JP2012527777A - シリコン基板上の１組のパターンを位置合わせする方法および装置 - Google Patents

シリコン基板上の１組のパターンを位置合わせする方法および装置 Download PDF

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Abstract

基板表面を備える基板上の１組のパターンを位置合わせする方法において、基板が、１組のシリコンナノ粒子が堆積した基板表面を含み、ナノ粒子の組が、１組の炭素原子を含む１組の配位子分子を含み、シリコンナノ粒子が堆積されるところに領域の第１の組が形成され、基板表面の残りの部分が、領域の第２の組を画定する。この方法は、シリコンナノ粒子の組の密度を高めて薄膜にするステップも含み、前記基板表面上に１組の有機シリコン区域が形成され、領域の第１の組が第１の反射率値を有し、領域の第２の組が第２の反射率値を有する。この方法は、照明光源で基板表面を照光するステップをさらに含み、第２の反射率値と第１の反射率値の比は、約１．１より大きい。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている２００９年５月１９日出願の米国特許出願第１２／４６８５４０号の利益を主張するものである。
この開示は、一般に、ＩＶ族半導体に関し、具体的にはシリコン基板上の１組のパターンを位置合わせする方法および装置に関する。
半導体は、最新の電子部品の基礎を形成する。伝導と絶縁の間で選択的に変更し、かつ制御することができる物理的性質を有する半導体は、最新の電気デバイス（例えばコンピュータ、携帯電話、光電池など）に必須である。ＩＶ族半導体は、一般に、周期律表の第４列の最初の４つの要素、炭素、シリコン、ゲルマニウムおよび錫を指す。
プリントなどの非伝統的な半導体技術を用いて半導体材料を堆積するのを可能にすることで、製造プロセスが簡単になり、したがって多くの最新の電気デバイス（例えばコンピュータ、携帯電話、光電池など）のコストが低減される方法を提供することができる。これらの半導体材料は、ペンキの色素のように、一般にナノ粒子などの微細粒子として形成され、後に基板上に堆積され得るコロイド分散で一時的に懸濁される。
ナノ粒子は、一般に１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する粒子である。そのサイズにかかわらず一定の物理的性質（例えば融解温度、沸点、密度、導電率など）を有する傾向があるバルク材（＞１００ｎｍ）と比べて、ナノ粒子は、より低い焼結温度など、サイズに左右される物理的性質を有することができる。
ナノ粒子は、蒸発（非特許文献１参照）、気相熱分解（非特許文献２参照）、気相光分解（非特許文献３参照）、電気化学的エッチング（非特許文献４参照）、シランおよびポリシランのプラズマ分解（非特許文献５参照）、高圧力の液相減少酸化反応（非特許文献６参照）などの様々な技法によって生成され得る。
このような利点の１つとして、ＩＶ族半導体のナノ粒子材料が、多岐にわたる基板材料上の様々なＩＶ族ナノ粒子インクの即座の堆積のための大ボリュームかつ低コストの処理の可能性を提供する、ということがある。プリントの後に、大ボリューム処理の全体的な目的と適合する、光起電デバイスを含む多岐にわたる光電気デバイスなどのＩＶ族半導体デバイスの適切な製造方法を選択する必要がある。
例えば、太陽電池は太陽エネルギーをＤＣ（直流）の電気エネルギーに直接変換する。太陽電池は、一般に光ダイオードとして構成され、生成された電荷担体（電子または正孔（電子の欠乏））が電流として抽出され得るように、金属接触の近傍に光が入り込むことを可能にする。また、光ダイオードは、ほとんどの他のダイオードと同様に、接合を形成するためにｐ型半導体とｎ型半導体を組み合わせることにより形成される。パッシベーションおよび反射防止コーティングを付加した後に、生成された電荷を抽出するために、裏面輻射場および金属接触として働く層（エミッタ上のフィンガおよびバスバー、および吸収体の裏面上のパッド）を付加してよい。キャリア収集および金属電極との接触のどちらのためにも、特にエミッタのドーパント濃度を最適化する必要がある。
一般に、エミッタ領域内のドーパント原子が低濃度であると、再結合が少ない（したがって太陽電池効率（電気に変換される日光の割合）がより高い）が、金属電極に対する電気的接触が不十分になる。反対に、ドーパント原子が高濃度であると、再結合が多い（太陽電池効率が低下する）が、金属電極に対する低抵抗のオーム接触をもたらすことになる。しばしば、製造原価を低減するために、エミッタを形成するのに単一ドーパント拡散が一般に用いられ、再結合の減少とオーム接触の形成の改善との間の折衷としてドーピング濃度が選択される。したがって、可能な太陽電池効率が低下される。
解決策の１つに、デュアルドープのエミッタまたは選択エミッタを使用するものがある。選択エミッタは、（同じドーパントタイプの）少ない再結合向けに最適化される低ドープ濃度の第１の領域および低抵抗のオーム接触を形成するように最適化される高ドープ濃度の第２の領域のパターンを用いる。選択エミッタは、一般に、拡散障壁層とともに複数の拡散ステップを用いるか、または複数のドーパント源を使用して形成される。一般に、このような領域間の主要な変化はドーパント原子の濃度の差であり、一般に、高ドープ濃度領域と低ドープ濃度領域の間に顕著な差異はない。したがって、以前に堆積された高ドープ濃度領域のパターン上への金属接触パターンの位置合わせは、大きな技術的問題である。
例えば、全体的に顕著な差異がないことが、金属接触パターンの配置の精度を監視することまたは考えられる軸方向および／または角度の位置合わせ不良を検出することを困難にしている。
同様に、裏面接触太陽電池では、重ねられた金属接触を有する１組の反対にドープされたインターデジタルの（ｉｎｔｅｒ−ｄｉｇｉｔａｔｅｄ）高ドープ濃度パターンが、太陽電池の裏面上に構成される。また、背面も、ＢＳＦ（裏面輻射場）を形成するためにインターデジタルの高ドープ濃度パターンに使用されるドーパントのうちの１つで低濃度にドープされてよい。選択エミッタの場合と同様に、高ドープ濃度領域と低ドープ濃度領域の間の視覚的境界を判断するのは困難である。したがって、この電池構造体に対する金属接触パターンの位置合わせにも問題がある。
一般的な位置合わせの方法は、基板縁端部の位置合わせまたは基準点マークへの位置合わせである。基準点マーク（または基準点）により、パターン堆積装置（通常スクリーンプリンタまたはインクジェットプリンタ）が、太陽電池上の特定の座標に対して所望のパターンを堆積することが可能になる。これらの基準点マークは、パターニングに先んじて独立したステップで設置され、したがって、特別なツールおよび処理ステップを必要とする。重要なことには、各基準点の位置合わせステップにおける許容誤差は累積的である。すなわち、最初に、選択エミッタのパターンが特定の許容範囲内で基準点に対して画定され、続いて、金属付着も基準点に対して別の許容範囲で位置決めされる。選択エミッタに対する金属接触の位置合わせを保証するために、これらの許容範囲が追加され、金属が低ドープ濃度領域に接触しないことを保証するために、選択エミッタのパターンが金属パターンより大きく設計されるか、または位置合わせ不良の度合いが許容される。いずれの場合でも、金属が低ドープ濃度領域と接触しているときの、より高い接触抵抗により、または金属が高ドープ濃度領域としか接触しないことを保証するために選択エミッタのパターンが大きなフィーチャを有して設計されるときの、より小さい電流により、装置効率の可能性における犠牲が受容される。位置合わせの許容範囲がより厳しいと、より高い効率が可能になる。
