WO2012143207A1 - Verfahren zum aufschmelzen von durchgehenden bereichen an halbleitersubstraten - Google Patents

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WO2012143207A1
WO2012143207A1 PCT/EP2012/055285 EP2012055285W WO2012143207A1 WO 2012143207 A1 WO2012143207 A1 WO 2012143207A1 EP 2012055285 W EP2012055285 W EP 2012055285W WO 2012143207 A1 WO2012143207 A1 WO 2012143207A1
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absorption
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Jürgen Koehler
Juergen H. Werner
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Universität Stuttgart
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for melting continuous areas between two opposing surfaces on semiconductor substrates, in particular on silicon solar cells.
  • the emitter generated on the front of the solar cell is electrically connected to the located on the back of the solar cell contact fingers.
  • the so-called through-hole has hitherto been made by the production of a large number of holes or cavities, which are rendered electrically conductive either by a doping step or by metallization.
  • the generation of this Holes or cavities are usually made by ablation of the wafer material using pulsed laser radiation. The ablation creates high temperatures that reach or even exceed the boiling point of the wafer material. The resulting high local and lateral temperature gradients generate defects and microcracks in the surrounding material and therefore often lead to the breakage of the solar cell in the subsequent process steps.
  • the invention is based on the object of specifying a method for the via-contact of solar cells, which avoids the disadvantages described above.
  • a method for melting continuous areas between two opposing surfaces of semiconductor substrates is to be specified.
  • This object is achieved by a method for melting continuous areas between two opposing surfaces of semiconductor substrates, in particular of silicon solar cells, with the following steps:
  • the invention takes advantage of the large increase in the radiation absorption of semiconductors with temperature increase.
  • a semiconductor material that is optically transparent at ambient temperature absorbs at a temperature dependent on the wavelength of the optical radiation.
  • the semiconductor material can not be melted by its laser-facing surface (front side) as in the laser processes known hitherto, but rather by its surface (rear side) facing away from the laser.
  • the surface at the rear side at the beginning of the laser irradiation is made at least so far absorbing that the laser beam leads to a sufficient increase in temperature at the rear side, so that the material is melted in this area.
  • the second surface is treated at least in the region of the impact point of the laser beam such that there is an increased absorption for infrared radiation.
  • the absorption layer may be, for example, a thin graphite layer, which later on can be removed.
  • graphite is relatively unproblematic. Any other layers are conceivable which lead to an increased absorption for IR radiation, and which finally initiate a melting in the region of the laser beam.
  • IR radiation in the wavelength range from 900 to 1200 nanometers preferably in the range from 950 to 1150 nanometers, more preferably in the range from 1000 to 1100 nanometers, more preferably in the range from 1040 to 1100 nanometers, is particularly preferred in the range of 1050 to 1090 nanometers, most preferably 1064 nanometers.
  • the appropriate wavelength must be adjusted according to the bandgap of the semiconductors.
  • the temperature-dependent greatly increased absorption can be used especially in this wavelength range to achieve the desired local melting.
  • a pulsed laser is used for irradiation.
  • a YAG laser For irradiation, for example, a YAG laser can be used.
  • the irradiation with the laser is interrupted when the continuous area between the first and the second surface is completely melted. In this way, a completely molten, continuous area can be achieved.
  • a precursor layer on the second surface in silicon preferably phosphorus, antimony, boron, aluminum, gallium, indium, applied, which causes a doping of the continuous region during the melting of the material.
  • silicon preferably phosphorus, antimony, boron, aluminum, gallium, indium
  • suitable dopant precursor layers are used.
  • dopants which are applied as precursor layers on the back of the substrate, in the available time of several microseconds the second surface to the first surface through the cavity filled with liquid semiconductor material diffuse through and thus produce a doped, possibly highly conductive, channel.
  • an electrically conductive connection between the two surfaces of the semiconductor substrate can be achieved.
  • This can be used, for example, to electrically connect the back-contacted crystalline silicon solar cells and the emitters produced on the front side of the solar cell to the contact fingers located on the rear side of the solar cell.
  • a via can be ensured in a fairly simple and cost-effective manner.
  • the customary in the prior art evaporation of the semiconductor material is avoided and only a melting is required, significantly lower temperature gradients than in the known in the prior art method.
  • the formation of defects and microcracks in the surrounding material is significantly reduced.
  • the irradiation with the laser is continued until the melt front has reached the first surface and the molten material emerges from the continuous region to the outside, so that a cavity is formed which extends between the first and the second surface.
