JP2011251317A

JP2011251317A - 薄膜の加工方法、薄膜の加工装置、及び光電変換装置の作製方法

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Publication number: JP2011251317A
Application number: JP2010127431A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Tanaka; 幸一郎田中
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: JP5665373B2

Abstract

【課題】レーザを使用する薄膜や光電変換装置の各層の分断工程において、層の一部の剥がれて浮いた状態や、層の電気的な分断の十分でない状態などの不良を抑制する薄膜の加工装置及び加工方法、並びに光電変換装置の作製方法の提供を課題の一とする。
【解決手段】極短パルスレーザとパルスレーザを組み合わせて使用することにより、分断部における熱伝導を抑制しつつ、十分な分断の幅を得ることができ、分断部の層の剥がれや、電気的なショート、リーク電流の発生を抑制できる。これにより、例えば、長寿命で高信頼性を有する光電変換装置を得ることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜の加工方法及び加工装置に係り、開示される発明の一形態は、極短パルスレーザを用いた薄膜の加工方法、薄膜の加工装置、及び光電変換装置の作製方法に関する。

太陽電池などの光電変換装置は、二酸化炭素の排出の無い魅力的な発電手段として良く知られている。光電変換装置は、シリコン半導体や化合物半導体で作製することができ、主な市販品はシリコン半導体を用いている。シリコン半導体を用いた光電変換装置は、単結晶シリコンや多結晶シリコン等のウェハを用いたバルク型と、基板上にシリコン膜を形成した薄膜型に分類することができる。光電変換装置の普及には高い製造コストが障壁となっており、光電変換層を極めて少ない原材料で形成できる薄膜型のものは、低コスト化を実現できるものとして注目されている。その他、化合物半導体として、Ｃｕ（銅）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｅ（セレン）の３種類の元素からなるＣＩＳと呼ばれるものや、それにＧａ（ガリウム）を加えた４種類の元素からなるＣＩＧＳと呼ばれるものなどがあり、それらを用い薄膜型の光電変換装置を作製することができる。

薄膜型の分野では、非晶質シリコン膜を用いた光電変換装置が実用化されているが、バルク型の単結晶シリコンや多結晶シリコンを用いた光電変換装置と比較するとその変換効率は低い。また、光劣化現象等の非晶質シリコン独特の問題を有しており、屋外での大電力発電用途には不向きとされている。そのため、光劣化現象の見られない結晶性シリコン薄膜や化合物半導体薄膜を用いた光電変換装置の高効率化、低コスト化が急がれている。

結晶性シリコン薄膜や化合物半導体薄膜は、気相成長法や固相成長法にて形成できるため、数ｍ四方の大面積化が容易で、量産性に優れている。光電変換装置の基本的な構成は、第１の電極層と光吸収層と第２の電極層の積層構造からなる。光吸収層を成す材料のバンドギャップに相当する電圧が、この構造の光電変換装置より得られる。しかしながら、シリコンに代表される光吸収層の材料のバンドギャップは１ｅＶから２ｅＶと低く、このままではさまざまな電気機器に必要な高電圧を得ることが出来ない。この問題を解決するために、光電変換装置を複数直列につなぎ、高電圧を得る工夫が成されている。具体的には、光電変換装置を構成する薄膜を複数に分断して複数の光電変換装置とし、電気的に直列につなげることが行われている。このような光電変換装置の構成は、集積型モジュールと呼ばれている。当該分断は、第１の電極層と光吸収層と第２の電極層のそれぞれに対して行われる。これら分断には、レーザや、ダイヤモンドや超硬金属の針などが用いられる。これにより、各層を電気的に分断する（特許文献１）。

特開２００９─２６６３２５号公報

レーザや針による各層の分断部には、層の一部が剥がれて浮いた状態や、電気的な分断の十分でない領域などが形成されることがある。針による物理的な手段を用いる場合は、特に分断部の隆起が顕著になるため、各層の密着性が悪化し光電変換装置の性能を大きく低下させる。また、削りカスが大量に発生するため、これも性能低下の原因となる。他方、レーザによる分断は非接触であり、かつ、気化を伴う工程であるため、削りカスの発生が少なく、本工程に有効である。

しかしながら、レーザを使う分断工程は、照射面におけるレーザビームスポットの形状、エネルギー分布に大きく影響され、特にレーザビームスポットの端に形成されるエネルギーの減衰部を照射対象に当ててしまうと、その領域に不十分なエネルギーが供給され、上述したような不具合の発生する原因となった。具体的には、本来、分断部にあたる薄膜をすべて昇華させ、残留物や変形部を残さない工程が理想であるが、与えられるエネルギーが十分でないところでは、熱変形や溶融による電気的な短絡部が生じた。当該不具合は、光電変換装置の初期特性や長期信頼性に影響し、とくに工場や家庭の屋根に搭載するような長寿命の要求される光電変換装置には、深刻な問題となっている。そのため、そのような不具合を起こさない光電変換装置の工法開発が望まれている。

従って、本発明の一形態は、レーザを使用する光電変換装置の各層の分断工程において、層の一部の剥がれて浮いた状態や、層の電気的な分断の十分でない状態などの不良を抑制する光電変換装置の作製方法およびその作製装置の提供を課題とする。

