(57)【要約】【課題】低コストに且つ簡素な製造工程でよりエネルギ変換効率が高い光起電デバイスを製造可能にする。【解決手段】所定の軸Ｘを中心とする円形の走査経路ＳＰに沿って配列された複数個のステーション１５５を有するレーザアブレーション装置１００によって、光起電デバイスを複数個一括製造するシステムを構築する。各ステーション１５５には経路ＳＰに沿って光起電デバイス仕掛品（ウェハ）２１１を積載する。軸Ｘ沿いにレーザ光源１１０から随時出射されるパルス状レーザビーム光ＬＢ１をレーザ光走査機構１２０に設けた光学系（１２３，１２５，１２７）によって経路ＳＰと交差する方向に転向させる。軸Ｘを中心に回転体１２１及び光学系を回転させ出射ビーム光ＬＢ３の到達先を経路ＳＰ沿いに変化させる一方、各ステーション１５５では径方向にウェハ２１１を移動させる。【選択図】図１
2008131043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査経路の中心となるべき所定の軸に沿ってパルス状レーザビーム光を随時出射するレーザ光源と、
何れも上記軸の周りに配置されており、それぞれ対応する標的と上記走査経路との交差位置を径方向に沿って変化させる部材を有する複数個のステーションと、
上記ビーム光を転向させ上記走査経路上の標的に到達させる光学系を、その固定先の回転体によって上記軸を中心に回転させることにより、上記ビーム光の到達位置を上記走査経路に沿って円周方向に変化させるレーザ光走査機構と、
を備え、上記軸を取り巻く複数個の標的を同時並行的にマイクロマシニングする多ステーション型レーザアブレーション装置。
【請求項２】
走査経路の中心となるべき所定の軸に沿ってパルス状レーザビーム光を随時出射するレーザ光源と、
何れも上記軸の周りに配置されており、それぞれ対応する仕掛品と上記走査経路との交差位置を径方向に沿って変化させる部材を有する複数個のステーションと、
上記ビーム光を転向させ上記走査経路上の仕掛品に到達させる光学系を、その固定先の回転体によって上記軸を中心に回転させることにより、上記ビーム光の到達位置を上記走査経路に沿って円周方向に変化させるレーザ光走査機構と、
を備え、半導体基板の表面に保護層が形成された仕掛品を処理して複数個の光起電デバイスを一括製造する光起電デバイス製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギを電気エネルギに変換する光起電デバイス例えば太陽電池に関し、より詳細には光起電デバイスを製造するシステム、そのシステムで使用可能な機構及び装置、並びにそれらの機構及び装置の動作手順に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電デバイス例えば太陽電池は太陽光等の光エネルギを電気エネルギへと直接変換するデバイスであり、通常は、シリコン基板等の半導体基板上に形成された複数個のセルを基板表面のグリッド状電極で相互接続した構成を有している。こうした構成の光起電デバイスに太陽光等の光線を照射すると、半導体基板がその光線を吸収し、各セルの内部で自由電子が発生する。その状態でセルに電圧を印加してセル内に電界を発生させると、その電界によってそれらの自由電子が流れ始め、直流電流となってセル上のグリッド状電極に流入する。それらグリッド状電極を介して各セルを直列接続することで個々のセルの出力電圧を加算しより高い出力電圧を得ることができ、また並列接続することで個々のセルの出力電流を集めより大きな出力電流を得ることができる。こうしてグリッド状電極を介したセル間直並列接続によって得られる電圧及び電流は、例えば数十本から数百本にものぼる配線を介して外部に出力される。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４１７７０８３号明細書
【特許文献２】米国特許第５０６２８９９号明細書
【特許文献３】米国特許第５５２９０５４号明細書
【特許文献４】米国特許第６２７４５０８号明細書（Ｂ１）
【特許文献５】米国特許第６４２０２６６号明細書（Ｂ１）
【特許文献６】米国特許第６４７９３９５号明細書（Ｂ１）
【特許文献７】米国特許第６５２７９６４号明細書（Ｂ１）
【特許文献８】米国特許第６５９０２３５号明細書（Ｂ２）
【特許文献９】米国特許第６６２３５７９号明細書（Ｂ１）
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００２／０１４９１０７号明細書（Ａ１）
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００３／０２３２１７４号明細書（Ａ１）
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００４／０１５１０１４号明細書（Ａ１）
【特許文献１３】国際公開第ＷＯ９４／２８３６１号パンフレット（Ａ１）
【特許文献１４】国際公開第ＷＯ００／４９６５８号パンフレット（Ａ１）
【特許文献１５】国際公開第ＷＯ００／４９４２１号パンフレット（Ａ１）
【特許文献１６】国際公開第ＷＯ０２／０９７７２４号パンフレット（Ａ１）
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００４／０２００５２０号明細書（Ａ１）
【非特許文献１】Alvarez et al, "RXI Concentrator for 1000X Photovoltaic Energy Conversion"
【非特許文献２】Benitez et al., "High-Concentration Mirror-Based Kohler Integrating System for Tandem Solar Cells", WCPEC2006, 4 pages
【非特許文献３】Bett et al.,"FLATCON(TM) And FLASHCON(TM) Concepts for High Concentration PV", presented at the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conf., 7-11 June 2004, Paris, 4 pages
