在設置有層的半導體襯底上制造金屬接觸部的方法

專利名稱：在設置有層的半導體襯底上制造金屬接觸部的方法
在設置有層的半導體襯底上制造金屬接觸部的方法本發明涉及一種用于在半導體器件如太陽能電池上制造尤其是帶狀的導電金屬接觸部的方法，所述太陽能電池在表面側在襯底上具有層、如介電層，所述介電層如由例如氮化硅、氧化硅、氧化鈦構成的鈍化層。目前在市場上可獲得的太陽能電池和太陽能模塊的超過90%利用晶體硅作為太陽能電池材料。該太陽能電池的主要部分基于如下方法其中首先板狀或者片狀襯底的接近表面的區域作為初始晶片利用擴散方法與基本材料(襯底)的摻雜相反地通過擴散工藝來摻雜，其中初始晶片基本上具有均勻的初始摻雜。通常，P摻雜的Si初始晶片利用磷擴散在至少一個表面上(通常是接收光的側)或者該表面的一部分上被η摻雜。然而，η摻雜的晶體Si初始材料也用作太陽能電池材料，并且借助擴散工藝(例如利用硼)或者合金工藝 (鋁)在表面至少之一上或者表面的一部分上被P摻雜。工業制造的硅太陽能電池的主要部分基于金屬一膏一接觸部，它們在半導體結的兩側截取電流并且傳輸到收集接觸部(所謂的條/匯流條或者焊劑島/焊盤)，其允許將焊劑接頭焊上并且將太陽能模塊中的太陽能電池彼此電連接。用于建立太陽能電池接觸的金屬膏例如能夠實現穿過介電層如SiNx:H、Si02、Ti0x等等來接觸硅表面。主要的是，目前使用帶有較小的重量份額的玻璃料或者部分其他無機添加劑的Ag膏，其在比較高的溫度情況下(700°C — 900°C)燒結。在典型比較短的燒結工藝期間，在有機組成部分如溶劑和粘合劑燃盡之后，典型地僅僅經歷非常短的燒結工藝的最高溫度(“peak firing，最高燃燒”; "sintering spike，燒結尖峰”)。在燒結工藝期間，包含于Ag膏中的玻璃料(其包含金屬氧化物)首先變軟，然后變成液體的并且將太陽能電池的表面潤濕。玻璃料和其他無機添加物通常選擇為使得其刻蝕穿過可能在晶片表面上存在的介電層。在玻璃熔體中包含的金屬氧化物在氧化還原反應中與硅表面相互作用。在此，形成SiOx和被還原的金屬離子，它們溶解在熔體中。玻璃熔體于是部分地刻蝕到硅表面中并且^Vg被熔融的玻璃以及其中包含的金屬離子溶解。在冷卻工藝期間，Ag外延沉積在硅表面上、優選沉積在<111>表面上。在原始的硅表面上形成Ag晶粒，其在冷卻工藝之后通過又固體化的玻璃中間層而在空間上并且很大程度上彼此電分離。在該玻璃層上在燒結之后有燒結在一起的Ag顆粒構成的導電的結構。這樣制造的在硅和Ag之間的接觸部的導電性由于沉積在硅表面中的Ag晶粒和燒結在一起的Ag顆粒結構之間的受限導電的玻璃層而受到限制。該導電性通過玻璃層的厚度以及其中溶解的金屬沉淀物確定，其提高了針對載流子的隧穿概率。借助其他金屬膏至硅的接觸同樣可以實現。元素如Ag、Ni、Pd、&1、Ti、Hk Sn、釙、Bi、Al、B等等多年來已經在膏中通常用作氧化形式的組成部分，或者使用在玻璃基質中，以便建立至硅的接觸。然而，如果要穿過介電層(通常是硅表面上的有利的鈍化層)來接觸，則包含玻璃料并且在較高的工藝溫度(大于玻璃熔點)情況下烘烤的^Vg膏是優選的，因為其在此是比較簡單的方法，同時可以實現高的產量以及工業經濟性。在硅中形成的Ag晶粒的密度和大小(橫向或者侵入深度)以及玻璃層的厚度在此強烈地取決于熱處理或者所使用的玻璃料(類型、數量、顆粒大小分布)以及其他的無機添加物、以及在燒結/灼燒膏的情況下的爐氣氛。在此變得困難的是，最佳的晶體密度和導電性最好的、即最薄的玻璃層不一定可以在相同的熱處理情況下實現，使得合適的溫度變化曲線通常是兩個要求的折衷，并且此外必須可再現地達到，以便實現最優的結果。因此，工藝窗口相當小。目前開發的Ag膏和其他金屬膏以及相關的施加、燒結和接觸方法(其適于接觸工業晶體的Si太陽能電池并且在大范圍中使用)具有一系列缺點。這些缺點包括
