(57)【要約】マスキング及びエッチング技法の使用によって、半導体ウェーハの表面に交互に形成された、オフセットしたレベルのｐドープ領域及びｎドープ領域を有する太陽電池において、ｐドープ領域及びｎドープ領域に対する金属コンタクトは、ｐドープ領域及びｎドープ領域に接触する、反射防止層として機能するベース層を最初に形成し、次いでチタン・タングステン又はクロムなどの障壁層、及び該障壁層の上に銅などの導電層を形成することによって製造される。好ましくは、該導電層はメッキ層であって、その厚みはメッキによって増大させることができる。
2006523025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板での太陽電池の製造において、前記太陽電池の表面上の金属コンタクトを製造する方法であって、
ａ）前記半導体基板と接触する第１の薄い金属層を形成する段階と、
ｂ）前記第１の薄い金属層の上に薄い障壁層を形成する段階と、
ｃ）前記障壁層の厚みをメッキによって増大させる段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の金属層が、赤外線反射体として機能する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記薄い障壁層が、耐熱金属と、メッキを開始させるためのベースとして機能するストライク金属とを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
段階ｃ）の前に、メッキ領域を制限するためのメッキ用レジストを塗布する段階を更に含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
段階ｃ）の後に、前記メッキ用レジストを除去する段階と、露出した障壁金属及び下にある第１の金属をエッチングすることによって除去する段階とを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の金属層がアルミニウムを含み、前記耐熱金属がチタン・タングステンを含み、前記メッキ用金属が銅を含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の金属層がアルミニウムを含み、前記障壁層がクロム及びチタン・タングステンから選択された金属を含む請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記障壁層が、メッキを開始させるためのストライク金属として機能するメッキ用金属を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
段階ｃ）の前に、メッキ領域を制限するためのメッキ用レジストを塗布する段階を更に含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
段階ｃ）の後に、前記メッキ用レジストを除去する段階と、露出された障壁金属及び下にあるベース金属をエッチングすることによって除去する段階とを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
段階ｃ）の前に、メッキ領域を制限するために、前記露出された障壁金属層を選択的にエッチングする段階を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記障壁層が、拡散障壁として、及びメッキを開始させるためのストライク層として機能する金属を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
太陽電池の製造において、半導体ウェーハの表面内のドープ領域へ金属コンタクトを製造する方法であって、
ａ）前記半導体ウェーハの表面の上に酸化ケイ素層を形成する段階と、
ｂ）前記酸化ケイ素層を覆い且つ前記酸化物層を介して前記ドープ領域に接触するシード金属層を形成する段階と、
ｃ）メッキ用レジストを前記シード金属層の上に形成し、これによって金属コンタクトの幾何学形状を定める段階と、
ｄ）前記シード層の上に導電層をメッキする段階と、
ｅ）前記メッキ用レジストを剥がす段階と、
ｆ）前記メッキ用レジストの下にあった前記シード金属層を選択的にエッチングする段階と、
を含む方法。
【請求項１４】
前記シード金属層が、反射体として機能するアルミニウムの第１の層を備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記シード金属層が、チタン・タングステンの拡散障壁層を含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記シード金属層が、メッキを開始させるストライク層として機能する銅の導電層を含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
段階ａ）は、段階ｂ）において前記シード金属層が前記ドープ領域に接触できるように、前記酸化ケイ素を貫通する穴をエッチングする段階を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
