TWI540749B - Method for patterning a semiconductor element and its electroplated electrode - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電鍍電極圖案化之形成方法，尤指一種應用於具有抗反射層或其他介電層之半導體元件，特別是太陽能電池，使其可在半導體基板不受破壞的需求下，使用雷射將抗反射層或其他介電層圖案化移除，使金屬得以透過電鍍形成圖案化電極。
在半導體製程中，經常需要經過金屬製程，而且是局部圖案區域才接觸金屬，以目前的方式大多使用光阻製程以及曝光顯影之方式來達成圖案化目的。這種方式對於較高成本之一般半導體製程而言，雖然製程造成一些額外成本，但是相較之下仍可接受。然而對於低成本之太陽能電池製程而言，使用光阻製程將明顯增加成本，因此光阻並不適合應用在太陽能電池上來定義金屬圖案。
對於太陽能電池之金屬製程而言，目前是以「網版印刷」方式來形成金屬電極，網版印刷之製程非常簡單且快速，然而矽晶太陽能電池若要繼續朝低成本與高效率之兩大目標發展下去，則網版印刷銀電極在這兩方面都具有其發展瓶頸，難以再有突破性發展。
銅與銀之金屬成本差異懸殊，可是導電度卻相近，因此主要在成本考量下，國際太陽光電技術發展藍圖(ITRPV)預測目前使用的銀金屬將逐步被銅金屬所取代。鎳/銅電鍍電極是目前被認為最
具有潛力之太陽能電池下一代正電極選擇。另一方面，電鍍製程可使得電極具有較優的高寬比(aspect ratio)，如此可以減少太陽能電池之遮光面積而提升效率。鎳與矽基板之金屬接觸電阻也優於網版印刷銀漿之製程，亦有助於提升太陽能電池效率。
鎳/銅電鍍電極製程在目前的瓶頸在於金屬圖案化方式太過複雜或是設備成本過高，使得鎳/銅電鍍電極之競爭力尚無法超越網版印刷製程。以雷射剝除法(laser ablation)為例，其係利用雷射對於太陽能電池表面既有之抗反射層(anti-reflection coating，ARC)進行燒除，接著再進行金屬電鍍程序。抗反射層本身是一個很好的電鍍阻擋層，而抗反射層被移除的區域則可電鍍上金屬，從而簡易地完成金屬圖案化目的。雷射製程具有簡單與快速之優勢，適合低成本之量產製程。然而，此製程目前的缺點在於：第一，雷射剝除法原理主要是利用雷射對於矽基板表面進行淺層之破壞性燒除動作而導致抗反射層之剝除，因此稍微一點點之參數差異即可造成矽基板遭過度破壞，或者是條件不足以將抗反射層剝除，造成製程良率的嚴重問題；第二，若要提升良率，以目前製程而言，雷射均需使用到飛秒(picoseconds)等級的紫外光雷射，在設備成本上將是相關業者的一大負擔。
本發明之主要目的，係提供一種半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其在半導體元件當中的抗反射層或其他介電層與半導體基板之間，額外沉積一保護層，其在較佳實施例中係由非晶矽所組成，接著再以雷射進行加熱，使保護層受熱液化，造成其上方的抗反射層或其他介電層主動脫離而移除，抗反射層或其他介
電層被移除的區域則可利用電鍍製程而完成電鍍鎳金屬或銅金屬之程序。
本發明之另一目的，係提供一種半導體元件之電鍍電極之形成方法，其使用保護層作為半導體基板的保護層，使得利用雷射剝除抗反射層或其他介電層時，不會對半導體基板造成破壞而降低產品的工作效率；同時，對矽晶太陽電池而言，保護層也可作為矽基板之鈍化層，因此本發明特別適合用於太陽能電池領域。
本發明之再一目的，係提供一種半導體元件之電鍍電極之形成方法，相較於雷射剝除法，其因為利用插入一層保護層而改變了抗反射層或其他介電層之剝離方式，因此可降低所使用之雷射的規格等級，只需要使用綠光或紅光波段的奈秒(nanosecond)等級雷射，大幅降低了生產之設備成本。
本發明之更一目的，係提供一種半導體元件，其在結構上包含了保護層，並使其上方的抗反射層或其他介電層基於保護層的存在而得以利用改良式的雷射剝除法產生具圖案化分布的開孔，並於此處形成電極，具有圖案化電極之結構。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種半導體元件之電鍍電極之形成方法，該半導體元件係包含一半導體基板，其在步驟上係包含了：(1)設置一保護層於該半導體基板之上；(2)設置一抗反射層或一介電層於該保護層之上；(3)使用雷射加熱該抗反射層或該介電層底下之保護層，使該保護層受熱液化，液化之該保護層上方之該抗反射層或該介電層因而與該保護層分離並移除，形成至少一開孔而暴露出該保護層；以及(4)電鍍形成一電極於該