本発明の一形態は、第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットとをパルス周波数を同期させて薄膜に照射する工程を有し、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとはパルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって配置され、当該薄膜に対し、当該両端部を結ぶ直線と垂直な方向に、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとパルスレーザビームスポットとを相対的に走査させ、当該薄膜を分断することを特徴とする薄膜の分断方法である。

本発明の他の一形態は、照射面において線形状を成す第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットとをパルス周波数を同期させて薄膜に照射する工程を有し、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとはパルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって平行に配置され、当該薄膜に対し、当該両端部を結ぶ直線と垂直な方向に、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとパルスレーザビームスポットとを相対的に走査させ、当該薄膜を分断することを特徴とする薄膜の分断方法である。

フェムト秒レーザのパルス幅は１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下であると、加工跡の層の剥がれや浮き、熱による溶融変形が抑制できるため好ましい。

本発明の他の一形態は、フェムト秒レーザと、パルスレーザと、フェムト秒レーザの発するレーザビームを照射面において２つのフェムト秒レーザビームスポットとするフェムト秒レーザビーム整形用光学系と、パルスレーザの発するレーザビームの少なくとも一部を照射面において２つのフェムト秒レーザビームスポットの間に位置させるパルスレーザビーム整形用光学系と、照射面を有する照射対象を搭載するステージと、少なくとも２つのフェムト秒レーザビームスポットを結ぶ直線と垂直かつ照射面を含む方向に、当該２つのフェムト秒レーザビームスポットをステージに対して相対的に動作させる動作部と、フェムト秒レーザとパルスレーザとのパルス周波数を同期させる同期装置とを有することを特徴とする薄膜の分断装置である。

本発明の他の一形態は、フェムト秒レーザと、パルスレーザと、フェムト秒レーザの発するレーザビームを照射面において２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットとするフェムト秒レーザビーム整形用光学系と、パルスレーザの発するレーザビームの少なくとも一部を照射面において２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットの間に位置させるパルスレーザビーム整形用光学系と、照射面を有する照射対象を搭載するステージと、少なくとも２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットの線方向と平行な方向に、当該２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットをステージに対して相対的に動作させる動作部と、フェムト秒レーザとパルスレーザとのパルス周波数を同期させる同期装置とを有することを特徴とする薄膜の分断装置である。

パルスレーザのパルス幅は１００ｐｓ以上１μｓ以下であると、加工跡の層の剥がれや浮き、熱による溶融変形が抑制できるため好ましい。

本発明の他の一形態は、第一の電極を形成する工程と、第一の電極上に半導体層を形成する工程と、半導体層上に第二の電極を形成する工程と、第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットとをパルス周波数を同期させて第一の電極、または半導体層、または第二の電極に照射する工程を有し、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとはパルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって配置され、第一の電極、または半導体層、または第二の電極に対し、当該両端部を結ぶ直線と垂直な方向に、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとパルスレーザビームスポットとを相対的に走査させることを特徴とする光電変換装置の作製方法である。

本発明の他の一形態は、第一の電極を形成する工程と、第一の電極上に半導体層を形成する工程と、半導体層上に第二の電極を形成する工程と、照射面において線形状を成す第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットとをパルス周波数を同期させて第一の電極、または半導体層、または第二の電極に照射する工程を有し、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとはパルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって平行に配置され、第一の電極、または半導体層、または第二の電極に対し、当該両端部を結ぶ直線と垂直な方向に、第１のフェムト秒レーザビームスポットと第２のフェムト秒レーザビームスポットとパルスレーザビームスポットとを相対的に走査させることを特徴とする光電変換装置の作製方法である。

フェムト秒レーザは１台とし、発せられるレーザビームを２つに分岐して、２つのフェムト秒レーザビームスポットを形成してもよい。また、２台のフェムト秒レーザを用い、２つのフェムト秒レーザビームスポットを形成し、パルスを同期させて使用してもよい。また、３台以上のフェムト秒レーザを用い、ビームの合成により２つのフェムト秒レーザビームスポットを形成し、パルスを同期させて使用してもよい。

なお、フェムト秒レーザはパルスレーザの一種であるが、本明細書中においては、パルス幅が１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下のパルスレーザを特にフェムト秒レーザと称することとする。フェムト秒レーザは極短パルスレーザの一種である。また、パルス幅の１ｐｓ以上のものはパルスレーザと称することとする。また、ここでいう「線状」または「線形状」とは、厳密な意味で線を意味しているのではなく、アスペクト比が大きい矩形（例えば、アスペクト比が１０以上（好ましくは１００以上））を意味する。なお、線状とするのは、被照射体に対して十分なレーザ処理を行うためのエネルギー密度を確保するためであり、矩形状や楕円状であっても被照射体に対して十分なレーザ処理を行うことができればよい。

本発明の一形態によれば、光電変換装置の作製工程において、集積型モジュールの形成のための電気的な分断工程を、層の一部が剥がれて浮いた状態や、電気的な分断の十分でない領域などを形成することなく実施することができる。これにより、ショートやリーク電流などの不良の発生を抑制することができる。また、レーザによる当該分断工程は、複数のレーザビームスポットを形成することにより非常に高速に行うことができるため生産性が高く、低コスト化に寄与する。

