(57)【要約】太陽電池、特にIBC太陽電池、のカウンタドーピングを行う方法を開示する。太陽電池の１つの表面は、n型にドープする部分が必要であり、他の表面は、p型にドープする部分が必要である。従来、複数のリソグラフィー及びドーピングステップが、この所望の構成を実現するために、必要である。対照的に、１つの導電率のブランケットドーピング及び反対の導電率のマスクパターンカウンタドーピングの使用により、１つのリソグラフィーステップを取り除くことができる。マスクパターン注入の間にドープする領域は、ブランケットドーピングの効果を完全に逆にして、ブランケットドーピングと反対の導電率を実現するために、十分な線量を受ける。別の実施態様では、直接パターニング技術によりカウンタドーピングを行い、これにより、残りのリソグラフィーステップを取り除く。直接カウンタドーピングプロセスの様々な方法を開示する。
2011513998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の表面に互いに反対の導電率の領域を創生する方法であって、
前記方法は、
半導体基板を使用するステップと、
前記表面が均一にドープされた領域を備えるように、前記基板の前記表面に第１のドーパントのブランケットドーピングを行うステップと、
前記表面の一部に第２のドーパントのパターンドーピングを行うステップであって、前記一部は前記表面の全体より小さく、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントは互いに反対の導電率を有し、前記パターンドーピングを受ける前記一部は前記第２のドーパントの前記導電率を維持するステップと、
前記パターンドーピングの前に、マスクを前記基板の正面に当てるステップと、を有する、太陽電池の表面に互いに反対の導電率の領域を創生する方法。
【請求項２】
前記ブランケットドーピングは、炉拡散により行う、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ブランケットドーピングは、イオン注入により行う、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ブランケットドーピングは、プラズマドーピングにより行う、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記マスクは、ハードマスク、シャドウマスク及び投影マスクから成るグループから選択する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記パターンドーピングは、炉拡散により行う、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記パターンドーピングは、イオン注入により行う、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記パターンドーピングは、プラズマドーピングにより行う、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
太陽電池の表面に互いに反対の導電率の領域を創生する方法であって、
前記方法は、
半導体基板を使用するステップと、
前記表面が均一にドープされた領域を備えるように、前記基板の前記表面に第１のドーパントのブランケットドーピングを行うステップと、
前記表面の一部に第２のドーパントの直接パターンドーピングを行うステップであって、前記一部は前記表面の全体より小さく、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントは互いに反対の導電率を有し、前記直接パターンドーピングを受ける前記一部は前記第２のドーパントの前記導電率を維持するステップと、を有し、
前記ブランケットドーピング及び前記直接パターンドーピングは、マスクを前記基板に当てることなく行う、太陽電池の表面に互いに反対の導電率の領域を創生する方法。
【請求項１０】
前記ブランケットドーピングは、炉拡散により行う、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ブランケットドーピングは、イオン注入により行う、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ブランケットドーピングは、プラズマドーピングにより行う、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、さらに
前記直接パターンドーピングの前に、誘電体層を適用するステップを有し、
前記直接パターンドーピングは、前記基板の前記一部をさらすために、レーザーを用いて前記誘電体層を選択的に溶かすステップを有し、
続いて、第２のドーパントのブランケットドーピングを行うステップを有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記直接パターンドーピングは、
前記第２のドーパントから成るペーストのブランケット層を適用するステップと、
