an Halbleitersubstraten

[OOOl] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen an Halbleitersubstraten, insbesondere an Silizium-Solarzellen.

[0002] Zur Herstellung rückseitig kontaktierter, kristalliner Silizium-Solarzellen wird der auf der Vorderseite der Solarzelle erzeugte Emitter elektrisch mit den sich auf der Rückseite der Solarzelle befindenden Kontaktfingern verbunden. Die so genannte Durchkontaktierung erfolgte bisher durch die Herstellung einer großen Anzahl von Löchern oder Kavitäten, welche entweder durch einen Dotierschritt oder durch Metallisierung elektrisch leitfähig gemacht werden. Die Erzeugung dieser Löcher oder Kavitäten erfolgt üblicherweise durch Ablation des Wafer-Materials mit Hilfe gepulster Laserstrahlung. Bei der Ablation entstehen hohe Temperaturen, welche die Siedetemperatur des Wafer-Materials erreichen oder sogar übersteigen. Die dadurch entstehenden hohen örtlichen und seitlichen Temperaturgradienten erzeugen Defekte und Mikrorisse im umliegenden Material und führen deshalb oft zum Bruch der Solarzelle in den darauffolgenden Prozessschritten.

[0003] Das Problem der erhöhten Bruchrate und der damit verbundenen Reduzierung der Ausbeute bei der Herstellung so genannter EWT-Solarzellen (Emitter Wrap Through) oder MWT-Solarzellen (Metal Wrap Through) konnte aufgrund dieser Probleme bisher nicht gelöst werden.

[0004] Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchkontaktierung von Solarzellen anzugeben, das die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet. Im weiteren Sinne soll ein Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen an Halbleitersubstraten angegeben werden.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Aufschmelzen von durchgehenden Bereichen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen an Halbleitersubstraten, insbesondere an Silizium-Solarzellen, mit den folgenden Schritten gelöst:

Bestrahlen einer ersten Fläche des Halbleitersubstrates mit einem Laser im Infrarotbereich, so dass sich ein Laserstrahl bis zu einer der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Fläche ausbreitet und

Erhöhung der Absorption für den Laserstrahl im Bereich der zweiten Fläche zur Erzeugung einer Schmelzfront, die sich ausgehend von der zweiten Fläche in Richtung zur ersten Fläche hin ausbreitet. [0006] Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

[0007] Die Erfindung nutzt die starke Zunahme der Strahlungsabsorption von Halbleitern bei Temperaturerhöhung aus. Ein bei Umgebungstemperatur optisch transparentes Halbleitermaterial wird ab einer von der Wellenlänge der optischen Strahlung abhängigen Temperatur absorbierend. Durch diesen physikalischen Effekt kann das Halbleitermaterial nicht wie bei den bisher bekannten Laserprozessen von seiner dem Laser zugewandten Oberfläche (Vorderseite), sondern von seiner dem Laser abgewandten Oberfläche (Rückseite) her aufgeschmolzen werden. Hierbei wird die Oberfläche an der Rückseite zu Beginn der Laserbestrahlung zumindest so weit absorbierend gemacht, dass der Laserstrahl zu einer ausreichenden Temperaturerhöhung an der Rückseite führt, so dass das Material in diesem Bereich aufgeschmolzen wird. Durch das Aufschmelzen an der Rückseite wird das der Vorderseite zugewandte Material durch Wärmeleitung gleichfalls erhitzt, was wiederum auch dort infolge der Temperaturerhöhung zu einer stärkeren Absorption führt. Auf diese Weise wird eine Schmelzfront erzeugt, die sich in Richtung von der Rückseite her zur Vorderseite hin bewegt. Bei geeigneter Verfahrensführung kann so ein durchgehend aufgeschmolzener Bereich zwischen Vorderseite und Rückseite erzeugt werden.

[0008] Wie nun die Erhöhung der Absorption für den Laserstrahl im Bereich der zweiten Fläche, auf die der Laserstrahl auftrifft, erreicht wird, ist grundsätzlich ohne Bedeutung.

[0009] Vorzugsweise wird die zweite Fläche zumindest im Bereich des Auftreffpunktes des Laserstrahls derart behandelt, dass sich eine erhöhte Absorption für Infrarotstrahlung ergibt.

