在有機樹脂材料中形成開口的改進方法

專利名稱：在有機樹脂材料中形成開口的改進方法
技術領域：
本發明一般性涉及用于半導體器件制造領域，具體而言，本發明提供一種用于在薄膜半導體器件中形成金屬接觸和其它結構的方法中的改進加工步驟。還提供一種用于薄膜光電器件的新型器件結構。
背景技術：
薄膜光電(PV)模塊相比于傳統晶片基模塊的主要優點在于低成本生產的潛力。然而，實際上難以實現節省成本，因為成本的主要部分是制造工序所涉及的加工步驟的數量和復雜程度，并且這方面的成本可快速超過所節省的材料成本。具體來說，需要精確校準的步驟數量或用來執行步驟的裝置速度可與成本具有很強的關系，工藝穩定性也是如此，在某些情況下這導致需要額外的補救步驟或由于材料劣化導致成品性能下降。因此，降低校準要求、減少步驟數量、減少對設備的損傷或允許步驟更快執行的工藝改進提供明顯的優點。

發明內容
本發明提供一種以預定圖案在有機樹脂薄膜材料中形成開口從而形成蝕刻掩模的方法，該方法包括a)將腐蝕性蝕刻劑液滴涂布在有機樹脂材料薄膜表面上將要打開所述樹脂膜的位置處；b)在蝕刻劑已經蝕刻穿過有機樹脂而暴露出下方表面之后，將蝕刻劑從有機樹脂膜和開口中洗去。
在本發明的優選實施方案中，將蝕刻劑涂布在有機樹脂材料薄膜表面上的步驟包括a)將支撐表面的結構置于工作臺上；b)將噴墨打印裝置定位在所述表面上方并與所述表面貼近，噴墨裝置和工作臺相互之間可相對移動；c)將蝕刻劑裝入所述噴墨裝置中；d)在控制裝置的控制下，使所述表面和所述噴墨裝置相互之間相對移動；和e)當所述表面和所述噴墨裝置相互之間相對移動時，控制所述噴墨裝置以將預定量的蝕刻劑以預定圖案沉積在所述表面上。
優選工作臺是X-Y平臺并且所述噴墨裝置是固定的，從而通過移動所述噴墨裝置下的工作臺而實現所述表面與打印頭的相對移動。
在本發明的一個實施方案中，所述表面是形成在支撐結構或襯底上方的有機樹脂薄層(例如0.1-10μm)，并且蝕刻劑是腐蝕性溶液。所述有機樹脂優選是線型酚醛樹脂或類似樹脂，如常用的光刻膠。腐蝕性溶液優選例如氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)溶液。在根據本發明的優選方法中，所述溶液是15％的氫氧化鉀溶液。還優選在所述溶液中加入適量甘油，以提供適合于噴墨裝置正確粘度，同時加入添加劑以便調整表面張力和蒸發速率。
所述噴墨裝置例如可以是Ink Jet Technologies Inc.制造的128ID、64ID2或64-30型號的噴墨打印頭。所述打印頭要求5-20厘泊的溶液粘度。


現在將參照附圖(未按比例繪制)通過實施例說明本發明的實施方案，其中圖1是在玻璃襯底上涂布抗反射涂層和在抗反射涂層上沉積摻雜的半導體膜的初始步驟之后的半導體器件的截面圖；圖2是圖1器件在完成刻線步驟以形成分隔各單元區域的單元隔離槽和在半導體層上涂布絕緣層之后的截面圖；圖3是采用噴墨技術、具有適合于直接涂布絕緣蝕刻劑的噴墨打印頭的X-Y平臺的示意圖；圖4是蝕刻劑圖案已經直接沉積在絕緣層上之后的圖2器件的截面圖(略微向左偏移)，目的是打開絕緣層的需要接觸半導體層的下層n+型區的區域；圖5是絕緣層已經打開之后圖4器件的截面圖，其中打開的區域需要接觸半導體層的下層n+型區域；圖6是進一步的蝕刻步驟完成之后的圖5器件的截面圖，所述蝕刻步驟的目的是在需要接觸半導體層的下層n+型區的區域中除去一些摻雜的半導體膜；圖7是回流步驟之后的圖6器件的截面圖，所述回流步驟是在通過移除需要接觸半導體層下層n+型區的區域中一些摻雜半導體膜而形成的孔中流入一些絕緣層，已經將腐蝕性溶液的圖案直接沉積在絕緣層上以打開需要接觸半導體層上層p+型區的區域中的絕緣層；圖8