段階ｃ）が、コンタクト及びグリッドパターンを定める段階を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
段階ｄ）の後に、前記導電層の上にキャップ層を塗布する段階を更に含む請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記キャップ層が、電気メッキされた錫を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記キャップ層が、化学メッキされた金属を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
太陽電池の製造において、半導体ウェーハ表面上のコンタクトを製造する方法であって、
ａ）前記表面上に薄いベース金属層を形成する段階と、
ｂ）前記ベース金属層の上にストライク層を含む薄い障壁金属層を形成する段階と、
ｃ）前記ストライク層に金属をメッキすることによって前記障壁層の上に導電層を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項２３】
前記ベース金属層がアルミニウムを含み、前記障壁層がチタン・タングステンを含み、前記ストライク層及び前記導電層が銅を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ベース金属層がアルミニウムを含み、前記障壁金属層がクロムを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
半導体太陽電池における、金属コンタクト構造体であって、
前記太陽電池の半導体基板に接触するベース金属と、
ストライク金属層及び前記ストライク金属層にメッキされた金属を含む、前記ベース金属の上にある障壁金属と、
を含む金属コンタクト構造体。
【請求項２６】
前記ベース金属が、赤外線反射体として機能する請求項２５に記載の金属コンタクト構造体。
【請求項２７】
前記障壁金属が、耐熱金属及び前記耐熱金属上のメッキ用金属を含む請求項２６に記載の金属コンタクト構造体。
【請求項２８】
前記ベース金属がアルミニウムを含み、前記障壁金属がチタン・タングステンを含む請求項２７に記載の金属コンタクト構造体。
【請求項２９】
前記メッキ用金属及び前記ストライク金属が、銅を含む請求項２７に記載の金属コンタクト構造体。
【請求項３０】
前記ベース金属がアルミニウムを含み、前記障壁金属がクロムを含む請求項２７に記載の金属コンタクト構造体。
【請求項３１】
前記メッキ用金属が、銅を含む請求項３０に記載の金属コンタクト構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に太陽電池に関し、より詳細には、本発明は、太陽電池に用いる金属コンタクト構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽放射線の電気エネルギーへの直接変換のための光起電力電池の使用は公知であり、例えば、Ｓｗａｎｓｏｎの米国特許第４，２３４，３５２号を参照されたい。要約すると、光起電力電池は、その中に定められたｐ−ｎ接合を有する半導体材料の基板を備える。平坦なシリコンセルにおいて、ｐ−ｎ接合は、衝突する放射線を受け取る基板の表面近傍に形成される。照射されるフォトンは、基板内で移動キャリア（正孔及び電子）を生成し、該キャリアはセルの外部の電気回路に誘導することができる。少なくとも最低エネルギー準位（例えばシリコンの場合１．１電子ボルト）を有するフォトンのみが、半導体ペアにおいて電子−正孔ペアを発生させることができる。より少ないエネルギーを有するフォトンは、吸収されず、又は熱として吸収され、１．１電子ボルトを超えるエネルギーを有するフォトン（例えば１．１μｍ以下の波長を有するフォトン）の過剰エネルギーが熱を生成する。これら及び他の損失は、太陽エネルギーの電気への直接変換における光電池の効率を３０％未満にまで制限する。
【０００３】
セルの背面上に反対極性の櫛形コンタクトを備えた太陽電池は公知であり、これは、前面金属グリッドと、ブランケット、或いはグリッド金属被覆した背面コンタクトとを備えた従来型の太陽電池に優る多くの利点を有し、これらの利点には、前方接触抵抗を最小とするために多量の前面ドープを必要とせず且つ前方にコンタクトが無いことにより、前方グリッドシェーディングの排除に起因する光発生の改善と、グリッド直列抵抗の大幅な低減と、「青色」光応答の改善とが挙げられる。性能的な利点に加え、背面／コンタクトのセル構造により、共平面コンタクトにより単純化されたモジュールアセンブリが可能となる。Ｓｗａｎｓｏｎの米国特許第４，９２７，７７０号を参照されたい。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，２３４，３５２号公報
【特許文献２】米国特許第４，９２７，７７０号公報
【特許文献３】米国特許第５，０５３，０８３号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、特に太陽電池に適用可能な金属コンタクト構造体の改善に関する。
