DE102008029107B4 - Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates, folgende Schritte umfassend: A Aufbringen einer Metallschicht, B Aufbringen einer Strukturierungsschicht und C Entfernen der Strukturierungsschicht, wobei entweder in einem Maskierungsverfahren Schritt B nach Schritt A und Schritt C nach Schritt B ausgeführt wird, so dass die Strukturierungsschicht die Metallschicht zumindest teilweise bedeckt und nach Ausführung von Schritt B die Metallschicht an den nicht von der Strukturierungsschicht bedeckten Bereichen entfernt wird, bevor Schritt C ausgeführt wird oder in einem Lift-Off-Verfahren Schritt A nach Schritt B und Schritt C nach Schritt A ausgeführt wird, so dass die Strukturierungsschicht im Wesentlichen von der Metallschicht bedeckt ist und zumindest in den Bereichen, in denen die Metallschicht die Strukturierungsschicht bedeckt, bei Ausführung von Schritt C die Metallschicht abgelöst wird. Wesentlich ist, dass die Strukturierungsschicht in Schritt B mittels einer HotMelt-Tinte erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zur Herstellung einer Metallstruktur auf eine Oberfläche eines Halbleitersubstrates sind Verfahren bekannt, bei denen in einem Schritt A eine Metallschicht aufgebracht wird, in einem Schritt B eine Strukturierungsschicht aufgebracht wird und in einem Schritt C die Strukturierungsschicht entfernt wird.
  • Je nach Abfolge der Schritte A bis C unterscheidet man zwischen Maskierungsverfahren und Lift-Off-Verfahren:
    Bei einem Maskierungsverfahren wird zunächst die Metallschicht aufgebracht und die Strukturierungsschicht danach lediglich in den Bereichen aufgebracht, in denen die Metallschicht auf dem Halbleitersubstrat verbleiben soll. An den Stellen, an denen sich keine Strukturierungsschicht befindet, wird die Metallschicht entfernt, beispielsweise mittels einer ätzenden Substanz, welche die Metallschicht, nicht jedoch die Strukturierungsschicht abätzt.
  • Anschließend wird die Strukturierungsschicht entfernt, sodass lediglich in den gewünschten Bereichen die Metallschicht verbleibt und somit die Metallstruktur erzeugt wurde.
  • In einem Lift-Off-Verfahren wird zunächst die Strukturierungsschicht in den Bereichen der Oberfläche des Halbleitersubstrates aufgebracht, in denen keine Metallstruktur erwünscht ist und danach wird die Metallschicht im Wesentlichen ganzflächig aufgebracht. Wird nun wiederum danach in Schritt C die Strukturierungsschicht abgelöst, so wird die Metallschicht zusammen mit der Strukturierungsschicht abgelöst, jedoch nur in den Bereichen, in denen sich Strukturierungsschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats befand, sodass in den übrigen Bereichen die Metallschicht auf der Oberfläche verbleibt und somit die Metallstruktur erzeugt wurde.
  • Zum Aufbringen der Strukturierungsschicht sind unterschiedliche Verfahren bekannt:
    Aus der Chipherstellung sind Fotolitografieverfahren bekannt, bei denen mittels Aufbringen eines fotosensitiven Lackes, Belichten über eine Belichtungsmaske und Entwickeln und selektives Entfernen des belichteten oder des unbelichteten Lackes Strukturierungsschichten mit hoher Präzision und mit feinen Strukturen erzeugt werden können. Nachteilig an der Fotolitografie ist, dass das Verfahren aufwendig und damit kostenintensiv ist und nicht in einem In-Line-Prozess durchgeführt werden kann.
  • Ebenso ist es bekannt, Strukturierungsschichten mittels eines Siebdruckverfahrens zu erzeugen, bei dem über ein Sieb, welches die Struktur vorgibt, Druckpaste mittels eines Druckrakels durch das Sieb hindurch auf das Halbleitersubstrat aufgetragen wird. Diese Methode ist wesentlich kostengünstiger, weist jedoch den Nachteil auf, dass keine feinen Strukturen mittels der Siebdrucktechnik herstellbar sind. Weiterhin ist mit herkömmlichen Verfahren eine Kombination eines Lift-Off- und Siebdruckverfahrens für die Erzeugung einer Metallstruktur nicht möglich.
  • Aus der WO2008/021782 A2 ist es bekannt, bei der Herstellung von Solarzellen aus Siliziumwafern mittels Tintenstrahldruck eine aus HotMelt-Tinte bestehende Maske aufzubringen, um eine elektrochemische Abschaltung durchzuführen.
  • Ebenso beschreibt die WO2008/021780 A1 bei der Herstellung von Solarzellen ein Verfahren, bei dem mittels Tintenstrahldruck HotMelt-Tinte auf ein Substrat aufgebracht wird, um eine Maske auszubilden und anschließend das Substrat geätzt wird, worauf die Maske wieder entfernt wird.
