® BUNDESREPUBL1K DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENT- UNO MARKENAMT
® Offenlegungsschrift
DE 19819 200 A1
@ Aktenzeichen:
@ Anmeldetag:
(43)
Offenlegungstag:
198 19 200.2
29.
4.98
11. 11.
99
®
Int. CI.6:H01 L 31/0224
H 01
L31/18 H
01 L21/60
® Anmelder: @
Erfinder:Fraunhofer-Gesellschaft zur Forderung der Liidemann,
Ralf,79100 Freiburg, DE; Schaefer,
angewandten Forschung
e.V.,80636 Munchen, DE Sebastian, 79106 Freiburg, DE
®
Vertreter:® Entgegenhaltungen:
Gagel,
R., Dipl.-Phys.
Univ. Dr.rer.nat., Pat.-Anw.,DE
196
21487 A1
81241 Munchen DE
196 15 663 A1
WO 96
01494 A
1
WO 88 03 709 A1
Die
folgenden Angaben sind den vom Anmelder
eingerelctrtenUntorlagen entnommen
Prufungsantrag gem.
§44 PatG
ist gestellt(g)
Verfahren
zurHerstellung von Kontaktstrukturen
inHalbleiterbauelementen
(57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von
Kontaktstrukturen in Halbleiterbauelementen, insbeson- dere Solarzellen,
sowie
Halbleiterbauelemente mit diesen Kontaktstruktu ren.Gemafi einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung war-den nach dem
Positionieren einerAtzmaske
uber einer er-sten Schicht bzw. Schichtfolge Vertiefungen durch die er-
ste Schicht bis in eine darunterliegende zweite Schicht geatzt.
Das
Atzen erfolgt so,daS
dieAtzmaske
unteratzt wirdund/oder zumindest
ein Bereich der ersten Schicht negative Flanken erhalt.Anschlie&end
wird elektnsch leit- fahiges Material in die Vertiefungen eingebracht,wobei
die
Atzmaske oder
die erste Schicht eineSchattenmaske
fur
das
Einbringendes
Materials bildet. DasleitfahtgeMa-
terial wird nur bis zu einer
Hdhe
in die Vertiefungen ein-gebracht, bei der
noch
kein Kontaktzwischen dem
leitfa-higen Material
und
der ersten Schicht bestebt.Die Strukturen erlauben erstmals die Kontaktierung der Basis
durch den
Emitterohne
zusatzlicbeMaskierung.
Die Erfindung ermoglichtdadurch
eine einfachereund
ko~stengunstige Herstellung
von
Metallkontaktenan
Solar- zellen.00 CD LU
BUNDESDRUCKEREI
09.99902
045/112/1 22DE 198 19
l
Beschreibung
Die Erfindutig betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von
Kontaktstrukturen in Halbleiterbauelementen, insbesondere Solarzellen,sowie
Halbleiterbauelemente mit diesenKon-
5taktstrukturen.
Die
Erfindung beziehL sich insbesondere auf Strukturen vonGraben
oderLochern und
Verfahren zu ihrer Realisierung, die neuartige Kontaktierungenvon
Solarzel-len ermoglichen.
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische io Energie
umwandeln.
Ublicherweise bestehen sie aus einen HalbleitermaLeria], das Bereiche bzw. Schichten unter- schiedlicher Beweglichkeit fur positiveund
negative La- dungstrager, n- bzw. p-leitende Bereiche, enthalt.Die
Berei- chewerden
als Emitter bzw. Basis bezeichnet.Durch
einfal- 15lendes Licht erzeugte positive
und
negative Ladungstragerwerden
getrenntund konnen
durch aufden
jeweiligen Be-reichen vorgesehene metallische Kontakte abgeftihrt wer-
den.
Zur
nutzbaren elektrischen Leistung der Solarzellen tragen entsprechend nur solche Ladungstrager bei, die die 20 Kontakte erreichenund
nicht vorher miteinem
jeweils an- deren Ladungstrager rekombinieren.Die
metallischen Kontaktewerden
in der Regel durchAufdampfen von
Metall, das anschlieBend galvanisch ver- dickt wird, durch stromloseAbscheidung von
Nickel oder 25 durchAufdrucken
einer Metallpaste auf die Oberflache der zu kontaktierenden Bereiche hergestellt.Wenn
sich dieseBereiche nicht uber die gesamte Solarzellenoberflache er- strecken oder aus anderen Griinden (z. B. Abschattung des Lichts, erhohte
Rekombination am
Kontakt, etc.) das Metall 30nur stellenweise aufgebracht
werden
darf, wie weiter untenbeschrieben, wird dies durch
Verwendung von Masken
beider Herstellung sichergestellt.
Beim Aufdampfen von
Metall wird ublicherweise eine photolithographisch hergestelltelackmaske
(3) direkt auf 35 die Oberflache der zu kontaktierenden Schicht (1) aufgetra- gen, wie dies in Fig. la dargestellt ist.Danach
wird eineMe-
tallschicht (4) aus
dem Metalldampf
(5) ganzflachig auf der Oberflache abgeschiedenund
dieLackmaske
entfemt.Eine andere Moglichkeit der Strukturierung besteht
im
40 Auflegen bzw.Aufklemmen
einer Schattenrnaske (3), wie in Fig. lb gezeigt.Die
weiteren ProzeBschritte erfolgen wie inVerbindung mit Fig. la beschrieben.
Zum
Aufbringen derMetallisierung sind auch Druckverfahren anwendbar.
Auch
hierbei
werden Masken,
beispielsweiseSiebdruckmasken
45(3) oder vorgeformte Klischees (Stempel- oder
Tampon-
druck), eingesetzt. Fig. lc zeigt das Siebdruckverfahren, bei
dem
Metall inForm
einer Metallpaste (6) mittels eines Ra-kels (7) in die
Zwischenraume
derMaske
gedriickt wird.Die mit den gerade beschriebenen Verfahren hergestellten 50 Metallkontakte
werden
meist in einerkammartigen Form
realisiert, d. h. sie bilden sog. Grids.