一般に、縁端部位置合わせによって２つのパターンを位置合わせする配置は、（基板サイズのばらつきによってもたらされる誤差を最小化するために）後続の諸堆積ステップの間で基板配向を一定に保つ必要があり、このことによって基板操作が限定されて複雑になる可能性がある。さらに、後続の層に対して別々の堆積ツールが使用される場合、視覚システムは、一般に所与の基板に関するすべての計算を同一の位置に正確に基づいて行なう必要があり、このことは、高生産性の製造（一般に基板１５００枚／時間を上回る）では非現実的であり得る。結局、理想的でない基板の寸法形状および不完全に画定された縁端部により、位置合わせ精度が不足する。
前述のことを考慮して、シリコン基板上の１組のパターンを位置合わせする方法を提供するという要求がある。
S. Ijima, Jap. J Appl. Phys. 26, 357 (1987) K. A Littau, P. J. Szajowski, A. J. Muller, A. R. Kortan, L. E. Brus, J Phys. Chem. 97, 1224 (1993) J. M. Jasinski and F. K. LeGoues, Chem. Mater. 3, 989 (1991) V. Petrova-Koch et al., Appl. Phys. Lett. 61, 943 (1992) H. Takagi et al, Appl. Phys. Lett. 56, 2379 (1990) J. R. Heath, Science 258, 1131 (1992)
本発明は、一実施形態では、基板上の１組のパターンを位置合わせする方法に関し、基板は基板表面を含む。この方法は、基板表面に１組のシリコンナノ粒子を堆積させるステップを含み、このシリコンナノ粒子の組は、１組の炭素原子を含む１組の配位子分子を含み、ナノ粒子が堆積されるところに領域の第１の組が形成され、基板表面の残りの部分が、領域の第２の組を画定する。この方法は、シリコンナノ粒子の組の密度を高めて薄膜にするステップも含み、基板表面上に１組の有機シリコン区域が形成され、領域の第１の組が第１の反射率値を有し、領域の第２の組が第２の反射率値を有する。この方法は、照明光源で基板表面を照光するステップをさらに含み、第２の反射率値と第１の反射率値の比は、約１．１より大きい。
本発明が、限定としてではなく一例として添付図面に示されており、類似の参照数字は類似の要素を参照する。
本発明による、反射防止／不活性化層でコーティングされたナノ粒子薄膜を有するテクスチャ加工された結晶シリコン基板に関する１組の拡散光の反射率曲線の簡略図である。 本発明による、窒化シリコンでコーティングされているテクスチャ加工された結晶シリコン基板上の、高ドープ濃度領域の反射率の比と低ドープ濃度領域の反射率の比を比較する簡略図である。 本発明による、窒化シリコンでコーティングされているテクスチャ加工された結晶シリコン基板上に有機シリコンナノ粒子の薄膜を堆積して高ドープ濃度領域を最初に形成し、次いで、エッチングで（部分的に）除去し、続いて窒化シリコン層を堆積した基板の、高ドープ濃度領域の反射率の比と低ドープ濃度領域の反射率の比を比較する簡略図である。 本発明による、選択エミッタと裏面輻射場として働くさらなる層とを有する前面接触太陽電池の簡略図である。 本発明による裏面接触太陽電池の簡略図である。 本発明による、シリコンナノ粒子流体を最初に堆積し、高密度化して、次いで（部分的に）除去した、ピラミッド形にテクスチャ加工されたシリコン太陽電池の基板表面のＡＥＳ（オージェ電子分光法）による分析の簡略図である。 本発明による、濃淡値のコントラストの比および正規化された効率の両方を、堆積、高密度化、および（部分的）除去の後のシリコンナノ粒子フィルムの厚さと比較する簡易合成図である。 本発明による、結晶太陽電池基板上の１組の高ドープ濃度領域上に１組の金属接触を重ねるための装置の簡略図である。 本発明による、結晶太陽電池基板上の１組の高ドープ濃度領域上に１組の金属接触を重ねるための装置の簡略図である。 本発明によって、４７０ｎｍにおける反射率の比を濃淡値のコントラストと比較する簡略図である。 本発明によって、４７０ｎｍにおける照明角度を濃淡値のコントラストと比較する簡略図である。 本発明によって、照明波長をコントラストと比較する簡略図である。
次に、本発明が、添付図面に示されるいくつかの好ましい実施形態を参照しながら詳細に説明される。以下の説明では、本発明の十分な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が明らかにされる。しかし、これらの特別な詳細のいくらかまたはすべてを用いることなく、本発明が実行され得ることが当業者には明らかであろう。他の例では、周知のプロセスステップおよび／または構造は、本発明を不必要に不明瞭にすることのないように、詳細には説明されていない。
一般に、電気エネルギーに変換され得る光を最大化するために、シリコン基板表面上に窒化シリコンなどの反射防止コーティングが堆積される。干渉を生成し、したがって２つの位相ずれ反射波を打ち消して、反射防止コーティングの厚さは、一般に特定の波長および特定の面反射率に対して最適化される。また、シリコン基板の表面は、反射を最小化するように処理されてよい。いかなる表面の「粗面化」も、反射光を周囲の空気へ出すのではなく、反射光が表面に戻る機会を増加することにより、反射を低減する。
しかし、前述のように、複数ドープの接合における高ドープ濃度領域と低ドープ濃度領域の間の視覚的境界が全般的に欠如していることにより、金属接触の位置合わせが問題になる。
有利なやり方では、有機シリコンインクを堆積して形成された第１の高ドープ濃度領域と第２の低ドープ濃度の拡散領域との間の、特定の波長領域内の反射率の比を測定することにより、１組の金属接触などの後続のパターンを、個々の太陽電池基板向けに最適化するやり方で堆積することができる。より詳細には、高ドープ濃度の範囲と低ドープ濃度の範囲の両方を有する太陽電池基板表面の諸部分のデジタル画像を用いて、グレイスケール画像を生成することができる。次いで、この濃淡値画像は、実質的に類似のドーパント強度を有する共通領域に細分化することができる。
例えば、高ドープ濃度領域を形成する方法の１つに、まず１組のシリコンナノ粒子を１組の有機溶剤に分散させ、パターンに堆積し、高密度化して薄膜を形成し、次いで反射防止コーティングの堆積に先立って（部分的に）除去するものがある。堆積したシリコンナノ粒子を、高温でＰＯＣｌ3ガスに暴露することなどの標準的なドーパント拡散処理と組み合わせると、複数ドープの接合が形成され得ることが観測された。太陽電池基板は、一般に約８０００℃から９０００℃まで加熱される。次いで、ＰＯＣｌ3用の搬送ガスを形成するために、窒素がバブラー（ｂｕｂｂｌｅｒ）を通って流される。形成された気体のＰＯＣｌ3が、Ｏ2と混合された後に、太陽電池基板表面にＰＳＧ（Ｐ2Ｏ5）を堆積させ、その結果として、このＰＳＧが、結晶のＳｉ格子と太陽電池基板の表面上に形成するＳｉＯ2との中へ拡散するリンの原子を生成する。続いて、ＳｉＯ2が、フッ化水素酸（ＨＦ）の水溶液および／またはフッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）を含む溶液によって選択的にエッチングされてよい。
