DE102011111511A1 - A method of producing a honeycomb texture on a surface of a substrate - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Honeycomb-Textur an einer Oberfläche eines Substrates, welches Substrat ein Halbleitersubstrat einer photovoltaische Solarzelle oder einer Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle oder ein Substrat zur Verbesserung der optischen Eigenschaften einer oder mehrere photovoltaischer Solarzellen ist, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen des Substrates, B Erzeugen einer Maskierungsschicht auf der Oberfläche des Substrates, welche Maskierungsschicht eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, C Ätzen des Substrates zumindest an den Öffnungsbereichen der Maskierungsschicht an der Oberfläche des Substrates zur Ausbildung einer Honeycomb-Textur und D Entfernen der Maskierungsschicht, Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B die Maskierungsschicht durch Aufbringen eines Maskierungsmaterials auf die Oberfläche des Substrates erzeugt wird, wobei eine Vielzahl einzelner Tropfen des Maskierungsmaterials derart aufgebracht werden, dass die Mittelpunkte der Tropfen die Eckpunkte eines Wabengitters bildenThe invention relates to a method for producing a honeycomb texture on a surface of a substrate, which substrate is a semiconductor substrate of a photovoltaic solar cell or a preliminary stage in the production process of a photovoltaic solar cell or a substrate for improving the optical properties of one or more photovoltaic solar cells, comprising the following method steps : A providing the substrate, B creating a masking layer on the surface of the substrate, the masking layer having a plurality of openings, C etching the substrate at least at the opening areas of the masking layer on the surface of the substrate to form a honeycomb texture, and D removing the masking layer The invention is characterized in that in method step B, the masking layer is produced by applying a masking material to the surface of the substrate, wherein a plurality of individual Tro be applied to the masking material such that the centers of the drops form the vertices of a honeycomb lattice
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugen einer Honeycomb-Textur an einer Oberfläche eines Substrates, welches Substrat ein Halbleitersubstrat einer photovoltaische Solarzelle oder einer Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle oder ein Substrat zur Verbesserung der optischen Eigenschaften einer oder mehrere photovoltaischer Solarzellen ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing a honeycomb texture on a surface of a substrate, which substrate is a semiconductor substrate of a photovoltaic solar cell or of a preliminary stage in the production process of a photovoltaic solar cell or a substrate for improving the optical properties of one or more photovoltaic solar cells, according to the preamble of Claim 1.
Fotovoltaische Solarzellen dienen zur Umwandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer fotovoltaischen Solarzelle ist es bekannt, eine Textur an mindestens einer Oberfläche der Solarzelle vorzusehen, insbesondere an der bei Benutzung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zugewandten Seite der Solarzelle.Photovoltaic solar cells are used to convert incidental electromagnetic radiation into electrical energy. To increase the efficiency of a photovoltaic solar cell, it is known to provide a texture on at least one surface of the solar cell, in particular on the side of the solar cell facing when using the incident electromagnetic radiation.
Mittels einer Textur wird die Oberflächen-Reflexion verringert und somit die Lichteinkopplung erhöht. Dies kann durch wellenoptische Effekte und/oder durch strahlenoptische Effekte wie insbesondere Mehrfachreflexion der Textur gewährleistet sein.By means of a texture, the surface reflection is reduced, thus increasing the light coupling. This can be ensured by wave-optical effects and / or by radiation-optical effects such as in particular multiple reflection of the texture.
Bei Solarzellen, welche ausgehend von monokristallinen Standardwafern hergestellt werden, kann aufgrund der Kristallorientierung in einfacher Weise durch Eintauchen in ein Ätzbad eine Pyramidentextur zur Erhöhung der Lichteinkopplung erzeugt werden.In solar cells, which are produced starting from monocrystalline standard wafers, a pyramidal texture can be generated to increase the light coupling due to the crystal orientation in a simple manner by immersion in an etching bath.
Schwieriger ist das Erzeugen von Texturen bei solchen Halbleiteroberflächen, die keine monokristalline oder eine ungünstige Kristallorientierung aufweisen, insbesondere multikristalline Siliziumwafer und monokristalline Siliziumwafer, welche eine andere, als die 100-Kristallorientierung aufweisen.It is more difficult to produce textures on those semiconductor surfaces which have no monocrystalline or unfavorable crystal orientation, in particular multicrystalline silicon wafers and monocrystalline silicon wafers which have a different crystal orientation than the 100 crystal orientation.
Es ist daher bekannt, Honeycomb-Texturen an einer Oberfläche des Halbleitersubstrates zur Verbesserung der optischen Eigenschaften zu erzeugen, wie beispielsweise in
Eine Honeycomb-Textur wird typischerweise erzeugt, indem eine Maskierungsschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates aufgebracht wird, welche eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist. Die Öffnungen sind idealer weise kreisförmig, können aber auch beispielsweise sechseckig oder näherungsweise sechseckig sein. Die Maskierungsschicht ist ätzresistent, sodass in einem nachfolgenden Ätzschritt das Ätzmittel lediglich an den nicht durch die Maskierungsschicht bedeckten Bereichen des Halbleitersubstrates angreift und somit in dem Halbleitersubstrat eine Honeycomb-Textur erzeugt wird.A honeycomb texture is typically produced by depositing a masking layer on the surface of the semiconductor substrate having a plurality of openings. The openings are ideally circular, but may also be, for example, hexagonal or approximately hexagonal. The masking layer is etch-resistant, so that in a subsequent etching step, the etchant only acts on the regions of the semiconductor substrate not covered by the masking layer, and thus a honeycomb texture is produced in the semiconductor substrate.
