JP2011077186A - 光起電力装置の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集光スポットサイズの大きいレーザビームで耐エッチング膜に微細なレーザパターニングを行う光起電力装置の製造方法及び製造装置を得ること。
【解決手段】反射率の低減のための微細な凹凸構造をシリコン基板の表面に備えた光起電力装置の製造方法であって、シリコン基板の表面に耐エッチング性を有する耐エッチング膜を形成する工程と、回折光学素子で分岐させたレーザビームによって耐エッチング膜に開口を形成する開口形成工程と、耐エッチング膜をマスクとしてシリコン基板をエッチングして、凹凸構造を形成する工程とを有し、開口形成工程においては、レーザビーム分岐パターン３００の各々の耐エッチング膜上でのビームスポット径を、ビームスポット３０１のピッチよりも大きくして、隣接するビームスポット同士を干渉させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、結晶シリコンを使用した光起電力装置の製造方法及び製造装置に関する。

従来、耐エッチング膜のレーザパターニングと、ウェットエッチングとによって結晶シリコン太陽電池の表面に反射率低減のための微小な凹凸構造（テクスチャ構造）を形成する技術が知られている。レーザパターニングにおいては、耐エッチング膜に多数の開口を高速度で形成するために、回折光学素子によってレーザを分岐する手法がとられる（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２００９−１４７０５９号公報

D. Niinobe, K. Nishimura, S. Matsuno, H. Fujioka, T. Katsura, T. Okamoto, T. Ishihara, H. Morikawa,S. Arimoto著、"Honeycomb-Structured Multi-Crystalline Silicon Solar Cells With 18.6% Efficiency Via Industrially Applicable Laser Process"、Proceedings of the 23rd EU PVSEC、２００８年、p1824-1828

上記特許文献１や非特許文献１に開示される発明では、微細なテクスチャ構造を形成するために、レーザビームを微細に集光する必要があるが、レーザビームは微細に集光すると発散角が大きくなる。また、シリコン基板の厚さは、面内分布（同一基板内でのばらつき）があることに加え、基板ごとにも差がある。このため、発散角の大きなレーザビームを使用すると、シリコン基板の厚さの違いによって加工対象の表面との距離がわずかに変化しただけで、ビームスポットが拡大してしまう。すなわち、特許文献１や非特許文献１に開示される発明は、加工対象の表面との距離がわずかに変化しただけでレーザビームの強度が低下し、開口を形成できない領域が生じるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、集光スポットサイズの大きいレーザビームで耐エッチング膜に微細なレーザパターニングを行う光起電力装置の製造方法及び製造装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、反射率の低減及び装置内への光の閉じ込めのための微細な凹凸構造をシリコン基板の表面に備えた光起電力装置の製造方法であって、シリコン基板の表面に耐エッチング性を有する耐エッチング膜を形成する工程と、回折光学素子で分岐させたレーザビームによって耐エッチング膜に凹凸構造の凹部に対応する開口を形成する開口形成工程と、耐エッチング膜をマスクとしてシリコン基板をエッチングして、凹凸構造を形成する工程とを有し、開口形成工程においては、分岐レーザビームの各々の耐エッチング膜上でのビームスポット径を、該分岐レーザビームのピッチよりも大きくして、隣接するビームスポット同士を干渉させることを特徴とする光起電力装置の製造方法を特徴とする。

本発明にかかる光起電力装置の製造方法及び製造装置は、集光スポットサイズの大きいレーザビームを用いて耐エッチング膜に微細なレーザパターニングを行えるという効果を奏する。また、複数のビームスポットのエネルギーが合成されて耐エッチング膜に作用するため、個々のビームスポットのエネルギーが小さくても開口を形成可能であるという効果を奏する。

図１−１は、本発明にかかる光起電力装置の製造方法及び製造装置の実施の形態１としてのレーザ加工装置を用いて形成される光起電力装置の上面図である。 図１−２は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置を用いて形成される光起電力装置の底面図である。 図１−３は、光起電力装置の断面を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置を用いて形成される、光起電力装置のグリッド電極周辺の一部を拡大して示す断面図である。 図３−１は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−２は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−３は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−４は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−５は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−６は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−７は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−８は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図３−９は、実施の形態１にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。 図４は、実施の形態１としてのレーザ加工装置の構成の一例を模式的に示す図である。 図５は、実施の形態１においてレーザビーム分岐パターンとビームスポットとの関係の一例を示す図である。 図６は、耐エッチング膜に形成された開口の様子を模式的に示す図である。 図７は、実施の形態２としてのレーザ加工装置の構成の一例を模式的に示す図である。 図８は、実施の形態１、２にかかるレーザ加工装置を用いて形成される光起電力装置のテクスチャ形状を模式的に示す断面図である。 図９は、実施の形態３にかかるレーザ加工装置を用いて形成される光起電力装置のテクスチャ形状を模式的に示す断面図である。