[0010] Dies kann zum Beispiel durch eine mechanische Behandlung, insbesondere durch Aufrauen, durch Aufbringen einer Absorptionsschicht oder auch durch Anschmelzen mit einem Laser bewirkt werden. Bei der Absorptionsschicht kann es sich beispielsweise um eine dünne Graphitschicht handeln, die später wieder entfernt werden kann. Bei Halbleitersubstraten, etwa Silizium-Substraten, ist Graphit relativ unproblematisch. Beliebige andere Schichten sind denkbar, die zu einer erhöhten Absorption für IR-Strahlung führen, und die schließlich ein Aufschmelzen im Bereich des Laserstrahls initiieren.

[0011] Vorzugsweise wird bei Silizium eine IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 900 bis 1200 Nanometern, bevorzugt im Bereich von 950 bis 1150 Nanometern, weiter bevorzugt im Bereich von 1000 bis 1100 Nanometern, weiter bevorzugt im Bereich von 1040 bis 1100 Nanometern, besonders bevorzugt im Bereich von 1050 bis 1090 Nanometern, ganz besonders bevorzugt von 1064 Nanometern verwendet. Bei anderen Halbleitermaterialien muss die geeignete Wellenlänge entsprechend der Bandlücke der Halbleiter angepasst werden.

[0012] Erfindungsgemäß kann die temperaturabhängig stark erhöhte Absorption besonders in diesem Wellenlängenbereich genutzt werden, um das gewünschte lokale Aufschmelzen zu erreichen.

[0013] Weiter bevorzugt wird zur Bestrahlung ein gepulster Laser verwendet.

[0014] Hierdurch lässt sich eine besonders gute Anpassung und Steuerung des Lasers auf eine geeignete Leistung erreichen.

[0015] Zur Bestrahlung kann beispielsweise ein YAG-Laser verwendet werden.

[0016] Weiter bevorzugt wird die Bestrahlung mit dem Laser unterbrochen, wenn der durchgehende Bereich zwischen der ersten und der zweiten Fläche vollständig aufgeschmolzen ist. [0017] Auf diese Weise kann ein vollständig aufgeschmolzener, durchgehender Bereich erzielt werden.

[0018] Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird auf der zweiten Fläche eine Precursor-Schicht, bei Silizium vorzugsweise Phosphor, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, aufgebracht, die während des Aufschmelzens des Materials eine Dotierung des durchgehenden Bereiches bewirkt. Bei anderen Halbleitern werden entsprechend geeignete Dotierstoff-Precursorschichten verwendet.

[0019] Da die Diffusionskonstante von Dotierstoffen in flüssigen Halbleitermaterialien typischerweise um zehn Größenordnungen größer ist als bei der sonst üblichen Festphasendiffusion, können Dotierstoffe, die als Precursor-Schichten auf die Rückseite des Substrates aufgebracht sind, in der zur Verfügung stehenden Zeit von mehreren Mikrosekunden von der zweiten Fläche bis zur ersten Fläche durch die mit flüssigem Halbleitermaterial gefüllte Kavität hindurch diffundieren und so einen dotierten, ggf. hoch leitfähigen, Kanal erzeugen.

[0020] Auf diese Weise lässt sich eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Oberflächen des Halbleitersubstrates erzielen. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um die rückseitig kontaktierten kristallinen Silizium-Solarzellen und den auf der Vorderseite der Solarzelle erzeugten Emitter elektrisch mit den sich auf der Rückseite der Solarzelle befindenden Kontaktfingern zu verbinden. So kann auf recht einfache und kostengünstige Weise eine Durchkontaktierung gewährleistet werden.

[0021] Da das im Stand der Technik übliche Verdampfen des Halbleitermaterials vermieden wird und lediglich ein Aufschmelzen erforderlich ist, ergeben sich deutlich geringere Temperaturgradienten als bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren. Die Entstehung von Defekten und Mikrorissen im umliegenden Material wird deutlich reduziert. [0022] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Bestrahlung mit dem Laser so lange fortgesetzt, bis die Schmelzfront die erste Fläche erreicht hat und das aufgeschmolzene Material aus dem durchgehenden Bereich nach außen austritt, so dass eine Kavität entsteht, die sich zwischen der ersten und der zweiten Fläche erstreckt.

