JP2011200934A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電層内のダングリングボンドの生成を抑制させ、微結晶領域を充分に酸化、絶縁物化することで、被加工物である半導体装置におけるリーク電流の抑制、発電効率の向上を実現するためのレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ること。
【解決手段】被処理基板５に塗布された半導体材料の一部をレーザ加工により除去するレーザ加工装置であって、被処理基板５のうちレーザ加工を施す部分を含む領域に赤橙色光を照射する赤橙色光源２２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法、特に、半導体装置の製造のためのレーザ加工装置に関する。

太陽電池は、より一層の普及のために、製造コストの削減がきわめて重要な課題となっている。大型パネルの配線のパターニングには、リソグラフィーやエッチング等の高コストな方法を採用することは現実的ではないことから、レーザ照射により必要な部分だけを取り除くレーザ加工が用いられている。

ガラス基板を用いたスーパーストレイト構造の薄膜太陽電池の場合、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜、もしくはアモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）膜等からなる発電層と、透明導電膜層とをライン状に除去する工程が必要となる。可視光を透過させ赤外（ＩＲ）光を吸収する透明導電膜層は、ＩＲレーザが照射されると光吸収により急激に加熱され、昇華する（アブレーション）ことにより基板上から除去される。

水素原子（Ｈ）を含有するａ−Ｓｉ膜やａ−ＳｉＧｅ膜等の発電層は、可視光を吸収し、ＨとＳｉの結合が切断される。発電層は、気体水素（Ｈ_２）が急激に膜中に発生することで爆発的な作用（この作用を、以下「マイクロエクスプロージョン」と称する）により基板上から除去される。マイクロエクスプロージョンは、発電層を除去する他に、残存部分の温度上昇も引き起こす。ａ−Ｓｉ膜やａ−ＳｉＧｅ膜は、残存部分のうち除去された部分に近い部分で、温度上昇による微結晶化が生じることとなる。微結晶化したＳｉやＳｉＧｅは、ａ−Ｓｉやａ−ＳｉＧｅよりも導電率が高いため、リークパスとして働く。これが太陽電池セルのリーク電流を増加させ、太陽電池の発電効率を低下させる原因となる。

この問題に関して、例えば特許文献１には、発電効率の向上を目的として、微結晶化した部分を酸化により絶縁物化させる技術が提案されている。かかる技術によると、レーザ加工の後、酸素（Ｏ_２）雰囲気中における深紫外（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ（ＤＵＶ））レーザの照射によって、励起状態の酸素原子（Ｅｘｃｉｔｅｄ ｓｔａｔｅ ｏｘｙｇｅｎ ｒａｄｉｃａｌ）Ｏ（^１Ｄ）と、基底状態の酸素原子（Ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ ｏｘｙｇｅｎ ｒａｄｉｃａｌ）Ｏ（^３Ｐ）とに、Ｏ_２を分解する。Ｏ（^３Ｐ）と、反応性の高いＯ（^１Ｄ）とにより、微結晶化した部分を酸化し、絶縁物化することにより、リーク電流を抑制し、発電効率を向上させる。

特開２００５−１０１４１２号公報

かかる先行技術には、以下のような問題がある。Ｏ_２をＯ（^１Ｄ）とＯ（^３Ｐ）とに解離するには、波長１７５ｎｍ以下（光子エネルギー７．０８ｅＶ以上）のＤＵＶレーザを要する。このＤＵＶレーザは極めてエネルギーが高いことから、基板や透明導電膜層で散乱した光が発電層内に侵入すると、Ｓｉ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｈ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｇｅ−Ｈ等の結合が容易に切断される。このため、Ｓｉダングリングボンド、もしくはＧｅダングリングボンドが生成され、膜中に多量のキャリアトラップセンターが生成されることとなる。キャリアトラップセンターは、光子の吸収によって生成したキャリア（電子やホール）を捕獲するため、発電効率の低下を引き起こす。したがって、微結晶層の絶縁物化によりリーク電流が低減可能であっても、ダングリングボンドでのキャリアの捕獲によって発電効率が低下するため、全体として大きな効果を得ることができない。