本発明の一形態に係る、光電変換装置の作製装置の例を示す図照射面におけるレーザビームスポットの形状やエネルギー分布の例を示す図本発明の一形態に係る、光電変換装置の作製装置の例を示す図照射面におけるレーザビームスポットの形状やエネルギー分布の例を示す図光電変換装置を説明する断面図照射面におけるレーザビームスポットの形状の例を示す図光電変換装置を説明する断面図本発明の一実施形態により得た光電変換装置を搭載する電子機器の例を示す図

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一実施形態である光電変換装置の作製装置及びその作製方法について説明する。

図１は、本発明の一実施形態における光電変換装置の作製装置の例である。図２には、当該作製装置にて得られるレーザビームの照射面におけるエネルギー分布の例を示す。また、図５は、当該作製装置を利用して得られる光電変換装置の例を示す断面図である。

まず、本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製装置の例を図１に沿って説明する。当該作製装置は、パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下を有するレーザビームを発するパルスレーザ１０１と、当該レーザビームの一部を遮光するマスク１０４と、当該マスク１０４の像を照射面１０８に投影し、パルスレーザビームスポットとする投影レンズ１０５と、パルス幅１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下を有するレーザビームを発するフェムト秒レーザ１０２と、当該フェムト秒レーザ１０２の発するレーザビームを照射面１０８において線状の第１のフェムト秒レーザビームスポットに整形するフェムト秒レーザビーム整形用光学系１０６と、パルス幅１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下を有するレーザビームを発するフェムト秒レーザ１０３と、当該フェムト秒レーザ１０３の発するレーザビームを照射面１０８において線状の第２のフェムト秒レーザビームスポットにするフェムト秒レーザビーム整形用光学系１０７と、照射面１０８を有する照射対象を搭載するステージ１０９と、照射面１０８と３つのレーザビームスポットとを相対的に移動させる動作部１１０と、レーザパルスの同期装置１１２からなる。これらの構成により、照射面１０８において、所望の形状とエネルギー分布を有するレーザビームスポット１１１が形成される。本実施の形態では、マスク１０４の開口部の形状を四角形としたため、照射面１０８に投影される第１のレーザビームスポットの形状も四角形となる。

ここで、マスク１０４と投影レンズ１０５は、パルスレーザビーム整形用光学系の例である。当該光学系は必ずしもこの例に限らず、回折光学素子や、スリットを照射面に投影する方式のものや、照射面にてエネルギー分布を一様にするビームホモジナイザや、凸レンズのような集光機能を有する光学系やそれらの組み合わせであってもよい。フェムト秒レーザビーム整形用光学系１０６、１０７には、シリンドリカルレンズを用いることができる。その他、回折光学素子や、マスクと投影レンズを組み合わせたものや、ビームホモジナイザや、それらの組み合わせであってもよい。

レーザビームスポット１１１の形状とエネルギー分布について図２に沿って説明する。レーザビームスポット１１１の平面図を図２（Ａ）に示す。四角いパルスレーザビームスポット２０２の両端に線状の第１のフェムト秒レーザビームスポット２０１と第２のフェムト秒レーザビームスポット２０３を配置させる。これにより、図２（Ｂ）に示すエネルギー分布が得られる。図２（Ｂ）において、縦軸はエネルギー密度Ｅを、横軸は位置ｘを表す。エネルギー密度Ｅ_０は薄膜を消失させるに足る下限値を、エネルギー密度Ｅ_１は薄膜以外のものに必要以上の損傷を与えるに足る下限値を表す。パルスレーザビームスポット２０２は、必ずしも２つのフェムト秒レーザビームスポット２０１、２０３の間にのみ位置する必要はなく、一部がはみ出していてもよい。なお、これらの３つのレーザビームスポットは、レーザパルスの同期装置１１２により、同時に照射面１０８に照射される。これにより、レーザビームスポット１１１の両端部に非常にエネルギー密度の高い領域が形成されるため、その領域に位置する薄膜は熱伝導の始まる前に昇華し消失してしまう。従って、パルスレーザビームスポットにより発生した熱が第１、第２のフェムト秒レーザビームスポットの外に達する前に、薄膜が消失するため、それ以上の熱伝導は遮断され、良好な分断面が得られる。なお、フェムト秒レーザの出力は非常に小さいため、線状の第１、または第２のフェムト秒レーザビームスポットの太さを１μｍ以上２０μｍ以下に細くする必要がある。従って、フェムト秒レーザ単体で本工程を行うと、開口の幅が十分に取れず、ショートやリーク電流の原因となる場合がある。なお、フェムト秒レーザビームスポットのエネルギー密度が薄膜を消失させるに十分なものであれば、必ずしもパルスレーザビームスポットと同時に照射する必要はなく、先にフェムト秒レーザビームスポットを薄膜に照射したのち、パルスレーザビームスポットを当該薄膜に照射してもよい。また、パルスレーザとフェムト秒レーザのパルス周波数が著しく異なる場合は、フェムト秒レーザのものの公約数に相当するパルス周波数を有するパルスレーザを用い、これらを同期させてもよい。この場合は、フェムト秒レーザビームスポットが、薄膜に複数回照射される間に、パルスレーザビームスポットが薄膜に１回照射されることになる。

