JP2017529696A - 導電性の多層基板スタックを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に波長感応性の半導体基板（２）と、少なくとも１つの、特に波長感応性の別の半導体基板（２’、２’’）と、から成る、多層基板スタックを製造するための方法に関し、この方法は、少なくとも部分的に導電性の誘電層（３、３’）を、半導体基板（２、２’、２’’）のうちの少なくとも１つの半導体基板の少なくとも１つの基板表面（２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’、２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’）に設けるステップと、半導体基板（２）を別の半導体基板（２’、２’’）に接触接続させ、半導体基板（２、２’、２’’）間に導電性の接続部を形成するステップと、を備えている。

Description

本発明は、請求項１に記載されている、多層基板スタックを製造するための方法に関する。

特に電流を形成するための、導電性の多層基板スタックを製造する場合、種々の問題が存在している：
−可能な限り最小の面積での可能な限り大量の電流の形成、
−可能な限り最小限のコストでの大量生産、
−電流形成の長期間の安定性、
−特に接続箇所における、環境の影響に対する安定性、
−確実な電流形成。

従って、本発明が基礎とする課題は、上述の問題を少なくとも部分的に解決する、有利には上述の問題の大部分を解決する方法を提供することである。

この課題は、請求項１及び９の特徴部分に記載されている構成によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。本発明の枠内には、明細書、特許請求の範囲及び／又は図面に示した特徴のうちの少なくとも２つの特徴から成るあらゆる組み合わせも含まれる。本明細書において記載されている値の範囲において、そこに挙げられた境界内の値も限界値として開示されているとみなされるべきであり、また任意の組み合わせについても権利を主張できるとみなされる。

本発明の基本的な着想は、（波長感応性の）半導体基板と、少なくとも１つの別の（波長感応性の）半導体基板と、から成る多層基板スタックを製造するために、以下のステップを実施することである：
−少なくとも部分的に導電性の誘電層を、半導体基板のうちの少なくとも１つの半導体基板の少なくとも１つの基板表面に設けるステップ、及び、
−半導体基板を別の半導体基板に接触接続させ、それらの半導体基板間に導電性の接続部を形成するステップ。

波長感応性の半導体基板とは、本発明によれば、特に、非常に狭い特定波長領域を、とりわけ個々の波長を変換することに適している半導体基板であると解される。半導体基板は、特に、マトリクス材料としての半導体から形成されている。半導体基板は、有利には、ドープされているか、又は、種々にドープされた複数の領域から形成されている。また特別な実施の形態においては、波長感応性の半導体基板とは、本発明によれば、複数の基板から成り、特に比較的薄い基板から成り、且つ、非常に狭い特定波長領域を、特に個々の波長を変換することに使用される基板スタックであると解することもできる。

上述の本発明による波長固有の基板が有利に感応する非常に狭い特定波長領域は、特に個々の波長は、紫外線光領域から可視範囲の波長領域を超えて赤外線領域にまで至る領域をカバーする波長スペクトルの一部である。特に、本発明による波長領域は、１ｎｍから１ｍｍまで、有利には５０ｎｍから５０μｍの間、特に有利には３８０ｎｍから７８０ｎｍの間である。

特に本発明は、複数の半導体基板を、特に高精度のアライメントユニットを要することなく接合させるための方法に関する。特に、個々の層が、特に半導体基板が異なる波長感度を有しており、且つ、導電性の接続部を介して、有利にはＴＳＶ（through-silicon via）を介して、更に有利には誘電層中のナノ粒子によって、相互に接合されている多層太陽電池を製造するために本方法が使用される。更に本発明は、この方法を用いて製造される製品にも関する。

特に本発明は、接合点が、特にコンタクト箇所が接合プロセス後に、別の接合点に対して、特に別のコンタクト箇所に対して、せいぜい無視できる程度の偏差を有するように、複数の基板を、有利には波長感応性の太陽電池を相互に接合させる方法に関する。この場合、アライメント装置を用いなくても、本発明によるプロセスを十分実施できるので、その種の多層太陽電池の相応の生産過程が相応に高速化される。単位時間あたりの生産量の増加によって生産プロセスをより好適なものにする生産過程の高速化に付随して、コストも相応に削減される。

１つの極めて有利な実施の形態においては、導電性のナノ粒子を含む誘電層が、相互に接合されるべき２つの太陽電池のうちの少なくとも１つの太陽電池に設けられる。この層の誘電性の特性でもって、直接接合又はいわゆるフュージョンボンディングによる２つの太陽電池の接合が実現され、その一方で、誘電層中の導電性のナノ粒子は太陽電池間の接合部を形成する。特に本発明によれば、少なくとも接合面に沿った幾つかの箇所において、一方の太陽電池から他方の太陽電池への、誘電層を介した導電性の接続が行われるように、特に途切れのない導電性の接続が行われるように、誘電層中の導電性のナノ粒子の密度は高く選定される。この本発明による実施の形態においては、少なくとも、正確なアライメント装置は必要とされず、有利にはアライメント装置は必要とされない。何故ならば、ナノ粒子は特に、純粋なコンタクト面よりも大きい面積領域にわたり、有利には面全体にわたり分散され、その結果、常に接触接続が行われるからである。それと同時に、（付加的な）ナノ粒子が存在するにもかかわらず、光学的な透過性が可能な限り完全に維持され続けるべきであり、従って、ナノ粒子による影響は可能な限り小さくなるべきである。特に、吸収能力及び／又は散乱能力は、太陽電池が感応する波長領域に関してナノ粒子を相応に選択することによって、それらが可能な限り低くなるように選定される。