  • Die WO2007/059577 A1 beschreibt die Herstellung von Metallisierungen für eine Solarzelle mittels einer Maske, welche durch Tintenstrahldruck aufgebracht werden kann und mit einem Lift-off-Verfahren entfernt werden kann. Hierbei wird ein aufliegendes Metall strukturiert.
  • Die US 4,835,208 beschreibt die Verwendung von thermoplastischen Tinten für Tintenstrahldruck und nennt als mögliche Bestandteile dieser Tinten unter anderem Harze und UV-Stabilisatoren.
  • In der US 6,379,569 B1 wird die Strukturierung einer Rückseitenelektrode auf einem Glassubstrat beschrieben, wobei mittels HotMelt-Tinte eine Maske zur Durchführung eines Ätzschrittes zur Strukturierung der Rückseitenelektrode aufgebracht wird.
  • Insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen ist es wichtig, dass einerseits feine Metallstrukturen zur Kontaktierung der Solarzelle aufgebracht werden und andererseits das Verfahren kostengünstig ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates bereit zu stellen, wobei das Verfahren eine kostengünstige Herstellung der Metallstruktur bei gleichzeitiger Möglichkeit der Erzeugung feiner Strukturen ermöglichen soll. Weiterhin soll das Verfahren sich durch Fehlerunanfälligkeit auszeichnen.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2, vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Ansprüchen 3 bis 20.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates umfasst somit folgende Schritte:
    In einem Schritt A wird eine Metallschicht aufgebracht, in einem Schritt B wird eine Strukturierungsschicht aufgebracht und in einem Schritt C wird die Strukturierungsschicht entfernt.
  • Hierbei wird in einem Lift-Off-Verfahren Schritt A nach Schritt B und Schritt C nach Schritt A ausgeführt, sodass die Strukturierungsschicht im Wesentlichen von der Metallschicht bedeckt ist und zumindest in den Bereichen, in denen die Metallschicht die Strukturierungsschicht bedeckt, bei Ausführung von Schritt C die Metallschicht abgelöst wird.
  • Hierbei liegt es sowohl im Rahmen der Erfindung, dass die genannten Schritte unmittelbar aufeinander folgen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, zwischen den genannten Schritten A bis C im Rahmen der Erfindung weitere Zwischenschritte einzufügen.
  • Wesentlich ist, dass die Strukturierungsschicht in Schritt B mittels einer Hotmelt-Tinte erzeugt wird.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird die Strukturierungsschicht somit weder durch ein Fotolitografieverfahren noch durch ein Siebdruckverfahren erzeugt sondern mittels einer HotMelt-Tinte. Solche Tinten sind bereits bekannt, sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei Zimmertemperatur fest sind, bei einer Verarbeitungstemperatur jedoch flüssig. Die HotMelt-Tinte wird somit bei erhöhter Temperatur gegenüber der Zimmertemperatur verarbeitet und kühlt nach Aufbringen auf das Halbleitersubstrat ab, sodass sie fest wird.
  • Die Aufbringung der HotMelt-Tinte ist gegenüber einem Fototlitografieverfahren technisch unaufwendiger und damit kostengünstiger.
  • Insbesondere bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Lift-off-Verfahren besteht die Gefahr, dass bei Aufbringung der Metallschicht eine Verflüssigung der HotMelt-Tinte erfolgt und dadurch eine fehlerhafte Struktur erzeugt wird.
  • Die Erfindung umfasst daher auch ein Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates mit den zuvor genannten Schritten A, B und C.
  • Hierbei wird entweder in einem Maskierungsverfahren Schritt B nach Schritt A und Schritt C nach Schritt B ausgeführt, sodass die Strukturierungsschicht die Metallschicht zumindest teilweise bedeckt und nach Ausführung von Schritt B die Metallschicht an den nicht von der Strukturierungsschicht bedeckten Bereichen entfernt wird, bevor Schritt C ausgeführt wird.
  • Oder in einem Lift-Off-Verfahren wird Schritt A nach Schritt B und Schritt C nach Schritt A ausgeführt, sodass die Strukturierungsschicht im Wesentlichen von der Metallschicht bedeckt ist und zumindest in den Bereichen, in denen die Metallschicht die Strukturierungsschicht bedeckt, bei Ausführung von Schritt C die Metallschicht abgelöst wird.
  • Hierbei liegt es sowohl im Rahmen der Erfindung, dass die genannten Schritte unmittelbar aufeinander folgen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, zwischen den genannten Schritten A bis C im Rahmen der Erfindung weitere Zwischenschritte einzufügen.
  • Wesentlich ist, dass die Strukturierungsschicht in Schritt B mittels einer UV-härtenden HotMelt-Tinte erzeugt wird.
  • Diese UV-härtende HotMelt-Tinte weist die Eigenschaft auf, dass sie durch Einwirkung von UV-Strahlung gehärtet wird, sodass auch bei einer nachfolgenden Temperatureinwirkung keine Verflüssigung mehr erfolgt.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, nach Schritt B, d. h. nach Aufbringen der Strukturierungsschicht diese mit UV-Strahlung zu bestrahlen, sodass die gewünschte Härtung der Strukturierungsschicht erfolgt.