膏接觸部至硅的高的接觸過渡電阻，尤其是在低摻雜的硅表面的情況下(<<1(^°摻雜原子/cm3)。·由于多孔的接觸結構和在接觸結構中的玻璃成分導致膏接觸部的比較低的導電性。導電性相比于純金屬層明顯降低。·初始金屬如Ag的比較高的份額是必須的，以便實現接觸部的足夠高的導電性。由此，導致提高的消耗材料成本和不必要的遮擋損耗。·尤其是當追求具有高施加強度的窄接觸線，以便減少在太陽能電池前側上的光遮擋和/或以小的橫向導電性接觸發射體時，由于膏中的顆粒大小以及接觸線的所需的橫截面導電性聯合膏施加方法如絲網印刷而限制了可實現的最小接觸線寬度。·在太陽能電池表面上的有限附著強度以及接觸部的有限耐久性。接觸部的金屬結構或者玻璃層在焊接以及在與模塊復合結構中形成的材料長時間相互作用的情況下在冷卻工藝中(在燒結或者焊接之后)相互作用。在此，熱學和機械影響因素例如材料復合結構的不同膨脹系數以及可能的化學相互作用是起作用的。所提及的影響會在產品壽命期間不利地持久影響太陽能電池的功率以及其接觸部，即相應的應用環境中的太陽能模塊。 由此得到必須的折衷，這些折衷考慮在太陽能模塊的制造和工作期間與所有合適的材料和原料的相互作用，以便保證所要求的壽命以及在太陽能電池層面上(至少暫時)可實現的最高效率。·目前市面上可用的Ag膏并不適于接觸帶有小的表面摻雜材料濃度的磷發射體來使得能夠實現低的接觸過渡電阻并且同時在太陽能電池情況下實現高的填充因數。作為結果，產生了工業上使用的晶體Si太陽能電池的在高摻雜的發射體(>102°P原子/cm3)中的復合損耗，這些太陽能電池可以利用Ag膏來接觸。由此，限制了太陽能電池的短路電流禾口效率。 在Ag膏中使用含有重金屬的玻璃料如Ι^0Χ、CdOx并且由此使用對于健康和環境有害的組成部分，其在模塊復合結構中可能不再滿足將來的歐洲電子工業方針。 在Si太陽能電池上的所印刷的金屬接觸部的接觸結構是多孔的并且由此對于在無電流的或者電鍍的、用于從溶液中沉積(鍍覆)金屬的含水溶液中的后續處理并非毫無限制地被適用，因為所使用的用于沉積金屬的溶液的殘留物會留在或者包含在多孔結構中，并且以后在模塊復合結構中會導致損害接觸部并且由此損壞太陽能模塊。由此產生的缺點尤其是效率損失、模塊分層、接觸部和太陽能電池褪色。由US-A-4，703，553公開了一種用于制造太陽能電池的擠壓方法。為了構建背側接觸部，將含鋁的膏施加到背側上延伸的氧化層上。通過隨后的熱處理，要將Al顆粒在其表面上氧化，由此要將位于其下的氧化層局部地去除。留下的鋁顆粒與太陽能電池的襯底材料形成合金。借助HCl溶液，隨后將襯底上留下的鋁和氧化鋁的殘留物去除。在這樣暴露的區域之下于是有高摻雜的P+區域。US-A-2002/0153039的主題是制造一種太陽能電池，在其外側上施加氧化層。在前側上于是印刷P2O5材料，并且在背側上印刷化03材料，以便構建磷硅酸玻璃層或者硼硅酸玻璃層。通過熱工藝，在前側區域或者背側區域中隨后構建高摻雜的n++或者P++層。磷硅酸玻璃層(PSG)或者硼硅酸玻璃層(BSG)然后借助流體酸被刻蝕掉。由此，使得氧化層的鄰接區域也被部分地一同侵蝕。隨后，進行導電接觸部的施加。鄰接的氧化層的部分應當在完全去除PSG層和BSG層之后還保留。本發明所基于的任務是，改進一種用于在半導體器件如太陽能電池的表面上制造導電金屬接觸部的方法，使得在良好機械強度的情況下出現小的過渡電阻。也應當將金屬接觸部的面延伸最小化，以便在作為半導體器件的太陽能電池情況下將遮擋保持得盡可能小。此外，在表面區域中的可靠接觸應當是可能的。為了解決該任務，本發明提出了一種用于在半導體器件如太陽能電池上制造至少一個尤其是帶狀導電的金屬接觸部的方法，其在表面側在半導體襯底上具有層、如介電層如鈍化層，所述方法包括以下方法步驟
-線狀、帶狀和/或點狀地施加液體到層上，該液體至少包含金屬構成的顆粒和玻璃料構成的顆粒，其中顆粒的表面可選地被涂層或者被氧化，和/或該液體可選地附加地包含金屬氧化物顆粒；
-通過熱處理將液體完全硬化，同時 -通過燒結金屬顆粒來構建連貫的金屬結構， 一在金屬結構和半導體襯底之間構建玻璃層，以及
一在半導體襯底中構建金屬區域，這些金屬區域通過玻璃層與半導體襯底上的金屬結構分離，
-通過刻蝕去除進行分離的玻璃層，并且由此同時通過掏蝕去除金屬結構，而在此并不去除生長到半導體襯底中的金屬區域，