シリコン基板表面上にナノ粒子の層を堆積する方法の１つに、コロイド分散（インク）またはペーストを使用することによって堆積するものがある。一般に、粒子表面の溶剤との相互作用が、通常は材料を液体に沈ませるかまたは浮かせることになる密度の差を克服するほど十分に強いので、ＩＶ族ナノ粒子のコロイド分散は可能である。すなわち、ナノ粒子がより小さいと、より大きなナノ粒子より容易に分散する。一般に、粒子負荷は約３重量％でよい。それと対照的に、粒子負荷が実質的に約１０重量％を上回って増加すると、コロイド分散は、非常に粘稠なインクまたはペーストへと濃くなる。
一般に、ＩＶ族ナノ粒子は、真空下でのコロイド分散または不活性で実質的に無酸素の環境に移される。また、選択された有機溶剤または溶剤の混合物におけるナノ粒子の拡散を容易にするために、超音波処理、高せん断ミクサ、および高圧／高せん断ホモジナイザなどの粒子分散の方法および装置が使用されてもよい。溶剤の混合物は、炭素分子を含む混合物である。
溶剤の実例には、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、アミン、オルガノシロキサン、ハロゲン化炭化水素および他の炭化水素溶剤が含まれる。また、溶剤は、粘性、密度、極性などの物理的特性を最適化するために、混合されてよい。
また、コロイド分散におけるＩＶ族ナノ粒子の分散を改善するために、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステルおよびアミン、ならびにオルガノシロキサンなどの有機化合物を付加することにより、ナノ粒子のキャップ群（ｃａｐｐｉｎｇ ｇｒｏｕｐ）が形成されてよい。あるいは、キャップ群は、プラズマチャンバの中にガスを追加することによってｉｎ−ｓｉｔｕで追加されてよい。これらのキャップ群は、後に、焼結プロセスの期間中に、または焼結プロセスの直前に低温で予熱することにより、除去され得る。
例えば、キャップ付きＩＶ族半導体ナノ粒子の準備に用いるのに適切なキャッピング剤には、Ｃ４〜Ｃ８の分岐アルコール、環状アルコール、第３級ブタノール、イソブタノール、シクロヘキサノール、メチル−シクロヘキサノール、ブタナール、イソブタナール、シクロヘキサノンなどのアルデヒドおよびケトン、メトキシ（トリス（トリメチルシリル）シラン）（ＭＴＴＭＳＳ）、トリス（トリメチルシリル）シラン（ＴＴＭＳＳ）、デカメチルテトラシロキサン（ＤＭＴＳ）、およびトリメチルメトキシシラン（ＴＭＯＳ）などのオルガノシロキサンが含まれる。
一旦作成されると、コロイド分散は基板に加えられてよく、ＩＶ族ナノ粒子を、高密度化した導電性フィルムへと焼結させて結果的にドーパントの基板の中への拡散を可能にするために、熱処理されてよい。印加方法の実例には、ロール塗布、溝金型コーティング、グラビア印刷、フレキソ印刷によるドラムプリンティング、スクリーン印刷、およびインクジェット印刷方式などが含まれるが、これらには限定されない。
さらに、ドープされたＩＶ族ナノ粒子のコロイド分散の様々な構成は、非ドープの、ドープされた、および／または各様にＩドープされたＶ族ナノ粒子を選択的に混合することにより作成され得る。例えば、混合されたＩＶ族ナノ粒子のコロイド分散の様々な配合物を準備することができ、特定の接合層のドーパントレベルは、その層に対する要件を達成するように、ドープされたＩＶ族ナノ粒子と非ドープのＩＶ族ナノ粒子を混合することにより作成される。あるいは、混合されたＩＶ族ナノ粒子のコロイド分散は、望ましくないエネルギー状態を低減するために、酸素原子のパッシベーションなどの基板不良を補償するのに用いられ得る。
しかし、ＳｉＯ2を除去するのに使用されるフッ化水素酸（ＨＦ）および／またはフッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）の溶液は、前述のように反応するＳｉ−Ｓｉ（シリコン−シリコン）またはＳｉＣ（シリコン炭素）結合より、ＳｉＯ（シリコン−酸素）結合と実質的に速く結合し、したがって、酸化物が取り除かれる一方で、シリコンおよび炭化シリコンが残る。したがって、太陽電池基板の表面上に、有機シリコンの原子結合（シリコンおよび／または炭化シリコン）の組を備える１組の薄い非エピタキシアルの連続的または不連続の区域が形成される可能性がある。
理論に縛られないように、本発明者は、これらの薄い有機シリコンの区域が、２つの仕組みのうち少なくとも１つによって、高ドープ濃度領域の反射率を変更すると考える。第１に、薄い有機質層を追加すると、有機シリコン残留物のない領域と比べて、その時点で反射防止コーティングの厚さを効果的に変更し、その結果として高ドープ濃度領域の表面の全体に対する反射波の干渉パターンを変更する。第２に、薄い有機シリコンの残留物領域が、基板表面の上に小さな上部構造パターンを形成する。基板表面に等角的に堆積される傾向がある反射防止コーティングは、上部構造パターンと一致する傾向もあることになる。上部構造パターンは、テクスチャ加工された表面のピラミッド角の平均的しゅん度を変更することにより、高ドープ濃度領域の表面全体の総計の反射率を変更する。
図１を参照すると、簡略図が、太陽電池に使用することができる、本発明による、反射防止／不活性化層でコーティングされている、ナノ粒子薄膜を有するテクスチャ加工された結晶シリコン基板に関する１組の拡散光の反射率曲線を示している。入射する波長１０２が横軸に示され、一方、測定された反射率の百分率１０４が縦軸に示されている。
ここで、結晶シリコン基板は、最初にあらかじめ硫酸溶液で洗浄される。また、反射を低減するために、次いで、脱イオン化されたＨ2Ｏ、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、およびＫＯＨ（水酸化カリウム）の溶液で基板を処理することにより、ピラミッド形テクスチャが付加される。次に、後に高ドープ濃度領域を画定するシリコンナノ粒子の薄膜パターンが、次いでシリコン基板上に堆積される。不活性の雰囲気の中で高温乾燥した後に、結晶シリコン基板は、前述のようにＰＯＣｌ3、Ｎ2、およびＯ2の雰囲気の中で拡散される。続いて、残留ＰＳＧ（リン酸シリケート）ガラス層が、ＢＯＥ（緩衝酸化物のエッチ液）の洗浄ステップによって除去される。実質的にＰＳＧに類似の化学組成に変換されるシリコンナノ粒子フィルムのいかなる部分も、除去されることになる。しかし、前述のように、有機シリコンの領域は残る。
一般に、化学的エッチングの期間が不十分（約３０秒未満）であると、約３００ｎｍと１２００ｎｍの間のＰＳＧ酸化物の厚さが、太陽電池の基板表面上に残る。したがって、高ドープ濃度領域と低ドープ濃度領域のコントラストが、パターンを確認するのに十分に優れていても、対応する太陽電池効率は、非導電性酸化物であるＰＳＧ層の除去が不十分であることによってもたらされる比較的高い反射率ならびに高い直列抵抗により、低下される。それと対照的に、化学的エッチングの期間が長すぎると（約１時間より長いと）、高ドープ濃度領域と低ドープ濃度領域のコントラストが不十分であって、金属接触の位置合わせ不良の可能性が増す。しかし、有利なやり方では、化学的エッチングの期間が約１分から約１０分までである、厚さが５ｎｍと４００ｎｍの間の有機シリコン含有領域が、低ドープ濃度領域に対して十分な反射性のコントラストを有してシリコン基板表面上に残る。
次のステップで、反射を最小化し、表面パッシベーションを最適化するために、シラン、アンモニア、窒素、および任意選択で水素の環境の中で窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4およびＳｉとＮとの他の非ストチオメトリック（ｎｏｎ−ｓｔｏｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）な比）の反射防止コーティングおよび不活性化層がシリコン基板上に堆積される。ここで、Ｓｉ3Ｎ4層の反射率は、４０ｎｍと約１２０ｎｍの間の厚さで約１．９０と約２．１０の間にある。
