(57)【要約】【課題】薄型基板形成時の切断歩留りの高い薄型太陽電池の製造方法を提供すること。【解決手段】シリコンインゴット２０１の表面より深い位置に歪み層２０２を形成し、歪み注入領域近傍となる位置にＨ元素注入層２０３を形成し、加熱処理により歪み層２０２の近傍にＨ元素起因の空孔層２０４を形成し、熱衝撃により薄型シリコン基板２０５をシリコンインゴット２０１から分離することにより、良質な空孔層を形成でき、基板を分離もしくは切断する際に、不良率が約５０％以下というより高い切断歩留りを確保することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体バルク材に歪み層を導入する工程と、（ｂ）前記半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程とを経て、
（ｃ）前記半導体バルク材の表面近傍を熱処理する工程と、（ｄ）前記半導体バルクから前記バルクの厚さよりも薄い基板を分離する工程とを含むこと、
と特徴とする薄型太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記半導体バルク材は、シリコンである、請求項１記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記軽元素は、ＨおよびＨｅである、請求項１又は２に記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項４】
軽元素の注入は、イオン注入法によって為される、請求項１〜３の何れか一項に記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項５】
分離される基板の厚さは、１００μｍ以下である、請求項１〜４の何れか一項に記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項６】
工程（ａ）において、前記半導体バルク材に歪み層を導入する際、
前記半導体バルク材に対する透過率が５１％以上の波長のレーザー光を照射することで行なう、請求項１〜５の何れか一項に記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項７】
工程（ｃ）において、熱処理は、大気圧プラズマ、レーザーアニール、及び、フラッシュランプアニールの何れかで行なう、請求項１〜６の何れか一項に記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項８】
工程（ｃ）において、熱処理は、段階的に２回以上なされ、少なくとも１回目の温度を３５０℃以上、２回目の温度を５００℃以上として行う、請求項１から７の何れか一項に記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項９】
（ａ）半導体バルク材に歪み層を導入する工程の後に、（ｂ）前記半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程を行い、
次いで、（ｅ）半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程、を実施すること、
を特徴とする薄型太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
工程（ｅ）の後、３族あるいは５族の元素を注入する、請求項９記載の薄型太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
３族あるいは５族の元素が、Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ボロン）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ひ素）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｂ（アンチモン）の何れかの材料である、請求項１０記載の薄型太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型基板を用いた太陽電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
変換効率の高さから太陽電池市場の約９０％を占有するに至っている結晶系シリコン太陽電池だが、ユーザーが導入コストを償却するのに未だ１５〜２０年の歳月を要している。そこで、製造原価の約５０％を占めているシリコンの材料費を低減するべく、シリコン基板の厚さをできる限り薄くすることを目的として、太陽電池の製造技術の発明が幾つも試されてきた。