-為了形成所述至少一個導電接觸部，從溶液中無中間層地沉積導電材料到半導體器件的生長至半導體器件中的金屬區域上，在這些金屬區域上面玻璃層和金屬結構層已被去除，同時將襯底中在這些區域中存在的金屬區域導電連接。在此所基于的是，金屬區域在熱處理期間通過含有金屬氧化物的玻璃熔體與半導體材料如Si材料的氧化還原反應以及半導體材料的蝕鏤并且隨后的外延沉積來形成。尤其是規定，使用附加地包含金屬氧化物的液體作為所述液體。作為液體，尤其適用膏，然而也適用墨水或者氣溶膠，其中其組分必須保證穿過如鈍化層的層的穿通刻蝕。然而，液體優選是帶有小的重量份額的玻璃料或者部分其他無機添加物的膏，如這從現有技術中已知的那樣，并且其刻蝕穿過層、如介電層、如鈍化層。在膏中也可以存在有機組成部分如溶劑和粘合劑。下面將半導體襯底上存在的層(如果存在這樣的層)原則上稱為介電層，而不應當由此進行對根據本發明的教導的限制。目前單級的、通過帶有隨后的對所施加的金屬膏的干燥和燒結的膏施加方法用于接觸半導體器件的金屬化接觸部通過多級方法來替代，其中(相應于現有技術)首先以窄的線或者帶或者點狀地施加液體如金屬膏，將其干燥并且燒結。但是，隨后如下程度地去除所施加的接觸結構，使得金屬接觸結構位于其上的玻璃層或者金屬氧化物層被很大程度上被除去，并且僅僅金屬晶粒區域保留在半導體器件表面上，它們直接形成至半導體即襯底的歐姆接觸，并且由此使得用于接觸過渡電阻的隧道機制多余。在除去多孔的金屬結構和玻璃層之后，由此局部地在之前烘烤接觸線或者接觸點的位置上通過晶粒(例如外延沉積的 Ag晶粒區域)給出至要施加在晶粒上的金屬層的歐姆連接。所保證的是由于通過液體尤其是金屬膏在熱處理如熔融中出現的刻蝕作用，在襯底表面上存在的介電層被局部地敞開，使得通過其在小的過渡電阻情況下為隨后的金屬層保證了所希望的導電接觸。尤其是，可以電鍍地或者無電流地沉積金屬層如Ag、Ni、Cu、 Pd、Ti、Sn、Al。在此，它們可以以所希望的順序和/或厚度以及必要時相繼地或者相疊地被沉積。不是根據現有技術地借助金屬膏基本上通過施加膏并且隨后熱處理或者燒結來制造至半導體材料如硅的電接觸，根據本發明使用了多級方法
在第一級中，在對應于現有技術的類似或者匹配的方法中將液體如包含金屬的膏施加到半導體器件的所希望的區域上、如太陽能電池表面上，并且在隨后的干燥和燒結方法中將介電層如鈍化層穿通刻蝕，并且金屬區域如硅中的金屬晶粒在最高燒結溫度之后冷卻時在半導體材料如硅中外延地生長。在冷卻過程中，在使用Ag膏的情況下溶解在玻璃熔體中的金屬如Ag被沉積。該沉積優選也在如下部位進行在這些部位上，半導體表面如Si表面通過氧化還原反應來蝕鏤。在那里，出現金屬(如Ag)晶體(或晶粒)的外延生長。相比于現有技術，也適用其他液體組分如膏組分、膏的其他線寬度和施加高度以及其他的燒結條件，因為這樣形成的接觸部僅僅是至最終的接觸部的中間級，并且由此可以不同地優化。根據本發明，也可以逐點地施加液體，尤其是以點排列的形式來進行，以便以后建立導電連接。熱處理或者燒結在I^g XTsa的溫度下進行，其中Tsa為玻璃料的熔融溫度，其中優選的是7000C <T燒結<1000°C。在第二級中，首先在附加的刻蝕步驟中部分地去除這樣形成的接觸部。在此，例如在液體酸中或者其他氧化物還原性的溶液中去除玻璃層，該玻璃層在燒結的Ag膏接觸部中將Ag晶粒和Ag顆粒結構彼此分離，使得僅僅在半導體表面如Si表面外延生長的Ag晶粒還與半導體如硅接觸，而其余的液體結構如膏結構被去除。對于金屬顆粒結構如Ag顆粒結構，要說明以下內容。在玻璃料的溫度和熔融的影響下將金屬顆粒燒結。在此，玻璃料尤其是也減少了來自金屬顆粒表面的金屬。在冷卻之后，形成連貫的金屬結構，然而該結構具有比致密的金屬層更小的密度和導電性。在另一工藝步驟中，在第三級中直接將具有比開始在燒結的金屬接觸部情況中更高導電性以及更低的接觸過渡電阻的金屬層沉積或者施加到連貫的或者緊密相鄰的Ag晶粒的剩余結構上。通過金屬層，將^Vg晶粒導電地彼此連接。為此適用所有如下方法這些方法無需明顯的經濟或者方法技術上的額外花費而能夠在模塊復合結構中實現具有改善的導電性和/或長期穩定性的接觸部，以及能夠實現在半導體材料中生長的金屬區域(該方法的第一級)和現在沉積于其上的金屬層之間的金屬接觸。