  • the fact is used that when the melt front reaches the first surface of the semiconductor substrate, the absorbed radiation power can not be dissipated by heat conduction and the temperature rises very quickly in the region of the first surface.
  • the material evaporates at the front and drives the underlying melt through a rebound so generated across the surface at the back, i. on the second surface, off.
  • the method is significantly gentler for the semiconductor substrate than the previously common production of holes by ablation using pulsed laser radiation.
  • the formation of defects and microcracks in the surrounding material is significantly reduced.
  • the cavity thus produced can be filled with a metal by a subsequent metallization step. This can be done for example by screen-printed pastes, by electrodeposition, by vapor deposition or another suitable coating method.
  • the semiconductor material is irradiated with a lower laser power, so that the semiconductor material solidifies again behind the melt front in the direction of the back surface.
  • Controlled increase of the laser power evaporates the material on the front of the melt front.
  • the vapor pressure generates mechanical stresses in the interior of the wafer and can thereby separate it over the entire area or even only locally.
  • the laser power is increased upon reaching a certain melting depth so that the semiconductor material evaporates in the interior and expels the underlying melt.
  • defined blind holes can be produced in the substrate, which can preferably be used for texturing or improving the structural properties of semiconductor surfaces.
  • An application in the production of microstructures such as e.g. Acceleration sensors is also possible.
  • a semiconductor substrate according to the invention in particular a silicon solar cell, may comprise a fused continuous region extending between a first surface of the semiconductor substrate and an opposite second surface.
  • the molten, continuous region may be provided with a doping, which, if desired, ensures a good electrical conductivity.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a semiconductor substrate with a
  • FIG. 5 shows the semiconductor substrate according to FIG. 4 after the generation of cavities by IR irradiation
  • FIG. 6 shows the semiconductor substrate according to FIG. 5 after removal of the coating on the rear side, metallization of the cavities and production of an emitter layer on the front side;
  • FIG. 7 shows a further semiconductor substrate on which continuously melted regions have been produced, which are electrically conductive by doping and
  • FIG. 8 shows different temperature profiles in silicon in a prior art ablation process and according to the inventive method in a silicon wafer.
  • the invention is based on utilizing the large increase in the absorption of semiconductor materials with temperature.
  • FIG. 1a shows the dependence at a wavelength ⁇ of 1064 nm
  • FIG. 1b shows the relationship at a wavelength ⁇ of 532 nm. It is readily apparent that at the wavelength of 1064 nm there is a greatly increased dependence of the absorption length on the temperature. The invention makes use of this property.
  • the simulated temperature profile is shown at a 100 pm thick silicon wafer for different times.
  • the laser beam first penetrates the silicon wafer, which at this wavelength is practically transparent at room temperature.
  • a coating applied to the back of the wafer absorbs the laser beam at the point of impact on the coating and thus leads to an increase in temperature.
  • the absorption according to FIG. 1a continues to increase, which ultimately leads to a local melting and to the formation of a melt front.
  • the heat conduction, starting from the melt front leads to a temperature increase along the laser beam, which in turn leads to an increase in temperature by increasing the absorption.
  • FIG. 2 shows the simulated temperature profile starting from the time of impact of the laser beam on the wafer back side. It turns out that the local melt front generated at the back of the wafer gradually moves to the front and arrives at the front side of the wafer after about 3.6] xs.
  • Fig. 3 shows the simulated temperature profile after 3.6 s as a function of the depth of the wafer and the radial distance r to the center of the laser beam. It is spatially seen a conical expansion of a zone of liquid silicon same temperature increase from the point of incidence of the laser beam on the wafer to the wafer back recognizable. In the radial direction, i. at a lateral distance from the center of the laser beam, the temperature increase decreases very rapidly. In the center of the laser beam, a locally very limited, marked increase in temperature can be seen after 3.6] xs.
  • the energy of the laser is reduced in a suitable manner when the melt front reaches the front side, the overheating of the wafer Materials are avoided at the front and in this way only a continuous melted area between front and back can be achieved.
  • the diffusion constant of dopants in liquid semiconductor materials is typically greater by about 10 orders of magnitude than in the otherwise conventional solid-phase diffusion.
  • a corresponding precursor layer is applied to the backside of the wafer, then in the available time of several microseconds the material can diffuse from the precursor layer from the rear side to the front side through the cavity filled with liquid semiconductor material and thus pass through Produce channel that is electrically conductive, provided that a corresponding material for the precursor layer is used.
  • the precursor layer may additionally or alternatively also be applied to the front side, provided that it is transparent to the laser radiation used.