また、Ｏ_２からＯ（^１Ｄ）とＯ（^３Ｐ）とへの分解は、酸化すべき微結晶領域から離れた場所で生じる一方、分解状態を維持できる期間が極めて短い（例えば１０^−７秒程度）。Ｏ（^１Ｄ）は、微結晶領域に到達する前に大部分が失活し、Ｏ（^３Ｐ）に変化してしまう。Ｏ（^３Ｐ）は、別のＯ（^３Ｐ）との衝突によるＯ_２への変化や、Ｏ_２との衝突によるＯ_３への変化などで、さらに安定な分子へと変化してしまう。Ｏ_３は、３００℃以上では、活性なＯ（^３Ｐ）と安定なＯ_２分子に熱分解するが、３００℃以下では安定な分子であってそれ自体の反応性は高くない。発電層や透明導電膜層におけるＤＵＶ光の吸収率は高くないため、温度上昇は小さいことから、一旦安定なＯ_３へ変化すると、再び活性なＯ（^３Ｐ）やＯ（^１Ｄ）を生成することはない。このため、微結晶領域に到達するＯ（^１Ｄ）やＯ（^３Ｐ）は比較的少量でしかないことになる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発電層内のダングリングボンドの生成を抑制させ、微結晶領域を充分に酸化、絶縁物化することで、被加工物である半導体装置におけるリーク電流の抑制、発電効率の向上を実現するためのレーザ加工装置およびレーザ加工方法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、被処理基板に塗布された半導体材料の一部をレーザ加工により除去するレーザ加工装置であって、前記被処理基板のうち前記レーザ加工を施す部分を含む領域に赤橙色光を照射する赤橙色光源を有することを特徴とする。

Ｏ_３は、レーザ加工により加熱された微結晶領域に接触しない限り熱分解せず、微結晶領域に到達して初めてＯ（^３Ｐ）を生成する。Ｏ（^３Ｐ）は、微結晶領域で赤橙色光により励起され、Ｏ（^１Ｄ）を生成する。Ｏ（^１Ｄ）は、微結晶領域に到達する以前で失活することは無く、非常に効率良く微結晶領域へ供給され、微結晶領域を酸化する。また、エネルギーが極めて高いＤＵＶ光やＵＶ光を用いないため、発電層内におけるダングリングボンド等の欠陥の生成も抑制される。これにより、新たな欠陥を生成せずに微結晶領域を酸化させ、リーク電流の抑制、発電効率の向上を実現できる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成図である。 図２は、被処理基板のうち加工を施す部分とその周辺の断面模式図である。 図３は、図２に示す微結晶領域とその周辺を拡大して表し、微結晶領域の側壁表面および内部で起きる反応を説明する図である。 図４は、Ｏ_３が熱分解してＯ（^３Ｐ）を発生する際のＯ（^３Ｐ）生成能力の温度依存性を示すグラフである。 図５は、Ｏ_２およびＯ_３の、光吸収によるＯ（^３Ｐ）やＯ（^１Ｄ）への励起の様子を比較して示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の概略構成図である。 図７は、被処理基板のうち加工を施す部分とその周辺の断面模式図である。 図８は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工装置の概略構成図である。 図９は、被処理基板のうち加工を施す部分とその周辺の断面模式図である。

以下に、本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工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。本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、微結晶領域の酸化方法における、特に以下の（１）から（５）の事項を特徴とする。
（１）ＤＵＶ光やＵＶ光を用いない。
（２）５８０ｎｍから６３０ｎｍの波長の赤橙色光を用いる。
（３）レーザ加工と同時に微結晶領域の酸化を行う。
（４）オゾン（Ｏ_３）ガスを用いる。
（５）Ｏ（^１Ｄ）およびＯ（^３Ｐ）を微結晶領域表面もしくは内部で生成する。

レーザ加工装置は、Ｏ_３の熱分解と、それによって生成されたＯ（^３Ｐ）の赤橙色光励起の２段階によって、Ｏ（^１Ｄ）を生成する。Ｏ_３の熱分解効率は、図４に示すように、３００℃以上で上昇する。また、Ｏ（^３Ｐ）は、図５に示すように、約１．９７ｅＶ程度の光を吸収することにより、Ｏ（^１Ｄ）へと励起される。１．９７ｅＶは６２９．３ｎｍに相当する。また、５８０ｎｍから６３０ｎｍの波長の光は、例えば、「橙色寄りの波長域の赤色光」、「橙色光」、あるいは「橙色に非常に近い波長域の黄色光」に相当するものとされるが、色と色との境界は明確ではなく、厳密には波長で定義されるべきものである。ここでは、５８０ｎｍから６３０ｎｍの波長の光を総称して「赤橙色光」と呼ぶこととする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成図である。被処理基板５は、本実施の形態にかかるレーザ加工装置による加工対象であって、例えばスーパーストレイト型太陽電池基板である。レーザ加工装置は、被処理基板５に塗布された半導体材料の一部をレーザ加工により除去する。