In der einfachsten
Form
bestehen Solarzellen aus ganzfla- chigen Basis-und
Emitterbereichen,wobei
der Emitter meist auf derdem
Lichtzugewandten
Seite (Vorderseite) 55 liegt (siehe Fig. 2).Dadurch kann
die Basis durch ganzfla-chiges Aufbringen
von
Metall auf der Ruckseite kontaktiert werden.Der
Emitter wird miteinem
Grid kontaktiert, mitdem
Ziel, moglichstwenig
Licht durch Reflexionam Me-
tallkontakt fur die Solarzelle zu verlieren.
Man
spricht von 60der Abschattung der Solarzelle durch die Kontaktierung. Je geringer die Abschattung, d. h. je
mehr
Licht in die Solar- zelle gelangen kann, desto grofier ist die Stromausbeute der Zelle pro Flache,und
somit der Wirkungsgrad.Um
einenStrom
transport mitgeringem
Widerstand zu garantieren, 65 dtirfen derAbstand
der Gridfinger nicht zu groB,Anzahl und
Querschnitt nicht zu klein gewahlt werden. Eine gewisse AbschattungmuB
also inKauf genommen
werden.200 A 1
0
Fig. 2 zeigt eine Solarzelle mit der Basisschicht (1), der Emitterschicht (2)
und dem
Emittergrid (8) zur Kontaktie- rung des Emitters. Die Vorderseite,von
der das Licht (10) einfallu wird durch die Emitterschicht (2) gebildet.Auf
derRuckseite der Basisschicht (1) ist der Basiskontakt (9) ganz-
flachig aufgebracht.
Eine Moglichkeit, die Abschattung durch die Metallkon-
takte zu verringem, besteht darin, die Gridfinger hoch
und
schmal zu gestalten, wie dies in S.W.Glunz
et al., Optimi- zed High-Efficiency Silicon Solar Cells with Jsc=
42 mA/cm
2and n =
23.3%, 14thEU-PVSEC
Barcelona,Spain (1997), vorgeschlagen wird.
Dadurch
wird die von den Kontakten abgedeckte Solarzellenflache verringert,ohne
den Querschnittund
damit die Leitfahigkeit des Grids zu verringern.Das
Verfahren erfordertjedoch eine spezielleLackmaske,
die sicherstellt,
daB wahrend
der galvanischen Verdickung des aufgedampften Metalls das Grid nur in dieHone
wachst.Das Aufdrucken
soleher feiner Kontakte ist nachdem
heuti-gen Stand der Technik nicht moglich.
In der
US 4726850
wird ein anderes Konzept, die sog."buried contactcell", vorgestellt. Diese basiert auf durch La-
ser erzeugten
Graben
(siehe auchUS
4626613), die mit Metall gefullt werden.Die
Abschattung der Solarzelle wird dabei durch die Breite derGraben
bestimmtund
kann mini- miert werden,wahrend
durch die Tiefe derGraben
der Querschnitt der Kontakte erhalten bleibt. Ein weiterer Vor-teil von solchen vergrabenen Kontakten liegt in der grofieren Kontaktflache zwischen Metall
und
Solarzelle,wodurch
der Kontaktwiderstand herabgesetzt wird.Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin,
daB
das Erzeugen derGraben
mittels Laserein sehr aufwendiger ProzeB ist. HierbeimuB
der Laserstrahl iiber eine prazise Ablenk- oder Verfahreinrichtung uber die gesamte Oberfla- che der Solarzelle gefuhrt werden.Durch
dieEinwirkung
des Laserstrahls wird
zudem
die Solarzelle geschadigt, so daB dieGraben
anschlieBend geatztwerden
mussen,um
diegeschiidigte Schicht abzutragen. Dies gilt auch fur
mecha-
nisch erzeugte, beispielsweise gesagte, Graben.
Neben
der Steigerung des Wirkungsgrades stellen die Vereinfachung der Herstellungund
die Entwicklung billige-rer Ausgangsmaterialicn die wichtigsten Herausforderungen
fur die Solarzellentechnologie dar.
Bezogen
aufdie Kontak-tierung bedeutet der Verzicht auf
Masken
bei der Metallisie- rung eine erhebliche Vereinfachung.Zwei
kurzlich be- schriebene Verfahren zurmaskenlosen
Herstellungvon
Grids basieren auf der Texturierung der Oberflache durch gesagteGraben
ahnlicheinem Sagezahn
muster.So
wird inM.
Verbeek et al, MechanicallyGrooved
High-Efficiency Silicon Solar Cells with Self-Aligned
Me-
tallisation, 25th
IEEE-PVSC
Washington, U.S.A. (1996), ein erstes Verfahren vorgeschlagen, beidem
durch schragesBe- dampfen
aufgrund der gegenseitigen Abschattung nur die Spitzen der "Sagezahne" metallisiert werden. Dies ist sche- matisch in Fig. 3a dargestellt.Die
Figur zeigt die gesagte Oberflache einer zu kontaktierenden Schicht (1), an deren Spitzen durch schragesBedampfen
(5) nur einseitig eine Metallisierung (4) erzeugt wird.Ein zweites Verfahren wird von C. Gerhards et al.,
Me-
chanically V-Textured
Low
Cost Multicrystal! ine Silicon Solar Cells with aNovel
Printing Metallization, 26thIEEE-
PVSC Anaheim,
U.S.A. (1997), beschrieben.Das
Verfahrenermoglicht durch die
Erzeugung
unterschiedlich hoher "Sa- gezahne" eine selektive Metallisierung durch sog. "roller printing", beidem
eine Metallpaste (6) mittels eines Rakels(7) aufgetragen wird, wie in Fig. 3b dargestellt.
Bei beiden Verfahren
muB
jedoch nachdem Sagen
eineca. 3-5
um
dicke geschiidigte Schicht durch Atzen entfemtDE 198 19
3
werden.
AuBerdem
eignen sie sich aufgrund derbeim Sagen
auftretenden
mechanischen Verspannungen
nicht furemp-
findliche Materialien, wie z. B. einige
bandgezogene
Mate-rialen oderdiinne abgeschiedene Schichten.