レーザービームを用いて前記ペーストを溶かし、前記基板の前記一部のみを直接書き込むステップと、を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記直接パターンドーピングは、イオンビームを用いて行い、
前記基板が前記イオンビームを進む速度を調整するステップを有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記直接パターンドーピングは、
走査イオンビームを用いるステップと、
前記ビームの走査速度を調整するステップと、を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記直接パターンドーピングは、
イオンビームを生成する引き出し電極を備えるイオン注入システムを用いるステップと、
イオンビーム電流を調整するように、前記引き出し電極の電圧を調整するステップと、を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
前記直接パターンドーピングは、
レーザーを用いて前記基板を前記一部において溶かすステップと、
前記第２のドーパントを溶かした前記一部に入れるステップと、を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記直接パターンドーピングは、
前記基板の前記一部にペーストを選択的に当てるステップと、
前記ペーストを炉を用いて拡散するステップと、を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
太陽電池の表面に互いに反対の導電率の領域を創生する方法であって、
前記方法は、
半導体基板を使用するステップと、
前記表面が均一にドープされた領域を備えるように、前記基板の前記表面に第１のドーパントのブランケットドーピングを行うステップと、
前記表面の一部に第２のドーパントのパターンイオン注入を行うステップであって、前記一部は前記表面の全体より小さく、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントは互いに反対の導電率を有し、前記パターンイオン注入を受ける前記一部は前記第２のドーパントの前記導電率を維持するステップと、
前記パターンイオン注入の前に、マスクを前記基板の正面に当てるステップと、を有する、太陽電池の表面に互いに反対の導電率の領域を創生する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池をドーピングすることに関し、特に、太陽電池をカウンタドーピングすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入は、導電率を変える不純物を半導体基板に導入する標準的な技術である。所望の不純物材料は、イオン源内でイオン化され、イオンは、加速されて所定のエネルギーのイオンビームを形成し、イオンビームは、基板の表面に向けられる。イオンビーム内のエネルギーイオンは、半導体材料の大部分に入り込み、半導体材料の結晶格子に埋め込まれて、所望な導電率の領域を形成する。
【０００３】
太陽電池は、シリコンを半導体材料として用いることは、よくあるが、他の半導体デバイスのために用いるのと同じプロセスを用いて、典型的に製造される。半導体太陽電池は、半導体材料内に光子を吸収することにより生成される、電荷キャリアを分離する内蔵電界を有する単純なデバイスである。この電界は、半導体材料の差動ドーピングにより創生されるpn接合（ダイオード）の形成により典型的に創生される。半導体基板の一部（例えば、表面領域）に異極性の不純物をドーピングすることにより、光を電子に変換する光起電装置として用いることができるpn接合を形成する。
【０００４】
図９は、太陽電池の第１の実施態様であり、代表的な基板１５０の断面を示す。光子１６０は、矢印により示すように、上面１６２を通って太陽電池１５０に入る。これらの光子は、基板１５０に浸透する光子の数を最大にし、基板に反射される光子の数を最小にするように設計された反射防止膜１５２を通過する。
【０００５】
内部では、基板１５０はpn接合１７０を持つように形成される。pn接合は表面に平行でない他の実施例があるけれども、このpn接合は基板１５０の上面１６２にほぼ平行であるように示してある。太陽電池は、光子がエミッタ１５３としても知られる高濃度にドープされた領域を通って入るように製造する。いくつかの実施形態では、エミッタ１５３はn型ドープ領域とすることができ、一方、他の実施形態では、エミッタ１５３はp型ドープ領域とすることができる。（半導体のバンドギャップより上の）十分なエネルギーを持つ光子は、半導体材料の価電子帯内の電子を伝導帯に励起することができる。この自由電子と関連するのは、価電子帯内の対応する正に荷電した孔である。外部負荷を駆動することができる光電流を発生するために、これらの電子孔（e-h）対は分離する必要がある。これは、pn接合での内蔵電界を介して行われる。従って、pn接合の空乏領域で発生する任意の電子孔対は、デバイスの空乏領域へ拡散する任意の他の少数キャリアのように、離れ離れになる。入射光子の大多数は、デバイスの表面領域の近くで吸収されるので、エミッタで発生する少数キャリアは、空乏領域に到達し、反対面に流されるために、エミッタの深くまで拡散する必要がある。従って、光発生電流の収集を最大にし、エミッタ内のキャリアの再結合の機会を最小にするために、エミッタ領域１５３を非常に浅くすることが好適である。