【０００３】
なお、現在の結晶系シリコン太陽電池のほとんどは、シリコンインゴットに対してワイヤー等を用いてスライスし、シリコン基板の厚さ２００μｍとして太陽電池を製造している。しかしながら、２００μｍのシリコン基板を製造するために切りしろを、約２００μｍ必要としており、実質的に基板１枚にかかるシリコン材料費は厚さで４００μｍであり、この材料費を１／２あるいは１／４以下にすることが可能になれば、製造コスト面で非常に価値がある。
【０００４】
そこで、シリコン材料費を大幅に削減する方法として、ワイヤー等の切断工具を使わず行なう工法が行なわれつつある。例えば、シリコン基板に対してイオン注入法によりＨ元素をある所望の深さに注入して、シリコン原子間の結合エネルギーを脆弱にし、機械的あるいは熱的な外部エネルギーを与えることで薄型シリコン基板を分離するという方法が知られている。従来例として、以下にその一例を記載する。
【０００５】
従来の太陽電池の製造方法は、シリコン基板の表面近傍にＨ元素を層状に注入することでシリコン結合の脆弱な層を形成しておいて、ステンレス基板に表面近傍の薄いシリコン基板を転写する方法がある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図６は、特許文献１に記載された従来の太陽電池の製造方法を示す図であり、図６を用いて太陽電池の製造方法についての従来例を説明する。
【０００７】
イオン注入法により、分離前のシリコン基板１０１の表面近傍にＨ元素を注入し、予めイオン注入層１０２を形成しておき、Ｓｎ（スズ）などの基板接着層１０４を介してステンレス基板１０３に分離前のシリコン基板１０１を接着する。次いで、３００℃程度の熱処理により、Ｈ元素を凝集させたイオン注入層の凝集層１０２ａを形成した後、５００℃程度の熱衝撃でステンレス基板１０３上にてシリコン基板を分離する。
【０００８】
この時、厚さ約５０μｍの薄いシリコン基板１０５を形成することができるが、この分離面は多数の空孔を形成したイオン注入層の凝集層１０２ａであり、また薄いシリコン基板１０５の厚さは、分離前のシリコン基板１０１表面から多数の空孔を形成したイオン注入層の凝集層１０２ａまでの注入深さによってほぼ決定される。
【０００９】
その後、薄いシリコン基板１０５の表面にイオン注入法によりＰ型シリコン層を形成してＰＮ接合を形成し、太陽電池セルを形成するという技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０９−３３１０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来例の構成では、空孔形成が安定し難いため、シリコン基板を分離もしくは切断する際に基板割れやチッピング等の基板欠けが発生し、シリコン基板分離および切断時の不良率が約７０％（基板割れ５５枚中２１枚、欠け５５枚中１８枚）となり、切断歩留りが低いという課題が生じることになる。
【００１２】
本発明は、上記従来例の課題を解決するもので、薄型基板形成時の切断歩留りの高い薄型太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の薄型太陽電池の製造方法は、以下の特徴を有する。
【００１４】
〔１〕（ａ）半導体バルク材に歪み層を導入する工程と、（ｂ）前記半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程とを経て、（ｃ）前記半導体バルク材の表面近傍を熱処理する工程と、（ｄ）前記半導体バルクから前記バルクの厚さよりも薄い基板を分離する工程とを含む、薄型太陽電池の製造方法であること。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕において、半導体バルク材はシリコンであること。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕において、軽元素はＨおよびＨｅであること。
【００１７】
〔４〕上記〔１〕〜〔３〕の何れかにおいて、軽元素の注入は、イオン注入法によって為されること。
【００１８】
〔５〕上記〔１〕〜〔４〕の何れかにおいて、分離される基板の厚さは、１００μｍ以下であること。
【００１９】
〔６〕上記〔１〕〜〔５〕の何れかにおいて、工程（ａ）において、半導体バルク材に歪み層を導入する際、半導体バルク材に対する透過率が５１％以上の波長のレーザー光を照射すること。
【００２０】
〔７〕上記〔１〕〜〔６〕の何れかにおいて、工程（ｃ）において、熱処理は、大気圧プラズマ、レーザーアニール、及び、フラッシュランプアニールの何れかで行なうこと。
【００２１】