  • the process can be performed so that the power of the laser radiation is increased upon reaching a certain and exactly reproducible melting depth so that the semiconductor material evaporates inside a semiconductor wafer and thus defined by generating a mechanical stresses Separation of the underlying and overlying parts of the semiconductor substrate causes.
  • the semiconductor substrate 10 has a silicon wafer 12 having a first surface 14 (front side) and an opposite second surface 16 (back side). On the second surface 16, a thin graphite layer 18 is applied.
  • This semiconductor substrate 10 is now with a pulsed infrared laser (Y AG laser) with a Wavelength of preferably 1064 nm irradiated to produce in the manner described above through cavities.
  • Y AG laser pulsed infrared laser
  • Fig. 6 shows the semiconductor substrate 10 "after metallizing the cavities, which are now denoted by 24" and are connected to an emitter 26 at the front.
  • Fig. 7 shows the variant in which results only a melting and doping of the respective areas.
  • the semiconductor substrate 10 "' has a plurality of well-doped regions 24"', that is to say continuous melted regions 24 "', which are doped starting from precursor layers 18"' applied on the back side.
  • the melted, well-doped regions 24 "' can thus be well electrically conductive.
  • Fig. 8 the different temperature characteristics are shown, resulting in a silicon wafer of 100 microns thickness according to the prior art (solid line) and according to the inventive method (dotted line). While extreme temperature gradients, which drop sharply over the wafer width, occur with the laser ablation according to the prior art, the method according to the invention results in a significantly more moderate profile over a larger wafer width. This means that as a result of the lower temperature gradient significantly lower thermally induced stresses occur.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen (14, 16) an Halbleitersubstraten (10), insbesondere an Silizium-Solarzellen, angegeben, mit den Schritten: Bestrahlen einer ersten Fläche (14) des Halbleitersubstrates (10) mit einem Laser (20) im Infrarotbereich, so dass sich ein Laserstrahl (22) bis zu einer der ersten Fläche (14) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) ausbreitet; und Erhöhung der Absorption für den Laserstrahl (22) im Bereich der zweiten Fläche (16) zur Erzeugung einer Schmelzfront, die sich ausgehend von der zweiten Fläche (16) in Richtung zu der ersten Fläche (14) hin ausbreitet.

Description

Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen
an Halbleitersubstraten
[OOOl] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen an Halbleitersubstraten, insbesondere an Silizium-Solarzellen.
[0002] Zur Herstellung rückseitig kontaktierter, kristalliner Silizium-Solarzellen wird der auf der Vorderseite der Solarzelle erzeugte Emitter elektrisch mit den sich auf der Rückseite der Solarzelle befindenden Kontaktfingern verbunden. Die so genannte Durchkontaktierung erfolgte bisher durch die Herstellung einer großen Anzahl von Löchern oder Kavitäten, welche entweder durch einen Dotierschritt oder durch Metallisierung elektrisch leitfähig gemacht werden. Die Erzeugung dieser Löcher oder Kavitäten erfolgt üblicherweise durch Ablation des Wafer-Materials mit Hilfe gepulster Laserstrahlung. Bei der Ablation entstehen hohe Temperaturen, welche die Siedetemperatur des Wafer-Materials erreichen oder sogar übersteigen. Die dadurch entstehenden hohen örtlichen und seitlichen Temperaturgradienten erzeugen Defekte und Mikrorisse im umliegenden Material und führen deshalb oft zum Bruch der Solarzelle in den darauffolgenden Prozessschritten.
[0003] Das Problem der erhöhten Bruchrate und der damit verbundenen Reduzierung der Ausbeute bei der Herstellung so genannter EWT-Solarzellen (Emitter Wrap Through) oder MWT-Solarzellen (Metal Wrap Through) konnte aufgrund dieser Probleme bisher nicht gelöst werden.