為此，例如如下方法是適合的其在常見的Ag膏的情況下選擇性地將化學溶液中的金屬沉積到生長于半導體中的金屬區域(例如Ag晶粒)上，并且借助其在相同的條件下在半導體表面如Si表面或者介電層上沒有沉積金屬。這例如可以是無電流的或者電鍍的金屬沉積方法，其中從含水溶液中將金屬選擇性地沉積到在半導體中生長的金屬區域上，因為在那里選擇性地存在著相對于太陽能電池表面其余區域的有利的電化學電勢。因為在從化學溶液沉積時金屬層的典型生長主要是各向同性地進行，所以在沉積工藝期間緊密相鄰的晶粒金屬區域島一起生長，使得在所希望的區域中整體上又得到連貫的導電接觸結構。接觸過渡電阻明顯小于原始產生的金屬液體接觸部如金屬膏接觸部的情況，因為在進行分離的玻璃層內不再需要隧道機制，而是 ^Vg晶粒一方面直接與半導體如硅良好導電地接觸，并且另一方面直接與接觸線的導電層金屬接觸。接觸部的線導電性可以在接觸部的相同或者更小橫截面情況下被明顯改進，因為其不再是帶有玻璃成分的多孔接觸結構，而是可以沉積具有高導電性的堅固的、致密的金屬層。尤其規定，導電金屬以寬度B來施加，其中Β<100μπι，尤其是Β<60μπι，優選 Β<40 μ m,特別優選Β<20 μ m，和/或導電材料以Η<15 μ m,尤其是Η<10 μ m,優選Η<5 μ m，尤其優選Η<1 μ m的施加高度來施加。不同于現有技術，在半導體襯底和尤其是電鍍地或者無電流地從溶液施加的、形成導電金屬接觸部的材料層之間進行直接接觸，使得相比于現有技術形成小得多的過渡電阻。根據現有技術存在的在半導體襯底和形成金屬接觸部的導電層之間的隔離層被省去。在銀的情況下(其在半導體襯底中形成晶粒)，根據現有技術原則上需要起隔離作用的玻璃基質。根據Konstanz 大學的 G. Schubert (2006)的"Thick Film Metallisation of Crystalline Silicon Sloar Cells Mechanisms, Models, Applications，，的論文，使用了有機基質，其同樣起隔離作用，使得出現不希望的過渡電阻。此外，Schubert并不意圖制造帶有金屬接觸部的太陽能電池。更確切地說，根據^^！！-汁的觀點研究了 在構建于襯底中的Ag晶粒和施加于其上的導電銀之間可以建立何種程度的導電連接。然而，使用導電銀來連接各晶粒區域并不適于連接太陽能電池，因為導電銀由于其價格而在經濟上不可用， 并且此外其既不選擇性地將Ag晶粒區域潤濕，也不導致如下接觸部這些接觸部可以在光電技術中使用的焊接方法之后被接觸，以便將太陽能電池在模塊復合結構中持續地彼此導電連接。此外，Schubert將導電銀以一個寬度來施加，該寬度導致遮擋，該遮擋會導致太陽能電池的明顯效率降低。在建立金屬接觸的多級形式情況下可以減少液體如膏中的Ag成分或者一般而言的金屬成分以及總體上減少所施加的金屬的量，因為在金屬液體接觸部如膏接觸部的第一施加情況下，該接觸部的明顯較小的橫截面足夠。該接觸部僅僅必須在硅中產生合適的晶粒區域，并且在玻璃層之上的金屬結構中無需實現特別導電的橫截面，使得一方面在金屬膏的情況下可以明顯減少所應用的重量份額，并且另一方面其組分可以僅僅在半導體器件中的金屬區域形成和所希望的理想燒結工藝方面進行優化。在此完全允許的是，例如相對于膏中的金屬份額明顯提高玻璃份額，雖然這會導致進行分離的玻璃層不是特別能導電。 只要在此在接觸部灼燒之后在半導體器件中在金屬區域上形成高的面密度，則這可以視為有利的，因為由此進行分離的玻璃層也更容易在第二部分方法步驟中被去除，并且更高的玻璃份額可以在半導體材料中在金屬區域上構建更大的面密度。在除去玻璃層(刻蝕工藝) 之后沉積金屬層時，沉積具有更高導電性的致密金屬層，使得所需的金屬份額總體上可以比在目前通常的金屬膏接觸部情況下更小。除了工藝優點和改進的太陽能電池效率，該事實證明了附加的加工步驟的經濟上的可用性。因為在施加金屬膏的情況下僅僅需要小的施加高度，所以適用附加的用于施加金屬膏的方法，這些方法目前在工業制造太陽能電池的情況下可能并不經濟或有利地被使用。其例如是移印或者膠印、噴墨方法、氣溶膠噴射方法和其他已知的方法。