是腐蝕劑已經打開需要接觸半導體層上層p+型區的區域中的絕緣層之后的圖7器件的截面圖；圖9是已經進行進一步蝕刻步驟之后的圖8器件的截面圖，所述蝕刻步驟的目的是清洗需要接觸半導體層上層p+型區的區域中所破壞的材料的摻雜半導體膜表面；圖10是已經涂覆金屬層以接觸半導體層的p+和n+型區并且互連相鄰單元之后的圖9器件的截面圖；圖11是已經斷開金屬層從而在每一單元內隔離與p+和n+型區接觸之后的圖10器件的截面圖；圖12是圖11的部分器件的背視圖(硅側)；和圖13是部分已完成的器件的圖，說明相鄰單元之間的互連。
具體實施例方式
參考附圖，圖1示出部分半導體結構11，它是下述光電器件制造方法的前體。半導體結構11形成為涂布在玻璃板形式的襯底22上的半導體薄膜，襯底上已涂有氮化硅抗反射薄涂層71。抗反射涂層71厚度為80nm。為了優化性能，該半導體薄膜包含總厚度為1-2μm、優選1.6μm的多晶硅膜12。多晶硅膜12具有60nm厚的上p+型區13和40nm厚的下n+型區以及隔離p+和n+型區的1.5μm厚的本生或輕微摻雜的p型摻雜區14。p+型和n+型層內的薄膜電阻優選為400-2500Ω/□，具有總共不超過2×1014cm-2個硼。對于n+型材料典型值為約750Ω/□，對于p+型材料的典型值為1500Ω/□。p+型和n+型層的典型厚度為20-100nm。所述玻璃表面優選具有紋理結構以促進光捕獲，為了簡潔，附圖中未示出上述紋理結構。
劃分單元如圖2所示，硅膜12被所劃的隔離槽16分隔成多個單元。這是通過在需要隔離槽16來限定各光電單元邊界的襯底區域上掃描激光而實現的。為了劃刻出槽16，將結構11轉移至位于激光器下方的X-Y平臺(未示出)上，該激光器在1064nm處工作并產生聚焦激光束73從而在硅中切割隔離槽。聚焦激光束以使上述槽的寬度最小，該區域為無效區域。通常，需要0.11mJ的脈沖能量以完全消融硅膜并形成寬度為50μm的隔離槽。為了確保所述槽連續，連續脈沖之間交迭50％。最優單元寬度為5-8mm，典型單元寬度為6mm。
如圖2所示，優選在硅表面上使用兩層絕緣層并在上述激光劃刻步驟之后增加上述絕緣層。第一絕緣層是任意薄但堅固的蓋氮化物(cap nitride)72。該層沿激光劃刻后的單元限定槽16邊緣保護暴露的硅并使硅表面鈍化。蓋氮化物72優選在幾分鐘內被完全蝕刻，以允許進入n型和p型接觸位置的硅，并且其通常包含通過300-320℃溫度下的PECVD沉積的60nm氮化硅。
在施加蓋層72之前，將結構11轉移至含5％氫氟酸溶液的容器中持續一分鐘。這是為了除去殘留的碎屑和可能形成的任何表面氧化物。將所述結構在去離子水中清洗并干燥。
第二絕緣層17是有機樹脂薄層。絕緣樹脂耐氫氟酸(HF)和高錳酸鉀(KMnO4)的稀溶液，并且優選在10-6mbar的真空中穩定。最常用的絕緣材料是類似于用于光刻膠(但不含任何光活性化合物)中的線型酚醛樹脂(AZ P150)。該線型酚醛樹脂優選負載20-30％的白色二氧化鈦顏料，用以改善遮蓋性并賦予其白色，這改善其光學反射性從而有助于在硅中捕獲光。樹脂層17用作下述蝕刻步驟的蝕刻掩模，而且覆蓋沿單元限定槽16的邊緣形成的粗糙表面，該區域易于在蓋氮化物層72中形成針孔。有機樹脂層17還使金屬層和硅之間熱絕緣和光學絕緣，從而有利于在下述形成接觸的加工步驟中形成金屬層激光圖案。