Anschließend wird die Maskierungsschicht wieder entfernt.Subsequently, the masking layer is removed again.
Es ist bekannt, die Maskierungsschicht in an sich bekannter Weise durch Fotolithografieverfahren herzustellen. Ebenso ist es aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer Honeycomb-Textur an einer Oberfläche eines Substrates zu schaffen, welches gegenüber den vorbekannten Verfahren kostengünstiger und/oder weniger komplex ausgebildet ist.The invention has for its object to provide a method for producing a honeycomb texture on a surface of a substrate, which is less expensive and / or less complex compared to the previously known methods.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2–15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit der Referenzen in die Beschreibung einbezogen.This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention can be found in claims 2-15. Hereby the wording of all claims of the references is explicitly included in the description.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Honeycomb-Textur an einer Oberfläche eines Substrates, welches Substrat ein Halbleitersubstrat einer photovoltaische Solarzelle oder einer Vorstufe im Herstellungsprozess einer photovoltaischen Solarzelle oder ein Substrat zur Verbesserung der optischen Eigenschaften einer oder mehrere photovoltaischer Solarzellen ist, erzeugt. Das Substrat kann somit beispielsweise ein Halbleitersubstrat einer fotovoltaischen Solarzelle oder einer Vorstufe im Herstellungsprozess einer fotovoltaischen Solarzelle sein, so dass die Textur unmittelbar an oder auf der Solarzelle ausgebildet wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Substrat zu Verbesserung der optischen Eigenschaften einer oder mehrerer photovoltaische Solarzellen dient, insbesondere durch Ausbildung als Glassubstrat. Ein solches Glassubstrat kann beispielsweise bei der Herstellung von Solarzellenmodulen verwendet werden, typischerweise auf der dem Licht zugewandten Seite des Moduls. Ebenso liegt die Verwendung solch eines Substrates zur Anordnung auf lediglich einer oder mehrerer Solarzellen im Rahmen der Erfindung.The method according to the invention produces a honeycomb texture on a surface of a substrate, which substrate is a semiconductor substrate of a photovoltaic solar cell or a preliminary stage in the production process of a photovoltaic solar cell or a substrate for improving the optical properties of one or more photovoltaic solar cells. The substrate may thus be, for example, a semiconductor substrate of a photovoltaic solar cell or a preliminary stage in the production process of a photovoltaic solar cell, so that the texture is formed directly on or on the solar cell. Likewise, it is within the scope of the invention that the substrate serves to improve the optical properties of one or more photovoltaic solar cells, in particular by forming a glass substrate. Such a glass substrate may be used, for example, in the manufacture of solar cell modules, typically on the light-facing side of the module. Likewise, the use of such a substrate for placement on only one or more solar cells is within the scope of the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A wird das Substrat bereitgestellt.The method according to the invention comprises the following method steps:
In a method step A, the substrate is provided.
In einem Verfahrensschritt B wird eine Maskierungsschicht auf der Oberfläche des Substrates erzeugt, welche Maskierungsschicht eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist. In a method step B, a masking layer is produced on the surface of the substrate, which masking layer has a plurality of openings.
In einem Verfahrensschritt C erfolgt das Ätzen des Substrates zumindest an den Öffnungsbereichen der Maskierungsschicht an der Oberfläche des Substrates zur Ausbildung der Honeycomb-Textur.In a method step C, the etching of the substrate takes place at least at the opening regions of the masking layer on the surface of the substrate for the formation of the honeycomb texture.
In einem Verfahrensschritt D wird die Maskierungsschicht entfernt.In a method step D, the masking layer is removed.
Wesentlich ist, dass im Verfahrensschritt B die Maskierungsschicht durch Aufbringen eines Maskierungsmaterials auf die Oberfläche des Substrates erzeugt wird, wobei eine Vielzahl einzelner Tropfen des Maskierungsmaterials derart aufgebracht wird, dass die Mittelpunkte der Tropfen die Eckpunkte eines Wabengitters bilden.It is essential that in step B, the masking layer is produced by applying a masking material to the surface of the substrate, wherein a plurality of individual drops of the masking material is applied such that the centers of the drops form the vertices of a honeycomb grid.
Im Unterschied zu vorbekannten Verfahren ist somit kein aufwendiges fotolithografisches Verfahren zur Herstellung der Maskierungsschicht notwendig und es ist ebenso wenig notwendig, zunächst eine ganzflächige Maskierungsschicht aufzubringen, welche in Teilbereichen wieder entfernt wird. Durch das neu entwickelte Druckmuster, was wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist, ist es möglich hexagonal angeordnete Öffnungen zu schaffen, die wesentlich kleiner als die auf dem Substrat verwendeten Tropfendurchmesser sind. Das wird dadurch erreicht, dass zwischen den Tropfen Lücken frei gelassen werden, welche kleiner sind als die Tropfen selbst. Die mit dem Verfahren erreichte deutliche Verkleinerung der Maskenöffnungen macht eine Anwendung in der Photovoltaik zur Erstellung einer Honeycomb-Textur mit Inkjet-Verfahren möglich. Auch ermöglicht das neu entwickelte Druckmuster, die Lücken in einem für eine Honeycomb-Textur passendem Abstand zueinander anzuordnen.In contrast to previously known methods, therefore, no complex photolithographic process for producing the masking layer is necessary, and it is also not necessary to first apply a full-area masking layer, which is removed again in some areas. The newly developed printing pattern, which is an essential part of the invention, makes it possible to provide hexagonal openings which are substantially smaller than the drop diameter used on the substrate. This is achieved by leaving gaps between the droplets, which are smaller than the droplets themselves. The significant reduction in the mask openings achieved with the method makes it possible to use photovoltaics to produce a honeycomb texture using an inkjet process. Also, the newly developed print pattern allows the gaps to be arranged in a distance suitable for a honeycomb texture.
