JP5111507B2 - 半導体素子を金属化する方法およびその利用 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムを利用する半導体素子金属化方法に関する。本発明は、例えばシリコンベースの太陽電池などの、処理コストが大きな影響を及ぼす製品の場合に特に、コストに関して効果を奏することができる。また、本発明は、当該方法の利用、例えば、太陽電池生産プロセスにおける利用に関する。

現在主流となっている結晶系太陽電池の場合、背面側コンタクトは、アルミニウム含有スクリーン印刷ペーストとシリコン材料とを混合することによって形成される。当該ペーストは、融点より高い温度で短時間加熱され、一体的なアルミニウム層を形成する。このようなアルミニウム層によって、背面側メタライゼーションの横方向の導電性が保証される。さらに、アルミニウムとシリコンを混合して共晶を形成することによって、太陽電池の背面側の電気特性が改善される。

上記の処理手順によると、良好な導電性が得られるが、電気特性および光学特性は並に過ぎない。さらに、ペーストの混合ステップに必要な熱負荷のために、例えば、後続の処理すべてにおいて温度安定性が得られるわけではないので、太陽電池をさらに最適化する可能性が限定されてしまう。

光学特性および電気特性は、例えば酸化シリコン、窒化シリコンまたはアモルファスシリコンなどから成る誘電層によって背面側にまずパッシベーションを施すことによって、大きく改善され得る。続いて、背面側はアルミニウム層で金属化される。アルミニウム層の形成は、標準的に、例えば蒸着コーティングまたはスパッタリングなどの真空法によって行われる。

上述した方法の場合、真空に起因して問題が生じる。ここで、真空は、１ｍｂａｒ未満の圧力と理解されたい。真空を生成（つまり、処理チャンバを排気）するため、処理時間が長くなり、コストも大きくなる。また、真空において気体を発する特殊な物質については、真空内でコーティングを施すことができない。３つ目の問題点は、真空では定められた位置に正確に層を堆積させることが不可能であることである。つまり、材料の消費が増え、処理チャンバが汚染されるため、コーティングが施された素子の品質が低下してしまう可能性がある。

誘電層を用いる場合、続いてアルミニウム層をシリコンに対して接触させる際にはさまざまな方法を利用することができる。特に、ＬＦＣ方法を用いることができる。

本発明は、低温の処理温度でアルミニウムを用いて低コスト且つ高速に半導体表面をコーティングする方法を実現することを目的とする。この目的は、請求項１に記載の特徴を有する方法によって達成され得る。本発明に係る方法の利用は、請求項１８に記載する。従属項はそれぞれ、本発明の更なる有利な具体例を規定する。

本発明に係る方法は、半導体素子の少なくとも一つの表面をアルミニウムで少なくとも部分的に金属化し、ａ）アルミニウム箔を表面と少なくとも部分的に直接接触させることと、ｂ）続いて、エネルギー効果によって、アルミニウム箔を少なくとも部分的に半導体素子の表面に接続することとを含む。

アルミニウム箔の載置（ステップａ）は適切な方法を用いて実施される。当該アルミニウム箔と基板とが部分的に直接接触することが不可欠である。このように直接接触させることが重要なのは、そうしなければ、基板に接着されることなくアルミニウム箔に孔が形成されるだけに終わってしまうからである。このため直接接触は、摩擦を伴うものであってもよいし、および／または、形状が係合するものであってもよい。

ある好適な実施形態によると、アルミニウム箔の載置（ステップａ）は、表面に対してアルミニウム箔を押し付ける、吹き付ける、および／または、吸着することによって実現される。

これに代わる好ましい実施形態によると、アルミニウム箔の載置（ステップａ）は、表面とアルミニウム箔との間に配設される液膜によって実現される。このため本発明では、液膜の形成が、コーティング対象の基板の表面にアルミニウム箔が既に載置されている状態で実行されるか、基板および／またはアルミニウム箔は予め濡らしておき、濡らした後でアルミニウム箔を基板に載置するか、どちらであるかは無関係である。液膜として、水の膜および／または溶剤の膜を利用することができる。

これに代わる別の好ましい実施形態に係る方法によると、アルミニウム箔の載置（ステップａ）は、表面とアルミニウム箔との間に配設される犠牲層によって実現される。犠牲層はこのため、アモルファスシリコン、誘電層、金属層、有機材料から形成される層、および／または、これらの材料から形成される箔から成る群から好適に選択されるものを用いる。このため、利用される犠牲層は、当該方法のステップｂにおいて、アルミニウム箔内に完全に溶解する。例えば、アモルファスシリコンを利用する場合、温度を摂氏約４００度以上とすると、アルミニウム内で完全に溶解する。犠牲層は、液膜と同様に、アルミニウム箔または素子の表面に予め設けられ得る。