【非特許文献４】Gordon et al., "Optical Performance at the Thermodynamic Limit with Tailored Imaging Designs", Applied Optics, in press, December 2004, 16 pages
【非特許文献５】Mulligan et al., "A Flat-Plate Concentrator: Micro-Concentrator Design Overview", 2000 IEEE, pp.1495-1497
【非特許文献６】Mulligan et al., "Development of Chip-Size Silicon Solar Cells"
【非特許文献７】Luu Nguyen, "Wafer Level Packaging for Analog/Mixed Signal Applications", MEPTEC Int. Wafer Level Packaging Conference, August 22, 2002, 41 pages
【非特許文献８】Sun et al., "Modeling And Experimental Evaluation of Passive Heat Sinks for Miniature High-Flux Photovoltaic Concentrators", Transactins of the ASME, vol.127, pp.138-145 (2005)
【非特許文献９】Richard M. Swanson, "The Promise of Concentrators", Prog. Photovolt. Res. Appl. 8, pp.93-111 (2000)
【非特許文献１０】Terao et al., "A Mirror-Less Design for Micro-Concentrator Modules", Conference Record of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2000) pp.1416-1419
【非特許文献１１】Akira Terao, "MicroDish: A Novel Reflective Optic for Flat-Plate Micro-Concentrator", SPIE's 49th Annual Meeting, 2-6 August 2004, Denver, Colorado, USA, 9 pages
【非特許文献１２】Richard M. Swanson, "Approaching the 29% Limit Efficiency of Silicon Solar Cells", 31th IEEE Photovoltaic Specialists Conference 2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここに、最初の太陽電池が製造されてから既に５０年もの歳月が経過しているが、太陽電池で実現できるエネルギ変換効率の限界がどの程度かを調べる企てや、その限界にできるだけ近い効率のセルを得ようという努力は今なお盛んに行われている。また、太陽電池セルに対しては、常日頃から、その製造コストを下げることが求められており、それとの関連で製造工程数を可能な限り減らすことも求められている。しかしながら、既存の地上用シリコン製太陽電池製造プロセスのようにスクリーン印刷法を用いて金属部分を形成する手法を採る限り、使用材料、処理速度、処理温度、位置精度、製品寸法、製品タイプ、歩留まり等、種々の面で制約乃至限界が生じる。従って、これまでも種々の継続的努力がなされてはいるが、そうした要請には応えられていない。
【０００５】
本発明の目的は、これらの問題が緩和乃至解消された光起電デバイス（太陽電池等）製造システム並びにそれに用いる機構、装置乃至動作手順を提供することにある。即ち、光起電デバイスを従来より低コストで製造でき、その製造工程も簡素で、更にはよりエネルギ変換効率が高い光起電デバイスが得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するため、本発明の一実施形態に係るレーザアブレーション装置は、（１）走査経路の中心となるべき所定の軸に沿ってパルス状レーザビーム光を随時出射するレーザ光源と、（２）何れも上記軸の周りに配置されており、それぞれ対応する標的と上記走査経路との交差位置を径方向に沿って変化させる部材を有する複数個のステーションと、（３）上記ビーム光を転向させ上記走査経路上の標的に到達させる光学系を、その固定先の回転体によって上記軸を中心に回転させることにより、上記ビーム光の到達位置を上記走査経路に沿って円周方向に変化させるレーザ光走査機構と、を備える。即ち、本実施形態は多ステーション型レーザアブレーション装置であり、上記軸を取り巻く複数個の標的を同時並行的にマイクロマシニングすることができる。
【０００７】
また、本発明の一実施形態に係る光起電デバイス製造システムは、（１）走査経路の中心となるべき所定の軸に沿ってパルス状レーザビーム光を随時出射するレーザ光源と、（２）何れも上記軸の周りに配置されており、それぞれ対応する仕掛品と上記走査経路との交差位置を径方向に沿って変化させる部材を有する複数個のステーションと、（３）上記ビーム光を転向させ上記走査経路上の仕掛品に到達させる光学系を、その固定先の回転体によって上記軸を中心に回転させることにより、上記ビーム光の到達位置を上記走査経路に沿って円周方向に変化させるレーザ光走査機構と、を備える。本実施形態によれば、半導体基板の表面に保護層が形成された仕掛品を処理して複数個の光起電デバイスを一括製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
