KR20140110971A - 반도체 금속화와 상호접속부를 위한 고 생산성 스프레이 처리 - Google Patents

반도체 금속화와 상호접속부를 위한 고 생산성 스프레이 처리 Download PDF

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KR20140110971A
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칼 조세프 크레머
제이 애쉬제이
메흐다드 모슬레이
안토니 칼카테라
데이비드 듀톤
파완 카퍼
션 셔터
호미 패터미
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솔렉셀, 인크.
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Abstract

복수의 워크피스의 금속화를 위한 처리 장비를 제공한다. 이 장비는, 워크피스 상에 금속층을 도포하도록 하나 이상의 증착 존을 갖는 외부 산화 대기로부터 분리된 피제어 대기 영역을 포함한다. 이송 시스템은 일괄 캐리어 판에 위치하는 워크피스를 피제어 대기 영역을 통해 이동시킨다.

Description

반도체 금속화와 상호접속부를 위한 고 생산성 스프레이 처리{HIGH PRODUCTIVITY SPRAY PROCESSING FOR SEMICONDUCTOR METALLIZATION AND INTERCONNECTS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2011년 12월 23일자로 가출원된 미국 가특허출원번호 제61/569,819호인 우선권을 주장하며, 그 전문은 본 명세서에서 참고로 원용된다.
본 출원은, 또한, 2012년 4월 25일자로 가출원된 미국 가특허출원번호 제61/638,474호인 우선권을 주장하며, 그 전문은 본 명세서에서 참고로 원용된다.
본 개시 내용은, 일반적으로, 스프레이 처리에 의해 형성되는 전기 금속화 및 상호접속부 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 반도체 및 광전지 디바이스를 위한 스프레이 처리에 의해 형성되는 전기 금속화 및 상호접속부 분야에 관한 것이다.
금속화라고도 불리는 전기 상호접속부와 접합부의 제조는, 무전해 및/또는 전해 도금, 스퍼터링, 이온 빔 증착, 증발, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 잉크젯 인쇄, 에어로졸 제트 인쇄, 및/또는 화학적 기상 증착(CVD) 등의 알려져 있는 다양한 방법들에 의해 수행된다. 태양 광에 노출됨으로 인해 생성되는 전력을 효율적으로 추출하려면, 태양전지는 전지의 전기 단자(이미터 영역과 베이스 영역)에 대하여 저 손실의 전기적 상호접속부와 접합부를 필요로 한다. 이러한 방법들은, 소정의 금속화 설계를 형성하는 데에는 충분하지만, 고가일 수 있으며, 고효율 태양전지 아키텍처의 응용 분야에서 특히 고가일 수 있으며, 이는 다음에 따르는 양태들 중 하나 또는 조합 때문이다. 즉,
- 장비 자본비와 복잡성 - 금속화 제조 장비와 방법들은 흔히 고가이며, 처리가 다소 복잡할 수 있으며, (플라즈마 스퍼터링, 이온 빔 증착, 및 증발 방법들을 포함하는) 물리적 기상 증착(PVD) 공정들 등의 진공 증착 방법에서 특히 그러할 수 있으며, 이는 낮은 베이스 압력과 높은 진공 환경을 필요로 할 수 있다.
- 물질 활용 - 알려져 있는 방법들은, 금속화를 위해 일차 원시 금속화 물질들을 비교적 적게 활용하고 이에 따라 추가 금속화 물질들이 필요하고 더욱 고가의 원료들이 사용되는 단점을 겪을 수 있으며, 예를 들어, 유한 타겟 물질을 활용하는 플라즈마 스퍼터링 등의 진공 증착 기술들이 해당된다.
- 소모품의 비용 - 이러한 물질들은, 화학물질, 필터, 도금법에서 사용된 수지의 재생물, 플라즈마 스퍼터링 기술에서 사용된 제조 금속 타겟들의 비용 등의, 일차 원료들과는 다른 제조 물질들 또는 소모품을 포함한다.
금속의 대기압 열적 및/또는 아크 스프레잉은, 다양한 산업에서, 주로 구조적 및 내부식성 코팅 응용 분야에서 사용되어 온 특정한 금속으로 표면을 코팅하는 비용 효과적인 방법이다. 금속 스프레잉 기술을 이용하여 종래의 전면접합 태양전지 상에 전기적 상호접속부와 금속화 접합부를 형성하는 것은 1982년만큼 일찍 제안되었으며, (산화성 대기에서 증착이 발생하므로) 증착된 물질층의 다공성과 산화 때문에, 증착된 금속의 비교적 높은 전기 저항성(즉, 증착되는 물질의 벌크 저항성에 비해 매우 높은 저항성) 등의 다양한 인자들로 인해 문제점들이 발생하고, 또한, 고온 융용된 금속을 노출된 반도체 태양전지 상에 직접 침해시키는 역효과도 발생하며, 예를 들어, (태양전지에서 킬러 션트를 야기하는) 고온 금속 액적의 반도체층과의 직접적인 반응이 발생하며, 또한, 미세한 금속 패턴들이 필요함으로 인해, 태양전지 제조 응용 분야들에서, 자동화 고 생산성 스프레이 처리 장비의 개발과 상용화가 방해받았다. 대부분의 공통 실리콘계 태양전지들은, 특히 산화 대기에서 접합부들의 각각에 대하여 단층을 사용하고 스프레잉된 금속들을 사용하여 구조화되어 있으며, 태양전지의 실리콘 접합 영역들과 스프레잉된 금속 간에 저항 접촉(ohmic contact)을 형성하기 위한 상당한 해결 과제를 제시하게 된다. 또한, 태양전지에서 종종 필수적인 미세한 라인 금속화 장비들은, 알려져 있는 방법들을 이용하여 금속의 단층을 스프레잉할 때 충족되기 어렵다.
또한, 알려져 있는 열적 또는 아크 스프레이 도구들의 생산 처리량은 종종 매우 낮아서 태양 광전지 응용 분야에서의 저가 금속화를 이룰 수 없다. 또한, 알려져 있는 열적 또는 아크 스프레이 도구와 공정에 의해 증착되는 도전성 물질들의 전기 저항성은, 비제어 대기(이에 따라, 고온 금속 액적이 대기에서 산화되고 다른 불순물들이 액적 내에 통합됨), 마이크로 보이드, 및 증착된 층들의 성으로 인해, (통상적으로 적어도 한 자릿수 이상만큼) 성막되는 물질들의 벌크 저항값들보다 상당히 높을 수 있다. 그 결과, 특정한 최대 허용가능한 금속화 면 저항을 위해, 금속화 물질층의 필요한 두께는, 진공 PVD 기술들 등의 다른 방법들에 의해 증착되는 금속 두께보다 상당히 크다. 따라서, 도전성 요건을 충족하려면 금속의 매우 두꺼운 층(예를 들어, 통상적으로, 적어도 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛)이 필요하며, 이에 따라, 상당히 높은 응력, 웨이퍼 보우(bow), 수율 및 신뢰성 문제, 및 상당히 높은 금속화 비용이 발생할 수 있다. 이러한 인자들은, 흔히, 알려져 있는 열적 및 아크 스프레이 도구들과 방법들을 마이크로일렉트로닉스, 태양 광전지, 및 기타 반도체 디바이스의 대량 생산의 금속화 도포에 있어서 호감없게 비경제적으로 만든다.
또한, 알려져 있는 열적 및 아크 스프레이 도구들 및 공정들에서는, 매우 거친 면이 발생할 수 있고 증착된 막에 대한 균일성 제어가 불량할 수 있고, 인시츄(in-situ) 패터닝된 층들의 증착을 위한 어떠한 능력도 종종 제공하지 못한다. 따라서, 증착된 금속층의 패터닝은, 스크린 인쇄 또는 리소그래피 등의 패터닝된 저항층의 인쇄 및 비교적 두껍고 거친 금속층의 후속하는 습식 화학적 에칭에 의해 종종 수행되어야 하며, 이에 따라 추가 제조 비용과 폐기물이 발생한다.
본 명세서에서 (예를 들어, 약 1㎛ 이상 100㎛ 미만의 결정성 실리콘층 두께 범위를 갖는) 박막(또는 초박막) 결정성 태양전지에 부착되는 백플레인(backplane)이라 칭하는 적절한 기판의 표면을 활용하여 태양전지를 개발함에 따라, 열적 및/또는 아크 스프레이 금속화 도포를 이용하는 자동화 고 생산성 처리 장비가 필요하게 되었으며, 이러한 자동화 고 생산성 처리 장비로부터 큰 장점을 얻을 수 있다.
따라서, 복수의 워크피스의 금속화를 위한 고 생산성 스프레이 처리 장비가 필요하게 되었다. 개시 내용에 따르면, 전술한 고 생산성 워크피스 금속화 시스템에 연관된 단점들을 실질적으로 제거하거나 감소시키는, 복수의 워크피스의 금속화를 위한 스프레이 처리 장비를 제공한다.