Auch
fiirDunn- schichtsolarzellen sind sie ungeeignet,da
dieminimal
er- 5zielbaren Sagetiefen meist groBer als die
Dicke
der aktiven Solarzellenschichten (3 -50pm)
sind.Im Zuge
der Entwicklungvon
billigerenAusgangsmate-
rialien
kommt dem Konzept
der Dunnschichtsolarzelle aufeinem
kostengunstigen Substrat eine besondereBedeutung
10zu.
Die
Solarzelle besteht dabei nur aus einer diinnen Halb- leiterschicht (3-50 jjm), die auf ein Tragermaterial aufge- bracht ist. Viele dieser Substrate sind allerdings nicht leitfa- hig. Deshalb kann der Kontakt zur Basis nichtvon
derRuck-
seite uber das Substrat erfolgen. Statt dessen
muB
ein sog. 15 Einseitengrid verwendet werden, das aus zwei ineinander- greifenden Grids, jeweils zur Kontaktierung der Basisund
des Emitters, besteht.
Fig,
4a
zeigt ein Beispiel flirden Aufbau
einerDunn-
schichtsolarzelle mit Einseitenkontaktierung.
Die
Basis- 20schicht (1) ist hier auf
einem
isolierenden Substrat (11) auf- gebracht. In die Basisschicht sind die selektiven Emittcrbe- reiche bzw. -schichten (2) eingebettet.Die
Kontaktierungsowohl
der Emitterbereiche als auch der Basis erfolgt durch ineinandergreifende Emitter- (8) bzw. Basisgrids (9), wie in 25 der Figur dargestellt.Das Konzept
der Einseitenkontaktierungkann
gleicbzei-tig dazu genutzt werden, auf
einem
Substrat mehrere Solar- zellen miteinander zu verschalten, wie in der deutschen Pa- tentanmeldungPI
97 15 138.8 beschrieben ist. 30Die gleichen
Ausfuhrungen
gelten auch fur die Rucksei- tenkontaktzelle,einem Konzept
fur hocheffiziente Solarzel- len,wie
sie in Fig.4b
gezeigt ist. Hier sind beide Kontakte sowie die selektiven Emitterbereiche (2) auf der Ruckseite der Basisschicht (1) ausgeflihrt,um
die Abschattung von 35 Licht (10) aufder Vorderseite vollig zu eliminieren.Werden
die Kontakte als
schmale
Grids (8, 9) realisiert,kann
auchLicht, das
von
der Ruckseite auf die Solarzelle gelangt, zurStromerzeugung
beitragen (sog. "bifacial cell").Die Realisierung dieser Einseitenkontaktierung ist bis- 40 lang allerdings nur durch sehr
aufwendige
Verfahrenmog-
lich.
Dabei
wird tiber mehrere Maskenschritte ein sog. se- lektiver Emitter erzeugt, d. h. der Emitter besteht nicht aus einerhomogenen
Schicht,sondem
aus Teilbereichen, die derForm
des Emittergrids entsprechen.Das
Herstellungs- 45 verfahren ist in Fig. 5 dargestellt.Die
Oberflache der Basis- schicht (1) wird zunachst maskiert (Fig. 5a). AnschlieBend wird das Material zurErzeugung
der Emitterbereiche (2) an den durch dieMaske
(3) vorgegebenen Stellen in die Ober-flache der Basisschicht (1) eindirTundiert (Fig. 5b). In
einem
50anschlieBenden "lift-off'-ProzeB wird die
Maske
(3) ent- fernt (Fig. 5c), sodaB
die in Fig.5d
gezeigte Struktur mit Basis (1)und
selektiven Emitterbereichen (2) resultiert.Auf
diese
Weise
bleiben an der Oberflache Bereiche, die zur Ba-sis (1) gehdren, erhalten
und konnen
an der Oberflache kon- 55taktiert werden.
Das genaue
Aufbringen derjeweihgen
Metallkontakte auf den entsprechenden Emitter- bzw. Basisbereich stellt je-doch
ein kritisches Justageproblem darund
erfordert zusatz-liche
Mask
en. 60Es
ist daher eineAufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellungvon
Kontaktstrukturen in Halblei- terbauelementen, insbesondere Solarzellen, sowie Halblei- terbauelemente mit Kontaktstrukturen bereitzustellen, die auf einfacheund
kostengiinstigeWeise
realisiertwerden
65 konnen.Weiterhin soil eine
Ausfuhrungsform
des Verfahrens die einfache Realisierungvon
Einseitenkontaktierungen von200 A 1
4
Diinnschicht-und Ruckseitenkontakt-Solarzellen ermogli- chen.