采用噴涂器在每個模塊上涂布4-5μm厚的線型酚醛樹脂。涂布結構11之后，使其經加熱燈加熱至90℃而固化。如圖2所示，絕緣層17涂布在蓋層72上方并擴展至單元隔離槽16中。打開掩模和蝕刻n型接觸開口為了使埋入的n+型層和上p+型層與將隨后形成的金屬層之間形成電接觸，必須穿過線型酚醛樹脂層17和蓋氮化物層72，在需要n型“微坑(crater)”接觸和p型“凹點(dimple)”接觸的位置處形成孔。首先，對于接觸埋入的n+型硅層的“微坑”以及打開線型酚醛樹脂層17和蓋氮化物層72而言，必須從之后將成為n型金屬墊的區域中移除大多數的硅膜12以形成n型接觸開口32。參考圖3、4和5，在線型酚醛樹脂樹脂層17中的微坑位置上利用噴墨技術開孔。為此，將結構11裝載在裝配有噴墨頭91的X-Y平臺上，噴墨頭91具有噴嘴間距為0.5mm的多噴嘴并由控制器92控制。將玻璃用真空夾盤夾持并初始掃描以確保臺上各點的變形不超過1mm。之后，將玻璃置于所述噴頭91下方以一般臺速400mm/s進行掃描。將稀(15％)氫氧化鉀(KOH)液滴76(見圖4)分布在用來形成n型“微坑”接觸的位置處。奇數噴嘴噴射至奇數單元，偶數噴嘴噴射至偶數單元，使得在給定單元中，液滴線的間距為1mm。每條線內的液滴間距為400μm，因此在臺速400mm/s下，液滴的釋放速度為1kHz。調節液滴尺寸使得在樹脂層中蝕刻出直徑為約100μm的圓形開口。KOH溶液在幾分鐘之后即移除液滴76區域內的樹脂絕緣體17，以形成圖5所示的孔32。
開口32是相互間隔的孔，因而接觸形成之后，其在半導體層中保持側向連續。噴墨打印方法是將腐蝕性溶液液滴以可控方式涂布，從而僅移除將形成n型接觸的區域的絕緣體。所述腐蝕性溶液優選含有氫氧化鉀(KOH)，還可以含有氫氧化鈉(NaOH)并包含用于粘度控制的甘油。用于該目的的打印頭為Ink Jet TechnologiesInc.制造的128ID、64ID2或64-30型號，并且所要打印的物質的粘度為5-20厘泊。通過打印頭沉積的液滴尺寸為20-240皮升，對應的沉積液滴直徑為50-150μm。在優選實施方案中，所打印的液滴直徑為100μm。應該注意線型酚醛樹脂是非常接近于光刻膠材料用樹脂的有機樹脂，并且上述蝕刻劑打印方法同樣適用于使其他材料形成圖案。
為了如圖6所示將開口32擴展至硅層12中，將結構11在水中清洗以除去來自噴墨打印過程中的殘留KOH，隨后將其浸入含5％氫氟酸溶液的容器中持續1分鐘，以從n型接觸開口32中除去氮化硅。隨后，將上述板直接轉移至含4％氫氟酸(HF)和0.1％高錳酸鉀(KMnO4)的容器中持續4分鐘。這段時間足夠去除所有的p+型層并沿晶粒邊界向下蝕刻，從而暴露出適合于上述硅厚度的一些n+型層，然而，對于不同的硅層厚度、硅晶體質量和表面紋理化程度應該調整時間。隨后將結構11用去離子水清洗并干燥。
硅12中所得到的開口32具有粗糙底表面82，其中某些點可被蝕刻貫通到達抗反射層71，而某些隆起83延伸進入輕微摻雜的p型區14，如圖6所示。然而，一旦某些n+型區暴露出來，就可形成對n+型區的良好接觸。因為p型區在n+型區附近區域輕度摻雜，因此在孔32底部還留有部分p型材料時，存在側向電導不足，導致短路。
掩模回流因為孔32的側壁穿過p+型區和輕度摻雜區14，因此所述側壁需要絕緣以防止p-n結短路。這通過使絕緣層17回流來實現，使得開口32邊緣附近的部分絕緣層78流入孔內形成覆蓋側壁的覆蓋物79，如圖7所示。為此，將上述板穿過含合適溶劑的蒸氣區域。這使得絕緣層的線型酚醛樹脂絕緣層17發生回流，以收縮微坑開口32的尺寸。當樣品離開該區域時，將其在加熱燈下加熱至90℃溫度以驅走殘留的溶劑。
回流速度隨所用溶劑的侵蝕性、濃度和溫度而變化。有多種適于溶解有機樹脂如線型酚醛樹脂的揮發性溶劑，例如丙酮。丙酮是適用于本方法的合適溶劑，但其侵蝕性非常強，僅需幾秒鐘就使孔32的側壁被樹脂覆蓋，且難以精確控制該過程。優選溶劑是丙二醇單甲基醚乙酸酯(PGMEA)，并且將器件于室溫(21℃)下置于含飽和PGMEA蒸氣的氣氛中持續4分鐘，直至觀察到絕緣層中的孔輕微收縮。