개시 내용의 일 양태에 따르면, 복수의 워크피스의 금속화를 위한 처리 장비를 제공한다. 이 장비는, 외부 산화 대기(external oxidizing ambient)로부터 분리되며 워크피스 상에 금속층을 도포하기 위한 하나 이상의 증착 존(deposition zone)을 포함하는 피제어 대기 영역(controlled atmospheric region)을 포함한다. 이송 시스템은 일괄 캐리어 판(batch carrier plate)에 위치하는 워크피스를 피제어 대기 영역을 통해 이동시킨다.
다른 일 실시예에서는, 복수의 이면접합 태양전지(back contact solar cells)의 금속화를 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은, 외부 산화 대기로부터 분리되며 이면접합 태양전지 상에 금속층을 도포하기 위한 하나 이상의 증착 존을 갖는 피제어 대기 영역을 포함하는 처리 장비를 포함한다. 이송 시스템은, 일괄 캐리어 판에 위치하는 이면접합 태양전지를 피제어 대기 영역을 통해 이동시킨다. 시스템은, 베이스 접합부와 이미터 접합부를 포함하는 제1 금속화 패턴을 갖는 반도체 기판, 및 이면접합 태양전지의 이면 상에 위치하는 백플레인을 포함하는 이면접합 태양전지를 더 포함한다. 비아들(vias)을 포함하는 백플레인은 태양전지의 베이스 접합부와 이미터 접합부에 대한 액세스를 제공한다.
개시 내용의 이러한 양태들 및 다른 양태들은, 신규한 추가 특징들과 함께, 본 명세서에서 제공하는 설명으로부터 명백할 것이다. 이 요약은, 청구 대상을 포괄적으로 설명하려는 것이 아니며, 오히려, 청구 대상의 기능의 일부의 간략한 개요를 제공하려는 것이다. 본 명세서에서 제공하는 다른 시스템, 방법, 특징, 및 장점은, 다음에 따르는 도면과 상세한 설명을 읽음으로써 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 명세서 내에 포함되는 이러한 모든 추가 시스템, 방법, 특징, 및 장점은 임의의 청구항의 범위 내에 있게 하려는 것이다.
개시하는 대상 및 그 장점을 더욱 완벽하게 이해하도록, 유사한 참조 번호들이 유사한 특징부들을 가리키는 첨부 도면과 함께 다음에 따르는 후술하는 간략한 설명을 참조한다.
도 1은 일련의 기판들 상에 금속 코팅을 도포하거나 증착하기 위한 자동화 처리 장비의 도.
도 2a 내지 도 2c는 기판 캐리어/워크피스/마스크 조립체의 일례를 도시하는 도.
도 3과 도 4는 금속 코팅을 반송된 일련의 기판들 상에 증착하기 위한 자동화 처리 장비를 도시하는 도.
도 5a와 도 5b는, 각각 개시하는 대상에 따라 워크피스 상에 금속의 열적 스프레이 코팅을 사용하여 패터닝된 금속화 층을 형성하는 데 사용되는 인시츄 섀도우 마스크로서 사용하도록 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들을 유도하는 가이드 롤러 및 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들의 롤을 도시하는 도.
도 6은 금속 코팅을 반송된 일련의 워크피스들 상에 도포하기 위한 자동화 처리 장비를 도시하는 도.
도 7은 분리 벽들을 갖는 스프레이 노즐들의 어레이를 도시하는 도.
도 8 내지 도 10은 대기 스프레잉된 금속층들의 도포를 위한 실시예들을 도시하는 도.
이하의 설명은, 한정적인 의미로 취급해서는 안 되며, 본 개시 내용의 일반적인 원리를 설명하기 위한 것이다. 본 개시 내용의 범위는 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다. 본 개시 내용의 예시적인 실시예들은, 유사한 번호들이 다양한 도들의 유사하고 대응하는 부분들을 가리키는 데 사용되는 도면에 예시되어 있다.
열적 스프레잉 방법들은 서로 다른 금속 공급원료(feedstock)를 사용할 수 있는 한편, 열적 및 ARC 스프레잉 방법들은 용융된 액적을 공통으로 생성하여 에너지 인가를 통해 코팅될 워크피스를 향하게 한다. 열적 스프레잉 예들은, 분말 또는 액체를 가열하여 플라즈마를 통과시킴으로써 스프레이가 생성되는 분말 또는 액체 기반 스프레이를 포함하며, ARC 스프레잉 예들은, 두 개의 와이어 간의 아크를 이용하여 스프레이가 생성되는 트윈 와이어 아크 스프레잉을 포함한다. 본 개시 내용은 태양전지와 태양 전기 백플레인에 대한 금속 스프레이(열적 및/또는 아크 스프레이)의 자동화 도포 등의 특정한 실시예들을 참조하여 설명하고 있지만, 통상의 기술자라면, 본 명세서에서 개시하는 원리를 다른 유형의 태양 전기와 전자 기판 등의 기타 적절한 워크피스에 적용할 수 있고, 대체 스프레잉 기술들을 활용할 수 있다. 예를 들어, 열적 스프레이는 주로 가열 또는 열적 에너지를 사용하여 워크피스에 스프레잉할 용융된 액적을 생성하지만, 아크 스프레잉은, 금속 스프레이를 형성하도록 아크 방전을 생성하는 전력원을 이용하여 한 쌍의 와이어들의 팁들 사이에 형성되는 아크 플라즈마 등의 아크 플라즈마를 사용한다(예를 들어, Twin-Wire Arc Spray 즉 TWAS). 열적 스프레이 기술과 아크 스프레이 기술 모두는 대기압 조건 하에서 수행될 수 있고, 따라서, 진공 펌핑이 필요 없다. 또한, (TWAS 등의) 열적 및 아크 플라즈마 스프레이 기술들은 통상적으로 공급원료로서 워크피스 상에 증착될 물질(들)의 와이어 또는 와이어들을 사용한다. 순수 알루미늄 또는 구리 등의 기본 물질의 스프레이 증착의 경우에, 와이어 물질은 워크피스 상의 증착될 소망하는 기본 물질로 이루어진다. 반면에, 알루미늄과 아연의 합금 등의 복수의 기본 물질의 합금들은, 합금 와이어를 사용함으로써 또는 합금을 구성하는 다양한 원소들의 다수의 와이어들을 사용함으로써, 증착될 수 있다. 후자의 경우에, 서로 다른 와이어들의 상대 속도(및/또는 직경)를 이용하여 증착된 합금의 조성을 제어할 수 있다.
워크피스와 기판이라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환가능하게 사용된다. 예를 들어, 워크피스 또는 기판은 태양 광전지 및/또는 모듈의 제조에 사용되는 반도체 기판일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 개시하는 금속 코팅 시스템은, 도포되는 금속 코팅의 유형, 예를 들어, 패터닝된 또는 블랭킷 금속 코팅에 따라, 그리고 코팅 챔버 내부로 및 외부로, 예를 들어 일괄 웨이퍼 트레이 등의 워크피스 캐리어로 워크피스를 이송하는 방법에 따라 가변될 수 있다.
도 1은, 금속 코팅을 일련의 기판들 상에 도포하기 위한, 특히, 대기압(또는 근 대기압(near atmospheric pressure)) 금속 스프레이를 기판 캐리어 상에 반송된 워크피스에 도포하기 위한, 그리고 선택 사항으로 금속층들의 패터닝된 증착의 인시츄 마스킹을 위한 자동화 처리 장비의 도이다. 자동화 처리 기계(10)는, 최대 세 개의 패터닝된 금속 코팅을 적절한 멀티 웨이퍼 캐리어 상에 위치하는 태양전지 등의 일련의 기판들 상에 도포하지만, 개시하는 시스템들은, 일부 경우에 임의의 개수의 코팅을 예를 들어 5개의 층에 도포하기 위한 임의의 개수의(한 개 내지 증착 존들의 특정 개수의) 증착 존을 포함할 수 있다. 또한, 도 1의 시스템은, 질소 등의 불활성 가스, 및/또는 수소 또는 (필요하다면, 복원 및 재활용될 수 있는) 포밍 가스(forming gas)를 포함하는 피제어 비산화(예를 들어, 불활성) 또는 환원(예를 들어, 수소 함유) 대기에서 금속화 층들의 피제어 대기 열적 스프레이 코팅을 제공할 수 있다.
자동화 처리 기계(10)는, 스프레이 코팅 공정 동안 피제어 가스 환경을 생성하도록 증착 존들의 외부에 있는 외부 산화 대기로부터 충분히 분리되어 있는 증착 존들(30, 32, 32)에 각각 위치하는 스프레이 건들(spray guns; 12, 14, 16)을 포함한다. 피제어 대기는 스프레이 증착되는 금속층들의 산화를 방지하고, 따라서, (벌크 도전성에 더욱 가까운) 더욱 양호한 도전성을 갖는 금속층들을 증착할 수 있게 한다. 캐리어 로드 스테이션(Carrier load station; 22)은, 마스크 캐리어들로 반송된 워크피스들(18)을 컨베이어 벨트(36) 상에 언로딩할 수 있고, 이러한 컨베이어 벨트는, 워크피스들(18)을 선택 사항인 가열 존(38) 상으로 그리고 증착 존들(30, 32, 32)을 포함하는 피제어 대기 영역 내로 이송한다. 분리 가스 커튼들(Isolation gas curtains; 20)은, 피제어 대기 영역을 외측 대기로부터 분리하며 그 반대로도 분리하여(즉, 내측 대기를 분리하며), 피제어 대기 컨베이어 로와 대기압 화학적 기상 증착(APCVD) 장비에서 흔히 채택되는 알려져 있는 기술들을 이용하여 산호 함량이 최소이거나 무시해도 될 정도인 피제어 가스 환경을 생성한다. 그리고, 온도 제어기(26)는 대기 영역의 온도를 (선택 사항으로서, 증착 존마다 개별적으로) 제어한다. 도시하지는 않았지만, 각 증착 존은, 예를 들어, 분리 가스 커튼들에 의해 분리된 완전히 밀폐된 영역일 수 있다. 워크피스들(18)은, 워크피스들(18) 상에 마스크들(28)을 사용하여 금속화 층들이 증착되고 패터닝되는 증착 존들(30, 32, 32)을 통과한 후, 분리 가스 커튼(20)을 벗어나고 선택 사항으로서 캐리어 언로드 스테이션(24) 내로 향한다.
