JPS61502017A - ラップ・アラウンドコンタクトソ−ラセル - Google Patents

ラップ・アラウンドコンタクトソ−ラセル

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JPS61502017A
JPS61502017A JP60501871A JP50187185A JPS61502017A JP S61502017 A JPS61502017 A JP S61502017A JP 60501871 A JP60501871 A JP 60501871A JP 50187185 A JP50187185 A JP 50187185A JP S61502017 A JPS61502017 A JP S61502017A
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ラルフ,ユージン・エル
デイル,ハンス・ジー
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ラップ・アラウンドコンタクトソーラセル本発明は、概して、ラップ・アラウン ド(wraparound 、包み込む形状)電極を有する半導体大阪電池(ソ ーラセルと称す)の製造に関し、特に、種々の直径を有するシリコンウェーハを 処理するフレキシビイリティ(適応性)を改善する方法に関し、これによってウ ェーハの直径に拘ず多くの所望の予じめ選択された寸法を有するソーラセルを得 ることができる方法に関するものである。
バックグランド シリコンソーラセルを相互接続して所望の電流および電圧の供給力を有するセル アレイを得るために用いられる会知製造方法の1つに、一般に2形状を有するオ ーバー/アンダー(上側/下側)コンタクトを利用することが知られている。こ れらのコンタクトは、一方のセルの裏面を隣接のセルの頂面に接続して、並列お よび/または直列に個々のセルを相互接続して、特定のソーツノ4ネルに対して 所望の電力を得るために利用されている。
スペース(空間)およびバッキング密度に対する要求がソー2パネルの利用分野 、例えば宇宙船において徐々に厳しくなってきたので、ソーラセルの製造業者に よっては、上述したオーバー/アンダー電気的相互接続技術の代りに所謂1ラツ グ・アラウンド(包み込み形状)″電気的相互接続構成を導入するようになって きた。概して、このラップ・アラウンド法は、最初、従来のホトリソグラフィ・ マスキング、エツチングおよびp−n )ヤンクシ、ン(接合)形成ステップを 利用して、シリコンウェーハ即ち基板中にp−nジャンクシ璽ンを所望の幾何形 状で形成すると共に、次に、このp−nジャンクシ、ンの各側面に次のような方 法で電気的接点を形成する。即ち、両方の接点が、半導体基板の一表面に隣接し た領域の1周シ#まで延在するような形状である。通常、このような方法は、ノ ーラセル用のpまたはnタイプの接点の一方を、基板の一表面から、セル基板の 反対側まで1包囲”することを意味し、ここでは、この接点が他の接点の隣シの 位置まで延在していた。このようなシップ・アラウンド法を用いることKよって 個々のシリコンセルを、従来のオーバー/アンダー相互接続法を用いてこれらセ ルを配置した場合に比べて更に近接して配置することができた。このような包み 込み相互接続法の1つとして、例えば米国特許第4,361,950号、198 2年12月7日発行、J、A、 Am1ek発明者1ラップ・アラウンド電極を 有するソーラセルの製造方法が開示されている。
長年に亘り、ソーラセルの製造業者の多くは、3インチの直径のシリコンウェー ハを処理して来ると共に、従って、ソーラセルの製造に対する彼等の製造ライン の多くを適合させ、これらソーラセルは隅かう隅まで約3インチである。これら の寸法は、ソーラセルを3インチの直径のウェーハから切取る場合に材料の無駄 を最少にするために決められている。従って、ソーラセルの製造業者の多くはか なシの金額を、従来の3インチ寸法のシリコンソーラセルを製造するための製造 ラインを建設したシ、保守したシするために投資している。゛ しかし、最近、これらのシリコンウェーハ製遺業者は、結晶の成長技術の長足の 進歩の結果、4インチおよびそれよシ大きな直径の結晶インゴットを製造するよ うになってきた。このような変化の意味する処は、ソーラセルの製造ラインは、 最早、これらの大きな直径のウェーハを取扱うだけでなく、標準の3インチ直径 のソーラセルを成る程度の数量だけ取扱うことができる必要があることである。