因為在應用膏的情況下的施加高度對于以后的膏的導電性不再是決定性的，所以也可以應用明顯更窄的接觸部(在使用改進的絲網和/或膏的情況下也借助絲網印刷來進行)。即使在印刷構圖中的小的中斷(甚至在各并列排列的點上)一只要它們在隨后的構建導電層的情況下(在將玻璃層和金屬顆粒結構刻蝕掉之后)又可以被閉合一在此也是可接受的。在從溶液中電鍍或者無電流地沉積金屬的情況下，這例如通過所沉積的層的橫向生長以及各金屬晶粒區域的共同生長來實現。為了制造將晶粒區域連接并且直接接觸的導電層，存在除了從化學溶液中沉積金屬之外適用的多種方法。于是也存在如下金屬膏其在比較低的溫度情況下實現導電層以及良好的機械附著，而可以并不刻蝕穿過介電層或直接接觸硅。在此，至已經生長到半導體器件中的金屬晶粒區域的小的歐姆接觸過渡電阻已經足夠。也適用焊接方法如熱學方法或者超聲方法以及用于接觸金屬區域的其他連接方法。在此，材料選擇并不局限于目前在太陽能行業常見的金屬。根據方法，也適用材料復合結構。該附加的自由度的使用導致更小的接觸過渡電阻、金屬接觸線的改進的線導電值、太陽能電池的更小的光遮擋以及接觸部的更好的焊接特性。太陽能電池具有更好的效率和填充因數、在模塊復合結構中更好的持久性、在金屬表面上的減少的復合，以及必要時更小的制造成本。此外，借助金屬膏接觸部可以消除對于目前工業制造的晶體Si太陽能電池的最大阻礙。目前，弱摻雜的發射體區域(在Si中的磷表面濃度<<1(Γ磷原子/cm3)的接觸并非是有利地可能的。在試圖接觸低摻雜的硅表面的情況下，必須使用較高的工藝溫度、金屬膏中的侵蝕性的玻璃料、膏組分中的較高的玻璃料重量份額或者較長的工藝時間。與在傳統接觸部中的情況相比，這導致在金屬結構和硅中形成的晶粒區域之間更強烈地構建玻璃層。然而，這導致接觸過渡電阻強烈地增大，并且對于太陽能電池的填充因數起限制作用。 然而，如果玻璃層可以在燒結工藝之后被完全去除，并且直接在生長的金屬區域上得到接觸部，于是可以得到小的接觸過渡電阻，只要在其上的液體如膏被優化為在窄的距離中產生足夠的晶粒島，而并不將污物引入半導體結中。必要時，必須為此將發射體區域特別地匹配。根據本發明，可能的是，合適地接觸也弱摻雜的、可良好地鈍化的發射體表面，并且在這種太陽能電池情況下實現高的填充因數值。與減少的遮擋損耗結合，由此可以將工業太陽能電池與高效實驗室太陽能電池的最大差別克服。結果，可以預計在工業上借助這里描述的方法制造的太陽能電池的明顯更高的效率。根據本發明，可以在太陽能電池上施加金屬接觸部，其中在ρ導電襯底的情況下， 發射體(η導電)具有摻雜材料原子如磷的濃度c為c<l(f°原子/cm3，尤其是c<5X IO19原子/cm3，尤其是c IO19原子/cm3。根據本發明的方法的特征在于，至硅的接觸主要在硅中外延生長的金屬晶粒的界面上進行，并且晶粒區域通過高導電性的層彼此連接成為連貫的接觸結構，這些接觸結構耦合到太陽能電池的匯流排或者匯聚點(條/匯流條或者焊劑島/焊盤)上。雖然根據本發明的方法在前面首先以含Ag的液體如膏來闡述，然而并未由此給出根據本發明的教導的限制。而是，可以使用液體如膏、墨水、氣溶膠，它們作為金屬顆粒針對Ag替代地或者補充地例如包含Ni、Cu、Pd、Ti、Sn、Al、它們的組合或者合金。尤其是，在根據本發明的方法中可以使用膏，這些膏除了金屬和/或金屬原子和/ 或玻璃料之外也包含選自 Pb、Cd、Zn、Bi、Sn、a、Al、P、B、Ti、Pd、Tl、Zr、Li、Ga、Ni 或者 Si 的組的至少一種元素的氧化物。優選的是，根據本發明的方法用于如下太陽能電池其接觸側的鈍化層由SiOx、 SiNx:H、Ti0x、Al203、SiN0x、SiC或者其他在半導體器件領域中常見的鈍化層構成或者包含它們。所述液體尤其是通過印刷方法如絲網印刷、膠印、移印、轉印或者分配方法 (Dispensverfahren)、噴墨方法、氣溶膠噴射方法、粉末涂層方法(如其從拷貝技術中已知的那樣)或者其他可選性涂層方法來施加。也可以在第一方法步驟中將液體施加到半導體器件的表面上，所述液體包括含 Ag、含Ni、含Pd、含Ti的粉末或者其他含金屬的粉末或者顆粒形式的金屬化合物(例如由包含合金或者金屬氧化物的混合物構成)。