자동화 처리 장비를 통한 이송을 위해, 워크피스들은 일괄 트레이 또는 일괄 캐리어 판 상에 놓일 수 있고, 패터닝된 섀도우 마스킹 판(예를 들어, 근접 비접합부 마스크 또는 접합부 섀도우 마스크 등의 섀도우 마스크)에 의해 커버될 수 있다. 일례로, 단층 또는 다층 스프레이 증착 물질을 생성하는 데 단일 섀도우 마스크를 사용하여, 미리 특정된 패터닝된 금속층을 생성한다. 예를 들어, 워크피스 상에 복잡한 스프레이 형상을 형성하기 위한 일부 실시예들에서, 후속 스프레이 공정들 전체에 걸쳐 서로 다른 섀도우 마스킹 판들을 부착할 수 있고 워크피스로부터 제거할 수 있다. 각 트레이는 향상된 처리량과 도구 생산성을 위해 하나의 워크피스 또는 다수의 워크피스를 포함할 수 있다. 이어서, 컨베이어 벨트(36) 등의 적절한 이동 기구에 의해 트레이 또는 캐리어를 스프레잉 존으로 이송한다. 자동화 캐리어 로드 스테이션(22)과 캐리어 언로드 스테이션(24)은 컨베이어 벨트(36) 상에 캐리어의 로딩 및 언로딩을 제공할 수 있다.
선택 사항인 선세척 부품(pre-cleaning component)(도면에는 도시하지 않음)은, 예를 들어, 염소 기상 세척 존 또는 (수소 함유 대기 등의) 환원 대기에서 아크 플라즈마를 이용하여 노출되면 임의의 기저 금속화 패턴을 포함하여, 전기적 접촉 저항을 감소시키고 증착된 금속과 기판 간의 부착성을 개선하기 위해 기판 세척을 제공한다. 선세척은, 제1 금속화 층(M1) 등의 미리 존재하고 있는 금속과 스프레잉될 금속 간의 접촉이 이루어질 영역들로부터 비아홀들 등의 잠재적인 금속 산화물들을 제거한다. 선세척 또는 산화물 제거를 이용하여, 금속층(1) 등의 스프레잉된 금속과 이 스프레잉된 금속이 접촉하고 있는 물질 간의 낮고 신뢰성 있게 낮은 접촉 저항을 얻을 수 있다.
가스 기반 선세척이 사용되면, 하나의 리액터 존에서 세척 가스들을 도포할 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 스프레이 건(12)은 가스 노즐 어레이 등의 세척 증기, 세척 가스, 또는 세척 가스 혼합물을 위한 애플리케이터에 의해 교환될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 스프레이 시스템에서, 선세척은 비산화 대기에서 수행될 수 있고, 후속하여, 워크피스가 연속적으로 비산화 대기에서 유지되고 있는 동안, 금속 스프레이가 세척된 접촉면 상에 도포되고, 따라서, 새롭게 세척된 표면이, 스프레이 금속 도포 전에, 재산화로부터 보호될 수 있다. 선세척 가스들의 예들은, 세척될 금속에 따라, (예를 들어, 워크피스들이 상승된 온도에서 유지되고 있을 때) HF, HCl, 염소, NF3, CF4, SF6 또는 심지어 수소나 포밍 가스 등의 할로겐 함유 화학물들을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
증착 존들(30, 32, 34)을 포함하고 분리 가스 커튼들(20)에 의해 둘러싸인 피제어 가스 환경은, 불활성 가스 환경(예를 들어, 아르곤, 크세논, 또는 헬륨) 등의 비산화 가스 환경, 질소, 또는, 포밍 가스 등의 산소와 탄소 환원 대기(예를 들어, 수소와 질소의 내화 혼합물), 또는 순수 수소를 포함할 수 있다. 비산화 피제어 대기를 이용함으로써, 이상적인 벌크 저항값(예를 들어, 순수 알루미늄에 대하여 ~2.7μΩ·cm 또는 순수 구리에 대하여 ~1.7μΩ·cm)에 더욱 가까운 전기적 저항성을 갖는 금속성 상호접속부를 형성할 수 있다. 각 존에는, 워크피스들을 특정 물질들로 코팅하도록 하나 이상의 금속 스프레잉 건이 설치되며, 예를 들어, 증착 존(30)에 금속 1 스프레이 건(12)을 설치하고, 증착 존(32)에 금속 2 스프레이 건(14)을 설치하고, 증착 존(34)에 금속 3 스프레이 건(16)을 설치한다. 도시되어 있는 최대 3개의 서로 다른 코팅 물질들이 증착될 수 있는 한편(서로 다른 존들에 증착되는 금속들은 동일할 수 있고, 모든 다를 수 있고, 또는 이들의 조합일 수 있음), 더욱 많은 개수의 층들을 갖는 금속 스택에 대하여 (증착 존과 스프레이 건을 포함하는) 더욱 많은 금속 스프레이 존들을 활용할 수 있다.
스프레잉 건들은 정지형, 이동형, 또는 정지형과 이동형의 조합일 수 있다. 이동 건(들)은, 기판 상의 피복 면적이 크고 하나(또는 몇 개)의 건이 활용되는 경우에 균일한 코팅을 제공할 수 있다. 대안으로, 기판 상의 작은 피복 면적을 코팅하도록, 정지형 건(들)은 소망하는 코팅 균일성을 제공할 수 있다.
증착 존들(30, 32, 32)에서는, 온도 제어기(26) 또는 기타 온도 제어 기구에 의해 온도가 제어될 수 있고, 이에 따라, 물질들이 증착될 때 워크피스의 온도를 조절함으로써(예를 들어, 스프레이 증착 공정 동안 워크피스를 가열함으로써), 증착된 물질들의 기계적 응력 및/또는 증착된 물질들의 다른 일부 물성들(예를 들어, 미리 존재하고 있는 패터닝된 금속층 상에 증착된 금속층들의 전기적 저항성 및/또는 스프레이 증착된 금속의 전기적 접촉 저항성의 감소)을 관리할 수 있다. 서로 다른 스프레잉 존들(증착 존들)의 온도는, 증착되는 물질 및 소망하는 물성과 전기적 성질에 따라 동일할 수도 있고 또는 다를 수도 있다. 다층 금속 스프레이 공정에서는, 존 온도들이 실온 내지 수백 ℃ 범위에 있을 수 있다. 또한, 대기 영역의 입구에 있는 가열 또는 냉각 존(38)을 이용하여, 워크피스가 증착 존에 도입되기 전에 워크피스의 온도를 조절할 수 있다.
금속화가 형성될 백플레인을 활용하는 태양전지를 위한 금속화의 일례에서, 최종 코팅 또는 마지막에서 두 번째 코팅은, 태양 모듈 제조 동안 후속하는 상호접속에 적합한 알루미늄-아연 합금 또는 순수 아연 및/또는 주석 또는 적절한 솔더 합금 등의 솔더링가능한 물질의 얇은 코팅일 수 있다. 이러한 최종 코팅 물질을 위한 다른 예들은, Sn, Zn, 또는 Ag, Cu, Bi, Zn, 또는 Pb 등의 금속과 Sn의 합금 등의, 알려져 있는 솔더를 포함한다. (상부 금속층과 미리 존재하고 있는 하부 금속층 모두가 알루미늄 등의 수명을 열화시키지 않는 동일한 원소로 이루어지지 않는 한) 확산 배리어를 코팅들 중 하나로서 또한 배치할 수 있다.
개시 증착 시료는, 적어도 두 개의 기준을 충족할 수 있다. 즉, 1) 기저 기판에 대하여 양호한 부착성을 제공하는 것이며, 예를 들어, 기판은 얇은 흡수성 태양전지 상의 에폭시계 프리프레그 등의 폴리머일 수 있으며, 2) 예를 들어, 레이저 드릴링에 의해 폴리머 기판으로 기계 가공되는 백플레인 비아들의 금속화를 통해 접촉이 이루어지는 기저 금속에 대한 낮은 저항 접촉을 제공하는 것이다. 추가 요건은, 스프레잉된 금속화 층의 과도한 응력으로 인해 증착 후에 기판의 평탄성을 열화시키지 않는 것일 수 있다.