まず、太陽電池等の光起電デバイスは、例えば太陽光エネルギを電気エネルギに変換するのに使用されるデバイスであり、本発明によればその種のデバイスをより好適に製造することができる。そこで、以下、本発明が属する技術分野に習熟した方々（いわゆる当業者）が本発明を実施してその種の優れたデバイスを製造することができるよう、ある特定の用途及びある特定の条件を想定して本発明について説明する。なお、以下の説明では「上」「下」「前」「後」「側」等の方向表記を使用するが、これは説明の都合上ある特定の状況下における相対的な位置関係を記述したに過ぎず、これを以て、何か絶対的な基準座標系が前提になるかのように解釈するのは誤りである。また、いわゆる当業者であれば、これから本発明の好適な実施形態として説明する機構、装置乃至システムやその動作手順から本発明の思想をくみ取り、様々に変形、改良等した上で本発明を実施することができよう。本発明の技術的範囲及びその新規な特徴については、これから説明する実施形態だけではなく、そうした種々の変形発明、改良発明等も本発明に包含されるよう、最大限に広義に解釈すべきである。
【０００９】
図１に、本発明の一実施形態に係る多ステーション型レーザアブレーション装置１００の構成を示す。本装置１００はレーザ光源１００、レーザ光走査機構１２０及び円形プラットフォーム１５０を備えている。レーザ光源１００は本装置１００の中央に位置しており、軸Ｘ沿いに下方に向かうパルス状レーザビーム光ＬＢ１を指令に応じて出射する。レーザ光走査機構１２０は本実施形態における新規な機構であり、光源１００から入射してくるビーム光ＬＢ１を転向させ走査経路ＳＰと交差する方向へと出射する。走査経路とは機構１２０からの出射ビーム光ＬＢ３が合焦する位置を結んだ線のことであり、本実施形態における走査経路ＳＰは図中太い破線で示した通り軸Ｘを中心とする円になる。プラットフォーム１５０は複数個の処理ステーション１５５を有しており、各ステーション１５５は軸Ｘを中心にしてその軸Ｘを取り巻くように配置されている。各ステーション１５５は、自分にロードされているウェハ２１１、即ち標的たる光起電デバイス仕掛品を、経路ＳＰと交差する範囲内で径方向に随時シフトさせる。
【００１０】
後述するように、本装置１００の用途の一つはウェハ２１１の表面に対する非接触マイクロマシニング、例えば半導体基板を覆う保護層（パッシベーション層）に対するパターニングである。太陽電池等の光起電デバイスを製造するシステムにて本装置１００を保護層に対するレーザアブレーションに使用すると、従来の光起電デバイス製造手順におけるパターニング手法即ちスクリーン印刷法が原因で発生していた種々の問題を、回避乃至防止することができる。また、レーザアブレーションによりコンタクトホール（contact opening）を形成することで、形成できるコンタクトホールの最小径が従来のスクリーン印刷法で実現できた最小径に比べてかなり小さくなる。更に、レーザアブレーションにより切除される保護層は、ある種の不純物がドーピングされたシリコン基板等の半導体基板上に形成されている。従って、保護層の一部をレーザアブレーションにより部分切除する際、保護層の下の基板が影響を受けることが懸念されるが、実際には、保護層に対するレーザアブレーションでその基板のドーピングプロファイルや厚みが影響を受けることはほとんどない。特に、そのパルス幅がフェムト秒オーダと狭いパルス状レーザビーム光を発生させるフェムト秒レーザ光源を光源１１０として用いるようにすれば、切除深さを抑えることができ且つデブリの発生・規模を抑えることができる。これは、フェムト秒レーザ光源の出射光のエネルギ密度が非常に高く、それを照射することにより保護層内に発生する電界が、保護層形成物質における原子間電界と並ぶ程強くなるためである。エネルギ密度がこれ程までに高ければその下の基板にほとんど攪乱を引き起こすことなく保護層を部分切除できるので、フェムト秒レーザ光源は太陽電池製造時における保護層レーザアブレーション用光源として有用である。例えば半導体基板としてシリコン基板を使用する場合、保護層としては８０ｎｍ厚の窒化シリコン層を（スクリーン印刷法等により）形成するのが普通である。それは、そうしたバンドギャップが広い誘電体の層なら大抵の光に対して透明になり、太陽光等の光を透過させてその下の半導体基板に吸収させることができるためである。しかしながら、そうした誘電体層でも、十分にエネルギ密度が高い光に対しては吸収性を呈する。即ち、入射光のエネルギ密度が十分に高ければ、入射光子吸収によって励起された電子が緩和される前にその保護層内の同じ場所で再び光子吸収が発生する。こうして光エネルギが吸収されるとその保護層は変質し、結果としてビーム光照射部分が部位選択的に切除されることとなる。このように表層だけを部位選択的に切除できることは、そのドーパントの層が薄い光起電デバイスの保護層をパターニングする際に有益である。例えば通常通りスクリーン印刷法によって太陽電池用半導体基板を処理した場合、形成されるｎ型エミッタ層の厚みは２００〜３００ｎｍ程しかなく孔が開きやすい。エミッタ層に孔が開くと金属化処理（メタライゼーション：金属による被覆処理）の際にその金属によってそのエミッタ層の下のｐ層に達するシャント経路が形成され、その光起電デバイスの破損を招いてしまう。これに対して、高エネルギ密度レーザ光によるレーザアブレーションならば、表層たる保護層だけを部分切除することができ、エミッタ層を破壊せずにコンタクトホールを形成することができる。
【００１１】
なお、本願では本装置１００に関する説明の際にしばしば光起電デバイス用半導体基板（ウェハ）上の保護層に対するレーザアブレーションを例にするが、いわゆる当業者であれば理解できるように、本装置１００やその変形乃至改良物は様々な種類の標的１０１に対し様々な形態で使用することができる。従って、そうした例示を以て各請求項に係る発明の技術的範囲を限定解釈してはならない（その請求項に明記がある場合を除く）。
【００１２】