処理室１は、レーザ加工を実施するための空間をなす筐体であって、被処理基板５を収容可能に形成されている。処理室１は、所定条件下でのレーザ加工のために、内部空間を装置外部から隔絶し、内部の雰囲気および圧力を維持する。また、処理室１は、内部で発生するレーザ光やその他の光が外部に漏れないように遮断する機能を有する。

ゲートバルブ２は、被処理基板５を処理室１に導入する際に開かれ、被処理基板５が処理室１に導入された後に閉じられる。ゲートバルブ３は、処理室１から被処理基板５を導出する際に開かれ、処理室１から被処理基板５が導出された後に閉じられる。ゲートバルブ２、３は、閉じられることにより処理室１を密閉し、処理室１内の雰囲気および圧力の維持、レーザ光等の外部への漏れ防止の機能を果たす。

搬送コンベア４は、処理前の被処理基板５を処理室１内に搬入し、処理後の被処理基板５を処理室１外へ搬出する。また、搬送コンベア４は、処理室１内において被処理基板５を支持する。オゾン発生器６は、Ｏ_３を発生し、Ｏ_３とＯ_２との混合ガスを処理室１内に供給する機能を有する。オゾン発生器６によって供給される混合ガスは、Ｏ_３が例えば５％から１５％含まれている。

排気ポンプ７は、オゾン発生器６によって処理室１内へ供給された混合ガスと同量のガスを処理室１から排気することで、処理室１内の圧力を一定に維持する機能を有する。また、排気ポンプ７は、有害なＯ_３をほぼ完全に分解し、無害なＯ_２に変化させてから外部に放出する機能を有する。処理室１内の圧力は、例えば、１×１０^２Ｐａから２×１０^５Ｐａの範囲内で一定の値に制御される。

可視光レーザ２１は、被処理基板５のうち加工を施す部分に集光させたレーザ光を照射する機能を有する。可視光レーザ２１は、例えば、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）レーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ（緑色））を射出する。なお、図１には、可視光レーザ２１からのレーザ光を被処理基板５の下側から照射するものとして示しているが、上側から照射するものとしても良い。また、可視光レーザ２１は、被処理基板５の任意の位置にレーザ光を照射できるように、処理室１内を移動可能に構成されている。被処理基板５の任意の位置を加工するには、可視光レーザ２１を移動する他、可視光レーザ２１を固定し被処理基板５を移動することとしても良く、可視光レーザ２１および被処理基板５の双方を移動することとしても良い。

赤橙色光源２２は、５８０ｎｍから６３０ｎｍの範囲内の波長の赤橙色光であるレーザ光を、被処理基板５のうち加工を施す部分とその周辺領域に照射する機能を有する。赤橙色光源２２は、加工位置から例えば１００μｍ以上までの領域に赤橙色光を照射する。赤橙色光源２２は、可視光レーザ２１に固定され一体として処理室１内を移動可能、もしくは可視光レーザ２１と同期して処理室１内を移動可能に構成されている。なお、図１には、赤橙色光源２２からの赤橙色光を被処理基板５の下側から照射するものとして示しているが、上側から照射するものとしても良い。

図２は、被処理基板５のうち加工を施す部分とその周辺の断面模式図である。被処理基板５は、スーパーストレイト型太陽電池基板である場合、一般に、ガラス基板４１の上に、透明電極４２、発電層４３、反射電極４４が形成された構造をしている。発電層４３は、ａ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＧｅ等のアモルファス半導体を少なくとも１つ含む半導体層から構成されている。本発明は、レーザ加工における発電層４３への作用を特徴とするものであって、少なくとも発電層４３を備える被処理基板の加工に適用可能である。本発明は、透明電極４２や反射電極４４が設けられていない被処理基板の加工に適用しても良い。