비아들에 기저 금속이 없는 태양전지 구조에서, 제1 금속은 태양전지의 반도체에 대하여 직접적인 양호한 저항 접촉을 이루어야 한다. 주 전류 반송 코팅은, 소정의 이면접합(맞물림형(interdigitated) 이면접합 즉 IBC) 전지 아키텍처를 위해 약 5 내지 100㎛ 초과 범위의 층 두께를 갖는 TSA로도 알려져 있는 열적 또는 아크 스프레이 알루미늄일 수 있다. 최적의 두께와 이에 따른 스프레잉된 알루미늄층의 도전성은, 이면접합 전지의 크기(즉, 더욱 큰 전지들은 통상적으로 전지로부터의 현재의 추출 동안 최소 저항 손실을 유지하도록 더욱 두꺼운 알루미늄을 필요로 함) 및 전지 금속 상호접속부에 의해 최대로 허용되는 저항 손실에 의해 제어된다.
예를 들어, 이면접합 태양전지에 사용하기 위한 대표적인 금속화 구조들은, 지정된 스프레잉된 금속 두께와 함께 다음에 따르는 스프레잉된 금속 스택층들을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 즉,
- 2단계 스프레이 코팅 시스템: (1) 고 전도성 전지 상호접속부로서 사용되는 (약 5㎛ 내지 100㎛ 초과 범위의) 알루미늄 (2) 벌크 알루미늄 층(~1㎛ 내지 20㎛ 층) 상에 솔더링가능 표면을 생성하도록 솔더 습윤면으로서 사용되는 아연 또는 아연-알루미늄 합금
- 3단계 스프레이 코팅 시스템: (1) 메인 고 도전성 전지 상호접속부로서 사용되는 (약 5㎛ 내지 100㎛ 초과 범위의) 알루미늄 (2) 벌크 알루미늄 층(~1㎛ 내지 20㎛ 층) 상에 솔더링가능 표면을 생성하도록 솔더 습윤면으로서 사용되는 아연 또는 아연-알루미늄 합금 (3) 아연 또는 아연 합금 위의 솔더링가능 표면과 보호층으로서 사용되는 주석계 솔더 등의 솔더(~1㎛ 내지 20㎛ 층)
- 4단계 스프레이 코팅 시스템: (1) 아연 또는 아연-알루미늄 합금의 접착 및 저 저항성 접촉층(~1㎛ 내지 20㎛ 층) (2) 메인 고 도전성 전지 상호접속부로서 사용되는 (약 5㎛ 내지 100㎛ 초과 범위의) 알루미늄 (3) 벌크 알루미늄층 상에 솔더링가능 표면을 생성하도록 솔더 습윤면으로서 사용되는 아연 또는 아연-알루미늄 합금(~1㎛ 내지 20㎛ 층) (4) 아연 또는 아연 합금 위의 솔더링가능 표면과 보호층으로서 사용되는 주석계 솔더 등의 솔더(~1㎛ 내지 20㎛ 층)
알루미늄 대신에 구리를 활용하는 금속 스택 등의 기타 금속 스택도 가능하다. 예를 들어, 라미네이트된 백플레인을 포함하는 이면접합 태양전지를 포함하는 이면접합 태양전지에 사용하도록 스프레잉된 구리를 이용하는 금속화 스택의 대표적 예들은, 아래의 예들을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 즉,
- 1단계 스프레이 코팅 시스템: (1) 메인 고 도전성 전지 상호접속부로서 사용되는 (약 5㎛ 내지 100㎛ 초과 범위의) 구리
- 2단계 스프레이 코팅 시스템: (1) 계면간 접합부 및 배리어층으로서 사용되는 (~1㎛ 내지 10㎛ 초과 범위의) 알루미늄의 초기 층 (2) 메인 고 도전성 전지 상호접속부로서 사용되는 (약 5㎛ 내지 100㎛ 초과 범위의) 구리
- 3단계 스프레이 코팅 시스템: (1) 계면간 접합부 및 배리어층으로서 사용되는 (~1㎛ 내지 10㎛ 초과 범위의) 알루미늄의 초기 층 (2) 메인 고 도전성 전지 상호접속부로서 사용되는 (약 5㎛ 내지 100㎛ 초과 범위의) 구리 (3) 구리 위의 솔더링가능 표면과 보호층으로서 사용되는 주석계 솔더(~1㎛ 내지 20㎛ 층) 등의 솔더
다른 물질들 중에서, 메인 고 도전성 전기적 상호접속부 및 금속층으로서 알루미늄 또는 구리를 포함하는 스프레잉된 금속 스택들의 조합도 가능하다.
금속 소스들은, 아크 플라즈마로 용융되며 공기나 비산화(불활성 또는 환원) 가스 대기를 이용하여 워크피스의 표면으로 이송되는 단일 또는 트윈 와이어의 피제어 공급물일 수 있다. 다른 일 실시예에서, 금속 소스들은, 플라즈마 대기 내로 피제어 공급된 후 가스 대기에 의해 워크피스의 표면으로 이동되는 분말일 수 있다. 예를 들어, 분말은, 분말 자체가 어떻게 생성되는지에 따라, 순수 금속들, 서로 다른 금속의 분말들의 혼합물, 또는 합금된 금속들의 분말들로 이루어질 수 있다. 분말을 금속 소스로서 활용함으로써, 금속을 기판 표면에 밀접하게 증착시킬 수 있고, 따라서, 더욱 작은 치수(예를 들어, 수 ㎛ 폭까지의 치수)의 더욱 미세한 특징부들을 증착할 수 있다. 분말의 적절한 입자 크기 결정과 크기 선택은 이러한 선택의 중요한 부분이다. 분말로서 사용될 수 있는 합금과 금속의 예들은, 솔더링가능 물질을 비롯하여 Cu, CuSn, Al, AlZn, Zn, Sn, ZnSn, Ni 등을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
더욱 미세한 금속화 특징부들을 증착함으로써, 예를 들어, 전지 상에 직접 위치하는 이면접합 전지 설계를 위해 이미터와 베이스 라인들을 교번하고, 이미터와 베이스 접합부들 등의 전지 상의 단자 접합부 면적들과 접촉하고, 개별적인 금속층들(예를 들어, 여기서는, 금속 1과 금속 2 등의 제1 금속층과 제2 금속층) 간의 국부적 접촉이 가능하도록 금속의 두 개 이상의 레벨(예를 들어, 금속의 두 개의 레벨은 레벨간 비아 등의 국부적 개구를 갖는 유전체에 의해 분리됨)로 이루어지는 전지 설계시 금속의 제2 층과 접촉하는 금속의 섀도우 마스킹 기입 또는 (예를 들어, 복수의 비접합부 근접 주입 노즐을 사용함으로써) 직접적인 기입과 함께 형성되는 금속화 기법이 가능하다. 2레벨 금속 설계의 후자의 경우에, 비용을 감소시킬 수 있고, 제1 레벨과 모듈 커넥터 레벨에 접속되며 더욱 거친 특징부들을 가질 수 있는 제2 레벨 금속보다 미세한 특징부들(예를 들어, 맞물림형 이면접합 금속화 패턴의 더욱 미세한 피치)로 설계된 전지의 활성 면적들에 접촉하는 제1 레벨 금속을 갖도록 전지 성능을 개선할 수 있다(예를 들어, 제1 레벨 금속에 비해 제2 레벨 금속의 직교 변환을 이용하는 구조, 다시 말하면, 금속 2 핑거들은 금속 1 핑거들에 대략 수직으로 이어진다).