[0023] Hierbei wird die Tatsache genutzt, dass dann, wenn die Schmelzfront die erste Fläche des Halbleitersubstrates erreicht, die absorbierte Strahlungsleistung nicht mehr durch Wärmeleitung abgeführt werden kann und die Temperatur im Bereich der ersten Fläche sehr schnell ansteigt. Bei Überschreiten der Siedetemperatur verdampft das Material an der Vorderseite und treibt die darunterliegende Schmelze durch einen so erzeugten Rückstoß über die Oberfläche an der Rückseite, d.h. an der zweiten Fläche, aus.

[0024] Auf diese Weise kann eine durchgehende, zylinderförmige Kavität mit hohem Aspektverhältnis hergestellt werden.

[0025] Das Verfahren ist deutlich schonender für das Halbleitersubstrat als die bisher übliche Erzeugung von Löchern durch Ablation mit Hilfe gepulster Laserstrahlung. Die Entstehung von Defekten und Mikrorissen im umliegenden Material wird deutlich reduziert.

[0026] Die so erzeugte Kavität kann durch einen nachfolgenden Metallisierungsschritt mit einem Metall gefüllt werden. Dies kann beispielsweise durch siebgedruckte Pasten, durch galvanische Abscheidung, durch Aufdampfen oder ein anderes geeignetes Beschichtungsverfahren erfolgen.

[0027] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Halbleitermaterial mit geringerer Laserleistung bestrahlt, so dass das Halbleitermaterial hinter der Schmelzfront in Richtung der rückseitigen Oberfläche wieder erstarrt. Hierbei entsteht im Inneren des Halbleiters eine flüssige Zone, die von kristallinem Material in der festen Phase umgeben ist. Durch kontrollierte Erhöhung der Laserleistung wird das Material an der Vorderseite der Schmelzfront verdampft. Der Dampfdruck erzeugt mechanische Spannungen im Inneren des Wafers und kann diesen dadurch ganzflächig oder auch nur lokal trennen. Um z. B. einen gesamten Wafer auf diese Weise in zwei Teile zu spalten, werden vorzugsweise mehrere Laserfoki erzeugt, welche über den Wafer verteilt ein gleichmäßiges Spannungsfeld ausbilden, um den Wafer ohne Risse in zwei Teile zu spalten.

[0028] Auf diese Weise kann an einer präzise vorbestimmten Stelle des Halbleitersubstrates eine Trennung der darunter- und der darüberliegenden Schicht in zwei Scheiben bewirkt werden.

[0029] Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung wird die Laserleistung bei Erreichen einer bestimmten Schmelztiefe so erhöht wird, dass das Halbleitermaterial im Innern verdampft und die dahinter liegende Schmelze austreibt.

[0030] Auf diese Weise können definiert Sacklöcher im Substrat erzeugt werden, welche vorzugsweise zur Texturierung oder Verbesserung der strukturellen Eigenschaften von Halbleiteroberflächen eingesetzt werden können. Ein Einsatz bei der Herstellung von Mikrostrukturen wie z.B. Beschleunigungssensoren ist ebenso möglich.

[0031] Ein erfindungsgemäßes Halbleitersubstrat, insbesondere eine Silizium-Solarzelle, kann einen aufgeschmolzenen durchgehenden Bereich umfassen, der sich zwischen einer ersten Fläche des Halbleitersubstrates und einer gegenüberliegenden zweiten Fläche erstreckt. Dabei kann der aufgeschmolzene, durchgehende Bereich mit einer Dotierung versehen sein, die, sofern gewünscht, eine gute elektrische Leitfähigkeit gewährleistet.

[0032] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombi- nation, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0033] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. la) die Abhängigkeit der Absorptionslänge in pm von der Temperatur bei einer Wellenlänge von λ = 1064 nm;

Fig. lb) die Abhängigkeit der Absorptionslänge in pm von der Temperatur bei einer Wellenlänge von λ = 532 nm;

Fig. 2 den Temperaturverlauf in einem 100 pm dicken Silizium-Wafer für verschiedene Zeiten (t = 0,5 ps, 0,8 ps, 1,5 ps, 2,2 ps, 2,9 ps und 3,6 ps), durch Simulation bei einer Wellenlänge von λ = 1064 nm;

Fig. 3 den simulierten Temperaturverlauf in einem 100 pm dicken Silizium-Wafer für eine Zeit von 3,6 ps in Abhängigkeit von der Tiefe des Wafers und vom radialen Abstand r zum Zentrum des Laserstrahls bei einer Wellenlänge von λ = 1064 nm;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Halbleitersubstrates mit einem

Infrarot-Laser zur Bestrahlung;

