包含铅氧化物和碲氧化物的厚膜糊料及其在半导体装置制造中的用途转让专利
申请号 : CN201710681515.6
文献号 : CN107424662B
文献日 : 2019-11-08
发明人 : A·F·卡罗尔 , K·W·杭 , B·J·劳克林 , K·R·米克斯卡 , C·托拉迪 , P·D·韦尔努伊
申请人 : E.I.内穆尔杜邦公司
摘要 :
权利要求 :
1.厚膜糊料组合物,该厚膜糊料组合物用于形成制品中的电极,所述制品包括半导体基底,在所述半导体基体上具有一个或多个绝缘层,所述电极与所述一个或多个绝缘层接触并与所述半导体基底电接触,所述厚膜糊料组合物包含:a)基于所述组合物中的总固体计从大于95重量%至等于或小于99.5重量%的导电金属;
b)基于固体计0.5-15重量%的铅-碲-氧化物,其中所述铅-碲-氧化物包含5摩尔%至小于30摩尔%的铅氧化物和15-70摩尔%的碲氧化物;
其中以所述组合物中的总固体计,所有固体的组分的总量之和为100%;和c)有机介质;
所述厚膜糊料组合物当焙烧时能透过所述一个或多个绝缘层。
2.根据权利要求1所述的厚膜糊料组合物,其中所述导电金属包括银。
3.根据权利要求1所述的厚膜糊料组合物,其中所述有机介质包括聚合物。
4.根据权利要求3所述的厚膜糊料组合物,其中所述有机介质还包括选自以下的一种或多种添加剂:溶剂、稳定剂、表面活性剂和增稠剂。
5.根据权利要求1所述的厚膜糊料组合物,其中所述铅-碲-氧化物为至少部分结晶的。
6.根据权利要求1所述的厚膜糊料组合物,还包含选自以下的添加剂:TiO2、LiO2、B2O3、PbF2、SiO2、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、Al2O3、MgO、CaO、SrO、BaO、V2O5、ZrO2、MoO3、Mn2O3、Ag2O、ZnO、Ga2O3、GeO2、In2O3、SnO2、Sb2O3、Bi2O3、BiF3、P2O5、CuO、NiO、Cr2O3、Fe2O3、CoO、Co2O3和CeO2。
7.根据权利要求1所述的厚膜糊料组合物,其中所述铅-碲氧化物还包含一种或多种选自以下的元素:Si、Sn、Li、Ti、Ag、Na、K、Rb、Cs、Ge、Ga、In、Ni、Zn、Ca、Mg、Sr、Ba、Se、Mo、W、Y、As、La、Nd、Co、Pr、Gd、Sm、Dy、Eu、Ho、Yb、Lu、Bi、Ta、V、Fe、Hf、Cr、Cd、Sb、Bi、F、Zr、Mn、P、Cu、Ce和Nb。
8.根据权利要求1所述的厚膜糊料组合物,其中所述铅-碲-氧化物包含5摩尔%至小于
30摩尔%的铅氧化物和35-70摩尔%的碲氧化物。
9.形成半导体制品的方法,包括:
(a)提供半导体基底,所述半导体基底包含沉积到半导体基底的至少一个表面上的一个或多个绝缘膜;
(b)将厚膜糊料组合物施用到所述绝缘膜的至少一部分上以形成层状结构,其中所述厚膜糊料组合物包含:
i)基于所述组合物中的总固体计从大于95重量%至等于或小于99.5重量%的导电金属;
ii)基于固体计0.5重量%-15重量%的铅-碲-氧化物,其中所述铅-碲-氧化物包含5摩尔%至小于30摩尔%的铅氧化物和15-70摩尔%的碲氧化物;
其中以所述组合物中的总固体计,所有固体的组分的总量之和为100%;和iii)有机介质;以及
(c)焙烧所述半导体基底、一个或多个绝缘膜和厚膜糊料,从而形成与所述一个或多个绝缘层接触并与所述半导体基底电接触的电极。
10.根据权利要求9所述的方法,其中所述厚膜糊料组合物以图案方式施用到所述绝缘膜上。
11.根据权利要求9所述的方法,其中所述焙烧在含氧气氛中进行。
12.根据权利要求9所述的方法,其中所述焙烧在空气中进行。
13.根据权利要求9所述的方法,其中所述铅-碲-氧化物包含5摩尔%至小于30摩尔%的铅氧化物和35-70摩尔%的碲氧化物。
14.半导体制品,包括:
a)半导体基底:
b)在所述半导体基底上的一个或多个绝缘层;和c)与所述一个或多个绝缘层接触并与所述半导体基底电接触的电极,所述电极包含导电金属和铅-碲-氧化物,其中所述铅-碲-氧化物包含5摩尔%至小于30摩尔%的铅氧化物和15-70摩尔%的碲氧化物。