ナノ粒子は、１００μｍ未満、有利には１０μｍ未満、更に有利には１μｍ未満、特に有利には１００ｎｍ未満、最も有利には１０ｎｍ未満の平均直径を有している。

本発明の最も大きな利点は、（光学的な）アライメント装置を省略することができ、特に完全に省略することができ、また、基板スタックは極めて広い波長スペクトルを利用できるということである。導電性の接続部の役割を担う構成要素が、特にＴＳＶ、コンタクト、ビア、孔又はナノ粒子が、基板の位置における公差を相互に許容するので、本発明によれば、（光学的な）アライメント装置を省略することができる。接触接続装置がアライメントも行う場合には、即ち、最も広義の意味においてアライメント装置と解される場合には、０．１μｍよりも大きい、有利には１μｍよりも大きい、より有利には１０μｍよりも大きい、特に有利には１００μｍよりも大きい、最も有利には１ｍｍよりも大きい公差乃至アライメント精度を有しているアライメント装置を選択しても十分である。これによって、アライメントを極めて高速に行えるだけでなく、アライメント装置を極めて廉価に製造することもできる。

更に、有利には、本発明による実施の形態の本質は、基板表面が直接接合及び／又はフュージョンボンディングに適した材料、特に酸化物から形成されている点にある。これによって、２つの基板を相互に接合させることが、フュージョンボンディング技術を利用することによって非常に容易になる。

従って、本発明は特に、少なくとも１箇所において導電性の接続部を介して相互に接合されている少なくとも２つの基板から成る、多層基板を製造するための方法を提供する。基板相互の接合は、有利には、永続的である。もっとも、１つの特に有利な実施の形態においては、永続的な接合部が形成される前に予備接合部が形成され、この予備接合部によって、永続的な接合部が形成される前に、２つの基板を必要に応じて再び相互に分離させることができる。

予備接合強度は、特に２．５Ｊ／ｍ²未満、有利には２Ｊ／ｍ²未満、より有利には１．５Ｊ／ｍ²未満、特に有利には１．０Ｊ／ｍ²未満、最も有利には０．１Ｊ／ｍ²未満である。

これによって本発明によれば、本発明による基板スタックを新たな基板によって拡張させた後に、その新たにもたらされた基板が更なるプロセスによって、特に熱処理によって永続的に基板スタックに接合される前に、機能性について、特に導電性について検査することが可能になる。

この場合、熱処理後の永続的な接合部の接合強度は、０．１Ｊ／ｍ²よりも大きい、有利には０．５Ｊ／ｍ²よりも大きい、より有利には１．０Ｊ／ｍ²よりも大きい、特に有利には１．５Ｊ／ｍ²よりも大きい、最も有利には２．５Ｊ／ｍ²よりも大きい。

熱処理は、有利には炉内で実施され、更に有利には連続炉内で実施される。熱処理中の温度は、特に１，０００℃未満、有利には７５０℃未満、更に有利には５００℃未満、特に有利には２５０℃未満、最も有利には室温よりも極僅かに高い温度である。

本発明による方法は、コンタクト箇所及び／又はビア及び／又はドープされた半導体領域を介して相互に接合されるべき、あらゆる種類の基板に適用することができる。有利には、多層ソーラ基板スタックを製造するための本発明による方法の使用が開示される。

室温を極僅かに上回る温度での永続的な接合部の形成は、例えば国際公開第２０１２／１３６２６７号（WO2012/136267A1）、国際公開第２０１２／１００７８６号（WO2012/100786A1）、国際公開第２０１２／１３６２６８号（WO2012/136268A1）、国際公開第２０１２／１３６２６６号（WO2012/136266A1）、PCT/EP2012/064545に記載されているような本発明による実施の形態を用いて実施することができる。従って、本発明による基板スタックのそれらの実施の形態及びそれに関連する変形形態は、上記の特許文献に収録されており、また、本発明による方法／基板スタックの改善に寄与することができる。

本発明による基板スタックを本発明に従い製造するための基板は、基本的に、あらゆる任意の形状及びサイズを有することができる。ソーラ産業においては、矩形で数ｍｍから数ｍまでの長さ及び幅のソーラパネルが有利である。それらのソーラパネルは工場において全自動で処理される。特に矩形のその種のソーラパネルの長さ及び／又は幅は、特に１０ｍｍよりも大きく、有利には１００ｍｍよりも大きく、更に有利には５００ｍｍよりも大きく、特に有利には１，０００ｍｍよりも大きい。特に、１０ｍｍから３００ｍｍの間、有利には５０ｍｍから２５０ｍｍの間、更に有利には１００ｍｍから２００ｍｍの間、特に有利には１５６ｍｍの幅及び長さを有する非常に小型のパネルを生産することができる。

本発明の１つの有利な実施の形態によれば、光収率を最大にするために、光が本発明に従い製造されたパネルに焦点合わせされる。

もっとも、本発明によれば、特に半導体産業に関して、相応の基板スタックをウェハレベルで製造することも可能である。ここで有利には、規格化基板が使用され、特に１インチ、２インチ、３インチ、４インチ、６インチ、８インチ、１２インチ、１６インチ又は１８インチの基板直径を有している基板が使用される。