【０００６】
多少の光子は、エミッタ領域１５３を通過し、ベース１５４に入る。エミッタ１５３がn型領域であるシナリオでは、ベース１５４はp型ドープ領域である。これらの光子は、関連する孔がベース１５４内にとどまるのに、自由にエミッタ領域１５３に移るベース１５４内の電子を、励起することができる。あるいは、エミッタ１５３がp型ドープ領域の場合、ベースはn型ドープ領域である。この場合、これらの光子は、関連する孔がエミッタ領域１５３に移るのに、ベース領域１５４内にとどまるベース１５４内の電子を、励起することができる。このpn接合の存在により引き起こされる電荷分離の結果として、光子により発生させられる追加のキャリア（電子及び孔）は、回路を完成するため、外部負荷を駆動するために用いることができる。
【０００７】
外部負荷を介して、エミッタ領域１５３をベース１５４に外部接続することにより、電流を導き電力を供給することができる。これを実現するために、典型的には金属のコンタクト１５１、１５５を、それぞれ、エミッタ領域及びベースの外部表面に置く。ベースは光子を直接受けないため、典型的に、そのコンタクト１５５は、全外部表面に沿って置く。対照的に、エミッタ領域の外部表面は、光子を受けるので、コンタクトで完全に覆うことはできない。しかしながら、電子がコンタクトまでの長い距離を進まなければならない場合、太陽電池の直列抵抗が増加して、電力出力を低くする。これらの２つの検討事項（自由電子がコンタクトまで進まなければならない距離及びエミッタ表面１６３の露出部の面積）のバランスをとる試みにおいて、ほとんどのアプリケーションは、指の形のコンタクト１５１を用いる。
【０００８】
図９に示す実施態様は、基板の両面にコンタクトを必要とするため、光子が通過することができる前面の使用できる面積を減少する。太陽電池１００の第２の実施態様の断面を図１に示す。基本的に、この実施態様の物理的過程は似ており、pn接合が、発生した電子孔対を分離する電界を創生するために、用いられる。しかしながら、前の実施態様でなされたように、全基板のいたる所にpn接合を創生するのではなく、pn接合を基板１００の一部のみに創生する。この実施態様では、負にドープしたシリコン基板１０３を用いることができる。ある実施態様では、もっと負にバイアスをかけられた前面電界（FSF）１０２が、追加のn型ドーパントを前面に導入することにより、創生される。この前面は反射防止材料１０１で覆う。この前面は、表面積を増加するために、鋸歯状の又は非平面の表面を創生するためにエッチングすることがよくある。金属のコンタクト１０７、１０８又は指状の物は、全て、基板の底面に位置付ける。底面のある部分は、エミッタ１０４を創生するために、p型ドーパントでドープする。他の部分は、もっと負にバイアスをかけられた裏面電界１０５を創生するために、n型ドーパントでドープする。裏面は、裏面の反射性を高めるために、誘電体層４６０で覆う。コンタクト１０７は、エミッタ１０４に取り付けて、コンタクト１０８は、裏面電界１０５に取り付ける。図１０は、裏面のコンタクトの一般的な構造を示す。このタイプの太陽電池は、交差指型背面接触（IBC）太陽電池として知られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現在のエネルギーコストと環境への関心から、太陽電池は、世界的にもっと重要になっている。高性能太陽電池の製造又は生産のコストの削減又は高性能太陽電池の効率の改善により、太陽電池の推進に世界的なプラスの効果をもたらす。これにより、このクリーンエネルギー技術のより広い利用性を可能にする。
【００１０】
交差指型背面接触太陽電池の現在の製造プロセスは、コンタクト及びエミッタ領域を作るために、太陽電池の背面への少なくとも２つのリソグラフィステップ及び拡散ステップを必要とする。任意のプロセスステップを除去すれば、太陽電池の製造コスト及び複雑性を減少することになる。コスト及び複雑性を減少する方法として、カウンタドーピングが提案されているが、太陽電池をカウンタドーピングするためのイオン注入の使用は、比較的知られていない。イオン注入を用いるカウンタドーピングは、リチウムを用いる太陽電池の放射線硬化を改善するためにのみ行われてきたが、キャリアタイプを変更することや太陽電池の製造コスト及び複雑性を減少するためには行われていない。従って、カウンタドーピングを用いて太陽電池をドーピングする改善方法の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従来技術の短所は、太陽電池、特にIBC太陽電池、のカウンタドーピングを行う方法の本開示により克服される。太陽電池の１つの表面は、n型にドープする部分が必要であり、他の表面は、p型にドープする部分が必要である。従来、複数のリソグラフィー及びドーピングステップが、この所望の構成を実現するために、必要である。対照的に、１つの導電率のブランケットドーピング及び反対の導電率のマスクパターンカウンタドーピングの使用により、１つのリソグラフィーステップを取り除くことができる。マスクパターン注入の間にドープする領域は、ブランケットドーピングの効果を完全に逆にして、ブランケットドーピングと反対の導電率を実現するために、十分な線量を受ける。別の実施態様では、直接パターニング技術によりカウンタドーピングを行い、これにより、残りのリソグラフィーステップを取り除く。直接カウンタドーピングプロセスの様々な方法を開示する。