  • Typische UV-härtende HotMelt-Tinten werden durch Bestrahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 450 nm gehärtet, wobei vorzugsweise eine Energiemenge von 100 mJ bis 500 mJ zur Härtung in die HotMelt-Tine eingebracht wird. Als Bestrahlungsquelle ist die Verwendung einer Quecksilberdampflampe vorteilhaft.
  • Insbesondere ist die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Lift-Off-Verfahren in Kombination mit der Ausführung der HotMelt-Tinte als UV-härtende HotMelt-Tinte vorteilhaft.
  • Vorteilhafterweise weist die Strukturierungsschicht Ausnehmungen auf, welche die Bereiche definieren, an denen die Metallstruktur auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates erzeugt werden soll. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Strukturierungsschicht aus mehreren nebeneinander liegenden Strukturierungseinzelschichten besteht oder dass eine Kombination von Strukturierungseinzelschichten und Ausnehmungen vorliegt.
  • Vorteilhafterweise wird in Schritt B die HotMelt-Tinte mittels einer Druckdüse aufgebracht. Hierdurch können im Vergleich mit einem Siebdruckverfahren feinere Strukturen erzeugt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Druckdüse zum Auftragen der HotMelt-Tinte in etwa parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrates bewegt wird. Ebenso liegt die kinematische Umkehr im Rahmen der Erfindung, d. h. dass das Halbleitersubstrat in etwa parallel zur Druckdüse bewegt wird oder eine Kombination der Bewegung von Druckdüse und Halbleitersubstrat.
  • Diese Aufbringungsmethode der HotMelt-Tinte mittels einer Druckdüse weist den Vorteil auf, dass durch Wahl einer entsprechend feinen Druckdüse feine Strukturen herstellbar sind. Weiterhin ergaben Untersuchungen des Anmelders, dass insbesondere die Oberfläche von Halbleitersubstraten zur Herstellung von Solarzellen Unebenheiten aufweisen können, sodass bei Verwendung eines Siebdruckverfahrens das Sieb teilweise nicht vollständig auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates aufliegt und daher vermehrt fehlerhafte Strukturen erzeugt werden. Durch das Aufbringen der HotMelt-Tinte mittels einer Druckdüse werden eventuelle Unebenheiten der Oberfläche des Halbleitersubstrates ausgeglichen, ohne dass eine Verfälschung der vorgegebenen Struktur erfolgt.
  • Vorteilhafterweise erfolgt das Aufbringen der HotMelt-Tinte kontaktlos. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die HotMelt-Tinte wie zuvor beschrieben mittels einer Druckdüse aufgebracht wird und sich die Druckdüse in einem Abstand von mindestens 100 μm von der Oberfläche des Halbleitersubstrates befindet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die HotMelt-Tinte in Schritt B mittels eines an sich bekannten Inkjet-Druckverfahrens aufgebracht. Das Inkjet-Druckverfahren findet insbesondere bei Tintenstrahldruckern eine breite Verwendung. Eine Übersicht über die Technik der Inkjet-Druckverfahren findet sich in J. Heinzl, C. H. Hertz, „inkjet printing”, advances in electronics and electron physics, vol. 65 (1985), pp. 91–112, ISSN 0065–2533.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit auf die bereits bekannte Technik der Inkjet-Druckverfahren zurückgegriffen werden, um eine Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates zu erzeugen.
  • Untersuchungen des Anmelders haben weiterhin ergeben, dass bei Herstellung von Metallstrukturen zur Kontaktierung von Solarzellen das erfindungsgemäße Verfahren in der Variante des Lift-Off-Verfahrens vorteilhaft ist. Hierbei wird somit zunächst die Strukturierungsschicht aufgebracht und danach die Metallschicht. Vorteilhafterweise wird die Metallschicht derart aufgebracht, dass der Wärmeübertrag aus der Metallschicht auf die Strukturierungsschicht während des Prozesses des Aufbringens der Metallschicht gering ist, um eine nochmalige Verflüssigung, insbesondere eine vollständige Verflüssigung der HotMelt-Tinte zu vermeiden.
  • Vorteilhafterweise wird die Metallschicht in Schritt A mittels Aufdampfen aufgebracht, mit einer Aufdampfrate kleiner 1,0 nm/s (10 × 10–10 m/s), insbesondere kleiner 0,5 nm/s (5 × 10–10 m/s), im Weiteren kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s).
  • Die Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass der Wärmeeintrag in die Strukturierungsschicht umso geringer ist, je geringer die Aufdampfrate bei Aufbringen der Metallschicht ist. Durch die genannten vorteilhaften maximalen Aufdampfraten wird somit die nochmalige Verflüssigung der HotMelt-Tinte der Strukturierungsschicht vermieden, sodass eine exakte Strukturdefinition durch die Strukturierungsschicht gewährleistet ist.