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、これら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。

実施の形態１．
まず、本発明にかかる光起電力装置の製造方法及び製造装置の実施の形態１としてのレーザ加工装置２００Ａを用いて形成される光起電力装置１００の概略構成について説明する。図１−１〜図１−３は、実施の形態１としてのレーザ加工装置を用いて形成される光起電力装置１００の概略構成を示す図である。図１−１は、光起電力装置１００の上面図であり、図１−２は、光起電力装置１００の底面図であり、図１−３は、図１−２中の１−３〜１−３線に沿った光起電力装置１００の断面図である。図２は、図１−１〜図１−３に示される光起電力装置１００のグリッド電極周辺の一部を拡大して示す断面図である。

図１−１〜図１−３に示されるように、光起電力装置１００は、シリコン基板としてのＰ型シリコン基板１０１と、Ｐ型シリコン基板１０１の一方の主面（受光面）側の表面に形成されるＮ型の不純物を拡散させたＮ型拡散層１０２（高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈ、低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌ）と、他方の主面（裏面）側の表面に形成されるＰ型シリコン基板１０１よりも高濃度にＰ型の不純物を含んだＰ^＋層１１０とを含む光電変換層を備える。

また、光起電力装置１００は、反射防止膜１０９と、グリッド電極１１１と、バス電極１１３と、裏面電極１２１と、裏側集電電極１２２とを備える。反射防止膜１０９は、光電変換層の受光面への入射光の反射を防止する。グリッド電極１１１は、発電された電気を局所的に集電するために受光面に設けられる電極である。バス電極１１３は、グリッド電極１１１で集電された電気を取り出すために、グリッド電極１１１とほぼ直交して設けられる（図１−１参照）。裏面電極１２１は、発電された電気の取り出しと入射光の反射とを目的としてＰ型シリコン基板１０１の裏面のほぼ全面に設けられる。裏側集電電極１２２は、裏面電極１２１に生じた電気を集電する（図１−２参照）。

なお、グリッド電極１１１、バス電極１１３及び裏側集電電極１２２は、銀などで形成される。一方、裏面電極１２１は、アルミニウムなどで形成される。

また、図２に示されるように、光起電力装置１００は、曲率を有する面などで構成された複数の凹部１０６からなるテクスチャ構造が形成された凹部形成領域１０５ａと、グリッド電極１１１などの光入射側電極が形成される電極形成領域１０５ｂとを受光面側に有する。電極形成領域１０５ｂは、光入射側電極の幅（寸法）と、電極形成時の電極の位置ずれや太さのばらつきを考慮したマージンとを足した幅（寸法）となる。

凹部形成領域１０５ａは、Ｐ型シリコン基板１０１の上面に所定の間隔で形成された複数の凹部１０６によってテクスチャ構造が形成されており、凹部１０６を形成する面を含むＰ型シリコン基板１０１の上面から所定の深さには、Ｎ型の不純物が低濃度に拡散された低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌが形成される。また、電極形成領域１０５ｂでは、低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌよりも抵抗が低くなるようにＮ型の不純物が高濃度に拡散された高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈ上に、グリッド電極１１１などの光入射側電極が、接合部分１１２を介して形成されている。なお、Ｐ型シリコン基板１０１の受光面と裏面の構造は、図１−１〜図１−３を用いて説明した通りである。

次に、上記構造の光起電力装置１００の製造方法について説明する。図３−１〜図３−９は、本実施の形態にかかる光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す図である。なお、以下の説明における数値（各部の寸法（サイズ）、処理条件等）はあくまでも一例であり、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。

まず、Ｐ型シリコン基板１０１を用意する（図３−１）。ここでは、民生用光起電力装置向けとして最も多く使用されているＰ型多結晶シリコン基板を使用するものとする。Ｐ型シリコン基板１０１は、多結晶シリコンインゴットからワイヤソーでスライスし、スライス時に生じるシリコン基板表面のダメージを、酸又はアルカリ溶液を用いたウェットエッチングで除去して製造する。ダメージ除去後のＰ型シリコン基板１０１の厚さは約２５０μｍであり、寸法は約１５０ｍｍ×１５０ｍｍである。