Die
Aufgabe
wird mitdem
Verfahren nachAnspruch
1, 2und
3 bzw. mitdem
Halbleiterbauelement nachAnspruch
12gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
Gegenstand
der Unteranspriiche.ErfindungsgemaB wurde
erkannt, daS eine einfacheund
kostengiinstige Herstellung
von
Kontaktstrukturen durchAtzen
der Strukturen ermoglicht wird,wobei
die eingesetzteAtzmaske
gleichzeitig alsMaske
flir das nachfolgende Ein- bringen des Kontaktmaterials, d. h. des elektrisch leitfahi- gen bzw. metallischen Materials, eingesetzt wird.Dadurch werden
das Aufbringenund
die problembehaftetegenaue
Ju stage einer weiteren
Maske
vermieden.Beim
erfindungsgemaBen
VerfahrengemaB Anspruch
1wird die
Atzmaske,
die die Position der Kontaktstrukturenfestlegt, tiber einer ersten Schicht oder Schichtfolge positio-
niert. Daraufhin
werden
Vertiefungen oderOffhungen
an den durch dieAtzmaske
vorgegebenen Stellen in die erste Schicht oder Schichtfolge geatzt. In diese Vertiefungen oderOffnungen
wird das elektrisch leitfahige Material einge- bracht, beispielsweisegemaB einem
in der Beschreibungs-einleitung in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Verfah- ren,
wobei
dieAtzmaske
auch als eineMaske
fur das Ein- bringen des Materials dient. AnschlieBend wird die Atz-maske
entfernt.Das
Verfahren eignet sich hervorragend zur Realisierung vergrabener Basiskontakte.Ein weiterer Vorteil besteht in der Tatsache, daB kein zu- satzlicher Atzschritt zur Beseitigung
von
Laser- oder Sage- schaden bendtigt wird.Im
Gegensatz zu gesagten Struktu- ren sind uberdies auchLochs
trukturen realisierbar.GemaB einem
zweiten, besonders vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 2)werden
nachdem
Positionieren der
Atzmaske
uber der ersten Schicht oder Schichtfolge, das wie beiAnspruch
1 erfolgt, die Vertiefun-gen durch die erste Schicht oder Schicht folge bis in die dar- unterliegende zweite Schicht oder Schichtfolge geatzt. Er-
findungsgemaB
erfolgt dasAtzen
hierbei so,daB
die Atz-maske
unteratzt wird. AnschlieBend wird elektrisch leitfahi- ges Material in die Vertiefungen eingebracht,wobei
die Atz-maske
aufgrund der Unteratzungund
der daraus resultieren-den uberstehenden
Rander
eine Schattenmaske fur das Ein- bringen des Materials bildet.Das
leitfahige Material wird nur bis zu einerHone
in die Vertiefungen eingebracht, bei dernoch
kein Kontakt zwischendem
leitfahigen Materialund
der ersten Schicht oder Schichtfolge besteht. Abschlie-Bend
wird dieAtzmaske
entfemt.GemaB einem
dritten, besonders vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung(Anspruch
3)werden
die ersten Schrittewie beim
VerfahrengemaB Anspruch
2 durchge-fuhrt.
GemaB dem
drittenAspekt
der Erfindung wird jedoch das Atzen der Vertiefungen so durchgefuhrt,daS
zumindestein Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge negative Flanken erhalt bzw. unteratzt wird.
Nach dem
Atzschrittkann
dieAtzmaske
bereits entfernt werden. AnschlieBenderfolgt das Einbringen
von
elektrisch leitfahigem Materialin die Vertiefungen,
wobei
indiesem
Fall der Bereich der er- sten Schicht oder Schichtfolge mit negativen Flanken auf-grund der daraus resultierenden uberstehenden
Rander
eine Schattenmaske fur das Einbringen des Materials bildet.Das
leitfahige Material wird auch hier nur bis zu einer
Hone
in die Vertiefungen eingebracht, bei der noch kein Kontakt zwischendem
leitfahigen Materialund
der ersten Schicht oder Schichtfolge besteht.Durch
die besonders vorteilhaften Aspekte der erfin-dungsgemaBen
Verfahren nachAnspruch
2und
3 laBt sichohne
zusatzlicheMaskierung
oder Isolation eine Kontaktie-DE 198 19
5
rung der zweiten Schicht durch die erste Schicht hindurch
realisieren. Dies ermoglicht beispielsweise die Kontaktie- rung einer Basisschicht durch die Emitterschicht einer So-
larzelle hindurch.
Mit den Verfahren lassen sich beliebige Muster, wie Gra- 5 ben oder Locher
und
Kornbinationenvon Graben und
Lo-chern, in
einem
Schritt realisieren.Bei
Anwendung
der Verfahren entsteht keine signifikanteSchadigung der Solarzelle,
und
das zu behandelnde Material wirdkeinem mechanischen
StreB ausgesetzt. 10Als
Atzmasken konnen
beidem
erfindungsgemaBen Ver- fahren der Anspriiche 1 bis 3 beispielsweise photolithogra- phisch strukturierte Lackschichten eingesetzt werden.Auch
die
Verwendung
beispielsweise von Oxid-, Nilrid-, oder Metallschichten alsAtzmasken
ist moglich. Besonders vor- t5teilhaft an
dem
Verfahren ist die Moglichkeit derVerwen- dung
von Schattenmasken, die ledigUch aufgelegt oder auf-gekiemmt
werden, so daB kein zusatzlicher Maskierungs-schritt erforderlich ist.
Das
Einbringen des elektrisch leitfahigen Materialskann
20 durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise die in der Be- schreibungseinleitung in Verbindung mit Fig. 1 beschriebe- nen Verfahren, erfolgen.Ein erfindungsgemaBes HalbleiterbauelemenU das
gemaB dem
Verfahren nachAnspruch
3 mit einer Kontaktstruktur 25 versehen wurde, weist Vertiefungen oderOffnungen
in der ersten Schicht oder Schichtfolge auf, die sich bis in die zweite Schicht oder Schichtfolge erstrecken.Die
Vertiefun-gen haben zumindest in
einem
Bereich der ersten Schicht oder Schichtfolge schrag verlaufende Flanken, deren gegen- 30seitige
Abstande
mit der Tiefezunehmen
(negative Flan- ken). In den Vertiefungen ist elektrisch leitfahiges Material nur bis zu einerHone
eingebracht, bei der kein Kontakt zwi- schendem
leitfahigen Materialund
der ersten Schicht oderSchichtfolge besteht. 35
Unter schrag verlaufenden Flanken sind hierbei
sowohl
geradlinige als auch
gekrummte
Flanken zu verstehen, mit anderenWorten
jede Flankenform, die von der Senkrechten(zur Oberflache der Solarzelle bzw. der ersten Schicht oder
Atzmaske)
abweicht. DiesumfaBt
selbstverstandlich auch 40 Stufen in der Flanke, die waagrecht verlaufende Bereiche, die zur VergrdBerung des Querschnitts der Vertiefung mit der Tiefe fuhren, als schrage bzw. negative Flankenim
vor- liegenden Sinne haben.Das
erfindungsgemaBe Verfahren stellt eine Verbesserung 45 bekannter Kontaktstrukturen bzw. Kontaktierungsverfahrenfur Solarzellen oder andere Halbleiterbauelemente dar.