次に、高ドープ濃度領域の位置が、低ドープ濃度領域に対するそれらのコントラストに基づいて求められ、スクリーン印刷機などの堆積装置を使用して金属接触が堆積される。ここで、テクスチャ加工された基板表面上に光が投射され、続いて拡散反射が分析される。拡散反射は、一般に、テクスチャ加工されたシリコン基板などの凹凸のある表面からの光の反射である。したがって、反射光は、表面を取り巻く半球にわたって（２πステラジアン）広がる。
曲線１１０は、１２００ｎｍの厚さの酸化シリコンナノ粒子の薄膜を有するテクスチャ加工されたシリコン基板の反射率を示し、これは、前述のように、６０ｎｍの厚さの窒化シリコン層でコーティングされている重度にドープされた領域を形成するのに使用することができる。４７０ｎｍでの反射率は１８．２％であり、５４０ｎｍでの反射率は１５．９％である。
曲線１０８は、５００ｎｍの厚さの酸化シリコンナノ粒子の薄膜を有するテクスチャ加工されたシリコン基板の反射率を示し、これは、前述のように、１１５ｎｍの厚さの窒化シリコン層でコーティングされている重度にドープされた領域を形成するのに使用することができる。４７０ｎｍでの反射率は９．３％であり、５４０ｎｍでの反射率は９．７％である。
曲線１０７は、約３０ｎｍ未満の厚さのシリコンナノ粒子の薄膜を有するテクスチャ加工されたシリコン基板の反射率を示し、これは、前述のように、１１５ｎｍの厚さの窒化シリコン層でコーティングされている重度にドープされた領域を形成するのに使用することができる。４７０ｎｍでの反射率は３．４％であり、５４０ｎｍでの反射率は０．８５％である。
曲線１０５は、シリコンナノ粒子の薄膜のないテクスチャ加工されたシリコン基板の反射率を示し、これは、前述のように、１１５ｎｍの厚さの窒化シリコン層でコーティングされている軽度にドープされた領域を形成するのに使用することができる。４７０ｎｍでの反射率は−２．７％であり、５４０ｎｍでの反射率は−０．６１％である。
見られるように、３７５ｎｍと６００ｎｍの間の第１の波長範囲１１２および７００ｎｍと８００ｎｍの間の第２の波長範囲１１４に関して、反射率に著しい差がある。例えば、曲線１０７の反射率は、形状では窒化シリコン層のみでコーティングされたシリコン基板を示す曲線１０５の反射率に似ているが、より高い波長に向かっての変化は少ない。理論によって縛られないように、本発明者は、窒化シリコン層がもう少し厚いか、またはピラミッド形テクスチャリングの角度がより急であれば、類似の結果が予期されるものと考える。
図２Ａを参照すると、テクスチャ加工された窒化シリコンコーティングの結晶シリコン基板上の、高ドープ濃度領域の反射率の比と低ドープ濃度領域の反射率の比を本発明によって比較する簡略図である。入射する波長２０２が横軸に示され、一方、高ドープ濃度領域の反射率の比の曲線および低ドープ濃度領域の反射率の比の曲線である２０４が縦軸に示されている。
曲線２１２は、１２００ｎｍの厚さの酸化シリコンナノ粒子の薄膜を有する領域の反射率と、６０ｎｍの厚さの窒化シリコン層でコーティングされているテクスチャ加工されたシリコン基板であって、シリコンナノ粒子の薄膜のないものの反射率との比を示す。反射率の比は、４７０ｎｍで約９．８であり、５４０ｎｍで約３４．２である。
曲線２１０は、５００ｎｍの厚さの酸化シリコンナノ粒子の薄膜を有する領域の反射率と、１１５ｎｍの厚さの窒化シリコン層でコーティングされているテクスチャ加工されたシリコン基板であって、シリコンナノ粒子の薄膜のないものの反射率との比を示す。反射率の比は、４７０ｎｍで約４．０であり、５４０ｎｍで約２０．３である。
曲線２０８は、約３０ｎｍ未満の厚さの酸化シリコンナノ粒子の薄膜を有する領域の反射率と、１１５ｎｍの厚さの窒化シリコン層でコーティングされているテクスチャ加工されたシリコン基板であって、シリコンナノ粒子の薄膜のないものの反射率との比を示す。反射率の比は、４７０ｎｍで約１．３であり、５４０ｎｍで約１．４である。
図１に示されるように、３７５ｎｍと６００ｎｍの間の第１の波長範囲１１２、および７００ｎｍと８００ｎｍの間の第２の波長範囲１１４に関して、低ドープ濃度領域の反射率と高ドープ濃度領域の反射率の比は、残りの波長に関するものよりかなり大きく、波長範囲１１２に関して、より高いコントラストをもたらす。太陽電池の製作に通常使用される６２０ｎｍと６８０ｎｍの間の波長を含めて、１．３未満のコントラストをもたらす波長は回避されるべきである。
図２Ｂを参照すると、本発明による、有機シリコンナノ粒子の薄膜を堆積して高ドープ濃度領域を最初に形成し、次いで、前述のように、２分間にわたってエッチングで（部分的に）除去し、続いて窒化シリコン層を堆積した基板の、高ドープ濃度領域の反射率の比と低ドープ濃度領域の反射率の比を比較する簡略図である。入射する波長２０２が横軸に示され、一方、反射率の比２１４が縦軸に示されている。見られるように、３７５ｎｍと６００ｎｍの間の第１の波長範囲１１２および７００ｎｍと８００ｎｍの間の第２の波長範囲１１４に関して、反射力に著しい差がある。
次に図３を参照すると、選択エミッタと裏面輻射場（ＢＳＦ）として働くさらなる層とを有する前面接触太陽電池の簡略図である。前述のように、一般的な太陽電池では、高ドープ濃度のエミッタ領域と低ドープ濃度のエミッタ領域の間の視覚的境界を判断するのが困難であり得て、１組の金属接触の位置合わせした堆積が困難になる。
エミッタ３０６は、ｐ型（例えばホウ素でドープされたもの）またはｎ型（例えばリンでドープされたもの）でよく、気相拡散（例えばリン源としてＰＯＣｌ3ガスを用いるかまたはホウ素源としてＢＢｒ3を用いるものなど）、固体源拡散、または一般に例えばリン酸などの液体のドーパント源を用いるインライン処理を含むがこれらに限定されない様々な方法で形成され得る。
エミッタ３０６（一般に反射防止コーティング３０４でのコーティングも施される）の上に、１組のフィンガ３０５（ここでは約１３０μｍ幅の銀を有する）および１組のバスバー３０３（ここでは約１５００μｍ幅の銀を有する）を備えた前面金属接触がある。前面金属接触は、一般に、銀のペーストで作製されていて追加ガラスフリットを有し、光が吸収されたときに、シリコン基板３０８で生成された電荷担体（ここでは電子）を抽出するように最適化される。前面金属接触は、一般に、水平表面積を減らし（したがって電流の生成を低減するシェーディングによる損失を最小化する）、断面積を大きくする（したがって装置の直列抵抗を低減して、装置の効率を向上する傾向を持たせる）ようにも構成される。
一般に、未処理のシリコン基板は、入射光の３０％超を反射することが多い。したがって、この反射されたエネルギーを低減して効率を直接改善するために、シリコン基板は一般にテクスチャ加工され、反射防止コーティング３０４（例えば窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）など）とともに最適化される。また、反射防止コーティング３０４は、エミッタ３０６の表面の不動態化を支援し、外部ソースからの基板バルクの汚染の影響を低減するとともに、Ｓｉのダングリングボンド（ｄａｎｇｌｉｎｇ Ｓｉ ｂｏｎｄｓ）またはドープされた基板３０８表面の欠陥によって引き起こされる少数キャリアの再結合を実質的に低減する。
また、シリコン基板３０８の裏面には、（基板と同じタイプの）重度にドープされた領域があることが多く、これがＢＳＦ（裏面輻射場）３１０を生成する。背面の再結合の影響を最小化すると、適切に構成されたＢＳＦは、裏面のより近くで生成された少数キャリアをはね返す傾向があり、基板吸収体におけるより高レベルの少数キャリア濃度およびより高いデバイス効率をもたらす。例えば、ＢＳＦ層を形成するために、ｐ型の基板に対してＡｌ（アルミニウム）またはＢ（ホウ素）を付加してよい。それと対照的に、ｎ型基板については、ＢＳＦ層を形成するためにＰ（リン）を付加してよい。また、一般に、相互接続用のはんだ付けを容易になるために、銀（Ａｇ）または銀／アルミニウムのパッドが、モジュールの中へ裏面に挿入される。