예를 들어, 본 명세서에서 설명하는 태양전지 설계와 제조 공정은, 기판의 이면 상에 라미네이트되거나 부착되거나 증착되는 백플레인 층이라고도 하는 전기적 절연층에 의해 분리되는 금속화의 2 레벨을 가질 수 있다. 형성 실시예에서, 백플레인 라미네이션 전에, 태양전지 베이스와 이미터 접합부 금속화 패턴은, 예를 들어, 스크린 인쇄된 또는 플라즈마 스퍼터링된(PVD) 알루미늄(또는 알루미늄 실리콘 합금) 물질층의 박층을 이용함으로써, 전지 이면 상에 직접 형성된다. 이러한 금속화의 제1 층(여기서는, M1이라 칭함)은, IBC 전지의 베이스와 이미터 영역들을 규정하는 미세 피치 맞물림형 이면접합(IBC) 컨덕터 핑거 등의 태양전지 접합부 금속화 패턴을 규정할 수 있다. M1 층은, 태양전지의 접합부 금속화로서 기능하며, 다시 말하면, 태양전지 전류와 전압을 추출하여, 태양전지 전력을 레벨간 도전성 비아 플러그(M2 층과 함께 형성됨)를 통해 M1 후에 형성되는 고 도전성 태양전지 금속화의 제2 레벨/층(여기서는 M2라 칭함)에 전달한다. (비아홀의 형성을 포함한) 백플레인의 형성 후에, 고 도전성 층 M2 층이 백플레인 상에 형성된다(예를 들어, M2는 M1보다 높은 전류 전달 도전성을 가질 수 있다). 비아홀들(일부 경우에는, 수백 내지 수천 개의 비아홀)을 (예를 들어, 레이저 드릴링에 의해) 백플레인 내로 드릴링하거나, (백플레인 형성과 함께 미리 패터닝된) 백플레인의 형성과 함께 형성한다. 이러한 비아홀들은, 이러한 비아홀들 내에 형성된 도전성 플러그들을 통해 패터닝된 M2와 M1 층들 간의 후속하는 전기적 접속을 위해 M1의 미리 특정된 영역들 상에 위치한다. 후속하여, 패터닝된 고 도전성 금속화 층 M2는 (예를 들어, 플라즈마 스퍼터링, 도금, 또는 이들의 조합에 의해, 예를 들어, 알루미늄 및/또는 구리를 포함하는, 저가이며 고 도전성 M2 물질을 사용하여) 형성된다. M1 상에 미세 피치 IBC 핑거를 갖는 맞물림형 이면접합(IBC) 태양전지(예를 들어, 전지당 수백 개의 M1 금속화 핑거를 가짐)에 있어서, 패터닝된 M2 층은 M1에 직교하도록 설계될 수 있고, 즉, M2 핑거들이 M1 핑거들에 대하여 본질적으로 수직으로 된다. 이러한 직교 변환 때문에, M2 층은 M1 층보다 훨씬 적은 개수의 IBC 핑거들을 가질 수 있다(예를 들어, 10개 내지 50개 정도 적은 M2 핑거). 따라서, M2 층은 M1 층보다 IBC 핑거들이 더욱 넓은 매우 거친 패턴일 수 있다. 태양전지 버스바들은, 태양전지 상의 버스바들에 연관된 전기적 셰이딩 손실을 제거하도록, M1 층이 아닌 M2 층 상에 위치할 수 있다. 그리고, 베이스와 이미터 상호접속부들과 버스바들 모두가 태양전지 이면 백플레인 상의 M2 층 상에 위치할 수 있으므로, 백플레인 상의 태양전지의 베이스와 이미터 단자들 모두에 전기적 액세스를 제공한다.
백플레인 물질은, 얇은 실리콘층 상에 과도하게 열적으로 유도되는 응력을 피하도록 충분히 낮은 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 저가의 폴리머 물질의 얇은 시트일 수 있다. 또한, 백플레인 물질은, 백엔드 전지 제조 공정들을 위한 공정 집적 요건들, 특히, 전지 전면측 세척과 습식 텍스처링 동안의 화학적 저항성 및 반사 방지 코팅(ARC)층과 전면측 패시베이션의 PECVD 증착 동안의 열적 안정성을 충족해야 한다. 전기적 절연성 백플레인 물질은, 또한, 모듈 레벨 라미네이션 공정 및 장기간 신뢰성 요건들을 충족해야 한다. (플라스틱, 플루오로폴리머, 프리프레그 등의) 다양한 적절한 폴리머 물질 및 (유리, 세라믹 등의) 적절한 넌폴리머 물질을 백플레인 물질로서 사용할 수 있고, 백플레인 물질 선택은, 비용, 공정 집적 용이성, 신뢰성, 굽힘성 등을 포함하는 많은 고려 사항들에 의존하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
백플레인을 위한 적절한 물질 선택은 비교적 저-CTE의 프리프레그이다. 프리프레그 시트들은, (다른 영역들에서의 부착의 넓은 범위의) 인쇄 회로 기판의 빌딩 블록들로서 사용되며, 수지들과 CTE-감소 및 강화 섬유들 또는 입자들의 조합으로 형성될 수 있다. 백플레인 물질은, 저가이며, 저-CTE일 수 있으며(통상적으로, CTE < 10ppm/℃, 또는 CTE < 5ppm/℃), 텍스처링 화학물에 대하여 화학적으로 저항하며 180℃까지의 온도(또는 약 280℃만큼 높은 온도)에서 열적으로 안정적인 얇은(일반적으로, 50㎛ 내지 250㎛ 정도 범위로 얇은) 프리프레그 시트일 수 있다.
와이어 대신에 분말(예를 들어, 서브마이크로미터 내지 수 마이크로미터 범위의 입자 크기를 갖는 분말)이 금속 소스이면, 모노리식 노즐 블록 또는 노즐들의 어레이의 복수의 활성 노즐은 금속을 기판 표면 상에 병행하여 동시에 증착할 수 있다. 또한, 금속 분말 공급물은, 노즐 및 공급 장비의 간략성과 비용 절감을 위해 분리되거나 결합될 수 있다. 금속 증착은, (예를 들어, 세그먼트화 금속화 라인에 대하여 및/또는 직접 기입된 금속 핑거들의 길이를 제어하여) 연속적이거나 간헐적일 수 있으며, 후자의 경우는 금속 공급물(와이어 또는 분말)을 턴오프하고, 노즐을 턴오프하고, 또는 두 가지 모두를 턴오프한다.
도 2a는 캐리어/워크피스/마스크 조립체의 일례의 상면도를 도시하는 도이고, 도 2b는 도 2a의 캐리어/워크피스/마스크 조립체의 A-A 단면을 도시하는 도이고, 도 2c는 도 2b의 선택된 확대도이다. 워크피스들(42)은 도시한 바와 같이 캐리어(40) 상에 배치되며 섀도우 마스크 판(44)에 의해 커버된다. 섀도우 마스크 판은 워크피스들과 접할 수 있고 또는 워크피스들에 밀접한 상태로 배치될 수 있다. 도 2a에 도시한 워크피스 캐리어 및 마스킹 판은 4 × 4 어레이로 배치된 16개의 기판을 위한 것이지만, 다른 다양한 N ×M 워크피스 배치도 가능하다(여기서, N와 M은 정수이다).
일 실시예에서, 스프레잉 건들에 공급되는 금속(예를 들어, 알루미늄의 금속 와이어 또는 분말 등의 금속, 알루미늄과 실리콘의 합금 - 실리콘, 아연, 솔더, 및/또는 알루미늄과 아연을 포함하는 합금, 및 구리, 주석, 주석-아연 합금들의 조합과 접하는 제1 레벨 금속으로서 사용시 접합 스파이킹(junction spiking)을 감소시킴)은, 연속되는 워크피스 캐리어 트레이들 사이에서 및/또는 워크피스 캐리어 트레이들이 코팅 영역들 내에 있지 않아서 컨베이어 벨트가 불필요한 코팅으로 스프레잉되지 않을 때 그리고 금속 소모를 피하도록 정지될 수 있다. 스프레잉된 금속층들의 유효한 활용을 최대화하기 위한 이러한 구성은, 스프레잉 건들에 대한 트레이들의 상대 위치에 기초하여 시스템 제어에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 워크피스 또는 워크피스 캐리어 트레이들의 존재를 검출하고 이 신호를 스프레이 장치에 연결하는, 증착 기계 내의 센서들을 이용할 수 있다.
예를 들어, 스프레잉 물질들의 블랭킷 코팅을 위해 인시츄 섀도우 마스킹 판들을 제거할 수 있는 한편, 컨베이어 벨트 상에 코팅 물질들이 스프레잉되는 것을 방지하도록 워크피스들이 캐리어를 통해 이송될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 워크피스들은 컨베이어 벨트 상에 직접 위치할 수 있고, 컨베이어 벨트는 처리 기계를 통해 다른 사이클의 워크피스들을 이송하도록 복귀 경로 동안 화학적으로 세척될 수 있다. 또 다른 일 실시예에서, 각 워크피스는, 개별적인 섀도우 마스크와 함께 미리 조립될 수 있고, 마스킹된 워크피스들은 컨베이어 벨트 상에 직접 배치될 수 있고, 컨베이어 벨트는, 열적 및/또는 아크 스프레이 챔버와는 분리되어 있는 습식 에칭 또는 기상 에칭 챔버에서 처리 기계를 통해 다른 사이클의 워크피스들을 이송하도록 복귀 경로 동안 화학적으로 세척될 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 예를 들어, 절연층에 의해 분리되는 2-레벨 금속 구성에서 이전의 미세 피치의 M1 금속층 선들에 직교로 배치된 (맞물림형 M2 이미터와 베이스 핑거들을 형성하기 위한) 선형 병렬 선들의 어레이 등의 거친 피치의 선형 병렬 선들의 어레이의 금속화 패턴을 형성하도록, 금속 스트립들 또는 와이어들을 M2 층의 인시츄 마스킹 및 패터닝된 증착을 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, 분리 마스킹 금속 스트립들 또는 와이어들의 병렬 어레이를, 예를 들어 섀도우 마스크로서의 사용을 위해 금속 증착 시스템을 통해 기판들을 반송하는 다른 이송 시스템 또는 컨베이어 벨트의 이동에 삽입 동기화된 처리 기계 내에 공급한다. 또한, 예를 들어, 메시로 배치된 마스킹 스트립들 또는 와이어들을 이용하여 병렬 패턴과는 다른 금속화 패턴들을 생성할 수 있다. 다른 일례로, 워크피스의 정렬은, 처리 동안 또는 다수의 처리 사이클에서 조절 또는 회전될 수 있으며, 이에 따라 교차 선들(예를 들어, 버스바들을 형성하는 데 유용할 수 있는 90도 교차부에서의 선들)을 갖는 패턴을 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이 이동하는 연속 스트립들은 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이 롤투롤 구성으로 배치될 수 있다.
