(57)【要約】【課題】抗折強度の低下を抑制して所望の形状の光起電力装置を得るための、光起電力装置の製造方法を得ること。【解決手段】半導体基板１にレーザビーム１０を照射し、レーザビーム１０に対して半導体基板１を相対的に移動させることで、半導体基板１に溶融溝を形成する工程と、溶融溝を利用して、半導体基板１を分割する工程と、を含み、溶融溝を形成する工程では、半導体基板１の内部であって、レーザビーム１０が入射する半導体基板１の入射面から入射面とは反対側の面へ向かって進行した位置にレーザビーム１０を集光することで、半導体基板１の入射面およびその近傍における単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度を均一化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板にレーザビームを照射し、前記レーザビームに対して前記半導体基板を相対的に移動させることで、前記半導体基板に溶融溝を形成する工程と、
前記溶融溝を利用して、前記半導体基板を分割する工程と、を含み、
前記溶融溝を形成する工程では、前記半導体基板の内部であって、前記レーザビームが入射する前記半導体基板の入射面から前記入射面とは反対側の面へ向かって進行した位置に前記レーザビームを集光することで、前記半導体基板の前記入射面およびその近傍における単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度を均一化させることを特徴とする、光起電力装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板にレーザビームを照射し、前記レーザビームに対して前記半導体基板を相対的に移動させることで、前記半導体基板に溶融溝を形成する工程と、
前記溶融溝を利用して、前記半導体基板を分割する工程と、を含み、
前記溶融溝を形成する工程では、前記半導体基板の外部であって、前記半導体基板に対して前記レーザビームが入射する側とは反対側の位置を集光点とするように前記レーザビームを照射することで、前記半導体基板の前記入射面およびその近傍における単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度を均一化させることを特徴とする、光起電力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置の製造方法、特に、結晶シリコン系太陽電池の半導体基板を分割して得られる光起電力装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力装置である太陽電池セルの製造においては、受光面となる半導体基板の表面にＰＮ接合層を形成し、表面に受光面電極、光反射率を抑制する構造などを形成し、受光面に対向する裏面に裏面電極および裏面電解層などの構造を形成し、半導体基板を分割して各太陽電池セルを得る方法が一般的に採用されている。
【０００３】
半導体基板は、加工ステージ上に半導体基板の表面をステージ面側に対向する配置で吸着固定される。光起電力装置の製造方法に関して、例えば、半導体基板の裏面側からレーザビームを走査して半導体基板を局部的に溶融させて所定の位置に溝加工を施し、溶融溝を利用した半導体基板の分割により太陽電池セルを得る技術が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、例えば特許文献３には、ウェハ上の加工対象物の内部に集光点を合わせて、開口数０．５５〜０．８の条件でレーザ光を照射し、切断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法の技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２３６０１７号公報
【特許文献２】特開２００８−６０２０５号公報
【特許文献３】特開２００６−１９２５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１や特許文献２に開示されている光起電力装置の製造方法では、マイクロクラックと呼ばれる微細な欠けに起因する抗折強度の低下が問題となっている。マイクロクラックは、レーザ光の入射面における熱応力や衝撃波などにより発生すると考えられている。
【０００７】
特許文献３に開示されているレーザ加工方法では、開口数が大きい状態、言い換えるとレーザビームの発散角度が大きい状態でレーザ光を集光している。レーザビームの発散角度が大きくなるほど、集光レンズと半導体基板との距離の余裕度は狭くなる。面に凹凸構造が形成された半導体基板にこの手法を適用する場合、半導体基板の内部に安定して改質領域を形成することが困難であることが問題となる。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、抗折強度の低下を抑制して所望の形状の光起電力装置を得るための、光起電力装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体基板にレーザビームを照射し、前記レーザビームに対して前記半導体基板を相対的に移動させることで、前記半導体基板に溶融溝を形成する工程と、前記溶融溝を利用して、前記半導体基板を分割する工程と、を含み、前記溶融溝を形成する工程では、前記半導体基板の内部であって、前記レーザビームが入射する前記半導体基板の入射面から前記入射面とは反対側の面へ向かって進行した位置に前記レーザビームを集光することで、前記半導体基板の前記入射面およびその近傍における単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度を均一化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