ついで、ダメージ除去後のＰ型シリコン基板１０１を熱酸化炉へ投入し、Ｎ型の不純物としてのリン（Ｐ）の雰囲気下で加熱して、Ｐ型シリコン基板１０１の上下両面及び側面を含む表面にリンを高濃度に拡散させ、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈを形成する（図３−２）。ここで、上面とは光入射側面、下面とは上面の反対側の面、側面とはＰ型シリコン基板１０１の上下両面以外の面を指す。これは、以下の説明においても同様である。

本実施の形態においては、リン雰囲気の形成にはオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）を用い、約８４０℃で拡散させる。これによって、Ｐ型シリコン基板１０１の上面、下面及び側面には、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが形成される。ついで、オキシ塩化リン蒸気の存在下で加熱してできたリンガラス層をフッ酸溶液中で除去する。

その後、上面に形成した高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈ上に、耐エッチング性を有する膜（以下、耐エッチング膜という。）１０３を形成する（図３−３）。耐エッチング膜１０３として、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、酸化シリコン（ＳｉＯ_２、ＳｉＯ）膜、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜、樹脂膜などを用いることができる。ここでは、耐エッチング膜１０３として、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成した膜厚２４０ｎｍ程度のＳｉＮ膜を用いるものとする。

なお、膜厚に関しては、後工程であるテクスチャ・エッチング（凹部１０６を形成するためのエッチング）時にＳｉＮ膜が残存し、かつ、ＳｉＮ膜除去工程で要求される処理時間内にＳｉＮ膜が剥離する適切な膜厚を選択する。

ついで、耐エッチング膜１０３上の凹部形成領域１０５ａに、数μｍ程度の微細な開口１０４を形成する（図３−４）。この際、テクスチャ構造を形成せず、光起電力装置１００の光入射側電極を形成しようとする電極形成領域１０５ｂには、開口１０４は形成しない。本実施の形態では、開口１０４の形成にはレーザ照射による方法を用いる。レーザ照射によって開口１０４を形成する方法では、半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィ技術によって形成する場合に必要となるレジスト塗布、露光・現像、エッチング、レジスト除去という複雑な工程が不要であり、レーザを照射するだけで開口１０４を形成でき、工程を簡略化できるというメリットがある。本発明は、レーザ照射による開口１０４の形成方法に特徴があるため、この工程については後段で詳細に説明することとし、ここでは光起電力装置の製造方法の流れについて先に説明する。

レーザ照射による開口１０４の形成の後、耐エッチング膜１０３に開けた微細な開口１０４を通して高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈを含むＰ型シリコン基板１０１の表面付近をエッチングして、凹部１０６を形成する（図３−５）。この際には、開口１０４を通してＰ型シリコン基板１０１をエッチングするため、Ｐ型シリコン基板１０１の表面には開口１０４を中心として、凹部１０６が形成される。混酸系のエッチング液は、エッチング速度に異方性を有さないため、これを用いてエッチングを行うとＰ型シリコン基板１０１表面の結晶面方位に影響されずに均一にテクスチャを形成でき、表面反射損失の少ない光起電力装置１００を製造できる。

ここではエッチング液としてフッ酸と硝酸との混合液を用いる。混合比は、フッ酸１：硝酸２０：水１０である。なお、エッチング液の混合比は、所望のエッチング速度、エッチング形状に応じて、適切な混合比に変更可能である。また、ここでは凹部形成領域１０５ａにおいて、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが除去されるようにエッチングを行う。

ついで、フッ酸などを用いて耐エッチング膜１０３を除去した後（図３−６）、Ｐ型シリコン基板１０１を熱酸化炉へ再度投入し、オキシ塩化リン蒸気の存在下で加熱して、凹部１０６の表面にリンを低濃度に拡散させた低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌを形成する（図３−７）。この時の処理温度は約８４０℃とする。ここで、電極形成領域１０５ｂは、エッチング後も高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが残っているため、その上から低濃度な拡散を行っても抵抗は低いままである。また、凹部形成領域１０５ａの凹部１０６の内面は、エッチング時に高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが除去された状態となっているが、この拡散処理によって低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌが形成される。

ついで、シリコン基板側面に形成されたＮ型拡散層１０２をプラズマエッチングなどによって除去し、オキシ塩化リン蒸気の存在下で加熱してできたリンガラス層をフッ酸溶液で除去する。その後、プラズマＣＶＤ法によってセル表面にＳｉＮ膜などからなる反射防止膜１０９を形成する（図３−８）。反射防止膜１０９の膜厚及び屈折率は、光反射を最も抑制する値に設定される。なお、屈折率の異なる膜を２層以上積層しても良い。