[0004] Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchkontaktierung von Solarzellen anzugeben, das die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet. Im weiteren Sinne soll ein Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen an Halbleitersubstraten angegeben werden.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen an Halbleitersubstraten, insbesondere an Silizium-Solarzellen, mit den folgenden Schritten gelöst:
Bestrahlen einer ersten Fläche des Halbleitersubstrates mit einem Laser im Infrarotbereich, so dass sich ein Laserstrahl bis zu einer der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Fläche ausbreitet und
Erhöhung der Absorption für den Laserstrahl im Bereich der zweiten Fläche zur Erzeugung einer Schmelzfront, die sich ausgehend von der zweiten Fläche in Richtung zur ersten Fläche hin ausbreitet. [0006] Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
[0007] Die Erfindung nutzt die starke Zunahme der Strahlungsabsorption von Halbleitern bei Temperaturerhöhung aus. Ein bei Umgebungstemperatur optisch transparentes Halbleitermaterial wird ab einer von der Wellenlänge der optischen Strahlung abhängigen Temperatur absorbierend. Durch diesen physikalischen Effekt kann das Halbleitermaterial nicht wie bei den bisher bekannten Laserprozessen von seiner dem Laser zugewandten Oberfläche (Vorderseite), sondern von seiner dem Laser abgewandten Oberfläche (Rückseite) her aufgeschmolzen werden. Hierbei wird die Oberfläche an der Rückseite zu Beginn der Laserbestrahlung zumindest so weit absorbierend gemacht, dass der Laserstrahl zu einer ausreichenden Temperaturerhöhung an der Rückseite führt, so dass das Material in diesem Bereich aufgeschmolzen wird. Durch das Aufschmelzen an der Rückseite wird das der Vorderseite zugewandte Material durch Wärmeleitung gleichfalls erhitzt, was wiederum auch dort infolge der Temperaturerhöhung zu einer stärkeren Absorption führt. Auf diese Weise wird eine Schmelzfront erzeugt, die sich in Richtung von der Rückseite her zur Vorderseite hin bewegt. Bei geeigneter Verfahrensführung kann so ein durchgehend aufgeschmolzener Bereich zwischen Vorderseite und Rückseite erzeugt werden.
[0008] Wie nun die Erhöhung der Absorption für den Laserstrahl im Bereich der zweiten Fläche, auf die der Laserstrahl auftrifft, erreicht wird, ist grundsätzlich ohne Bedeutung.
[0009] Vorzugsweise wird die zweite Fläche zumindest im Bereich des Auftreffpunktes des Laserstrahls derart behandelt, dass sich eine erhöhte Absorption für Infrarotstrahlung ergibt.
[0010] Dies kann zum Beispiel durch eine mechanische Behandlung, insbesondere durch Aufrauen, durch Aufbringen einer Absorptionsschicht oder auch durch Anschmelzen mit einem Laser bewirkt werden. Bei der Absorptionsschicht kann es sich beispielsweise um eine dünne Graphitschicht handeln, die später wieder entfernt werden kann. Bei Halbleitersubstraten, etwa Silizium-Substraten, ist Graphit relativ unproblematisch. Beliebige andere Schichten sind denkbar, die zu einer erhöhten Absorption für IR-Strahlung führen, und die schließlich ein Aufschmelzen im Bereich des Laserstrahls initiieren.
[0011] Vorzugsweise wird bei Silizium eine IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 900 bis 1200 Nanometern, bevorzugt im Bereich von 950 bis 1150 Nanometern, weiter bevorzugt im Bereich von 1000 bis 1100 Nanometern, weiter bevorzugt im Bereich von 1040 bis 1100 Nanometern, besonders bevorzugt im Bereich von 1050 bis 1090 Nanometern, ganz besonders bevorzugt von 1064 Nanometern verwendet. Bei anderen Halbleitermaterialien muss die geeignete Wellenlänge entsprechend der Bandlücke der Halbleiter angepasst werden.
[0012] Erfindungsgemäß kann die temperaturabhängig stark erhöhte Absorption besonders in diesem Wellenlängenbereich genutzt werden, um das gewünschte lokale Aufschmelzen zu erreichen.
[0013] Weiter bevorzugt wird zur Bestrahlung ein gepulster Laser verwendet.
[0014] Hierdurch lässt sich eine besonders gute Anpassung und Steuerung des Lasers auf eine geeignete Leistung erreichen.
[0015] Zur Bestrahlung kann beispielsweise ein YAG-Laser verwendet werden.
[0016] Weiter bevorzugt wird die Bestrahlung mit dem Laser unterbrochen, wenn der durchgehende Bereich zwischen der ersten und der zweiten Fläche vollständig aufgeschmolzen ist. [0017] Auf diese Weise kann ein vollständig aufgeschmolzener, durchgehender Bereich erzielt werden.
[0018] Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird auf der zweiten Fläche eine Precursor-Schicht, bei Silizium vorzugsweise Phosphor, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, aufgebracht, die während des Aufschmelzens des Materials eine Dotierung des durchgehenden Bereiches bewirkt. Bei anderen Halbleitern werden entsprechend geeignete Dotierstoff-Precursorschichten verwendet.