本発明に従い製造された基板スタックは、相互に接合されている複数の基板から形成されている。基板は有利には、光エネルギを電気エネルギに変換することができる光電管、従って半導体素子である。正確な物理的事象はここでは詳細に説明しない。基板は、特に、少なくとも１つのｐ型ドープされた領域及び少なくとも１つのｎ型ドープされた領域から形成されている。有利には、ｐ型ドープされた領域とｎ型ドープされた領域とが交互に現れるように、基板は相互にアライメントされる。しかしながら特別な実施の形態においては、他の配置構成も選択することができる。

１つの有利な実施の形態によれば、種々の波長感応性の特性及び／又は特に少なくとも大部分が重畳していない、有利には完全に重畳していない複数の領域を有している基板を備えた基板スタックが開示される。これによって、太陽放射のスペクトルに由来する光子の収率が最大になる。

異なる波長の光子の収率を最大にするために、本発明の１つの有利な実施の形態によれば、基板が薄くされる。これによって、照射面から最も離れて位置している光子の少なくとも大部分が基板に到達することが保証される。換言すれば、基板スタックを通過して、特に各光子波長に対して感応性の基板に達するまでの光子の移動区間が最小化される。この最小化は、特に、基板を薄くすることによって行われる。

基板は、本発明によれば、１ｍｍよりも薄く、有利には１００μｍよりも薄く、より有利には７５μｍよりも薄く、特に有利には５０μｍよりも薄く、とりわけ有利には２５μｍよりも薄く、最も有利には１μｍよりも薄く製造されるか、又は、そのような厚さを有するように選定される。可能な限り薄い基板厚さによって、従って可能な限り薄い基板スタック厚さによって、光子の早期の吸収、従って光エネルギの熱への変換が阻止されるか、又は少なくとも低減される。

本発明によれば、基板スタックの各基板に異なる厚さを設けることが可能である。特に、照射面から最も離れた基板、即ち一番下に位置する基板は薄くされないか、又は、基板スタックの他の基板よりも厚くなるように選定される。特に、下に位置する基板に到達すべき波長に対する透過率が低い基板は可能な限り薄くされる。

以下では、本発明による種々の実施の形態を説明する。それらの実施の形態は、個々の特徴に関して、技術的な実現可能性の枠内で相互に組み合わせることもできる。

本発明によるすべての実施の形態において、例示的に、複数のｐ型ドープされた太陽電池及びｎ型ドープされた太陽電池から成る構造について検討する。しかしながら、本発明による方法は基本的には、以下のようなあらゆる種類の基板に適している。つまり、ボンディング接合によって相互に、特に永続的に接合させる必要があり、且つ、その表面における、特にコンタクトにおける特別な構造形態によって、アライメント装置を要することなく、その構造形態が少なくとも部分的に重畳されて、相応の機能を保証するように、相互にアライメントされるべき、あらゆる種類の基板に、本発明による方法は適している。

本発明による基板スタックを製造するための、本発明による第１の実施の形態においては、基板の酸化が、その基板のただ１つの面においてのみ行われる。従って、基板スタックを本発明に従い製造するために、第１の基板の酸化された面と、第２の基板の酸化されていない面とが、（特に個々のコンタクト箇所相互の正確なアライメントを要することなく）相互に粗くアライメントされて、相互に接触される。個々のコンタクト箇所の接触接続は、特に偶発的に行われる。

本発明による第１の実施の形態においては、各基板が、酸化物表面におけるコンタクト並びに基板におけるＴＳＶ、従って導電性のコンタクトを有している。従って、酸化された表面は、ハイブリッド表面を表す。特に、２つの基板のアライメントは専らマニュアルで行われ、従って費用の掛かる煩雑で高価な（光学的な）アライメント装置は必要ない。例えば、１つのピン又は複数の機械的なピンを使用して、そのピンに当接するまで、相互に接合されるべき２つの基板又は１つの基板及び既に存在する基板スタックを接近させることも考えられる。その種の機械的なアライメントは高速で、廉価で且つ効率的である。

アライメント精度は、特に、基板又は基板スタックの表面品質、基板又は基板スタックの直径の正確さ、及び／又は、ピンの表面精度に依存して、１ｍｍよりも良く、有利には１００μｍよりも良く、より有利には１０μｍよりも良く、特に有利には１μｍよりも良く、最も有利には０．１μｍよりも良い。

アライメント精度は、コストの削減及びアライメント過程の高速化のために、特に、基板又は基板スタックの表面品質、基板又は基板スタックの直径の正確さ、及び／又は、ピンの表面精度に依存して、せいぜい１μｍ、有利にはせいぜい１０μｍ、より有利にはせいぜい１００μｍである。

本発明による重要な態様は、特に、相互に接触される２つの基板間のコンタクト箇所が常に（偶発的に）存在し、それら２つの基板が相互に接触し、その際に、個々の各コンタクト箇所の正確な位置調整及び／又は個々のコンタクト箇所の対応付けを実施する必要がない、ということである。少なくとも２つのコンタクト箇所のこの種の接触接続を保証するために、本発明による複数の実施の形態が開示される。