在尤其是通過刻蝕或者還原氧化層而暴露的、生長在半導體中的金屬層或者金屬區域上的金屬沉積可以從溶液進行，該溶液包含Ag、Ni、Cu、Pd、Ti、Al和/或Sn。在用于構建接觸部的電鍍金屬沉積方法中(其中在接觸部灼燒時生長到半導體中的各個金屬區域被連接)，光誘導的對電鍍電勢的影響可以是有利的。由此例如可能的是， 通過在半導體器件如太陽能電池中形成的電壓以及在相應的照明強度情況下相應的光電流來控制沉積速率以及沉積選擇性0 比于在P區域上的接觸部，影響至η區域的接觸部上的沉積速率)。然而，至金屬區域的導電連接也可以通過焊接方法如超聲焊接方法或者熱焊接來進行。如金屬火焰噴射的方法也是可能的，只要由此選擇性地將所希望的區域彼此電連接，并且在生長于半導體中的金屬區域和所沉積的金屬層之間形成直接歐姆接觸。本發明的其他細節、優點和特征不僅從權利要求、由這些權利要求可提取的特征 (本身和/或組合)中得到，而且也可以借助由以下附圖中可提取的優選實施例來得到。其中


圖1至圖5示出了用于在太陽能電池上制造金屬接觸部的方法。在附圖中純粹原理性地示出了太陽能電池10作為半導體器件，其應當完全普遍地代表半導體器件，并且例如示出P導電的硅襯底12、背部接觸部14和η++前部區域(發射體)16，其用于構建發射體16和襯底12之間的ηρ結。這是必須的，以便可以將由入射的電磁輻射產生的載流子分離并且通過背部接觸部14和前部接觸部18來截取電流或電壓。前部接觸部18的構型在下面借助圖1至圖5來進一步闡述。此外，從太陽能電池10的原理圖中得到的是，發射體16被介電層如鈍化層20覆蓋，該鈍化層在硅襯底的情況下可以由SiNx:H構成。
包含金屬原子的液體被施加到鈍化層20上，其中該鈍化層也實施抗反射層的功能。隨后，借助Ag膏來對其進行闡述，而不應由此將根據本發明的教導進行限制。為了構建金屬接觸部18，將Ag膏以帶22、24的形式施加到鈍化層20上并且進行干燥。銀膏尤其是包含金屬顆粒、玻璃顆粒和/或金屬氧化物、溶劑、有機粘結劑和添加劑。 然后，執行熱處理，其在太陽能電池上制造金屬接觸部即前部接觸部時也稱為灼燒或燒結。 在相應的熱處理情況下，玻璃基質或者金屬氧化物基質將Ag顆粒結構以及電鈍化層20潤濕，并且局部地刻蝕穿過該層20 (圖2)。在冷卻的情況下，于是Ag晶粒沈、觀沉積在發射體16中(圖3)。根據本發明，于是原來施加的金屬結構、即在灼燒或者燒結之后存在的銀膏組成部分以及在銀膏之下存在的鈍化層20的區域被去除。這可以通過還原性或者刻蝕性的化學處理步驟來進行，其將灼燒或者燒結期間在發射體16上形成的玻璃層或者金屬氧化物層基本上完全去除，如這從圖4中表明的那樣。優選的是，進行玻璃層或者金屬氧化物層的掏蝕，使得其連同位于其上的金屬接觸結構以及在襯底上存在的層在玻璃層或者金屬氧化物層的區域中被去除。僅僅只有生長到發射體16中的晶粒沈、觀保留，其一直伸到發射體 16的表面(區域30，32)。必要時，在晶粒沈、28的表面上存在的氧化層被去除。然后，優選電鍍地或者無電流地從溶液將金屬沉積到相應的區域30、32上，以便構建金屬接觸部或者前部接觸部18 (圖5)。沉積的金屬層必須能夠實現至剩余的金屬接觸部即晶粒沈、28的良好的歐姆導電性，并且由此將硅中的晶粒彼此之間導電連接。根據現有技術存在的在晶粒沈、觀和前部接觸部之間的中間層并不存在。在構建金屬前部接觸部18時優選的方法參數和材料從下面的實施例中得出。下面示例性地補充地進一步闡述本發明。根據本發明的教導的應用的一個優選形式例如是將銀膏施加到太陽能電池的光敏側上，該光敏側設置有η+發射體和位于其上的SiNx H鈍化層。銀膏通常以線性等距的布置來施加。為此，例如考慮絲網印刷方法，其以Imm至3mm的距離來施加典型寬度為40 μ m 至140μπι的Ag膏線。垂直于這些線，通常施加同樣長形的具有銀膏的區域，其明顯更寬。 在太陽能電池前側上的所謂的“匯流條”或者匯流接觸部通常為0. 5mm至3mm之間寬，并且表現為關于電池中央對稱的兩個或三個匯流接觸部。在制成太陽能電池之后，這些匯流接觸部用于將焊劑接頭焊上，由此在太陽能模塊中的太陽能電池可以彼此之間電連接。