Kernstuck des Verfahrens
gemaB Anspruch
2und
3 sind speziell geformte Vertiefungen.Die angegebenen
Atzvor-gange werden
vorzugsweise durch ein Plasmaatzverfahren 50realisiert (vgl.
Anspruch
9).Die Vertiefungen in
Form von Graben
oderLochern
zeichnen sich dadurch aus,daB
sie aufgrund gezielter Unte- ratzung bzw.Flankenform
eine teilweise Selbstmaskierung bewirken (vgl. Fig. 6,Anspruch
3). DieseForm
der Vertie- 55fungen kann durch gezielte Steuerung der
Atzung
oder auch durch unterschiedliches Atzverhalten der Materialien in ver-schiedenen Oberflachenschichten realisiert werden.
Durch
die so erzielte (Selbst-)
Maskierung werden beim
Bedarnp-fen Teile der Struktur nicht metaliisiert, so
daB
bei derMe-
60tailisierung Kurzschltisse zwischen Emitter
und
Basis ver- hindert werden.Es
ist deshalb erstmals eine Kontaktstruktur moglich, bei der die Basis einer Solarzelle nachhomogener
Diffusion des Emitters
von
der Emitterseite aus kontaktiertwerden
kann. 65Dieser SelbstmaskierungsefFekt kann neben der gezielten
Formung
der Vertiefungen auch durch Atzverfahren erreicht werden, die die zurErzeugung
der Struktur notwendige200 A 1
6
Maske
nicht angreifen, aber so unteratzen, daB dieMaske
die Flanken der Vertiefungen
wanrend
der Metallisierung teilweise maskiert (vgl. Fig. 7,Anspruch
2).Da
fur die Strukturerzeugungund
fur die Metallisierung dieselbeMaske
verwendet wird, handelt es sichum
sog. selbstjustie-rende Kontaktstrukturen.
Um
die Abschattung der Solarzelle zu minimierenund
gleichzeitig eine
hohe
Stromleitfahigkeit der Kontakteund
einen geringen Kontaktwiderstand zu gewahrleisten, sollten dieGraben
oderLocher
schmalund
tief sein, d. h. ein hones Aspektverhaltnis (Verhaltnis von Tiefe zu Breite) aufwei-scn.
Die Erzeugung
der erfindungsgemaBen Graben- oder Ld- cherstrukturenkann
nicht mittels Laser oder durch mechani- scheFormung
erreicht werden. Die Strukturen sind bei- spielsweise durch naB-chemischesAtzen
in begrenztemMaBe
realisierbar.Zum
einen kann die Eigenschaftmancher
Atzlosungen ausgenutzt werden, in bestimmte Kristallrichtungen schnel-ler zu atzen als in andere.
Auf
entsprechend geschnittenem einkristalUnem Materialkann
dies zu dengewunschten
Strukturen fuhren. Allerdings ist deren
GroBe und Geome-
trie durch die Kristailstruktur des Materials vorgegeben.
Zum
anderenkonnen
Atzlosungen verwendet werden, diein alle Kristallrichtungen gleich schnell atzen,
und
die Atz-maske
unteratzen, aber nicht angreifen. Allerdings erzeugt dieser rein isotrope Atzabtrag lediglich halbkugellornuge Strukturen, d. h. ein schlechtes Aspektverhaltnis.Vorzugsweise
werden
daher Plasmaatzverfahren einge-setzt, mit
denen
sich in vorteilhafterWeise
die Flankennei-gung
oder Unteratzung kontrollieren laBt. Mit Plasmaatz- verfahren laBt sichzudem
ein hohes Aspektverhaltnis erzie-len.
Beim
Plasmaatzenwerden
reaktive und/oder inerteGase
mittels Hochfrequenz- und/oder Mikrowellen-Einstrahlung zu
Plasmen
geziindet. Die dadurch entstehenden Radikalekonnen
mit der Probenoberflache reagieren (isotropes che- imsches Atzen) und/oder entstehende Ionenwerden
darauf durch ein elektrisches Feld beschleunigt.Im
Fall des Reaktive-Ionen-Atzens (RIE, engl.: "Reactive Ion Etching") nutztman
dabei hauptsachlich reaktive Ionen, die nicht nur Oberflachenatome heraus schlagen oder durchihre Energie
chemische
Reaktionen unterstiitzen, sondernselbst mit Oberflachenatomen reagieren konnen.
Der
gerich- tete Ionenstrom bewirkt einen anisotropen Abtrag.Durch
geschickte
Wahl
der ProzeBparameterkann
das Verhaltnisvon isotropem
und
anisotropem Atzenund
damit die Unte- ratzung bzw.Flankenform
der Strukturen gezielt beeinfluBt werden. Dies ist unabhangigvom
zu atzenden Materialund
seiner Kristallorientierung
und demnach
auch fur kosten-giinstiges multikristallines Material anwendbar.
Die
bei alien Plasmaprozessen mogliche Schadigung des behandelten Materials ist fur Solarzellen extrem kritisch.Im
Gegensatz zu
den
meisten anderen Halbleiterbauelementensoli in Solarzellen die Verlustleistung so gering wie moglich gehalten werden.
Das
bedeutet, dafi dieRekombination von
Ladungstragern weitestgehend unterdriicktwerden muB,
da-mit moglichst viele Ladungstragerdie elektrischen Kontakte
erreichen.
Um
dies zu gewahrleisten,werden im
vorliegen- den Fall extrem schadigungsarme
plasmaunterstiitzte Atz- verfahren eingesetzt, die keine negativen Einfliisse auf die Solarzelle haben. Erreicht wird dies durch geringe Ionen- energienund
eine an denjeweiligen ProzeB angepaBteKom-
bination von Atzgasen.
Die Tatsache, daB es sich bei Plasmaatzverfahren
um
trocken-chemische Verfahren handelt, erweitertden
Anwen-
dungsbereich uber den naB-chemischer Verfahren hinaus.
