の固形分の主要な部分であるので、より良好な濡れが確実になるように、少しずつ添加した。十分に混合したら、そのペーストを、0から400psiの圧力下で3本ロールミルに2〜3分間通した。ロール間の隙間は、1ミルに調節した。分散度を、粒度(FOG)によって測定した。典型的なFOG値は、一般に導体の場合、20/15に等しいかそれ未満である。
上述の方法により組み立てられた太陽電池を、効率を測定するために商用のIVテスタ内に配置した。IVテスタ内の電球で、既知の強度の日光を作り出し、電池の正面を照射し、電池の正面に印刷されたバスバーをIVテスタの複数のプローブに接続し、このプローブを通して電気信号をコンピュータに送信し、効率を計算した。
焼成後、はんだリボン(62Sn/36Pb/2Agで被覆された銅)を、電池の正面に印刷されたバスバーにはんだ付けした。はんだの条件は、典型的な場合、345℃で5秒間であった。使用したフラックスは、弱活性化alpha−611または非活性化multicore 100であった。はんだ付けした領域は、約2mm×2mmであった。接着強度は、電池の表面に対し90°の角度でリボンを引っ張ることにより、得られた。接着強度の評価では、以下の想定、すなわち400g未満の接着強度を良好ではないと見なし、400gから600g未満の範囲の値を適度な接着強度であると評価し、600g以上を良好、非常に良好、または優秀な接着強度であると見なす想定に基づいて、適度、良好、非常に良好、または優秀を用いた。
本発明は、以下の態様を包含する。
[1]
a)導電性銀粉末と、
b)マンガン含有添加剤と、
c)軟化点が300℃から600℃の範囲内にあるガラスフリットとが、
d)有機媒体中に分散されている
ことを特徴とする厚膜導電性組成物。
[2]
(a)Zn、Ti、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された金属と、(b)金属酸化物MOxであって、MがZn、Ti、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択されたMOxと、(c)焼成によって(b)の金属酸化物を生成することができる任意の化合物と、(d)これらの混合物とから選択された、追加の金属/金属酸化物添加剤をさらに含むことを特徴とする[1]に記載の組成物。
[3]
前記マンガン含有添加剤は、MnO2であることを特徴とする[1]に記載の組成物。
[4]
前記マンガン含有添加剤は、マンガンの有機金属化合物であることを特徴とする[1]に記載の組成物。
[5]
前記マンガン含有添加剤は、焼成状態の間にMnO2を生成することができる化合物であることを特徴とする[1]に記載の組成物。
[6]
前記マンガン含有添加剤の粒径は、7ナノメートルから100ナノメートル未満の範囲にあり、前記マンガン含有添加剤は、粉末の形をとることを特徴とする[1]に記載の組成物。
[7]
前記ガラスフリット組成物は、全ガラスフリット組成物に対して、SiO2を21〜29重量パーセント、Al2O3を0.1〜8重量パーセント、PbOを50〜62重量パーセント、B2O3を7〜10重量パーセント、ZnOを0〜4重量パーセント、Li2Oを0〜0.1重量パーセント、およびTiO2を2〜7重量パーセント含むことを特徴とする[1]に記載の組成物。
[8]
前記ガラスフリットは、全ガラスフリット組成物に対して、SiO2を0.1〜8重量パーセント、Al2O3を0〜4重量パーセント、B2O3を8〜25重量パーセント、CaOを0〜1重量パーセント、ZnOを0〜42重量パーセント、Na2Oを0〜4重量パーセント、Li2Oを0〜3.5重量パーセント、Bi2O3を28〜85重量パーセント、Ag2Oを0〜3重量パーセント、CeO2を0〜4.5重量パーセント、SnO2を0〜3.5重量パーセント、およびBiF3を0〜15重量パーセント含む、鉛フリーのガラスフリットであることを特徴とする[1]に記載の組成物。
[9]
[1]に記載の組成物は、前記有機媒体が除去されるように、かつ前記ガラスフリットおよび銀粉末が焼結されるように、処理されていることを特徴とする[1]に記載の組成物を含む基板。
[10]
[1]に記載の組成物は、前記有機媒体が除去されるように、かつ前記ガラスフリットおよび銀粉末が焼結されるように処理されていることを特徴とする[1]に記載の組成物から形成された電極。
[11]
p−n接合を有する半導体と、半導体の主要面上に形成された絶縁膜とからなる構造要素から、半導体デバイスを製造する方法であって、(a)前記絶縁膜上に、[1]に記載の厚膜組成物を付着させるステップと、(b)前記半導体、絶縁膜、および厚膜組成物を焼成して、電極を形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
[12]
前記絶縁膜は、窒化シリコン膜、酸化チタン膜、SiNx:H膜、酸化シリコン膜、および酸化シリコン/酸化チタン膜を含む群から選択されることを特徴とする[11]に記載の方法。
[13]
[11]に記載の方法によって形成されたことを特徴とする半導体デバイス。
[14]
前記組成物は、前記有機媒体が除去され、かつ前記ガラスフリットおよび銀粉末が焼結されるように処理されていることを特徴とする[1]に記載の組成物から形成された半導体デバイス。
20:n−型拡散層
30:窒化シリコン膜、酸化チタン膜、または酸化シリコン膜
40:p+層(裏面電界、BSF)
60:裏面に形成されたアルミニウムペースト