次に図４を参照すると、本発明による裏面接触太陽電池の簡略図である。一般的な構成では、１組のｐ型（エミッタ）領域４１２および１組のｎ型のベース接触領域４１６が、ｎ型の（リンでドープされた）シリコン基板４０８の中へ拡散される。任意選択で、窒化シリコンまたはシリコン酸化物の表面不活性化層４１０を、表面の裏側に堆積することができる。電荷担体を抽出するために、ｐ型領域４１２の組の上にエミッタ金属接触４０２が堆積され、ｎ型領域４１６の組の上にベース金属接触４１１が堆積される。
また、ＦＳＦ（前面領域）および反射防止コーティング（前述のもの）から成る前面層４０４も堆積される。ＦＳＦは、太陽電池の前面から少数キャリア（ここでは電子）をはね返す傾向があり、したがって前面のパッシベーション品質を改善するという点で、機能においてＢＳＦに似ている。
（実験１）
結晶シリコン基板を、最初にあらかじめ硫酸溶液で洗浄し、次いでＨ2Ｏ、ＩＰＡ、およびＫＯＨの溶液で基板を処理することによりテクスチャ加工した。ＳＣ−２（Ｈ2Ｏ、ＨＣｌ（塩酸）およびＨ2Ｏ2（過酸化水素）の混合物）、ピラニア（硫酸（Ｈ2ＳＯ4）およびＨ2Ｏ2の混合物）、ＢＯＥ、およびＨ2Ｏでそれぞれ洗浄して洗い落とすステップの後に、結晶シリコン基板上に、１組の有機溶剤の中に４重量％のシリコンナノ粒子を含むシリコンナノ粒子流体を堆積させた。フィルムの密度を高め、溶媒分子を蒸発させるために、不活性の雰囲気の中で６０００℃の温度で３分間加熱乾燥した後に、結晶シリコン基板を、ＰＯＣｌ3、Ｎ2およびＯ2の雰囲気を有する拡散炉の中で、ドーパント源に対して約９２５℃の温度で約１００分間暴露した。続いて、残留ＰＳＧガラス層を、５分間のＢＯＥ洗浄ステップで除去した。このステップの間、シリコンナノ粒子薄膜の厚さは、約１２００ｎｍから約３０ｎｍまで縮小し、有機シリコン残留物の層が残った。
次に、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて結晶シリコン基板を分析した。一般に、ＡＥＳは、表面頂部の５〜１０ｎｍの組成を求めるための技法である。３〜２０ｋｅＶのエネルギーの入射電子は、サンプル（ここではシリコン基板）の頂面の原子から高結合エネルギーの内殻電子を追い出す傾向がある。次いで、原子は、核状態の孔にはまる低結合エネルギーの価電子によって弛緩する。この量子化された弛緩エネルギーが、追い出された電子の運動エネルギーに移転され、これが検出され得る。追い出された電子の運動エネルギーは、同電子を放出した要素の特性であり、したがって同要素を識別するのに用いることができる。
ここで、ＰＳＧガラス層および堆積されたシリコンナノ粒子の薄膜は実質的に除去されたが、結晶シリコン基板表面の低ドープ濃度領域に対する高ドープ濃度領域の反射率を変更するほど十分に大きい炭素原子の破片が、（残留シリコンナノ粒子とともに）検出された。
次に図５Ａを参照すると、本発明による、シリコンナノ粒子流体を最初に堆積し、高密度化して、次いで、前述のように（部分的に）除去した、ピラミッド形にテクスチャ加工されたシリコン太陽電池の基板表面のＡＥＳによる分析の簡略図である。一般に、テクスチャ加工されたシリコン太陽電池の基板表面５０２は、幅および高さが可変のピラミッド構造を有する。ピラミッドの頂点の領域５０８では、約１８原子％の炭素が測定された。ピラミッドの中間点５０６では、約１５原子％の炭素が測定された。また、ピラミッドの谷５０４では、約３４原子％の炭素が測定された。Ａｒを用いたイオンミリングによって表面材料を約５ｎｍ除去した後、元の炭素原子濃度の約６７％が依然として残っており、したがって、この炭素信号は、ＡＥＳ技法のイオンミリングに先立って炭素信号に寄与し得る有利な表面炭素によるものではないことを示している。
（実験２）
１組の結晶シリコン基板を、最初にあらかじめ硫酸溶液で洗浄し、次いでＨ2Ｏ、ＩＰＡ、およびＫＯＨの溶液で基板を処理することによりテクスチャ加工した。ＳＣ−２（Ｈ2Ｏ、ＨＣｌ（塩酸）およびＨ2Ｏ2（過酸化水素）の混合物）、ピラニア（硫酸（Ｈ2ＳＯ4）およびＨ2Ｏ2の混合物）、ＢＯＥ、およびＨ2Ｏでそれぞれ洗浄して洗い落とすステップの後に、それぞれのテクスチャ加工された結晶シリコン基板上に、１組の有機溶剤の中に４重量％のシリコンナノ粒子を含むシリコンナノ粒子流体を堆積させた。フィルムの密度を高めるために、不活性の雰囲気の中で６０００℃の温度で３分間加熱乾燥した後に、結晶シリコン基板を、ＰＯＣｌ3、Ｎ2およびＯ2の雰囲気を有する拡散炉の中で、ドーパント源に対して約９２５℃の温度で約１００分間暴露した。次に、基板に、期間が変化するＢＯＥ洗浄ステップを施した。残留ＰＳＧガラス層の除去の度合いおよび高密度化シリコンナノ粒子フィルムの厚さは、ＢＯＥに対する暴露期間を０分から６０分まで変化させることによって制御した。より長期のエッチャント暴露が、より薄い高密度化シリコンナノ粒子フィルムおよびより十分なＰＳＧガラス層の除去に相当する。また、エッチャント暴露が１０分より長いと、より薄い高密度化シリコンナノ粒子フィルムを実質的に除去する。
図５Ｂを参照すると、４７０ｎｍでの照明に関して得られた濃淡値のコントラストの比および正規化された効率の両方を、堆積、高密度化、および（部分的）除去の後のシリコンナノ粒子フィルムの厚さと比較する簡易合成図である。正規化された効率は、エッチャントに暴露されていない高密度化シリコンナノ粒子フィルムの厚さを有するデバイスの効率に対して正規化された太陽電池の効率値を表す。
一般に、濃淡値のコントラスト比は、背景ピクセルのグレイスケール値に対する対象の拡散光センサのピクセルのグレイスケール値の比によって定量化される。濃淡値は、一般に、所与の単位時間においてセンサ上に到達する適切な波長を有する光子の数に直接関連する。所与の構成（すなわち入射角、照明、光の波長）に関して、拡散光センサに対してより高い反射率を有する太陽電池基板の表面上の領域は、グレイスケール上でより高いことになる。高反射率（コントラスト）を有する領域と低反射率を有する領域の間の境界設定は、この差が最大のとき最良に定義される。
厚さ５１０がｎｍの単位で横軸に示され、４７０ｎｍの照明に対して得られた高ドープ濃度領域の濃淡値と低ドープ濃度領域の濃淡値の比５１４が左側の縦軸に示されており、一方、正規化された電池効率（電力出力対電力入力）５１２が右側の縦軸に示されている。曲線５１６は濃淡値のコントラスト比を厚さと比較しており、一方、曲線５１８は正規化された効率を高密度化シリコンナノ粒子フィルムの厚さと比較している。見られるように、厚さが約１２００ｎｍから約１０ｎｍまで縮小するのにつれて、（金属接触に対してより優れたオーム接触を形成する能力のために）正規化された効率が向上し、一方、低ドープ濃度領域に対する高ドープ濃度領域の濃淡値のコントラスト比は（以前に論じられたように、より薄い有機シリコンフィルムの残留物に対応して）低下する。
次に図６を参照すると、本発明による、結晶太陽電池基板上の１組の高ドープ濃度領域上に１組の金属接触を重ねるための装置の簡略図である。