도 3과 도 4는, (도 1에 도시한 마스킹된 캐리어들(28)과는 대조적으로) 도 1에 도시한 자동화 처리 기계(10)와 유사한, 마스킹된 패터닝을 위해 스트립들 또는 와이어들을 사용하여, 금속 코팅을 캐리어로 반송된 일련의 기판들 상에 도포하기 위한 자동화 처리 장비를 도시하는 도이다. 도 3의 자동화 처리 기계(50)는 롤투롤 스트립 구성을 이용하는 시스템을 도시하고, 도 4의 자동화 처리 기계(60)는 연속(또는 끊김 없는 롤) 스트립 구성을 이용하는 시스템을 도시한다.
자동화 대기압 처리 장비는, 금속 스프레이들을, 도 3에 도시한 롤투롤 구성으로 캐리어로 반송되고 병렬 와이어들이나 스트립들의 구성을 이용하여 마스킹되는 워크피스들에 도포하기 위한 것이다. 롤투롤 스트립들의 예들은 도 5a와 도 5b에 도시되어 있다. 도 3의 자동화 처리 기계(50)는, 증착 존들(30, 32, 32)을 통해 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들(54)을 롤(52)로부터 롤(58)로 롤링하기 위한 롤투롤 구성을 포함한다. 가이드 롤러들(56)은, 증착 존들에서 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들(54)을 유도하고 위치 결정하는 데 일조할 수 있고, 장력을 제공할 수도 있다.
세그먼트화 와이어들 또는 스트립들(54)은, 증착 존에서 기판(워크피스)(18) 상의 금속화 패터닝을 위한 섀도우 마스크로서 기능한다. 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들은, 워크피스를 통한 자성 또는 정전 처킹을 이용하여 워크피스들에 부착되고 정렬될 수 있다. 대략 수 밀리미터의 최소 치수를 갖는 거친 금속화 특징부들의 경우에, 기판으로부터의 피제어 수직 거리에서 마스킹 스트립들 또는 마스킹 판들을 배치하고 유지함으로써(근접 섀도우 마스킹), 예를 들어, 트레이의 일부일 수 있는 스페이서를 사용함으로써 또는 (가이드 롤러(56) 등의) 장력을 받는 가이드 롤러에 의해, 스트립들을 기판 위의 규정된 거리에 위치 결정한다.
도 4의 자동화 처리 기계(60)는, (알루미늄, 아연, 아연/알루미늄 합금, 솔더, 구리 등을 포함하는) 금속 스프레이들을, 캐리어로 반송되는 워크피스들에 도포하도록 설계되며, 와이어들 또는 스트립들의 인시츄 세척을 이용하는 병렬 와이어들 또는 스트립들의 무한 공급 구성을 포함한다. 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들(64)은, 가이드 롤러(62)를 사용하여 증착 존들(30, 32, 32)을 통해 회전된다. 증착 존(30, 32, 32)에서의 금속화 처리에 있어서 섀도우 마스크로서 사용한 후에, 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들(64)은, 다른 금속화 사이클에서 사용되기 전에, 에칭/세척 세그먼트(66) 및 린스/건조 세그먼트(68)를 통해 전사된다.
도 5a와 도 5b는, 각각, 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들의 롤 및 워크피스 상의 금속들의 열적 스프레이 코팅에 있어서 섀도우 마스크로서 사용하기 위한 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들을 유도하는 가이드 롤러를 도시하는 도이다. 도 5a는, 도 3의 롤(52)로부터 롤링되거나 롤(58) 상으로 롤링된 세그먼트화 와이어들과 유사한, 롤(72) 상의 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들(70)을 도시한다. 도 5b는, 도 3과 도 4의 가이드 롤러(56)와 가이드 롤러(62) 상에 각각 유도된 세그먼트화 와이어들과 유사한 가이드 롤러(76) 상의 세그먼트화 와이어들 또는 스트립들(74)을 도시한다.
일회용 섀도우 마스크의 변형예에서, 금속화 스프레이의 영향을 견딜 수 있는 (경제적으로 유리할 수 있는 저가의 종이 물질 등의) 테이프 물질의 병렬 어레이는, 소망하는 패턴을 형성하는 증착 전에 기판에 부착될 수 있고, 증착 후에 제거될 수 있어서, 금속 커버리지가 필요하지 않은 면적들로부터 금속을 함께 반송할 수 있다. 이러한 유형의 처리는, 테이프 제거 공정 동안 금속의 찢어짐이 디바이스 신뢰성 문제로 이어질 수 있는 기저 기판으로부터의 과도한 금속 박리를 야기하지 않도록, 기판 부착에 대하여 특히 양호한 금속을 필요로 할 수 있다.
인시츄 마스킹된 패터닝에 대하여 전술한 두 가지 특별함은, (도 4에 도시한 것과 같은) 무한/연속 롤 설계 또는 (도 3에 도시한 것과 같은) 롤투롤 설계로 배치될 수 있는 스트립들/와이어들 또는 (도 1에 도시한 것과 같은) 일괄 트레이에 기판들과 함께 배치될 수 있는 이산적 마스크들이다. 이산적 마스크들 또는 스트립/와이어 마스크들이 사용되는 양측의 경우에, 섀도우 마스크 물질은, 단일 코팅 또는 설정된 횟수의 기판 코팅 후에 폐기되는 경제적인 물질일 수 있다. 섀도우 마스크 물질은, 또한, 열적 스프레이/아크 공정 동안 마스킹 물질 상에 증착된 금속화 물질(예를 들어, 알루미늄, 아연, 및/또는 솔더)을 세척함으로써 여러 번 재사용될 수 있는 물질일 수 있다. 마스크 세척 공정은, 화학적 선택성(즉, 마스크 물질을 손상시키지 않음)을 가질 수 있고, 인시츄일 수 있고, 또는, 다시 말하면, 예를 들어, (도 5에 도시한 바와 같이) 마스킹 판들 또는 스트립들/와이어들이 기계의 시작 부분으로 직접 다시 공급되는 시스템에서 스프레이 코팅 기계의 일부로서 금속 스프레이 장비와 집적될 수 있다. 폐쇄 루프 구성에서, 컨베이어 벨트 및/또는 일괄 트레이들은, (다시, 도 5에 도시한 바와 같이) 처리된 워크피스들을 언로딩한 후에 그리고 다음 일괄 워크피스들을 로딩하기 전에 복귀 경로 상에서 실시간으로 화학적으로 세척될 수 있다. 대안으로, 예를 들어, 열적으로 스프레잉된 물질을 마스크(및 지지하는 컨베이어 트레이들)로부터 선택적으로 화학적으로 제거함으로써 또는 그릿트 블라스팅(grit blasting), 열적 충격 블리스터링 또는 물질의 기계적 마모, 또는 이들의 조합 등의 다른 방법들에 의해, 별도의 세척 시스템에서 마스크 세척을 수행할 수 있다.
이산적 마스킹과 연속적 마스킹의 조합은, 종료된 증착 사이클 후에 기판 트레이 또는 트레이 체인으로부터 마스킹 판들을 제거하고, 내부 세척 사이클을 통해 마스킹 판들을 공급한 후, 다음 금속화 전사에 다시 사용될 금속 증착 시스템의 입력측으로 다시 향하게 하는 코팅 시스템의 장치 부분과 함께 워크피스 이송 시스템 이동에 동기화된 마스킹 판 이동을 활용할 수 있다(이에 대한 일 실시예가 도 6에 도시되어 있다).
도 6은, 캐리어와 마스크의 인시츄(또는 도구 집적된) 세척 및 재활용을 이용하는 도 1에 도시한 자동화 처리 기계(10)와 유사하며, 금속 코팅을, 마스킹된 캐리어로 반송된 일련의 워크피스들 상에 도포하기 위한 자동화 처리 장비를 도시하는 도이다. 전술한 바와 같이, 트레이/마스크 세척 및 사이클링 시스템(90)은, 금속화 처리 사이클 후에 마스크들(28)을 제거하고 세척하고 다른 금속화 처리 사이클을 위해 자동화 처리 장비(80)에 다시 공급하도록 자동화 처리 장비(80)와 집적된다. 도시한 바와 같이, 마스크들(28)은, (예를 들어, 컨베이어 벨트인) 이송 시스템(96)에 의해 세그먼트(92)를 린스 및 건조시키도록 세척 및 에칭 세그먼트(92)를 통해 이동한다.