この標準サイズのセルは、未だ多くの製造業者によって好適な寸法のセルである 。
3インチ×3インチのソー2セルを製造するために3インチ直径のシリコンウェ ーハを処理するに当シ、一方法として、四角形の4つの側面上のウェーハをさい の目に切っていた。この四角形の隅は円筒状シリコンウェーハの周縁を幾何学的 に、少し越えて延在している。この方法において、各シリコンのダイス(小立方 体)は隣接した4つの垂直な縁部によって形状付けられておシ、各々は、円筒状 ウェーハの縁部をかって形成していた短かい弓形セクションによって相互接続さ れる。これらのダイスを次に適切に拡散用マスク処理して所望のp−nジャンク シ、ン幾何形状を得て、それらを拡散炉に設置する。この炉内ではp−nジャン クシ、ンが形成される。その後で、ダイスは、更に通常のフォトリソグラフィお よび誘電層形成ステップを利用して次のラップ・アラウンドメタライゼーシ、ン をステップの準備の度に処理される。
上述した公知のタイプのプロセスを利用して、p−nジャンクションをセルの一 側から反対の側まで延在することかでき、これによってpおよびnタイプのコン タクトの両者をウェーハの同一側面上で受けられるようになる。また、平坦なp −n−/ヤンクシ、ン幾何形状の場合では、メタライゼーシ、ンをセルの一側か ら他側に包み込むことができた。3インチの直径のウェーハの処理を包含するい ずれの場合おいては、このウェーハの一方の縁部によって最終的にソーラセルの 一方の縁部を形成できたので、この結果、この縁部をp−nジャンクシ、ンラッ プ・アラクンドステッfまたはメタライゼーシ、ンラッゾ・アラウンドステツブ 用に露出させることは好しいものである。
一方、例えば4インチ直径等の大きなサイズのウェーハをソーラセルの製造プロ セスに利用した場合には、前述した従来のプロセスは、個々の3インチ×3イン チのソーラセルまたは、4インチやそれ以上の直径のシリコンウェーハのものよ シ小さな寸法でセルを形成するために使用できなかった。従って、これらの従来 のプロセスは大きな直径のウェーハプロセスラインでの利用が制限されておシ、 ソーラセルの最終寸法は、常にウェーハの直径によって決定されるものである。
このような従来の問題点を解決するために、本発明の方法が用いられる。
本発明 本発明の一般的な目的はう、プ・アラクンドソーラセルを製造するための新規で 且つ、改善されたプロセスを提供することである。このような本発明のプロセス を用いるととによって、あらゆる所望のサイズまで(半導体ウェーハの直径を含 む)のセルを製造することができる。また、本発明の製造方法によれば、特殊な ソーラノぐネルに応用される種々のXおよびy側面サイズを有するソーラセルを 製造することもできる。
この目的のため、新規なソーラセル製造プロセスを開発した。このプロセスには 、半導体ウェーハニ垂直の開口を形成し、ソーラセルの所望の横方向の寸法によ って離間させるステ、7aが包含されている。これら開口は、ウェーハの主表面 から他表面へ垂直方向にスロットを切削することによって形成され、この切削法 には例えばレーザスクライビング法が用いられ、次に、これらスロットを工、チ ングしてこれら開口用に平らかな表面を得、更に結晶に対するあらゆる損傷を除 去している。
次1c、 p−nジャンクシ、ン(接合)をこれら開口間のウェーハの部分中に 形成し、その後で独立したメタルコンタクトをこのp−nジャンクシ、ンの両側 上に設け、更にウェーハの共通の側面の周シまで延在させる。ここで、これらコ ンタクトはソーラパネルの他のエレメント(素子)と電気的に接続することがで きる。