〔８〕上記〔１〕〜〔７〕の何れかにおいて、工程（ｃ）において、熱処理は、段階的に２回以上なされ、少なくとも１回目の温度を３５０℃以上、２回目の温度を５００℃以上として行うこと。
【００２２】
〔９〕（ａ）半導体バルク材に歪み層を導入する工程の後に、（ｂ）半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程を行い、次いで、（ｅ）半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程、を実施すること。
【００２３】
〔１０〕上記〔９〕において、工程（ｅ）の後、３族あるいは５族の元素を注入すること。
【００２４】
〔１１〕上記〔１０〕において、３族あるいは５族の元素が、Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ボロン）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ひ素）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｂ（アンチモン）の何れかの材料であること。
【００２５】
これにより、薄型基板形成時の切断歩留りの高い薄型太陽電池の製造方法を提供できる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明の薄型太陽電池の製造方法によれば、基板を分離もしくは切断する際の基板割れや基板欠けが発生し難く、不良率が約５０％以下とより高い切断歩留りを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１における薄型太陽電池の製造方法の模式図
【図２】本発明の実施の形態１における基板厚さ違いでの、製造方法上の条件と効果を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における薄型太陽電池の製造方法の模式図
【図４】本発明の実施の形態２における薄型太陽電池の製造方法の模式図
【図５】本発明の実施の形態２における基板厚さ違いでの、製造方法上の条件と効果を示す図
【図６】特許文献１に記載された従来の薄型太陽電池の製造方法を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における薄型太陽電池の製造方法の模式図である。
【００３０】
図１において、面内□１５６ｍｍの大きさで表面が（１００）の面指数を持つ、半導体バルク材としてのＰ型のシリコンインゴット２０１の表面２０１ａに対して、波長１０００ｎｍの赤外レーザー（図示せず）を照射し、面内を走査し、図１（ａ）に示したようにシリコンインゴット２０１の表面より深い位置に歪み層２０２を形成した。
【００３１】
この時の歪み注入深さｄは約５０μｍとし、歪み層２０２の幅ｗは約２〜５μｍとした。また、歪みの導入量は、注入領域の幅ｗの範囲内での平均は約１×１０19〜６×１０22個／ｃｍ3とした。
【００３２】
次いで、シリコンインゴット２０１の表面に対して、イオン注入装置（図示せず）を照射し、面内を走査し、図１（ｂ）に示したように歪み層２０２の近傍（歪み注入領域含む）となる位置にＨイオンを注入し、Ｈ元素注入層２０３を形成した。この時のＨ元素の導入量はドーズ量で約１×１０15〜１×１０17／ｃｍ2、深さ方向における密度分布ピーク値で約１×１０20〜３×１０22／ｃｍ3とし、注入深さｐは約４０〜５０μｍとした。
【００３３】
更に、シリコンインゴット２０１の表面に対して、大気圧プラズマ装置（図示せず）を用いて大気圧下でＡｒ，Ｈｅ，Ｎ2などの不活性ガスプラズマを照射し、面内を走査し、基板表面温度で約４００〜７００℃の範囲にて加熱処理を実施し、図１（ｃ）に示すように、歪み層２０２が存在していた領域にＨ元素起因の空孔層２０４を形成した。
【００３４】
そして、同様に大気圧プラズマ装置を用いてガスプラズマを照射し、面内を走査し、基板表面温度で約６００〜９００℃の範囲にて加熱処理を実施し、図１（ｄ）に示すように、熱衝撃により空孔層２０４を境にした、厚さ約５０μｍの薄型シリコン基板２０５をシリコンインゴット２０１から分離した。
【００３５】
続けて、薄型シリコン基板２０５の分離面２０５ａに、プラズマドーピング法により、例えばＮ型不純物であるＡｓ（ひ素）を、数密度で例えば１×１０19〜１×１０22／ｃｍ3の範囲でドーピングし、Ｘｅランプ（図示せず）により約８００〜１１００℃の範囲で３〜２０ｍｉｎの熱処理を実施した。そして、基板表面の歪み緩和を兼ねたドーパントの活性化を行い、薄型シリコン基板２０５の分離面２０５ａ表面にＮ層２０７を形成した。
【００３６】