15.根据权利要求14所述的半导体制品,其中所述制品为半导体装置。
16.根据权利要求14所述的半导体制品,其中所述半导体制品为太阳能电池。
17.根据权利要求14所述的半导体制品,其中所述铅-碲-氧化物包含5摩尔%至小于30摩尔%的铅氧化物和35-70摩尔%的碲氧化物。
说明书 :
包含铅氧化物和碲氧化物的厚膜糊料及其在半导体装置制造
中的用途
用途”的中国发明专利申请的分案,并且上述中国发明专利申请第201180031225.8号是基
于PCT申请PCT/US2011/035154提交的,要求以下优先权:美国专利申请61/467,003号,优先
权日2011年3月24日;美国专利申请61/331,006号,优先权日2010年5月4日;美国专利申请
61/440,117,优先权日2011年2月7日;美国专利申请61/445,508,优先权日2011年2月22日。
发明领域
物。
子对载荷子的外部能源。这些电子-空穴对载荷子在由p-n半导体结产生的电场中迁移,并
通过传导性网格或施用到半导体表面的金属触点来收集。产生的电流流向外部电路。
印刷到基底上,并接着焙烧,在这期间,电触头在网格线和半导体基底之间制备。
流动。为了克服该问题,传导性油墨应在焙烧以形成金属触点期间渗透减反射涂层,所述金
属触点与半导体基底电接触。在金属触点和基底之间形成强效粘结也是所期望的。
之间制得的电触头的质量的影响。
固体组分的约90至约95重量%。
和约1至约9.5重量%的银薄片。
乙酸、月桂酸、油酸、癸酸、肉豆蔻酸、亚油酸、硬脂酸、棕榈酸、硬脂酸盐、棕榈酸盐、以及它们的混合物。盐抗衡离子可为铵、钠、钾、以及它们的混合物。
射和分散方法确定。
筛选经研磨的材料以提供具有期望粒度的粉末。铅氧化物粉末可包括一种或多种选自以下
的组分:PbO、Pb3O4和PbO2。通常将铅氧化物和碲氧化物的混合物焙烧至800-1200℃的峰值
温度。熔融混合物可例如在不锈钢压板上或在反转不锈钢辊之间淬火以形成片状物。所得
片状物可被研磨以形成粉末。通常,经研磨的粉末具有0.1-3.0微米的D50。在一个实施方案
中,以该方式形成的Pb-Te-O可为至少部分结晶的。
混合物包含30-85mol%的铅氧化物和15-70mol%的碲氧化物。在另一个实施方案中,基于
所述混合的粉末计,PbO和TeO2粉末的混合物包含30-65mol%的铅氧化物和35-70mol%的
碲氧化物。
制性的。
有机介质:无机组分可在糊料的制造、装运和贮藏期间以适当程度的稳定性分散于有机介
质中,并且可在丝网印刷过程期间分散在印刷丝网上。
质可包含增稠剂、稳定剂、表面活性剂和/或其它常见添加剂。有机介质可为一种或多种聚
合物在一种或多种溶剂中的溶液。适宜的聚合物包括乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、木松
香、乙基纤维素和酚醛树脂的混合物、低级醇的聚甲基丙烯酸酯、以及乙二醇单乙酸酯的单
丁基醚。适宜的溶剂包括萜烯例如α-或β-萜品醇或它们与其它溶剂例如煤油、邻苯二甲酸
二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和沸点高于150℃的醇以及醇酯的混合物。
其它适宜的有机介质组分包括:双(2-(2-丁氧基乙氧基)乙基己二酸酯、二价酸酯例如DBE、
DBE-2、DBE-3、DBE-4、DBE-5、DBE-6、DBE-9和DBE 1B、环氧化树脂酸辛酯、异四癸醇和氢化松香的季戊四醇酯。有机介质也可包括挥发性液体以促进厚膜糊料组合物施用在基底上之后
的快速硬化。
有机介质中。如有需要,可通过加入溶剂来调节粘度。提供高剪切的混合方法可能是有用
的。
厚膜糊料组合物以预定的形状和厚度并在预定位置施用(例如,涂层或丝网印刷)到绝缘膜
上,然后焙烧,使得厚膜糊料组合物与绝缘膜反应并渗透绝缘膜,从而达到与硅基板电接触
的目的。
扩散层20在硅p型基板的整个表面上形成。扩散层的深度可通过控制扩散温度和时间而变
化,并且通常在约0.3-0.5微米的厚度范围内形成。n型扩散层可具有几十欧姆/平方的薄膜
电阻率。
剂移除。
氢)、氧化钛膜或氧化硅膜。约700- 的氮化硅膜厚度适用于约1.9-2.0的折射率。绝缘