従って、本発明の方法によりてラップ・アラウンド(包み込み)ソーラセルが製 造でき、このセルの最大寸法は、このセルが切シ出される半導体ウェーハの直径 よシ小さいものである。更に、このような製造アプローチによって種々のサイズ のラップ・アラウンドセルを例えば4インチの直径のような大きなシリコンウェ ーハや、現在市販されている標準サイズのシリコンウェーハから製造でき、同時 に前述したウェーハのグロセスステッグの全てにおいて、ラウンドウェーハ構造 を維持できる特徴がある。
上述した目的や、他の目的利点および本発明の新規な特徴は、以下の図面の記載 から明らかである。
図面 第1&図は、シリコンウェーハの3次元図で、このウェーハはスクライビング処 理されて本発明によって開口が形成されている。
第1b図は第1a図のラインb−bに沿った切断面図、 第1C図〜lk図は、本発明の一実施例によシ、シリコン基板の一側までpタイ プまたはnタイプのソー2セル接点を包囲するための1プロセスを図示したもの で、 第2図は、他の実施例によってう、fアラウンドプロセスによシ製造したソーラ セルを表わし、ここではコンタクトメタライゼーションよF) p−nジャンク シ胃ンを半導体基板の一側から他側へ包み込む構成とな先ず、図面の内、第1a 図には(斜視図)、4インチの直径を有するシリコンウェーハ10が表わされて おシ、このウェーハ10はレーザによってスクライビング(scrlbing  )処理されて図示のように90’離間して配置されて開口12,14.16およ び18が形成される。通常の最新レーデスクライビング技術を駆使することによ って、これら4つの開口12,14゜16および18が形成される。ネオジウム (Nd)−イットリウムアルミニウムガーネット(YAG )または(Nd :  YAG )レーザスクライバ(1aser acriber )(手動モード で操作可能)を駆使して図示のようにスロット12,14.16および18を切 削することは極めて有効であったことがわかった。しかし乍ら、これら開口を形 成する為の他の異なった手段を利用することもでき、例えば、キャビテーション 、のこぎυまたは砂吹き法があシ、これらはシリコンウェーハ処理技術分野で利 用されている。
上述したレーデスクライビングステップに続いて、開ロスロ、ト12,14.1 6および18を工、チング処理して平滑表面を形成し、更にレーデスクライビン グによって発生された結晶の損傷を除去する。これらスロットx2,14.16 および18の実際の寸法および正確な位置はセルのサイズ、破砕面、電流および 所定のセルのコンタクト(接点)のデデインによって決められるものである。以 下の説明から明らかなように、例えば現在のプロセスを利用して2.5インチX 2.5インチのセル(標準サイズ)を形成し、更に4および5インチ直径のウェ ーハラインの各々よシ標準サイズの3.0インチX3.0インチセルを形成する ことができる。
次に、第1b図〜1に図を順次参照し乍ら、本発明の一実施例に従ってソーラセ ルを製造するために利用するウェーハ処理用ステップのシリーズを説明する。
第1b図は第1a図のラインb−bに沿って切断した時の断面図である。この図 には、一般に約10ミルの厚さのウェーハ10の中心または主要サブストレート (基板20)が包含されている。
第1b図に示したpタイプシリコンウェーハ即ち、基板10を低温の気相成長法 (CVD )ステーション(図示せず)に転送し、ここで、二酸化珪素(シリコ ン)S102の薄い層12をクエーハ10の全体の表面に亘って厚さが代表的な 値として10,0OOX程度になるまで堆積させる。これらの薄い酸化層を形成 するために用いられる低温の気相成長法は一般に、周知の技術であシ、例えばV ossenおよびKern著のAcademicPr@as社にューヨーク、1 978年)の−ThinFilm Proc@5ses ’の74−) 3の第 258〜320頁に開示されている。