本発明によれば、太陽電池は、赤外線反射体としても機能することができる、半導体基板と接触する第１の金属層を含む金属コンタクト構造体を有する。拡散障壁金属層が、第１の金属層を覆い、付加的な金属をメッキするためのベースを形成する。
【０００６】
好ましい実施形態において、太陽放射線を受け取る第１の主表面を有するシリコン電池は、ｐドープ領域とｎドープ領域とが並列配置で離間して形成されている反対側表面又は後方表面を有する。櫛形金属コンタクトとグリッドラインとは、ｐドープ領域とｎドープ領域とにそれぞれ接触する。
【０００７】
ｐ領域及びｎ領域への櫛形金属コンタクトの形成においては、パターン化エッチング・レジスト及び化学エッチングを用いて小さなコンタクト開口が酸化ケイ素層内に製造される。次いで、シード層金属スタックが電池の背面にスパッタされる。スタック内の第１の金属は、酸化物内のコンタクト開口を介してシリコンへのオーミックコンタクトを形成し、且つ赤外線反射体として機能する。第２の金属層は、拡散障壁及び接着層として機能する。次いで、上部金属層が、メッキを開始させるためのベースを形成する。次に、パターン化メッキ用レジストがシード層の上に塗布され、金属がセルの上にメッキされて、金属グリッドラインの厚みを構成する。最後に、メッキ用レジストが剥がされ、グリッドライン間の金属層が化学エッチングによって除去される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明並びにその目的並びに特徴は、図面と共に読めば以下の詳細な説明及び添付の請求項からより容易に明らかになる。
【０００９】
図１は、特に本発明による金属コンタクトを適用することができる太陽電池の斜視図である。この実施形態において、電池は、２００マイクロ秒を超える少数キャリア寿命を備えた（１００）結晶方向を有する単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板内に製造されるのが好ましい。
【００１０】
この実施形態において、太陽電池の前面はテクスチャのある表面５４を有する。太陽電池への光エネルギーの結合を助け、効率を改善するために反射防止コーティングを塗布してもよい。背面上には、本発明による金属コンタクト５０、５２が、背面の間隔を置いて配置された層において、ｐドープ領域とｎドープ領域とにそれぞれ接触する。該コンタクトは、グリッドパターンでグリッドライン５１、５３とそれぞれ接続される。該ラインの大きさは、図面では強調されている。太陽電池の製作は、背面拡散の使用を含む従来型の半導体加工及び前面のテクスチャ加工を用いる。こうした工程段階は本発明の一部を形成するものではないので、半導体加工の更なる説明は行わない。
【００１１】
次に、本発明による金属コンタクト５０、５２及びその製作を考察する。好ましい実施形態を、図２−図８に示すウェーハ１０の断面側面図を参照しながら説明する。
【００１２】
図２において、ウェーハ１０は、事前の加工段階で作られた、ドープ層２８、酸化ケイ素層３０、及びＳｉＮ又はＴｉＯ2などの反射防止コーティング（ＡＲＣ）を含む、テクスチャ前面を有する。背面は、覆っている酸化ケイ素層１４と共に、間隔を置いて配置されたレベルにあるｐ＋領域１２及びｎ＋領域を有する。ｐ＋領域及びｎ＋領域は、Ｓｉｎｔｏｎの米国特許第５，０５３，０８３号の教示に従って作ることができる。
【００１３】
図３に示されるように、パターン化エッチング・レジスト４０が背面の酸化ケイ素上に塗布される。次いで、レジスト４０は、加熱或いはＵＶにより硬化される。ＡＲＣ材料によっては、パターン化エッチング・レジストは、後続のエッチングからＡＲＣを保護するために太陽電池の前面上に塗布することもできる。図４において、小さなコンタクト開口４２のアレイが、ｐ領域１２及びｎ領域１８の両方の上で酸化ケイ素に化学エッチングされ、次いで苛性アルカリ溶液を用いてエッチング・レジストが剥がされる。背面全体の割合としての全コンタクト面積は、通常５％未満である。金属−半導体のコンタクト面積の低減は、太陽電池の背面での、光発生キャリアの再結合を大幅に減少させ、従って電池効率が高くなる。
【００１４】
或いは、コンタクトマスク及びコンタクト酸化物エッチングを工程からなくすことができ、コンタクト開口は、酸化物のレーザ・アブレーション又は酸化物をエッチングする化学ペーストのダイレクトプリンティングといった他の方法によって酸化物層内に形成することができる。
【００１５】
図５において、薄い（約４００ｎｍ）３層シード金属スタック４４が、ｐ＋領域１２及びｎ＋領域１８へのコンタクトとして太陽電池上にスパッタされ、又は蒸着される。好ましい実施形態ではアルミニウムである、スタックの第１層は、半導体材料に対してのオーミックコンタクトを形成し、背面反射体として機能する。薄型シリコン太陽電池においては、弱く吸収された赤外放射はシリコンの厚みを透過し、背面の金属被膜によって吸収される場合が多い。１つの実施形態において、シード層は、シリコンに接触する小さなコンタクト開口を除いて酸化ケイ素の大部分を覆う。金属被膜した酸化ケイ素のスタックは、優れた赤外光反射体として設計され、電池内に光を反射して戻し、吸収経路長さを効果的に増大させる。背面反射体と組み合せた前面テクスチュアは、ウェーハ厚みの２０倍を超えて光学経路長を増大させることができる。この設計の特徴は、太陽電池内のより高い光発生電流をもたらす。