层30的沉积可通过溅射、化学气相沉积或其它方法进行。
干燥。在750-850℃的温度下进行焙烧几秒钟至几十分钟的一段时间。
阳能电池的能量转化效率。焙烧将干燥的铝浆60转变为铝背面电极61。同时,将背侧面的银
浆70焙烧,变成银或银/铝背面电极71。在焙烧期间,介于背侧面铝和背侧面银之间的边界
呈现合金状态,从而实现电连接。铝电极占据背面电极的大部分面积,这部分归因于需要形
成p+层40。同时,由于不可能对铝电极进行焊接,因此在背侧面的有限面积上形成银或银/
铝背面电极,作为用于通过铜带或类似物互连太阳能电池的电极。
烧条件。如图1(f)所示,当焙烧时,糊料500变成电极501。
中,氧化硅膜通过热氧化、溅射或热CFD或等离子CFD形成。氧化钛膜可通过将含钛的有机液
体材料涂覆到半导体基底上并进行焙烧来形成,或通过热化学气相沉积来形成。
底之间的电接触。这可导致改善的半导体装置的效率。
来自干燥厚膜糊料组合物的有机粘结剂材料以及存在的任何其它有机材料烧尽。在一个实
施方案中,焙烧温度为750-950℃。焙烧可在带式炉中使用高输送率例如100-500cm/min进
行,最终保持时间为0.05-5分钟。多个温度区域,例如3-11区域,可用于控制期望的热分布。
包括碲、碲化合物、铅、铅化合物和硅化合物中的一种或多种,其中硅可起源于硅基板和/或一种或多种绝缘层。在焙烧后,电极包含烧结金属,所述烧结金属接触下面的半导体基底并
还可接触一个或多个绝缘层。
在一个实施方案中,制品还包括背面电极。
实施例
10℃/min的加热速率在空气中加热至900℃,并然后在900℃下保持一小时以熔融所述混合
物。所述熔体通过将铂坩埚从炉子中移除并将所述熔体倾倒在不锈钢压板上从900℃淬灭。
所得材料被磨成灰泥并用研杵捣成小于100目。然后将研磨的材料在具有氧化锆球和异丙
醇的聚乙烯容器中球磨,直至D50为0.5-0.7微米。然后将球磨的材料与研磨球分离,干燥并
运行穿过100目的筛网以提供用于厚膜糊料制备的助熔剂粉末。
处理的持续时间为在达到组分完全熔融以后持续20分钟。然后,由组分的融化造成的所得
低粘度液体用金属辊淬灭。然后研磨淬灭的玻璃,并筛选以提供具有D50为0.1至3.0微米的
粉末。
27 44.53 7.71 47.76
28 59.22 40.78
29 41.72 13.54 44.75
30 80.75 19.25
31 1.66 41.85 0.86 9.58 1.16 44.89
32 58.31 41.69
33 5.95 54.27 5.41 1.23 33.14
混合15min。无机组分的总重量为88g,其中85-87g为银粉并且1-3g为PbO和TeO2粉末的混合
物。然后将无机组分的三分之一加入到包含有机组分的Thinky广口瓶中并在2000RPM下混
合1min。重复该步骤直至所有的无机组分被加入并混合。冷却所述糊料并通过加入溶剂将
粘度调节至介于200和500Pa·s之间,然后在200RPM下混合1min。重复该步骤直至获得期望
的粘度。然后以1密耳间隙在零psi下将糊料辊磨3次并在75psi下辊磨3次。分散度通过研磨
细度(FOG)测量。对于厚膜糊料,研磨细度值通常等于或小于20/10。每种糊料的粘度在具
有#14锭子和#6杯的布氏粘度计上测量。24小时后在室温下,将糊料的粘度调节至介于200
和320Pa·s之间。粘度在以10RPM的粘度计中3分钟后测量。
耳。使用布氏粘度计测量糊料的粘度并加入适量的溶剂和树脂以将糊料粘度调节至介于
230和280Pa-sec之间的目标粘度。分散度通过研磨细度(FOG)测量。对于第四最长的连续刮
涂,糊料的典型研磨细度值小于20微米。当刮出50%的糊料时,研磨细度值小于10微米。
间的剪切来分散。为了制备表12和13的最终糊料,通过以下步骤制备三种单独的糊料:1)将
适量的银加入到适量的被辊磨的表4载体中,2)将适量的来自表3的第1玻璃料加入到适量
的被辊磨的表4载体中,和3)将适量的来自表3的第2玻璃料加入到适量的被辊磨的表4载体
中。使用行星式离心混合器(Thinky Corporation,Tokyo,Japan)将适量的银糊料和玻璃料
糊料混合到一起。