  • Weiterhin haben Versuche des Anmelders gezeigt, dass der Wärmeeintrag in die Strukturierungsschicht bei Auftrag der Metallschicht von der Dicke der aufgetragenen Metallschicht abhängt. Vorteilhafterweise wird daher bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Lift-Off-Verfahren eine Metallschicht aufgetragen, deren Dicke nicht größer als 2000 nm ist.
  • Zur Herstellung von Metallstrukturen mit einer Gesamtdicke größer 2000 nm ist eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, bei dem die Metallschicht schrittweise in Teilschichten mit einer Teilschichtdicke kleiner oder gleich 2000 nm aufgetragen wird und nach Auftrag einer Teilschicht jeweils eine Abkühlphase erfolgt, so dass die aufgetragene Teilschicht und damit auch die Strukturierungsschicht abkühlen. Hierdurch wird vermieden, dass die Strukturierungsschicht auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt wird. Die Dauer der Abkühlphase beträgt vorteilhafterweise mindestens 10 Minuten, vorzugsweise mindestens 30 Minuten.
  • Insbesondere zur Kontaktierung von Solarzellen werden typischerweise Metallstrukturen verwendet, bei denen mehrere Materialien kombiniert werden. Vorteilhafterweise wird die Metallschicht daher mittels Aufdampfen mehrerer leitfähiger Schichten erzeugt.
  • Eine bekannte Schichtfolge zur Herstellung einer Metallstruktur zur Kontaktierung einer Solarzelle ist die Schichtfolge Titan/Palladium/Silber.
  • Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass zur Vermeidung einer nachträglichen Verflüssigung der HotMelt-Tinte vorteilhafterweise Titan mit einer Aufdampfrate kleiner 0,4 nm/s (4 × 10–10 m/s), Palladium mit einer Aufdampfrate kleiner 0,5 nm/s (5 × 10–10 m/s) und Silber mit einer Aufdampfrate kleiner 0,9 nm/s (9 × 10–10 m/s) aufgetragen wird, insbesondere, dass Titan mit einer Aufdampfrate kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s), Palladium mit einer Aufdampfrate kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s) und Silber mit einer Aufdampfrate kleiner 0,3 nm/s (3 × 10–10 m/s) aufgetragen wird.
  • Ebenso hegt die Verwendung einer anderen Anzahl von Schichten und/oder die Verwendung anderer Materialien zur Erzeugung der Metallstruktur im Rahmen der Erfindung. Die Untersuchungen des Anmelders ergaben weiterhin, dass insbesondere die Verwendung einer Schichtstruktur Aluminium/Titan/Silber für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ist.
  • Vorteilhafterweise werden alle drei Schichten mit einer Aufdampfrate kleiner 1,0 nm/s (10 × 10–10 m/s), insbesondere kleiner 0,5 nm/s (5 × 10–10 m/s), im Weiteren kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s) aufgetragen.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Aluminiumschicht in etwa eine Dicke von 200 Nanometer, die Titanschicht in etwa eine Dicker von 50 Nanometer und die Silberschicht ebenfalls eine Dicke von etwa 50 Nanometer aufweist.
  • Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine HotMelt-Tinte verwendet, deren Schmelzpunkt im Bereich von 60°C bis 100°C liegt, insbesondere im Bereich von 70°C bis 80°C.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt A die Metallschicht derart aufgebracht, dass sie die Oberfläche des Halbleitersubstrates bzw. der Strukturierungsschicht im Wesentlichen vollständig bedeckt.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung bezeichnet der Begriff „Oberfläche des Halbleitersubstrates” diejenige Oberfläche, auf die die gewünschte Metallstruktur aufgebracht wird. Dies kann unmittelbar die Oberfläche des Halbleiters sein, ebenso kann das Halbleitersubstrat jedoch auch aus einer Schichtstruktur bestehen, wobei auf die oberste Schicht dieser Struktur (beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht) die Metallstruktur aufgetragen werden soll. In diesem Fall bezeichnet „Oberfläche des Halbleitersubstrates” somit die Oberfläche der obersten Schicht der Halbleiterstruktur.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Erzeugung einer Metallstruktur zur Kontaktierung einer Halbleitersolarzelle. Vorteilhafter weise ist die Metallstruktur daher eine Kontaktierungsstruktur für eine Halbleiter-Solarzelle, wobei die Solarzelle mittels des Halbleitersubstrates ausgebildet wird.