開孔。據此些步驟，抗反射層或介電層可因此在不破壞半導體基板的條件下形成至少一開孔，而電極可透過這些圖案化開孔而形成於保護層之上。
1‧‧‧半導體基板
10‧‧‧n型射極
11‧‧‧p型矽基板
2‧‧‧保護層
20‧‧‧液化區
3‧‧‧抗反射層
30‧‧‧開孔
31‧‧‧側壁處
32‧‧‧底面處
4‧‧‧正電極
5‧‧‧背電極
S1~S4‧‧‧步驟
第1圖：其係為本發明一較佳實施例之步驟流程圖；第2A~2D圖：其係為本發明一較佳實施例之結構變化示意圖；以及第3圖：其係為本發明一較佳實施例之結構示意圖，用以表示作為太陽能電池之結構。
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：首先請參考第1圖，本發明所揭示之方法係用於使半導體基板得經電鍍形成正面鎳/銅電極，例如作為太陽電池正電極，其包含步驟：步驟S1：設置一保護層於該半導體基板之上；步驟S2：設置一抗反射層或一介電層於該保護層之上；步驟S3：使用雷射加熱部分該抗反射層或該介電層底下之保護層，使部分該保護層受熱液化，液化之該保護層上方之該抗反射層因而與該保護層分離並移除，形成至少一開孔而暴露出該保護層；以及步驟S4：電鍍形成一電極於該開孔。
依上述之步驟操作，可參考第2A~2D圖所示之結構變化流程，其首先於半導體基板1之上使用電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)
沉積一保護層2。保護層2的厚度可視元件的類型而有不同的限制條件，若是作為非太陽能電池的半導體元件，則保護層2的厚度可為3~100nm；而若是作為太陽能電池，則需考量到光遮蔽的影響，將保護層2的厚度控制為3~30nm，避免保護層2過厚而阻擋了光線抵達半導體基板1的量，導致太陽能電池的效率降低。保護層2的材料可為非晶矽、氮化矽或二氧化矽，或是其它能實現本發明所揭示步驟之材料(可經雷射加熱而局部液化，使固態之抗反射層脫離)；而基於成本、鈍化效果等因素考量，本發明係以非晶矽為首選材料。半導體基板1則可為矽基板。
在本發明之一實施例中，保護層2之上設置有由氮化矽或二氧化矽所組成的抗反射層3，厚度約為75~85nm，此抗反射層3也可以使用電漿輔助化學氣相沉積系統進行沉積，因此其可以與保護層2使用同一設備接續沉積而成，在製程上維持簡單和高效率。此抗反射層3可由介電材料所構成之介電層取代。惟本發明於結構中所設置之保護層2與抗反射層3之材料不會完全相同。
由於在電鍍製程中，金屬並不會形成於抗反射層3之上，因此本發明使用雷射對抗反射層3底下之保護層2做局部加溫之處理，使此區域的保護層2受熱而液化，進而導致液化區域上方的抗反射層3因此與保護層2分離而被剝除。
如第2C圖所示，保護層2受前述之雷射加熱，會導致其局部性液化，形成複數個液化區20。抗反射層3會在保護層2具有這些液化區20的部分脫離，形成局部性的開孔30。本發明所使用的雷射係為奈秒等級的綠光或紅外光雷射，不需要使用到紫外光且為皮秒等級的雷射，大幅降低設備成本；此原因係在於本發明不需要對
極淺層矽基板作破壞性的燒除，而是對保護層2作精確的加熱而使之產生局部性液化，然後導致上方的抗反射層3剝離；進一步而言，使用雷射加熱之手段是使保護層2發生局部性液化，促使液化處與抗反射層3的接觸面不再有連接，而同時因為開孔30的寬度介於20~50um，抗反射層3的厚度又僅約為80nm，高寬比的比例懸殊，因此當液化區20形成時，對於液化區20上方之抗反射層3，其在側壁處31是不足以支撐結構而分離，加上其在底面處32因保護層2液化而分離，促使抗反射層3局部性的剝離而形成開孔30。
再者，本發明因為有保護層2的保護，半導體基板1不會被雷射破壞結構，可維持了應有的工作效率。以保護層2之材料為非晶矽、抗反射層3之材料為氮化矽之較佳實施利組合而言，非晶矽的液化溫度較矽基板的液化溫度(約1693K)低了約200~300K，也就是約1400~1500K左右，因此在適當的雷射功率控制下，保護層2係被加熱至1400~1500K，同時基於抗反射層3的溫度也不會高於氮化矽的熔點2173K，因此能確實地僅讓非晶矽產生液化區20，維持下方半導體基板1的完整，並以非燒除的手段讓部分抗反射層3主動剝離。
