TW200835935A - Light scanning mechanism for scan displacement invariant laser ablation apparatus - Google Patents

Light scanning mechanism for scan displacement invariant laser ablation apparatus Download PDF

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TW200835935A TW096143636A TW96143636A TW200835935A TW 200835935 A TW200835935 A TW 200835935A TW 096143636 A TW096143636 A TW 096143636A TW 96143636 A TW96143636 A TW 96143636A TW 200835935 A TW200835935 A TW 200835935A
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Douglas N Curry
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Description

200835935 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種光照射變成電氣能量之轉換，更尤其 是.，關於用以製造將太陽能轉換成電氣能之光電伏特裝置 (太陽電池）的方法及工具。 【先前技術】 太陽電池向來爲將陽光直接轉換爲電力之光電伏特裝 置。太陽電池向來包含以產生自由電子之方式吸收光照射 (例如’陽光）之半導體（例如’政），其中使該自由電子在內 嵌場中流動以產生直流（DC)電力。由數PV電池產生之DC 電力可被收集在安置於電池上之柵板（grid)上。然後藉由串 聯及並聯組合將來自多個PV電池之電流結合成較高之電 流及電壓。然後可在電線上，常爲許多打（dozen)或甚至數 百條電線上傳送這般所收集之D C電力。 用於使矽太陽電池金屬化，供地面部署之先進科技爲 網版印刷（s c r e e n p r i n t i n g)。網版印刷已被使用數十年，但 是當電池製造商藉由走向較薄晶圓，著眼於增進電池效能 及較低成本時，反而開始受限於該網版印刷處理。網版印 刷機運轉速率約每小時1 800片晶圓且網版維持約5000片 晶圓。故障模式常涉及網版及晶圚之破損。這意爲每幾小 時工具即出事，而常需操作員之介入。而且，該印刷特徵 受限於約1 〇〇微米，且材料之集合大量侷限於銀及鋁之金 屬化。 於製造太陽電池之晶圓製程工具中的理想卻幾乎無法 200835935 辦到的特徵如下：U)從不使晶圓破損--例如，不接觸；（b) 二次處理時間（亦即，3600晶圓/時）；（c)較大之製程空間 (process window);及（d)除每週小於1小時之排定維護外的 24/7作業。供太陽電池用之低成本金屬半導體接觸點中的 理想卻幾乎無法辦到的特徵如下：（a)最小接觸面積--以避 免表面重新結合；（b)淺薄接觸深度…避免分路（shunting)， 否則會傷害電池之pn接面；（c)相對於些微摻雜矽之低接觸 阻抗；以及（d)高面向金屬特徵（供前接觸點避免柵板遮蔽而 對電流提供低阻抗）。 假使爲以上理想特徵集合，則預期下一代太陽電池處 理線路之工具組看來非常異於網版印刷。因網版印刷爲固 有之低解析度接觸法，其未必滿足下列之所有準則。太陽 電池之製造在本質上爲非常受限於成本之簡單製程。對大 半太陽電池所完成之所有印刷係導引在接觸電池之射極與 基極部位並使其金屬化。該金屬化過程可以三個步驟說 明，（1)透過表面鈍化，開啓接觸點，（2)完成對下層矽之電 氣接觸與對太陽電池之紮實的機械式接觸，及（3)提供遠離 接觸點之導電路徑。 當前，爲太陽能工業所使用之銀膏質由有機載體中之 銀粒與玻璃質料的混合物組成。加熱後，該有機載體即分 解且玻璃質料軟化並使產生路徑之表面鈍化層溶解，使矽 觸及銀。亦可作爲抗反射塗層之表面鈍化層爲電池之必要 部位，除電氣接觸面積外，其需要覆蓋電池整體。接近開 口接觸之玻璃質料具優點爲要開啓鈍化不需單獨的程序步 200835935 驟。將膏質混合物以網版貼在晶圓上面，且當烘製晶圓時 即在銀圖案之下製成多數隨機點接觸。而且，膏質之上部 位增濃於攜載來自電池之電流的金屬厚膜內。該等膜在晶 圓之前面上形成多數格子線（gridlines)，並在晶圓背面上形 成基極接觸點。該銀亦爲可將連接至鄰接電池之垂片焊接 於此之表面。第一膏質方法之缺點爲必需使射極被大量摻 雜（陽光暴露表面），否則銀對於矽無法製成良好電氣接觸 點。大量摻雜會毀掉電池頂端部位中之少數載子生命期。 這限制電池之藍色回應（blue response)及其整體效率。 在使太陽電池金屬化之習知網版印刷方法中，橡膠滾 軸透過具有保持在晶圓上方之乳膠圖案的網線來壓擠膏 質。特徵安置準確性受限於如網版翹曲及拉長等因數。該 特徵尺寸受限於網版之特徵尺寸及膏質之流動。難以達成 低於100微米之特徵尺寸，且因晶圓變較大，準確之特徵 安置及重合（registration)變得更加困難。因爲不易精確地將 一個網版印刷圖案與另一個網版印刷圖案重合，大多數太 陽電池之製程透過像上述之一的多數方法避免重合多個製 程步驟，其中當銀膏質中之玻璃質料使鈍化氮化物溶解時 即開啓接觸點並使其金屬化。然而，本方在有多數缺點。 已提及的是射極所需之大量摻雜。另一個問題爲窄縮之製 程空間。