一般的に、２つの基板間の少なくとも１つの接触接続は、相応の電圧を取り出せるようにするため及び／又は伝達できるようにするために必要となる。本発明によれば、導電性を可能な限り高め、従って損失を最小にするために、隣接している２つの基板のコンタクト箇所間のコンタクトの数の最大化を達成することが試みられる。

本発明による１つの実施の形態においては、コンタクト箇所が基板にわたり規則的に分散されている。本発明によれば、コンタクト箇所は相応の大きさの直径Ｄを有しており、特に、基板相互の機械的なアライメントを実施する際の不正確性又は使用される装置がアライメントを実施する際の不正確性よりも大きく、境界では同じ大きさである直径Ｄを有している。これによって、統計的な平均では、十分なコンタクト箇所が提供され、特に、接触接続されるコンタクト箇所の統計的な密度が表面全体にわたり均一になることが保証される。

本発明によれば、コンタクト箇所の平均直径Ｄが、各コンタクト箇所間の平均アライメント誤差ｆよりも大きい限りは、コンタクト箇所の作成を同様に、相当に不正確なマスク及びプロセスを用いて行うことができる。従って、各基板におけるコンタクト箇所の作成も高速且つ廉価に行うことができる。特に、直径Ｄの平均偏差と平均アライメント誤差ｆの比は、１より大きく、有利には１０より大きく、より有利には１００より大きく、特に有利には１０，０００より大きい。以下では、平均直径Ｄ及び平均アライメント誤差ｆを例にして説明する。理想的なコンタクト箇所は、例えば１μｍの直径を有している。製造公差によって、直径は達成しようとされる１μｍよりも僅かに大きくなるか又は僅かに小さくなる。但し、それにもかかわらず、統計的な平均ということで直径は１μｍとする。本発明により（光学的な）アライメント手段が省略されていることによって、２つの基板が、平均アライメント誤差に相当する区間ｘ分だけ、誤って相互にアライメントされてしまったとしても、コンタクト箇所の平均直径Ｄがその区間ｆよりも大きければ、対向する２つのコンタクト箇所の少なくとも１つのペアは依然として導電性の接続部を形成する。規則的に配置されているコンタクト箇所の面密度は、本発明によれば、特に１ｃｍ^-1よりも大きく、有利には１００ｃｍ^-1よりも大きく、より有利には１０，０００ｃｍ^-1よりも大きく、特に有利には１０^６ｃｍ^-1よりも大きく、とりわけ有利には１０^８ｃｍ^-1よりも大きい。

本発明による１つの実施の形態においては、コンタクト箇所が各基板にわたり不規則に分散されている。不規則に分散させることによって、相互にアライメントされて接触される２つの基板のコンタクト箇所のうちのどのコンタクト箇所が相互に接触接続されるかについては言及できなくなる。特に、接触接続されるべきコンタクト箇所の対応付けは行われない。特に、接触接続は偶発的に行われる。しかしながら、その種のコンタクト箇所の数が相応に多ければ、複数の箇所のうちの少なくとも１箇所において所望の接触接続を事実上保証することができる。

本発明による第２の実施の形態は、２つの観点から有利である。先ず、特に酸化物のエッチングによりコンタクト箇所を作成するために、マスク技術は必要とされない。酸化物において、後にコンタクト箇所が生じる孔を、特に、エッチング液を適用することによって統計的に分散させて作成することができる。酸化物における孔の作成後に、相応の導電性材料の堆積が行われ、この導電性材料は更なるプロセスステップにおいて、例えば、ハイブリッド表面だけが残されるまで、裏面から研磨されて薄くされる。

第２の重要な態様の本質は、コンタクト箇所がそのように統計的に分散されている場合には、アライメントプロセスに更に低い値を適用すれば良いという点にある。規則的に配置されているコンタクト箇所の面密度は、特に１ｃｍ^-1よりも大きく、有利には１００ｃｍ^-1よりも大きく、より有利には１０，０００ｃｍ^-1よりも大きく、特に有利には１０^６ｃｍ^-1よりも大きく、とりわけ有利には１０^８ｃｍ^-1よりも大きい。

本発明による別の重要な態様は、コンタクト箇所の形状である。コンタクト箇所はあらゆる任意の形状を取ることができる。コンタクト箇所は有利には円形又は矩形である。本発明による１つの特別な実施の形態においては、コンタクト箇所がリング状である。リング状のコンタクト箇所を明示的に作成することができるか、又は、縁部だけがコーティングされているＴＳＶを継続させることによって強制的に生じさせることができる。相互に接合される２つの基板にその種のリング状のコンタクト箇所が設けられている場合には、リング状のコンタクト箇所を、相互に正確に重なるようにアライメントして相互に接合させることができるか、又は、それらのリング状のコンタクト箇所を、２つの交点又は１つの交点において接触させることができる。いずれの場合にも、導電性の接続が行われる。アライメント装置による正確なアライメントが省略される場合、リング状のコンタクト箇所は多くの場合、少なくとも２つの点において交差し、従って、電気的なコンタクトはそれら２つの点において形成されることが想定される。リング状のコンタクト箇所の本発明による実施の形態によって、本発明によれば、大きい領域をカバーする幾何学的な物体を作成し、それによって、対向する基板に設けられており、特に同様にリング状であるコンタクト箇所と交差する確率を高めることができる。直径によって決定される、リング状のコンタクト箇所のサイズに関係なく、接触接続は有利には２つの点においてのみ行われ、従って、電流はそれら２つの点に集中する。