【００１２】
本開示をより良く理解するために、本明細書に参照により組み込まれる、以下の添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】例示的な交差指型背面接触（IBC）太陽電池の実施形態の図である。
【図２】太陽電池の製造プロセスフローの実施形態の図である。
【図３】太陽電池の製造プロセスフローの別の実施形態の図である。
【図４】太陽電池内のカウンタドーピングの実施形態の図である。
【図５】代表的な座標系の図である。
【図６】いくつかの実施形態で使用に適する代表的なイオン注入装置の図である。
【図７】太陽電池をカウンタドーピングするためのプロセスの第３の実施形態の図である。
【図８】太陽電池をカウンタドーピングするためのプロセスの第４の実施形態の図である。
【図９】例示的な太陽電池の図である。
【図１０】IBC太陽電池のためのコンタクトの例示的なパターンの図である。
【図１１】図１０に示すコンタクトを創生するために、用いることができるマスクを示す図である。
【図１２】直接パターニングの一実施形態の図である。
【図１３】直接パターニングの第２の実施形態の図である。
【図１４】直接パターニングの第３の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書で説明するプロセスの実施形態は、例えば、ビームラインイオン注入装置又はプラズマドーピングイオン注入装置により行うことができる。そのようなプラズマドーピングイオン注入装置は、RF又は他のプラズマ発生源を用いることができる。他のプラズマ処理装置又はイオンを発生する装置も用いることができる。熱的又は炉内拡散、加熱される太陽電池基板の表面のペースト、エピタキシャル成長、又は、レーザードーピングも、本明細書で説明するプロセスのある実施形態を行うために用いることができる。さらに、シリコンの太陽電池を具体的に開示しているが、他の太陽電池基板材料も本明細書で説明するプロセスの実施形態から利益をもたらすことができる。
【００１５】
図１は、例示的な交差指型背面接触（IBC）太陽電池の実施形態である。他の実施形態又は設計は可能であり、本明細書で説明するプロセスの実施形態は、図１で例示するIBC太陽電池１００だけに限定されない。上述のように、IBC太陽電池１００は、IBC太陽電池１００の背面にpコンタクト１０７及びnコンタクト１０８を含む。IBC太陽電池１００の上面は反射防止膜１０１である。反射防止膜１０１の下部は、前面電界１０２及びベース１０３である。ベース１０３の下部は、エミッタ１０４及び背面電界１０５である。エミッタ１０４及び背面電界１０５の下部は、保護層１０６である。pコンタクト１０７及びnコンタクト１０８は、保護層１０６を通過して、エミッタ１０４及び背面電界１０５に接触することができる。典型的に導電性の金属で作られている指状の物１１０は、コンタクトに取り付ける。
【００１６】
交差指型背面接触太陽電池の現在の製造プロセスは、コンタクト（pコンタクト１０７のような）及びエミッタ領域を作るために、太陽電池の背面への少なくとも２つのリソグラフィステップ及び拡散ステップを必要とする。
【００１７】
例えば、コンタクトの１つのパターンを図１０に示す。エミッタ、背面電界及びそれらの関連するコンタクトが、図示の構造で創生される。この構造を創生するために、パターン又はマスクを用いることがよくある。例えば、図１１は２つのマスク１１７、１１８を示す。１つのステップで、マスク１１７を太陽電池１００の背面に当てる。ドーパントを拡散又はイオン注入によるように、基板に導入する。このパターン又はマスクを除去して、第２のマスク１１８を当てる。反対の導電率の第２のドーパントを拡散又はイオン注入によるように、導入する。
【００１８】
カウンタドーピングを用いることにより、少なくとも１つのリソグラフィステップを除くことができる。カウンタドーピングは、カウンタドーピングのドーピングプロセスでドーパントをパターン化するために、非リソグラフィ技術を用いる場合、両方のステップを除くことができる。プロセスステップを除くことにより、太陽電池の製造複雑性及び製造コストを減少する。
【００１９】