烘製格子線之熱循環亦必須透過氮化矽燃燒，於 矽與銀之間提供電氣接觸，且不允許銀分路，否則會損害 接面。這嚴重限制製程時間及溫度範圍爲針對8 5 0°C設定點 10°C大小之溫度帶，及30秒大小之製程時間。然而，若能 200835935 形成接觸開口及理想型式之重合金屬化，可以較寬之製程 限度（margin)達成較低之接觸阻抗。 今日生產中之最普通光電伏特裝置的電池設計爲前表 面接觸電池，其在與下層電池之射極接觸之基板前表面上 含一組格子線。自從超過50年前製造第一個矽太陽電池以 來，要估測該種電池之最高可達成轉換效率已成爲盛行之 運動。於地表陽光處，現在本所謂的有限效率穩定建立在 約 29 % (見 Richard M. Swanson 於 2005 年 31 期 IEEE 光電伏 特專家會議之”接近矽太陽電池之29%有限效率”）。實驗 室之多數電池已達到25%。僅最近有商用電池達到20%之 效率位準。使光電伏特裝置具有2 0 %以上效率之成功方法 已經爲背面接觸電池之開發。背面接觸電池利用分佈遍及 形成於裝置晶圓背側之表面（亦即，面對離開陽光那面）上 之；7及/7區的局部接觸點，以收集來自電池之電流。爲了 達到較佳之導電金屬線路，i精細地分佈在晶圓上之小接觸 開口，藉由限制載子在相當低導電性半導體中必須行進之 距離，不只限制重新結合，亦降低阻抗性損耗。 一條進一步改良之路線爲在局部接觸點之金屬半導體 界面處降低載子重新結合之效應。這可藉由限制金屬半導 體接觸面積爲只需要抽取電流者來達成。不幸地，可由如 網版印刷之低成本製法輕易生產之接觸點尺寸大於所需。 網版印刷可產生尺寸大小爲1 00微米之特徵。然而，大小 爲1 0微米或較小之特徵可足以抽取電流。對於指定之電洞 密度，該種尺寸縮減將降低1 〇〇倍總金屬半導體界面面積， 200835935 及其相關聯之載子重新結合。 持續驅策降低太陽電力之製造成本使其最佳是儘可能 從電池製造程序中消除儘多的處理步驟。如由太陽電力公 司（SunPower Corporation)於美國公開申請案第 US 200402005 20 A1號中之說明，向來，電流開口之形成係 藉由首先將抗光罩沉積在晶圓上面、將晶圓浸泡在蝕刻劑 內，使氫氟酸侵鈾穿過晶圓上之氧化鈍化層、洗滌晶圓、 使晶圓乾化、剝離抗光罩、洗滌晶圓並使晶圓乾化。 所需要的是製造光電伏特裝置（太陽電池）之一種方法 與系統，其藉由降低製造成本及複雜性，並增進所形成光 電伏特裝置之運作效率，克服上述習知方法之缺陷。 【發明內容】 本發明係導向製造光電伏特裝置（太陽電池）之一種方 法與系統，其藉由設置使用避免位移像差及離軸聚焦誤差 之雷射掃瞄機制的非接觸式圖案化製程，克服習知方法之 缺陷，因此，降低與使用習知技術之光電伏特裝置生產相 關聯的製造成本及複雜性，並增進所形成光電伏特裝置之 運作效率。 依據本發明之中心觀點，該雷射剝離設備利用嶄新之 光（例如，雷射）掃描機制，其可廣泛使用在此間所述之微 細加工（micro-machining)實施例以外的應用上。尤其是，該 光掃描機制使光束重新導向，該光束係沿著中心軸傳送’ 使得光束保持在軸上且當其沿著彎曲（例如，圓形）掃描路 徑掃描時則保持於焦點。光掃描機制包含旋轉構件’其具 200835935 有配置圍繞中心軸旋轉之基（第一）部（亦即，旋轉構件之轉 軸與已傳送光束之光軸在同一直線上），及配置成離開中心 軸之頭（第二）部。第一鏡片係配置在基部之旋轉構件上且 安置當旋轉構件在任一角位時，將光束從中心軸重新導向 頭部。架置在頭部之第二鏡片係安置以預定方向（例如’平 行於中心軸）將透過物鏡（聚焦元件）接收自第一鏡片之光束 重新導向。因旋轉構件係圍繞中心軸旋轉，故光束（由物鏡 所聚焦）在標的表面上追循彎曲（例如，圓形）之掃描路徑。 ® 當標的表面平行於由環繞軌道運轉之物鏡所界定之平面 時，該光束則保持在軸上並在環繞軌道運轉之物鏡的任一 角位維持固定焦點。因此，本發明提供一種光掃描機制， 其消除在習知之多角形光柵輸出掃瞄器（ROS)裝置中產生 之離軸聚焦誤差。而且，該旋轉物掃瞄機制之製造相當便 宜且相當紮實及可靠。 依據本發明之實際實施例，使用高電力（例如，飛秒 _ (femto-second))雷射裝置及可移動座台機制，以製造高效率 之雷射剝離設備，其可用以，例如，剝離（去除）配置（例如， 沉積）在標的物（例如，基板或晶圓）平滑表面上之材料。該 標的物係以預定方位架置在可移動之座台上，且該座台之 位置使得環繞軌道運轉之物鏡以大體上垂直於預定座台移 動方向之彎曲掃描路徑經過標的物上方。當環繞軌道運轉 之物鏡經過標的物上方時，選擇觸動該雷射，產生使所選 定材料部位剝離之高能量脈衝。因雷射光束保持在軸上且 在沿著掃描路徑之每一角位則保持在焦點，故可利用該雷 -10- .200835935 射剝離設備以避免與ROS裝置相關聯之離軸及失焦光束問 題的方式沿著每條掃描路徑，有效率且可靠地使材料從多 個位置剝離。一完成每條掃描路徑後，座台即在預定移動 方向移動一增量，使得環繞軌道運轉之物鏡於每個後續掃 描回合期間位在標的物不同部位之上方。藉由本方式，系 統式地移動標的物，針對標的物之整個二維平面執行剝離 處理。 依據本發明之特定實施例，製造光電伏特裝置（例如， 太陽電池）之系統利用雷射剝離設備，透過形成在已被處理 而含平行延長之摻雜（擴散）區之半導體基板上的鈍化層， 以形成接觸開口，且亦使用直接銘記（direct-write)之金屬 化設備，將導電（例如，金屬）接觸結構沉積至接觸開口內 而形成延伸在鈍化層上之接觸結構之間的金屬線路。平行 延長之摻雜區於每回掃描之間界定座台之移動方向，使得 物鏡於每個掃描路徑期間經過數個摻雜區之上方。例如， ^ 使用電子記錄裝置來控制雷射脈衝之時序，使得透過沿著 每個摻雜區延伸之鈍化材料，界定一系列之接觸開口。