コンタクト箇所の直径、特にリング状のコンタクト箇所の直径は、有利には１００μｍ未満、有利には５０μｍ未満、更に有利には２５μｍ未満、特に有利には１０μｍ未満、最も有利には５μｍ未満である。リング状のコンタクト箇所のリング幅は、特に２０μｍ未満、有利には１５μｍ未満、更に有利には１０μｍ未満、特に有利には５μｍ未満、最も有利には１μｍ未満である。

本発明による第２の実施の形態においては、基板間の電気的な接続がＴＳＶを用いて行われるのではなく、専ら、基板内の特にｐ型ドープされた領域及びｎ型ドープされた領域の接続によって行われる。

本発明による第３の実施の形態においては、酸化物層中にナノ粒子が存在しており（又はナノ粒子が導入され）、それらのナノ粒子がコンタクト箇所に代わる役割を担う。

基板スタックの完成後に未だ酸化されていない外側の表面を、必要に応じて、事後的に酸化させ、その表面に、電圧を取り出すことができる相応のコンタクト箇所を設けることができる。もっとも、事前に酸化されていない外側の表面に対して別の処理を行うことも可能である。

本発明による基板スタックを製造するための、本発明による第２の実施の形態においては、基板の酸化が、対向する２つの面において行われる。酸化物表面が相応に準備されている場合には、非常に高速で正確であり、また再現可能に十分に規定された、２つの基板の接合が行われる。その種の接合プロセスによって作成された接合部は予備接合部と称され、また、熱処理プロセスによって正確な接合（有利には検査によって確認される）が行われると、永続的な接合部となる。

即ち、これらの実施例は、基板の両面が酸化される点では異なるが、「基板の片方の面部分だけを酸化する」実施例に等しい。

以下では、基板の一般的な特性を説明する。

本発明による重要な態様は、コンタクト箇所、ビア乃至ナノ粒子の構造サイズである。特に有利には、構造サイズはまさに、コンタクト箇所、ビア乃至ナノ粒子における光子の散乱が最小になるように、特に反射が最小になるように、構造サイズは選定されている。この場合、各基板又は基板スタックの個々の基板に対してコンタクト箇所及び／又はビア及び／又はナノ粒子の平均サイズが異なるように選定又は形成されても十分であると考えられる。

高周波の（即ち波長が短い）光子が、低周波の（即ち波長が長い）光子よりも強く吸収されるように基板スタックが構成される場合、基板は表面において、本発明に従い、高周波の光子の収率を最大にする材料から形成される。低周波の光子は、可能な限り損失がないように、この基板を通過し、従ってコンタクト箇所及び／又はビアも通過する。その際、とりわけ、散乱が最小になるように、特に反射が最小になるように注意しなければならない。

一般的に、波長のオーダにある物体直径を有する物体では、相応の電磁放射の散乱が良い。従って、本発明による１つの実施の形態においては、コンタクト箇所及び／又はビアが、第１の基板では、本発明による基板スタックにおいて下方にある基板に伝播すべき透過する放射よりも大きく設計される。相応の類似の考察は、後続の更なるすべての基板についても当てはまる。

コンタクト箇所及び／又はビアの平均物体サイズは、特に、基板を貫通する電磁放射の波長の１．１倍以上、有利には２倍以上、より有利には５倍以上、最も有利には１０倍以上の大きさである。最後の基板におけるコンタクト箇所及び／又はビアの物体サイズは特に任意の大きさであって良いが、しかしながら有利には可能な限り小さく形成され、それによって、光子を変換する材料のために可能な限り多くの容積が生じる。特に有利な、明示的に開示する実施の形態においては、下方に位置する最後の基板の厚さは、その基板に到達するすべての光子が吸収されるような大きさである。

以下では、２つの基板を、特に太陽電池を、大きな手間を要することなく相互に導電的に接合させることができる、特に有利で最適な方法を開示する。この接合は本発明によれば、ナノ粒子が埋め込まれている材料層を介して、特に酸化ケイ素層を介して行われる。

特に有利な実施の形態では、導電性のナノ粒子が埋め込まれている誘電層が、特にセラミック層が、更に有利には酸化ケイ素層が形成される。従って本発明による層は、マトリクスとして使用される誘電層と、そのマトリクスに埋め込まれている、相応の導電性の粒子とから成る、一種のマトリクス複合材料を表している。

この実施の形態の本発明による着想の本質は、特に、誘電層中の導電性の粒子の密度は、ナノ粒子の関連したネットワークが生じる大きさ、従って導電性のネットワークが生じる大きさに実施されているという点にある。誘電層の表面は、２つの基板を、特に太陽電池をフュージョンボンディングによって接合するために依然として使用される。ナノ粒子は、誘電層の体積中に（従って表面においても）統計的に分散されて存在しており、また大部分が誘電性の材料によって包囲されているので、その種の２つの層が接合される場合、ハイブリッドボンディングという用語を用いることができる。導電性の接合部が表面にわたり規則的に分散されている、産業界においては一般的なハイブリッドボンディングとは異なり、ここでの接合部は不規則である。