図２は、太陽電池の製造プロセスフローの実施形態の図である。（IBC太陽電池のような）太陽電池のカウンタドーピングを行うために、２つのステップが必要である。まず、１つのタイプの半導体材料を形成するための、ブランケットドーピング２０１である。例えば、n型ドープ領域を形成するために、リンを全基板に加えることができる。これに続き、太陽電池の選択領域において、より高い線量で、パターンドーピング２０２を行う。このパターンドーピング２０２は、反対の導電率のドーパントを用いて行う。従って、リンをブランケットドーピングのために用いる場合、ボロンのようなIII族の元素をパターンドーピングのために用いることができる。パターンドーピングを行う領域は、前にドープされているため、必要な線量は、前のドーピングの効果をなくして、イオンの所望の濃度を導入するのに十分でなければならない。その結果、パターンドーピングは、ブランケットドーピングにより創生される領域と反対の導電率の領域を創生する。
【００２０】
図３は、太陽電池の製造プロセスフローの別の実施形態の図である。この実施形態では、図２で行われるステップを単に逆にしている。カウンタドーピングを行うために、太陽電池の選択領域において、より高い線量で、パターンドーピング３０１を行い、次に、別のタイプの半導体材料を形成するための、ブランケットドーピング３０２を行う。パターンドーピング３０１は、続くブランケットドーピングがその導電率を変えないような、十分な線量で導入する。
【００２１】
図４は、カウンタドーピングの実施形態である。太陽電池１００は、ブランケットドープ領域４００及びパターンドープ領域４０１を含む。ブランケットドープ領域４００及びパターンドープ領域４０１は、順々に、それとも、少なくとも部分的に同時に、ドープすることができる。ブランケットドープ領域４００及びパターンドープ領域４０１は、n型ドーパント、それとも、p型ドーパントを用いることができる。しかしながら、上述のように、カウンタドーピングは、一方の領域がn型ドーパントであり、他方の領域がp型ドーパントであることが必要である。従って、どちらか一方の型のドーパントのドーピングが最初に生じる場合、全体としては、異なるドーパントを用いなければならない。特定の例では、ブランケットドープ領域４００はp型であり、パターンドープ領域４０１はn型である。さらに、パターンドーピングは、ブランケットドーピングにより作られた導電率を直すために、十分な量で加えなければならない。この例では、ブランケットドープ領域４００はp型としてのままであるが、パターンドープ領域４０１はn型であるように、n型ドーパントを十分に大量に導入する。
【００２２】
本明細書で説明するプロセスの実施形態では、ドーパントは、例えば、P, As, B, Sb又はSnとすることができる。他のドーパント種も用いることができて、本出願は、単に、上にリストしたドーパントに限定されない。
【００２３】
ブランケットドーピングは、多くの方法で行うことができる。例えば、太陽電池の一部の領域又は太陽電池全体のブランケットドーピングは、ビームラインイオン注入装置又はプラズマドーピングイオン注入装置とともに、のようなイオン注入を用いて行うことができる。ブランケットドーピングは、太陽電池基板に少なくとも１つのガス、それとも、少なくとも１つのペーストを用いる炉内の拡散を用いても、行うことができる。ドーパントを導入する他の方法も知られて、適用することができる。全ての場合で、ブランケットドーピングは、イオンが太陽電池の全表面に同等に当てられるドーピングプロセスのことを言う。
【００２４】
ブランケットドーピングと違って、パターンドーピングは、太陽電池の選択領域のみを変更することを言う。このパターンドーピングは、多くの方法で行うことができる。いくつかの実施形態では、パターン技術は、基板のある部分のみを遮蔽する（又は露出する）ために用いる。このパターンを適用後に、ブランケットドーピングを適用するために用いる上記の１つ以上のプロセスを行うことができる。第１の実施形態では、カウンタドーピングを必要としない太陽電池の領域を遮るために、マスクを用いる。マスクは、様々なタイプとすることができる。例えば、ハードマスクは、基板に当てられて付着するものである。シャドウ又は近接マスクは、基板の前に直接、置かれて、再利用することができるものである。最後に、ステンシル又は投影マスクは、マスクが基板からある距離を離れて置かれて、パターンを基板に投影するために光学機器に依存するものである。マスクを当てた後に、イオンを基板の露出部分に取り込むために、続いて拡散又はイオン注入ステップを行う。さらなる実施形態では、ビームラインイオン注入装置又はプラズマドーピングイオン注入装置を用いるようなイオン注入を行い、ドーパントをマスク内の１つ以上のアパーチャを通ってのみ注入する。別の例では、マスクを炉拡散方法で用いる。
【００２５】