[0019] Da die Diffusionskonstante von Dotierstoffen in flüssigen Halbleitermaterialien typischerweise um zehn Größenordnungen größer ist als bei der sonst üblichen Festphasendiffusion, können Dotierstoffe, die als Precursor-Schichten auf die Rückseite des Substrates aufgebracht sind, in der zur Verfügung stehenden Zeit von mehreren Mikrosekunden von der zweiten Fläche bis zur ersten Fläche durch die mit flüssigem Halbleitermaterial gefüllte Kavität hindurch diffundieren und so einen dotierten, ggf. hoch leitfähigen, Kanal erzeugen.
[0020] Auf diese Weise lässt sich eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Oberflächen des Halbleitersubstrates erzielen. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um die rückseitig kontaktierten kristallinen Silizium-Solarzellen und den auf der Vorderseite der Solarzelle erzeugten Emitter elektrisch mit den sich auf der Rückseite der Solarzelle befindenden Kontaktfingern zu verbinden. So kann auf recht einfache und kostengünstige Weise eine Durchkontaktierung gewährleistet werden.
[0021] Da das im Stand der Technik übliche Verdampfen des Halbleitermaterials vermieden wird und lediglich ein Aufschmelzen erforderlich ist, ergeben sich deutlich geringere Temperaturgradienten als bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren. Die Entstehung von Defekten und Mikrorissen im umliegenden Material wird deutlich reduziert. [0022] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Bestrahlung mit dem Laser so lange fortgesetzt, bis die Schmelzfront die erste Fläche erreicht hat und das aufgeschmolzene Material aus dem durchgehenden Bereich nach außen austritt, so dass eine Kavität entsteht, die sich zwischen der ersten und der zweiten Fläche erstreckt.
[0023] Hierbei wird die Tatsache genutzt, dass dann, wenn die Schmelzfront die erste Fläche des Halbleitersubstrates erreicht, die absorbierte Strahlungsleistung nicht mehr durch Wärmeleitung abgeführt werden kann und die Temperatur im Bereich der ersten Fläche sehr schnell ansteigt. Bei Überschreiten der Siedetemperatur verdampft das Material an der Vorderseite und treibt die darunterliegende Schmelze durch einen so erzeugten Rückstoß über die Oberfläche an der Rückseite, d.h. an der zweiten Fläche, aus.
[0024] Auf diese Weise kann eine durchgehende, zylinderförmige Kavität mit hohem Aspektverhältnis hergestellt werden.
[0025] Das Verfahren ist deutlich schonender für das Halbleitersubstrat als die bisher übliche Erzeugung von Löchern durch Ablation mit Hilfe gepulster Laserstrahlung. Die Entstehung von Defekten und Mikrorissen im umliegenden Material wird deutlich reduziert.
[0026] Die so erzeugte Kavität kann durch einen nachfolgenden Metallisierungsschritt mit einem Metall gefüllt werden. Dies kann beispielsweise durch siebgedruckte Pasten, durch galvanische Abscheidung, durch Aufdampfen oder ein anderes geeignetes Beschichtungsverfahren erfolgen.
[0027] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Halbleitermaterial mit geringerer Laserleistung bestrahlt, so dass das Halbleitermaterial hinter der Schmelzfront in Richtung der rückseitigen Oberfläche wieder erstarrt. Hierbei entsteht im Inneren des Halbleiters eine flüssige Zone, die von kristallinem Material in der festen Phase umgeben ist. Durch kontrollierte Erhöhung der Laserleistung wird das Material an der Vorderseite der Schmelzfront verdampft. Der Dampfdruck erzeugt mechanische Spannungen im Inneren des Wafers und kann diesen dadurch ganzflächig oder auch nur lokal trennen. Um z. B. einen gesamten Wafer auf diese Weise in zwei Teile zu spalten, werden vorzugsweise mehrere Laserfoki erzeugt, welche über den Wafer verteilt ein gleichmäßiges Spannungsfeld ausbilden, um den Wafer ohne Risse in zwei Teile zu spalten.
[0028] Auf diese Weise kann an einer präzise vorbestimmten Stelle des Halbleitersubstrates eine Trennung der darunter- und der darüberliegenden Schicht in zwei Scheiben bewirkt werden.
[0029] Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung wird die Laserleistung bei Erreichen einer bestimmten Schmelztiefe so erhöht wird, dass das Halbleitermaterial im Innern verdampft und die dahinter liegende Schmelze austreibt.
[0030] Auf diese Weise können definiert Sacklöcher im Substrat erzeugt werden, welche vorzugsweise zur Texturierung oder Verbesserung der strukturellen Eigenschaften von Halbleiteroberflächen eingesetzt werden können. Ein Einsatz bei der Herstellung von Mikrostrukturen wie z.B. Beschleunigungssensoren ist ebenso möglich.
