JP5395995B2 - 半導体デバイスの製造に使用される導電性組成物および方法 - 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)Zn含有添加剤と、(3)Pbフリーガラスフリットと、任意選択で(4)(a)Zn、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された金属、(b)Zn、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された1種または複数の金属の金属酸化物、(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Zn含有添加剤は、(a)Zn、(b)Znの金属酸化物、(c)焼成によって、Zn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。
本発明の、典型的なガラスフリット組成物(ガラス組成物)を、以下の表1に列挙する。ガラス化学の当業者であれば、追加の成分で少量を置換し、本発明のガラス組成物の所望の性質を実質的に変化させないことができると予想されるので、表1に列挙した組成物は限定的なものではないことに留意することが重要である。このように、0〜3重量%のP2O5、0〜3重量%のGeO2、0〜3重量%のV2O5などのガラス形成剤の置換例を、個別に、または組み合わせて使用して、同様の性能を実現することができる。また、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、ZrO2、CeO2、SnO2などの1種または複数の中間酸化物を、本発明のガラス組成物中に存在するその他の中間酸化物(すなわちAl2O3、CeO2、SnO2)の代わりに用いることも可能である。このデータから、一般にガラスのSiO2含量が高くなるにつれ、性能が低下することが観察される。SiO2は、ガラスの粘度を増大させ、ガラスの濡れ性を低減させると考えられる。表1の組成物には示されていないが、SiO2の低レベルの機能に取って代わり、P2O5、GeO2などのその他のガラス形成剤を使用することができるので、SiO2を含まないガラスが十分に機能することが予測される。CaO、アルカリ土類分の一部または全体の代わりに、SrO、BaOおよびMgOなどのその他のアルカリ土類成分を使用することもできるが、CaOが好ましいと考えられる。
本発明の、追加の金属/金属酸化物添加剤は、(a)Zn、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された金属、(b)Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された1種または複数の金属の金属酸化物、(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との混合物、低級アルコールのポリメタクリレート、および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機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、Zn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。
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に圧力を徐々に上げながら3本ロールミルに繰り返し通した。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、20/10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(ST−1000)内に配置した。IVテスタ内のXe Arcランプで、既知の強度の日光を作り出し、電池の正面を照射した。テスタでは、4点接触法を使用し、約400の負荷抵抗設定値で電流(I)および電圧(V)を測定して、電池のI−V曲線を決定した。このI−V曲線から、フィルファクタ(FF)および効率(Eff)の両方を計算した。
焼成後、はんだリボン(96.5Sn/3.5Ag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。はんだのリフローは、典型的な場合、365℃で5秒間で達成した。使用したフラックスは、非活性化Alpha−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。正規化した接着強度を計算して、最小接着値300gと比較した。
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)
50:正面に形成された銀ペースト
51:銀正面電極(正面銀ペーストを焼成することによって得られた)
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)
80:はんだ層
500:本発明による正面に形成された銀ペースト
501:本発明による銀正面電極(正面銀ペーストを焼成することによって形成された)
Claims (8)
- a)導電性銀粉末と、
b)Zn含有添加剤と、
c)鉛フリーである1種または複数のガラスフリットとが、
d)有機媒体中に分散されており、
前記Zn含有添加剤は、ZnOであり、前記Zn含有添加剤である前記ZnOは、全厚膜導電性組成物の4から8重量パーセントの範囲内で存在し、
前記1種または複数のガラスフリットが、全ガラスフリットに対して、
SiO2を4〜4.5重量パーセント、
Al2O3を0.5〜0.7重量パーセント、
B2O3を9〜11重量パーセント、
CaOを0.4〜0.6重量パーセント、
ZnOを11〜14重量パーセント、
Na2Oを0.7〜1.1重量パーセント、
Bi2O3を56〜67重量パーセント、
BiF3を4〜13重量パーセント含む
ことを特徴とする厚膜導電性組成物。 - (a)Zn、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された金属と、(b)Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、およびCrから選択された1種または複数の金属の金属酸化物と、(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に記載の組成物。
- 請求項1に記載の組成物が堆積されており、前記組成物は、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基板。
- 請求項1に記載の組成物は、前記有機ビヒクルが除去されるように、かつ前記ガラス粒子が焼結されるように焼成されていることを特徴とする請求項1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。
- 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5に記載の方法。
- 請求項5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。
- 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請求項1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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