在這里所描述的方法中，被印刷上的Ag膏接觸部的高度可以選擇得明顯低于在傳統方法中的情況(在傳統方法中僅僅使用了絲網印刷接觸部)，因為接觸部的實際的線導電性通過將接觸線的電鍍強化而產生。替代絲網印刷接觸部的大約ΙΟμπι到15μπι的典型施加高度，1 μ m到10 μ m的施加高度也是完全足夠的。在應用Ag膏并且干燥之后，并且必要時也在接觸部印刷在太陽能電池的背面上之后，將這些接觸部在高溫灼燒步驟中在典型為780°C到840°C的情況下燒結，并且穿過氮化硅鈍化和抗反射層燒到發射體區域的硅中。 在此，在接觸部之下的氮化硅層被刻蝕掉，并且玻璃金屬熔體的發射體區域的部分被減少。 在冷卻接觸部時，Ag外延地從熔體被沉積在硅中。隨后，玻璃金屬熔體被固化，并且通常將金屬沉淀物留在玻璃層中，其將在硅中生長的、外延沉積的Ag晶粒與原來施加的Ag膏的接觸結構分離。在隨后的工藝步驟中，優選將這樣產生的太陽能電池在濕化學連續式方法中通過還原金屬接觸部的氧化區域和玻璃層的溶液(例如緩沖的HF溶液)而在預先確定的工藝時間上(典型在一分鐘的范圍內)連續地轉移到滾筒傳送裝置上，其足以將在金屬結構和^Vg晶粒之間進行分離的玻璃層掏蝕。在此，太陽能電池優選以前側向下地被處理，以便保證原始接觸線的金屬結構由于Ag的高密度而在濕化學連續式裝置的池中在下部積聚并且在那里有目的地被提取。在隨后的沖洗步驟之后，太陽能電池繼續進入隨后的濕化學裝置用于光電鍍地 (Iichtgalvanischen)沉積Ag，如其例如由Freudenstadt的khmid公司所提供的那樣。在該裝置中，在暴露的、生長到硅中的Ag晶粒區域上繼續沉積Ag。因為從含水溶液中沉積金屬幾乎各向同性地進行，所以相鄰的晶粒區域共同生長并且又沿著原始應用的接觸線形成總體上連貫的導電接觸部。該接觸部的導電性明顯好于絲網印刷的Ag接觸部的導電性，并且可以通過電鍍增強的施加高度來確定。所形成Ag接觸部具有緊湊的橫截面，沒有值得一提的多孔性并且由此幾乎具有Ag的導電性。至硅的接觸通過在Ag晶粒和沉積的Ag之間的直接歐姆金屬接觸而相對于絲網印刷接觸部的原始接觸過渡電阻被明顯改善。有時可以是有意義的是，在附加的處理步驟中在合成氣體氣氛下在大約250°C至450°C的情況下將接觸特性進一步改善10分鐘至90分鐘。但是這里描述的方法并不局限于該應用例子或者太陽能電池的前側接觸部。本發明也并不局限于太陽能電池，而是本發明涉及其上要施加導電接觸部的所有類型的半導體器件。總之，術語“太陽能電池”因作為近義地被理解。此外，當在半導體襯底上并不存在層時，也沒有離開根據本發明的教導，因為其他的方法步驟就此而言是創造性的。
權利要求
1.一種用于在半導體器件如太陽能電池上制造至少一個尤其是帶狀的導電的金屬接觸部的方法，該半導體器件在表面側在半導體襯底上具有層、如介電層、如鈍化層，所述方法包括以下方法步驟-線狀、帶狀和/或點狀地施加液體到該層上，該液體至少包含金屬構成的顆粒和玻璃料構成的顆粒，-通過熱處理將液體完全硬化，同時-通過燒結金屬顆粒來構建連貫的金屬結構，一在金屬結構和半導體襯底之間構建玻璃層，以及一在半導體襯底中構建金屬區域，這些金屬區域通過玻璃層與半導體襯底上的金屬結構分離，-通過刻蝕去除進行分離的玻璃層，并且由此同時去除金屬結構，而并不去除生長到該半導體襯底中的金屬區域，-為了形成所述至少一個導電接觸部，從溶液中無中間層地沉積導電材料到該半導體器件的生長至該半導體器件中的金屬區域上，在其上已去除了玻璃層和金屬結構層，同時將襯底中在這些區域中存在的金屬區域導電連接。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，所述金屬區域通過構建由金屬和/或金屬原子構成的晶粒來制造。
3.根據權利要求1的方法，其特征在于，作為液體使用附加地包含金屬氧化物和/或將金屬顆粒的表面涂層和/或氧化的液體。
4.根據權利要求1的方法，其特征在于，使用膏、墨水和/或氣溶膠作為液體。
5.根據至少權利要求1的方法，其特征在于，將如下層施加到太陽能電池上作為層、尤其是介電層其由SiNx:H、SiO2, TiOx、A1203、SiNOx, SiC的組中至少一種材料構成或者包含該材料。