その種の本発明による有利な層を形成するための本発明による方法は、以下のステップを、特に以下の順序で備えている：
本方法の第１の実施の形態の第１のステップにおいては、電気的なナノ粒子が、接合されるべき基板の表面に施与され、特に太陽電池の表面に施与され、特に表面にのみ施与される。ナノ粒子を可能な限り良質に分散させるために、施与は有利には、スピンコーティングプロセス、有利にはスプレーコーティングプロセスによって塗布される溶液によって行われる。

基板が、特に太陽電池が、メートルの範囲の直径を有する場合、スプレーコーティングプロセスが有利である。

続く第２のステップにおいては、表面の酸化が特に天然酸化物によって行われる。もっとも、この種の酸化は、比較的高い温度、大抵の場合は１００℃を超える温度、有利には３００℃を超える温度、より有利には５００℃を超える温度、特に有利には８００℃を超える温度、最も有利には１，０００℃を超える温度で実施されるので、このプロセスは酸化物層の形成にはむしろ適していない。太陽電池は、そのドーピングに起因して、多くの場合、温度に対して非常に敏感であり、クリティカルな温度を超えて加熱されることは許されない。

第３の（オプションとしての）ステップにおいては、そのようにして形成された酸化表面を、研磨プロセスによって有利な厚さになるまで裏面から研磨することができる。従って、ナノ粒子は誘電層に埋め込まれており、また誘電層は、研磨プロセスによって、同じように準備された表面を備えた第２の太陽電池と直接接合できる状態にある。

本方法の第２の有利な実施の形態においては、誘電層の作成がゾルゲルプロセスによって行われる。ゾルゲルプロセスとは、ゾル（化学成分のコロイド分散液）が、複数の化学反応及び／又は物理反応によって、凝集プロセス、ゲル化プロセス、乾燥プロセス及び熱処理プロセスを経るプロセスである。ゾル、又はいわゆる前駆体は、プロセスの開始時に液体であり、プロセスの経過中に固体に変化する。この際、特に注目すべき点は、とりわけセラミック層の作成を湿化学式に行えることである。セラミック層は、さもなければ、高温熱処理を行うことでしか形成できない。

本発明によれば、ゾルに第２の成分としての導電性のナノ粒子が添加される。焼結過程によって、ゾルのポリマーは、導電性のナノ粒子の周りに誘電性の材料を形成して、ナノ粒子を強固に包囲する。この本発明による過程によって、室温（特に１０℃から３０℃の間）において導電性のナノ粒子の誘電層への湿化学式の埋め込みが行われる。

誘電層を、（オプションとして）研磨プロセスによって裏面から薄くすることができ、従って、接合過程を行える状態にすることができる。

本発明によるプロセスの別の本発明による有利な改善形態においては、表面のポリッシングが行われる。化学機械研磨法（英語：chemical mechanical polishing、ＣＭＰ）によって表面の処理を行うことも可能である。この処理は、フュージョンボンディング過程のための表面粗さの低減及び表面の前処理に使用される。

粗さは、算術平均粗さとして、二乗平均平方根粗さとして、又は、平均最大高さとして表される。算術平均粗さ、二乗平均平方根粗さ及び平均最大高さに関して求められた値は、同一の測定区間乃至測定面に関して一般的に異なるが、しかしながら同一のオーダ範囲にある。従って、粗さに関する以下の数値の範囲は、算術平均粗さに関する値、二乗平均平方根粗さに関する値又は平均最大高さに関する値のいずれかであると解するべきである。粗さは、本発明によれば、特に１００μｍ未満、有利には１０μｍ未満、更に有利には１μｍ未満、特に有利には１００ｎｍ未満、最も有利には１０ｎｍ未満である。

相互に接合された２つの太陽電池のｎ型領域とｐ型領域との間の接触接続は、この特別な実施の形態においては、誘電層を介して導電性のナノ粒子のネットワークによって行われる。有利にはナノ粒子は、ここでもまた、入射した光の散乱を、特に反射を最小にする平均サイズを有している。光の散乱についての考察は、ナノ粒子においても、既に言及したコンタクト又はスルーコンタクトにおける光の散乱の場合と同様である。

またここで、基板相互のアライメントを省略できることを明示的に言及しておく。何故ならば、基板の表面においてナノ粒子が、対向する基板の表面におけるナノ粒子と、基板間の導電性の接続部を形成するように、基板の表面において分散されているからである。

あらゆる任意の導電性の材料を、基本的にコンタクト箇所及び／又はビア及び／又はナノ粒子の形成に使用することができる。特に有利には、
・純金属、特に、
○Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｅ及び／又はＮｂ、
・合金、特に、
○青銅合金、有利にはＣｕＳｎ、及び／又は
○黄銅合金、及び／又は
○金合金、及び／又は
○銅合金、特にＣｕＡｇ、ＣｕＡｇ及び／又はＣｕＡｇＳｎ。

本発明に従い形成されるコンタクト箇所及び／又は本発明に従い形成されるＴＳＶ及び／又は本発明に従い形成される／導入されるナノ粒子の導電率は、特に１．０×１０^４Ｓ／ｍより大きく、有利には１．０×１０⁵Ｓ／ｍより大きく、更に有利には１．０×１０^６Ｓ／ｍより大きく、特に有利には１．０×１０^７Ｓ／ｍより大きく、最も有利には１．０×１０^８Ｓ／ｍより大きい。