パターンドーピングは、他の方法を用いても行うことができる。上述のように、これらのパターン方法のいくつかは、基板の一部を遮蔽するので、露出部分のみがドープされる。例えば、フォトレジストマスクを創生するために、フォトリソグラフィーを用いることができる。基板の一部をさらすために、他のパターン方法が用いられる。例えば、一実施形態では、誘電体層が、ブランケットドーピングを用いて適用される。それから、ブランケット誘電体層を選択的に溶かして、マスクを創生するために、レーザービームを用いて太陽電池に直接書き込むことができる。用語「直接書き込む」は、レーザー又はイオンビームのような光又は粒子を高精度で基板に合焦することを言う。入射領域で、ビームは基板に当たり、特殊な効果を引き起こす。イオンビームの場合、その効果は、イオンを基板内に注入する効果である。レーザービームの場合、その効果は、入射領域を溶かし又は変形させることである。
【００２６】
別の実施形態では、材料を太陽電池の表面の選択領域にプリントすることができる。例えば、それから、イオン注入を用いて、プリント材料により形成したマスクを通ってドーパントを取り込む。あるいは、下層の誘電体を選択的にエッチングするために、プリント材料を用いることができ、炉内の拡散により取り込むことができるドーパントが通過するパターンを形成する。別の実施形態では、ブランケット誘電体層のエッチ特性を変更するために、イオンビームは、直接書き込み、又はシャドーマスクを通って投影することができる。それから、このブランケット誘電体層は、基板を選択領域においてのみさらすために、エッチングする。これらのパターン方法の各々では、ドーパントを基板の所望の部分に取り込むために、例えば、イオン注入又は炉拡散を用いる。
【００２７】
他の実施形態では、ドーパントの直接パターン形成を、太陽電池に行うことができる。パターンドーピングの直接パターン形成は、太陽電池のある領域のみを、太陽電池上のマスク又は固定マスク層を使用せずに、ドープすることを意味する。一実施形態では、イオンビームを用いて非均一ドーパント線量で、ドーパントを注入することができる。従って、太陽電池の第１の部分は、イオンビームにさらされて、第１の線量で注入される。太陽電池の第２の部分も、イオンビームにさらされて、第２の線量で注入される。線量のこの差異は、多くの方法で実現することができる。
【００２８】
代表的なイオン注入装置６００のブロック図を図６に示す。イオン源６１０は、リン又はボロンのような所望の種のイオンを発生する。イオン源からイオンを引き付けるために一組の電極（図示せず）を典型的に用いる。興味のあるイオンに対する反対極性の電位を用いることにより、電極はイオン源からイオンを引き付けて、イオンは電極を通って加速する。それから、これらの引き付けられたイオンは、ビームを形成し、その後、ソースフィルタ６２０を通過する。ソースフィルタはイオン源に近く配置することが好適である。ビーム内のイオンをコラム６３０内で所望のエネルギーレベルまで加速／減速する。アパーチャ６４５を有する質量分析器磁石６４０を用いてイオンビームから不所望の成分を取り除き、分解アパーチャ６４５を通過して所望のエネルギー及び質量特性を有するイオンビーム６５０を得る。
【００２９】
ある実施形態では、イオンビーム６５０はスポットビームである。このシナリオでは、イオンビームは、イオンビーム６５０を偏向し走査ビーム６５５を生成する、好ましくは静電スキャナーである、スキャナー６６０を通過し、個々のビームレット６５７は、スキャン源６６５から発散する流跡線を有する。ある実施形態では、スキャナー６６０は、走査装置と通信する分離スキャンプレートを備える。走査装置は、スキャンプレートに印加される、正弦波形、鋸歯状波形又は三角形波形のような振幅及び周波数成分を有するスキャン電圧波形を創生する。好ましい実施形態では、走査ビームを、基板のすべての位置でほとんど同じ時間、均一にさらすために、スキャン電圧波形は、典型的に三角形波形（一定勾配）に非常に近い。三角形からの偏差を用いて、ビームを均一にさせる。得られる電界により、図６に示すように、イオンビームを発散させる。
【００３０】
角度補正器６７０は、発散イオンビームレット６５７を偏向して、ほぼ平行な流跡線を有する一組のビームレットにするように適合する。好適なことに、角度補正器６７０は、イオンビームレットが通過するギャップを形成するように、相隔たる電磁コイル及び磁極ピースを備える。電磁コイルにエネルギーを与えて、ギャップ内に磁界を創生し、磁界は、加えられた磁界の強度及び方向に従って、イオンビームレットを偏向する。電磁コイルを通る電流を変化して磁界を調整する。あるいは、平行化レンズのような他の構造も、この機能を行うために利用することができる。
【００３１】
角度補正器６７０を経て、走査ビームは、処理すべき太陽電池のような基板をターゲットにする。走査ビームは、典型的に、その幅（Ｘ座標）よりもっと小さい高さ（Ｙ座標）を有する。この高さは、基板よりもっと小さく、従って、任意の特定の時間で、基板の一部のみがイオンビームにさらされる。基板の全部をイオンビームにさらすために、基板をビームの位置に対して動かさなければならない。
【００３２】
太陽電池を基板ホルダーに取り付ける。基板ホルダーは、複数の運動の自由度を持つ。例えば、基板ホルダーは走査ビームに直交する方向に動かすことができる。サンプルの座標系を図５に示す。ビームはＸＺ平面にあると仮定する。このビームはリボンビーム又は走査スポットビームとすることができる。基板ホルダーをＹ方向に動かすことができる。基板１００がイオンビームより小さい幅（Ｘ座標で）を有するとすれば、そうすることにより、基板１００の全体の部分をイオンビームにさらすことができる。