  • Insbesondere bei einseitenkontaktierten Solarzellen ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft:
    Bei einseitenkontaktierten Solarzellen befinden sich die Metallisierungsstrukturen zur Kontaktierung beider elektrischer Kontakte auf einer Oberfläche der Solarzelle und nicht wie sonst üblich auf gegenüberliegenden Oberflächen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher insbesondere zur Herstellung von einseitenkontaktierten Solarzellen geeignet, bei denen an einer Oberfläche des Halbleitersubstrates mindestens zwei Metallstrukturen ausgebildet sind, wobei eine Metallstruktur die p-Kontaktierungsstruktur und die andere Metallstruktur die n-Kontaktierungsstruktur der Solarzelle ist und beide Kontaktierungsstrukturen durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn beide Kontaktierungsstrukturen aus der in Schritt A aufgebrachten Metallschicht hergestellt werden, dadurch, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kontakttrennung stattfindet, sodass ein Teil der in Schritt A aufgebrachten Metallschicht die p-Kontaktierungsstruktur und ein anderer Teil der Metallschicht die n-Kontaktierungsstruktur ist.
  • Hierbei ist es wünschenswert, einerseits eine möglichst ineinander verschränkte Ausbildung der beiden Kontaktierungsstrukturen zu erreichen, um kurze Wege für die Ladungsträger aus dem Halbleitersubstrat in die jeweilige Kontaktstruktur zu ermöglichen und damit Verlustmechanismen wie Serienwiderstandsverluste und Rekombinationsverluste zu minimieren. Ebenso ist es jedoch wichtig, eine exakte Trennung zwischen den beiden metallischen Kontaktierungsstrukturen zu gewährleisten, um Verluste aufgrund von Kurzschlüssen auszuschließen.
  • Zur Erzeugung solcher Metallstrukturen für einseitig kontaktierte Solarzellen ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, da hierdurch feine Metallstrukturen erzeugt werden können und gleichzeitig das erfindungsgemäße Verfahren ein kostengünstiges Verfahren insbesondere gegenüber Fotolitografieverfahren darstellt.
  • Insbesondere findet das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafte Anwendung bei der Herstellung von EWT-Solarzellen. Diese an sich bekannte Solarzellenstruktur ist beispielsweise in US 5,468,652 beschrieben. Bei einer EWT-Solarzelle weist das Halbleitersubstrat in etwa senkrecht zu der Oberfläche des Halbleitersubstrates stehende Löcher auf, durch welche der Emitter der Solarzelle von der Vorder- zur Rückseite der Solarzelle geführt wird, wobei sowohl die Kontaktierung des Emitters, als auch der Basis der Solarzelle auf der Rückseite der Solarzelle erfolgt und somit auch beide metallischen Kontaktierungsstrukturen auf der Rückseite der EWT-Solarzelle angeordnet sind.
  • Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass insbesondere bei dem Herstellungsprozess einer EWT-Solarzelle das Erzeugen der Löcher bei Verwendung eines multikristallinen Halbleitersubstrates zu Unebenheiten auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates führen kann und daher insbesondere bei dieser Solarzellenstruktur sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung der metallischen Kontaktierungsstruktur auszeichnet.
  • Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren daher zusätzlich folgende Schritte:
    • i. Erzeugen von mehreren Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat, wobei die Ausnehmungen das Halbleitsubstrat in etwa senkrecht zu der Oberfläche des Halbleitsubstrates durchdringen,
    • ii. Abtragen einer dünnen Schicht von der Oberfläche des Halbleitersubstrates sowie der Ausnehmungen, zur Vermeidung von Verunreinigungen und Kristallstörungen,
    • iii. Erzeugen von mindestens zwei gegensätzlich dotierten Dotierbereichen in dem Halbleitersubstrat zur Erzeugung eines pn-Übergangs und
    • iv. Aufbringen einer Metallstruktur als Kontaktierungsstruktur, wobei die Kontaktierungsstruktur mit mindestens einem Dotierbereich elektrisch leitend verbunden ist.
  • Vorteilhafterweise wird zwischen Schritt iii und iv eine elektrisch isolierende Schicht wie beispielsweise eine dielektrische Schicht aufgetragen, sodass die Metallstruktur im Wesentlichen auf die isolierende Schicht aufgetragen wird und lediglich in vorgesehenen Bereichen ein elektrischer Kontakt zu dem Halbleitersubstrat erzeugt wird. Dieser elektrische Kontakt kann beispielsweise derart erzeugt werden, dass die isolierende Schicht Ausnehmungen aufweist, durch welche die Metallstruktur mit dem Halbleitersubstrat in elektrisch leitender Verbindung steht.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in Schritt iv nach Aufbringen der Metallstruktur diese verstärkt wird, zur Verbesserung der Leitfähigkeit. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Metallstruktur mittels eines an sich bekannten galvanischen Verfahrens zu verstärken, d. h. strominduziert zu verstärken.
  • Bei der verwendeten HotMelt-Tinte sind folgende Eigenschaften wesentlich:
    Zum einen muss die Tinte einen Schmelzpunkt besitzen, der über der Raumtemperatur liegt. Weiterhin muss die HotMelt-Tinte mittels eines Lösungsmittels ablösbar sein. Sofern das Verfahren als Maskierungsverfahren ausgeführt wird, muss die HotMelt-Tinte darüber hinaus resistent gegenüber der verwendeten Substanz zum Abätzen des Metalls sein.