溶融溝の形成は、加工対象物の内部に改質領域を形成する場合に比べて、集光レンズと加工対象物との距離についての余裕度が大きいレーザ加工によって実現できる。このため、光起電力装置に特有のテクスチャー構造を備える半導体基板であっても、安定したレーザ加工が可能となる。また、入射面より深い位置にレーザビームを集光させることで、入射面付近における吸収レーザエネルギー密度の集中を低減させる。入射面近傍における温度勾配の低減により、熱応力や衝撃波によるマイクロクラックの発生を抑制する。これにより、抗折強度の低下を抑制して、所望の形状の光起電力装置を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法のうち、レーザビームによる加工のための構成を示す図である。
【図２】図２は、半導体基板の断面とレーザビームとを模式的に表した図である。
【図３】図３は、レーザビームの入射面からの距離と単位深さ当たりの吸収レーザエネルギーとの関係の例を示す図である。
【図４】図４は、距離ｚとレーザビーム径ｗ（ｚ）との関係の例を示す図である。
【図５】図５は、距離ｚと、単位面積当たりのレーザエネルギー密度との関係の例を示す図である。
【図６】図６は、距離ｚと、単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度との関係の例を示す図である。
【図７】図７は、ｚ０が１００μｍである場合における、距離ｚと、単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度との関係の例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態２にかかる光起電力装置の製造方法について、半導体基板の断面とレーザビームとを模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明にかかる光起電力装置の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法のうち、レーザビームによる加工のための構成を示す図である。本実施の形態における加工対象物は、光起電力装置の形成のためのほぼ全ての工程を経た半導体基板１である。半導体基板１は、例えば、一方の表面にＰＮ接合層が形成された、厚さ１００μｍから３００μｍ程度の半導体基板である。
【００１４】
半導体基板１は、ＰＮ接合層が形成されている側の面、もしくはその反対側の面を、移動ステージ２のステージ面に接触させて、移動ステージ２にセットされている。半導体基板１は、真空吸着等により、ステージ面に固定されている。半導体基板１の両面もしくは片面には、ウェットエッチングにより、太陽光の反射を低減するための凹凸構造が形成されている。テクスチャーと呼ばれるこの凹凸構造は、数μｍから数十μｍのサイズをなす。移動ステージ２は、レーザビーム１０に対して半導体基板１を相対的に移動させる。
【００１５】
レーザ発振器３は、レーザビーム１０を射出する。レーザ発振器３から射出されたレーザビーム１０は、レーザ出力調整手段４により所望のレーザ出力に調整される。レーザ出力調整手段４によりレーザ出力が調整されたレーザビーム１０は、レーザビーム径調整手段５により所望のレーザビーム径に調整される。
【００１６】
レーザ発振器３としては、ガスレーザや固体レーザの基本波レーザおよび波長変換レーザ、ファイバーレーザ等、各種のレーザを使用することができる。溶融溝の形成には、必要なエネルギーを効率良く印加するために、パルスレーザを使用することが望ましい。また、本発明においては、後述するように、半導体基板１に対して比較的深く入り込み易い近赤外域の波長を有するファイバーレーザやＮｄ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）やＮｄ：ＹＶＯ４などの固体レーザの基本波レーザを使用することが望ましい。このような基本波レーザは、波長変換レーザと比較して、レーザ安定性とメンテナンス性においてもメリットがある。
【００１７】
レーザ出力調整手段４は、例えばファイバーレーザのように、レーザ発振器３の励起パワーにより安定にレーザ出力を調整できる場合は省略しても良い。レーザビーム径調整手段５としては、例えば、凹レンズと凸レンズとを組み合わせたレーザビームエキスパンダー、レーザビームを通過させるための開口を備える構成などを使用する。
【００１８】