(예를 들어, 금속화의 2개 레벨을 포함하는 이면접합 IBC 태양전지의 직교 정렬된 백플레인 금속화를 위해) 대략 수 밀리미터인 최소한의 금속 패턴 치수를 갖는 거친 금속화 정렬 패턴들이 필요하면, 이러한 패터닝된 금속화는, 접촉이나 근접성 마스킹 없이, 중첩되는 어레이들 없이(예를 들어, 병렬 라인 패턴에서 인접하는 병렬 선들 간에 불필요한 도전성 경로 없이) 소망하는 패턴을 스프레잉하기 위한 스프레이 특성을 갖추고서 열적 스프레이 헤드들의 병렬 어레이를 기판에 충분히 가깝게 위치시킴으로써, 형성될 수 있다. 또한, 스프레잉/금속화가 바람직하지 않은 영역들에서 노즐들 간의 차폐 벽들의 거친 그리드를 갖는 동안 스프레이 빔을 전기적으로 대전함으로써 불필요한 중첩 스프레잉을 피할 수 있다. 차폐 벽들은, 또한, 스프레이 빔과 동일한 극성으로 대전될 수 있고, 따라서, 스프레이 입자들을 밀어내고 병렬 스프레이 선들을 분리하는 데 일조할 수 있다. 도 7은, 전술한 바와 같이, 워크피스 상의 금속 라인 패턴에 있어서 개별적인 스프레이 증착 금속 선들을 형성하도록 차폐 생성 분리와 함께 스프레이 노즐들의 어레이를 이용하는 시스템을 도시하는 도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 개별적인 스프레이 헤드들(102)은, 대전된 분리 벽들(100)에 의해 분리되어 있으며, 기판(106) 상에 스프레이 증착된 금속 선들(104)을 형성하도록, 대전된 스프레이 빔을 스프레잉한다.
도구 아키텍처는, 증착 및 가열 존들을 통해 기판들(또는 기판들을 유지하는 트레이들)을 이동시키도록 컨베이어 벨트 이송 시스템(인라인 증착 시스템)을 이용하여 전술하였다. 예를 들어, 기판 로딩 존들, 공정 존들, (로딩 존들의 두 배일 수 있는) 언로딩 존들, 트레이, 마스크 및 핸들링 시스템 세척 존들 사이에 기판들의 회전식 공급부 또는 트레이들의 기판들을 포함하는 대체 이송 시스템들을 이용할 수 있다.
또한, 제시한 공정들은, 금속 스프레이 증착 동안 접촉 또는 근접성 섀도우 마스크를 사용하여 기판에 대한 완전 건조 공정(all-dry process)을 참조하여 설명하였다. 대안으로, 예를 들어, 공정들의 조합을 이용할 수도 있지만, 다음에 따르는 예들로 한정되지는 않는다. 즉, - 하부 금속화 층 또는 층들(예를 들어, 아연 부착층이 뒤따르는 메인 고 도전성 알루미늄 금속화 층)이, 접촉이나 근접성 섀도우 마스크의 사용 없이, 열적 스프레잉을 이용하여 블랭킷 방식으로 증착될 수 있다. 상부 금속화 층 또는 층들(예를 들어, 상부 솔더층)은, 예를 들어, 패터닝된 스크린 인쇄에 의해, 패터닝 방식으로 후속 증착될 수 있다. 이어서, 상부 금속화 층(들)은, 예를 들어, 상부층(들)과 기판의 다른 부분들은 에칭하지 않으면서 하부층(들)만을 에칭하는 선택적 습식 또는 건식 에칭 화학물을 사용하여 기저 하부층(들)을 제거하도록 에칭 마스크로서 후속 사용될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 아연 합금을 에칭으로 제거하도록 인산과 아세트산 또는 대안으로 칼륨 또는 수산화나트륨 간의 혼합물을 포함하는 선택적 에칭 화학물을 이용하여, 알루미늄 또는 알루미늄 아연 합금을 하부층들 중 하나로서 사용할 수 있고, 솔더들을 상부층들 중 하나로서 사용할 수 있다.
- 기판 상의 블랭킷 스프레잉 막을 패터닝하는 대체 예는, 필요없는 경우 증착된 금속을 국부적으로 제거하는 그라인딩 또는 그 외에는 마모성 휠들의 어레이를 사용하는 것이다.
도 8 내지 도 10은, 공급된 와이어들, 분말들로부터 스프레이 장치에 제공되는 금속 소스들을 사용하여 대기 스프레잉된 금속층들을 도포하기 위한 또는 그 외에는 이면접합 태양전지 설계를 위한 실시예들을 도시하는 도이다. 도 8 내지 도 10의 금속화 패턴들은, 제1 층 금속인 금속 1(스프레잉된 특징부 크기는 작게 유지됨)을 위해 그리고 설계 규칙과 특징부 크기가 해제되어 더욱 거칠 수 있는 제2 층 금속인 금속 2(다시 말하면, 더욱 넓은 금속화 라인과 공간)를 위해 열적으로 스프레잉된 금속 또는 금속 합금을 사용한다. 그리고, 도 8 내지 도 10은 금속의 2개의 레벨(각각은 하나 이상의 금속 또는 합금을 함유함)을 갖는 이면접합 IBC 전지들을 도시하고 있지만, 본 명세서에서 개시하는 방법들과 시스템들은, 전면접합 및 이면접합 태양전지들뿐만 아니라 단일 금속 레벨의 이면접합 전지에도 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예들의 응용 분야는, 태양 광전지로 한정되지 않으며, 반도체 마이크로일렉트로닉스, 평판 디스플레이, 옵토일렉트로닉스, 및 MEMS 디바이스를 포함하는 다른 분야들로의 응용을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
도 8은, 백플레인 유전층(기저 금속 1 패턴을 상세하게 나타내도록 도시하지 않은 백플레인 층) 상에 (예를 들어, 마스크 연관 비용을 감소시키도록 직접적인 기입 패턴으로) 스프레이 증착된 또는 도금된 고 도전성 금속 핑거들을 사용하여 직교 패턴 전사를 예시하는 이면접합 태양전지의 상면도를 도시한다. 금속 1 패턴은, 제1 레벨 금속 이미터 핑거들(118)(예를 들어, 열적으로 스프레잉된, 스크린 인쇄된, 또는 PVD 증착/레이저 융삭된 금속 베이스 핑거들), 및 제1 레벨 금속 베이스 핑거들(120)(예를 들어, 열적으로 스프레잉된, 스크린 인쇄된, 또는 PVD 증착/레이저 융삭된 금속 이미터 핑거들)을 포함한다. 제1 레벨 금속 이미터 핑거들(118)은 멀티 레벨 접합부 개구 트렌치들(122, 126)을 통해 기저 태양전지 이미터 영역들과 접하고, 제1 레벨 금속 베이스 핑거들(120)은 홀들(128)을 통해 기저 태양전지 베이스 영역들과 접한다. 제2 레벨 금속 이미터 접합부 핑거들(110)(예를 들어, 도금된 Cu 또는 열적으로 스프레잉된 금속)은, 제1 및 제2 금속화 층들 사이에 위치하는 백플레인에서 이미터 홀들(114)(예를 들어, 드릴링된 비아홀들)을 통해 제1 레벨 금속 이미터 핑거들(118)과 접한다. 제2 레벨 금속 베이스 접합부 핑거들(112)(예를 들어, 도금된 Cu 또는 열적으로 스프레잉된 금속)은, 제1 및 제2 금속화 층들 사이에 위치하는 백플레인에서 베이스 홀들(116)(예를 들어, 드릴링된 비아홀들)을 통해 제1 레벨 금속 베이스 핑거들(120)과 접한다.
도 9는, 병렬 금속화 층들을 갖고 백플레인에 의해 지지되는 동질 접합 이면접합 태양전지의 단면도이다. 이 구조는 도 8에 도시한 직교 구조와는 대조적으로 병렬 금속 1과 금속 2를 도시한다는 점에 주목한다. 도 9의 이면접합 전지는, 전면 텍스처 패시베이션 층(150)을 갖는 n형 베이스로서 도시된 실리콘 기판(142)(예를 들어, 에피택셜 실리콘 기판 또는 웨이퍼 형성된 실리콘 기판)을 포함한다. 전면 텍스처 패시베이션은, 선택 사항으로 패시베이션층(예를 들어, 열적 산화물 더하기 실리콘 질화물, 또는 비정질 실리콘(a-Si)/SiN, 또는 비정질 실리콘 산화물(a-Si-O)/SiN, 또는 진성 비정질 실리콘(i-a-Si), 또는 진성 비정질 실리콘 산화물(i-a-Si-O)/n형 비정질 실리콘(n-a-Si)/SiN)으로 커버된 전면 필드 표면과 함께 랜덤하게 텍스처링된 피라미드 등의 텍스처링된 구조들을 포함할 수 있다. 제1 레벨 금속 이미터 접합부(134)는 p++ 이미터 접합부(136)에서 p+ 이미터 층(148)과 접하고, 제1 레벨 금속 베이스 접합부(138)는 n+ 베이스 접합부(140)에서 n형 실리콘 기판(142)과 접한다. 보론 실리케이트 유리층(148)과 포스포로스 실리케이트 유리층(146) 모두는, 이면접합 전지 제조 동안 전지 도핑 처리에 사용된다. 백플레인(132)은, 제1 레벨 이미터 접합부(134)와 제1 레벨 베이스 접합부(138)(예를 들어, Al, AlSi, 또는 열적으로 스프레잉된 Al, AlSi, Al+Zn)를 포함하는 제1 레벨 금속화 패턴과 제2 레벨 이미터 접합부(130)와 제2 레벨 베이스 접합부(144)(예를 들어, Al/Zn을 갖는 열적으로 스프레잉된 Al)를 포함하는 제2 레벨 금속화 패턴 사이에 형성된다. 제1 레벨 금속화 패턴과 제2 레벨 금속화 패턴은, (예를 들어, 레이저 드릴링 공정에 의해) 백플레인에서 비아/홀을 통해 접한다.