利 用環繞軌道之物鏡式雷射剝離設備以界定接觸開口，本發 明便於具有較高精確性之較小開口的形成，因此，能製造 具較低接觸阻抗及更理想接觸分佈之增進金屬半導體之接 觸結構。產生接觸洞後，使部分處理之半導體基板以座台 移動方向通過直寫式金屬化設備（例如，噴墨式列印設 備），使得接觸結構形成在每個接觸洞中並將導電（例如， 金屬）線路印刷在延長摻雜區表面之鈍化材料上，以形成裝 -11- •200835935 置之金屬化（攜載電流之導電線路）。利用直寫式金屬化設 備，隨即於形成接觸洞後來印刷接觸結構及導電線路，本 發明提供高效率及準確方法以使晶圓氧化減至最小之方式 來執行金屬化程序。本發明因此使製程更有效率及增進， 因而降值整體之製造成本並增進所形成光電伏特裝置之運 作效率。 針對以下說明、附加申請專利範圍、及隨圖將變得更 加了解本發明之該等及其他特徵、觀點及優點。 【實施方式】 本發明關於一種光電伏特裝置（例如，太陽電池）之增 進，其可用以，例洳，將太陽電力轉換成電能。提出下列 說明，使該技術之其中一項技能於特定應用及其要求下如 所設置地完成及使用本發明。如此間所使用的，如”上”、” 下”、”側”、”前”、”後”等之方向名詞意在爲說明起見提供 相對位置，且無意指定絕對參考框架。對於該等具有該技 術之技能者，對於較佳實施例之各種修正將是顯而易見 的，且可將此處所界定之一般原則應用到其它實施例。因 此，本發明無意侷限在所示及所說明之特定實施例，而是 使其符合與此處所揭露之原則與嶄新特徵一致之最寬廣範 圍。 第1(A)及1(B)圖爲表示系統100之上視及側視圖，該 系統100包含光掃描機制120,其用以在標的物101表面上 掃描接收自靜止光源110之光（例如，雷射）束。如以下說 明，於實施例中利用光掃描機制1 20，於製造太陽電池時 -12- 200835935 執行非接觸式之微細加工（亦即，鈍化層之雷射剝離圖案 化），因而避免與習知之網板圖案化技術相關聯之問題。尤 以雷射爲基礎之剝離裝置所產生之接觸開口大體上小於習 知之網板印刷程序所產生之最小開口。以雷射爲基礎之剝 離裝置亦便於鈍化之移除，而未明顯改變底下矽層之厚度 或摻雜外形。在特定實施例中，光源 110爲飛秒 (femto-second)級之雷射，其便於具有最小碎片之淺薄剝 離。飛秒級雷射脈衝之特別優點爲電力密度夠高，致光脈 衝之電場變成比得上材料中原子之相互原子間的電場。在 本申請案中，這變得重要，因理想的是要剝離鈍化層而不 致干擾半導體底層。鈍化層向來爲厚度800埃（angstroms) 之氮化矽，且就其本身而論，具有較大之頻帶間隙，且其 向來爲透明。通常，光線會通過鈍化層並爲底層半導體吸 收。因具有夠高之電力密度，光線與事物之互動即改變， 故甚至通常爲透明之材料亦變成可吸光。在可舒緩激發電 子狀態前，材料中之駐點可吸收多個光子。藉由吸收電介 鈍化層中之能量，可選擇性地使表面層剝離。對於具有摻 雜質（dopants)淺薄層之光電伏特裝置，本選擇性表面剝離 是有利的。例如，典型網版印刷之太陽電池厚度僅約200 至3 0 0 n m。若鈍化層中之剝離接觸開口延伸穿過射極，則 金屬化對射極下之P型材料可能形成分路而破壞裝置。 雖然此間特定參考光電伏特裝置之製造來說明本發 明，但該等嫻熟本技術者將體認可利用雷射剝離設備1 00 以處理許多不同標的物。因此’在附加申請專利範圍中另 -13- 200835935 有指明，否則本發明並非受限於此處所述之特定實施例。 如以下之詳述，光掃描機制1 20之主要觀點爲光（雷射） 束保持在軸上且遍及於該機制所追循之掃描路徑則保持在 焦點。就其本身而論，光掃描機制1 20比習知以ROS爲基 礎之光掃描機制展現優越之特點，其使用多邊形、多面鏡 片裝置來掃描光束。如以上所提及，當使用光掃描機制1 20 製造太陽電池時，光源110較佳爲飛秒級之雷射裝置，因 向來使用在太陽電池之鈍化層爲透光。不幸地，100 X 1(Γ15 ^ 秒之極短脈衝寬度使飛秒級之雷射光束爲非單色，增加產 生低像差掃描光束之困難度。當使用以ROS爲基礎之掃描 機制時，本問題混合需要使用較大場透鏡及旋轉多邊形， 針對5吋掃描有1 0微米之光點。該等元件引起離軸失真、 離軸離散、離軸聚焦遠心（t e 1 e c e n t r i c i t y )、離軸場深度差、 及離軸色彩像差。即使在修正該等問題後，不可能可靠地 加以剝離。如以下說明，光掃描機制1 2 0藉由使雷射光束 φ 保持在軸上而在遍及於其掃描路徑則保持在焦點，克服與 以RO S爲基礎之掃描機制相關聯的問題。 光掃描機制1 2 0通常包含旋轉構件1 2 1、第一光學元 件（例如，鏡片）123、第二光學元件（例如，鏡片）125、及聚 焦元件（例如，顯微鏡之物鏡）1 27，爲了以下更確定之故， 其有時在以下稱爲”環繞軌道之物鏡”。旋轉構件1 2 1包含 配置爲圍繞中心軸X旋轉基（第一）部121-1、配置爲離開中 心軸X之頭（第二）部121-2、及以徑向延伸在基部121-1與 頭部1 2 1 - 2之間的中間部。如第1 ( b )圖中所示，沿著中心 -14- 200835935 軸X傳送由光源110所產生之輸入光束（第一光束部 位）LB1。注意到旋轉構件121之旋轉軸與輸入光束LB1之 光軸在同一直線上，且因此，此處稱該等兩軸爲中心軸X。 如第1(B)圖中所示，在一個實施例中，基部121-；ι爲藉由適 當支撐物，可旋轉支撐在基部1 22上之圓柱輪軸似結構， 而中間部爲固定連接在基部1 2 1 -1與頭部1 2 1 -2之間的棒 狀結構。熟習該技術者將認知道旋轉構件1 2 1之形式及形 狀具廣泛變化。