つづいて、当該作製装置を用い光電変換装置を作製する例を図５に示す。まず、基板５０１上に第１の電極５０２を形成する。次に本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製装置にて、開口部５０５を形成する。レーザビームスポット１１１に含まれる線状の第１、第２のフェムト秒レーザビームスポットは、図１中のｙ方向に伸長されている。当該伸長方向に沿って、照射面１０８をレーザビームスポット１１１に対し、相対的に移動させることにより開口部５０５を形成する。第１の電極５０２は、さまざまな材料により形成可能であるが、その吸収係数によって用いるレーザを適宜選択する。例えば、可視光線に対して透光性を有する、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ、ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、珪素若しくは酸化珪素を含有したインジウム錫酸化物、酸化インジウム−酸化亜鉛（ＩＺＯ：ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）、または、酸化タングステン及び酸化亜鉛を含有した酸化インジウム（ＩＷＺＯ）などを第１の電極５０２に適用すると、近赤外光を発する固体レーザをパルスレーザ１０１として利用するとよい。他方、可視光線に対して遮光性を有する、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、アルミニウムを含む合金（例えばＡｌＳｉ）などを第１の電極５０２に適用すると、可視光線以下の波長域の光を発する固体レーザをパルスレーザ１０１として利用するとよい。なお、フェムト秒レーザについては、多光子吸収を起こす程度までレーザビームスポットのエネルギー密度が高いため、その材料依存性は極めて小さく、波長依存性はほとんど無視できる。また、３つのレーザビームスポットのエネルギー密度は１×１０^４Ｗ／ｃｍ^２以上１×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２以下の範囲で選択する。なお、本工程は、比較的安定した出力を有するレーザを用いることが好ましいため、固体レーザを適用したが、気体レーザなどその他の方式のものを用いても構わない。

パルスレーザ１０１は、例えば、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザなどの気体レーザ、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ_４、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、ＹＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４、若しくは多結晶（セラミック）のＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３、ＹＶＯ_４、ＹＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザのうち一種または複数種とすることができる。また、レーザ媒体が固体である固体レーザを用いると、メンテナンスフリーの状態を比較的長く保てる上、比較的安定した出力が得られる。

つづいて、半導体特性を有する半導体層５０３を形成する。例えば、半導体層５０３は、先に示した化合物半導体や、シリコンを成分とする半導体にて形成する。そして、本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製装置を用い、開口部５０６を形成する。開口部５０６は、開口部５０５に隣接して形成するため、当該作製装置に開口部の位置を検出する検出装置を設けていると好ましい。半導体特性を有する層には、さまざまな光学特性を有するものがあるため、それらに合わせてパルスレーザの仕様を選択する。最後に、第２の電極５０４を形成し、開口部５０７を本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製装置を用いて形成する。

本発明の一形態によれば、光電変換装置の作製工程において、集積型モジュールの形成のための電気的な分断工程を、層の一部が剥がれて浮いた状態や、電気的な分断の十分でない領域などを形成することなく実施することができる。これにより、ショートやリーク電流などの不良の発生を抑制することができる。すなわち、集積型モジュールを成し、良好な電気特性を有する薄膜型の光電変換装置を提供することができる。また、レーザによる当該分断工程は、複数のレーザビームスポット１１１を形成することにより非常に高速に行うことができるため生産性が高く、低コスト化に寄与する。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、光電変換装置の作製装置の一部が実施の形態１とは異なる例について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の作製装置の例である。図４には、当該作製装置にて得られるレーザビームのエネルギー分布の例を示す。また、図５は、当該作製装置を利用して得られる光電変換装置の例を示す断面図である。

まず、本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製装置の例を図３に沿って説明する。当該作製装置は、パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下を有するレーザビームを発するパルスレーザ３０１と、当該レーザビームを照射面３０８において線状のパルスレーザビームスポットとするパルスレーザビーム整形用光学系３０５と、パルス幅１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下を有するレーザビームを発するフェムト秒レーザ３０２と、当該フェムト秒レーザ３０２の発するレーザビームを照射面３０８において第１のフェムト秒レーザビームスポットとするフェムト秒レーザビーム整形用光学系３０６と、パルス幅１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下を有するレーザビームを発するフェムト秒レーザ３０３と、当該フェムト秒レーザ３０３の発するレーザビームを照射面３０８において第２のフェムト秒レーザビームスポットとするフェムト秒レーザビーム整形用光学系３０７と、照射面３０８を有する照射対象を搭載するステージ３０９と、照射面３０８と３つのレーザビームスポットとを相対的に移動させる動作部３１０と、レーザパルスの同期装置３１２からなる。これらの構成により、照射面３０８において、所望の形状とエネルギー分布を有するレーザビームスポット３１１が形成される。