【００１６】
好ましい実施形態においてチタン−１０％／タングステン−９０％（ＴｉＷ）である第２層は、金属及び他の不純物に対する拡散障壁として機能する。好ましい実施形態において、銅（Ｃｕ）である第３層は、金属の電気メッキを開始させるためのベース又はストライク層を形成するのに使用される。或いは、ＴｉＷの代わりにクロム（Ｃｒ）又はニッケルを障壁層として使用することができる。好ましい実施形態において、Ａｌ（Ｓｉ）／ＴｉＷ／Ｃｕのスタックであるシード層は、大きな通電容量を有する必要がないので、極めて薄く作ることができる。従って、シード層を堆積させる製作コストは小さい。金属層は、Ａｌ（Ｓｉ）／ＴｉＷ／Ｃｕスタックを含み、アルミニウムはオーミックコンタクト及び背面反射率を与え、ＴｉＷは障壁層として機能し、Ｃｕはメッキ用ベースとして機能する。或いは、クロム（Ｃｒ）は、ＴｉＷの代わりに障壁層として使用してもよい。金属−半導体コンタクトは、フォーミングガス雰囲気中で好ましくは４００℃でアニールできる。或いは、コンタクトのアニール段階はなくすことができる。
【００１７】
次に、図６に示されるように、パターン化メッキ用レジスト４８がシード層に塗布される。好ましい実施形態において、メッキ用レジストは、ウェーハ上に直接パターン化される。塗布後、メッキ用レジストは、次の電気メッキの溶液に備えて硬化処理される。メッキ用レジストによって覆われた領域内では、金属はメッキされない。或いは、障壁層が選択的にパターン化され、メッキの前にエッチングされてメッキ領域を制限する。
【００１８】
図７において、メッキ用レジストのない領域の金属層は、良導電体を電気メッキ又は化学メッキすることによってその厚みが著しく増大し、直列抵抗が小さい金属グリッドライン５０、５２として機能するようになる。好ましい実施形態においては、約２０μｍの銅が電気メッキされる。錫又は銀或いはニッケルといった薄いキャップ層を銅の後で電気メッキし、ハンダ付け性を向上させ、及び／又はエッチ・バック中のメッキ領域のエッチングを防止することができる。好ましくは、約７μｍの錫が電気メッキされる。
【００１９】
最後に、図８に示されるように、メッキ用レジスト４８が剥がされて、金属フィルムがエッチングされ、メッキされた導線性ライン間の薄いシード層４４を除去する。エッチ・バックの化学的性質は、メッキされた金属キャップ層を覆うシード金属スタック構成要素が選択的にエッチングされるように選ばれる。或いは、キャップ層が使用されない場合、又はキャップ層がエッチ・バックの化学的性質に対して選択でない場合には、メッキされた導線性ライン上の少量の金属がエッチ・バック中に失われる可能性がある。
【００２０】
最終的な構造体は図１の斜視図に示され、太陽電池のｎ＋領域及びｐ＋領域それぞれに対する櫛形金属コンタクト５０、５２が示されている。
【００２１】
本発明によるスタック状金属コンタクトは、太陽電池の背面で良好なオーミック接続及び反射特性をもたらす。代替的な加工段階及び構造要素の幾つかが、好ましい実施形態に関して示唆されてきた。このように、特定の実施形態に関連して本発明を説明してきたが、該説明は本発明の例証であって、本発明を限定するものとして解釈されるものではない。当業者であれば、添付の請求項に定められた本発明の真の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の修正及び応用を思いつくことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の１つの実施形態に従って製造された金属コンタクトを備えた完成太陽電池の背面を示す斜視図である。
【図２】本発明の１つの実施形態による太陽電池用の金属コンタクト構造体を製造する段階を示す側断面図である。
【図３】本発明の１つの実施形態による太陽電池用の金属コンタクト構造体を製造する段階を示す側断面図である。
【図４】本発明の１つの実施形態による太陽電池用の金属コンタクト構造体を製造する段階を示す側断面図である。
【図５】本発明の１つの実施形態による太陽電池用の金属コンタクト構造体を製造する段階を示す側断面図である。
【図６】本発明の１つの実施形態による太陽電池用の金属コンタクト構造体を製造する段階を示す側断面図である。
【図７】本発明の１つの実施形態による太陽電池用の金属コンタクト構造体を製造する段階を示す側断面図である。
【図８】本発明の１つの実施形態による太陽電池用の金属コンタクト構造体を製造する段階を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
５０、５２  櫛形金属コンタクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006523025.tif 000007
【図６】
2006523025.tif 000008
【図７】
2006523025.tif 000009
【図８】
2006523025.tif 000010
【国際調査報告】
2006523025.tif 000011
2006523025.tif 000012
2006523025.tif 000013