第一光學元件123係配置在位於基部121-1 ® 上之旋轉構件1 2 1上，且安置爲當旋轉構件1 2 1處於任一 角位（例如，角位0 i、0 2、或角位0 1、0 2間之任一角位） 時，與中心軸X交叉。此外，第一光學元件1 23係安置爲 當該旋轉構件在任二角位之間旋轉時，將光束從中心軸X 連續重新導向至頭部121-2。如第1(B)圖中之說明，在本 典範實施例中，第一光學元件1 23爲平滑鏡片，其配置使 得由該鏡片表面所界定之平面與中心軸X形成45°角，因 φ 此將沿著中心軸X傳送之垂直輸入光束LB 1以水平重新導 向頭部121-2,由此在鏡片123與第二光學元件125之間形 成第二光束部位L B 2。類似地，在一個實施例中，第二光 學元件125爲平滑鏡片，其架置在頭部121-2上，使得由 鏡片表面所界定之平面係配置成平行於第一鏡片123之表 面，並與水平光束部位LB2形成45°角，因此，第二鏡片 125將光束部位LB1垂直朝下重新導向，以形成方向平行 於中心軸X(與輸入光束LB1)之第三光束部位LB3。 對於平直輸出場，LB1應與LB3平行。應注意的是當 -15- 200835935 光束行進至其目的地時，第一 45°鏡片〗23與第二45。鏡片 125在光徑中共創兩個90°曲部。所形成之光束LB3與光軸 LB 1平行。熟悉本技術者將體認到兩個鏡片不限於本特定 角度，且可爲其它角度。例如，若兩個鏡片爲3 0°，則當光 束行進至其目的地時，該等鏡片會在光徑中創立兩個6 〇。 曲部，造成光束LB3與光束LB1平行。 依據本發明之觀點，由於光學元件1 2 3及1 2 5在旋轉 構件1 2 1上保持固定關係，故當旋轉構件1 2 1相對中心軸 X處於任一角位時，將由光源1 1 〇所產生之垂直光束可靠 地傳送至聚焦元件127。如第1(A)圖中所示，當旋轉構件 121處於角位 Θ!時，第一光學元件 123係配置在位置 123(θ!)，因此，將第二光束部位1^2(00導向位置在125(θ〇 之第二光學元件125。由於第一光學元件123及第二光學 元件1 2 5係固定連接至旋轉構件1 2 1，且第一光學元件1 2 3 與中心軸X交叉，當旋轉構件1 2 1透過Θ角依樞軸旋轉時， 第一光學元件1 2 3將輸入光束LB 1連續予以重新導向（例 如，反射）。此外，當第一光學元件1 2 3從位置1 2 3 (Θ !) 旋轉至123(θ2)時，將第二光束部位LB2(02)導向此時其位 置設爲125(θ2)之第二光學元件125。因此，當旋轉構件121 相對中心軸X處於任一角位時，將由光源1 1 〇所產生之輸 入光束LB1傳送至聚焦元件127。 依據本發明另一觀點，因爲光束行進在光源11〇與標 的物1 〇 1之間的距離對於旋轉構件1 2 1之所有角位維持固 定，故將該光束可靠地聚焦在標的物1 〇 1上。首先，如第 -16- .200835935 1(B)圖中所示，輸入光束LB 1 (亦即，光源ι10與第一光學 元件1 2 3之間）與光束部位L B 3 (亦即，第二光學元件1 2 5 與標的物101之平面103之間）行進之距離對於旋轉構件 121之任一角位維持固定。此外，如第1(A)圖中所示，當 旋轉構件121相對中心軸X處於任一角位時，由第三光束 部位LB3(亦即，第一光學元件123與第二光學元件125之 間）所行進之距離維持固定。此外，如第1(B)圖中所示，聚 焦元件127配置在第二光學元件125下方（亦即，使得第三 ^ 光束部位LB3通過聚焦元件127)，並依據已知技術來定大 小及位置，使第三光束部位LB3聚焦在聚焦元件127下方 之預定固定距離的焦點FP。如第1(B)圖中所示之一個實施 例中，標的物1 01之上平面1 〇 3位在聚焦元件1 2 7下方之 焦距FD處。因爲每個光束部位LB1、LB2及LB3維持固 定，故光源1 1 〇與焦點FP之間的總距離在沿著掃描路徑 SP之任一位置維持固定。因此，光束在每個光束部位LB1、 LB 2及LB3期間維持在軸上，且當旋轉構件121處於任一 ^ 角位時，照在上平面1 03上之光點維持固定焦點。因此， 光掃描機制120消除習知多邊形ROS裝置中產生之離軸聚 焦誤差及位移像差。而且，當與習知之ROS裝置比較時， 光掃描機制1 20製造相當便宜且相當紮實並可靠。 依據本發明之實施例，系統1 〇 〇利用光控制電路1 3 0 及適當之第一馬達1 3 2來控制旋轉構件1 2 1圍繞中心軸X 之旋轉，且亦控制座台移動馬達1 3 4，使得在每回掃瞄後 移動標的物1 〇 1。在一個實施例中，標的物1 〇 1係架置在 -17- 200835935 座台140上，該座台於方向A(由第1(A)圖中之虛線箭頭表 示）中之線性移動爲座台移動馬達1 3 4所控制，並觸動第一 馬達1 3 2，使旋轉構件1 2 1，例如，以順時針方向連續旋轉， 使得於每回掃瞄（亦即，每次聚焦元件1 27經過標的物1 0 1 上方時）期間，聚焦光束越過標的物101上之掃描回合部位 SPP。當旋轉構件121這般旋轉時，座台140於每回掃瞄後， 在方向A有系統地位移一預定距離，因此造成掃描回合部 位SPP在要定位之每圈旋轉期間越過標的物1 〇 1之相關聯 ^ (唯一）部位。例如，聚焦元件127於第一回期間通過第一 掃描路徑部位SPP1，然後使座台140位移，其造成聚焦元 件127於第二（下依順序）回掃描期間通過第二掃描路徑部 位SPP2。如第1(A)圖中所示，.於每回掃瞄後藉由使標的物 1 〇 1位移，由聚焦光束橫越在標的物1 0 1上之掃描路徑部 位SPP的所形成集結，形，成覆蓋標的物101表面之二維（2D) 空間。如以下額外之詳述，由光掃描機制1 20所橫越之彎 0 曲掃描路徑SP可就如同，例如，由習知之ROS裝置所產 生之筆直掃描般有用。 