その後、Ｐ型シリコン基板１０１の表面と裏面とに、それぞれ光入射側電極（グリッド電極１１１、バス電極１１３）と裏面電極（裏面電極１２１、裏側集電電極１２２）とを形成する(図３−９)。

ここではまず、アルミニウムを混入したペーストをＰ型シリコン基板１０１の裏面の全面にスクリーン印刷して、裏面電極１２１を形成する。次に、銀を混入したペーストをＰ型シリコン基板１０１の表面の反射防止膜１０９上に櫛形にスクリーン印刷して、グリッド電極１１１及びバス電極１１３を形成する。その後、焼成処理を行う。なお、グリッド電極１１１及びバス電極１１３の基となるペーストは、電極形成領域１０５ｂ上に印刷される。また、焼成処理は、大気雰囲気中、約７６０℃で実施する。このとき、グリッド電極１１１は、接合部分１１２において、反射防止膜１０９を突き抜けて高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈと電気的に導通する。これにより、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈは、光入射側電極（グリッド電極１１１、バス電極１１３）との良好な抵抗性接合を得る。また、焼成によって裏面電極１２１のアルミニウムがＰ型シリコン基板１０１へと拡散し、Ｐ型シリコン基板１０１の裏面から所定の範囲にＰ^＋層１１０が形成される。

以上のようにして、光起電力装置１００が作製される。

続いて、レーザ照射によって耐エッチング膜１０３に開口１０４を形成する工程について詳細に説明する。

図４は、本発明かかる光起電力装置の製造方法及び製造装置の実施の形態１としてのレーザ加工装置２００Ａの構成の一例を模式的に示す図である。レーザ加工装置２００Ａは、ステージ２０１、レーザ発振部２０２、レーザ強度調整部２０３、ビーム径調整部２０４、反射鏡２０５、回折光学素子２０６、集光レンズ２０７、ｚ軸ステージ２０８及び制御部２２０を備える。

ステージ２０１は、耐エッチング膜１０３が形成されたＰ型シリコン基板１０１を載置し、Ｐ型シリコン基板１０１と平行な面内（ｘｙ平面内）で移動させる。レーザ発振部２０２は、レーザ光Ｌを出力する。レーザ強度調整部２０３は、レーザ光Ｌのレーザビーム強度を調整する。ビーム径調整部２０４は、レーザ光Ｌのビーム形状を調整して拡大する。反射鏡２０５は、１又は複数枚が設けられており、レーザ光Ｌを反射させながら光路へ導く。回折光学素子２０６は、レーザ光Ｌを複数のレーザ光に分岐させる。集光レンズ２０７は、レーザ光Ｌを加工対象上に集光する。ｚ軸ステージ２０８は、Ｐ型シリコン基板１０１との距離を調整する。制御部２２０は、レーザ発振のタイミングやステージ２０１の移動やｚ軸ステージ２０８の変位などを制御する。

ｚ軸ステージ２０８による集光レンズ２０７と加工対象との距離の調整時には、回折光学素子２０６と集光レンズ２０７との距離は一定であることが望ましく、ｚ軸ステージ２０８上に回折光学素子２０６及び集光レンズ２０７の両者を設置することが望ましい。

本実施の形態においては、レーザ発振部２０２として、ＴＥＭ００モードの繰り返し周波数が１０ｋＨｚのＱ−スイッチＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの２倍波レーザ（波長５３２ｎｍ）を使用する。この波長は、加工対象である耐エッチング膜１０３を構成するＳｉＮ膜での吸収係数が比較的高く、波長が短いために加工の許容深度を深くすることができ、また微細な加工が可能な波長である。

より高次の高調波、例えば３倍波や４倍波は、さらに吸収係数が高いために、これらを使用すると加工品質がさらに向上する。しかし、これらの高調波レーザは、一般的に出力が低いため、レーザビーム分岐を多くできず、生産性が低下する。また、紫外線であるためレーザ強度調整部２０３やビーム径調整部２０４、反射鏡２０５、回折光学素子２０６、集光レンズ２０７といった光学素子がダメージを受けやすく、取り扱いが困難であるというデメリットもある。