最初に、選択エミッタまたは裏面接触太陽電池用などの１組の高ドープ濃度領域を有する太陽電池基板６０４が、基板取入れ移送装置６０３（例えばコンベヤーベルトなど）上に位置決めされる。次いで、太陽電池基板６０４が、高ドープ濃度領域のパターン内の既知の目標の軸上（ｘおよびｙ）の位置および角度の位置（シータ）を求めるために、パターン検出装置６０６に位置決めされる。例えば、高ドープ濃度領域の組が１組のバスバーおよびフィンガとしてパターン化されている場合、既知の目標の組は、都合よく定義された位置におけるフィンガとバスバーの特定の交差でよい。あるいは、高ドープ濃度領域のパターンに、特有の目標を付加することができる。これらの目標は、高ドープ濃度領域のパターン内の特有のフィーチャとして画像認識ステップに用いられ得る。
高ドープ濃度領域の組内の目標の位置は、一旦求められると、金属堆積装置６１０（スキージ６１２を含み得るスクリーン印刷機など）に伝達される。太陽電池基板６０４が、（方向転換台６０８を介して）金属堆積装置６１０の中に位置決めされた後、高ドープ濃度領域の組の上に堆積される金属接触の組を位置合わせするために、金属堆積装置６１０のプリントスクリーンが、軸方向に、また角度的に調節される。スキージ６１２を使用して、高ドープ濃度領域の組の上へ金属接触を堆積した後、次いで、金属接触（図示せず）の組を有する太陽電池基板は、基板取出し移送装置６１１上に位置決めされ、さらなる処理のために移送されてよい。
ある構成では、基板６０４は、３台の高分解能カメラおよび画像認識ソフトウェアに基づく視覚システムを有するＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＢａｃｃｉｎｉスクリーン印刷機ツールのパターン検出装置６０６に設置される。最初に、画像認識ソフトウェアは、パターンまたは目標の特定の組を探すように指示される。ここで、画像認識ソフトウェアの視覚ライブラリには、Ｃｏｇｎｅｘ Ｖｉｓｉｏｎ Ｐｒｏに基づくものであり、「Ｐａｔｔｅｒｎ Ｍａｔｃｈｉｎｇ」、「ＰａｔＭａｘ」、および「ＰａｔＣＡＤ」などのいくつかのアルゴリズムが含まれ得る。最初の２つのアルゴリズムは、可能な最善品質のモデルパターンの画像を記録して、これを画像認識に用いられる特徴的な幾何学的フィーチャ（すなわちライン、円）へと処理し、最後のアルゴリズムは、ＣＡＤソフトウェアを用いて生成された、理想的な場合のモデルパターンを表す設計の読込みを可能にする。
ＣＡＤパターンアルゴリズムは、パターン認識ソフトウェアが、手動で定義された探索領域ではなく、はっきり定められたＣＡＤパターンを探索することができるので特に有利であり得て、配置精度ならびにコントラストおよびパターンのばらつきに対する復元力が向上する。また、必要とされるスクリーン回転を計算するために、一般に、全体のパターンの中心に対してそれぞれの探索領域の中心座標を正確に知る必要がある。有利なやり方では、これらの座標は、ＣＡＤパターン向けに都合よく定義される傾向があるが、残りのアルゴリズムおよび探索領域の手動選択を用いると、中心座標を推定しなければならず、さらなる配置誤差がもたらされる。
一般に、パターンの組を識別するために、視覚システムに使用される各カメラの視界内に位置するようにパターンの組を選択するべきである。一般に、パターン認識は、パターン内に特有のフィーチャが有効であることを必要とし、同フィーチャは、ｘ方向およびｙ方向に別個の位置を定義する。これらのフィーチャは、第１のパターン自体に含まれ得るか、またはデバイスの性能に影響を及ぼすことなく特有の位置合わせフィーチャとして付加されてよい。次に、有利なやり方では、太陽電池基板が、好ましくは約３７５ｎｍと約６００ｎｍの間および７００ｎｍと８００ｎｍの間、最も好ましくは４７０ｎｍまたは５４０ｎｍの波長で照光される。
本発明者は、結晶太陽電池基板の低ドープ濃度領域（背景）に対する高ドープ濃度領域の最大のコントラストに関してこれらの波長範囲が最適化されると考える。達成可能な濃淡値コントラストおよび反射率の比は、５４０ｎｍでより高い（図７を参照されたい）が、一般的な用途では、基板テクスチャリングおよび反射防止コーティングは、ほぼこの波長で絶対反射率が最小になるように最適化される。したがって、４７０ｎｍと比較して、５４０ｎｍの方が優れたコントラスト比を有するが、４７０ｎｍの方が優れた信号対雑音比を有する。最適な構成は、基板の絶対反射率および照明レベル次第で、有利なやり方でこれらの要因の平衡を保つ。さらに、緑色ＬＥＤの効率は、一般に青色ＬＥＤの効率より低く、４７０ｎｍが好ましい照明波長になる。一般に、７００ｎｍと８００ｎｍの間の波長は同様にかなりのコントラストをもたらすが、一般的なＣＣＤ（電荷結合素子）カメラがこの波長範囲でかなりの感度を有したとしても、ピーク応答は通常５００ｎｍと５５０ｎｍの間にあり、この波長領域はそれほど有利ではない。
また、照明光源の角度は、拡散光センサを用いて観測されたとき、最大のコントラストに最適化されるように調節されてよい。この構成では、拡散光センサのレンズ軸に対して照明光源を垂直に配向すると最善の結果をもたらすが、他の構成では（基板表面、拡散特性など次第で）、基板表面に対して９０度以内で角度を変化させることができる。
拡散光センサの角度は、太陽電池基板上の低ドープ濃度領域に対する高ドープ濃度領域の最大のコントラストを得るように最適化されるように調節されてよい。この構成では、基板表面に対して照明光源を実質的に垂直に配向すると最善の結果をもたらすが、他の構成では（基板表面、拡散特性など次第で）、基板表面に対して９０度まで角度を変化させることができる。
また、十分なコントラストを得るために、照明光源の強度を調節してよい。この構成では、４７０ｎｍの青色ＬＥＤの４つの直線状バーが使用されており、各バーに４×９６個のＬＥＤがあって、調節可能な全体の光強度は最大で１５．５Ｗである。５４０ｎｍでの照明を生成するために、緑色カラーフィルタで覆われた白色ＬＥＤの類似の直線状バーが使用された。代替構成では、各カメラレンズのまわりの環状照明光源および同軸の照明が、機能の代替形態として使用されてよく、というのは、どちらも基板面の法線に対してほぼ平行な入射光経路および反射光経路を維持するからである。
一般に、拡散光センサは、適切な照明光源の波長に対して高感度であるように選択される。この構成では、ビデオカメラは適切なＣＣＤチップとともに使用される。位置合わせに使用されるパターンのすべての関連するフィーチャを分解するのに十分な解像度が必要とされる。位置合わせに使用されるパターンの関連するすべてのフィーチャを結像するのに十分大きな視界が必要とされる。この構成では、ＳＯＮＹのＸＣＤ−ＳＸ９０のＣＣＤカメラが、ＴａｍｒｏｎのＣＣＴＶ ２１ＨＡのレンズ（５０ｍｍの焦点距離を有する）と一緒に使用された。解像度は１２８０×９６０ピクセルであった。約１５５ｍｍの作動距離での視界は、約２０ｍｍ×１５ｍｍであった。背景光をフィルタリングし、より優れたコントラストを得るために、照明光源の波長範囲に対して最適化された帯域通過フィルタが使用されてよい。
一般に、パターンを含む基板の配置精度に対する要件は、関心領域がカメラの視界内にあるということである。この場合には、カメラの視界は２０ｍｍ×１５ｍｍの領域に相当する。画像認識に使用されるフィーチャのサイズは、５ｍｍ×５ｍｍである。したがって、基板は、どちらの方向にも±７．５ｍｍ以内に設置することができる。
一般に、視覚システムのソフトウェアは、記録された画像の対象のモデルパターンを検出するのに必要なパラメータを有する。例えば、最大のコントラストを得るために、暴露、輝度、コントラストを調節する必要があり得る。一般に、これらの値は、所与の照明光源および位置、カメラタイプおよび位置、基板表面、およびパターン構成などに左右される。これらの値は、グレイスケールのコントラスト比が、パターン認識を可能にすることができるほど十分に大きくなるようにさらに調節するべきである。この構成では、成功するパターン認識は、この比を１．３より大きくする必要がある。１．１と小さい値が、成功するパターン認識を可能にするのに十分であり得る。