  • Solche geeigneten HotMelt-Tinten sind bereits bekannt. Vorteilhaft hat sich die Verwendung von Hydrocarbon-Wax-HotMelt-Tinte gezeigt.
  • Insbesondere ist die Verwendung der HotMelt-Tinten mit Bezeichnung „Jet 3568”, „JetP 3568” und „U 5315” des Unternehmens Sunjet, Norton Hill, Midsommer Norton, Bath BA3 4RT, United Kingdom, vorteilhaft.
  • Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Maskierungsverfahren und
  • 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Lift-Off-Verfahren.
  • Beiden in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gemeinsam, dass die metallischen Kontaktierungsstrukturen einer Halbleitersolarzelle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
  • Die Solarzelle besteht aus einem p-dotierten Halbleitersubstrat 1, an dessen Rückseite 1a sich streifenförmige n-Dotierungen 5 befinden, welche in 1 im Querschnitt dargestellt sind, d. h. sich senkrecht zur Zeichenebene erstrecken.
  • Weiterhin ist auf der Rückseite 1a des Substrates 1 eine Isolierungsstruktur 4 aufgebracht, welche die Grenzen zwischen den n-Bereichen 5 und dem p-dotierten Substrat 1 an der Rückseite 1a überdecken.
  • Diese isolierende Struktur 4 kann beispielsweise aus einem Dielektrikum wie beispielsweise Siliziumdioxid bestehen. Die Strukturierung der Isolierungsstruktur 4 kann beispielsweise mittels Laserablation oder mittels eines an sich bekannten Maskierungsverfahrens und entsprechendem chemischen Abtrag erfolgen.
  • Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in einem Schritt I die ganzflächige Beschichtung der Rückseite 1a des Substrates 1 (bzw. der Isolierungsstruktur 4) mittels einer Metallschicht 2. Die Metallschicht 2 besteht hierbei aus 3 Metallschichten: einer Alu miniumschicht, einer Palladiumschicht und einer Silberschicht, wobei die Schichten jeweils durch Aufdampfen aufgetragen werden.
  • Weiterhin ist in Schritt I in 1 bereits eine Strukturierungsschicht 3 aufgetragen worden. Diese Strukturierungsschicht 3 besteht aus HotMelt-Tinte, welche mittels eines Inkjetdruckverfahrens aufgebracht wurde. Die Strukturierungsschicht 3 ist derart strukturiert, dass sie die Bereiche zwischen der Isolierungsschicht 4 abdeckt, d. h. zwischen den einzelnen linienartigen Elementen der Strukturierungsschicht 3 ergeben sich linienartige freie Bereiche, welche sich in 1 senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Diese linienartige Bereiche besitzen eine Breite (parallel zur Oberfläche 1a) zwischen 30 μm und 300 μm.
  • Der in 1 dargestellte Schritt I beinhaltet somit die Schritte A und B gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
  • In Schritt II gemäß 1 ist der Zustand nach Abätzen der Metallschicht 2 dargestellt: Die Solarzelle wurde mit einer Substanz behandelt, welche Metall mittels eines Ätzvorgangs abträgt. Da die HotMelt-Tinte und die Isolierungsschicht 4 resistent gegenüber dieser Substanz sind, wurde die Metallschicht 2 wie in 1, II dargestellt, lediglich in den linienartigen Bereichen zwischen Strukturierungsschicht 3 und Isolierungsschicht 4 abgetragen.
  • In einem Schritt III wird schließlich die Strukturierungsschicht 3 mittels eines Lösungsmittels abgetragen. Schritt III beinhaltet somit Schritt C gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
  • Wie in 1, III ersichtlich, wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren somit eine metallische Struktur erzeugt, welche linienartige Ausbildungen aufweist, die alternierend mit einem n-Bereich oder dem p-Substrat der Solarzelle verbunden sind. An den Rändern der Solarzelle wurden (nicht dargestellt) Verbindungsbereiche dieser Metallfinger erzeugt (so genannte busbars), sodass auf der Rückseite der Solarzelle 2 kammartig ineinander greifende Metallisierungsstrukturen erzeugt wurden.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem eine Metallstruktur mittels Lift-Off-Verfahren erzeugt wird:
    Hier liegt die gleiche Ausgangssituation wie bei Beschreibung von 1 vor, d. h. ein p-dotiertes Halbleitersubstrat 1, an dessen Rückseite 1a n-dotierte Bereiche 5 ausgebildet sind, wobei auf der Rückseite 1a eine Isolierungsschicht 4 aufgebracht wurde, welche die Grenzen zwischen n-dotierten Bereichen 5 und p-Substrat linienartig abdeckt.