レーザビームスポット３１１の形状とエネルギー分布について図４に沿って説明する。レーザビームスポット３１１の平面図を図４（Ａ）に示す。線状のパルスレーザビームスポット４０２の両端に第１のフェムト秒レーザビームスポット４０１と第２のフェムト秒レーザビームスポット４０３を配置させる。これにより、図４（Ｂ）に示すエネルギー分布が得られる。図４（Ｂ）において、縦軸はエネルギー密度Ｅを、横軸は位置ｘを表す。エネルギー密度Ｅ_０は分断したい薄膜を消失させるに足る下限値を、エネルギー密度Ｅ_１は分断したい薄膜以外のものに必要以上の損傷を与える下限値を表す。なお、これらの３つのレーザビームスポットは、レーザパルスの同期装置３１２により、同時に照射面３０８に照射される。これにより、レーザビームスポット３１１の両端部にエネルギー密度の非常に高い領域が形成されるため、その領域に位置する薄膜は熱伝導の始まる前に昇華し消失してしまう。従って、線状のパルスレーザビームスポットにより発生した熱が第１、第２のフェムト秒レーザビームスポットの外に達する前に、薄膜が消失するため、それ以上の熱伝導は遮断され、良好な分断面が得られる。なお、フェムト秒レーザの出力は非常に小さいため、第１、または第２のレーザビームスポットの直径を１μｍ以上２０μｍ以下と小さくする必要がある。従って、フェムト秒レーザ単体で本工程を行うと、開口の幅が十分に取れず、ショートやリーク電流の原因となる。なお、フェムト秒レーザビームスポットのエネルギー密度が薄膜を消失させるに十分のものであれば、必ずしもパルスレーザビームスポットと同時に照射する必要はなく、先にフェムト秒レーザビームスポットを薄膜に照射したのち、パルスレーザビームスポットを当該薄膜に照射してもよい。また、パルスレーザとフェムト秒レーザのパルス周波数が著しく異なる場合は、フェムト秒レーザのものの公約数に相当するパルス周波数を有するパルスレーザを用い、これらを同期させてもよい。この場合は、フェムト秒レーザビームスポットが、複数回薄膜に照射される間に、パルスレーザビームスポットが１回薄膜に照射させることになる。

パルスレーザビーム整形用光学系３０５には、シリンドリカルレンズ、回折光学素子、またはビームホモジナイザなどから選択した一、もしくはそれらの組み合わせを適用できる。また、フェムト秒レーザビーム整形用光学系３０６、３０７には、凸レンズを用いることができる。その他、回折光学素子や、マスクと投影レンズを組み合わせたものや、ビームホモジナイザや、それらの組み合わせであってもよい。

また、実施の形態１、２に示した３つのレーザビームスポットを合成したものは、それらに限らず、例えば図６（Ａ）、（Ｂ）に示すものとしてもよい。図６（Ａ）に示すものは、円状のパルスレーザビームスポット６０２に、２つの線状のフェムト秒レーザビームスポット６０１、６０３を重ねたものとした。図６（Ｂ）に示すものは、線状のパルスレーザビームスポット６０５に、２つの線状のフェムト秒レーザビームスポット６０４、６０６を重ねたものとした。通常、レーザビームスポットの形状は、レーザビームのモードや光学系により、いびつなものとなることが多いため、上記に示したものに限らず、それに類似する形状のものを適用することができる。

つづいて、当該作製装置を使い光電変換装置を作製する例を図５に示す。まず、基板５０１上に第１の電極５０２を形成する。次に本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製装置にて、開口部５０５を形成する。レーザビームスポット３１１に含まれる第１、第２のフェムト秒レーザビームスポットは、図３中のｘ方向に並んで配置されている。当該ｘ方向に垂直な方向、すなわちｙ方向に沿って、照射面３０８をレーザビームスポット３１１に対し、相対的に移動させることにより、開口部５０５を形成する。第１の電極５０２は、さまざまな材料により形成可能であるが、その吸収係数によって用いるレーザを適宜選択する。例えば、可視光線に対して透光性を有する、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ、ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、珪素若しくは酸化珪素を含有したインジウム錫酸化物、酸化インジウム−酸化亜鉛（ＩＺＯ：ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）、または、酸化タングステン及び酸化亜鉛を含有した酸化インジウム（ＩＷＺＯ）などを第１の電極５０２に適用すると、近赤外光を発する固体レーザをパルスレーザ３０１として利用するとよい。他方、可視光線に対して遮光性を有する、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、アルミニウムを含む合金（例えばＡｌＳｉ）などを第１の電極５０２に適用すると、可視光線以下の波長域の光を発する固体レーザをパルスレーザ３０１として利用するとよい。なお、フェムト秒レーザについては、多光子吸収を起こす程度までレーザビームのエネルギー密度が高いため、その材料依存性は極めて小さく、波長依存性はほとんど無視できる。また、３つのレーザビームスポットのエネルギー密度は１×１０^４Ｗ／ｃｍ^２以上１×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２以下の範囲で選択する。なお、本工程は、比較的安定した出力を有するレーザを用いることが好ましいため、固体レーザを適用するのが好ましいが、気体レーザなどのその他の方式のレーザを用いても構わない。

パルスレーザ３０１は、例えば、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザなどの気体レーザ、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ_４、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、ＹＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４、若しくは多結晶（セラミック）のＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３、ＹＶＯ_４、ＹＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザのうち一種または複数種とすることができる。また、レーザ媒体が固体である固体レーザを用いると、メンテナンスフリーの状態を比較的長く保てる上、比較的安定した出力が得られる。