打開掩模和清洗p型接觸開口隨后，再次利用圖3、4中所述的打印和蝕刻方法，在絕緣層17中形成另一組孔19(見圖8)。通過將腐蝕性溶液的液滴81打印在需要p型“凹點”接觸的位置處的絕緣體上從而形成這些開口。在利用腐蝕性溶液移除絕緣層17而形成開口19(見圖8)之后，用水清洗掉所有殘留的腐蝕性溶液，并且利用5％的氫氟酸(HF)蝕刻1分鐘來移除開口19中的蓋層72(注意可能需要10秒-10分鐘的時間來移除氮化物層，這取決于其化學計量)。任選地，隨后利用1％氫氟酸(HF)和0.1％高錳酸鉀(KMnO4)蝕刻10秒鐘，之后用去離子水清洗以提供輕微凹陷的接觸“凹點”85，從而移除p+型區13表面上的任何所損壞的硅材料，以允許形成良好接觸，如圖9所示。該蝕刻長度足夠長以除去表面的等離子體損傷而不一直經由p+型層13蝕刻。該長度也足夠短，以使對n型接觸的影響可以忽略。
形成金屬接觸器件制造的最終階段包括沉積金屬層和切片，使其形成多個獨立的電連接，每個單元從p型凹點接觸的一條線上集電并將電輸送至相鄰單元的n型微坑接觸線。這樣，就得到單元的單片電路互連。
施加金屬層之前，將結構11浸入含0.2％氫氟酸溶液的容器中持續20秒鐘。該氫氟酸從微坑和凹點接觸上除去表面氧化物。蝕刻強度和持續時間的范圍很寬。隨后，將該結構用去離子水清洗并干燥。
參考圖10，用于n型和p型接觸的接觸金屬同時施加，這是通過在絕緣層17上沉積薄金屬層28并延伸至孔32和19，從而使n+型區15和p+型區13的表面82和85接觸而進行的。金屬層優選是純鋁薄層，其與n+型和p+型硅形成良好接觸，提供良好的側向電導，并且具有高光學反射性。鋁的厚度一般為100nm。
隔離n和p型接觸通過利用激光器86(見圖10)熔融和/或蒸發金屬層28，由此形成如圖11所示的隔離槽31，從而實現n型和p型接觸的隔離。當激光器脈沖工作時，少量金屬直接在光束下消融而得到孔31。
利用在1064nm處工作的激光器加工結構11，從而在金屬層28中劃刻隔離槽28。調節激光器，使其經由金屬層28進行劃刻，而不損壞硅12。這些刻痕31在每個單元中使n型接觸與p型接觸隔開，同時保持每個單元與其相鄰單元之間的串聯連接。優選激光器條件為脈沖能量0.12mJ，且光束聚焦直徑為約100μm。脈沖交迭50％，且刻線間距為0.5mm。此外，沿每個單元的限定槽16存在不連續的刻痕34(見圖12)。
圖12示出通過上述方法制得的部分器件的背視圖，從中可見器件11的每一單元包含細長的光電元件35a、35b、35c、35d，上述元件沿其長軸被多個橫向金屬刻痕31所分隔，其分別隔離交替組的孔19和孔32，提供與單元的p+型和n+型區的接觸。橫向刻痕31被制成基本筆直的長刻痕，延伸跨越器件長度，使得每條刻痕穿過每個細長的單元。
形成第一組刻痕31之后，在相鄰單元11之間的單元分隔刻痕16上方形成另一組隔離刻痕34，以隔離每個第二單元對。延伸至任一細長的橫向刻痕31的任一側的金屬隔離刻痕34相對于同一橫向刻痕31的另一側的金屬隔離刻痕34偏移一個單元，以使單元通過交替偏置的連接矩陣36而形成串聯連接，將一個單元35的一組p型接觸19連接至相鄰單元35的一組n型接觸32，如圖12所示。
金屬隔離線31包含橫穿單元35的第一組長刻痕，寬50-200μm，優選寬約100μm。該刻痕通常距離中心0.2-2.0mm、優選約0.5mm，以形成約0.2-1.9mm、優選約0.4mm寬的導電條。隔離線34包含平行于單元35的長度方向的第二組中斷的刻痕，且基本與硅中的單元隔離槽16一致。隔離線34也形成為50-200μm寬，優選約100μm寬。在形成橫向隔離線31之前也可以形成隔離線34。所述刻痕區域以斷面線示于圖13中。