  • Weiterhin wurde eine Strukturierungsschicht 3 aufgetragen, welche aus Hot-Melt-Tinte besteht und mittels eines Inkjetdruckverfahrens erzeugt wurde. Die Strukturierungsschicht 3 weist ebenfalls linienartige Strukturen auf, wobei die linienartigen Strukturen der Strukturierungsschicht 3 jeweils auf den linienartigen Strukturen der Isolierungsschicht 4 angeordnet sind und eine geringere Linienbreite als die Linien der Isolierungsschicht 4 aufweisen, sodass die Strukturierungsschicht 3 lediglich auf der Isolierungsschicht 4 aufliegt, nicht jedoch direkt auf den n-dotierten Bereichen 5.
  • Schritt I in 2 umfasst somit Schritt B gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
  • In Schritt II gemäß 2 ist eine ganzflächige Metallschicht 2 auf die Rückseite des Substrates 1 aufgetragen, wobei die Metallschicht 2 sowohl die offenen p-dotierten Bereiche des Substrates 1, die offenen n-dotierten Bereiche 5, sowie die Isolierungsschicht 4 und die Strukturierungsschicht 2 bedeckt.
  • Schritt II gemäß 2 umfasst somit Schritt A gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
  • Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Lift-Off-Verfahren wird somit die Metallschicht nach der Strukturierungsschicht aufgebracht. In diesem Fall könnte somit ein Wärmeübertrag durch das Aufbringen der Metallschicht 2 auf die Strukturierungsschicht 3 zu einer erneuten Verflüssigung der HotMelt-Tinte der Strukturierungsschicht 3 führen, sodass fehlerhafte Strukturen entstehen könnten.
  • Wesentlich ist daher, dass bei Aufbringen der Metallschicht 2 die Aufdampfraten derart gewählt werden, dass eine Verflüssigung der HotMelt-Tinte unterbleibt. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in Schritt II die Metallschicht ebenfalls aus 3 Schichten erzeugt, wobei zunächst eine Aluminiumschicht mit einer Aufdampfrate von 0,1 nm/s (1 × 10–10 m/s), anschließend eine Palladiumschicht mit einer Aufdampfrate von 0,1 nm/s (1 × 10–10 m/s) und schließlich eine Silberschicht mit einer Aufdampfrate von 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s) aufgetragen werden. Durch diese Aufdampfraten ist gewährleistet, dass keine vollständige Verflüssigung der HotMelt-Tinte erfolgt.
  • In einem Schritt III gemäß 2 wird schließlich die Strukturierungsschicht 3 mittels eines Lösungsmittels entfernt, sodass auch die Metallschicht 2 in den Bereichen, in denen die Metallschicht 2 die Strukturierungsschicht 3 bedeckt, entfernt wird. Schritt III in 2 umfasst somit Schritt C gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
  • Die erzeugte Metallstruktur gemäß 2 III entspricht somit der Struktur gemäß 1, III.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates, folgende Schritte umfassend: A Aufbringen einer Metallschicht (2), B Aufbringen einer Strukturierungsschicht (3) und C Entfernen der Strukturierungsschicht (3), wobei in einem Lift-Off-Verfahren Schritt A nach Schritt B und Schritt C nach Schritt A ausgeführt wird, so dass die Strukturierungsschicht (3) im Wesentlichen von der Metallschicht (2) bedeckt ist und zumindest in den Bereichen, in denen die Metallschicht (2) die Strukturierungsschicht (3) bedeckt, bei Ausführung von Schritt C die Metallschicht (2) abgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungsschicht (3) in Schritt B mittels einer HotMelt-Tinte erzeugt wird.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Metallstruktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates, folgende Schritte umfassend: A Aufbringen einer Metallschicht (2), B Aufbringen einer Strukturierungsschicht (3) und C Entfernen der Strukturierungsschicht (3), wobei entweder in einem Maskierungsverfahren Schritt B nach Schritt A und Schritt C nach Schritt B ausgeführt wird, so dass die Strukturierungsschicht (3) die Metallschicht (2) zumindest teilweise bedeckt und nach Ausführung von Schritt B die Metallschicht (2) an den nicht von der Strukturierungsschicht (3) bedeckten Bereichen entfernt wird, bevor Schritt C ausgeführt wird oder in einem Lift-Off-Verfahren Schritt A nach Schritt B und Schritt C nach Schritt A ausgeführt wird, so dass die Strukturierungsschicht (3) im Wesentlichen von der Metallschicht (2) bedeckt ist und zumindest in den Bereichen, in denen die Metallschicht (2) die Strukturierungsschicht (3) bedeckt, bei Ausführung von Schritt C die Metallschicht (2) abgelöst wird, und wobei in beiden zuvor genannten Varianten die Strukturierungsschicht (3) in Schritt B mittels einer UV-härtenden HotMelt-Tinte erzeugt wird.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungsschicht (3) Ausnehmungen aufweist und/oder aus mehreren nebeneinander angeordneten Strukturierungseinzelschichten besteht.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B die HotMelt-Tinte mittels einer Druckdüse aufgebracht wird, insbesondere, dass die Druckdüse zum Auftragen der HotMelt-Tinte in etwa parallel zur Oberfläche des Halbleitsubstrates bewegt wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der HotMelt-Tinte kontaktlos erfolgt, insbesondere, dass die Hot-Melt-Tinte mittels einer Druckdüse aufgebracht wird, welche sich in einem Abstand von mindestens 100 μm von der Oberfläche des Halbleitersubsttrates befindet.