61:アルミニウム裏面電極(裏面アルミニウムペーストを焼成することによって得られた)
70:裏面に形成された銀または銀/アルミニウムペースト
71:銀または銀/アルミニウム裏面電極(裏面銀ペーストを焼成することによって得られた)
500:正面に形成された銀ペースト
501:銀正面電極(正面銀ペーストを焼成することによって形成された)
Claims (14)
- a)導電性銀粉末と、
b)マンガン含有添加剤と、Zn、ZnO、焼成によってZnOを生成することができる化合物、およびそれらの混合物からなる群から選択された添加剤と、
c)軟化点が300℃から600℃の範囲内にあり、かつ全ガラスフリット組成物に対して0.1〜8重量パーセントのSiO2を含むガラスフリットとを含み、前記ガラスフリットは、全ガラス組成物に対して、Bi2O3を28〜85重量パーセント含む、鉛フリーのガラスフリットであり、a)〜c)の全てが有機媒体中に分散されている
ことを特徴とする厚膜導電性組成物。 - a)導電性銀粉末と、
b)マンガン含有添加剤と、Zn、ZnO、焼成によってZnOを生成することができる化合物、およびそれらの混合物からなる群から選択された添加剤と、
c)軟化点が300℃から600℃の範囲内にあり、かつ全ガラスフリット組成物に対して0.1〜8重量パーセントのSiO2を含む鉛フリーのガラスフリットとを含み、a)〜c)の全てが、有機媒体中に分散されている
ことを特徴とする厚膜導電性組成物。 - (a)Ti、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された金属と、(b)金属酸化物MOxであって、MがTi、Sn、Pb、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択されたMOxと、(c)焼成によって(b)の金属酸化物を生成することができる任意の化合物と、(d)これらの混合物とから選択された、追加の金属/金属酸化物添加剤をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の組成物。
- 前記マンガン含有添加剤は、MnO2であることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物。
- 前記マンガン含有添加剤は、マンガンの有機金属化合物であることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物。
- 前記マンガン含有添加剤は、焼成状態の間にMnO2を生成することができる化合物であることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物。
- 前記マンガン含有添加剤の粒径は、7ナノメートルから100ナノメートル未満の範囲にあり、前記マンガン含有添加剤は、粉末の形をとることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物。
- 前記ガラスフリットは、全ガラスフリット組成物に対して、SiO2を0.1〜8重量パーセント、Al2O3を0〜4重量パーセント、B2O3を8〜25重量パーセント、CaOを0〜1重量パーセント、ZnOを0〜42重量パーセント、Na2Oを0〜4重量パーセント、Li2Oを0〜3.5重量パーセント、Bi2O3を28〜85重量パーセント、Ag2Oを0〜3重量パーセント、CeO2を0〜4.5重量パーセント、SnO2を0〜3.5重量パーセント、およびBiF3を0〜15重量パーセント含む、鉛フリーのガラスフリットであることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物。
- 請求項1または2に記載の組成物は、前記有機媒体が除去されるように、かつ前記ガラスフリットおよび銀粉末が焼結されるように、処理されていることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物を含む基板。
- 請求項1または2に記載の組成物は、前記有機媒体が除去されるように、かつ前記ガラスフリットおよび銀粉末が焼結されるように処理されていることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物から形成された電極。
- p−n接合を有する半導体と、半導体の主要面上に形成された絶縁膜とからなる構造要素から、半導体デバイスを製造する方法であって、(a)前記絶縁膜上に、請求項1または2に記載の厚膜導電性組成物を付着させるステップと、(b)前記半導体、絶縁膜、および厚膜導電性組成物を焼成して、電極を形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
- 前記絶縁膜は、窒化シリコン膜、酸化チタン膜、SiNx:H膜、酸化シリコン膜、および酸化シリコン/酸化チタン膜を含む群から選択されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 請求項11に記載の方法によって形成されたことを特徴とする半導体デバイス。
- 請求項1または2に記載の組成物は、前記有機媒体が除去され、かつ前記ガラスフリットおよび銀粉末が焼結されるように処理されていることを特徴とする請求項1または2に記載の組成物から形成された半導体デバイス。
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