そして、図１（ｅ）に示すように、薄型シリコン基板２０５の分離面２０５ａ表面をＨＦ水溶液でエッチングし、分離面２０５ａ表面にＣＶＤ法によりＨ含有のＳｉＮ膜とＡｇ電極を形成し、裏面２０５ｂ（シリコンインゴットの２０１ａ面）にペーストを用いたＡｌ電極を形成し、太陽電池として動作することを確認した。
【００３７】
更に、薄型シリコン基板２０５を分離した後の、分離後のシリコンインゴット２０６は、不活性雰囲気とした中で、大気圧プラズマ装置により、ガスプラズマを照射し、面内を走査し、基板表面温度で約１０００〜１４５０℃の範囲にて加熱処理を実施し、表面に残存している歪みを除去しつつ、表面のラフネスが３μｍ以下となるまで熱処理を実施した。
【００３８】
このように、分離後のシリコンインゴット２０６の表面を平坦化処理することで、連続して薄型シリコン基板２０５を分離することが可能となる。
【００３９】
上記の実施の形態により、シリコンインゴットからの薄型シリコン基板の分離を実施した結果を図３に示す。図３より、５５枚中４８枚が基板割れおよびチッピング等の基板欠けも無く分離でき、分離時の不良率を１２．７％まで低減でき、切断歩留りを著しく向上することができた。また、上記の実施の形態にて、厚さ約３０μｍ、および約８０μｍの薄型シリコン基板２０５を実施した場合の製造方法上の条件と効果を図２に示す。
【００４０】
同図に示すように、何れの製造条件においても、本実施の形態が従来例に比べて切断歩留りを著しく向上することができた。
【００４１】
また、図１（ｄ）で用いた、シリコンインゴット２０１表面に対しての熱処理をレーザーアニール法で実施した場合、フラッシュランプアニールで実施した場合、および熱処理炉で実施した場合の結果も図３に示す。何れの手法でも、従来例より切断歩留りを著しく向上することができた。
【００４２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における薄型太陽電池の製造方法の模式図である。図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４３】
図４において、図４（ａ）および図４（ｂ）の手順は、図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであるため省略する。
【００４４】
そして、図４（ｃ）に示すように、シリコンインゴット２０１の表面に、プラズマドーピング法により、例えばＮ型不純物であるＡｓ（ひ素）を、数密度で例えば１×１０19〜１×１０22／ｃｍ3の範囲でドーピングし、ドーピング層２０８を形成した。
【００４５】
次いで、シリコンインゴット２０１の表面に対して、大気圧プラズマ装置（図示せず）を用いて大気圧下でＡｒ，Ｈｅ，Ｎ2などの不活性ガスプラズマを照射し、面内を走査し、基板表面温度で約４００〜７００℃の範囲にて加熱処理を実施し、図４（ｄ）に示すように、歪み層２０２が存在していた領域にＨ元素起因の空孔層２０４を形成した。
【００４６】
更に、Ｘｅランプ（図示せず）により、約８００〜１１００℃の範囲で３〜２０ｍｉｎの熱処理を実施し、基板表面の歪み緩和と共に、ドーパントの活性化を行い、図４（ｅ）に示すように、薄型シリコン基板２０５の表面２０５ａ側にＮ層２０７を形成しつつ、熱衝撃により空孔層２０４を境にした、厚さ約５０μｍの薄型シリコン基板２０５をシリコンインゴット２０１から分離した。
【００４７】
続けて、図４（ｆ）で示したように、薄型シリコン基板２０５の分離面２０５ａ表面をＨＦ水溶液でエッチングし、分離面２０５ａ表面にＣＶＤ法によりＨ含有のＳｉＮ膜とＡｇ電極を形成し、裏面２０５ｂ（シリコンインゴットの２０１ａ面）にペーストを用いたＡｌ電極を形成し、太陽電池として動作することを確認した。
【００４８】
なお、薄型シリコン基板２０５を分離した後の分離後のシリコンインゴット２０６は、不活性雰囲気とした中で、大気圧プラズマ装置により、ガスプラズマを照射し、面内を走査し、基板表面温度で約１０００〜１４５０℃の範囲にて加熱処理を実施した。更に、表面に残存している歪みを除去しつつ、表面のラフネスが３μｍ以下となるまで熱処理を実施した。
【００４９】
このように、分離後のシリコンインゴット２０６の表面を平坦化処理することで、連続して薄型シリコン基板２０５を分離することが可能となる。
【００５０】
上記の実施の形態により、シリコンインゴットからの薄型シリコン基板の分離を実施した結果を図３に示す。図３より、５５枚中３４枚が基板割れおよびチッピング等の基板欠けも無く分離でき、分離時の不良率を３８．０％まで低減でき、切断歩留りを著しく向上することができた。また、上記の実施の形態にて、厚さ約３０μｍおよび約８０μｍの薄型シリコン基板２０５を実施した場合の製造方法上の条件と効果を図５に示した。
【００５１】