一方、基本波を使用すると、出力は高いが吸収係数が急激に低下するため、生産性及び加工品質が低下してしまう。

以上の理由により、本実施の形態では、生産性、メンテナンス性及び加工品質のバランスの良い２倍波レーザを使用する。なお、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの他に、Ｎｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザや、Ｎｄ：ＹＬＦ（Yttrium Lithium Fluoride）レーザの２倍波を使用することもできる。

シリコン及び耐エッチング膜での吸収係数が高く、ビーム品質の高いレーザを使用することで、レーザ光の集光径を小さくした場合でも、加工の許容深度を深くすることが可能である。そのため、本実施の形態では、ＴＥＭ００モードのレーザ光を使用している。

このようなレーザ加工装置２００Ａにおいて、レーザ発振部２０２から出力されるレーザ光Ｌは、加工に適したビーム強度となるようにレーザ強度調整部２０３で強度が調整された後、ビーム径調整部２０４によって拡大及び平行光線化され、反射鏡２０５で光路が変更された後、回折光学素子２０６に入射される。回折光学素子２０６での回折によって複数のレーザ光に分岐された後、集光レンズ２０７で集光され、ステージ２０１上に載置したＰ型シリコン基板１０１上に設けられた耐エッチング膜１０３に、微細な周期パターンを形成する。この結果、集光スポットが照射される位置においては、耐エッチング膜１０３に開口１０４が開けられ、下地のＰ型シリコン基板１０１の表面が露出する。

集光レンズ２０７によって形成されるビームスポットの大きさは、集光レンズ２０７の焦点距離及び集光レンズ２０７への入射ビーム径によって決定され、焦点距離に比例し、入射ビーム径に反比例する。すなわち、焦点距離を長く設定したり、入射ビーム径を小さく設定すると、ビームスポットは大きくなり、ビーム発散角度は小さくなる。微細なパターンを加工するためには、一般的にビームスポットの大きさを小さくする必要があり、ビーム発散角度が大きくなるため、集光レンズ２０７と加工対象の表面との距離が僅かに変化しただけで、ビームスポットが拡大してしまい、結果として強度（エネルギー密度）が低下し、開口１０４を形成できなくなってしまう。また、Ｐ型シリコン基板１０１は、基板ごとに厚さにばらつきがあり、さらに同じ基板内でも面内で厚さが均一とは限らない。この厚さの変化に起因して生じる集光レンズ２０７と加工対象の表面との距離の変化により、開口１０４を形成できない領域が生じる場合がある。これを防ぐためには、ビーム発散角度の小さい、すなわちビームスポットの大きいレーザビームによって微細なパターンを加工する必要がある。

ここでは、回折光学素子２０６によるレーザビーム分岐パターンのピッチ（分岐レーザビームの間隔）に対して、ビームスポットの大きさを大きくして調整することで、レーザビーム分岐パターン中の近接するビーム同士の干渉を利用して微細なパターンを形成する。

図５に、本実施の形態におけるレーザビーム分岐パターンとビームスポットとの関係の一例を模式的に示す。図５には、レーザ光Ｌを二次元のパターン（２行１１列のマトリクス状のパターン）に分岐させた状態を示している。図中ではレーザビーム分岐パターン３００として分岐されたレーザビームの各中心を黒丸で示した。ビームスポット３０１は円で示している。この円上ではレーザビーム強度がビームの中心の強度のｅ２乗分の１となる。レーザビームは、ＴＥＭ００なので、この円内にレーザビームのエネルギーの約８７％が含有される。ここでは、レーザビーム分岐パターンのピッチを約２０μｍ、ビームスポット径を約６０μｍと設定した。

レーザビームの強度が重なる領域では、レーザビームは干渉し微細なパターンが形成される。レーザビーム分岐パターン３００とビームスポット３０１とによって形成された耐エッチング膜１０３上の開口１０４の様子を、図６に模式的に示す。回折光学素子２０６によるレーザビーム分岐パターン３００のピッチよりも微細なパターンを形成できるため、同面積の耐エッチング膜１０３を加工するためのビーム分岐数を減らすことが可能であり、生産性が低下することはない。また、分岐させたレーザビームが重なり合った部分では、複数のビームスポット３０１のエネルギーが合成されて耐エッチング膜１０３に作用するため、レーザ発振部２０２から出力されるレーザ光Ｌは、レーザビーム分岐パターン３００中の近接するビーム同士を干渉させない場合よりも少ないエネルギーであっても開口１０４を形成可能となる。すなわち、少ない消費電力で耐エッチング膜１０３に開口１０４を形成可能である。