在接續的金屬電鍍製程步驟中，本發明可使用光致鍍鎳(LINP)製程、光致電鍍(LIP)製程或無極電鍍(electroless plating)製程，使金屬可直接經電鍍還原於抗反射層3被移除的區域，也就是開孔30。此時，對LINP與LIP製程而言，靠的是穿遂電流穿過保護層2而導致金屬於抗反射層3之開孔30處還原，鎳與銅金屬接連自電鍍液析出而鍍於保護層2之上，形成正電極4。
為了提高元件的品質，在移除雷射後，本發明在將正電極4透過電鍍而形成於暴露之保護層2之上之步驟前，可更包含：步驟S3-1：蝕刻該保護層表面因雷射之高熱製程而產生之氧化物。此些步驟係透過額外的一道化學蝕刻處理，可清除不利於電鍍進行之氧化物，確保後續電鍍的品質。
而除了上述之步驟及所形成之結構，本發明在作為太陽能電池時，其結構上的整體示意可參考第3圖，其在半導體基板1的下方具有背電極5，材質通常為鋁；而半導體基板1本身則因前置的擴散製程處理而具有PN接面，如第3圖當中的n型射極10(n+emitter)以及p型矽基板11，此為太陽能電池之通常結構，可由習知的方法完成而非為本發明所要限制之範疇。本發明在應用上也不限於此類太陽能電池之製作方法以及結構，只要是對具有半導體基板及抗反射層之半導體元件進行電鍍電極之製作，都可利用額外增加保護層作為保護，結合雷射低線寬之優勢，精確且快速地在抗反射層形成圖案化的開孔。
綜上所述，本發明詳細揭示了半導體元件及其電鍍電極之形成方法，其有別於傳統的雷射剝除法對抗反射層底下之半導體基板進行直接破壞式燒除而傷及半導體基板，而是採取於抗反射層與半導體基板之間額外插入保護層的方式，再以雷射對抗反射層下方的保護層進行加熱使之液化，進而使上方的抗反射層與液化的保護層分離，形成圖案化開孔，可再經電鍍製程而完成電鍍鎳與銅金屬之程序。本發明的優勢在於不會破壞半導體基板的結構，同時又可在保持雷射簡單、快速、低線寬、可量產化等優勢之下，
使用較低規格的雷射設備；此外，本發明所揭示之製程因為對半導體基板的破壞度極低，故可同時製作太陽能電池之正電極之電流收集金屬柵線(bus bar)之部分，不須用另外方式製作。基於上述多種優點，本發明無疑為一種具實用與經濟價值之半導體元件及其電鍍電極之圖案化形成方法。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
S1~S4‧‧‧步驟
Claims (9)
- 一種半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，該半導體元件係包含一半導體基板，其步驟係包含：設置一保護層於該半導體基板之上；設置一抗反射層或一介電層於該保護層之上；使用雷射加熱部分該抗反射層或該介電層下方之部分該保護層，使部分該保護層受熱液化，液化之該保護層上方之該抗反射層因而與該保護層分離並移除，形成至少一開孔而暴露出該保護層；以及電鍍形成一電極於該開孔。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其中該半導體元件為太陽能電池。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其中該保護層之厚度係介於3~30nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其中該開孔之寬度係介於20~50um。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其中該抗反射層或該介電層之厚度係介於75~85nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其中於使用雷射加熱部分該抗反射層或該介電層之步驟中，係使用奈秒雷射。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形 成方法，其中於使用雷射加熱部分該抗反射層或該介電層之步驟中，係使該保護層升溫至1400K~1500K。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其中於電鍍形成該電極於該開孔之步驟前，更包含步驟：蝕刻該保護層表面因雷射加熱而產生之氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件之電鍍電極之圖案化形成方法，其中於設置該保護層以及設置該抗反射層或該介電層之步驟中，皆係使用電漿輔助化學氣相沉積法而接續沉積形成。
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