このように、何れの製造条件においても、本実施の形態が従来例に比べて切断歩留りを著しく向上することができた。また、図４（ｅ）で用いた、シリコンインゴット２０１表面に対しての熱処理をレーザーアニール法で実施した場合、フラッシュランプアニールで実施した場合、および熱処理炉で実施した場合の結果も図３に示す。何れの手法でも、従来例より切断歩留りを著しく向上することができた。
【００５２】
以上のように、従来例に比べて切断歩留りが著しく改善した理由について発明者らの推測を以下に述べる。
【００５３】
まず、Ｈ元素注入後に十分な空孔を形成するための熱処理における温度が高いことが考えられる。従来例では、Ｈ元素注入後に熱処理を３００℃程度で実施していた。これは、前工程で注入したＨ元素がシリコン基板から脱離（シリコン基板外への放出）することを抑えなければならず、その結果、空孔形成が安定しなかったためと考えられる。
【００５４】
しかし、本実施の形態では、次に記述する理由により、４００〜７００℃の高温での熱処理が可能となり、シリコン基板中に安定に空孔を形成することができたためと推測できる。
【００５５】
次に、４００〜７００℃の高温での熱処理が可能となった理由について述べる。
【００５６】
一般にシリコン表面からイオン注入法によりＨイオンを注入して、その後の熱処理により特定の深さ領域にＨ元素起因の空孔を形成させて、Ｓｉ結合を脆弱にして熱衝撃等で切断させる場合、高入射エネルギーのＨイオン注入により、結晶欠陥密度はシリコンインゴット表面ほど高いプロファイルになりやすい。
【００５７】
これに比べて本実施の形態では、結晶欠陥密度を特定の深さ領域に集中でき、シリコンインゴット表面よりも結晶欠陥密度の高い領域をＨ元素注入層の近傍に形成することができるため、後工程の熱処理で、例えば４００〜７００℃のような高温域で熱処理を実施した場合でも、歪み起因の不純物ゲッタリング作用と推測される作用によって、Ｈ元素が基板表面に抜けるよりも歪み層側に拡散しやすくなる。その結果、シリコンインゴットの特定の深さ領域にＨ元素起因の空孔を形成しやすくなると推測する。
【００５８】
すなわち、レーザーにより導入された歪みの存在と、注入された高濃度Ｈ元素の存在との相乗効果により、安定した空孔層を形成することができたため、切断歩留りが著しく向上できたと考える。
【００５９】
なお、本実施の形態では、半導体バルク材に歪み層を導入する工程を実施し、次いで、半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程を実施した場合のみを記載したが、当該工程の順序を逆にしても従来例よりも高い切断歩留りを実現できる。
【００６０】
但し、半導体バルク材の表面近傍に軽元素を注入する工程を実施し、次いで、半導体バルク材に歪み層を導入する工程を実施した場合、本実施の形態で示した結果よりも、各々の実施条件で概ね１０〜１７％程度の切断歩留り低下が生じるため、本実施の形態の順で実施することが好ましい。
【００６１】
なお、本実施の形態ではレーザーにより導入した歪みの注入深さ、および分離後の薄型シリコン基板の厚さが５０μｍの場合についてのみ述べたが、一般にイオン注入によるＨ元素の導入は、サブμｍオーダーを得意としており、深さ数μｍ以上の注入となると、イオンの加速エネルギーｋｅＶオーダーからＭｅＶオーダーへと、非線形的に大きくする必要があり、注入深さの伸び率よりもインゴット表面の結晶欠陥密度の増加率の方が大きくなる傾向がある。そのため、数μｍ以上の深さで本実施の形態が効果を発揮できる。
【００６２】
また、Ｈ元素の注入深さを１００μｍオーダーにしようとすると、シリコンインゴット表面にすべり線が生じるなど、Ｈ元素による結晶欠陥の導入が著しく多くなり、深さ１００μｍ以下が実用的であり、歪みの注入深さ、および分離後の薄型シリコン基板の厚さが概ね１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の薄型太陽電池の製造方法は、基板を分離もしくは切断する際の基板割れや基板欠けが発生し難く、高い切断歩留りを有し、薄型基板を用いた太陽電池、とりわけ結晶型の太陽電池の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００６４】
２０１  シリコンインゴット
２０２  歪み層
２０３  Ｈ元素注入層
２０４  空孔層
２０５  薄型シリコン基板
２０６  分離後のシリコンインゴット
２０７  Ｎ層
２０８  ドーピング層
【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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