圖13示出部分已完成的結構，其示出連接一個單元的n型接觸與相鄰單元的p型接觸以提供單元的串聯連接。實際上，可以有多個n型接觸成為一組，多個p型接觸成為一組，然而為了清楚起見，在每一單元中僅示出一個接觸。示于圖13的排列也是硅中隔離槽16的示意圖，并且實際上金屬中的隔離槽31相互垂直，如圖12所示。
本領域技術人員將理解，可以對如特定的實施方案所示的本發明進行各種變化和/或更改，而不偏離所廣泛描述的本發明的精神和范圍。因此，本發明實施方案在各方面均應認為是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種以預定圖案在有機樹脂材料薄膜中形成開口從而形成蝕刻掩模的方法，該方法包括a)將腐蝕性蝕刻劑液滴圖案涂布在有機樹脂材料薄膜表面上將要打開所述樹脂膜的位置處；b)在蝕刻劑已經蝕刻穿過有機樹脂而暴露出下方表面之后，將蝕刻劑從有機樹脂膜和開口中洗去。
2.權利要求1的方法，其中所述有機樹脂材料是形成在支撐結構或襯底上方的有機樹脂薄層(例如0.1-10μm)。
3.權利要求1或2的方法，其中所述有機樹脂材料是線型酚醛樹脂。
4.權利要求1、2或3的方法，其中利用氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)溶液形成掩模中的所述開口。
5.權利要求1、2、3或4的方法，其中將稀(15％)氫氧化鉀液滴分布在希望打開掩模的位置處。
6.權利要求1、2、3、4或5的方法，其中將蝕刻劑涂布在有機樹脂材料薄膜表面上的方法包括a)將支撐表面的結構置于工作臺上；b)將噴墨打印裝置定位在所述表面上方并與所述表面貼近，所述噴墨裝置和工作臺相互之間可相對移動；c)將蝕刻劑裝入噴墨裝置中；d)在控制裝置的控制下，使所述表面和所述噴墨裝置相互之間相對移動；和e)當所述表面和所述噴墨裝置相互之間相對移動時，控制所述噴墨裝置以將預定量的蝕刻劑以預定圖案沉積在所述表面上。
7.權利要求6的方法，其中在蝕刻劑中加入甘油，以將反應物質的粘度調節至噴墨裝置所需的粘度。
8.權利要求6或7的方法，其中在蝕刻劑中混入添加劑，以調節表面張力和蒸發速率。
9.權利要求6、7或8的方法，其中所述噴墨裝置是Ink Jet Technologies Inc.制造的128ID、64ID2或64-30型號的噴墨打印頭。
10.權利要求9的方法，其中反應物質的粘度調節至5-20厘泊。
11.權利要求6、7、8、9或10的方法，其中所述工作臺是X-Y平臺并且所述噴墨裝置是固定的，使得通過在噴墨裝置下移動所述工作臺來實現光電器件和打印頭之間的相對移動。
全文摘要
將有機樹脂材料如線型酚醛樹脂薄膜(17)用作蝕刻掩模，并且以預定圖案在掩模中形成開口(32)以允許在由所述開口限定的選擇區域中進行加工。通過將腐蝕性蝕刻劑的液滴(76)圖案涂布在將要形成開口的區域中而形成開口(32)，蝕刻劑例如是氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)。使用噴墨打印機(90)涂布液滴(76)，該噴墨打印機(90)掃描整個有機樹脂表面反復涂布所述液滴。液滴(76)的尺寸限定開口(32)的大小并且允許完全移除液滴(76)下方的有機樹脂(17)。在蝕刻劑已經蝕刻貫穿有機樹脂而暴露出下方表面(12)之后，將蝕刻劑從有機樹脂和開口(32)中洗去。
文檔編號H01L27/142GK1853257SQ200480025936
公開日2006年10月25日 申請日期2004年9月9日 優先權日2003年9月9日
發明者特雷沃·林賽·揚, 帕特里克·拉斯韋爾 申請人:Csg索拉爾有限公司