本発明に係る方法によると、半導体表面に任意の層厚のアルミニウム箔を載置することができるようになるが、厚みは、１μｍから２０μｍが好ましい。

さらに、アルミニウム箔の寸法は、金属化される半導体素子の表面の寸法に合わせることが望ましい。

しかし、これに代えて、アルミニウム箔の寸法は金属化される半導体素子の表面の寸法よりも大きくすることも可能である。

アルミニウム箔がさらに金属構造を有することも好ましい。例えば、均質なアルミニウム箔に代えて、個々の半導体素子同士を互いに接続するための薄い長尺状の金属部分をさらに有する箔を使用することもできる。この長尺状金属部分は同時に箔に対して接着され、半導体素子を画定する端部を越えて突出し、ほかの半導体素子に接続され得る。この代替例として、当業者には公知であり標準的な、個々の素子を電気接続する手段を、処理開始前にアルミニウム箔の下方に設けることもできる。当該手段は、当該方法のステップｂにおいて基板に接着される。基板および箔の両方に同時に接着されるとしてもよい。

特徴ｂ）によって得られるアルミニウム箔の接続は、アルミニウム箔が表面と直接接触している領域で少なくとも実現される。

アルミニウム箔を表面に部分的および全面的に効率よく接続する（当該方法のステップｂ）ためには、レーザを利用し得る。このため、付着性が良好な接続を簡単に実現することが可能となる。レーザ照射は、上方からアルミニウム箔に対してガイドされ、アルミニウム箔を一時的に強力に加熱して、基板または間に設けられる犠牲層を局所的に溶解する。当該レーザは、所定の構造にも照射され得る。例えば、箔の上に設けられているパターンにも照射され得る。この結果、長尺状部分および点状構造が形成され得る。当該レーザは、任意の特定のものに限定されないが、ある波長を有すると共に、アルミニウム箔を少なくとも部分的に溶解させる強度を有することが肝要である。具体的には、赤外レーザを用いることができる。しかし、本発明に係るエネルギー効果は、レーザ処理のみに限定されることはなく、所望の効果を奏する任意のその他の適切な実施形態も同様に適切である。例えば、アルミニウム箔に対して、十分に強度が高く、コヒーレントでない赤外線を照射するとしてもよい。

当該方法は、太陽電池が半導体素子として利用される場合に特に適切な方法である。このため、金属化部分は背面側コンタクトとして太陽電池に形成されるのが好ましい。

反射試験アセンブリが測定する、本発明に係る金属化が施された太陽電池の反射曲線を示す図である。

本発明は、以下に例を参照しつつより詳細に説明される。しかし、本発明は本明細書で開示される具体的な実施形態に限定されるものではない。

このため、さまざまな適切な方法を用いて、アルミニウム箔と基板とを直接接触させる。このように直接接触させることが重要なのは、そうしなければ、基板に接着されることなくアルミニウム箔に孔が形成されるだけで終わってしまうからである。直接接触させるための適切な方法の例には、機械的に押し付けること、吹き付けること、および／または、吸着することが挙げられる。また、アルミニウム箔を基板に接着する方法としては、基板とアルミニウム箔との間に液体を数滴滴下して、この数滴分の液体は略全て除去される方法が考えられ得る。３番目の可能性として、アルミニウム箔の載置の後に実行される追加処理ステップにおいて溶解する犠牲層を追加して利用することが考えられる。このために、摂氏４００度より高い温度においてアルミニウムに完全に溶解するアモルファスシリコンを用いる。

事前に実施した試験によると、真空吸着によってアルミニウム箔をサンプルに接着した。このために、アルミニウム箔はサンプル上に載置され端部を覆い、サンプルおよびアルミニウム箔を共に、処理テーブル上において真空デバイスを用いて、安全に吸着した。このような処理を実行した結果、その間に存在していた空気は全て除去され、アルミニウム箔はサンプルの全面に渡って設けられる。