レーザビーム１０は、１枚または複数枚の反射ミラー６により、半導体基板１へ略垂直に入射するように進行方向が調整される。反射ミラー６により進行方向が調整されたレーザビーム１０は、集光レンズ７により、半導体基板１の内部にて集光される。集光レンズ高調整手段８は、集光レンズ７と半導体基板１との距離を調整する。ファイバーレーザを使用する場合など、半導体基板１に対してレーザビーム１０を略垂直に入射させることが可能である場合、反射ミラー６は省略しても良い。
【００１９】
図２は、半導体基板の断面とレーザビームとを模式的に表した図である。集光レンズ７は、図２に示すように、半導体基板１の内部であって、レーザビーム１０が入射する半導体基板１の入射面１１から、入射面１１とは反対側の面１２へ向かって進行した位置にレーザビーム１０を集光する。
【００２０】
光起電力装置の製造において、半導体基板１の材料ごとの厚みのばらつき、材料内において分布する厚みのばらつき、他の製造工程により生じたばらつきなどにより、半導体基板１の厚みには数十μｍ程度のばらつきが発生する。半導体基板１の内部に安定してレーザビーム１０を集光するために、半導体基板厚み測定手段９により半導体基板１の厚みを測定し、集光レンズ高調整手段８で自動的に集光レンズ７と半導体基板１との距離を調整することが望ましい。半導体基板厚み測定手段９としては、レーザ変位計、静電容量センサなどを使用する。
【００２１】
半導体基板１内部にレーザビーム１０を集光した状態で移動ステージ２を移動させることで、半導体基板１に溶融溝を形成する。次に、半導体基板１に形成した溶融溝を利用して、半導体基板１を分割する。溶融溝が形成された後の半導体基板１は、外力を印加して分割することが可能である。また、溶融溝を深く形成して、外力を印加せずに半導体基板１を分割しても良い。外力を印加せずに半導体基板１を分割する場合、加工装置が簡略化可能となる一方、レーザ加工により発生するマイクロクラックが増大し易くなるため、半導体基板１の抗折強度が低下する場合が生じる。溶融溝の深さは、このようなメリットやデメリットを鑑みて決定すれば良い。
【００２２】
本実施の形態によれば、半導体基板１に溶融溝を形成する工程において、半導体基板１の内部にレーザビーム１０を集光することで、半導体基板１のうち入射面１１近傍における単位体積当たりの吸収レーザエネルギーを調整して溶融溝を形成することができる。半導体基板１のうち入射面１１近傍における吸収レーザエネルギー密度の集中を低減させ、温度勾配を低減することで、熱応力や衝撃波によるマイクロクラックの発生を抑制する。これにより、抗折強度の低下を抑制して、所望の形状の光起電力装置を得ることが可能となる。
【００２３】
以下に、本発明により抗折強度の低下を抑制できるメカニズムを、加工例に基づいて説明する。従来、半導体基板のレーザ加工では、レーザ加工後の抗折強度の低下が課題となっている。レーザエネルギーの吸収による熱応力や衝撃波が半導体基板にマイクロクラックを生じさせ、マイクロクラックを起点とする割れが半導体基板に生じ易くなるものと推測されている。特に、レーザビームの入射面を引っ張る方向の荷重を印加する場合における抗折強度の低下は著しいことから、荷重印加時に最大の変位が生じる半導体基板の表面付近におけるマイクロクラックの存在が、抗折強度の低下に影響を及ぼしているものと推測されている。
【００２４】
物質にレーザビームを照射した際、レーザビームは物質内で吸収されながら指数関数的に減衰する。レーザビームが物質のどの程度の深さまで入り込むかは、物質およびレーザ波長に特有の定数である吸収係数αを用いて式（１）のように表される。なお、ここではレーザ光の反射については考慮しないものとする。
（深さｔにおけるレーザエネルギー）／（入射レーザエネルギー）＝ｅｘｐ（−αｔ）    ・・・（１）
【００２５】
図３は、レーザビームの入射面からの距離（深さ）と単位深さ当たりの吸収レーザエネルギーとの関係の例を示す図である。物質内で減衰したレーザエネルギーは、主に物質に吸収されている。単位深さ当たりの吸収レーザエネルギーは、レーザビームの入射面で最大となり、物質内部を進行するにしたがい、指数関数的に減少する。
【００２６】
一方で、単位面積当たりのレーザエネルギー密度は、レーザビームの断面積に反比例するため、レーザビーム径の２乗に反比例する。従来のようにレーザビームの集光点を半導体基板１の入射面１１もしくはその近傍に設定した場合、単位面積当たりのレーザエネルギー密度は、半導体基板１の入射面１１もしくはその近傍で最大となる。なお、集光点とは、レーザ光が集光した箇所であるものとする。
【００２７】
レーザビームの集光点を半導体基板１の入射面１１もしくは入射面１１近傍に設定した場合、先述した単位深さ当たりのレーザエネルギーの吸収が入射面で最大となる特性と、単位面積当たりのレーザエネルギー密度が高くなる特性との相乗により、入射面１１やその近傍では単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度が高くなる。この場合、入射面１１やその近傍は、熱応力および衝撃波によるマイクロクラックが発生し易い状態となる。
【００２８】
本発明によると、従来のように入射面１１やその近傍に集中していたレーザエネルギーの吸収を、入射面１１から半導体基板１の内部へと平滑化させる。これにより、半導体基板１の入射面１１のマイクロクラックを低減し、抗折強度の低下を抑制する。