Vielmehr wird unmittelbar durch Aufbringen des Maskierungsmaterials die Maskierungsschicht mit den entsprechenden Öffnungen erstellt, welche mittels Ätzen direkt die Herstellung der Honeycomb-Textur ermöglicht.Rather, the masking layer with the corresponding openings is created directly by applying the masking material, which directly enables the production of the honeycomb texture by means of etching.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass durch Anordnung einzelner Tropfen derart, dass die Mittelpunkte der Tropfen die Eckpunkte eines Wabengitters bilden, ein überraschend einfaches Verfahren ausgebildet ist, welches dennoch Öffnungen in der gewünschten Form oder zumindest der gewünschten Form angenähert aufweist.The invention is based on the Applicant's finding that by arranging individual drops in such a way that the centers of the drops form the corner points of a honeycomb grid, a surprisingly simple method is formed, which nonetheless has openings in the desired shape or at least approximately the desired shape.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit erstmals in einfacher und kostengünstiger Weise eine Maskierungsschicht zur Ausbildung einer Honeycomb-Textur herstellbar.Thus, for the first time in a simple and cost-effective manner, a masking layer for producing a honeycomb texture can be produced with the method according to the invention.
Vorzugsweise werden die Tropfen des Maskierungsmaterials derart aufgebracht, dass die Mittelpunkte der Tropfen die Eckpunkte eines Wabengitters bilden, welches zumindest angenähert durch Waben in Form von regelmäßigen, gleichseitigen Sechsecken gebildet wird, wobei die Sechsecke Seiten mit in etwa gleicher Länge aufweisen. Hierdurch ist in einfacher Weise die hexagonale Anordnung der Öffnungen, das heißt der nicht durch das Maskierungsmaterial bedeckten Bereiche auf der Oberfläche des Substrates gegeben.Preferably, the drops of the masking material are applied such that the centers of the drops form the vertices of a honeycomb grid, which is formed at least approximately by honeycombs in the form of regular, equilateral hexagons, the hexagons having sides of approximately equal length. As a result, the hexagonal arrangement of the openings, that is, the areas not covered by the masking material on the surface of the substrate is given in a simple manner.
Die Genauigkeit, mit der die genannten Sechsecke mit Seiten gleicher Länge ausgebildet werden können, hängt von dem verwendeten Verfahren zum Aufbringen des Maskierungsmaterials ab. Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass vorzugsweise die Längenabweichungen zwischen den einzelnen Seiten der Sechsecke kleiner 10%, weiter bevorzugt kleiner 5%, insbesondere bevorzugt kleiner 1% ist, da grundsätzlich die reflexionsvermindernde Wirkung der Honeycomb-Textur mit der Genauigkeit, insbesondere der Sechseck-Wabenstruktur zunimmt.The accuracy with which said hexagons can be formed with sides of equal length depends on the method of application of the masking material used. Applicant's investigations have shown that preferably the length deviations between the individual sides of the hexagons are less than 10%, more preferably less than 5%, especially preferably less than 1%, since in principle the reflection-reducing effect of the honeycomb texture is accurate, in particular the hexagonal Honeycomb structure increases.
Vorzugsweise werden in Verfahrensschritt B die Tropfen mit einer lateralen Ausdehnung aufgebracht, welche derart gewählt ist, dass benachbarte Tropfen sich zumindest an den zugewandten Rändern berühren, sodass sich durch die jeweils benachbarten Tropfen eine geschlossene Umrandung der freibleibenden, zumindest näherungsweise sechseckigen Öffnungen ausbildet.Preferably, in method step B, the drops are applied with a lateral extent, which is selected so that adjacent drops touch each other at least at the edges facing, so that forms a closed border of the remaining free, at least approximately hexagonal openings through the respective adjacent drops.
Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass es insbesondere vorteilhaft ist, wenn sich benachbarte Tropfen an den zugewandten Rändern überlappen, um eine geschlossene Umrandung und die Ausbildung der sechseckigen Öffnungen zu gewährleisten.Investigations by the Applicant have shown that it is particularly advantageous if adjacent drops overlap on the facing edges in order to ensure a closed border and the formation of the hexagonal openings.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Radius jedes aufgebrachten Tropfens größer als die Hälfte des Abstandes L der Mittelpunkte zweier benachbarter Tropfen und kleiner als der Abstand L ist.In particular, it is advantageous that the radius of each applied drop is greater than half the distance L of the centers of two adjacent drops and smaller than the distance L.
Vorzugsweise ist die laterale Ausdehnung der Tropfen derart gewählt, dass jeder Tropfen mit mindestens den drei nächsten Nachbarn zumindest in Berührung steht, vorzugsweise mit genau den nächsten drei Nachbarn zumindest in Berührung steht und insbesondere bevorzugt überlappt.Preferably, the lateral extent of the drops is selected such that each drop is at least in contact with at least the three nearest neighbors, preferably at least in contact with exactly the next three neighbors, and particularly preferably overlapping.
Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass vorzugsweise jeder Tropfen mit seinem nächsten Nachbarn um mindestens 3%, bevorzugt mindestens 5%, weiter bevorzugt um mindestens 10% des Durchmessers der Tropfen überlappt, wobei hierbei die jeweils breiteste Überlappungsstelle maßgebend ist. Bei typischen Tropfengrößen ist eine Überlappung um mindestens 4 μm vorteilhaft.Applicant's investigations have shown that preferably each droplet with its nearest neighbor is at least 3%, preferably at least 5%, more preferably at least 10% of the diameter of the drops overlap, in this case the widest overlap is decisive. For typical droplet sizes, an overlap of at least 4 μm is advantageous.
Der Begriff „Tropfen” bezeichnet eine Menge an Maskierungsmaterial, welche in etwa tropfenförmig auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht wird und dort zumindest in einer lateralen Ebene, welche parallel zu der Oberfläche des Substrates liegt, vorzugsweise in etwa eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist. Typischerweise liegt der Tropfen nach Aufbringen auf die Oberfläche in etwa in Form einer Halbkugel oder einer abgeflachten, angenäherten Halbkugel auf.The term "droplet" denotes an amount of masking material which is applied approximately dropwise to the surface of the substrate and has at least in a lateral plane which is parallel to the surface of the substrate, preferably in approximately a circular cross-sectional area. Typically, after application to the surface, the drop is approximately in the form of a hemisphere or a flattened, approximated hemisphere.
Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, in mehreren Materialauftragsvorgängen den Tropfen durch mehrmalige Maskierungsmaterialauftragung zu erzeugen. Insbesondere vorteilhaft ist es jedoch, das Verfahren derart auszubilden, dass jeder Tropfen durch genau einen Maskierungsmaterial-Aufbringungsvorgang ausgebildet wird.It is within the scope of the invention to produce the droplets by multiple masking material application in several material application operations. However, it is particularly advantageous to design the method in such a way that each drop is formed by exactly one masking material application process.
Eine besonders einfache Ausbildung der Maskierungsschicht ergibt sich, indem auf jeden Eckpunkt der Waben des Wabengitters genau ein Tropfen in etwa mittig aufgebracht wird.A particularly simple design of the masking layer is obtained by exactly one drop is applied approximately centrally on each corner of the honeycomb honeycomb grid.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass insbesondere die bei Herstellung von Solarzellen als Maskierungsmaterial bereits bekannte HotMelt-Tinte vorteilhafter Weise zur Ausbildung der Maskierungsschicht verwendet wird. Die HotMelt-Tinte weist den Vorteil auf, dass sie einfach in an sich bekannter Weise durch Erwärmung verflüssigt werden kann und mit an sich bekannten Verfahren, insbesondere mit Inkjet-Verfahren ortsgenau und in genau dosierbaren geringen Mengen aufbringbar ist.Investigations by the Applicant have shown that, in particular, the hot-melt ink already known in the production of solar cells as masking material is advantageously used to form the masking layer. The hot-melt ink has the advantage that it can be liquefied simply by heating in a manner known per se and can be applied in a location-accurate manner and in precisely metered small amounts by means of processes known per se, in particular with inkjet processes.
Insbesondere das Aufbringen des Maskierungsmaterial mittels Inkjet-Druckern und hierbei bevorzugt das Aufbringen von HotMelt-Tinte ermöglicht somit die Verwendung an sich bekannter, bereits für die Solarzellenherstellung verwendeter Apparaturen, mittels derer ortsgenau Tropfender HotMelt-Tinte auf vorgegebenen Ortskoordinaten aufgebracht werden können.In particular, the application of the masking material by means of inkjet printers and in this case preferably the application of hot-melt ink thus enables the use of known, already used for solar cell manufacturing equipment by means of which location-dripping HotMelt ink can be applied to predetermined location coordinates.
Vorteilhafter Weise wird in Verfahrensschritt B ein parallel zur Oberfläche des Substrates liegendes xy-Positionsraster als Vorgabe für die Mittelpunkte der auszubildenden Tropfen verwendet. Insbesondere bei Verwendung von Inkjet-Druckern ist es üblich, die Druckkoordinaten für die aufzubringenden Tropfen des Maskierungsmaterials in einem solchen xy-Koordinatensystem vorzugeben.Advantageously, in method step B, an xy position grid lying parallel to the surface of the substrate is used as the default for the centers of the drops to be formed. In particular, when using inkjet printers, it is customary to specify the pressure coordinates for the drops of the masking material to be applied in such an xy coordinate system.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt sich jedoch die zusätzliche Schwierigkeit dar, dass die Tropfen derart aufgebracht werden sollen, dass deren Eckpunkte die Eckpunkte eines gleichseitigen Sechsecks bilden. Dies ist häufig bei Inkjet-Druckern in der typischen Auflösung nur mit großer Ungenauigkeit möglich.In the method according to the invention, however, the additional difficulty is that the drops are to be applied in such a way that their vertices form the vertices of an equilateral hexagon. This is often possible with inkjet printers in the typical resolution only with great inaccuracy.
Vorteilhafter Weise wird daher ein Positionsraster verwendet, welches in x-Richtung eine unterschiedliche Skalierung verglichen mit der y-Richtung aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass x- und y-Richtung in einem Verhältnis 1:√3 skaliert sind.Advantageously, therefore, a position grid is used which has a different scaling in the x-direction compared to the y-direction. In particular, it is advantageous that the x and y directions are scaled in a ratio 1: √3.