依據本發明之實際實施例，利用光掃描機制1 20做爲 可使用之高效率雷射剝離設備，例如，以下列說明之方式 製造光電伏特裝置（太陽電池）。尤其是，由於雷射（光）束保 持在軸上，並在沿著掃描路徑之所有光點期間可靠地加以 聚焦，光掃描機制1 20提供紮實及反覆剝離之效能。注意 到物鏡仍必須將光束聚焦在離表面之適當高度，但與習知 之ROS裝置比較，本發明使本聚焦問題更可加以掌握。雖 -18- 200835935 然此處特定參考光電伏特裝置之製造來說明雷射剝離設 備，但熟悉本技術者將體認於多種實際應用中可利用該雷 射剝離設備。 第2及3圖說明與本發明有關聯之太陽電池製程。第 2圖表示基本處理步驟之流程圖，該等步驟利用光掃描設 備1 0 0 (以上說明）作爲雷射剝離設備1 〇 〇 A，以依據本發明 之實施例製造光電伏特裝置。第3圖說明系統200之簡化 方塊圖’其使用依據本發明另一實施例之雷射剝離系統 ^ 100A來處理光電伏特裝置。 參考第2圖之方塊190及第3、4(A)與4(B)圖，此間 所提議之方法始於藉由使用已知之光蝕刻法或其它之已知 技術來處理半導體（例如，單晶矽或多晶矽）基板2 1 2，使得 數個平行延長之摻雜擴散區214係配置在其上表面213, 且進而處理基板212以包含配置在摻雜區214之上表面213 上的覆蓋鈍化（電絕緣）層2 1 5。如此間所參考者，光電伏特 φ 裝置通常稱爲”裝置2 1 1 ” ，且在每個處理過程階段則參考 以表示該裝置當前處理階段之附添字尾（例如，於以下說明 之剝離程序前，稱裝置211爲”裝置21 1T1” ，字尾” T1” 表示處理過程之相對早期點）。使用熟知之處理技術執行用 以使裝置2 1 1 T 1設有摻雜區2 1 4且以鈍化層2 1 5覆蓋表面 213之作業（第2圖中之方塊190)，且因此在第3圖中以晶 圓處理系統方塊2 1 0 —般性地說明用以製造裝置2 1 1 T 1之 設備。 在起始處理後，將裝置2 1 1 T 1移轉至雷射剝離設備 -19- 200835935 1 00A，其用以透過使基板2 1 2之上表面2 1 3的相對應部位 曝光之鈍化層2 1 5來界定接觸洞2 1 7，使得該等接觸洞係 以筆直平行列安置在摻雜擴散區上面（方塊192)。以下附加 詳述該剝離程序。 透過鈍化層2 1 5界定接觸洞2 1 7後，將晶圓2 1 1 T2轉 送至用以將接觸結構2 1 8沉積至接觸洞2 1 7內之直寫式金 屬化設備2 5 0，並在鈍化層2 1 5上形成金屬相互連接線路 2 1 9，使得每條金屬相互連接線路2 1 9連接配置在相關聯之 掺雜擴散區上的結構21 8(方塊194)。如此間所使用者，將，， 直寫式金屬化裝置”界定爲射出、擠出該金屬化材料、或另 將其僅沉積在需要金屬化（亦即，不需要後續之遮罩及/或 蝕刻處理以去除某些金屬化材料）處之基板部位上面的裝 置。完成金屬化處理後，使裝置211T3從直寫式金屬化設 備250傳遞至選用（optional)之後金屬化處理系統270，供 後續處理，形成完整之裝置2 1 1 T4。 第5圖表示於第3圖之雷射剝離系統1 〇〇A中所利用之 雷射掃描機制120A的透視圖。由雷射裝置（未示出）以參考 第1(A)及1(B)圖之上述方式沿著中心軸X傳送輸入雷射光 束LB1。雷射掃描機制120A通常包含旋轉構件121 A、第 一鏡片123A、第二鏡片125A、及物鏡127A。旋轉構件121A 包含架置在固定基部122A上並配置成依據馬達132A，圍 繞中心軸X旋轉之通常爲圓柱形的基（第一部121-1A。基 部1 2 1 -1 A以類似於上述之方式支撐第一鏡片1 2 3 A。旋轉 構件 121A亦包含支撐第二鏡片 125A之頭（第二）部 -20- 200835935 l 121-2A，及連接在基部121-1A與頭部121-2A之間的剛性、 管狀中心部位1 2 1 - 3 A。第一鏡片1 2 3 A係安置成沿著通過 管狀中心部位 121-3A之中心軸區的第二雷射光束部位 LB2，從中心軸X將輸入雷射光束LB1連續反射至第二鏡 片125A。第二鏡片125A係配置成平行於第一鏡片123A， 並使水平之雷射光束部位LB 2垂直向下反射，以形成方向 平行於中心軸X之第三雷射光束部位LB3。在本發明中， 第三雷射光束部位LB 3通過物鏡127A，其將雷射光束聚焦 ^ 在預定距離小於物鏡127A之焦點FP。類似於參考第1(A) 及1(B)圖說明如上之一般實施例，旋轉構件121 A之旋轉 造成焦點FP沿著界定平面之彎曲掃描路徑SP行進。 依據本實施例之另一觀點，旋轉構件1 2 1 A更包含從基 部121-1 A延伸之第二管狀部位121-4A，及平衡重量部 128A，其固定連接至第二管狀部位121-4A之末端且配置爲 使得基部121-1A位在平衡重量部128A與頭部121-2A之 ^ 間。平衡重量部1 2 8 A使環繞軌道之物鏡1 2 7 A便於高速旋 轉，因此便於高速製造光電伏特裝置。 第6圖爲表示使鈍化材料215之選定部位從裝置211T1 剝離前之雷射剝離設備1 〇〇A的平面圖。類似於上述掃瞄設 備，雷射剝離設備120A包含用於控制旋轉馬達132A之控 制器（例如，微處理器及相關軟體）1 3 〇 A、座台移動馬達 134A及雷射1 10A。在一個實施例中，控制器130A控制馬 達1 3 2 A，圍繞中心軸X，以固定轉速來使旋轉構件1 2 1 A 旋轉，使得由光學元件127A所定義之焦點追循圓形掃描路 -21- 200835935 徑SP。此外，控制器130A控制座台移動馬達134A，使座 台140A定位，使得當頭部121-2A透過0 A角旋轉時，掃 描路徑SP即橫跨鈍化層215之表面，追循第一彎曲路徑（此 處稱爲掃描路徑部位）SPP-1A，其中該0 A角延伸在第一角 位θ A:與第一角位0 A2之間。