PECVDSiNx减反射涂层。所述太阳能电池由Q-Cells SE(OT Thalheim,Germany)供应。使用
金刚石切片锯,将晶片切割成28mm×28mm的晶片。晶片在切割下来之后,使用AMI-Presco
MSP-485丝网印刷机丝网印刷以提供母线、节距为0.254cm的11个导体线和完整的接地平
面、丝网印刷的铝背侧面导体。在印刷并干燥后,电池在BTU国际快速热加工带式炉中焙烧。
表3所示的焙烧温度为炉子设定点温度,其大于实际晶片温度大约125℃。焙烧的导线的中
值线宽为120微米并且平均线高为15微米。所述中值线的电阻率为3.0E-6ohm·cm。28mm×
28mm电池的性能预计被边缘效应影响,以~5%降低总体太阳能电池填充因数(FF)。
的具有62Ω/□发射器的多晶晶片,并且来自实施例#2至#6的糊料被使用到Gintech
(Gintech Energy Corporation,Taiwan)的具有55Ω/□发射器的多晶晶片。所用的太阳能
电池被各向同性的酸蚀刻质构化,并具有SiNX:H的减反射涂层(ARC)。对于每个样本,测量
如在表9、10、12和13中所示的效率和填充因数。对于每种糊料,显示了对于5-12个样本的效率和填充因数的平均值和中值。使用刮墨刀速度设为250mm/sec的ETP L555型印刷机进行
丝网印刷,从而制得每个样本。所用丝网在具有325目和23μm线材的丝网中在20μm乳剂上具有以下图案:11条具有100μm开口的指状线和1条具有1.5mm开口的母线。将可商购获得的铝
浆DuPont PV381印刷在所述装置的非受光面(背面)上。
℃的温度设定点的CF7214Despatch 6区域红外炉焙烧。在加工过程中测量部件的实际温
度。每个部件的估计峰值温度为740-780℃,并且每个部件在4秒的总时间内均高于650℃。
然后使用校准的ST-1000测试仪对完成加工的样本进行PV性能测试。
接触方法来测量在负载电阻设定值为大约400时的电流(I)和电压(V)以确定电池的电流-
电压曲线。太阳能电池效率(Eff)、填充因数(FF)和串联电阻(Rs)从电流电压曲线来计算。
Rs尤其受到接触电阻率(ρc)、导体线性电阻和发射器薄层电阻的影响。由于导体线性电阻
和薄层电阻对于不同的实施例名义上是相等的,因此在Rs上的差值主要归因于ρc。理想因
子使用Suns-VOC技术确定。理想因子以0.1太阳辐射率报道。
能电池的效率的平均值和中值并概括在表7中。确定对于使用实施例13-27的厚膜糊料制备
的太阳能电池的填充因数的平均值和中值并概括在表8中。
电压(V)以确定电池的电流-电压曲线。填充因数(FF)和效率(Eff)均由电流-电压曲线计算。
I 33.40 20.58 46.02
II 37.70 20.92 41.37
III 29.15 29.61 41.24
IV 43.73 14.80 41.47
度并加入适量的溶剂和树脂以将糊料粘度调节至介于230和280Pa-sec之间的目标粘度。另
一种糊料通过混适宜当量的有机载体(表4)和玻璃粉A制得。所述玻璃粉浆以0至250psi逐
渐增加的压力穿过三辊研磨机。每种糊料的分散度通过研磨细度(FOG)测量。对于第四最长
的连续刮涂,糊料的典型研磨细度值小于20微米。当刮出50%的糊料时,研磨细度值小于10
微米。
(DeutscheCell,Germany)多晶晶片。所用的太阳能电池通过各向同性的酸蚀刻来纹理化,
并具有SiNX:H的减反射涂层(ARC)。对于每个样本测量如表15中所示的效率和填充因数。使
用刮刀速度设为200mm/sec的ETP L555型印刷机进行丝网印刷,从而制得每个样本。所用丝
网在具有325目和23μm线材的丝网中于20μm乳剂上具有以下图案:11条具有100μm开口的指状线和1条具有1.5mm开口的母线。将可商购获得的铝浆DuPont PV381印刷在所述装置的非
受光面(背面)上。
度设定点的CF7214Despatch 6区域红外炉焙烧,其中HZ6=885、900和915℃。在加工过程中
测量部件的实际温度。每个部件的估计峰值温度为745-775℃,并且每个部件的温度在4秒
的总时间内均高于650℃。然后使用校准的ST-1000测试仪对完成加工的样本进行PV性能测试。