次に1第1C図の構造を通常の7オトレジスト堆積およびマスク形成ステージ、 ン(図示せず)に転送し、ここで、外側の7オトレジストマスク14を第1d図 に示したような幾何形状を形成すると共に、このマスクが開口16を有するよう になる。この開口は基板10上の最上の酸化層18のほぼ全体を露出させるよう になる。マスク14のようなフォトレジスタマスクの形成は周知であり、例えば 、William S。
DeForest著、 McGrow H111社、1975年。
” Photoreslst : Materials and Proces sesに記載されている。この7オトレジストマスク14を第1d図で示したよ うな位置に設け、希釈されたフッ化水素酸HFを5IO2層12の露出した部分 18に与えてこの部分を基板10の上側表面から除去する。その後、適当なソル ベントを第16図に示した構造のものに与えて、完全な(損傷を受けていない) 酸化物拡散マスク12を図示のように残したまま、残余の7オトレジストマスク 14を除去する。
次に、第1f図の構造を適当な拡散炉(図示せず)に転送する。ここでは、nタ イプの拡散がホスフィンガスPH3を利用して約800℃および窒素キャリアに よって行われ、これによって、接合(ジャンクション)深さで0.15〜0.2 ミクロン程度で浅いp−nジャンクション22が形成される。既知の如く、この p−nジャンクション22の深さはソー2セルの集光効率に関連するものである 。これに関する文献は、例えば、A11enL、 Fahrsubruchおよ びRlchard K、 Bubo著による” Foundamentals  of 5olar Ce1ls : PhotovoltaicSolar E nergy Conversion ” (1983年、 New YorkA cademic Pr・8s社発行)に記載されている。また、拡散されたp− nジャンクシ、ンはA、S、 Grove 、 JohnWhlley and  5ons著による− Physics and Technologyof  Sem1conductor Devlcss ”に記載されている。
第1f図に示したような位置にp−nシャンクシ。
ン22を有し、第1f図の構造物を再びフォトレジストマスク堆積ステージ、ン に転送する。ここで、もう1つの7オトレジストマスク24を第1g図に示した 幾何形状で堆積し、更にその中に開口26を形成し、この開口26はシリコン酸 化物(SIO□)12の下側層の部分28を露出させる。第1g図に示した位置 に7オトレゾスト層24を設けて、希釈したふっ化水素酸工、チャント溶液をこ の5IO2領域28に与えてこの領域28を除去し、これによって第1h図に示 したように基板10の下側表面領域30を露出させる。
このように第1h図に示したように下側の基板表面30を有したまま、フォトレ ジスタマスク24を適当なエツチング溶液を用いて除去し、その後もう1つのフ ォトレジストマスク32を第11図で示す位置に処理すべき構造の下側表面上に 形成する。次に、更にもう1つの7オトレジストマスク34をウェーハ10の上 側表面上に長く薄いス) IJツブ状に形状し、これらストリップを用いて、シ リコン基板10の上側表面上に形成すべきメタルコレクショングリッド(met alcolleetion grid )の幅および間隔を最終的に規定するよ うにする。
第11図に示した位置に7オトレジストマスクを有したまま、この構造を適当な 多層メタル堆積ステージ、ン(図示せず)に転送する。ここでは、薄い多層メタ ルフィルム36を第11図のマスク処理された構造の両側に堆積させ、第1j図 のメタライズ構造を形成する。次に、従来のフォトレジストリフトオフ技術を駆 使して、第1j図のフォトレジストマスクを適当な浸漬ツルパントエッチャント を用いて除去し、これによってメタライゼーション36の部分をその上に延在さ せる。このステップによって第1に図に示したメタライゼーションの損傷を受け ていない部分を残すことができ、これら部分はフォトレジストアイランド(島) を包囲していなかったものであると共に、第1に図に示したシリコン酸化物また はシリコンの表面と直接および固く接触していた。