So
ist beispielsweise bei Einsatz eines PlasmaatzverfahrensDE 198
7
zur
Erzeugung
der erfindungsgemaBen Kontaktstrukturen in vorteilhafterWeise
dieBehandlung von
Dunnschichtsolar- zellen auf porosen Substxatmaterialien moglich.Da
Plasma-atzverfahren trockene Verfahren darstellen,
kommt
das zu behandelnde Material nicht in Beriihrung mit Flussigkeiten.Auch konnen
Schattenrnasken alsAtzmaske
verwendet wer- den,was
sehrviel kostengiinstiger ist als die fur dieNaBche- mie
notigen photolithographischenMasken.
Die
Erfindung wird nachfolgendanhand von
Ausfiih- rungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren naher erlau-tert. Hierbei zeigen
Fig. 1 Beispiele fur Metallisierungsverfahren bei Solar- zellen nach
dem
Stand der Technik;Fig. 2 ein
Schema
einer einfachen Solarzelle nachdem
Stand der Technik;
Fig. 3 Beispiele fur eine maskenlose Metallisierung
von
Sagezahnstrukturen nachdem
Stand der Technik;Fig.
4
Beispiele fur eine Einseitenkontaktierung einer Diinnschichtsolarzelle (a)und
einer Ruckseitenkontaktzelle(b) nach
dem
Stand der Technik;Fig. 5 ein Beispiel fur die Schritte zur Herstellung eines selektiven Emitters
nach dem
Stand der Technik;Fig. 6 Beispiele fur die Ausgestaltung erfindungsgemaBer selbstmaskierender Kontaktstrukturen;
Fig. 7 Beispiele fur die selbstjustierende Metallisierung aufgrund
von
Selbstmaskierung durch Unteratzen der Atz-maske gemaB einem Aspekt
der Erfindung;Fig. 8 ein Beispiel fiir die Schritte bei der selbstjustieren-
den
Herstellung vergrabener KontaktegemaB
der Erfin-dung;
Fig. 9 ein Beispiel fiir die erfindungsgemaSe
Kontak
tie-rung der Basis einer Solarzelle durch eine
homogene
Emit- terschicht hindurch;Fig. 10 ein Beispiel fur das Ergebnis der Metallisierung einer Strukturohne Einsatz des erfindungsgemaBen Verfah- rens;
Fig. 1 1 ein Beispiel fiir die erfindung
sgemaBe
Metallisie- rung von Emitterund
Basis bei Ruckseitenkontaktierung;und
Fig. 12 ein Beispiel fiir die erfindungsgemaBe gleichzei- tige Metallisierung
von
Einseitenkontaktgrids.Die
inden
Fig. 1 bis 5 dargestellten Beispiele fiir Verfah- ren zur Metallisierung, Kontaktierungund
Ausgestaltungvon
Solarzellenim
Stand der Technikwurden
bereits in der Beschreibungseinleitung erlautert.Fig. 6 zeigt Beispiele fiir Kontaktstrukturen, die durch Unteratzung von bzw. durch Atzen negativer Flanken in ei-
nem
Bereich der aufder Basisschicht (1) einer Solarzelle be- findlichen Emitterschicht (2) erzeugt wurden. Alle gezeig- ten Strukturen weisen bei derMetallbedampfung
einen Selbstmaskierungseffekt auf, sodaB
nachdem Abscheiden
des Metalls auf der Oberflache der Emitterschicht der Emit- terkontakt (8)und
in den Vertiefungen der Basiskontakt (9) in der schematisch dargestelltenForm
entsteht.Die
Vertie-fungen
werden
hierbei nur soweit aufgefullt bzw. dieAb-
scheidung des Metalls erfolgt nur solange,daB
kein Kontakt zwischen Basiskontakt (9)und
Emitterschicht (2) entsteht.Die
in der Figur dargestellten Flanken der Vertiefungen wei- sen (in denAbbildungen von
links nach rechts) negative ge- radlinige Flanken, senkrechte Flanken in der Basisschicht mit negativem Bereich in der Emitterschicht, eine beliebigeFlankenform
mitnegativem
Bereich in der Emitterschicht,und
eineFlankenform
nach isotroperAtzung
mit negativem Bereich in der Emitterschicht auf.Die
gezeigten Flankenfor-men konnen
beispielsweise durch unterschiedliches Atzver- halten in Emitterund
Basis entstehen.In Fig. 7 sind Beispiele fur die Selbstmaskierung durch Unteratzen der
Atzmaske
(3) gemafieinem
Aspekt der Er-19 200 A 1
8
findung dargestellt.
Die Bedeutung
der Bezugszeichen ent- spricht der der Fig. 6. Beidiesem
Unteratzen wird die Atz-maske
(3) selbst nicht angegriffen.Die
genaueForm
derVertiefungen spielt hierbei keine Rolle mehr, d. h. es sind
5 keine negativen Flanken in der Emitterschicht (2) wie bei Fig. 6 erforderlich.
In der rechten
Abbildung
ist eineREM-Aufnahme
einermit
dem
Verfahren realisierten Struktur dargestellt. Die Er-zeugung
dieser Struktur kann beispielsweise ineinem ECR-
10 Reaktor
im Downstream-Modus
durchgefuhrt werden. Bei Einsatz eines Atzgases wie SchwefelhexafluoridSF&
bei ei-nem
GasfluBvon 30
seem,einem Druck von
3 Pa, einerMi-
krowellenleistung
von 400W,
einer Probentemperaturvon
10°C,einem Abstand Probe-Plasma von 200 mm und
einer15 Atzzeit
von
15 rninkann
beispielsweise eine Grabentiefevon
15um
erreicht werden. Bei Einsatz zusatzlicherHoch-
frequenz-
(MB-)
Leistungvon 20 W konnen
dieGraben
inder gleichen Zeit schmaler
und
tiefer realisiert werden.Ein
Anwendungsbeispiel
(Beispiel 1) des erfindungsge-20
maBen
Verfahrens nachAnspruch
1 stellt die selbstjustie-rende Metallisierung
von
vergrabenen Kontakten in einer Solarzelle dar.Das
Verfahren stellt indiesem
Fall eine Ver- besserung der mittels Laser oder durchSagen
erzeugtenGraben
beziiglich Aspektverhaltnisund Schadigung
einer25 "buried contact cell" dar.