図１に示すように、本装置１００で使用するレーザ光走査機構１２０は、回転体１２１及びその回転体１２１に固定実装された光学系から構成されている。回転体１２１は固定配置された基台１２２上に可回転実装されており、モータ１３２によって軸Ｘを中心に回転駆動することができる。図１に加え図２に詳示する通り、この回転体１２１は、略円柱状の基部１２１−１とヘッド部１２１−２とを剛性の高い管状連結腕１２１−３により連結した構成を有している。また、この回転体１２１に固定されている光学系は、転向用の光学素子たる第１ミラー１２３及び第２ミラー１２５並びに合焦素子たる対物レンズ１２７から構成されている。これらの素子は何れも回転体１２１上に固定実装されており、また軸Ｘに沿って入射してくるビーム光ＬＢ１を最終的にビーム光ＬＢ３として走査経路ＳＰ上に合焦させることができるよう構成及び配置されている。より具体的には、ミラー１２３は回転体１２１の基部１２１−１上に実装されており、ミラー１２５は回転体１２１のヘッド部１２１−２上に実装されている。ミラー１２３に対しては、その上方に位置するレーザ光源１１０から軸Ｘに沿ってビーム光ＬＢ１が入射する。ミラー１２３はそのビーム光ＬＢ１を水平方向に転向させ、腕１２１−３の中空軸部を介しビーム光ＬＢ２としてミラー１２５に送る。ミラー１２５はミラー１２３と平行に配置されているので、水平方向から入射してくるビーム光ＬＢ２は、鉛直方向即ち軸Ｘと平行な方向に沿って、このミラー１２５により下方に反射される。ミラー１２５からの出射ビーム光ＬＢ３は対物レンズ１２７に入射し、このレンズ１２７により合焦される。その焦点ＦＰは、そのレンズ１２７の下方に所定の距離ＦＤだけ離れた位置にある。従って、軸Ｘを中心に回転体１２１を回転させると焦点ＦＰの周回によって円形の走査経路ＳＰが描かれる。また、回転体１２１は更にカウンタウェイト１２８との連結用の腕１２１−４を備えている。この腕１２１−４は基部１２１−１から見てヘッド部１２１−２とは逆の方向に延設されており、その先端にはカウンタウェイト１２８が連結固定されている。こうしたカウンタウェイト１２８があるので回転体１２１は高速で安定的に回転させることができる。即ち、対物レンズ１２７を安定且つ高速に軌道運動させることができるので、光起電デバイスを高速で製造することができる。なお、レーザ光走査機構１２０の詳細やその改良例等については、米国特許を受ける権利を本願出願人が譲受する予定の発明のうち、"Light Scanning Mechanism for Scan Displacement Invariant Laser Ablation Apparatus"（走査経路安定化レーザアブレーション装置用光走査機構）と題する米国特許出願（出願番号：未付与、米国代理人整理番号：２００６０２７０−ＵＳ／ＮＰ（ＸＣＰ−０７７））を参照されたい。この米国出願による開示内容は、この参照を以て本願に漏れなく繰り入れることとする。
【００１３】
また、本装置１００では、レーザ光走査機構１２０からの出射パルス状レーザビーム光ＬＢ３を各ウェハ２１１上に確実に合焦させることができる。それは、レーザ光源１１０に発したビーム光ＬＢ１がビーム光ＬＢ３となって各ウェハ２１１に達するまでに辿る光路の長さが、軸Ｘを基準とした回転体１２１の姿勢即ちヘッド部角度がどのような角度でも一定であるからである。まず、光源１１０から第１ミラー１２３までの距離即ち入射ビーム光ＬＢ１が辿る光路の長さや、第２ミラー１２５からウェハ２１１の頂面までの距離即ち出射ビーム光ＬＢ３が辿る光路の長さは、そもそもヘッド部角度に依存しない量である。次に、ミラー１２３及び１２５が何れも回転体１２１に固定されているので、ミラー１２３からミラー１２５までの距離即ち転向ビーム光ＬＢ２が辿る光路の長さも、ヘッド部角度がどういった角度でも変わらない。しかも、対物レンズ１２７はビーム光ＬＢ３が透過するようにミラー１２５の下方に配置されていて、その下方に所定の距離ＦＤだけ離れた場所にビーム光ＬＢ３が合焦して焦点ＦＰが形成されるよう既存の手法に従ってそのサイズ及び位置が設定されている。これにあわせ、ウェハ２１１はその平坦な頂面上に焦点ＦＰが位置するように配置されている。このように、各ビーム光ＬＢ１〜ＬＢ３が辿る光路の長さが何れも一定であるので、その合計即ち光源１１０から焦点ＦＰに至る光路長も一定になる。即ち、回転体１２１がどの方向を向いており焦点ＦＰが走査経路ＳＰ上のどこにあっても、ビーム光ＬＢ１〜ＬＢ３を光学系の光軸に沿って伝搬させることができ、それによってビーム光ＬＢ３を常にウェハ２１１の頂面上に合焦させることができる。従って、この機構１２０では、回転ポリゴン鏡を用いた従来のＲＯＳ（ラスタアウトプットスキャナ）型光走査機構にて発生しうるところの焦点の光軸外れや変位性の収差は生じない。更に、この機構１２０は比較的廉価に製作でき、従来のＲＯＳ型光走査機構に比べ頑丈で信頼性が高い。
【００１４】
図示の通り、本装置１００は、例えばマイクロプロセッサ及びそのマイクロプロセッサにより実行されるソフトウェアから構成される制御回路１３０を備えている。この制御回路１３０は、反射方向制御用モータ１３２、ステージシフト用モータ１３４、レーザ光源１１０、ステージローディング機構１７０及びステージアンローディング機構１７５を随時制御する。制御回路１３０は、軸Ｘの周囲に配置されている各処理ステーション１５５にウェハ２１１をロードし、各ウェハ２１１が何れも円形の走査経路ＳＰと交差するようにするため、まず、未処理ウェハ２１１Ｔ１が積載されているステージ１４０を、ステージローディング機構１７０を作動させて対応するステーション１５５にロードする。ロードされたステージ１４０については、制御回路１３０は、各ステーション１５５に組み込まれているステージ駆動機構例えばステージシフト用モータ１３４及びラジアルスロット１５７を作動させることにより、そのステージ１４０上のウェハ２１１Ｔ１を軸Ｘに対して径方向に随時移動させ、そのウェハ２１１Ｔ１の頂面のうち経路ＳＰが過ぎる部分を系統的にシフトさせる。他方で、制御回路１３０は、モータ１３２を制御して対物レンズ１２７を軌道運動させる。レンズ１２７は経路ＳＰ上を一周する間に複数個のウェハ２１１Ｔ１の上を通過するので、レンズ１２７が各ウェハ２１１Ｔ１上に飛来するたびにパルス状レーザビーム光ＬＢ３を出射させるようにすることで、光源１１０の不稼働時間を抑えつつウェハ２１１Ｔ１上の保護層を部分切除することができる。また、経路ＳＰに沿った各周回毎に各ステーション１５５にて対応するウェハ２１１Ｔ１を（例えば軸Ｘから離れる方向に）所定量シフトさせることによって、ウェハ２１１Ｔ１上における経路ＳＰの位置をシフトさせてウェハ２１１Ｔ１の表面を二次元的に且つ効率的に処理することができる。制御回路１３０は、こうして二次元的な処理を施した後、ステージアンローディング機構１７５を作動させることによって、処理済ウェハ２１１Ｔ２が積載されているステージ１４０を対応するステーション１５５からアンロードする。従って、本装置１００によれば、複数枚のウェハ２１１に対し一括して且つその頂面上に対し二次元的に、レーザアブレーション処理を施すことができる。