Hierdurch ist gewährleistet, dass die Mittelpunkte diagonal benachbarter Pixel den gleichen Abstand aufweisen wie die Mittelpunkte zweier beispielsweise in x-Richtung liegender Pixel, zwischen denen ein Pixel freibleibt, das heißt nicht mit Maskierungsmaterial bedeckt ist.This ensures that the centers of diagonally adjacent pixels have the same distance as the centers of two pixels, for example lying in the x-direction, between which a pixel remains free, that is not covered with masking material.
Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der unterschiedlichen Skalierung des Positionsrasters in x- und y-Richtung kann somit auch bereits bei den bekannten Inkjet-Druckern mit hoher Genauigkeit eine hochaufgelöste Wabenstruktur zur Herstellung einer Honeycomb-Textur ausgebildet werden.As a result of this advantageous embodiment of the method according to the invention with the different scaling of the position grid in the x and y directions, a high-resolution honeycomb structure for producing a honeycomb texture can thus already be formed with high accuracy in the known inkjet printers.
Der Abstand der Mittelpunkte jeweils zweier benachbarter Tropfen liegt vorzugsweise im Bereich 0,5 μm bis 100 μm, bevorzugt im Bereich von 20 μm bis 90 μm. Hierdurch ist eine vorteilhafte Strukturgröße zur Erzielung einer hohen Lichteinkopplung gewährleistet.The distance of the centers of each two adjacent drops is preferably in the range 0.5 .mu.m to 100 .mu.m, preferably in the range of 20 .mu.m to 90 .mu.m. As a result, an advantageous structure size to achieve a high Lichteinkopplung is guaranteed.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auf beliebigen Substraten, welche als Halbleiterwafer oder Schichtsysteme mit mehreren Halbleiterschichten ausgebildet sein können, anwendbar. Auch ist es zur Strukturierung von Glassubstraten anwendbar, insbesondere von Glassubstraten zur Herstellung von Solarzellenmodulen, wobei des Glassubstrat typischerweise auf der lichtzugewandten Seite des Moduls angeordnet ist, wie zuvor beschrieben.The inventive method is fundamentally applicable to any substrates which may be formed as semiconductor wafers or layer systems with a plurality of semiconductor layers. It is also applicable to the structuring of glass substrates, in particular of glass substrates for the production of solar cell modules, wherein the glass substrate is typically arranged on the light-facing side of the module, as described above.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafter Weise für multikristalline Siliziumwafer oder monokristalline Siliziumwafer, welche keine 100-Kristallorientierung aufweisen, geeignet.In particular, the method according to the invention is advantageously suitable for multicrystalline silicon wafers or monocrystalline silicon wafers which do not have a 100-crystal orientation.
Vorzugsweise erfolgt im Verfahrensschritt C ein isotropes Ätzen.Preferably, in method step C, an isotropic etching takes place.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in Verfahrensschritt C ein Ätzen mittels einer sauren Ätzlösung umfassend Flusssäure und Salpetersäure. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Ätzlösung Tenside, insbesondere Essigsäure, umfasst.In a further advantageous embodiment, in method step C, etching takes place by means of an acid etching solution comprising hydrofluoric acid and nitric acid. In particular, it is advantageous that the etching solution comprises surfactants, in particular acetic acid.
Dies weist den Vorteil auf, dass Tenside für eine bessere Oberflächenbenetzung sorgen. Auch werden die Gasblasen, die während der Reaktion entstehen kleiner und entwickeln dadurch weniger Auftrieb mit dem sie die Maske ablösen können, was die Maskenhaftung während des Ätzvorgangs verbessert. This has the advantage that surfactants provide better surface wetting. Also, the gas bubbles generated during the reaction become smaller and thereby develop less buoyancy with which they can peel off the mask, which improves the mask adhesion during the etching process.
In Verfahrensschritt D wird die Maskierung vorzugsweise mittels einer alkalischen Lösung bevorzugt aus aus Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) oder eines organischen Lösungsmittes, vorzugsweise Aceton oder Diethylether, entfernt.In method step D, the masking is preferably removed by means of an alkaline solution, preferably from potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH) or an organic solvent, preferably acetone or diethyl ether.
Eine weitere Verbesserung der Lichteinkopplung wird erzielt, indem in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zweistufiger Ätzprozess verwendet wird, um das Aspektverhältnis der einzelnen zu erzeugenden Vertiefungen in der Halbleiterstruktur zu erhöhen.A further improvement of the light coupling is achieved by using a two-stage etching process in an advantageous embodiment of the method according to the invention in order to increase the aspect ratio of the individual depressions to be produced in the semiconductor structure.
Das Aspektverhältnis bezeichnet das Verhältnis von Tiefe zu Breite jeder in den nicht durch die Maskierungsschicht bedeckten Bereichen erzeugten Vertiefungen der Honeycomb-Textur.The aspect ratio refers to the ratio of depth to width of each well of the honeycomb texture produced in the regions not covered by the masking layer.
Eine Vergrößerung des genannten Aspektverhältnisses wird erzielt, indem in einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verfahrensschritt C zumindest ein teilweises Unterätzen der Maskierungsschicht erfolgt. Dies ist typischerweise bei Verwendung von nicht oder nur wenig gerichteten, im Wesentlichen isotropen Ätzverfahren gegeben.An enlargement of the mentioned aspect ratio is achieved by performing at least a partial undercutting of the masking layer in a preferred embodiment of the method according to the invention in method step C. This is typically the case when using non-directional or only slightly directed, essentially isotropic, etching processes.