Erfolgt die Strukturierung der Oberflache vor derEmitter- bildung,
kann
ein Emitterkontakt realisiert werden. Erfolgt die Strukturierung aufdem
Basisgebiet der Solarzelle, wirdein Basiskontakt realisiert.
30
Zur Erzeugung
derGraben
(oder Locher) wird eineMaske
(3) verwendet. Dies kann entweder eine photolitho- graphisch erzeugteLackmaske
oder eine Schattenmaskesein.
Auch
entsprechend geoffnete, bereits vorhandene Schichten (Oxide, Nitride, Metalle, etc.) auf der Solarzelle35 (1)
konnen
alsMaske
verwendet werden.Durch
Plasmaat- zen (z. B.RIE
oder mikrowellenunterstutzte RIE-Verfahren wieECR-RIE) kann
eine sehr schmale, tiefe Struktur er-zeugt werden,
ohne
dieMaske
zu beschadigen, wie dies in Fig. 8a dargestellt ist. In Fig. 8a ist hierbei eine Unteratzung40 der
Maske
(3) zu erkennen. Diese Unteratzung istjedoch zur Realisierung der in Fig. 8b gezeigten Metallisierungsstruk-tur (4) nicht unbedingt erforderlich. Die
Maske
wird ent-sprechend auch zur Metallisierung verwendet
und
erst da- nach in einen sog. "lift-ofT-ProzeB entfemt.Nach dem
Ent-45
femen
derMaske
erhaltman
einen metallisiertenGraben
(4) (Fig. 8b). Eine Justage der Metallisierungsmaske auf die Struktur wird dadurch hinfallig.Die
Metallisierung kann entweder durchBedampfen
erfolgen, oder durch Fullen der Strukturen mit Metallpaste. Dieskann
durch Rakeln oder50 ganzflachiges
Ein weiteres erfindungsgemaBes Ausfuhrungsbeispiel (Beispiel 2) erlaubt erstmals die Kontaktierung der Basis ei-
ner Solarzelle durch einen
homogenen
Emitter, d. h. eine dieganze Oberflache
bedeckende
Emitterschicht hindurch. Dies55 ist in Fig. 9 dargestellt. Dies entspricht einer selbstjustieren-
den Kontaktierung der Basis bei Einseitenkontaktierung.
Dabei ist eine einzige
Maske
fiir dieErzeugung
der erfin-dungsgemaBen Graben
oderLocher und
die anschiieBende Metallisierung ausreichend.Sowohl
die aufwendige Her-60 stellung eines selektiven Emitters als auch die Justage der Metallisierungsmaske auf die Struktur entfalien.
Damit
stehteine einfache Solarzellenkontaktierung
von
einer Seite zur Verfugung, diesowohl
fur Dunnschichtzellen auf isolieren-dem
Substrat als auch fur Ruckseitenkontaktzellen verwen-65 del
werden
kann.Die
Graben
oderlecher werden
wieim vorangegangenen
Beispiel (Beispiel 1) durch
Verwendung
einerMaske
(3) auf der Emitterschicht (2) erzeugt (Fig. 9a). Die EmitterschichtDE 198 19
9
(2) befindet sich aufder Basisschicht (1). Bei
dem
Verfahren wird entweder dieMaske
(3) soweit unteratzt (Fig. 9bund
9d) oder die
Flankenform
der Vertiefungen so geatzt (Fig.9c), daB eine
Maskierung
des Emitters (2) bei der Metaili- sierung gewahrleistet ist.Die
Metailisierung erfolgt durch 5 Bedarnpfenund
eventuell arisehlieBende galvanische Ver- dickung des Metalls.Da
dieBedampfung
nicht genau senk-recht stattfindet,
muB
auch der Emitterbereich in der Struk-tur bzw. den Vertiefungen maskiert sein, vergleichbar
einem
Schattenwurf. Dies wird durch die erfindungsgemaBe Struk- 10 tur sichergestellt.Die Abscheidung
oder Aufbringung des Metalls darf fur die Realisierung des Basiskontaktes (9) nurbis zu einer
Hohe
innerhalb der Vertiefungen erfolgen, bei der die Metailisierung (9) noch keinen Kontakt zur Emitter- schicht (2) hat. Dies ist in den unterenAbbildungen
der Fig. IS 9b bis9d
zu erkennen.Die
dargestellte Querschnittsform der Metailisierung (9) ergibt sich aufgrund der Maskierung.Die Graben
oderLocher konnen
bei dieserAnwendung
prinzipiell auch naB-chemisch erzeugt werden.
Da
die Atz-rate dann allerdings isotrop, d. h. horizontal wie vertikal 20 gleich ist, sind nur recht breite Strukturen realisierbar, die eine entsprechend groBe Abschattung der Solarzelle oder ei-
nen hohen Kontaktwiderstand
und
geringe Stromleitfahig- keit der Kontakte mit sich bringen. Fig.9d
zeigt hierbei eineForm
der Vertiefung bzw. des Grabens, wie sie durch naB- 25 chemisches Atzen erzeugtwerden kanm
Geeignete Atzlosungen oder Materialien bzw. Kristall- richtungen oder auch die geeignete
Wahl
der Parameterbeim
Plasmaatzverfahren zurErzeugung
der erfindungsge-maBen
Strukturenkonnen
jederzeit der Fachliteratur ent- 30nommen
werden.Wird
fur die Kontaktierung keine erfindungsgemaBe Struktur mit Selbstmaskierungseffekt verwendet,und
er- folgt die Kontaktierung nicht nachdem
erfmdungsgernaBen Verfahren der Unteratzung einerMaske
(3) mit anschlieBen- 35 der Metailisierung durch dieselbeMaske,
sokommt
es zuKurzschlussen (12) zwischen Emitter (2)
und
Basiskontakt(9), wie in Fig. 10 dargestellt.