可視光レーザ２１からのレーザ光を被処理基板５に照射すると、発電層４３は、マイクロエクスプロージョンによって、その上層の反射電極４４を伴ってガラス基板４１上から脱離する。このとき、発電層４３の下層の透明電極４２は除去されず、ガラス基板４１上に残る。レーザ光が照射されなかった領域の発電層４３および反射電極４４は、除去されずガラス基板４１上に残る。残された発電層４３のうち、除去された部分に近い部分は、レーザ光の照射によって温度が少なくとも５００℃以上にまで上昇し、微結晶化が起きる。微結晶化によって形成された微結晶領域４５は、発電層４３のうち微結晶化していない部分よりも導電率が高いことから、反射電極４４と透明電極４２との間のリークパスとして働くことになる。

図３は、図２に示す微結晶領域４５とその周辺を拡大して表し、微結晶領域４５の側壁表面および内部で起きる反応を説明する図である。微結晶領域４５の温度は少なくとも５００℃以上に上昇するため、微結晶領域４５に到達したＯ_３はその熱を受けて熱分解する。以下に示す反応によって、Ｏ_２とＯ（^３Ｐ）が生成される。
Ｏ_３＋熱 → Ｏ_２＋Ｏ（^３Ｐ）

図４は、Ｏ_３が熱分解してＯ（^３Ｐ）を発生する際のＯ（^３Ｐ）生成能力の温度依存性を示すグラフである。Ｏ（^３Ｐ）の生成能力は３００℃以上において急激に上昇し、５００℃以上では高濃度のＯ（^３Ｐ）が微結晶領域４５の側壁表面で生成されることを示している。Ｏ_３は、レーザ加工により加熱された微結晶領域４５に接触しない限り熱分解せず、微結晶領域４５に到達して初めてＯ（^３Ｐ）を生成する。

図５は、Ｏ_２およびＯ_３の、光吸収によるＯ（^３Ｐ）やＯ（^１Ｄ）への励起の様子を比較して示す図である。Ｏ_２は、波長２４２．４ｎｍ以下（５．１１ｅＶ以上）のＤＵＶ光を吸収して、Ｏ（^３Ｐ）に励起される。また、Ｏ_２は、波長１７５ｎｍ以下（７．０８ｅＶ以上）のＤＵＶ光を吸収して、Ｏ（^１Ｄ）に励起される。

一方、Ｏ_３は、波長１１８１ｎｍ以下（１．０５ｅＶ以上）のＩＲ光を吸収して、Ｏ（^３Ｐ）に励起される。また、Ｏ_３は、波長４１０．５ｎｍ以下（３．０２ｅＶ以上）のＵＶ光を吸収して、Ｏ（^１Ｄ）に励起される。なお、Ｏ（^３Ｐ）は、波長６２９．３ｎｍ以下（１．９７ｅＶ以上）の赤橙色光を吸収して、Ｏ（^１Ｄ）に励起される。図３に示す微結晶領域４５の側壁表面や側壁表面近傍の内部には、赤橙色光源２２からの赤橙色光が照射されている。Ｏ_３の熱分解によって生成したＯ（^３Ｐ）は、この赤橙色光を吸収し、以下に示すようにＯ（^１Ｄ）に励起される。
Ｏ（^３Ｐ）＋赤橙色光 → Ｏ（^１Ｄ）

励起状態にあるＯ（^１Ｄ）は反応性が非常に高いことから、微結晶領域４５はＯ（^１Ｄ）によって酸化され、酸化物へ変化する。例えば、ａ−Ｓｉからなる発電層４３の場合、以下の反応によってＳｉＯ_２が生成される。
Ｏ（^１Ｄ）＋Ｓｉ → ＳｉＯ_２

このようにして、導電率の高い微結晶領域４５を絶縁性の高い酸化物へ変化させることで、リーク電流を抑制させることが可能となる。Ｏ（^１Ｄ）は、微結晶領域４５に到達する以前で失活することは無く、非常に効率良く微結晶領域４５へ供給される。また、エネルギーが極めて高いＤＵＶ光やＵＶ光を用いないため、発電層４３内におけるダングリングボンド等の欠陥発生も抑制される。これにより、新たな欠陥を生成せずに微結晶領域４５を酸化させ、リーク電流の抑制、発電効率の向上を実現できる。高濃度のＯ_３を供給することにより、多数のＯ（^１Ｄ）を発生させ、導電率の高い微結晶領域４５を絶縁性の高い酸化物へ効率的に変化させることができる。