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B die HotMelt-Tinte mittels eines Inkjet-Druckverfahrens aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 und 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lift-Off-Verfahren Schritt A nach Schritt B und Schritt C nach Schritt A ausgeführt wird und dass die Metallschicht (2) in Schritt A mittels Aufdampfen aufgebracht wird, mit einer Aufdampfrate kleiner 1,0 nm/s (10 × 10–10 m/s), insbesondere kleiner 0,5 nm/s (5 × 10–10 m/s), im Weiteren kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s) aufgetragen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (2) mehrere Einzelschichten umfasst und mittels Aufdampfen von Titan, Palladium und Silber erzeugt wird, wobei Titan mit einer Aufdampfrate kleiner 0,4 nm/s (4 × 10–10 m/s), Palladium mit einer Aufdampfrate kleiner 0,5 nm/s (5 × 10–10 m/s) und Silber mit einer Aufdampfrate kleine 0,9 nm/s (9 × 10–10 m/s) aufgetragen wird, insbesondere, dass Titan mit einer Aufdampfrate kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s), Palladium mit einer Aufdampfrate kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s) und Silber mit einer Aufdampfrate kleiner 0,3 nm/s (3 × 10–10 m/s) aufgetragen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die Metallschicht (2) mehrere Einzelschichten umfasst und mittels Aufdampfen von Aluminium, Titan und Silber erzeugt wird, insbesondere, dass alle 3 Schichten jeweils mit einer Aufdampfrate kleiner 0,2 nm/s (2 × 10–10 m/s) aufgetragen werden.
  10. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine HotMelt-Tinte verwendet wird, deren Schmelzpunkt im Bereich von 60°C bis 100°C liegt, insbesondere im Bereich von 70°C bis 80°C liegt.
  11. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A die Metallschicht (2) derart aufgebracht wird, dass sie die Oberfläche des Halbleitersubstrates bzw. die Strukturierungsschicht (3) im Wesentlichen vollständig bedeckt.
  12. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstruktur eine Kontaktierungsstruktur für eine Halbleiter-Solarzelle ist, wobei die Solarzelle mittels des Halbleitersubstrates ausgebildet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Halbleitersubstrates mindestens zwei Metallstrukturen ausgebildet sind, wobei eine Metallstruktur die p-Kontaktierungsstruktur und die andere Metallstruktur die n-Kontaktierungsstruktur der Solarzelle ist und dass beide Kontaktierungsstrukturen durch das Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht in Schritt A im wesentlichen ganzflächig aufgebracht wird und die Strukturierungsschicht derart ausgeführt ist, dass aus der Me tallschicht mittels Kontakttrennung sowohl die n-Kontaktierungsstruktur als auch die p-Kontaktierungsstruktur erzeugt werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A vor Aufbringen der Metallschicht (2) zusätzlich eine strukturierte Isolierungsschicht (4) auf die Oberfläche des Halbleitersubstrates aufgebracht wird, welche sich in den Bereichen erstreckt, in denen die p- und n-Kontaktierungsstrukturen aneinandergrenzen.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine EWT-Struktur aufweist und das Verfahren folgende Schritte zusätzlich umfasst i. Erzeugen von mehreren Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat, wobei die Ausnehmungen das Halbleitsubstrat in etwa senkrecht zu der Oberfläche des Halbleitsubstrates durchdringen, ii Abtragen einer geringen Schicht von der Oberfläche des Halbleitersubstrates sowie der Ausnehmungen, zur Vermeidung von Verunreinigungen und Kristallstörungen, iii Erzeugen von mindestens zwei gegensätzlich dotierten Dotierbereichen in dem Halbleitersubstrat zur Erzeugung eines pn-Übergangs und iv Aufbringen einer Metallstruktur als Kontaktierungsstruktur, wobei die Kontaktierungsstruktur mit mindestens einem Dotierbereich elektrisch leitend verbunden ist.
  17. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle mindestens zwei kammartig ineinander greifende Me tallstrukturen auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates aufweist, wobei mindestens eine, insbesondere beide Metallstrukturen mit dem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 erzeugt werden, insbesondere, dass die Solarzelle eine einseitig kontaktierbare Solarzelle ist.
  18. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HotMelt-Tinte ein „hydrocarbon wax” ist.
  19. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringen der Metallstruktur diese verstärkt wird, insbesondere, dass die Metallstruktur galvanisch (strominduziert) verstärkt wird.
  20. Verfahren mindestens nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt B die Strukturierungsschicht mit UV-Strahlung bestrahlt wird, zum Aushärten der UV-härtenden HotMelt-Tinte.
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