Fig. 5 das Halbleitersubstrat gemäß Fig. 4 nach der Erzeugung von Kavitäten durch IR-Bestrahlung;

Fig. 6 das Halbleitersubstrat gemäß Fig. 5 nach Entfernung der Beschich- tung an der Rückseite, Metallisierung der Kavitäten und Erzeugung einer Emitter-Schicht an der Vorderseite; Fig. 7 ein weiteres Halbleitersubstrat, an dem durchgehend aufgeschmolzene Bereiche erzeugt wurden, die durch eine Dotierung elektrisch leitfähig sind und

Fig. 8 unterschiedliche Temperaturverläufe in Silizium bei einem Ablati- onsprozess nach dem Stand der Technik und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Silizium-Wafer.

[0034] Die Erfindung beruht auf einer Nutzung der starken Zunahme der Absorption von Halbleitermaterialien mit der Temperatur.

[0035] In Fig. 1 ist die Absorptionslänge in Mikrometer über der Temperatur aufgetragen. Fig. la zeigt die Abhängigkeit bei einer Wellenlänge λ von 1064 nm, während Fig. lb den Zusammenhang bei einer Wellenlänge λ von 532 nm zeigt. Es ist ohne Weiteres ersichtlich, dass bei der Wellenlänge von 1064 nm eine stark erhöhte Abhängigkeit der Absorptionslänge von der Temperatur besteht. Die Erfindung macht sich diese Eigenschaft zunutze.

[0036] Erfindungsgemäß wird ein gepulster YAG-Laser mit einer Wellenlänge von λ = 1064 nm zur Bestrahlung der Oberfläche eines Halbleitersubstrates verwendet.

[0037] In Fig. 2 ist der simulierte Temperaturverlauf bei einem 100 pm dicken Silizium-Wafer für verschiedene Zeiten dargestellt. Die Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung beträgt λ = 1064 nm. Der Laserstrahl durchdringt zunächst den Silizium-Wafer, der bei dieser Wellenlänge bei Raumtemperatur praktisch transparent ist. Durch eine an der Wafer-Rückseite aufgebrachte Beschichtung wird der Laserstrahl am Auftreffpunkt auf die Beschichtung absorbiert und führt so zu einer Temperaturerhöhung. Durch die Temperaturerhöhung nimmt die Absorption gemäß Fig. la weiter zu, was letztlich zu einem lokalen Aufschmelzen und zur Ausbildung einer Schmelzfront führt. [0038] Infolge der lokalen Erhitzung führt die Wärmeleitung ausgehend von der Schmelzfront zu einer Temperaturerhöhung entlang des Laserstrahls, was dann wiederum durch die Erhöhung der Absorption zu einer Temperaturerhöhung führt. Im Ergebnis wandert die Schmelzfront von der Wafer-Rückseite ausgehend entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls durch den Wafer hindurch und gelangt schließlich zur Vorderseite des Wafers. In Fig. 2 ist der simulierte Temperaturverlauf ausgehend vom Auftreffzeitpunkt des Laserstrahls an der Wafer-Rückseite dargestellt. Es zeigt sich, dass die an der Wafer-Rückseite erzeugte lokale Schmelzfront nach und nach zur Vorderseite wandert und nach etwa 3,6 ]xs an der Waf erVorderseite anlangt.

[0039] Fig. 3 zeigt den simulierten Temperaturverlauf nach 3,6 s in Abhängigkeit von der Tiefe des Wafers und vom radialen Abstand r zum Zentrum des Laserstrahls. Es ist räumlich gesehen eine konische Aufweitung einer Zone flüssigen Siliziums gleicher Temperaturerhöhung ausgehend vom Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den Wafer bis zur Wafer-Rückseite erkennbar. In radialer Richtung, d.h. in seitlicher Entfernung vom Zentrum des Laserstrahls, nimmt die Temperaturerhöhung sehr rasch ab. Im Zentrum des Laserstrahls ist nach 3,6 ]xs eine lokal sehr begrenzte starke Temperaturerhöhung erkennbar.

[0040] Dies beruht darauf, dass bei Auftreffen der Schmelzfront auf die Vorderseite des Wafers keine weitere Energieableitung durch Wärmeleitung entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls mehr möglich ist. Dies führt zu einem schnellen Aufheizen an der Vorderseite, so dass der Siedepunkt des Wafer-Materials überschritten wird und sich bei weiterer Bestrahlung ein Rückstoß ergibt, der das überhitzte Halbleitermaterial zur Rückseite des Wafers hin austreibt. Auf diese Weise ergibt sich eine Kavität in Form eines zylinderförmigen Hohlraums, der sich zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Wafers erstreckt.