そして、Ｐ型シリコン基板１０１表面の広い範囲に開口１０４を設けるため、レーザ照射時には、レーザ加工装置２００Ａは、Ｐ型シリコン基板１０１を設置したステージ２０１又はＰ型シリコン基板１０１上に照射されるレーザ光Ｌを所定の方向に走査する。また、レーザ発振部２０２による繰り返し周波数でレーザ光Ｌが出力される１周期ごとに、開口１０４を形成するように、レーザ光Ｌの走査速度が制御部２２０によって制御される。なお、本明細書において、レーザ光Ｌの「走査」とは、レーザ光Ｌがステージ２０１に対して相対的に移動する状態を示し、レーザ光Ｌをステージ２０１に対して移動させる場合と、ステージ２０１をレーザ光Ｌに対して移動させる場合との両方を含む。

回折光学素子２０６によるレーザビーム分岐パターン３００のピッチに対して、ビームスポット３０１の大きさを大きく調整し、レーザビーム分岐パターン３００中の近接するビーム同士の干渉を利用して微細なパターンを形成することで、シリコン基板ごとの厚さのばらつきや、基板厚さの面内分布が存在しても、耐エッチング膜１０３上に微細なピッチで開口１０４を形成できる。すなわち、本実施の形態にかかるレーザ加工装置は、集光スポットサイズの大きいレーザビームで耐エッチング膜１０３に微細なレーザパターニングを行うことができる。

実施の形態２．
本発明にかかる光起電力装置の製造方法の実施の形態２は、レーザ光を用いて耐エッチング膜に開口を形成する工程でのレーザ光の走査方法のみが実施の形態１と異なる。よって、以下の説明では、実施の形態１と異なる部分のみを説明し、同一の部分については説明を省略する。図７は、本発明にかかる光起電力装置の製造方法の実施の形態２としてのレーザ加工装置の構成の一例を模式的に示す図である。レーザ加工装置２００Ｂは、ステージ２０１、レーザ発振部２０２、レーザ強度調整部２０３、ビーム径調整部２０４、反射鏡２０５、回折光学素子２０６、集光レンズ２０７、ｚ軸ステージ２０８、ビーム偏向部２０９及び制御部２２０を有する。ステージ２０１は、耐エッチング膜１０３が形成されたＰ型シリコン基板１０１を載置し、加工対象と平行な面内で移動させる。レーザ発振部２０２は、レーザ光Ｌを出力する。レーザ強度調整部２０３は、レーザ光Ｌのレーザビーム強度を調整する。ビーム径調整部２０４は、レーザ光Ｌのビーム形状を調整して拡大する。反射鏡２０５は、１又は複数枚が設けられており、レーザ光Ｌを反射させながら光路へ導く。回折光学素子２０６は、レーザ光Ｌを複数のレーザ光に分岐させる。集光レンズ２０７は、レーザ光Ｌを加工対象上に集光する。ｚ軸ステージ２０８は、Ｐ型シリコン基板１０１との距離を調整する。ビーム偏向部２０９は、レーザ光Ｌを加工対象面上で二次元的に走査する。制御部２２０は、レーザ発振のタイミングやステージ２０１の移動やｚ軸ステージ２０８の変位、ビーム偏向部２０９によるビーム偏向などを制御する。

レーザ加工装置２００Ｂにおいて、レーザ発振部２０２から出力されるレーザ光Ｌは、加工に適したビーム強度となるようにレーザ強度調整部２０３で強度が調整された後、ビーム径調整部２０４によって拡大及び平行光線化され、反射鏡２０５で光路が変更された後、回折光学素子２０６に入射される。回折光学素子２０６での回折によって複数のレーザ光に分岐された後、ビーム偏向部２０９によって偏向される。ビーム偏向部２０９は、ガルバノミラーやポリゴンミラーを使用することができ、ステージ２０１のみでレーザビームを走査する場合と比較して数倍以上の高速ビーム走査が可能となる。その後、集光レンズ２０７で集光され、ステージ２０１上に載置したＰ型シリコン基板１０１上に形成された耐エッチング膜１０３に、微細な周期パターンを形成する。ステージ２０１とビーム偏向部２０９とを組み合わせることで、高速のビーム走査が可能である。

レーザ発振部２０２は、実施の形態１と同じように、ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの２倍波レーザなどを用いることができる。ビーム走査速度の高速化にあわせて、レーザ発振の繰り返し周期を高く設定することとなる。