本発明の一実施形態によれば、光電変換装置の作製工程において、集積型モジュールの形成のための電気的な分断工程を、層の一部が剥がれて浮いた状態や、電気的な分断の十分でない領域などを形成することなく実施することができる。これにより、ショートやリーク電流などの不良の発生を抑制することができる。また、レーザによる当該分断工程は、複数のレーザビームスポットを形成することにより非常に高速に行うことができるため生産性が高く、低コスト化に寄与する。

以上により、ショートやリーク電流などの不良を抑制し、良好な電気特性の得られる薄膜型の光電変換装置を提供することができる。

（実施の形態３）
本形態では、実施の形態１または実施の形態２で説明した光電変換装置の構造とは異なる多接合型の光電変換装置及びその作製方法について説明する。

多接合型光電変換装置は、光吸収波長範囲の異なる光電変換層を２つ以上備えた光電変換装置で、波長分布が広範囲に渡る太陽光から効率良く光電変換させることができる特徴を有している。

薄膜型光電変換装置ではタンデム型やトリプル型などが知られており、主に非晶質シリコン系と結晶シリコン系の材料が光電変換層に用いられている。例えば、タンデム型では光入射側のトップセルに可視光領域の光吸収が大きい非晶質シリコン系材料を用い、ボトムセルには赤外光領域の光吸収が大きい結晶シリコン系の材料を用いる。このとき、通常はガラス基板等の透光性基板側から光入射をする仕様であるため、非晶質シリコン系のセルを先に形成し、結晶シリコン系のセルを後に形成する。

本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製方法は、３層以上の多層膜に、本発明の一実施形態に係る、光電変換装置の作製装置を適用することを特徴とする。本実施の形態では光電変換装置の構造及び作製方法を説明する。

図７に多接合型（タンデム型）光電変換装置の例を示す。基板７００上に導電体層７２０が形成され、その上部に第１の半導体層７４０、第２の半導体層７５０、第３の半導体層７６０からなるボトムセル７１０が形成されている。また、第４の半導体層８４０、第５の半導体層８５０、第６の半導体層８６０からなるトップセル８１０が中間層８００を介してボトムセル７１０上に積層され、透光性導電膜８８０が隣接するセルを直列に接続するように形成されている。

本形態における多接合型光電変換装置は、トップセル８１０側から光入射を行うため、基板７００は透光性を有する必要は無い。従って、基板７００にはガラス以外にアルミナなどのセラミック基板や耐熱性の樹脂、または表面に絶縁処理を施したステンレスなどの金属基板を用いることもできる。

導電体層７２０には、金属を材料として用いることができる。具体的にはニッケル、ステンレス、チタン、タンタル、タングステン、モリブデンなどを使用でき、これらの金属で上下を挟み込む様にすればアルミニウムを用いることもできる。また、図示はしないが、導電体層７２０と第１の半導体層７４０の間に透光性導電膜を設けても良く、更に該透光性導電膜に凹凸を設けても良い。これらにより、光閉じ込め効果を付与することができ、変換効率を向上させることができる。また、可視光線に対して透光性を有する材料を用いてもよい。

ボトムセル７１０は結晶系シリコン薄膜を用いる。本実施の形態では、基板７００とは反対方向から光を入射させるため、第１の半導体層７４０の導電型をｎ型、第３の半導体層７６０の導電型をｐ型とすることが好ましい。ただし、それぞれ逆の導電型とすることもできる。また、光吸収層となる第２の半導体層７５０にｉ型の結晶系シリコン薄膜を用いる。

トップセル８１０は、光吸収層となる第５の半導体層８５０にｉ型の非晶質シリコン薄膜を用いている。第４の半導体層８４０には一導電型を有するシリコン半導体膜を用いることができ、第６の半導体層８６０には一導電型とは逆の導電型を有するシリコン半導体膜を用いることができる。第４の半導体層８４０及び第６の半導体層８６０は、非晶質層を用いることもできるが、低抵抗の結晶層または、微結晶層を用いることが好ましい。

本実施の形態では、基板側とは反対方向から光を入射させるため、第４の半導体層８４０の導電型をｎ型、第６の半導体層８６０の導電型をｐ型とすることが好ましい。また、それぞれ逆の導電型を適用することもできるが、ボトムセル７１０とトップセル８１０を直列に接続する場合は、第３の半導体層７６０と第４の半導体層８４０の導電型を逆の型とする必要がある。例えば、第３の半導体層７６０がｐ型の場合は、第４の半導体層８４０をｎ型とする。

光入射側の電極となる透光性導電膜８８０には、酸化インジウム−酸化錫合金（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）または酸化錫（ＳｎＯ_２）などを用いることができる。

トップセル８１０とボトムセル７１０は中間層８００を介して接続される。この中間層には透光性導電膜８８０と主成分が同じ材料やワイドギャップ半導体を用いることができる。しかし、低抵抗であると透光性導電膜８８０とショートしてしまうため、例えば、酸化珪素などを添加した高抵抗の透光性導電膜などを用いると良い。具体的には１Ｓ／ｃｍ程度を上限とし、それ以下の電気伝導度を示す材料が好ましい。なお、この中間層８００は光閉じ込め効果に寄与するが、省くこともできる。

次に、図７に示す光吸収層の開口部の形成方法について説明する。なお、光吸収層を挟む両電極層における開口部については、先の実施の形態に示した通りの方法により形成する。