【００１５】
また、本装置１００においては、パルス状レーザビーム光ＬＢ３が照射されるタイミングを精密に制御するため、各処理ステーション１５５上に又はそれに隣接して電子位置合わせ装置１６０が配置されている。この位置合わせ装置１６０は例えばヘッド部１２１−２の通過を検知するセンサにより実現することができる。即ち、そのセンサによりそのセンサ上をヘッド部１２１−２が通過したことを検知し、通過のたびにそのセンサから制御回路１３０へと検知信号が送信されるようにしておけばよい。制御回路１３０では、回転体１２１の回転速度についての情報と、電子位置合わせ装置１６０から送信されてくるこの検知信号とに基づき、所望の処理が行われるよう、ビーム光ＬＢ３により各ウェハ２１１が処理されるタイミングを正確に調整する。なお、いわゆる当業者であれば、どのようなセンサがこうした用途に適するかはおわかりであろう。
【００１６】
次に、本装置１００の用例及び効果についてより具体的に説明する。以下の説明では、光起電デバイス例えば太陽電池用のウェハ上に形成した保護層にその層を貫通するコンタクトホールを形成する際、本装置１００を使用する例を採り上げる。そうした用途では、走査経路ＳＰ上のどの位置へもレーザビーム光ＬＢ３を確実に合焦させることができ、またその経路ＳＰの全長に亘りビーム光ＬＢ３の伝搬方向を光軸上に維持することができて軸外れが生じないので、レーザ光走査機構１２０を利用することにより安定的に且つ再現性よくレーザアブレーションを実施することができる。また、この機構１２０の対物レンズ１２７によってビーム光ＬＢ３をウェハ２１１の頂面に合焦させるには、その面をレンズ１２７から所定の距離ＦＤだけ離れた焦点ＦＰの位置にうまく配置しなければならないが、従来のＲＯＳ型光走査機構における焦点距離合わせの作業に比べれば、こうした作業は大分こなしやすい作業である。
【００１７】
図３及び図４に、本発明の一実施形態に係る光起電デバイス製造システム２００及びこのシステム２００による光起電デバイス製造手順の概略を示す。図３のフローチャートにより示した手順は前述のレーザアブレーション装置１００を用い光起電デバイスを製造する際に実行される手順であり、図４のブロック図によりそのあらましを示したシステム２００は同装置１００を用いて光起電デバイスを製造するシステムである。
【００１８】
図３に示す手順では、まず複数枚の半導体基板２１２中への不純物拡散により各基板２１２の表面２１３近傍にドープド領域２１４を形成し、更にその面２１３上に一様な保護層２１５を形成する初期工程１９０を実行する。本実施形態で使用する基板２１２は単結晶シリコン、多結晶シリコン等の基板であり、この工程１９０ではそうした基板２１２を例えばフォトリソグラフィ等の既存手法を使用して処理する。また、この工程１９０は、図５（Ａ）に示すように何れも細長い複数個のドープド領域２１４が各基板２１２上で互いに平行に並ぶこととなるよう、また図５（Ｂ）に示すように電気絶縁体によるブランケット状の保護層２１５でドープド領域２１４上を含め各基板２１２の表面２１３全体が一様に覆われることとなるよう実行する。なお、以下の説明では、本手順で製造した光起電デバイス又はその仕掛品（ウェハ）を、数字２１１の後に経過工程を表す文字列を添えた参照符号で表すこととする。例えば、レーザアブレーション工程１９２に投入されるウェハには初期工程１９０を終えた品であることを示す参照符号２１１Ｔ１を付す、といった具合である。また、この工程１９０におけるドープド領域形成処理及び保護層被覆処理は従来から周知の手法で実施することができる。そのため、図４においては、それらの処理を実施してウェハ２１１Ｔ１を製作する種々の装置群を、一括してウェハ処理システム２１０として表してある。
【００１９】
初期工程１９０が済んだウェハ２１１Ｔ１はレーザアブレーション工程１９２に投入し、レーザアブレーション装置１００を使用してその保護層２１５にコンタクトホール２１７を形成する。コンタクトホール２１７は保護層２１５を貫き半導体基板２１２の表面２１３に達する孔乃至開口であり、形成されるとそのコンタクトホール２１７を介してドープド領域２１４の一部表面が露わになる。また、この工程１９２では、各ドープド領域２１４上に複数個のコンタクトホール２１７が並ぶよう、従って一群のコンタクトホール２１７が各基板２１２上で互いに平行な複数本の列を形成するよう、各ウェハ２１１に複数個のコンタクトホール２１７を形成する。この処理の詳細については後に説明する。
【００２０】
保護層２１５を貫くコンタクトホール２１７の形成が済んだら、その仕掛かりのウェハ２１１Ｔ２を金属化工程１９４に投入する。この工程１９４では、描画式金属化（ダイレクトライトメタライゼーション）装置２５０を用いてコンタクトホール２１７内に孔内電極２１８を堆積、成長させ、更に同じ装置２５０を用いて保護層２１５上に複数本の孔間接続電極２１９を形成する。電極２１９は、それぞれ、対応するドープド領域２１４上に位置する孔内電極２１８同士を接続するよう形成する。なお、ここでいう描画式金属化装置とは、基板表面に向け金属素材を吐出、射出等して被着、堆積させる（基板表面を金属化する）装置のうち、その基板上の金属化所要部分だけを選んで金属化できる装置のことである。その例としてはインクジェット印刷装置がある。この種の装置を用いた場合、面の一部をマスキングして金属被着を防いだり、被着金属の一部をエッチングで除去する必要がない。本工程１９４が済んだウェハ２１１Ｔ３は描画式金属化装置２５０から金属化後処理システム２７０に送り、更なる処理を施して光起電デバイス２１１Ｔ４を完成させる。
【００２１】