第1に図に示した完全なソーラセル構造の薄いグリ、ドライン38は、好適には チタン−パラジウム−銀であシ、チタンを厚さ約5001(オングストローム) の初期、即ち表面層とし、パラジウムを約800^の厚さの次の層、即ち内側層 とし、上側層を約5ミクロンの厚さの銀とすることが好しい。ソーラセル用の2 .ゾ・アラウンドコンタクト(接点)40および背面コンタクト42をアルミニ ウム、チタンーノやラジウム−銀とすることが望ましく、このチタン−パラジウ ム−銀をグリッドライン38の構成物と同一物とし、更に、約1ミクロンの厚さ を有するアルミニウムから成る追加の内側層を有するものである。上述した多重 エレメントメタライゼーションシステムについては、例えば、Fisherおよ びGo re th著の@Transactionson Electron  Devices ” (1971年、 Vol、 ED−18−屋88月発行) の第457頁に開示されている。一般的にこの薄いコレクシ、ン(集光)グリッ ドラインは厚さ約0.2ミル、幅約X、Oミルで、隅から隅まで約40ミルの寸 法を有するものである。これら薄いグリ、ドラインは、ソーラセルの上側表面上 に位置する共通パスライン(図示せず)に接続されている。また、これらライン はフォトレジストパターンのデデインによって完成されるようなラップ・アラウ ンドコンタクト40にも接続される。
ソーラセルグリッドラインおよびpタイプならびにnタイプ領域コンタクトを形 成するために用いられる上述のマルチエレメント(多重エレメント)メタ2イゼ ーシ、ン構造を形成する為に、遊星運動式イオンデンバートメントシステムを利 用することが望しい。
このシステムにおいては、アルミニウム、銀、チタンおよびパラジウムのソース を包囲されたスパッタリングチャンバ内の予じめ決められた位置に離間させて設 置し、−このチャンバを加速磁界の下で作動させる。これら金属ソースを回転さ せると共に、制御された磁界中で加速されたイオンでデンバート(衝突)させる ことによって、これら4つの金属素子を所望の量だけ第11図のマスク処理され た構造物上にスバ、タリングする。この構造物はまた、回転式の遊星運動金属ソ ースから予じめ決められた距離離間させて装着させられている。
第2図には52で表示されたソーラセル構造が図示されておシ、外側nタイプ領 域56によって部分的に包囲された中心pタイプ領域54を有している。このn タイプ領域56自身は、図示された幾何形状で基板の周囲を”包み込ん”でおシ 、これは従来のフォトリングラフィマスク処理、エツチングおよび拡散技術を駆 使してpnジャンクシ、758を形成している。
このpnシャンクシ、ン58は、図示のように、構造物の上側表面およびシリコ ン酸化物から成る誘電性アイソレージ、ンおよびジャンクション/J?ッシペー シ。
ンアイランド60よシ下方で終了している。この5IO2アイランド60はまた 、標準のフォトリングラフィマスク処理、エツチング処理および酸化物形成技術 を利用しても形成でき、これら技術は公知である。
前述した方法でコンタクトメタライゼーションパターンを規定するために従来の 7オトレジストスピンーオンおよび選択性リフトオフ技術を駆使することによっ て、ベースおよびエミッタオーミックコンタクト62および64を第2図に示す ように描いている。このエミッタコンタクト64を頂部表面の周囲のソーラセル 52の下側または底部表面から包み込む。この頂部表面ではこのコンタクトはベ ースコンタクト62に隣接した位置で終了しておシ、これによってこれらコンタ クト62.64を共通のソーラセル支持部材ヘボンディングし易すくしている。
第2図に示した実施例においては、個々のグリ、ドラインは描かれていないが、 第11.ljおよび1に図に関連してすでに説明したのと同様な方法で構造の下 側表面の上に形成されている。