【００３３】
一実施形態では、カウンタドープ領域に対応する領域で、より長い滞留時間を創生するために、基板ホルダーの動きを変更する。言い換えれば、さらに注入すべきでない基板の部分（すなわち、ブランケット注入領域）にわたり、基板ホルダーをＹ方向にもっと速く動かす。一旦、イオンビームをカウンタドープすべき領域にわたり位置付けると、基板ホルダーのＹ方向の速度を遅くする。イオンビームがカウンタドープ領域にわたっている間、このより遅い速度を維持する。一旦、その領域を充分にさらすと、それに続く軽いブランケット注入領域を速く通過するために、基板ホルダーの並進速度を増加する。全体の基板を注入するまで、このプロセスを繰り返す。
【００３４】
図１２は、基板の位置の関数としての、基板ホルダーのＹ方向の相対速度を示すグラフである。なお、本実施形態では、その表面に、n型ドーパントを用いてブランケット注入をして、ｐ型ドーパントを用いてパターン注入をする。背面電界領域１０５をイオンビームにさらす際、速度を増加する。ヱミッタ領域１０４をイオンビームにさらす際、速度を減少しドーピング線量を増加する。
【００３５】
スポットビームの場合、基板の位置に基づき、基板ホルダーをＹ方向に変化する速度で動かす同様の技術を用いることができる。基板を走査するため、基板ホルダーをＸ方向にも動かす場合、上記と同じ結果を得るために、基板ホルダーのＸ方向の速度を変化することができる。言い換えれば、基板のヱミッタ領域１０４をさらす間に、基板ホルダーをＸ方向に、速く動かすが、カウンタドープ領域をさらす際、遅く動かす。あるいは、所望の場合、基板ホルダーの速度をＸ方向及びＹ方向共に変化することができる。
【００３６】
あるいは、同様の結果を創生するために、スキャナー６６０を制御することができる。走査スポットビームを発する際、例えば、基板ホルダーをＹ方向に動かし、スキャナー６６０によりスポットビームをＸ方向に動かすと、仮定する。スキャナーを制御するために用いる鋸歯状波の周波数を変化させることにより、スポットビームが基板を進む速度を変更することができる。１つのシナリオでは、イオンビームが露出したヱミッタ領域１０４を通過する時に、スキャナー制御信号の周波数を増加し、イオンをカウンタドープ領域にさらす際、遅くする。図１３は本実施形態を表すグラフを示す。このようにして、背面電界領域１０５の滞留時間は、カウンタドープされる露出したヱミッタ領域１０４の滞留時間より短い。別のシナリオでは、スポットビームが、背面電界領域１０５を通過する際、基板に当てないように、位置付けて、カウンタドープされる露出したヱミッタ領域１０４においてのみ走査するように、スキャナー制御信号の波形を変更する。スキャナー入力波形の変更を基板ホルダーのＹ方向の速度の変更と組み合わせることも行うことができる。
【００３７】
上記方法は、ドーピング線量を変化させるために、基板の様々な部分に対するイオンビームの滞留時間を変化させることに、関心があるのに、他の方法は、所望のドーピングパターンを創生するために用いることができる。所望のドーピングパターンを創生するための１つのそのような技術は、基板の領域に基づいてイオンビーム電流を変化させることである。これは、多くの方法で達成することができる。
【００３８】
一実施形態では、引き出し電極で用いる電圧を変化させることにより、イオンビームを調整する。図１４は、イオン源６１０及び基板ホルダー７１０のみを有することを明確にするために示す簡易化イオン注入システムを示す。基板１００に照射すべきイオンビーム７３０を発生するために、イオン源６１０を用いる。これらのイオンは、１つ以上の引き出し電極の組により、イオン源の引き出しスリット７００を通って引き付けられる。これらの電極７２０の電位は、その結果得られるイオンビーム電流を決定する。例えば、電極７２０の電位がイオン源６１０のチャンバー壁の電位に非常に類似している場合、電極への引力がないので、イオン源６１０からのイオンの流れは最小となる。反対に、電極の電位がイオン源のチャンバー壁の電位と劇的に異なる場合、イオンは電極７２０に強く引かれる。これにより、もっとより高い電流のイオンビーム７３０となる。イオンビームに対しての基板の位置に基づいて、電極７２０の電位を変化することにより、所望の注入パターンを得ることができる。
【００３９】
図１４は、基板１００のカウンタドープ領域１０５が、イオンビームが照射する位置にいるときはいつでも作動される、パルス引き出し電源７４０の使用を示す。それから、イオンビームが背面電界領域１０４を照射するときはいつでも、パルスは停止される。
【００４０】