【００２９】
本実施の形態による製造工程では、例えば、レーザ発振器３として、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。レーザビーム１０の集光性を示すビーム品質Ｍ２は、例えば１．５とする。なお、Ｍ２＝１は回折限界であって、Ｍ２の値が大きくなるにしたがって集光性が低下することを示す。Ｍ２＝１．５は、回折限界に近いレベルの集光性を有することを意味する。集光性の高いレーザを使用することで、レーザビーム１０を小さなスポットに集光可能であり、半導体基板１を分割するのに充分な深さの溶融溝を低レーザ出力によって得ることができる。
【００３０】
また、本実施の形態におけるレーザビーム１０の照射条件は、例えば、レーザ周波数は５０ｋＨｚ、レーザパルス幅は１００ｎ秒、レーザ平均出力は２５Ｗとする。半導体基板１の材料は、例えば厚み２００μｍのシリコン基板を用いる。波長１０６４ｎｍのレーザビーム１０に対するシリコンの吸収係数αは５０００［／ｍ］となる。式（１）より、レーザエネルギーが入射レーザエネルギー１／ｅとなる深さは２００μｍとなる。本発明においては、レーザビーム１０がある程度半導体基板１の内部に入り込むことが必要となるため、近赤外域のレーザを使用することが望ましい。
【００３１】
レーザビーム１０を集光レンズ７によって集光した場合に、入射面１１からの距離ｚにおけるレーザビーム径ｗ（ｚ）（１／ｅ２半径）は、式（２）のように表される。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
ここで、ｗ０は集光点におけるレーザビーム径、Ｍ２はビーム品質、λはレーザ波長、ｚ０は入射面１１と集光点との距離、ｎは半導体基板１の屈折率とする。
【００３４】
図４は、距離ｚとレーザビーム径ｗ（ｚ）との関係の例を示す図である。ここでは、レーザビーム１０の照射条件は、ｗ０＝５μｍ、Ｍ２＝１．５、λ＝１０６４ｎｍ、ｎ＝３．５（波長１．１μｍ近傍に対するシリコンの屈折率）として、距離ｚ０が０μｍ、５０μｍ、１００μｍである場合を比較している。なお、ｚ０＝０は、集光点が入射面１１上にあることを表している。集光点を半導体基板１の内部とする（例えばｚ０＝５０、１００）場合、入射面１１におけるレーザビーム径は、集光点を入射面１１上にする場合に比べて拡大することとなる。
【００３５】
図５は、距離ｚと、単位面積当たりのレーザエネルギー密度との関係の例を示す図である。レーザビーム１０の照射条件は、図４に示す場合と同様とする。ここでは、半導体基板１でのレーザエネルギーの吸収については考慮しないものとする。単位面積当たりのレーザエネルギー密度とレーザビームの断面積とが反比例の関係にあることから、集光点がいずれの位置である場合も、レーザエネルギー密度は、集光点にて最大となる。集光点を半導体基板１の内部とする（例えばｚ０＝５０、１００）場合、入射面１１におけるレーザエネルギー密度は、集光点を入射面１１上とする場合に比べて低くなる。
【００３６】
図６は、距離ｚと、単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度との関係の例を示す図である。ここで示す単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度は、図３に示す単位深さ当たりの吸収レーザエネルギーと、図５に示す単位面積当たりのレーザエネルギー密度から求めたものとする。集光点を半導体基板１の内部とする（例えばｚ０＝５０、１００）と、入射面１１における吸収レーザエネルギー密度の集中が低減される。
【００３７】
入射面１１における吸収レーザエネルギー密度の集中を低減させることで、入射面１１およびその近傍における吸収レーザエネルギー密度を均一化させて、半導体基板１に溶融溝を形成することが可能となる。なお、「吸収レーザエネルギー密度を均一化させる」とは、図６に示す関係において、距離ｚの変化に対する吸収レーザエネルギー密度の変化を、入射面１１を集光点とする場合に比べて緩やかにさせることをいうものとする。
【００３８】
図６に示す例では、ｚ０が０μｍ、５０μｍ、１００μｍと深くなるに従って、入射面１１における単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度は小さくなる。また、ｚ０が０μｍ、５０μｍ、１００μｍと深くなるに従って、入射面１１およびその近傍での単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度の変化は緩やかになる。ｚ０＝１００の場合、距離ｚが０μｍから５０μｍ付近までの範囲において、単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度が略一定となる。
【００３９】
抗折強度の低下の原因となるマイクロクラックの発生は、レーザ照射による熱応力や衝撃波に起因するものと推測される。本発明によれば、均一化された吸収レーザエネルギー密度での加熱により温度勾配を低減させて、熱応力や衝撃波の発生を抑制させる。これにより、入射面１１付近のマイクロクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００４０】