[0031] Ein erfindungsgemäßes Halbleitersubstrat, insbesondere eine Silizium-Solarzelle, kann einen aufgeschmolzenen durchgehenden Bereich umfassen, der sich zwischen einer ersten Fläche des Halbleitersubstrates und einer gegenüberliegenden zweiten Fläche erstreckt. Dabei kann der aufgeschmolzene, durchgehende Bereich mit einer Dotierung versehen sein, die, sofern gewünscht, eine gute elektrische Leitfähigkeit gewährleistet.
[0032] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombi- nation, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0033] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. la) die Abhängigkeit der Absorptionslänge in pm von der Temperatur bei einer Wellenlänge von λ = 1064 nm;
Fig. lb) die Abhängigkeit der Absorptionslänge in pm von der Temperatur bei einer Wellenlänge von λ = 532 nm;
Fig. 2 den Temperaturverlauf in einem 100 pm dicken Silizium-Wafer für verschiedene Zeiten (t = 0,5 ps, 0,8 ps, 1,5 ps, 2,2 ps, 2,9 ps und 3,6 ps), durch Simulation bei einer Wellenlänge von λ = 1064 nm;
Fig. 3 den simulierten Temperaturverlauf in einem 100 pm dicken Silizium-Wafer für eine Zeit von 3,6 ps in Abhängigkeit von der Tiefe des Wafers und vom radialen Abstand r zum Zentrum des Laserstrahls bei einer Wellenlänge von λ = 1064 nm;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Halbleitersubstrates mit einem
Infrarot-Laser zur Bestrahlung;
Fig. 5 das Halbleitersubstrat gemäß Fig. 4 nach der Erzeugung von Kavitäten durch IR-Bestrahlung;
Fig. 6 das Halbleitersubstrat gemäß Fig. 5 nach Entfernung der Beschich- tung an der Rückseite, Metallisierung der Kavitäten und Erzeugung einer Emitter-Schicht an der Vorderseite; Fig. 7 ein weiteres Halbleitersubstrat, an dem durchgehend aufgeschmolzene Bereiche erzeugt wurden, die durch eine Dotierung elektrisch leitfähig sind und
Fig. 8 unterschiedliche Temperaturverläufe in Silizium bei einem Ablati- onsprozess nach dem Stand der Technik und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Silizium-Wafer.
[0034] Die Erfindung beruht auf einer Nutzung der starken Zunahme der Absorption von Halbleitermaterialien mit der Temperatur.
[0035] In Fig. 1 ist die Absorptionslänge in Mikrometer über der Temperatur aufgetragen. Fig. la zeigt die Abhängigkeit bei einer Wellenlänge λ von 1064 nm, während Fig. lb den Zusammenhang bei einer Wellenlänge λ von 532 nm zeigt. Es ist ohne Weiteres ersichtlich, dass bei der Wellenlänge von 1064 nm eine stark erhöhte Abhängigkeit der Absorptionslänge von der Temperatur besteht. Die Erfindung macht sich diese Eigenschaft zunutze.
[0036] Erfindungsgemäß wird ein gepulster YAG-Laser mit einer Wellenlänge von λ = 1064 nm zur Bestrahlung der Oberfläche eines Halbleitersubstrates verwendet.
[0037] In Fig. 2 ist der simulierte Temperaturverlauf bei einem 100 pm dicken Silizium-Wafer für verschiedene Zeiten dargestellt. Die Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung beträgt λ = 1064 nm. Der Laserstrahl durchdringt zunächst den Silizium-Wafer, der bei dieser Wellenlänge bei Raumtemperatur praktisch transparent ist. Durch eine an der Wafer-Rückseite aufgebrachte Beschichtung wird der Laserstrahl am Auftreffpunkt auf die Beschichtung absorbiert und führt so zu einer Temperaturerhöhung. Durch die Temperaturerhöhung nimmt die Absorption gemäß Fig. la weiter zu, was letztlich zu einem lokalen Aufschmelzen und zur Ausbildung einer Schmelzfront führt. [0038] Infolge der lokalen Erhitzung führt die Wärmeleitung ausgehend von der Schmelzfront zu einer Temperaturerhöhung entlang des Laserstrahls, was dann wiederum durch die Erhöhung der Absorption zu einer Temperaturerhöhung führt. Im Ergebnis wandert die Schmelzfront von der Wafer-Rückseite ausgehend entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls durch den Wafer hindurch und gelangt schließlich zur Vorderseite des Wafers. In Fig. 2 ist der simulierte Temperaturverlauf ausgehend vom Auftreffzeitpunkt des Laserstrahls an der Wafer-Rückseite dargestellt. Es zeigt sich, dass die an der Wafer-Rückseite erzeugte lokale Schmelzfront nach und nach zur Vorderseite wandert und nach etwa 3,6 ]xs an der Waf erVorderseite anlangt.