最後のステップとして、レーザ照射によってアルミニウム箔を基板に接着して、付着性の良好な接続を得る。このレーザ照射は、アルミニウム箔に対して上方からガイドされ、アルミニウム箔を一時的に強力に加熱して、基板または間に設けられている犠牲層を局所的に溶解する。このレーザは、アルミニウム箔に対してさまざまなパターンに従って照射され、アルミニウム箔を全面に渡って処理するか、部分的にのみ処理する。長尺状の構造および点状の構造が形成され得る。

アルミニウム箔と基板との相対的な位置付けについては、幾つかの可能性がある。一例を挙げると、アルミニウム箔は、基板上の正確な位置に配置され、基板に対応する寸法を持つとしてもよい。このため、表面全体および表面の一部分が金属化され得る。別の可能性としては、基板の端部を越えるような、基板よりもはるかに大きい表面積を持つアルミニウム箔を設けることが考えられる。この場合もまた、アルミニウム箔と基板とは完全に接着するとしてもよいし、一部分のみを接着するとしてもよい。最後のレーザ照射ステップでは、アルミニウム箔は、レーザのパラメータを変更して、基板サイズまたは任意の形状になるように小さくカットしてもよい。レーザによるカットで、アルミニウム箔の端部と基板の端部とを良好に接着させることができる。基板の端部を越えて突出するアルミニウム箔はカットされ得る。このようなアルミニウム箔の残余部分は除去するとしてもよい。

本発明の特徴は、以下に挙げる例および図１を参照しつつより詳細に明らかにされる。しかし、本発明の主題は以下の例で言及する特定の実施形態に限定されるものではない。

＜例＞
寸法が２０×２０ｍｍ^２でフロートゾーンシリコンに前面構造を有さない、上述の太陽電池について、明度特性ラインを測定する電流−電圧試験アセンブリを用いて測定を行う。当該太陽電池の構造は、前面にエミッタ層（太陽電池のｐｎ接合を実現するため）を有する２５０μｍの厚みのシリコンウェハと、反射防止コーティングと、前面側メタライゼーションとを備える。このタイプの構造は、適切な材料を用いて処理を適切に制御すれば高効率を達成し得るので、高効率構造とも呼ばれる。このような構造の場合、リークチャネルは可能な限り抑圧して悪影響を防ぐことにより、当該実験で用いられる変形例はより明確に区別され得る。背面側には誘電性コーティングが塗布され、誘電性コーティングには、本発明に従って、市販のアルミニウム箔（例えば、スーパーマーケットで販売されている、厚みが約１４μｍのもの）を設ける。このようにすることによって、当該アルミニウム箔は吸着デバイスによって背面側に固着され、レーザ照射によって複数のポイントで接着される。下のテーブルで示す太陽電池の品質を表すパラメータが得られた。