半導体基板１は、材料ごとの厚みのばらつき、材料内に分布する厚みのばらつき、他の製造工程により生じたばらつき、太陽光の反射防止のためのテクスチャー構造などにより、数十μｍ程度の範囲で厚みに差が生じることとなる。この厚みの差による、半導体基板１内部での吸収レーザエネルギー密度の変化は、図４から図６に示す関係においてはｚ０の変化として扱うことができる。数十μｍ程度のｚ０の変化による吸収エネルギー密度の変化が生じても、溶融溝の深さのばらつきは±５μｍ以内であった。このことから、本発明は、厚みの分布および局所的な変化を持つ光起電力装置のための溶融溝の形成に有効である。
【００４１】
図７は、ｚ０が１００μｍである場合における、距離ｚと、単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度との関係の例を示す図である。ここでは、集光点におけるレーザビーム径ｗ０が２μｍ、５μｍ、１０μｍである場合を比較している。また、ｗ０＝２、５、１０のそれぞれの関係において、単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度は、最大値を１として示している。
【００４２】
ｗ０＝２では、距離ｚが１００μｍ付近であるときに、単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度は最大となる。この場合、レーザ加工の結果では、均一な深さの溶融溝を形成することはできなかった。これは、集光スポットの径が小さいほどレーザビームの発散角度が大きく、半導体基板１表面のテクスチャー構造などによる厚みの変動に対して集光点が変位したためと推測される。一方、ｗ０＝１０では、抗折強度の低下を抑制することができなかった。これは、入射面１１付近における吸収レーザエネルギー密度の集中の抑制が充分でなかったためと推測される。
【００４３】
このように本発明においては、集光点における適切なスポット径を選択することが必要となる。集光点におけるレーザビーム径ｗ０は、レーザビーム径がｗ０の√２倍となるレーリー長を目安にできる。本実施の形態において、半導体基板１内部におけるレーリー長は、ｗ０＝２のとき５５μｍ、ｗ０＝５のとき３４０μｍ、ｗ０＝１０のとき１．４ｍｍとなる。目安として、半導体基板１内部でのレーリー長は、半導体基板１の厚み以上であってその厚みの数倍以下、より具体的には２倍以下であることが望ましい。
【００４４】
以上により、本実施の形態によると、抗折強度の低下を抑制して、所望の形状の光起電力装置を得ることが可能となる。なお、本実施の形態で具体的に述べるレーザ加工条件は一例であって、必要とされる溶融溝の形状、抗折強度、加工速度などを満たすために適宜変更しても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２にかかる光起電力装置の製造方法について、半導体基板の断面とレーザビームとを模式的に表した図である。実施の形態２は、実施の形態１とはレーザビームの集光条件のみを異ならせている。ここでは、レーザビームの集光に関する内容を詳述することとし、その他の内容については説明を省略する。
【００４６】
本実施の形態では、半導体基板１の外部であって、半導体基板１に対して入射面１１とは反対側（面１２側）の位置を集光点とするようにレーザビーム１０を照射する。半導体基板１の外部の位置を集光点とすることで、半導体基板１の入射面１１およびその近傍における単位体積当たりの吸収レーザエネルギー密度を均一化させる。本実施の形態の場合、実施の形態１の場合よりさらに、入射面１１におけるレーザビーム径を拡大させることとなる。
【００４７】
本実施の形態でも、入射面１１付近における吸収レーザエネルギー密度の集中が低減され、吸収レーザエネルギー密度を均一化させて、溶融溝を形成することが可能となる。なお、入射面１１におけるレーザビーム径の拡大により、入射面１１における単位面積当たりのレーザエネルギー密度は実施の形態１の場合よりも低下することとなる。所望の深さの溶融溝を形成するためには、高出力のレーザビーム１０を照射することになる。高出力のレーザビーム１０を使用することは、マイクロクラックの発生増加による抗折強度の低下が生じ易くなる場合がある一方、大きい幅の溶接溝を必要とする場合に有用となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明にかかる光起電力装置の製造方法は、結晶シリコン系太陽電池の半導体基板を分割して光起電力装置を製造する場合に適している。
【符号の説明】
【００４９】
１  半導体基板
２  移動ステージ
３  レーザ発振器
４  レーザ出力調整手段
５  レーザビーム径調整手段
６  反射ミラー
７  集光レンズ
８  集光レンズ高調整手段
９  半導体基板厚み測定手段
１０  レーザビーム
１１  入射面
１２  面
【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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