6.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，所述液體如膏通過印刷方法如絲網印刷、膠印、移印和/或轉印，通過分配方法、噴墨方法、氣溶膠噴射方法、粉末涂層方法來施加到表面上。
7.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，所述液體帶狀、網狀或者星形地被施加。
8.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，所述液體點狀地、尤其是以布置成行的點的形式地被施加。
9.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，使用包含Pb、Cd、Zn、Bi、Sn、Sb、 Al、P、B、Ti、Pd、Tl、Zr、Li、Ga、Ni或Si的組中至少一種氧化物的液體作為液體。
10.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，作為金屬顆粒使用如下金屬顆粒其包含Ag、Ni、Cu、Pb、Ti、Sn、Al的組中至少一種金屬或者其一種或者多種合金。
11.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，被干燥的液體通過刻蝕如濕化學或干化學刻蝕方法或者等離子刻蝕方法來去除。
12.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，通過電鍍或者無電流的金屬沉積方法來將該導電材料施加到所述半導體器件的表面上。
13.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，替代從溶液中沉積導電材料，通過焊接方法如超聲焊接方法或者熱焊接或者通過燃燒方法如火焰噴射來施加所述導電材料。
14.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，使用金屬膏作為導電材料。
15.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，光誘導地影響導電材料的電鍍沉積。
16.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，所述導電材料以寬度B來施加， 其中Β<100 μ m,尤其是Β<60 μ m,優選Β<40 μ m,特別優選Β<20 μ m。
17.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，所述導電材料以如下施加高度來施加Η<15 μ m,尤其是Η<10 μ m,優選Η<5 μ m,特別優選Η<1 μ m。
18.根據上述權利要求至少之一的方法，其特征在于，使用如下半導體襯底，該襯底在其要與導電材料接觸的區域中具有摻雜材料濃度C，其中C<102°原子/cm3，優選C<5X IO19 原子/cm3，尤其是C ^ IO19原子/cm3。
全文摘要
本發明涉及一種用于在半導體器件上制造導電的金屬接觸部的方法，其在表面側在半導體襯底(12)上具有層(20)。為了在良好的機械強度的情況下出現小的過渡電阻，提出了如下方法步驟－施加包含顆粒的液體到層上，其中顆粒至少包含金屬顆粒和玻璃料，－將液體完全硬化，同時通過熱處理在襯底(12)中構建金屬區域(26，28)，－去除被完全硬化的液體，包括層的被液體覆蓋的區域，－為了形成接觸部，從溶液中無中間層地沉積導電材料(18)到半導體器件的區域中，在這些區域中去除了層，同時將襯底(12)中在這些區域中存在的金屬區域(26，28)導電連接。
文檔編號H01L31/0224GK102232245SQ200980147447
公開日2011年11月2日 申請日期2009年11月26日 優先權日2008年11月28日
發明者舒伯特 G., 恩斯特 I., 霍策爾 J., 羅特 P., 道維 S., 德羅斯特 T., 施密特 W. 申請人:肖特太陽能股份公司