ボトムセル７１０は結晶系シリコン薄膜で形成されているため、その吸収係数は紫外光の領域で大きい。そのため、ボトムセル７１０の開口部を形成するために用いるパルスレーザには、第３高調波またはそれよりも高次の固体レーザで紫外光を発するものを適用することが好ましい。具体的には、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ_４、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）、ＹＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４、若しくは多結晶（セラミック）のＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３、ＹＶＯ_４、ＹＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、ガラスレーザの第３高調波またはそれよりも高次のものを用いるとよい。レーザ媒体が固体である固体レーザを用いると、メンテナンスフリーの状態を比較的長く保てる上、比較的安定した出力が得られる。また、レーザの第２高調波またはそれよりも高次のもので可視光線を発するものに対しても比較的吸収があるため、これを用いてもよい。また、レーザの基本波も照射対象の吸収係数によっては用いることができる。この処理は、トップセル８１０を形成する前に行うことができる。あるいはトップセル８１０を形成後、トップセル８１０とボトムセル７１０の開口部をまとめて形成することもできる。この場合、３層以上の積層構造への開口部形成処理となるため、１回のレーザビームスポットの走査では十分な開口が得られない可能性がある。このときは、２回以上の走査を行い、絶縁処理を確実にすることが好ましい。また、トップセル８１０は非晶質シリコン薄膜を含むため、可視光線の領域に比較的高い吸収係数を有している。従って、上記に列挙したレーザの可視光線を発するものをパルスレーザに用い、処理を行うと好ましい。ボトムセル７１０とトップセル８１０の両方を形成した後、開口処理を行う場合、まず、可視光線を発するパルスレーザによりトップセル８１０に開口部を形成した後、紫外光を発するパルスレーザによりボトムセル７１０に開口部を形成してもよい。薄膜型の光電変換装置のタンデム型やトリプル型は構成が複雑であるため、積層順に依存して実施者が適宜最適なレーザの波長や照射順を決定する。例えば、紫外光と可視光線のパルスレーザビームを形成し同時に照射するか、順番を逆にするなどして実施者が適宜最適な条件を設定する。異なる波長のパルスレーザビームを３つ以上形成して処理を行ってもよいし、それらのパルスレーザビームを同時に照射してもよい。また、レーザビームは基板に対して、薄膜側から照射してもよいし、基板側から照射してもよいが、実施者が適宜最適な方を選択する。あるいは、フェムト秒レーザビームとパルスレーザビームを互いに異なる側から照射してもよい。

以上により、ショートやリーク電流などの不良を抑制し、良好な電気特性の得られる薄膜結晶シリコン系の光電変換装置を提供することができる。

（実施の形態４）
本発明の一実施形態により得た光電変換装置を組み込むことによって、例えば、図８（Ａ）から（Ｅ）に示すような様々な電子機器を作製することができる。電子機器としては、光電変換装置３５０１を搭載した携帯電話３５００、光電変換装置３６０１を搭載したパーソナルコンピュータ３６００、それに類似するゲーム機、ナビゲーション、携帯オーディオ機器、ハンディＡＶ機器、光電変換装置３７０１を搭載したカメラ３７００（デジタルカメラ、フィルムカメラ、インスタントカメラ等）、光電変換装置３８０１を搭載した腕時計３８００、それに類似する血圧計、脈拍測定器などの測定器、光電変換装置３９０１を搭載したな電卓３９００などが挙げられる。これにより、電力の供給設備のない屋外などでこれらの電子機器を使用する際、充電することなく長時間使用することができる。これらの電子機器は、ショートやリーク電流の発生確率の低い、高歩留まりの光電変換装置を搭載しているため、長時間の使用に耐える高信頼性を持ったものである。また、製品の製造段階における歩留まりが高いため、低コスト化、省資源化に寄与する。

また、本発明の一実施形態により得た光電変換装置を各種照明機器に用いることができる。本発明の一実施形態により得た光電変換装置は長時間の使用に耐えるため、例えば、屋外灯、街路灯、信号機のような公共の施設に用いると電気を供給するための配線が不要となるため、人件費や資源の節約につながる。もちろん家庭用各種照明器具にも適用できる。また、数年から数十年の期間の寿命を要求される、自動車に代表される電気推進車両や、家、工場などに本発明の一実施形態により得た光電変換装置を適用すると、長期間交換する必要がないため好ましい。