図６にレーザアブレーション装置１００の平面構成を示す。説明の都合上、円形プラットフォーム１５０、その上に配置された各ステーション１５５内のステージ１４０、並びにそのステージ１４０に付随する各種の機構は、図示を省略してある。前述の通り、この図の装置１００を動作させるとレーザ光走査機構１２０の回転体１２１が軸Ｘを中心に回転し、ヘッド部１２１−１が走査経路ＳＰの上方を周回（軌道運動）する。制御回路１３０は、ヘッド部１２１−１が経路ＳＰ上の所望位置上方に到来したらヘッド部１２１−１からレーザビーム光ＬＢ３を下方に出射させる。また、ステージ１４０の駆動／ロード／アンロードに関わる前述の機構は、この図では一括して複合的なウェハローディング／アンローディング機構１７８と表されている。この機構１７８は一種のロボットであり、未処理ウェハ２１１Ｔ１をロードし処理済ウェハ２１１Ｔ２をアンロードするのに使用されている。円周上に配置されている複数個のステーション、図示例では８個のステーション１５５−１〜１５５−８に対して１個のロボット１７８でウェハ２１１のロード／アンロードを行うには、例えば、プラットフォーム１５０及びロボット１７８のうち一方を固定しておき、他方の角度位置を軸Ｘを中心に８通りに切り替える構成を採ればよい。即ち、プラットフォーム１５０に対するロボット１７８の相対的な角度位置を８通りに変化させ、プラットフォーム１５０上の目的とするステーション１５５にロボット１７８が面しているときに、そのステーション１５５に対するウェハ２１１のロード／アンロードを行う構成を採ればよい。
【００２２】
本装置１００によりレーザアブレーション工程１９２、即ちコンタクトホール形成その他のマイクロマシニングを実施する際には、まず、図６の下部に示されているように、図４に示したウェハ処理システム２１０から未処理ウェハ２１１Ｔ１を受け取り、そのウェハ２１１Ｔ１を例えば１枚ずつ、ロボット１７８によって空きのステーション例えば１５１−１にロードする。複数個あるステーション１５５に対して順繰りにウェハ２１１Ｔ１をロードしつつ処理を進めていくので、各ウェハ２１１Ｔ１に対する処理の進行度はステーション１５５毎に異なってくる。即ち、図示例の場合、ステーション１５５−１よりはステーション１５５−２の方が処理が進んでおり、またステーション１５５−２よりはステーション１５５−３の方が処理が進んでいるという具合であり、ステーション１５５−８上のウェハ２１１Ｔ１−８は最終処理段階に入っている。具体的な処理の進め方には幾通りかのやり方があるが、図示例では、マイクロマシニングプロセス投入直後の未処理ウェハ２１１Ｔ１を軸Ｘに比較的近い位置におき、プロセスが進行するにつれてウェハ２１１Ｔ１を軸Ｘから徐々に遠ざけるようにしている。そのため、ロードされたばかりでまだ処理が始まっていないウェハ２１１Ｔ１−１は軸Ｘに最も近い径方向位置におかれている。各ステーション１５５上のウェハ２１１Ｔ１は、各周回毎に系統的に、ラジアルスロット１５７に沿って外側即ち軸Ｘから離れる方向に所定距離ずつシフトされる。図示例でいうと、ステーション１５５−２上のウェハ２１１Ｔ１−２は一周目の処理が済んで保護層２１５に一行目のコンタクトホール２１７が形成された状態であり、ステーション１５５−３上のウェハ２１１Ｔ１−３は一周分外側にシフトされた後二周目の処理（二行目のコンタクトホール２１７を形成する処理）を実施している最中の状態である。こうして複数枚のウェハ２１１Ｔ１を複数周かけて順繰りに且つ複数個並列的に処理しているため、好ましいことに、処理済ウェハ２１１Ｔ２を得るのに要する時間が最小限となる。
【００２３】
図７（Ａ）に、一周目〜四周目の走査及び各周におけるレーザアブレーションが済み、その保護層２１５のうち各周走査経路ＳＰ１〜ＳＰ４上のレーザビーム光照射部位が切除された段階にあるウェハ２１１Ｔ１−４を、部分的に切り出して示す。こうしてレーザアブレーションによりコンタクトホール２１７を形成すると、半導体基板２１２の表面２１３のうちドープド領域２１４上の一部分２１３Ａが、そのコンタクトホール２１７を介して露わになる。従って、清掃等の前処理を施さないで次の金属化工程１９４を実施することができる。即ち、例えば一周目の走査経路ＳＰ−１に沿ってパルス状レーザビーム光ＬＰ−１１〜ＬＰ−１３を順次照射するだけで、ドープド領域２１４上の一部分２１３Ａが邪魔者なしに露出するようコンタクトホール２１７−１２〜２１７−１４を形成できる。例えばケミカルエッチング等の手法でコンタクトホールを形成した場合、これ程までに露わにはならないのでコンタクトホール形成後に基板を洗浄し乾燥させる必要があるが、レーザアブレーションによるコンタクトホール形成にはその必要がない。洗浄及び乾燥が必要ないので、好ましいことに、コンタクトホール形成を短時間で済ますことができ、またその次の金属化を直ちに開始することができる。とりわけ、レーザアブレーション時に機械により精密に位置を合わせてあるので、その状態のまま金属化工程１９４に引き渡すことで金属化工程１９４でも直ちに高精度での処理、加工を実施することができる。仮に、部分切除終了後に洗浄及び乾燥を実施することとすると、その後の金属化工程で高精度位置合わせを改めて行わねばならなくなってしまうが、実際にはそれは困難である。即ち、保護層２１５の部分切除後に洗浄その他の後処理を実施する必要をなくすことは、当該部分切除終了後直ちに金属化を実施する上でほとんど必須の事項である。また、洗浄及び乾燥はウェハの破損原因にもなる。
【００２４】
更に、各周毎にその径方向位置をシフトさせながら走査を進めていくと、図６中にウェハ２１１Ｔ１−１〜２１１Ｔ１−７として示した通り周回毎に処理が徐々に進んでいき、最終的にはコンタクトホール２１７の二次元配列が形成された処理済ウェハ２１１Ｔ２が得られる（ステーション１５５−８）。こうした処理を精密に進めるため、本装置１００では図示の通りステーション１５５毎に電子位置合わせ装置１６０を用いている。それらの位置合わせ装置１６０を図１中のステージシフト用モータ１３４と連動させれば走査経路ＳＰの湾曲分を補償することもできる。即ち、各周回でウェハ２１１Ｔ１−１〜２１１Ｔ１−７の表面に形成されるコンタクトホール２１７の行を何れも直線にし、従って処理済ウェハ２１１Ｔ２の表面におけるコンタクトホール２１７の全行を何れも直線にして、ドープド領域２１４の列との組合せでコンタクトホール２１７の直交行列を形成することができる。これを実現するには、まず、図６の下部から看取できるように、ウェハ２１１Ｔ１−１をステーション１５５−１上にロードする際に、ドープド領域２１４の長手方向を径方向即ち対応するラジアルスロット１５７−１の長手方向に揃え、円形の走査経路ＳＰがドープド領域２１４にほぼ直交するようにすればよい。