Wesentlich ist nun, dass mit dieser vorzugsweisen Ausführungsform in einem Verfahrensschritt C1 ein Erwärmen zumindest der Maskierungsschicht derart erfolgt, dass die Maskierungsschicht in den unterätzten Bereichen an den Rändern der zuvor in Verfahrensschritt C erzeugten Vertiefungen in die Vertiefung eindringt.It is essential that, with this preferred embodiment, in a method step C1, at least the masking layer is heated in such a way that the masking layer penetrates into the recess in the undercut regions at the edges of the recesses previously produced in method step C.
Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt C2 ein zusätzliches Vertiefen der jeweiligen Vertiefungen durch erneutes Ätzen der Halbleiterstruktur.Subsequently, in a method step C2, an additional deepening of the respective recesses takes place by renewed etching of the semiconductor structure.
In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird somit ein zweistufiges Ätzverfahren ausgeführt. Der erste Ätzvorgang erfolgt wie zuvor beschrieben in an sich bekannter Weise in Verfahrensschritt C. In Verfahrensschritt C1 wird die Maskierungsschicht erwärmt, sodass sie an den Rändern in die erzeugte Vertiefung eindringt und somit die Ränder der in Verfahrensschritt C erzeugten Vertiefung zumindest teilweise bedeckt.In this preferred embodiment, therefore, a two-stage etching process is carried out. The first etching process is carried out in a manner known per se in method step C as described above. In method step C1, the masking layer is heated so that it penetrates into the created recess at the edges and thus at least partially covers the edges of the recess produced in method step C.
Deutlich wird bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform an den Rändern der im Verfahrensschritt C erzeugten Vertiefung zumindest teilweise durch die im Verfahrensschritt C1 eingedrungenen Maskierungsschicht bei der zweiten Ätzstufe in Verfahrensschritt C2 ein laterales Ätzen, das heißt ein Ätzvorgang im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Halbleiterstruktur verhindert, da die in die Vertiefung eingedrungene Maskierungsschicht zumindest teilweise ein laterales Ätzen unterbindet, nicht jedoch ein Ätzen in die Tiefe, das heißt insbesondere senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterstruktur.It is clear in this preferred embodiment at the edges of the recess produced in step C at least partially by the penetrated in step C1 masking layer in the second etching stage in step C2, a lateral etching, that is, an etching substantially parallel to the surface of the semiconductor structure prevented since the the masking layer penetrated into the depression at least partially prevents lateral etching, but not etching in the depth, that is in particular perpendicular to the surface of the semiconductor structure.
Auf diese Weise ist die Erzielung einer Vertiefung mit einem größeren Aspektverhältnis, das heißt einem größeren Verhältnis der erzielten Tiefe zu der erzielten Breite der Vertiefung gegenüber den vorbekannten Ätzverfahren möglich.In this way, it is possible to achieve a depression with a larger aspect ratio, that is to say a greater ratio of the depth achieved to the width of the depression achieved compared to the previously known etching processes.
Die vorbeschriebene vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht somit erstmals auch bei Verwendung ungerichteter oder im Wesentlichen ungerichteter Ätzverfahren das Erzeugen einer oder mehrerer Vertiefungen mit hohem Aspektverhältnis.The above-described advantageous embodiment of the method according to the invention thus makes it possible for the first time, even when using undirected or essentially undirected etching processes, to produce one or more depressions with a high aspect ratio.
In Verfahrensschritt C1 erfolgt vorzugsweise ein Erwärmen der Maskierungsschicht auf eine Temperatur, in dem die Maskierungsschicht sich in einem mechanisch verformbaren, wachsartigen und insbesondere vorzugsweise nicht flüssigen Zustand befindet. Hierdurch wird erreicht, dass die Maskierungsschicht in den unterätzten Bereichen nach unten umklappt, das heißt in den unterätzten Bereichen ausgehend von einer im Wesentlichen waagrechten Position, parallel zur Oberfläche der Halbleiterstruktur, nach unten in die Vertiefung eindringt. Eine vollständige Verflüssigung der Maskierungsschicht ist birgt das Risiko, dass sich das Material der Maskierungsschicht im unterätzten Bereich von der restlichen Maskierungsschicht löst und am Boden der im Verfahrensschritt C erzeugten Vertiefung sammelt. Daher muss in einem solchen Fall dafür gesorgt werden, dass das Wachs vor erreichen der tiefsten Stelle der Vertiefung wieder verfestigt oder eine vollständige Verflüssigung muss vermieden werden.In method step C1, the masking layer is preferably heated to a temperature at which the masking layer is in a mechanically deformable, waxy, and in particular preferably non-liquid state. This ensures that the masking layer folds down in the undercut areas, that is, in the undercut areas, starting from a substantially horizontal position, parallel to the surface of the semiconductor structure, penetrates down into the recess. A complete liquefaction of the masking layer entails the risk that the material of the masking layer in the undercut region will detach from the remaining masking layer and accumulate at the bottom of the depression produced in process step C. Therefore, in such a case, care must be taken to re-solidify the wax before reaching the deepest point of the well, or to avoid complete liquefaction.