一般に、視覚ソフトウェアは、モデルパターンと検出された画像の一致を探索する。非対称または対称なスケーリングを可能にするために、モデルの幾何学的拘束を調節することができる。この実例では、０．８と１．６の間のスケーリングが可能であり、プリントパターンのパターン忠実度次第で、対称スケーリングおよび非対称スケーリングが用いられた。
また、記録された画像の画像品質に応じて粒子を調節するべきである。粒子は、一般に２つの領域間の遷移が生じると想定されるピクセルの数を定義する。また、低コントラストの基板は、高い露光およびソフトウェアのコントラスト設定を必要とし、粒状の画像をもたらす。粒子調節は、このような場合に対してパターン認識を可能にすることができる。この場合の設定は、１から１２までの範囲である。
特定の角度を超えた回転に対するパターン認識を除外するために、角度調節も必要とされ得る。この場合±１０度以内のパターンが探索された。
次のステップで、スクリーンの並進移動／回転および以前に堆積されたパターンに対する位置合わせが計算される。一般に、パターン位置合わせのために、スクリーンの並進移動および回転の計算に関して少なくとも２つの座標を定義する必要があるが、第３の座標を追加すると、位置合わせプロセスの精度を改善することができる。この構成では、位置合わせは３つの座標に基づくものであった。パターン位置合わせの計算に用いられる座標は、モデルパターンの幾何学的中心として定義され、いずれもモデル画像またはＣＡＤ図面によって求められる。
次いで、基板は、光学視覚ツール（光学顕微鏡または以下で説明されるＶｅｒｔｅｘ社のＭｉｃｒｏ−Ｖｕ ３２０のツールなど）を用いて検査されてよく、上記で論じた目標フィーチャのそれぞれの座標が求められ、次いで、公称位置としてソフトウェアに伝送されるかまたは入力されてよい。一般に、視覚ソフトウェアは、これらの公称位置を画像認識プロセスで求めたものと比較し、２つのパターンの位置合わせを保証するために、スクリーン向けの並進移動および回転を計算する。
この実例では、試験サンプルを、同一の視覚ツールを用いてプリントして検査された。機械的パラメータ（スクリーン位置、スキージ位置など）に左右されるあらゆる残りの軸方向および角度のオフセットが、視覚ソフトウェアでは補正され得る。高ドープ濃度領域の組内の既知の目標の位置は、一旦求められると、前述のようにスキージ６１２を含む金属堆積装置６１０に伝達された。画像認識およびパターン位置合わせプロセスのためのセットアップおよびパラメータを調節した後に、Ｓｉ3Ｎ4層を通して焼成するべき銀を含むガラスフリットの層が、高ドープ濃度領域を画定する、以前に堆積された層の頂部にプリントされた。したがって、視覚システムの達成可能な精度内で、連続した試料をプリントすることができる。ここで、サンプル間の誤差範囲は、±１６μｍより優れていることが示された。
過度の溶剤を除去するための第１の乾燥ステップの後、電池の裏面にＡｇ／Ａｌ接触層がプリントされ、別の乾燥ステップの後に、アルミニウムから成るＢＳＦ層がプリントされた。続いて、太陽電池基板６０４は、第３の乾燥ステップで処理され、続けてベルト炉の中で諸電池を一緒に焼成することにより接触が形成され得る。
次に、結晶太陽電池基板は、通常はレーザを含む太陽電池基板の縁端部絶縁装置によって処理され、それによって、エミッタ層を貫通する溝が連続的に刻みつけられる。
任意選択で、実際の金属堆積の品質を調べるために、高ドープ濃度領域のパターンに対する堆積された金属接触の位置合わせを求めてよい。一般に、金属堆積装置６１０（ここではスキージ６１２）の堆積機構は、初期の既知の位置および角度へ物理的に位置合わせして位置決めする必要がある。金属堆積装置６１０は、その結果として、実際に高ドープ濃度領域に金属を堆積するために、視覚ソフトウェアからのパターン情報を、この位置および角度からオフセットさせる。しかし、実際の位置および角度は、摩耗および温度変動などの製造状況によって変化する傾向があり、その結果として、堆積されるパターンの位置のドリフトがもたらされる。一般に、製造を通じて、±５μｍ内のマシンのオフセットばらつきの周期性に対して、少なくとも２倍の割合でパターン位置合わせを分析するのが望ましい。
有利なやり方では、堆積された金属と高ドープ濃度領域のパターンの間の実際のドリフトは、Ｖｅｒｔｅｘ社のＭｉｃｒｏ−Ｖｕなどの視覚装置を用いて、光源の照明角度および強度を変化させることにより自動的に求めることができる。例えば、Ｖｅｒｔｅｘ社のＭｉｃｒｏ−Ｖｕは、最大のコントラストをもたらすように最適化された照明光源を投射する。この構成では、視覚システムの標準的な赤色光源が白色ＬＥＤで置換され、この白色ＬＥＤは、６００ｎｍ未満、具体的には４７０ｎｍと５４０ｎｍの必要とされる波長範囲で強く寄与する傾向がある。
ここで、基板表面は、まず、高ドープ濃度領域の既知の目標を検出するために、約５０ｍＷ／ｃｍ2から約４００ｍＷ／ｃｍ2の入射電力および基板表面の法線ベクトルから２〜２０度の入射角を有する白色照明光源で照光される。可変角度のリング照明を有する自動視覚ツールについては、追加の光源を用いて基板表面の法線ベクトルから６０〜８０秒の入射角度で同時に照明すると、高ドープ濃度領域の検出を改善することができることも実験的に求められている。次に、基板表面は、堆積された金属の既知の目標を検出するために、約１ｍＷ／ｃｍ2から約２０ｍＷ／ｃｍ2の入射電力および基板表面の法線ベクトルから０〜８５度の入射角を有する光源で照光される。選択エミッタのパターンおよび金属接触の両方からの既知の目標を認識した後、選択エミッタと金属接触パターンの間の実際の軸方向および角度の位置を求めることができる。
次に図６Ｂを参照すると、本発明による図６Ａのパターン検出装置の１つの構成の簡略図である。ここで、１組のＬＥＤ（発光ダイオード）バンク６２４が、１組の拡散光検出器（例えばカメラなど）６３０Ａ〜６３０Ｃのまわりに位置決めされた。太陽電池基板６０４がＬＥＤバンク６２４の組の下に位置決めされたとき、約３７５ｎｍと約６００ｎｍの間の波長を有する光が、基板表面上に投射された。前述のように、不均一な表面の太陽電池基板６０４により、反射光６２２が拡散する。前述のように、拡散光検出器６３０Ａ〜６３０Ｃの組の各検出器が、対応する既知の目標６２０Ａ〜６２０Ｃに対して位置決めされた。この構成では、ＬＥＤバンク６２４の組の各バンクは、照明波長が４７０ｎｍで最大強度が１５．５Ｗの青色ＬＥＤを９６個有するものであった。
また、このシステムは、ＴａｍｒｏｎレンズＣＣＴＶ ２１ＨＡ（焦点距離は５０ｍｍである）を伴う、ＳＯＮＹのＣＣＤカメラＸＣＤ−ＳＸ９０の拡散光検出器Ｆ３０Ａ−Ｃから成るものであった。各カメラは、約１２８０×９６０ピクセルの解像度、約２０ｍｍ×１５ｍｍの視界、および約１５５ｍｍの動作距離に構成されていた。さらに、低ドープ濃度領域に対する高ドープ濃度領域の組のコントラストを最適化するために光フィルタが用いられてよい。場合によっては、長波長通過フィルタ、短波長通過フィルタ、または帯域通過フィルタを用いると有利である。一般に、これらのフィルタは、照明光源の波長が通ることを可能にする一方で、背景光に起因する波長をフィルタリングする。ここでは、４７０ｎｍの照明に対して４７０ｎｍの帯域通過フィルタが用いられた。
図７を参照すると、本発明によって、それぞれ４７０ｎｍおよび５４０ｎｍの照明に関して反射率の比を濃淡値のコントラストと比較する簡略図である。反射率の比７０２が横軸に示され、４７０ｎｍにおける濃淡値コントラストの比７０４が左側の縦軸に示され、５４０ｎｍにおける濃淡値コントラストの比７０６が右側の縦軸に示されている。見られるように、測定された拡散光画像上の２つの近接したピクセル間の濃淡値コントラストが、それら２つのピクセル間の観測された反射率の比に直接関連づけられる。