本発明の更なる利点、特徴及び詳細は、有利な実施例についての、それぞれが概略的に示されている図面に基づく以下の説明より明らかになる。

３つの基板層から成る、基板スタックの本発明による実施の形態の概略的な側面図を示す。 片面が酸化された基板を備えた、本発明による第１の実施の形態における本発明による基板スタックの概略的な拡大側面図を示す。 両面が酸化された基板を備えた、本発明による第１の実施の形態における本発明による基板スタックの概略的な拡大側面図を示す。 片面が酸化された基板を備えた、本発明による第２の実施の形態における本発明による基板スタックの概略的な拡大側面図を示す。 両面が酸化された基板を備えた、本発明による第３の実施の形態における本発明による基板スタックの概略的な拡大側面図を示す。 片面が酸化された基板を備えた、本発明による第３の実施の形態における本発明による基板スタックの概略的な拡大側面図を示す。 両面が酸化された基板を備えた、本発明による第４の実施の形態における本発明による基板スタックの概略的な拡大側面図を示す。 本発明による基板スタックの有利な実施の形態の概略的な拡大側面図を示す。 本発明による第１のコンタクト箇所の概略的な平面図を示す。 本発明による第２のコンタクト箇所の概略的な平面図を示す。 本発明による第３のコンタクト箇所の概略的な平面図を示す。

図１には、３つの基板２、２’、２’’から成る、本発明による基板スタック１の概略的な横断面図が示されている。３つよりも多い数又は少ない数の基板２、２’、２’’を積層化することも可能である。基板の波長感度は、種々の波長を有する波列によってシンボリックに表されており、それらの波列は電磁波を表しているが、素粒子のイメージの意味では実際には光子を表している。太陽電池スタックによって形成された総電圧を取り出すための、外面における相応のコンタクトは、図示していない。

図２には、本発明による第１の実施の形態の、図１に示した概略的な横断面図における部分Ａの拡大図が示されており、この拡大図においては、誘電層を、特に酸化物層３を見て取ることができ、この誘電層を介して基板２、２’、２’’が相互に接合されている。

誘電層３は、基板２、２’、２’’と交互に設けられている。このように交互に設けることは、有利には、常に基板２、２’、２’’の表面２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’だけが酸化され、別の基板２、２’、２’’の酸化されない各表面２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’と接合されるようにして達成される。外側に位置する基板２、２’、２’’のうちの１つの基板の最終的な酸化を、基板２、２’、２’’の接合後に行うことができる。これも同様に図示されている。例えば、基板２’’が基板スタック１における最後及び／又は一番下の基板である場合には、基板スタックを酸化物でもって完全に包囲するために、表面２ｕ’’を酸化することも可能である。表面２ｕ’’のこの種の酸化は、図２に示されている。本発明によるこの特別な実施の形態においては、ビア４がそれぞれ２つの基板２、２’、２’’間の導電性の接続部を形成している。電圧の取り出しは、直径Ｄを有している、外側の露出されたコンタクト箇所５において行われる。

基板２、２’及び２’’の接合は、理論的にはやはり直接接合によって行うことができる。もっとも、基板２、２’、２’’の材料が誘電層３の材料とは異なる場合、そのようにして形成された直接接合部は最適な品質を有するものではない。

コンタクト箇所５の作成は、相当に不正確なマスク及びプロセスを用いて行われ、その際、コンタクト箇所５の平均直径Ｄは、隣接している各コンタクト箇所５間の平均アライメント誤差ｆよりも大きい。従って、各基板におけるコンタクト箇所５の作成も、高速且つ廉価に行うことができる。直径Ｄと平均アライメント誤差ｆの比は、図示されている実施の形態では約２である。

従って、本発明による有利な実施の形態の本質は、誘電層３を形成するために、特に全面にわたる誘電層３を形成するために、図３によればすべての基板２、２’、２’’のすべての表面２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’、２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’が酸化されることにある。基板２、２’、２’’の両表面２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’、２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’が酸化されることに基づき、酸化と同時に及び／又は酸化に続いて、基板２、２’、２’’の両面における誘電層にコンタクト箇所５が作成される。

図４には、ソーラ産業にとって興味の対象となる、ビア４が設けられていない特別な実施の形態が示されている。電圧の取り出しは、外面の露出されたコンタクト箇所５において行われる。個々のｐ型接合部及びｎ型接合部は、交互になって、接合界面に位置するコンタクト箇所５を介して相互に接合されている。それにもかかわらず、相応のビア４を組み込むことが好適である場合には、それらのビア４を図２及び図３に示したように作成することができる。

図５には、ＴＳＶを有していない基板２、２’、２’’の両面を酸化させる、本発明による実施の形態が示されている。

図６及び図７には、本発明による有利な実施の形態が示されている。基板２、２’、２’’のｎ型領域とｐ型領域との間の導電性の接続部は、誘電層３に規則的に又は不規則に設けられたコンタクト箇所５によって形成されるのではなく、誘電層３’に埋め込まれたナノ粒子６のネットワークによって形成される。誘電性のナノ粒子６の密度は、一方の太陽電池のｎ型領域と他方の太陽電池のｐ型領域との間に常に導電性の接続部が生じるように高くされている。ナノ粒子６を、接触接続が行われるべき誘電層３’の部分領域にのみ配置することも可能である。