図１は、反射試験アセンブリが測定する、本発明に係る金属化が施された太陽電池の反射曲線を示す図である。ウルブリヒト球（Ｕｌｂｒｉｃｈｔ ｇｌｏｂｅ）を用いて、サンプルに対して照明を当てて、反射の割合を波長の関数として計測する。参照用太陽電池（つまり、本発明に係る方法に従って製造されていない太陽電池）と比較してみると、１０００ｎｍより大きい波長帯域では背面側において実質的に等しい良好な反射であることが分かる。しかし、このような波長帯域は、シリコンの吸収長は太陽電池の厚みよりも小さいので、電子の放出にはほとんど適さない。現在の製品に関連する波長帯域（つまり、１０００ｎｍ未満）については、参照用太陽電池と本発明にかかる方法に従ってコーティングされた太陽電池との間では反射度に差はない。このため、大幅に簡略化された制御方法によって、略同じ反射度の背面側コーティングを実現することができる。
（項目１）
半導体素子の少なくとも一つの表面をアルミニウムで少なくとも部分的に金属化する方法であって、
ａ）アルミニウム箔を前記表面と少なくとも部分的に直接接触させることと、
ｂ）続いて、エネルギー効果によって、前記アルミニウム箔を少なくとも部分的に前記半導体素子の前記表面に接続することと、
を含む方法。
（項目２）
前記アルミニウム箔の載置（ステップａ）を、前記表面に対して前記アルミニウム箔を押し付ける、吹き付ける、および／または、吸着することによって実現する、
項目１に記載の方法。
（項目３）
前記アルミニウム箔の載置（ステップａ）を、前記表面と前記アルミニウム箔との間に配設される液膜によって実現する、
項目１に記載の方法。
（項目４）
液膜として、水の膜および／または溶剤の膜を利用する、
項目３に記載の方法。
（項目５）
前記アルミニウム箔の載置（ステップａ）を、前記表面と前記アルミニウム箔との間に配設される犠牲層によって実現する、
項目１に記載の方法。
（項目６）
前記犠牲層として、アモルファスシリコン、誘電層、金属層、有機材料から形成される層、および／または、これらの材料から形成される箔を用いる、
項目５に記載の方法。
（項目７）
前記アルミニウム箔の厚みは、１μｍから２０μｍである、
項目１から項目６のうち少なくとも１つに記載の方法。
（項目８）
前記アルミニウム箔の寸法は、金属化される対象の前記半導体素子の前記表面の寸法に合わせる、
項目１から項目７のうち少なくとも１つに記載の方法。
（項目９）
前記アルミニウム箔の寸法は、金属化される対象の前記半導体素子の前記表面の寸法よりも大きい、
項目１から項目７のうち少なくとも１つに記載の方法。
（項目１０）
前記アルミニウム箔はさらに、金属構造を有する、
項目１から項目９のうち少なくとも１つに記載の方法。
（項目１１）
前記金属構造は、前記アルミニウム箔内に長尺状の金属部分として形成される、
項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記金属構造は、別の半導体素子との接続に用いられる、
項目１０または項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記アルミニウム箔を少なくとも部分的に前記表面に接続することは（ステップｂ）、レーザの効果によって実現される、
項目１から項目１２のうち少なくとも１つに記載の方法。
（項目１４）
前記レーザは、予め定められている構造に照射される、
項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記レーザによって、長尺状部分および／または点状構造が形成される、
項目１４または項目１５に記載の方法。
（項目１６）
太陽電池が前記半導体素子として利用される、
項目１から項目１５のうち少なくとも１つに記載の方法。
（項目１７）
前記金属化部分は、背面側コンタクトとして前記太陽電池に設けられる、
項目１６に記載の方法。
（項目１８）
項目１から項目１７のうち少なくとも１つに記載の方法の、太陽電池を金属化するための利用。
（項目１９）
前記太陽電池の背面側コンタクトとしての、項目１８に記載の利用。

Claims (11)

1. 半導体素子の少なくとも一つの表面をアルミニウムで少なくとも部分的に金属化する方法であって、
   ａ）アルミニウム箔を前記表面と少なくとも部分的に直接接触させる段階と、
   ｂ）続いて、レーザまたはコヒーレントでない赤外線の効果によって、前記アルミニウム箔を少なくとも部分的に前記半導体素子の前記表面に接続する段階と、
   を有し、
   前記アルミニウム箔を前記表面と少なくとも部分的に直接接触させる段階は、金属化される対象の前記半導体素子の前記表面の寸法よりも大きな寸法を有し、前記半導体素子上に載置され端部を覆う前記アルミニウム箔を、前記表面に吸着させる段階を含み、
   前記アルミニウム箔を前記表面に吸着させる段階は、前記半導体素子および前記アルミニウム箔を共に真空デバイスを用いて安全に吸着させる段階を含み、
   前記アルミニウム箔を少なくとも部分的に前記半導体素子の前記表面に接続する段階は、前記アルミニウム箔を一時的に加熱して、前記表面又は前記表面と前記アルミニウム箔との間に設けられる犠牲層を局所的に溶解する段階を含む、
   方法。
2. 前記アルミニウム箔の厚みは、１μｍから２０μｍである、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記アルミニウム箔はさらに、金属構造を有する、
   請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記金属構造は、前記アルミニウム箔内に長尺状の金属部分として形成される、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記金属構造は、別の半導体素子との接続に用いられる、
   請求項３または請求項４に記載の方法。
6. 前記レーザは、予め定められている構造に照射される、
   請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の方法。
7. 前記レーザによって、長尺状部分および／または点状構造が形成される、
   請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の方法。
8. 太陽電池が前記半導体素子として利用される、
   請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の方法。
9. 前記金属化された部分は、背面側コンタクトとして前記太陽電池に設けられる
   請求項８に記載の方法。
10. 太陽電池を製造するための方法であって、
    ａ）半導体素子を準備する段階と、
    ｂ）請求項１から請求項９までの何れか一項に記載の方法により、前記半導体素子の少なくとも一つの表面をアルミニウムで少なくとも部分的に金属化する段階と、
    を有する方法。
11. 前記半導体素子の少なくとも一つの表面をアルミニウムで少なくとも部分的に金属化する段階は、前記半導体素子の背面側の表面を金属化する段階を含む、
    請求項１０に記載の方法。

Images