それが済んだら、位置合わせ装置１６０を用いて位置合わせを行いながら一周目の走査を行い、ドープド領域２１４上に一行目のコンタクトホール２１７を形成する。ステーション１５５−２上のウェハ２１１Ｔ１−２がその状態である。各位置合わせ装置１６０はそれぞれ対応するステーション１５５の上又はその近傍に設けられており、そのステーション１５５にロードされているウェハ２１１Ｔ１にヘッド部１２１−２が接近してきたとき、ヘッド部１２１−２の精密な位置を示す検知信号を出力する。制御回路１３０は、この検知信号に基づき制御を行うことでパルス状レーザビーム光ＬＢ１のシーケンスを正確なタイミングで発生させ、ドープド領域２１４上の正確な位置にコンタクトホール２１７を形成させる。この動作、即ちヘッド部１２１−２を検知してビーム光ＬＢ１の発生タイミングを精密に制御する動作は、一周毎に各ウェハ２１１Ｔ１を径方向即ちドープド領域２１４の長手方向に沿ってシフトさせつつ繰り返されるので、その結果として、各ウェハ２１１上に複数個のコンタクトホール２１７からなる行が複数本形成されることとなる。こうしたステージ１４０の径方向シフト及びレーザ光源精密制御によるコンタクトホール形成が最終行まで実行されたら、それでレーザアブレーション工程１９２は終了であり、その表面に二次元（直交）コンタクトホール行列が形成されたウェハ２１１Ｔ２が得られる。そのウェハ２１１Ｔ２におけるコンタクトホール２１７の二次元配列は、図７（Ｂ）に示すように、各ドープド領域２１４２１４−１〜２１４−５に沿って延びる複数本のまっすぐな列と、それと交差する方向に延びる複数本の行とから構成されている。例えば１本目のドープド領域２１４−１上には一周目に形成されたコンタクトホール２１７−１１、二周目に形成されたコンタクトホール２１７−２１等々と続き、最後の周に形成されたコンタクトホール２１７−Ｎ１に至るまで、最多でＮ個のコンタクトホール２１７が直線状に並んでいる。また、ドープド領域２１４−１〜２１４−５の方向を径方向と平行にしてあるので、電子位置合わせ装置１６０からの検知信号に基づきモータ１３４を作動させてステージ１４０の位置を動的に微調整することにより、コンタクトホール２１７の行方向の並びを直線にすることができる。また、この方向設定の下では、経路ＳＰの曲率半径が大きければ微調整なしでも行がほぼ直線になる。
【００２５】
こうしてマイクロマシニングプロセスが終わり、コンタクトホール２１７の二次元配列が形成されたウェハ２１１Ｔ２が得られたら、ロボット１７８によってそのウェハ２１１Ｔ２をそのステーション１５５−８からアンロードさせ、そのウェハ２１１Ｔ２を図４に示した描画式金属化装置２５０に送らせる。
【００２６】
図８に、本実施形態における描画式金属化装置２５０の一例２５０Ａの概略構成を示す。前述したように、描画式金属化装置とは、金属素材を吐出、射出等して基板表面を金属化する装置のうち、その基板上の必要な部分だけを金属化できる装置のことである。この種の装置を用いた場合、基板の一部表面への金属被着をマスキングで防ぐ処理や被着済の金属の一部をエッチングで除去する処理は必要ない。また、本装置２５０Ａは、図示の通り第１吐出ヘッド２５０Ａ１及び第２吐出ヘッド２５０Ａ２を備えている。そのうちヘッド２５０Ａ１は、ウェハ２１１Ｔ２上の各コンタクトホール２１７内を金属化して孔内電極２１８Ａを堆積、成長させるのに使用されており、そのすぐ下流に位置しているヘッド２５０Ａ２は、各ドープド領域２１４の上方を金属化してそのドープド領域２１４に対応する採電乃至通電用の孔間接続電極２１９Ａを形成するのに使用されている。なお、本装置２５０Ａの更なる詳細やその変形例乃至改良例については、本願出願人が米国特許を受ける権利を譲受する予定の発明に係り"Solar Cell Production Using Non-Contact Patterning And Direct-Write Metallization"（非接触パターニング及び描画式金属化による太陽電池の製造）と題する米国特許出願第１１／３３６７１４号に記載されているので、そちらを参照されたい。当該出願の内容はこの参照を以て本願に全て繰り入れることとする。
【００２７】
また、同図に示す描画式金属化に関して重要なことの一つに、描画式金属化装置２５０Ａにおけるウェハ２１１Ｔ２の通過方向を装置１００の径方向と同方向、即ちドープド領域２１４の長手方向と同方向にしている点がある。非接触形成したコンタクトホール２１７が直線状のドープド領域２１４上に並んでいるので、ドープド領域２１４の長手方向と同じ方向に沿って描画式金属化装置２５０Ａに通すことで、ウェハ２１１Ｔ２に対する金属化をレーザアブレーションの実施直後に精度よく且つ非常に簡便に実施することができ、またそれによって総製造コストを抑えることができる。
【００２８】
図９に、描画式金属化装置２５０Ａによる金属化工程１９４が終了した段階でのウェハ２１１Ｔ３を示す。この図に示すように、半導体基板２１２中に不純物拡散により形成されているドープド領域２１４と、その上方に位置している採電乃至通電用の配線即ち孔間接続電極２１９Ａは、コンタクトホール２１７内に形成された孔内電極２１８Ａによって、電気的に好適に接続されている。このウェハ２１１Ｔ３は図４に示した金属化後処理システム２７０へと送られる（但しこれは本発明の実施に必須ではない）。
【００２９】