図８には、相応のナノ粒子６を含んでいる誘電層３’の拡大図が示されている。

本発明による基板スタック１の外面に位置するコンタクト箇所５は、有利には電圧の取り出しに使用される。

極めて特別であり、従って有利ではない実施の形態においては、太陽層２、２’、２’’を相互に直接的に接合させるために、酸化物層３を完全に省略することも可能であると考えられる。

図９ａから図９ｃには、３つの本発明によるコンタクト箇所５、５’及び５’’が示されている。一方の本発明によるコンタクト箇所５及び５’’はいずれも完全な面として形成されており、他方の本発明によるコンタクト箇所５’はリング状に形成されている。本発明によるコンタクト箇所５’は、直径Ｄ及びリング幅ｄを有している。それぞれが相互に対向している基板２、２’、２’’に設けられている、その種の２つのコンタクト箇所５’は、完全に重畳しているか、若しくは、２つ又は１つの交点で交差して重畳している。（アライメント装置を用いずに実施される）位置決め及び接触接続が行われた場合、完全な重畳並びに一点に低減された接触接続はむしろ起こり得ないので、実際のところ、その種の２つのコンタクト箇所は多くの場合又は常に、２つの交点で交差している。電流輸送は２つのコンタクト点に低減される。コンタクト箇所５’の直径Ｄが大きくなるほど、本発明による実施の形態はアライメント誤差に対して敏感に反応しなくなる。何故ならば、直径Ｄがより大きくなるということは、接触接続が行われる確率もより高くなることを意味しているからである。

１、１’ 基板スタック
２、２’、２’’ 基板
２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’ 基板表面
２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’ 基板表面
３、３’ 誘電層
４ ビア
５、５’、５’’ コンタクト箇所
６ ナノ粒子
ｐ 半導体基板のｐ型ドープ層
ｎ 半導体基板のｎ型ドープ層
Ｄ 平均直径
ｆ 平均アライメント誤差

Claims (13)

1. 波長感応性の半導体基板（２）と、少なくとも１つの別の波長感応性の半導体基板（２’、２’’）と、から成る多層基板スタックを製造するための方法において、
   −少なくとも部分的に導電性の誘電層（３、３’）を、前記半導体基板（２、２’、２’’）のうちの少なくとも１つの半導体基板の少なくとも１つの基板表面（２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’、２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’）に設けるステップと、
   −前記半導体基板（２）を前記別の半導体基板（２’、２’’）に接触接続させ、前記半導体基板（２、２’、２’’）間に導電性の接続部を形成するステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 各半導体基板（２、２’、２’’）は、ｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層を有しており、隣接し合っている半導体基板（２、２’、２’’）は、それぞれ、ｎ型ドープ層によって、隣接する半導体基板（２、２’、２’’）のｐ型ドープ層に接している、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記誘電層（３、３’）を、ゾルゲルプロセスによって、マトリクス複合材料として形成し、特に、導電性の粒子が混合された、有利にはナノ粒子が混合されたセラミック層として、有利には酸化ケイ素層として形成する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記誘電層（３、３’）を、ナノ粒子を少なくとも部分的に施与し、続いて、天然酸化物により前記誘電層（３、３’）を酸化させることによって形成する、
   請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記半導体基板（２、２’、２’’）は、太陽電池として形成されている、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記半導体基板（２、２’、２’’）は、異なる波長領域において、特に少なくとも部分的に異なる波長領域において、有利には大部分が異なる波長領域において、更に有利には完全に異なる波長領域において、波長感応性に形成されている、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記誘電層（３、３’）を、それぞれ、対向する２つの基板表面（２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’、２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’）に設ける、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記半導体基板（２、２’、２’’）のアライメントを、特に純粋に機械的なアライメントを、光学手段を用いずに、及び／又は、前記半導体基板（２、２’、２’’）における光学的なアライメントマークを用いずに、前記接触接続前又は前記接触接続時に行う、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記半導体基板（２、２’、２’’）の前記接触接続後又は前記接触接続時に、前記半導体基板（２、２’、２’’）間の接合部を形成し、特に永続的な接合部を形成し、有利には直接接合部又はフュージョンボンディング部を形成する、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記半導体基板（２、２’、２’’）は、各半導体基板（２、２’、２’’）の、それぞれ相互に背中合わせに位置する基板表面（２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’、２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’）を導電的に接合させるための導電性のビア（４）を有している、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記誘電層（３、３’）を、部分的に、導電性のコンタクト箇所（５）を備えた前記ビア（４）にのみ形成する、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記接触接続時に、平均アライメント誤差ｆと少なくとも同じ大きさの直径Ｄを有する、有利には平均アライメント誤差ｆよりも大きい直径Ｄを有するコンタクト箇所（５）を形成する、
    請求項１１に記載の方法。
13. 半導体基板（２）、特に波長感応性の半導体基板（２）と、少なくとも１つの別の半導体基板（２’、２’’）、特に波長感応性の別の半導体基板（２’、２’’）と、から成り、
    前記半導体基板（２、２’、２’’）のうちの少なくとも１つの半導体基板の少なくとも１つの基板表面（２ｏ、２ｏ’、２ｏ’’、２ｕ、２ｕ’、２ｕ’’）に、少なくとも部分的に導電性の誘電層（３、３’）を備えており、且つ、
    前記半導体基板（２）と前記別の半導体基板（２’、２’’）との接触接続によって形成される、前記半導体基板（２、２’、２’’）間の導電性の接続部を備えていることを特徴とする、
    多層基板スタック。

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