イオン注入システムの他の構成部品は、イオンビーム電流を変化させるために、同様に制御することができる。ビームラインで調整することができる多くの構成部品がある。例えば、基板は、高線量及び低線量のドーパントの交互領域を創生するために、走査されるので、焦点レンズの要素は、ビームの焦点を合わせ、かつ、ぼかすために、周期的に脈動することができる。そのような焦点レンズの要素は、磁気レンズ（すなわち、四重極レンズ）又は静電レンズ（すなわち、アインツェルレンズ）とすることができる。ビームの焦点をぼかす又は合わすことにより、プロセスチャンバーに送られる（そして、基板を照射する）ビームの量を変化させるので、ワークピースに入射する有効ビーム電流を変化させる。そのようなシナリオでは、全基板を単一パスの注入でドープすることができる。同様に、ビームを注入装置を通って送ることを制御する他のビームライン構成部品を変更することができる。そのような構成部品は、加速／減速電圧、磁石の配置などを含む。
【００４１】
直接パターニングも、太陽電池に付けられるドーパントを含むペーストのブランケット層を用いて、行うことができる。ペーストで覆った領域のある領域のみがドープされるように、ペーストを走査レーザービームを用いて選択的に溶かす。これは、「直接書き込む」例である。
【００４２】
代わりの実施形態では、ペーストで覆ったある領域のみが炉を用いてドープされるように、ペーストも太陽電池に選択的に付ける。ペーストを多くの方法で選択的に付けることができる。スクリーン印刷、インクジェット印刷及び押し出し成形がその数例である。他の方法も用いることができ、本開示の範囲内である。
【００４３】
直接パターニングの別の例では、直接パターニングを行うために、液体又は気体源からドーパントを少なくとも部分的に同時に溶解物に入れる間に、太陽電池のシリコンをレーザーを用いて選択的に溶かすことができる。これは、「直接書き込む」別の例である。太陽電池のある領域のみが、この方法でドープされる。
【００４４】
図３〜４は、マスクパターンドーピングを用いる太陽電池のカウンタドーピングのためのプロセスの実施形態である。図３の実施形態では、上記のように、ブランケットドーピングを行う。このブランケットドーピングは、特定の導電率（n又はp）のイオンを均一に導入する。いくつかの実施形態では、２e１４から１e１６までの線量をブランケットドーピング用に用いることができる。このドーピングが完成すると、マスクを基板に、すなわち、基板の正面に当てて、第２のブランケットドーピングを行う。この第２のドーピングは、第１のドーピングの反対の導電率のイオンを用いて行う（例えば、第１のドーピングがn型ドーパントの場合、p型ドーパントのドーピングである）。しかしながら、マスクの存在により、基板のある部分のみが、第２のブランケットドーピングの周期の間にドープされる。いくつかの実施形態では、４e１４から２e１６までの線量をパターンドーピング用に用いることができる。図４に示す別の実施形態では、マスクを最初に基板に当てて、パターンドーピングが行われるように、これらの２つのプロセスの順番を逆にする。その後、マスクを基板から除去して、ブランケットドーピングを行う。これらの実施形態でのこの技術の使用により、現在の太陽電池の製造プロセスで用いるリソグラフィーステップの内の１つの必要性を取り除く。
【００４５】
図７〜８は、直接パターニングを用いる太陽電池のカウンタドーピングのためのプロセスの実施形態である。図７に示す実施形態では、ブランケットドーピングを、上記のように、最初に基板に当てる。このドーピングが完成すると、上記のように、直接パターニング技術の１つを用いて、第２のドーピングを行う。
【００４６】
太陽電池の背面のn型及びp型領域は、太陽電池の適切な動作を確保するために、異なる深さのプロファイルを有することができる。カウンタドーピングプロファイルは、ドープ領域を超えて太陽電池材料の大部分にまで延びる必要がある。少数キャリアが、太陽電池の表面に引き付けられること、又は、局所的ポテンシャル井戸に閉じ込められることを防ぐために、ブランケットドーピング及びカウンタドーピングのプロファイルの間のドーピングレベルは、太陽電池の表面から離れるにつれ単調に減少する必要がある。ビームライン又はプラズマドーピングイオン注入装置は、両方のプロファイルの要件を満たすことを可能にする。プロセスステップとして、炉拡散を用いる場合、熱的処理を調整することにより、そのプロファイルを実現することができる。例えば、２つのステップの炉拡散プロセスを用いることができる。この２つのステップの拡散プロセスは、ドーパントを活性化して異なる深さへ押し込むために、より高い及びより低い温度を用いる。別の例では、第１のドーパントには熱的アニールプロセスを用い、第２のドーパントには高速熱的処理（RTP）アニールを行う。さらに別の例では、２つのドーピングステップを異なる温度で行う。
【００４７】
本明細書で用いている用語及び表現は、説明の用語として用い、限定の用語として用いてはおらず、そのような用語及び表現の使用では、示され説明された（又はそれらの部分の）特徴の任意の均等物を除外する意図はない。本特許請求の範囲内で様々な変更ができることも認められる。他の変更、変形および代替も可能である。従って、前述の説明は単に例によるものであり、限定することを意図するものではない。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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