當光學元件127A通過裝置 211T1時，控制器130A致使雷射110A選擇性地產生使鈍 化層2 1 5之相對應部位剝離之高能量脈衝，因此沿著掃描 路徑部位SPP-1A形成連續之接觸開口 217-11至21 7“ 5。 ^ 依據本發明之實施例，使用電子記錄裝置1 60對雷射 光束脈衝精確加以計時，使得接觸開口 217-11至217-15 使摻雜區214-1至214-5部位分別曝光。在一個實施例中， 電子記錄裝置1 60包括配置在座台140 A上或與其鄰接之感 測器，並在頭部121-2A每次經過感測器裝置160上方時傳 送檢測信號給控制器1 3 0 A。控制器1 3 0 A接著利用有關旋 轉構件1 2 1 A轉速之檢測信號及資訊來影響雷射脈衝之精 確時序，使接觸開口 2 1 7-1 1至2 1 7-1 5分別形成在摻雜區 2 14-1至2 14-5上面。熟悉本技術者知道有多種適當之感測 器。 依據本發明另一觀點，聯合使用電子記錄裝置1 60與 座台移動馬達134A以補償彎曲掃描路徑SP，因此製造分 別與摻雜區214-1至214-5對齊之筆直接觸開口列/行。爲 了進行此對齊動作，如第6圖中所示，將裝置2 1 1 T 1架置 在座台140A上，使得延長之摻雜區214-1至214-5與移動 方向A對齊（亦即，使得掃描路徑SP大體上垂直於延長之 -22- 200835935 摻雜區2 1 4)。在第一回掃描期間，接著利用電子記錄裝置 160，以上述方式在摻雜區214-1至214-5上面產生接觸開 口 217-11至217-15。接著，如第7(A)圖中所示，在旋轉構 件1 2 1 A於順時針方向之後續旋轉期間（亦即，當頭部 121-2A位在離開裝置211T1之處時），控制器130A觸動座 台移動馬達13 4A，其依序造成座台140A依移動方向A (亦 即，在離開中心軸X之徑向）移動增量R。隨後，如第7(B) 圖中所示，當頭部121-2A再次經過裝置211T1上方時，控 ^ 制器1 3 0 A觸動雷射裝置（未示出），沿著掃描路徑部位 SPP-2A產生第二歹[J接觸開口。如第7(C)圖中所示，此遞增 移動座台1 40A及觸動雷射裝置以產生多數接觸開口列之 程序會一直重覆，直到於最終掃描SPP-NA期間產生最終 之多數接觸洞歹ίί。此時，完成剝離程序，且裝置2 1 1 T2具 有理想之二維接觸洞圖案。參考第3圖，接著將裝置211 Τ2 移轉成直寫式金屬化設備製造（亦即，說明如下，現在準備 _ 就緒供金屬化之裝置）。 如第7(A)至7(C)圖中所示，注意到頭部121-2Α在裝 置211 Τ1上方只有圓形掃描路徑SP之小部位具有活性。在 標題爲”多座台之雷射剝離設備”[代理人案號 20 0 6026 9-US/NP(XCP-07 5)] ’以共同持有及共同申請之美 國專利申請案號χχ/χχχ，χχχ所揭露之此間藉以整體納入參 考的另選實施例中’多數裝置2 1 1 Τ 1係配置在中心軸X四 周，因此使針對單一裝置之掃描回合之間的另有顯著非活 性週期減至最小。 -23- 200835935 第8 (A)及8(B)圖表示完成第7(A)至7(C)圖中所說明之 剝離程序後的裝置21 1T2。如第8(A)圖中所示，由接觸開 口 217所界定之二維圖案包含沿著相對應之摻雜區214-1 至214-5所延伸之筆直柱。例如，將在第一回掃描期間所 形成之接觸洞2 1 7-1 1與在第二回掃描期間所形成之接觸洞 217-21及再第N回掃描期間所形成之接觸洞217-N1對 齊。如第 8(B)圖中之垂直虛線所示，於依序掃描回合 SPP-1A至SPP-4A期間產生之雷射脈衝剝離（去除）鈍化層 ^ 2 1 5之相關聯部位，以形成使摻雜區2 1 4上面之基板2 1 2 的表面部位213A露出之接觸開口 217,而在金屬化前不需 清除或其他處理。例如，在掃描回合S P P -1 A期間產生雷射 脈衝LP-11至LP-13以分別形成接觸開口 217-12、217-13 及2 1 7 -1 4，其依序使個別摻雜區2 1 4上之相對應表面部位 2 1 3 A曝光。因此，使用雷射剝離比起諸如爲化學蝕刻法之 其它接觸開口法的優點爲在實施剝離後不需使基板2 1 2洗 ^ 滌及乾化。略過洗滌及乾化步驟使得能快速且連續地處理 接觸開口，隨後再金屬化。隨即在完成剝離程序後，略過 洗滌及/或其它後剝離之處理是必要的。尤其是，剝離/蝕 刻後之洗滌及乾化通常排除後續金屬化之機器加工重合。 洗滌及乾化亦造成晶圓破損。 第9圖說明依據本發明另一觀點之簡化直寫式金屬化 裝置2 5 0 A。如此間所使用者，將”直寫式金屬化裝置”界定 爲射出 '擠出該金屬化材料、或另將其僅沉積在需要金屬 化（亦即，不需要後續之光罩及/或飩刻程序以去除某些金 •24- 200835935 屬化材料）處之基板部位上面的裝置。在第9圖所說明之實 施例中，直寫式金屬化裝置25 0A包含用以將接觸（金屬化） 部位218A沉積至裝置211T2之每個開口 217內的第一^射 出頭2 5 0 A 1，及隨即爲第一射出頭2 5 0 A 1下游之第二射出 頭25 0 A2，其用以形成延伸在相關聯摻雜擴散區區214上 之攜載電流導電線路2 1 9A。在標題爲”使用非接觸圖案化 及直寫式金屬化”之共同持有的美國專利申請案號 1 1 /3 3 6，714中揭露此間整體納入之與直寫式金屬化裝置 W 25 0A相關的附加細節及另選實施例。 如第9圖中所示，依據本發明另一觀點，使裝置2 1 1 T2 在移動方向A(亦即，平行於摻雜區214之方向）中，於直寫. 式金屬化裝置250A下通過。由於本發明便於在摻雜區214 上方成筆直線之接觸洞的非接觸式形成，故大爲簡化金屬 化程序之隨即執行，因此降低整體之製造成本。 