[0039] Fig. 3 zeigt den simulierten Temperaturverlauf nach 3,6 s in Abhängigkeit von der Tiefe des Wafers und vom radialen Abstand r zum Zentrum des Laserstrahls. Es ist räumlich gesehen eine konische Aufweitung einer Zone flüssigen Siliziums gleicher Temperaturerhöhung ausgehend vom Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den Wafer bis zur Wafer-Rückseite erkennbar. In radialer Richtung, d.h. in seitlicher Entfernung vom Zentrum des Laserstrahls, nimmt die Temperaturerhöhung sehr rasch ab. Im Zentrum des Laserstrahls ist nach 3,6 ]xs eine lokal sehr begrenzte starke Temperaturerhöhung erkennbar.
[0040] Dies beruht darauf, dass bei Auftreffen der Schmelzfront auf die Vorderseite des Wafers keine weitere Energieableitung durch Wärmeleitung entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls mehr möglich ist. Dies führt zu einem schnellen Aufheizen an der Vorderseite, so dass der Siedepunkt des Wafer-Materials überschritten wird und sich bei weiterer Bestrahlung ein Rückstoß ergibt, der das überhitzte Halbleitermaterial zur Rückseite des Wafers hin austreibt. Auf diese Weise ergibt sich eine Kavität in Form eines zylinderförmigen Hohlraums, der sich zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Wafers erstreckt.
[0041] Wird dagegen die Energie des Lasers in geeigneter Weise reduziert, wenn die Schmelzfront die Vorderseite erreicht, so kann die Überhitzung des Wafer- Materials an der Vorderseite vermieden werden und auf diese Weise lediglich ein durchgehend aufgeschmolzener Bereich zwischen Vorder- und Rückseite erzielt werden.
[0042] Dies kann auch dazu genutzt werden, um beim Aufschmelzen einen durchdotierten durchgeschmolzenen Bereich zu erzielen. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die Diffusionskonstante von Dotierstoffen in flüssigen Halbleitermaterialien typischerweise um etwa 10 Größenordnungen größer ist als bei der sonst üblichen Festphasendiffusion. Wird auf der Rückseite des Wafers eine entsprechende Precursor-Schicht aufgebracht, so kann in der zur Verfügung stehenden Zeit von mehreren Mikrosekunden das Material von der Precursor-Schicht her von der Rückseite bis zur Vorderseite durch die mit flüssigem Halbleitermaterial gefüllte Kavität diffundieren und so einen durchdotierten Kanal erzeugen, der elektrisch gut leitfähig ist, sofern ein entsprechendes Material für die Precursor-Schicht verwendet wird. Die Precursor-Schicht kann zusätzlich oder alternativ auch auf der Vorderseite aufgebracht werden, sofern sie für die verwendete Laserstrahlung transparent ist.
[0043] Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Prozess so geführt werden, dass die Leistung der Laserstrahlung bei Erreichen einer bestimmten und exakt reproduzierbaren Schmelztiefe so erhöht wird, dass das Halbleitermaterial im Inneren einer Halbleiterscheibe verdampft und so durch Erzeugung mechanischer Spannungen definiert eine Trennung der darunter- und darüberliegenden Teile des Halbleitersubstrates bewirkt.
[0044] Fig. 4 zeigt schematisch ein Halbleitersubstrat 10. Im vorliegenden Fall weist das Halbleitersubstrat 10 einen Silizium- Waf er 12 auf, der eine erste Fläche 14 (Vorderseite) und eine gegenüberliegende zweite Fläche 16 (Rückseite) aufweist. Auf der zweiten Fläche 16 ist eine dünne Graphitschicht 18 aufgetragen. Dieses Halbleitersubstrat 10 wird nun mit einem gepulsten Infrarot-Laser (Y AG-Laser) mit einer Wellenlänge von bevorzugt 1064 nm bestrahlt, um in der vorstehend beschriebenen Weise durchgehende Kavitäten zu erzeugen.
[0045] In Fig. 5 ist das Halbleitersubstrat 10' nach Erzeugung einer Reihe von Kavitäten 24 dargestellt.
[0046] Fig. 6 zeigt das Halbleitersubstrat 10" nach Metallisieren der Kavitäten, die nun mit 24" bezeichnet sind und mit einem Emitter 26 an der Vorderseite verbunden sind.