１０１パルスレーザ
１０２フェムト秒レーザ
１０３フェムト秒レーザ
１０４マスク
１０５投影レンズ
１０６フェムト秒レーザビーム整形用光学系
１０７フェムト秒レーザビーム整形用光学系
１０８照射面
１０９ステージ
１１０動作部
１１１レーザビームスポット
１１２同期装置
２０１フェムト秒レーザビームスポット
２０２パルスレーザビームスポット
２０３フェムト秒レーザビームスポット
３０１パルスレーザ
３０２フェムト秒レーザ
３０３フェムト秒レーザ
３０５パルスレーザビーム整形用光学系
３０６フェムト秒レーザビーム整形用光学系
３０７フェムト秒レーザビーム整形用光学系
３０８照射面
３０９ステージ
３１０動作部
３１１レーザビームスポット
３１２同期装置
４０１フェムト秒レーザビームスポット
４０２パルスレーザビームスポット
４０３フェムト秒レーザビームスポット
５０１基板
５０２電極
５０３半導体層
５０４電極
５０５開口部
５０６開口部
５０７開口部
６０１フェムト秒レーザビームスポット
６０２パルスレーザビームスポット
６０３フェムト秒レーザビームスポット
６０４フェムト秒レーザビームスポット
６０５パルスレーザビームスポット
６０６フェムト秒レーザビームスポット
７００基板
７１０ボトムセル
７２０導電体層
７４０半導体層
７５０半導体層
７６０半導体層
８００中間層
８１０トップセル
８４０半導体層
８５０半導体層
８６０半導体層
８８０透光性導電膜
３５００携帯電話
３５０１光電変換装置
３６００パーソナルコンピュータ
３６０１光電変換装置
３７００カメラ
３７０１光電変換装置
３８００腕時計
３８０１光電変換装置
３９００電卓
３９０１光電変換装置

Claims

第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、
パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットと、
をパルス周波数を同期させて薄膜に照射する工程を有し、
前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットとは前記パルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって配置され、前記薄膜に対し、前記両端を結ぶ直線と垂直な方向に、前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットと前記パルスレーザビームスポットとを相対的に走査させ、前記薄膜を分断することを特徴とする薄膜の加工方法。
照射面において線形状を成す第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、
パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットと、
をパルス周波数を同期させて薄膜に照射する工程を有し、
前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットとは前記パルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって平行に配置され、前記薄膜に対し、前記両端を結ぶ直線と垂直な方向に、前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットと前記パルスレーザビームスポットとを相対的に走査させ、前記薄膜を分断することを特徴とする薄膜の加工方法。
請求項１または請求項２記載の第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットは、
パルス幅１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下のフェムト秒レーザの発するものであることを特徴とする薄膜の加工方法。
フェムト秒レーザと、
パルスレーザと、
前記フェムト秒レーザの発するレーザビームを照射面において２つのフェムト秒レーザビームスポットとするフェムト秒レーザビーム整形用光学系と、
前記パルスレーザの発するレーザビームの少なくとも一部を前記照射面において前記２つのフェムト秒レーザビームスポットの間に位置させるパルスレーザビーム整形用光学系と、
前記照射面を有する照射対象を搭載するステージと、少なくとも前記２つのフェムト秒レーザビームスポットを結ぶ直線と垂直かつ前記照射面を含む方向に前記２つのフェムト秒レーザビームスポットを前記ステージに対して相対的に動作させる動作部と、
前記フェムト秒レーザと前記パルスレーザとのパルス周波数を同期させる同期装置と、
を有することを特徴とする薄膜の加工装置。
フェムト秒レーザと、
パルスレーザと、
前記フェムト秒レーザの発するレーザビームを照射面において２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットとするフェムト秒レーザビーム整形用光学系と、
前記パルスレーザの発するレーザビームの少なくとも一部を前記照射面において前記２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットの間に位置させるパルスレーザビーム整形用光学系と、
前記照射面を有する照射対象を搭載するステージと、少なくとも前記２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットと平行な方向に前記２本の平行な線状のフェムト秒レーザビームスポットをステージに対して相対的に動作させる動作部と、
前記フェムト秒レーザと前記パルスレーザとのパルス周波数を同期させる同期装置と、
を有することを特徴とする薄膜の加工装置。
請求項４または請求項５記載のパルスレーザのパルス幅は、
１００ｐｓ以上１μｓ以下であることを特徴とする薄膜の加工装置。
請求項４乃至請求項６記載のフェムト秒レーザのパルス幅は、
１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下であることを特徴とする薄膜の加工装置。
第一の電極を形成する工程と、
前記第一の電極上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に第二の電極を形成する工程と、
第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、
パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットと、
をパルス周波数を同期させて前記第一の電極、または前記半導体層、または前記第二の電極に照射する工程を有し、
前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットとは前記パルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって配置され、前記第一の電極、または前記半導体層、または前記第二の電極に対し、前記両端を結ぶ直線と垂直な方向に、前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットと前記パルスレーザビームスポットとを相対的に走査させることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
第一の電極を形成する工程と、
前記第一の電極上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に第二の電極を形成する工程と、
照射面において線形状を成す第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットと、
パルス幅１００ｐｓ以上１μｓ以下のパルスレーザの形成するパルスレーザビームスポットと、
をパルス周波数を同期させて前記第一の電極、または前記半導体層、または前記第二の電極に照射する工程を有し、
前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットとは前記パルスレーザビームスポットの両端に位置するエネルギー減衰部と重なって平行に配置され、前記第一の電極、または前記半導体層、または前記第二の電極に対し、前記両端を結ぶ直線と垂直な方向に、前記第１のフェムト秒レーザビームスポットと前記第２のフェムト秒レーザビームスポットと前記パルスレーザビームスポットとを相対的に走査させることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
請求項８または請求項９記載の第１のフェムト秒レーザビームスポットおよび第２のフェムト秒レーザビームスポットは、
パルス幅１ｆｓ以上９９９ｆｓ以下のフェムト秒レーザの発するものであることを特徴とする光電変換装置の作製方法。