如第1 0圖中所示，接觸部位2 1 8 A使攜載電流導電線 0 路2 1 9 A便於電連接至在基板2 1 2中所形成之擴散區2 1 4。 以直寫式金屬化設備 250A完成金屬化處理後，將裝置 21 1T3輸送至選用之後金屬化處理系統270(第3圖）。 雖然本發明已針對某些特定實施例加以說明，但對熟 悉本技術者將清楚的是本發明之發明特性亦適用於其它多 數實施例，其皆意在落入本發明之範圍內。例如，可使用 平滑鏡片（例如，彎曲鏡片或透鏡）以外之光學元件執行一 或多種第一光學元件123及第二光學元件125，且在光源 110及聚焦元件 127之間的光徑中可包含額外的光學元 -25- 200835935 件。此外，可使用便於理想聚焦功能之顯微鏡之物鏡以外 的一或多種光學元件來執行聚焦元件1 27，且其可位於沿 著光源110與焦點FP之間（例如，第一光學元件123與第 二光學元件1 2 5之間）的光徑任一處。而且，不用透過完整 旋轉來旋轉掃瞄器，可在標的物上方來回移動（亦即，來回 依樞軸旋轉）掃瞄器之頭部121-2。而且，如第1(B)圖中所 示，雖然物鏡127之本重新定位可產生不欲之聚焦問題及/ 或使藉由變更掃描路徑形狀之二維掃描程序複雜化，仍可 在徑向（例如，虛線箭頭B之方向）移動掃描器頭部121-2 而不是藉由座台1 40之標的物1 01。此外，雖然本發明係 特定參考具有整體背部接觸（IBC)電池幾何形狀（亦即，含 延長之摻雜區214)之太陽電池加以說明，但亦可利用本發 明來製造其它種太陽電池型。 【圖式簡單說明】 第1(A)及1(B)圖爲表示依據本發明實施例之簡化光掃 描機制的上視及側視圖； 第2圖爲表示依據本發明實施例用以製造光電伏特裝 置之簡化方法的流程圖； 第3圖爲表示依據本發明另一實施例用以製造光電伏 特裝置之系統的簡化圖； 第4(A)及4(B)圖爲說明雷射剝離前簡化半導體基板之 上面及側面正視圖； 第5圖爲表示依據本發明另一實施例之雷射剝離設備 的透視圖； -26· 200835935 第6圖爲表示依據本發明另一實施例於運作前之第5 圖雷射剝離設備的上視圖； 第7(A)、7(B)及7(C)圖爲表示依據第6圖實施例之運 作期間，第5圖之雷射剝離設備的上視圖； 第8(A)及8(B)圖爲表示於雷射剝離後之半導體基板的 平面及部分透視圖； 第9圖爲表示依據本發明另一觀點於直寫式金屬化期 間之半導體基板的平面圖；以及 第10圖爲表示於直寫式金屬化後之第9圖半導體基板 的部分透視圖。 【元件符號說明】 100 系統 120 光掃描機制 110 光源 101 標的物 100 雷射剝離設備 121 旋轉構件 123 第一光元件 125 第二光元件 127 聚焦元件 121-1 基部 121-2 頭部 110 輸入光源 LB1 輸入光束 122 基部 -27- 200835935 123 鏡片 LB2 光束部位 125 鏡片 LB 3 光束部位 LB 1 光軸 101 標的物 103 平面 FP 焦點 103 上平面 FD 焦距 SP 掃描路徑 130 光控制電路 132 第一馬達 134 座台移動馬達 140 座台 SPP 掃描回合部位 SPP1 掃描路徑部位 SPP2 掃描路徑部位 100 光掃描設備 100A 雷射剝離設備 200 系統 212 半導體基板 214 擴散區 213 上表面 215 鈍化層 -28- 200835935
217 接觸洞 21 1T2 晶圓 250 直接銘記之金屬化設備 218 接觸結構 219 金屬相互連接線路 270 後金屬化處理系統 120A 雷射掃描機制 121 A 旋轉構件 123 A 第一鏡片 125 A 第二鏡片 111 k 物鏡 122A 基部 132A 馬達 1 2 1 -1 A 基部 121-2A 頭部 121-3A 管狀中心部位 LB3 第三雷射光束部位 121-4A 第二管狀部位 128A 平衡重量部 120A 雷射剝離設備 130A 控制器 134A 座台移動馬達 1 10A 雷射 127A 光元件 140A 座台 -29- 200835935
217-11-217-15 接觸開口 SPP-1 A 掃描路徑部位 160 電子登錄裝置 214-1 - 214-5 摻雜區 160 感測器裝置 21 1T1 裝置 SPP-2A 掃描路徑部位 217 接觸開口 217-11 接觸洞 217-21 接觸洞 2 1 7 - N 1 接觸洞 214 摻雜區 LP-11 - LP-13 雷射脈衝 217-12 接觸開口 217-13 接觸開口 217-14 接觸開口 213A 表面部位 250A 直接銘記之金屬化裝置 218A 接觸部位 250A1 第一射出頭 250A2 第二射出頭 217 開口 2 1 9 A 攜載電流導電線路 127 物鏡 30-

Claims (1)

  1. 200835935 十、申請專利範圍： 1. 一種光掃描機制’用於將沿著中心軸傳送之光束重新導 向，使得沿著依據標的物所界定之預定掃描路徑來掃描 該光束，該光掃描機制包括： 旋轉構件，其具有配置成圍繞中心軸旋轉之第一部 位，該旋轉構件亦具有配置成離開中心軸之第二部位； 第一光學元件，其固定配置在旋轉構件之第一部 位，使得該中心軸與第一光學元件之部位交叉； ® 第二光學元件，其配置在旋轉構件之第二部位上； 以及 聚焦元件，其配置在旋轉構件上，與第二光學元件 成固定關係， 其中，第一及第二光學元件係配置成第一光學元件 將光束從中心軸連續重新導向至第二光學元件，而使旋 轉構件在第一角位與第二角位之間圍繞中心軸旋轉，且 Φ 聚焦元件係配置使光束聚焦在焦點上，當旋轉構件在第 一與第二角位之間旋轉時，該焦點與預定掃描路徑一 致。 