[0047] Fig. 7 zeigt die Variante, bei der sich nur ein Aufschmelzen und Dotieren der betreffenden Bereiche ergibt. Das Halbleitersubstrat 10"' weist eine Mehrzahl von durchdotierten Bereichen 24"', also durchgehend aufgeschmolzenen Bereiche 24"', auf, die ausgehend von auf der Rückseite aufgebrachten Precursor-Schichten 18"' dotiert sind. Die aufgeschmolzenen, durchdotierten Bereiche 24"' können somit gut elektrisch leitfähig sein.
[0048] In Fig. 8 sind die unterschiedlichen Temperaturverläufe dargestellt, die sich in einem Silizium-Wafer von 100 Mikrometer Stärke nach dem Stand der Technik (ausgezogene Linie) und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben (strichpunktierte Linie). Während sich mit der Laser- Ablation nach dem Stand der Technik extreme Temperaturgradienten einstellen, die über die Waferbreite stark abfallen, ergibt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein deutlich moderate- rer Verlauf über eine größere Waferbreite. Dies bedeutet, dass in Folge des geringeren Temperaturgradienten deutlich geringere thermisch bedingte Spannungen auftreten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen (14, 16) an Halbleitersubstraten (10, 10', 10", 10"'), insbesondere an Silizium-Solarzellen, mit den Schritten:
Bestrahlen einer ersten Fläche (14) des Halbleitersubstrates mit einem Laser (20) im Infrarotbereich, so dass sich ein Laserstrahl (22) bis zur einer der ersten Fläche (14) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) ausbreitet und
Erhöhung der Absorption für den Laserstrahl (22) im Bereich der zweiten Fläche (16) zur Erzeugung einer Schmelzfront, die sich ausgehend von der zweiten Fläche (16) in Richtung zur ersten Fläche (14) hin ausbreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Fläche (16) zumindest im Bereich des Laserstrahls (22) derart behandelt wird, dass sich eine erhöhte Absorption für Infrarotstrahlung ergibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Erhöhung der Absorption an der zweiten Fläche (16) durch eine mechanische Behandlung, insbesondere durch Aufrauen, durch Aufbringen einer Absorptionsschicht (18, 18"') oder durch Anschmelzen mit einem Laser bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für ein Siliziumsubstrat eine IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 900 bis 1200 Nanometern, bevorzugt im Bereich von 950 bis 1150 Nanometern, weiter bevorzugt im Bereich von 1000 bis 1100 Nanometern, weiter bevorzugt im Bereich von 1040 bis 1100 Nanometern, besonders bevorzugt im Bereich von 1050 bis 1090 Nanometern, ganz besonders bevorzugt von 1064 Nanometern verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Bestrahlung ein gepulster Laser (20) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Bestrahlung ein YAG-Laser (20) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung mit dem Laser (20) unterbrochen wird, wenn der durchgehende Bereich (24"') zwischen der ersten (14) und der zweiten (16) Fläche vollständig aufgeschmolzen ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf der zweiten Fläche (16) eine Precursor-Schicht (18"'), bei Silizium vorzugsweise Phosphor, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, aufgebracht wird, die während des Aufschmelzens des Materials eine Dotierung des durchgehenden Bereiches (24"') bewirkt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Bestrahlung mit dem Laser (20) so lange fortgesetzt wird, bis die Schmelzfront die erste Fläche (14) erreicht hat und das aufgeschmolzene Material aus dem durchgehenden Bereich nach außen austritt, so dass eine Kavität (24) entsteht, die sich zwischen der ersten (14) und der zweiten (16) Fläche erstreckt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Kavität (24") durch einen nachfolgenden Metallisierungsschritt mit einem Metall gefüllt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserleistung bei Erreichen einer bestimmten Schmelztiefe so erhöht wird, dass das Halbleitermaterial im Innern verdampft und eine Trennung des Halbleitersubstrates bewirkt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserleistung bei Erreichen einer bestimmten Schmelztiefe so erhöht wird, dass das Halbleitermaterial im Innern verdampft und die dahinter liegende Schmelze austreibt.
13. Halbleitersubstrat, insbesondere Silizium-Solarzelle, mit einem aufgeschmolzenen durchgehenden Bereich (24"'), der sich zwischen einer ersten Fläche (14) des Halbleitersubstrates und einer gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) erstreckt.
14. Halbleitersubstrat nach Anspruch 13, bei dem der aufgeschmolzene, durchgehende Bereich (24"') mit einer Dotierung versehen ist.
15. Halbleitersubstrat nach Anspruch 14, bei dem der aufgeschmolzene, durchgehende Bereich (24"') elektrisch leitfähig ist.
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