Vorzugsweise weist die Maskierungsschicht in Verfahrensschritt B einen größeren Schmelzbereich auf in dem sie wachsartig verformbar ist. Insbesondere wachshaltige und/oder paraffinhaltige Substanzen verfügen über solche Eigenschaften. Hierbei können vorbekannte Maskierungsschichten aus Wachs, welche gegenüber Ätzmitteln resistent sind, verwendet werden. Insbesondere Wachs weist den Vorteil auf, dass in einem bestimmten Temperaturbereich ein mechanisch verformbarer wachsartiger Zustand vorliegt, in dem lediglich ein Teil der Bestandteile der Waschmischung flüssig sind, andere aber noch fest, sodass der gewünschte Effekt eintritt, dass die Maskierungsschicht in Verfahrensschritt C1 in den unterätzten Bereichen in die Vertiefung eindringt, ohne dass sich Teile der Maskierungsschicht von der restlichen, sich auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur befindlichen Maskierungsschicht lösen.Preferably, the masking layer in process step B has a larger melting range in which it is wax-like deformable. In particular waxy and / or paraffin-containing substances have such properties. Here, prior art masking layers of wax which are resistant to etchants can be used. In particular, wax has the advantage that in a certain temperature range, a mechanically deformable waxy state is present in which only a portion of the components of the washing mixture are liquid, others still firm, so that the desired effect occurs that the masking layer in step C1 in the undercut areas in the recess penetrates, without parts of the masking layer of the remaining, located on the surface of the semiconductor structure masking layer to dissolve.
Vorzugsweise erfolgt in Verfahrensschritt C1 eine Erwärmung zumindest der Maskierungsschicht auf eine Temperatur im Bereich 40°C bis 100°C, bevorzugt 50°C bis 80°C. Insbesondere weisen typische, für Maskierungsschichten geeignete und ätzresistente Wachse in diesem Temperaturbereich einen wachsartigen Zustand auf.Preferably, in method step C1, at least the masking layer is heated to a temperature in the range from 40.degree. C. to 100.degree. C., preferably from 50.degree. C. to 80.degree. In particular, typical, etch-resistant waxes suitable for masking layers have a waxy state in this temperature range.
Die Erwärmung in Verfahrensschritt C1 erfolgt vorzugsweise für eine Zeitdauer von 1 Minute bis 30 Minuten, bevorzugt zwischen 2 Minuten und 10 Minuten.The heating in process step C1 is preferably carried out for a period of 1 minute to 30 minutes, preferably between 2 minutes and 10 minutes.
Hierdurch ist gewährleistet, dass die erwünschte plastische Verformung der Maskierungsschicht in den unterätzten Bereichen erfolgt.This ensures that the desired plastic deformation of the masking layer takes place in the undercut areas.
Wie eingangs erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für solche Ätzvorgänge geeignet, bei denen zumindest im Verfahrensschritt C ein größtenteils isotropes Ätzen erfolgt. Vorzugsweise erfolgt ebenso in Verfahrensschritt C2 ein größtenteils isotropes Ätzen.As mentioned at the outset, the method according to the invention is particularly suitable for etching processes in which, at least in method step C, a largely isotropic etching takes place. Preferably, also in method step C2, a largely isotropic etching takes place.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass in den Verfahrensschritten C und/oder C2, vorzugsweise in Verfahrensschritt C und C2 ein trockenchemisches Ätzen erfolgt.It is within the scope of the invention that dry chemical etching takes place in process steps C and / or C2, preferably in process steps C and C2.
Vorteilhafter Weise erfolgt in den Verfahrensschritten C und/oder C2, bevorzugt in Verfahrensschritt C und C2 ein nasschemisches Ätzen. Insbesondere ist die Verwendung einer Ätzflüssigkeit umfassend mindestens HF und/oder HNO3 vorteilhaft.Advantageously, wet-chemical etching takes place in process steps C and / or C2, preferably in process steps C and C2. In particular, the use of an etching liquid comprising at least HF and / or HNO 3 is advantageous.
Vorzugsweise wird zwischen den Verfahrensschritten C und C1 rückständiges Ätzmittel in der Vertiefung entfernt. Hierdurch wird Vermieden, dass das Ätzmittel beim Erwärmen in Schritt C in die Umgebung entweicht.Preferably, between steps C and C1, residual etchant in the well is removed. This avoids that the etchant escapes into the environment when heated in step C.
Das rückständige Ätzmittel wird dabei vorzugsweise durch eine Spülflüssigkeit entfernt. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Spülflüssigkeit anschließend in einem Trocknungsschritt entfernt wird, um Beeinträchtigungen des in Verfahrensschritt C1 folgenden Umklappens der Maske durch die Spülflüssigkeit zu vermeiden.The residual etchant is preferably removed by a rinsing liquid. Furthermore, it is advantageous that the rinsing liquid is subsequently removed in a drying step in order to avoid impairments of the folding-over of the mask following the rinsing liquid in method step C1.
Verfahrensschritt C kann unterstützt werden indem in einer vorzugsweisen Ausführungsform in Verfahrensschritt C1 die Maskierungsschicht zumindest in dem unterätzten Bereich mit einem Fluidstrom beaufschlagt wird. Hierdurch wird Druck auf die Maskierungsschicht in Richtung der Vertiefung, das heißt in die Vertiefung hinein, erzeugt, sodass das Eindringen der Maskierungsschicht in die Vertiefung erleichtert und beschleunigt wird.Method step C can be supported by, in a preferred embodiment in method step C1, the masking layer being subjected to a fluid flow at least in the undercut region. As a result, pressure is exerted on the masking layer in the direction of the depression, that is to say into the depression, so that the penetration of the masking layer into the depression is facilitated and accelerated.
Vorzugsweise findet hierbei ein Gasstrom Verwendung. Insbesondere ist vorteilhaft, die Maskierungsschicht mit Druckluft zu beaufschlagen.Preferably, a gas stream is used here. In particular, it is advantageous to pressurize the masking layer with compressed air.