集光レンズ２０７には、ビーム偏向部２０９によって偏向されたレーザビームを規則正しく耐エッチング膜１０３に集光するためにｆθレンズを使用する。偏向ビームとｆθレンズとの組み合わせにより、加工対象と集光レンズ２０７との距離変化時には、収差の影響によりガウシアンビームを仮定して計算されるビーム発散角以上にビーム形状が変化する。この収差によるビーム形状の変化は、レンズへの入射ビーム径が拡大するとより顕著になる。集光レンズ２０７への入射ビーム径を小さくすることで、ビーム発散角の縮小と同時に収差による影響も低減される。

偏向ビームとｆθレンズとを組み合わせて使用した場合も、ビームスポットの大きさを回折光学素子２０６によるレーザビーム分岐パターンのピッチよりも大きく調整し、回折光学素子２０６によるレーザビーム分岐パターンの近接するビーム同士の干渉によって微細な周期パターンを形成する。これにより、Ｐ型シリコン基板１０１の厚さのばらつき、面内厚さ分布が発生した場合でも、耐エッチング膜１０３に開口１０４を形成できる。

本実施の形態によれば、実施の形態１よりも高速かつ安定して耐エッチング膜１０３に開口１０４を形成できる。加工の高速化により光起電力装置の製造に必要なレーザ加工機の台数を低減できるため、製造コストを削減できる。なお、レーザによる耐エッチング膜１０３への開口１０４の形成以外については実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
本発明にかかる光起電力装置の製造方法の実施の形態３は、Ｐ型シリコン基板が多結晶シリコン基板ではなく単結晶シリコン基板であることと、テクスチャ構造を形成するためのエッチング工程を、実施の形態１や実施の形態２における混酸系のエッチング液を用いた等方性エッチングではなく、ＮａＯＨやＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いた異方性エッチングによって行うこととで実施の形態１、２と相違する。よって、以下の説明では、実施の形態１、２と異なる部分のみを説明し、同一の部分については説明を省略する。

民生用光起電力装置に最も多く使用されているのは多結晶シリコン基板であるが、宇宙用や家庭用など設置面積に制限がある環境用の光起電力装置として単結晶シリコン基板を使用したものがある。単結晶シリコン基板を使用した光起電力装置は、多結晶シリコン基板を使用したものと比較して基板コストは高いが、結晶方位及び結晶の品質が揃っているため高効率である。

一般に、単結晶シリコン基板を使用した光起電力装置の製造においては、アルカリエッチングの異方性を利用してランダムのピラミッド状又は逆ピラミッド状のテクスチャ構造が形成される。

ランダムのピラミッド状のテクスチャ構造は、耐エッチング膜を形成することなくアルカリエッチングすることによって、エッチング条件に応じた値を中央値とする大きさで形成される。このため、実施の形態１、２のように、光入射側電極形成部を避けてテクスチャを形成し、Ｎ型拡散の濃度をパターニングする（電極形成領域には高濃度Ｎ型拡散層を、凹部形成領域には低濃度Ｎ型拡散層を形成する）構造の光起電力装置を製造する場合には、ランダムのピラミッド状のテクスチャ構造を採用することはできない。

一方、逆ピラミッド状のテクスチャ構造は、実施の形態１、２とほぼ同様のプロセスであり、単結晶シリコン基板上に耐エッチング膜を形成し、耐エッチング膜に開口を形成し、アルカリ溶液による異方性エッチングを行うことによってテクスチャが形成される。すなわち、逆ピラミッド状の場合は、テクスチャ構造のパターニングが可能ではある。ただし、フォトリソグラフィを使用して耐エッチング膜に開口を形成していたため、コストの面で問題があった。

このため、本実施の形態では、回折光学素子を使用してレーザビームを分岐し、レーザビーム分岐パターンのピッチよりも大きく調整したビームスポットによって単結晶シリコン基板の上に形成した耐エッチング膜に微細なパターンの開口を形成する。分岐したレーザビームの干渉により、ビームスポットサイズ及びレーザビーム分岐パターンのピッチよりも小さいピッチで開口を形成できる。そして、耐エッチング膜に形成した開口を介して、アルカリ溶液で単結晶シリコン基板を異方性エッチングし、逆ピラミッド状のテクスチャ構造を形成する。

本実施の形態においては、大きなビームスポットサイズとすることで、ビーム発散角度を小さくできるため、シリコン基板に面内平均厚さの基板ごとのばらつきや厚さの面内分布によらず、安定なレーザ加工を実施できる。実施の形態１、２で説明したように、レーザビーム分岐パターンで近接するレーザビーム同士の干渉を使用して微細なパターンを形成するため、開口の形状は比較的不揃いとなる。