도 10은, 제1 레벨 금속 이미터 접합부(134)가 유전층(156)(예를 들어, 터널 유전층 상의 a-Si) 상에 위치하는 p++ 이미터 층(152)(예를 들어, 폴리-SiGe 이미터 층)과 접하고 제1 레벨 금속 베이스 접합부(138)가 (예를 들어, 레이저 도핑된) n+ 베이스 접합부(154)와 접하는 점을 제외하고는, 도 9에 도시한 동질 접합 전지와 유사한, 병렬 금속화 층들을 갖고 백플레인에 의해 지지되는 이종 접합 이면접합 태양전지의 단면도이다.
도 9와 도 10에 도시한 금속화 접합부들은 도 8에 도시한 바와 같이 라인 패턴들로 형성될 수 있다. 특히, 제1 레벨 금속을 위해 스프레잉된 금속 선들은, 이미터와 베이스 접합부 모두를 위해 동일한 금속, 합금, 또는 금속 스택, 또는 합금 스택을 함유할 수 있다. 그러나, 동일한 레벨 이미터 접합부 금속과 베이스 접합부 금속이 서로 다를 수 있다. 또한, 워크피스를 후속 스프레이 증착 스테이션들에 이송함으로써 동일한 레벨 이미터 접합부 금속과 베이스 접합부 금속이 연속적인 패스로, 또는 서로 다른 금속 또는 합금 소스들을 갖는 전용 노즐들을 사용함으로써 동일한 패스로 스프레잉될 수 있다. 연속 스프레이 증착을 위해, 중간 열적 처리를 이용할 수 있다. 스프레이 도포 동안의 열적 처리뿐만 아니라 금속화 후의 최종 열적 처리도 이용하여, 스프레잉된 워크피스에서 발생하는 내재 응력을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 금속층 부착성을 개선하고 워크피스 보우를 감소시킬 수 있다. 또한, 다층 구조들을 기입함으로써 금속 선들 또는 패턴들을 기판 상에 직접 기입할 수도 있다(예를 들어, 금속의 제1 층은 태양전지 베이스와 이미터 영역들과 접하는 알루미늄을 포함하고, 이어서 제2 레벨 금속인 금속 2와의 비아들을 통한 저 접촉 저항을 위해 알루미늄-아연 합금으로 된 상부층이 뒤따른다).
본 명세서에서 설명하는 실시예들은, 백플레인 상에 지지되는 매우 얇은(예를 들어, 수 ㎛ 내지 약 100㎛의) 단결정성 실리콘 흡수층들을 이용하는 이면접합/백접합 결정성 실리콘 태양전지와 관련하여 대략적으로 설명한 것이다. 이하의 예들로 한정되지는 않지만 이러한 예들처럼, 통상의 기술자가 개시 내용의 양태들을 다른 태양전지 및 모듈 구현예들에 적용할 수 있다는 점을 이해하기 바란다. 예를 들어, 전면 접촉 태양전지 및 이러한 전지를 포함하는 PV 모듈; 결정성 GaAs, GaN, Ge, 및/또는 다른 원소와 화합물 반도체들로 제조된 것과 같은 비결정성 실리콘 태양전지 및 모듈; 및 (결정성 실리콘 웨이퍼 등의) 결정성 반도체 웨이퍼로 제조되는 이면접합/전면 접합, 이면접합/후면 접합, 및 전면 접합부 태양전지들을 포함하는 웨이퍼 기반 태양전지들이 있다.
예시적인 실시예들의 전술한 설명은 통상의 기술자가 청구 대상을 제조 및 실시할 수 있도록 제공된 것이다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 수정은, 통상의 기술자에게 명백할 것이며, 본 명세서에서 규정하는 일반적인 원리는 혁신적인 능력을 사용하지 않고서 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구 대상은, 본 명세서에 개시한 실시예들로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서에서 개시한 신규한 특징과 원리에 부합하는 가장 넓은 범위에 따라야 한다.

Claims (18)

  1. 복수의 워크피스의 금속화를 위한 처리 장비로서,
    하나 이상의 증착 존(zone)을 포함하며, 외부 산화 대기(external oxidizing ambient)로부터 분리된 피제어 대기 영역(controlled atmospheric region)으로서, 상기 증착 존은 상기 워크피스의 금속화를 위한 하나 이상의 스프레이 건을 포함하는 것인, 상기 피제어 대기 영역;
    상기 워크피스를 상기 피제어 대기 영역을 통해 이동시키는 이송 시스템; 및
    상기 워크피스를 상기 피제어 대기 영역을 통해 반송하는 일괄 캐리어 판(batch carrier plate)을 포함하는, 처리 장비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 워크피스 상의 금속 패턴을 노출하고 규정하는 섀도우 마스크를 더 포함하는, 처리 장비.
  3. 제2항에 있어서, 상기 섀도우 마스크는 상기 워크피스 상에 위치하는 이산되어 있는 패터닝된 마스크인, 처리 장비.
  4. 제2항에 있어서, 집적된 마스크 세척 시스템을 더 포함하는, 처리 장비.
  5. 제2항에 있어서, 상기 섀도우 마스크는 롤투롤 구성(roll-to-roll arrangement)으로 배치된 스트립들(strips)인, 처리 장비.
  6. 제2항에 있어서, 상기 섀도우 마스크는 연속 스트립 구성으로 배치된 스트립들인, 처리 장비.
  7. 제6항에 있어서, 스트립 세척 세그먼트를 더 포함하는, 처리 장비.
  8. 제1항에 있어서, 상기 증착 존에서의 상기 워크피스의 온도를 조절하는 온도 제어기를 더 포함하는, 처리 장비.
  9. 복수의 이면접합 태양전지(back contact solar cell)를 금속화하기 위한 시스템으로서,
    자동화 처리 시스템을 포함하고, 상기 자동화 처리 시스템은,
    하나 이상의 증착 존을 포함하며, 외부 산화 대기로부터 분리된 피제어 대기 영역으로서, 상기 증착 존은 태양 전지의 이면접합 금속화를 위한 하나 이상의 스프레이 건을 포함하는 것인, 상기 피제어 대기 영역;
    상기 태양전지 상의 금속화 패턴을 노출하고 규정하는 섀도우 마스크;
    상기 태양전지를 상기 피제어 대기 영역을 통해 이동시키는 이송 시스템;
    상기 태양전지를 상기 피제어 대기 영역을 통해 반송하는 일괄 캐리어 판; 및
    이면접합 태양전지를 포함하고, 상기 이면접합 태양전지는,
    베이스 접합부와 이미터 접합부를 포함하는 제1 금속화 패턴을 갖는 반도체 기판; 및
    상기 이면접합 태양전지의 이면 상에 위치하는 백플레인(backplane)을 포함하고,
    상기 백플레인은 상기 베이스 접합부와 상기 이미터 접합부에 대한 액세스를 제공하는 비아들(vias)을 포함하는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 워크피스 상의 금속화 패턴을 노출하고 규정하는 섀도우 마스크를 더 포함하는, 처리 장비.
  11. 제10항에 있어서, 상기 섀도우 마스크는 상기 워크피스 상에 위치하는 이산되어 있는 패터닝된 마스크인, 처리 장비.
  12. 제10항에 있어서, 집적된 마스크 세척 시스템을 더 포함하는, 처리 장비.
  13. 제10항에 있어서, 상기 섀도우 마스크는 롤투롤 구성으로 배치된 스트립들인, 처리 장비.
  14. 제10항에 있어서, 상기 섀도우 마스크는 연속 스트립 구성으로 배치된 스트립들인, 처리 장비.
  15. 제14항에 있어서, 스트립 세척 세그먼트를 더 포함하는, 처리 장비.
  16. 제9항에 있어서, 상기 반도체 기판 상에 베이스 접합부와 이미터 접합부를 포함하는 상기 제1 금속화 패턴은 맞물림형(interdigitated) 금속화 패턴인, 처리 장비.
  17. 제9항에 있어서, 상기 증착 존에서의 상기 워크피스의 온도를 조절하는 온도 제어기를 더 포함하는, 처리 장비.
  18. 복수의 워크피스를 금속화하는 처리 장비로서,
    하나 이상의 증착 존을 포함하며, 외부 산화 대기로부터 분리된 피제어 대기 영역으로서, 상기 증착 존은 상기 워크피스의 금속화를 위한 하나 이상의 스프레이 건을 포함하는 것인, 상기 피제어 대기 영역;
    상기 워크피스 상의 금속화 패턴을 노출하고 규정하는 섀도우 마스크;
    상기 워크피스를 상기 피제어 대기 영역을 통해 이동시키는 이송 시스템;
    상기 워크피스를 상기 피제어 대기 영역을 통해 반송하는 일괄 캐리어 판; 및
    상기 증착 존에서의 상기 워크피스의 온도를 조절하는 온도 제어기를 포함하는, 처리 장비.
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