Verfahrensschritt C1 wird vorzugsweise derart ausgeführt, dass die Maskierungsschicht in die Vertiefung eindringt und zumindest teilweise an den Rändern der Vertiefung anliegt. Hierdurch ist besonders effektiv ein Schutz dieser Ränder der in Verfahrensschritt C erzeugten Vertiefung gegenüber lateralem Ätzen gegeben.Process step C1 is preferably carried out in such a way that the masking layer penetrates into the depression and bears at least partially against the edges of the depression. As a result, a protection of these edges of the recess produced in method step C is particularly effective compared to lateral etching.
Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, dass nach Abschluss von Verfahrensschritt C1 die Maskierungsschicht an den Rändern der Vertiefung anliegt, da auch bei in die Vertiefung hineinragenden Bereichen der Maskierungsschicht, welche nicht direkt an den Rändern der Vertiefung anliegen, bereits ein Schutz gegenüber lateralen Ätzen gegeben ist.However, it is not absolutely necessary that, after completion of method step C1, the masking layer bears against the edges of the depression, since even with regions of the masking layer projecting into the depression, which do not rest directly on the edges of the depression, protection against lateral etching already exists is.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:Further advantageous features and embodiments of the invention will be explained below with reference to an embodiment and the figures. Showing:
In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde ein polierter, von Sägeschaden befreiter, monokristalliner Siliziumwafer mit einer Kantenlänge von etwa 3 cm und einer Dicke von etwa 250 μm wie folgt behandelt:
Eine Rückseite des Siliziumwafers wurde zum Schutz während nachfolgender Ätzvorgänge vollständig mit Maskierungsschicht bedeckt und auf einer der Rückseite gegenüberliegenden Vorderseite des Siliziumwafers wurde mittels eines Inkjet-Druckverfahrens HotMelt-Tinte wie folgt aufgebracht:
Ein für Industriezwecke erwerbbarer Inkjet-Drucker wurde mit einem piezoelektrischen Druckkopf verwendet. Dieser Drucker weist einen beweglichen xy-Tisch auf, um den Siliziumwafer relativ zu dem Druckkopf zu bewegen.In the exemplary embodiments described here, a polished, saw-damage-free, monocrystalline silicon wafer having an edge length of about 3 cm and a thickness of about 250 μm was treated as follows:
A backside of the silicon wafer has been completely covered with masking layer for protection during subsequent etching operations and on a front side opposite the back side of the silicon wafer Silicon wafer was applied by means of an ink jet printing method HotMelt ink as follows:
An industrial inkjet printer was used with a piezoelectric printhead. This printer has a movable xy table to move the silicon wafer relative to the printhead.
In dieser Konfiguration ist die Ausgabe einzelner Tropfen HotMelt-Tinte, die auf dem Substrat Halbkugeln mit einem Radius im Bereich 40 μm bis 60 μm bilden, möglich.In this configuration, the output of individual drops of HotMelt ink forming hemispheres on the substrate with a radius in the range of 40 μm to 60 μm is possible.
Um zu erreichen, dass die Mittelpunkte der aufgebrachten Tropfen auf den Eckpunkten eines regelmäßigen, gleichseitigen Sechseckes liegen, wurde das Positionsraster derart gewählt, dass in y-Richtung eine größere Skalierung verglichen mit der x-Richtung vorgegeben wurde, wobei ein Verhältnis 1:√3 gewählt wurde.In order to achieve that the centers of the applied drops lie on the vertices of a regular, equilateral hexagon, the position grid was chosen such that in the y-direction a greater scaling compared to the x-direction was given, where a ratio 1: √3 was chosen.
Anschließend wurde der Druckvorgang durchgeführt, wobei die in
Die Punktdichte betrug somit in x-Richtung etwa 1750 dpi und in y-Richtung etwa 1016 dpi.The dot density was thus about 1750 dpi in the x-direction and about 1016 dpi in the y-direction.
Aufgrund der Ausdehnung der aufgebrachten Tropfen überlappen jeweils benachbarte Tropfen, sodass sich in etwa die in
Anschließend erfolgte ein Ätzen des Siliziumwafers in einer Ätzlösung bestehend aus 23 Vol.-% HF, 47 Vol.-% HNO3, 20 Vol.-% Acetic Acid und 10 Vol.-% H3PO4, hergestellt aus 50 Gew.-% HF, 69 Gew.-% HNO3, 100 Gew.-% Acetic Acid und 85 Gew.-% H3PO4. Der Ätzvorgang erfolgte bei einer Temperatur von 15°C.Subsequently, the silicon wafer was etched in an etching solution consisting of 23% by volume HF, 47% by volume HNO 3 , 20% by volume acetic acid and 10% by volume H 3 PO 4 , prepared from 50% by weight. % HF, 69 wt% HNO 3 , 100 wt% acetic acid and 85 wt% H 3 PO 4 . The etching was carried out at a temperature of 15 ° C.
Ein derartiges Ätzmittel wird typischerweise zum Polieren von Siliziumwafern verwendet.Such an etchant is typically used to polish silicon wafers.
Anschließend wurde die Maskierungsschicht entfernt und die wellenlängenabhängige Reflexion gemessen sowie das Oberflächenprofil bestimmt.Subsequently, the masking layer was removed and the wavelength-dependent reflection was measured and the surface profile was determined.
Das Oberflächenprofil ist in dreidimensionaler Darstellung als Teilausschnitt in
Deutlich ist in
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140301 |