レーザ加工装置は、Ｏ_３とＯ_２との混合ガスに、水蒸気を含ませることとしても良い。Ｏ_３の熱分解により発生したＯ（^３Ｐ）、あるいは赤橙色光で励起されて発生したＯ（^１Ｄ）と、Ｈ_２Ｏとが反応することにより、極めて反応性が高いＯＨラジカルが生成される。このＯＨラジカルによって、導電率の高い微結晶領域４５を絶縁性の高い酸化物へ効率的に変化させることができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の概略構成図である。図７は、被処理基板５のうち加工を施す部分とその周辺の断面模式図である。本実施の形態では、実施の形態１の可視光レーザ２１が赤橙色光レーザ２３に置き換えられている。実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

赤橙色光レーザ２３は、例えば、Ｙｂ添加ファイバレーザ（波長５８０〜５９０ｎｍ）等である。赤橙色光レーザ２３は、発電層４３をマイクロエクスプロージョンにより除去する機能と、Ｏ_３の熱分解により生成されたＯ（^３Ｐ）をＯ（^１Ｄ）に励起する機能とを兼ね備える。

本実施の形態も、実施の形態１と同様に、導電率の高い微結晶領域４５（図３参照）を絶縁性の高い酸化物へ変化させ、リーク電流の抑制、発電効率の向上を実現できる。さらに、本実施の形態では、レーザ加工装置の構造を簡易化させることで、コストダウンやメンテナンスに要する時間の削減が可能となる。また、処理室１の容積を必要最小限にできることで、処理室１内の雰囲気や圧力の制御に要する時間を短縮でき、生産効率の向上を図ることができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工装置の概略構成図である。図９は、被処理基板５のうち加工を施す部分とその周辺の断面模式図である。本実施の形態では、実施の形態１において可視光レーザ２１とともに移動可能としていた赤橙色光源２２が、被処理基板５の全体に赤橙色光を照射するように設置されている。実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

可視光レーザ２１が処理室１内のいずれの場所に移動しても、赤橙色光源２２からの赤橙色光は常に被処理基板５の全面に照射している。なお、図８には、可視光レーザ２１からのレーザ光を被処理基板５の下側から照射し、赤橙色光源２２からの赤橙色光を被処理基板５の上側から照射するものとして示しているが、これに限られない。可視光レーザ２１および赤橙色光源２２は、被処理基板５の上下いずれの側に設置しても良い。赤橙色光源２２からの赤橙色光は、レーザ光であっても良く、レーザ光以外の光であっても良い。

本実施の形態では、マイクロエクスプロージョンによる発電層４３の除去後、可視光レーザ２１の移動に関わらず、微結晶領域４５への赤橙色光の照射を継続する。充分な時間、微結晶領域４５に赤橙色光を照射することで、Ｏ（^１Ｄ）の生成および微結晶領域４５の酸化を充分に行うことが可能となる。これにより、導電率の高い微結晶領域４５を絶縁性の高い酸化物へと高い効率で変化させ、リーク電流のさらなる抑制、発電効率のさらなる向上が可能となる。

以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、太陽電池基板の配線パターンの形成に有用である。

１ 処理室
２、３ ゲートバルブ
４ 搬送コンベア
５ 被処理基板
６ オゾン発生器
７ 排気ポンプ
２１ 可視光レーザ
２２ 赤橙色光源
２３ 赤橙色光レーザ
４１ ガラス基板
４２ 透明電極
４３ 発電層
４４ 反射電極
４５ 微結晶領域

Claims (10)

1. 被処理基板に塗布された半導体材料の一部をレーザ加工により除去するレーザ加工装置であって、
   前記被処理基板のうち前記レーザ加工を施す部分を含む領域に赤橙色光を照射する赤橙色光源を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記赤橙色光の波長が、５８０ｎｍから６３０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記赤橙色光がレーザ光であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記赤橙色光が前記レーザ加工のためのレーザ光であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記赤橙色光源は、前記被処理基板の全体に前記赤橙色光を照射することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
6. オゾンを含む気体中において前記レーザ加工を実施することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のレーザ加工装置。
7. 前記オゾンと酸素とを混合させた気体中において前記レーザ加工を実施することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記オゾン、前記酸素および水蒸気を混合させた気体中において前記レーザ加工を実施することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記気体中における前記オゾンの濃度が５％から１５％の範囲内であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一つに記載のレーザ加工装置。
10. 被処理基板に塗布された半導体材料の一部をレーザ加工により除去するレーザ加工方法であって、
    前記被処理基板のうち前記レーザ加工を施す部分を含む領域に赤橙色光を照射する工程を含むことを特徴とするレーザ加工方法。

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