Die
Solarzelle ist damit un- brauchbar.Ein Ausfuhrungsbeispiel (Beispiel 3) fur die gleichzeitige 40 selbstjustierende Metailisierung
von
Emitterund
Basis bei Ruckseitenkontaktzellen zeigt Fig. 11.Da
bei Ruckseiten- kontaktzellen die gesamte Ruckseite metallisiertwerden
kann, ermoglichen die erfindungsgemaBen
Graben
oder Lo- cher die gleichzeitige selbstjustierende Kontaktierung von 45 Emitterund
Basis.Wie im
vorangehenden Beispiel (Bei- spiel 2)werden
dazu Strukturen durch den Emitter (2) in die Basis (1) geatzt.Dabei
ist die selbstmaskierendeForm
derStrukturflanken entscheidend. Fig. 11 zeigt die Unteratzung
von
oberflachennahen Bereichen der Emitterschicht (2),wo-
50 durch die Vertiefungim
Bereich der Emitterschicht schrage Flanken erhalt, derenAbstand
mit der Tiefe zunimmt.An-
schlieBend wirddieMaske
entfemtund
es erfolgt eine ganz- flachige Metailisierung.Die
Metailisierung auf der Emitter- schicht (2) bildetden
Emitterkontakt (8), die Metailisierung 55in der Vertiefung bildet
den
Basiskontakt (9).Es
sind,wie
in Beispiel 1 erlautert, untersehiedliche Artenvon Masken
zurErzeugung
der Strukturen moglich.Aufgrund
derForm
derGraben
oderLocher
mit uberstehendenRandern
der oberfla-chennahen
Bereiche der Emitterschicht wird das Metall wie 60in Fig. 11 gezeigt abgeschieden, so
daB
ein KurzschluB zwi- schen Emitter- (8)und
Basis-Kontakt (9) ausgeschlossen ist.Mit
dem
dargestellten Beispielwerden
in vorteilhafterWeise
der Emitter (2)und
die Basis (1) bei Einsatzeiner ein-zigen
Maske
gleichzeitig kontaktiert. 65Der
Emitterkontakt (8) kann entgegendem
vorhergehen-den
Beispiel (Beispiel 3) auch nicht ganzfiachig ausgefuhrt werden, bei spielsweise zur Realisierung eines Emittergrids.200 A 1
10
Dazu
wird, wie in Fig. 12 dargestellt, eine zusatzlicheMe-
talhsierungsmaske (13) bendtigt.
Die
Metailisierungvon
Emitter (2)und
Basis (1)kann
aberdennoch
ineinem
Schritt durchgefuhrt werden.
Nach Erzeugung
der Vertie- fungen entsprechenddem vorangegangenen
Beispiel (Bei-spiel 3) wird die zusatzliche
Maske
(13) zur Definition des Emitterkontakts aufgebracht. Bei der anschlieBen den ganz- flachigen Metailisierungwerden
Emitterund
Basis gleich- zeitig kontaktiert. AnschlieBend wird die zusatzlicheMaske
entfemt. Diese
Form
der gleichzeitigen Metailisierung von Emitterund
Basis ist auch auf die einseitige Kontaktierung von der Vorderseite anwendbar. Sie hat die gleichen Vorteilewie
beim vorangegangenen
Beispiel.Obwohl
in den Ausfuhrungsbeispielen nur dieAnwen- dung
bei Solarzellen dargestellt wurde, tassen sich die erfin-dungsgemaBen
Strukturenund
Verfahren selbstverstandlich entsprechend auch auf andere Halbleiterbauelemente iiber- tragen.Patentanspriiche
1. Verfahren zur Herstellung
von
Kontaktstrukturen inHalbleiterbauelementen, insbesondere Solarzellen, die zumindest eine erste Schicht oder Schichtfolge aufwei-
sen, mit folgenden Schritten:
- Positionieren einer
Atzmaske
tiber der erstenSchicht oder Schichtfolge,
wobei
dieAtzmaske
die Position der Kontaktstrukturen festlegt;
- Atzen
von
Vertiefungen oder £)ffnungen anden
durch dieAtzmaske
vorgegebenen Stellen in die erste Schicht oder Schichtfolge;-
Einbringenvon
elektrisch leitfahigem Material in die Vertiefungen oder OfTnungen,wobei
dieAtzmaske
auch alsMaske
fur das Einbringen des leitfahigen Materials dient;und
- Entfernen der
Atzmaske.
2. Verfahren zur Herstellung
von
Kontaktstrukturen in Halbleiterbauelementen, insbesondere Solarzellen, die zumindest eine erste Schicht oder Schichtfolge iiber ei-ner zweiten Schicht oder Schichtfolge aufweisen, mit folgenden Schritten:
- Positionieren einer
Atzmaske
uber der ersten Schicht oder Schichtfolge,wobei
dieAtzmaske
die Position der Kontaktstrukturen festlegt;
-
Atzen von Vertiefungen anden
durch die Atz-maske
vorgegebenen Stellen durch die erste Schicht oder Schichtfolge bis in die darunterlie-gende
zweite Schicht oder Schichtfolge derart, daB dieAtzmaske
unteratzt wird;-
Einbringenvon
elektrisch leitfahigem Material in die Vertiefungen,wobei
dieAtzmaske
eine Schattenmaske fur das Einbringen des Materialsbildet,
und
das leitfahige Material nur bis zu einerHohe
eingebracht wird, bei der kein Kontakt zwi- schendem
leitfahigen Materialund
der ersten Schicht oder Schichtfolge besteht;und
- nachfolgendes Entfernen der
Atzmaske.
3. Verfahren zur Herstellung
von
Kontaktstrukturen inHalbleiterbauelementen, insbesondere Solarzellen, die zumindest eine erste Schicht oder Schichtfolge uber ei-
ner zweiten Schicht oder Schichtfolge aufweisen, mit folgenden Schritten:
- Positionieren einer
Atzmaske
iiber der erstenSchicht oder Schichtfolge,
wobei
dieAtzmaske
die Position der Kontaktstrukturen fesdegt;
- Atzen von Vertiefungen an den durch die Atz-