[0041] Wird dagegen die Energie des Lasers in geeigneter Weise reduziert, wenn die Schmelzfront die Vorderseite erreicht, so kann die Überhitzung des Wafer- Materials an der Vorderseite vermieden werden und auf diese Weise lediglich ein durchgehend aufgeschmolzener Bereich zwischen Vorder- und Rückseite erzielt werden.

[0042] Dies kann auch dazu genutzt werden, um beim Aufschmelzen einen durchdotierten durchgeschmolzenen Bereich zu erzielen. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die Diffusionskonstante von Dotierstoffen in flüssigen Halbleitermaterialien typischerweise um etwa 10 Größenordnungen größer ist als bei der sonst üblichen Festphasendiffusion. Wird auf der Rückseite des Wafers eine entsprechende Precursor-Schicht aufgebracht, so kann in der zur Verfügung stehenden Zeit von mehreren Mikrosekunden das Material von der Precursor-Schicht her von der Rückseite bis zur Vorderseite durch die mit flüssigem Halbleitermaterial gefüllte Kavität diffundieren und so einen durchdotierten Kanal erzeugen, der elektrisch gut leitfähig ist, sofern ein entsprechendes Material für die Precursor-Schicht verwendet wird. Die Precursor-Schicht kann zusätzlich oder alternativ auch auf der Vorderseite aufgebracht werden, sofern sie für die verwendete Laserstrahlung transparent ist.

[0043] Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Prozess so geführt werden, dass die Leistung der Laserstrahlung bei Erreichen einer bestimmten und exakt reproduzierbaren Schmelztiefe so erhöht wird, dass das Halbleitermaterial im Inneren einer Halbleiterscheibe verdampft und so durch Erzeugung mechanischer Spannungen definiert eine Trennung der darunter- und darüberliegenden Teile des Halbleitersubstrates bewirkt.

[0044] Fig. 4 zeigt schematisch ein Halbleitersubstrat 10. Im vorliegenden Fall weist das Halbleitersubstrat 10 einen Silizium- Waf er 12 auf, der eine erste Fläche 14 (Vorderseite) und eine gegenüberliegende zweite Fläche 16 (Rückseite) aufweist. Auf der zweiten Fläche 16 ist eine dünne Graphitschicht 18 aufgetragen. Dieses Halbleitersubstrat 10 wird nun mit einem gepulsten Infrarot-Laser (Y AG-Laser) mit einer Wellenlänge von bevorzugt 1064 nm bestrahlt, um in der vorstehend beschriebenen Weise durchgehende Kavitäten zu erzeugen.

[0045] In Fig. 5 ist das Halbleitersubstrat 10' nach Erzeugung einer Reihe von Kavitäten 24 dargestellt.

[0046] Fig. 6 zeigt das Halbleitersubstrat 10" nach Metallisieren der Kavitäten, die nun mit 24" bezeichnet sind und mit einem Emitter 26 an der Vorderseite verbunden sind.

[0047] Fig. 7 zeigt die Variante, bei der sich nur ein Aufschmelzen und Dotieren der betreffenden Bereiche ergibt. Das Halbleitersubstrat 10"' weist eine Mehrzahl von durchdotierten Bereichen 24"', also durchgehend aufgeschmolzenen Bereiche 24"', auf, die ausgehend von auf der Rückseite aufgebrachten Precursor-Schichten 18"' dotiert sind. Die aufgeschmolzenen, durchdotierten Bereiche 24"' können somit gut elektrisch leitfähig sein.

[0048] In Fig. 8 sind die unterschiedlichen Temperaturverläufe dargestellt, die sich in einem Silizium-Wafer von 100 Mikrometer Stärke nach dem Stand der Technik (ausgezogene Linie) und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben (strichpunktierte Linie). Während sich mit der Laser- Ablation nach dem Stand der Technik extreme Temperaturgradienten einstellen, die über die Waferbreite stark abfallen, ergibt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein deutlich moderate- rer Verlauf über eine größere Waferbreite. Dies bedeutet, dass in Folge des geringeren Temperaturgradienten deutlich geringere thermisch bedingte Spannungen auftreten.