図１０に、本発明の他の実施形態に係る多ステーション型レーザアブレーション装置１００Ａを示す。本装置１００Ａでは、前掲の実施形態と違い位置決め用カム１８０を有しており、また各ステーション１５５Ａを可動にしてある。なお、実際にはステーション１５５Ａは複数個あるが、図面ではそのうち１個だけを示してある。これらの部材のうちカム１８０は、その摺動当接面１８２がレーザ光走査機構１２０の不動部分たる基部１２２を取り巻くこととなるように、軸Ｘを回転中心として配置されている。他方、各ステーション１５５Ａは、円形プラットフォーム１５０Ａに対して径方向Ａに動かしうるよう、即ち対応する案内用のラジアルスロット１５７Ａに沿ってスライドさせうるよう設けられており、またその軸Ｘ寄りの面がカム１８０の摺動当接面に不離当接するカムフォロワ１５２を有している。各ステーション１５５Ａでは、自分に対するウェハ２１１の位置が変化しないようステージ１４０及びその上のウェハ２１１を支持しているので、そのステーション１５５Ａを径方向にシフトさせることによってそのウェハ２１１を図示しない走査経路に対して移動させることができる。このカム機構の実現形態としては、まず図示しないカム回転駆動機構を本装置１００Ａに設け、その機構によって軸Ｘを中心にカム１８０を回転させる、という形態がある。この形態を採る場合は、プラットフォーム１５０Ａを軸Ｘに対して固定しておき、カム１８０の回転に追従して各ステーション１５５Ａが径方向シフトするようにする。また、カム機構の実現形態としては、更に、カム１８０を固定しておきプラットフォーム１５０Ａの方を軸Ｘを中心に回転させる、という形態もある。何れの形態を採るにせよ、各ステーション１５５Ａの径方向位置はカム１８０の摺動当接面１８２とそのステーション１５５Ａのカムフォロワ１５２との当接位置によって決まる。例えばこの図に示したステーション１５５Ａのカムフォロワ１５２は、面１８２のうち軸Ｘから割合に遠い部分１８２Ａと当接しているので、そのステーション１５５Ａ及びその上のウェハ２１１は軸Ｘから割合に遠い位置にある。これに対して、例えば面１８２のうち軸Ｘに割合に近い部分１８２Ｂと当接していれば、そのステーション１５５Ａ及びその上のウェハ２１１は軸Ｘに割合に近い位置になる。こうした仕組みで各ステーション１５５Ａの位置を制御することにより、先に図６に示した径方向位置徐変を、高価なステージ位置決め機構なしで実現することができる。
【００３０】
図１１に、本発明の更に他の実施形態に係る多ステーション型レーザアブレーション装置１００Ｂの構成を平面的に示す。本装置１００Ｂでは、上掲の各実施形態と違い、ウェハローディング／アンローディング機構（ロボット）１７８及び描画式金属化装置２５０を有する処理装置１９０を各ステーション毎に設けている。これら、ロボット１７８及び金属化装置２５０の構成は前掲の通りである。このように、ロボット１７８及び金属化装置２５０を併有する処理装置１９０を各ステーションに設けることによって、例えば光起電デバイスの生産量をより多くすることができる。
【００３１】
以上、本発明についてその特定の実施形態を参照して説明したが、いわゆる当業者には自明な通り、本発明は他の形態でも実施できるものであり、そうした多くの実施形態も本発明の技術的範囲に包含されるものである。例えば、以上の説明では細長いドープド領域２１４を有するＩＢＣ（integrated back contact）セル型の太陽電池を製造する場合を例にしたが、本発明はこれ以外のタイプのセルの製造にも使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る多ステーション型レーザアブレーション装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示したレーザアブレーション装置にて使用するレーザ光走査機構の一例構成を示す斜視図である。
【図３】本実施形態における光起電デバイス製造手順の概略を示すフローチャートである。
【図４】図１に示したレーザアブレーション装置を使用して光起電デバイスを製造するシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図５（Ａ）】レーザアブレーション工程実施前の基板状態を示す頂面図である。
【図５（Ｂ）】その側面図である。
【図６】図１に示したレーザアブレーション装置の動作時状態を示す頂面図である。
【図７（Ａ）】レーザアブレーション工程実施後の基板状態を示す部分斜視図である。
【図７（Ｂ）】その頂面図である。
【図８】金属化工程実施中の基板状態を示す頂面図である。
【図９】金属化工程実施後の基板状態を示す部分斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施形態にて使用する多ステーション型レーザアブレーション装置を示す斜視図である。
【図１１】本発明の更に他の実施形態にて使用する多ステーション型レーザアブレーション装置を示す頂面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００，１００Ａ，１００Ｂ  多ステーション型レーザアブレーション装置、１１０  レーザ光源、１２０  レーザ光走査機構、１２１  回転体、１２３，１２５  ミラー、１２７  対物レンズ、１３４  ステージシフト用モータ、１５２  カムフォロワ、１５５，１５５−１〜１５５−８，１５５Ａ  処理ステーション、１５７，１５７Ａ  ラジアルスロット、１７０  ステージローディング機構、１７５  ステージアンローディング機構、１７８  ウェハローディング／アンローディング機構（ロボット）、１８０  位置決め用カム、１８２  位置決め用カムの摺動当接面、２１１，２１１Ｔ１〜２１１Ｔ４，２１１Ｔ１−１〜２１１Ｔ１−７  ウェハ、２１２  半導体基板、２１３  半導体基板表面、２１５  保護層、ＬＢ１〜ＬＢ３，ＬＰ−１１〜ＬＰ−１３  ビーム光、ＳＰ，ＳＰ−１〜ＳＰ−４  走査経路、Ｘ  軸。
【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（Ａ）】
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【図５（Ｂ）】
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【図６】
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【図７（Ａ）】
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【図７（Ｂ）】
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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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