本発明によれば種々の変更を加え得る。例えば、本発明のプロセスで製造し九ソ ーラセルは、第1a図のレーザスクライビング開口の位置によって決定されるよ うな四角即ち矩形の形状以外の形状および寸法とすることもできる。これらの開 口の1個またはそれ以上の開口をウェーハの周辺以外の位置または中心に切削す ることもでき、ウェーハを露出させる垂直壁を設けるためである。このウェーハ はpまたはnコンタクトまたはウェーハの一方の側から他側へのp−nジャンク シ、ンを包み込むのに必要なものである。
国際調葺報告 111161M□、。11^−−5や、。PCT/US 85100654AN NEX To ’x−y−INTERNATIONAL 5EARC!(RE: ’ORT uN

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.ラップ・アラウンドコンタクトソーラセルを製造するに当り、 a)選択されたサイズおよび形状のシリコン基板を設け、 b)この基板中に開口を形成すると共に、この基板の一主表面から他面へこの基 板中を延在させると共にソーラセルの所望の横方向の寸法によって互いに離間さ せ、 c)この基板を処理してこの中およびこれら開口間にp−nジャンクションを形 成し、これによってこれら開口を規定する前記基板の垂直壁を酸化、フォトリソ グラフイおよびジャンクション形成ステップのために露出させ; d)前記ステップ(C)を駆使して前記基板の表面上にp領域およびn領域コン タクトを形成し、これらコンタクトはこの基板の単一表面までおよび前記開口間 まで延在させ、ここで、これらコンタクトを電気的に絶縁させて共通のソーラセ ル支持部材にボンデングし、更に、 e)前記pまたはn領域コンタクトの一方の領域に相互接続させるために、前記 基板の一表面上にグリッドラインを形成して;前記p−nジャンクションで発生 させたチャージキャリアから得られたソーラセル出力電圧を取出したことを特徴 とするラップ・アラウンドコンタクトソーラセルの製造方法。
  2. 2.前記Pnシャシクションを前記半導体基板の一表面上に平行な面内に形成し 、フォトリソグラフイマスキング,エッチングおよびメタライゼーションステッ プを利用して、前記開口間の基板の一表面から他表面までメタライゼーションに 包み込み、これによって前記p−nジャンクションの各側面にコンタクトを形成 するようにしたことを特徴とする請求の範囲第1項記載の製造方法。
  3. 3.フォトリソグラフイマスキング,エッチングおよびジャンクション形成ステ ップを利用して前記基板の一側から他側へ前記p−nジャンクションを包み込み 、その後にメタルパターン形成ステップを利用して前記基板の一表面に隣接した 前記p−nジャンクションの対向側上にコンタクトを堆積させたことを特徴とす る請求の範囲第1項記載の製造方法。
  4. 4.ラップ・アラウンドコンタクトソーラセルを製造するに当り、 a)選択されたサイズおよび形状のシリコン基板を設け、 b)この基板中に開口を形成すると共に、この基板の一主表面から他面へこの基 板中を延在させると共にソーラセルの所望の横方向寸法によって互いに離間させ 、 c)この基板を処理してこの中およびこれら開口間にp−nジャンクションを形 成し、これによってこれら開口を規定する前記基板の垂直壁を酸化、フォトリソ グラフイおよびジャンクション形成ステップのために露出させ: d)前記ステップ(C)を駆使して前記基板の表面上にp領域およびn領域コン タクトを形成し、これらコンタクトはこの基板の単一表面までおよび前記開口間 まで延在させ、ここでこれらコンタクトを電気的に絶縁させて共通のソーラセル 支持部材にボンデングし、更に、 e)前記pまたはn領域コンタクトの一方の領域に相互接続させるために、前記 基板の一表面上にグリッドラインを形成して、前記p−nジャンクションで発生 させたチャージキャリアから得られたソーラセル出力電圧を取出すようにしたス テップを駆使して製造したことを特徴とするラップ・アラウンドコンタクトソー ラセル。
JP60501871A 1984-04-30 1985-04-12 ラップ・アラウンドコンタクトソ−ラセル Pending JPS61502017A (ja)

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