2 ·如申請專利範圍第1項之光掃描機制，其中該第一及第 二光學元件包括鏡片，其具有平行之個別的平滑反射表 面。 3 ·如申請專利範圍第2項之光掃描機制，其中該聚焦元件 ' 包括配置在第二鏡片與焦點之間的物鏡。 4·如申請專利範圍第1項之光掃描機制，其中該第一光學 -31- 200835935 元件係配置在距第二光學元件固定距離處。 5 ·如申請專利範圍第4項之光掃描機制，其中該聚焦元件 係配置在距第二光學元件固定距離處。 6 ·如申請專利範圍第1項之光掃描機制，其中該旋轉構件 包含延伸在第一光學元件與第二光學元件之間的中心、 部，且其中該第一及第二光學元件係配置使得第一光學 元件透過中心部之中心軸區將光束從中心軸重新導@ 至第二光學元件。 7 ·如申請專利範圍第1項之光掃描機制，其中該旋轉構件 更包括平衡錘，該平衡錘係固定式地連接至第一部位$ 配置使得該第一部位位在該平衡錘與第二部位之間。 8 · —種雷射剝離設備，用於使配置在標的物上之選定材料 剝離，該雷射剝離設備包括： 雷射裝置，用於沿著中心軸，選擇性地產生雷射光 束脈衝； 支撐標的物之座台； 雷射掃描機制，其包含： 旋轉構件，其具有配置成圍繞中心軸旋轉之第一部 位，該旋轉構件亦具有配置成離開中心軸之第二部位； 第一光學元件，其固定配置在旋轉構件之第一部 位，使得該中心軸與第一光學元件之部位交叉； 第二光學元件，其配置在旋轉構件之第二部位上； 以及 聚焦元件，其配置在旋轉構件上，與第二光學元件 -32- 200835935 成固定關係， 其中，該第一及第二光學元件係配置成第一光學元 件將雷射光束脈衝從中心軸重新導向至第二光學元 件，其中該第二光學元件透過聚焦元件使接收自第一光 學元件之雷射光束脈衝重新導向，且其中該聚焦元件係 配置成使雷射光束脈衝聚焦，使得當聚焦元件配置在標 的物上方時，該焦點與配置在標的物上之選定材料一 致， ® 旋轉手段，用於使旋轉構件在第一角位與第二角位 之間圍繞中心軸旋轉，使得當旋轉構件在第一與第二角 位之間旋轉時，焦點即追循所選定材料上之預定掃描路 徑部位；以及 控制手段，用於控制雷射裝置以產生該雷射光束脈 衝，而該焦點係配置在所選定材料之預定部位上方的預 定掃描路徑上，因此使該選定材料之預定部位剝離。 ^ 9.如申請專利範圍第8項之雷射剝離設備， 其中該第一及第二光學元件包括鏡片，其具有平行 之個別的平滑反射表面，而且 其中該聚焦元件包括配置在第二鏡片與焦點之間 的物鏡。 10.如申請專利範圍第8項之雷射剝離設備， 其中該第一光學元件係配置在距第二光學元件固 定距離處，而且 其中該聚焦元件係配置在距第二光學元件固定距 -33- •200835935 離處。 1 1 ·如申請專利範圍第8項之雷射剝離設備，其中用於控制 雷射裝置之該控制手段包括配置鄰接於該座台之電子 S己錄裝置。 1 2.如申請專利範圍第8項之雷射剝離設備，更包括移動手 段’用於使座台於所選定材料之預定部位剝離以後，在 預定方向上移動預定距離。 1 3 · 一種用於製造光電伏特裝置之系統，包含具有擴散進入 其表面之摻雜區的半導體基板，及配置在掺雜區上方表 面上之鈍化層，其中該系統包括： 雷射裝置，用於沿著中心軸，選擇性地產生雷射光 束脈衝； 支撐半導體基扳之座台； 雷射掃描機制，其包含： 旋轉構件，其具有配置成圍繞中心軸旋轉之第一部 φ 位，該旋轉構件亦具有配置成離開中心軸之第二部位； 第一光學元件，其固定配置在旋轉構件之第一部 位，使得該中心軸與第一光學元件之部位交叉； 第二光學元件，其配置在旋轉構件之第二部位上； 以及 聚焦元件，其配置在旋轉構件上，與第二光學元件 成固定關係， 其中該第一及第二光學元件係配置成第一光學元 件將雷射光束脈衝從中心軸重新導向至第二光學元 -34- 200835935 件，其中該第二光學元件透過聚焦元件使接收自第一光 學元件之雷射光束脈衝重新導向座台，且其中該聚焦元 件係配置成使雷射光束脈衝聚焦，使得當聚焦元件配置 半導體基板上方時，該焦點與鈍化層一致， 旋轉手段，用於使旋轉構件在第一角位與第二角位 之間圍繞中心軸旋轉，使得當旋轉構件在第一與第二角 位之間旋轉時，焦點即追循鈍化層上之預定掃描路徑部 位；以及 ® 控制手段，用於控制雷射裝置以產生該雷射光束脈 衝’而該焦點係配置在鈍化層之預定部位上方的預定掃 描路徑上，因此使該鈍化層之預定部位剝離，以界定接 觸開口。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之系統， 其中該第一及第二光學元件包括鏡片，其具有平行 之個別的平滑反射表面，而且 φ 其中該聚焦元件包括配置在第二鏡片與焦點之間 的物鏡。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之系統， 其中該第一光學元件係配置在距第二光學元件固 定距離處，而且 其中該聚焦元件係配置在距第二光學元件固定距 離處。 16.如申請專利範圍第14項之系統，其中用於控制雷射裝 置之該控制手段包括配置鄰接於該座台之電子記錄裝 -35- •200835935 置。 1 7 .如申請專利範圍第1 4項之系統，更包括移動手段，用 於使座台於鈍化層之預定部位剝離以後，在平行於已延 長之掺雜區的方向上移動預定距離。 1 8.如申請專利範圍第 1 4項之系統，更包括直寫式 (direct-write)金屬化設備，包含： 沉積手段，用於使導電材料沉積在每個多數接觸開 □中； 移動手段，用於使半導體基板在平行於已延長之掺 雜區的方向上移動。 19.如申請專利範圍第14項之系統，其中該雷射裝置爲飛 秒（femto-second)級之雷射裝置。 -36-
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