図８は、実施の形態１、２にかかるレーザ加工装置を用いて形成される光起電力装置のテクスチャ形状を模式的に示す断面図である。また、図９は、実施の形態３にかかるレーザ加工装置を用いて形成される光起電力装置のテクスチャ形状を模式的に示す断面図である。実施の形態１、２においては等方性エッチングを行うため、近接する凹部同士が繋がるまでエッチングを進めると、一部の凹部同士の間では、繋がった凹部の境界がならされるようにエッチングが進展する。この結果、図８中に矢印で示すように、テクスチャ構造の一部が平坦となるため、テクスチャによる反射率低減効果が低下してしまう。

一方、単結晶シリコン基板と異方性エッチングとを組み合わせた本実施の形態においては、凹部同士が繋がった場合でも平坦になりにくく、テクスチャ構造による反射率低減効果が減少する割合は小さい。すなわち、耐エッチング膜に形成する開口パターンが比較的不規則であっても、反射率低減効果が減少する程度が小さい。したがって、より反射率低減効果の高いテクスチャ構造を形成することができ、変換効率の高い光起電力装置を製造可能である。

なお、上記の各実施の形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらの実施の形態において用いた数値に限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかる光起電力装置の製造方法及び製造装置は、集光スポットサイズの大きいレーザビームで耐エッチング膜に微細なレーザパターニングを行える点で有用であり、特に、結晶シリコン太陽電池の歩留まりを向上させるのに適している。

１００ 光起電力装置
１０１ Ｐ型シリコン基板
１０２ Ｎ型拡散層
１０２Ｈ 高濃度Ｎ型拡散層
１０２Ｌ 低濃度Ｎ型拡散層
１０３ 耐エッチング膜
１０４ 開口
１０５ａ 凹部形成領域
１０５ｂ 電極形成領域
１０６ 凹部
１０９ 反射防止膜
１１０ Ｐ^＋層
１１１ グリッド電極
１１２ 接合部分
１１３ バス電極
１２１ 裏面電極
１２２ 裏側集電電極
２００Ａ、２００Ｂ レーザ加工装置
２０１ ステージ
２０２ レーザ発振部
２０３ レーザ強度調整部
２０４ ビーム径調整部
２０５ 反射鏡
２０６ 回折光学素子
２０７ 集光レンズ
２０８ ｚ軸ステージ
２０９ ビーム偏向部
２２０ 制御部
３００ レーザビーム分岐パターン
３０１ ビームスポット

Claims (5)

1. 反射率の低減及び装置内への光の閉じ込めのための微細な凹凸構造をシリコン基板の表面に備えた光起電力装置の製造方法であって、
   前記シリコン基板の表面に耐エッチング性を有する耐エッチング膜を形成する工程と、
   回折光学素子で分岐させたレーザビームによって前記耐エッチング膜に前記凹凸構造の凹部に対応する開口を形成する開口形成工程と、
   前記耐エッチング膜をマスクとして前記シリコン基板をエッチングして、前記凹凸構造を形成する工程とを有し、
   前記開口形成工程においては、分岐レーザビームの各々の前記耐エッチング膜上でのビームスポット径を、該分岐レーザビームのピッチよりも大きくして、隣接するビームスポット同士を干渉させることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
2. 前記開口形成工程においては、前記分岐させたレーザビームを偏向させ、該偏向させたレーザビームをｆθレンズによって前記耐エッチング膜に集光させることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置の製造方法。
3. 前記シリコン基板として単結晶シリコンからなる基板を用い、前記エッチングの際に異方性エッチングを行って前記凹凸構造を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光起電力装置の製造方法。
4. 反射率の低減及び装置内への光の閉じ込めのための微細な凹凸構造をシリコン基板の表面に備えた光起電力装置の製造装置であって、
   レーザビームを出力するレーザ発振手段と、
   前記レーザビームを２以上に分岐させて分岐レーザビームを形成する回折光学素子と、
   前記シリコン基板の表面に形成された耐エッチング性を有する耐エッチング膜に前記分岐レーザビームを集光させる集光レンズとを有し、
   前記回折光学素子は、前記分岐レーザビームの各々を、前記耐エッチング膜上でのビームスポット径よりも狭いピッチで分岐させて、隣接するビームスポット同士に干渉を生じさせることを特徴とする光起電力装置の製造装置。
5. 前記分岐レーザビームを偏向させる手段をさらに有し、
   前記集光レンズはｆθレンズであることを特徴とする請求項４に記載の光起電力装置の製造装置。

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