図８を参照すると、本発明によって、照明角度を濃淡値のコントラストと比較する簡略図である。一般に、照明角度は、拡散光センサのレンズ軸に対するものである。単位が度である照明角度８０２が横軸に示され、一方、濃淡値コントラストの比８０４が縦軸に示されている。一般に、照明角度が約０．０度であると、かなり高いグレイスケールコントラストの比（１．４２）が観測される。
理論に縛られないように、本発明者は、有機シリコンの区域を有するこれらの高ドープ濃度領域では（特にピラミッド形にテクスチャ加工された表面の谷では）、光が主に法線方向に散乱するが、低ドープ濃度領域では光の主要な散乱方向は存在しないと考える。したがって、照明角度が約０．０であるとき、最大のコントラストが測定され得る。
次に図９を参照すると、本発明によって、照明波長をコントラストと比較する簡略図である。光源の波長９０２が横軸に示され、一方、濃淡値の比９０４が縦軸に示されている。見られるように、４７０ｎｍの波長と５４０ｎｍの波長は、どちらもシリコン基板表面上の高ドープ濃度領域と低ドープ濃度領域間の十分なコントラストを生成するが、約６５５ｎｍの波長は十分なコントラストを示さない。後者の波長は、太陽電池の製作に最も一般的に用いられるスペクトル領域にある。
本明細書で説明的に記述された本発明は、本明細書で具体的に開示されなかった、いかなる要素または諸要素、制限または諸制限がない状態でも適切に実施され得る。したがって、例えば、用語「備える」、「含む」、「含有」などは、制限なしで拡張的に読み取られるものとする。さらに、本明細書で使用された用語および表現は、限定ではなく説明の用語として用いられており、このような用語および表現の使用には、示され説明された特徴のいかなる等価物またはその一部分も除外する意図はなく、特許請求される本発明の範囲内で様々な変更形態が可能であることが理解される。
したがって、本発明が好ましい実施形態および任意選択の特徴によって具体的に開示されてきたが、本明細書に開示された本発明の変更形態、改善形態および変形形態が当業者によって頼られる可能性があり、このような変更形態、改善形態および変形形態は、本発明の範囲内にあると見なされることを理解されたい。ここで提供された材料、方法、および実例は、好ましい実施形態の典型であり、例示であって、本発明の範囲に対する制限として意図されるものではない。例えば、シリコン基板は、結晶基板および多結晶基板を含んでよい。
当業者には理解されるように、任意の目的およびすべての目的のために、特に書面の説明を提供する点において、本明細書に開示されたすべての範囲は、任意の可能なサブ範囲およびすべての可能なサブ範囲ならびに同サブ範囲の組合せを包含する。いかなる列挙された範囲も、同じ範囲が、少なくとも等しい半分、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１などに分割することを十分に説明し、かつ可能にするものと容易に理解することができる。限定するものでない実例として、本明細書に論じられた各範囲は、下部の３分の１、中間の３分の１、および上部の３分の１といった風に容易に分割され得る。「まで」、「少なくとも」、「より大きい」、「より小さい」などといったすべての言葉は、列挙された数を含み、また、上記で論じられたように、後にサブ範囲に分割することができる範囲を参照することも当業者には理解されよう。
すべての出版物、特許出願、公布された特許および本明細書で参照された他の文献は、個々の出版物、特許出願、公布された特許、または他の文献が、あたかもその全体が参照によって組み込まれるように具体的、かつ個々に示されたかのように、参照によって本明細書に組み込まれる。参照によって組み込まれる原文に含まれている定義は、本開示における定義と矛盾する範囲は除外される。
本開示の目的のために、また別段の定めがない限り、「ある」または「１つの」は、「１つまたは複数の」を意味する。本明細書で引用されたすべての特許、出願、参照および出版物は、それらが参照によって個々に組み込まれているのと同程度に、それらの全体が参照によって組み込まれる。また、単語の組は、１つまたは複数の項目または目的の集合を指す。
本発明の諸利点には、シリコン基板上の１組のパターンを位置合わせする方法が含まれる。さらなる諸利点には、改善された効率および低接触抵抗を有する太陽電池の製作が含まれる。
例示的実施形態および最善の形式が開示されており、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の対象および趣旨の範囲内にとどまったまま、開示された実施形態に対する変更形態および変形形態が構成され得る。

Claims (17)

  1. 基板表面を備える基板上の１組のパターンを位置合わせする方法であって、
    前記基板表面上に１組のシリコンナノ粒子を堆積するステップであって、前記シリコンナノ粒子の組が、１組の炭素原子を含む１組の配位子分子を含み、前記ナノ粒子が堆積されるところに領域の第１の組が形成され、前記ナノ粒子が堆積されないところに領域の第２の組が形成されるステップと、
    前記シリコンナノ粒子の組の密度を高めて薄膜にするステップであって、前記基板表面上に１組の有機シリコンの区域が形成され、領域の前記第１の組が第１の反射率値を有し、領域の前記第２の組が第２の反射率値を有するステップと、
    照明源で前記基板表面を照光するステップであって、前記第２の反射率値と前記第１の反射率値の比が約１．１より大きいステップと
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記照明光源が、約３７５ｎｍと約６００ｎｍの間、または約７００ｎｍと約８００ｎｍの間の波長を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記照明光源が、約４７０ｎｍまたは約５４０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記有機シリコンの区域が、シリコン原子の第２の組および１組の炭化シリコン原子のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 基板表面を照光した後に、領域の第１の組と領域の第２の組の間の反射されたコントラストを測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 前記シリコンナノ粒子の組の密度を高めて前記薄膜にするステップの後に前記基板表面上に反射防止コーティングを堆積するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 前記基板表面が、前面および裏面のうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 領域の前記第１の組と領域の前記第２の組間の反射されたコントラストを測定するステップの後に、領域の前記第１の組上に流体を堆積するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  9. 前記流体が、銀のペーストおよびアルミニウムのペーストのうちの１つであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記基板表面を、約５０ｍＷ／ｃｍ2から約４００ｍＷ／ｃｍ2までの第１の入射電力を有する第１の白色照明光源を用いて、基板表面の法線ベクトルから、約２度から約２０度までの第１の入射角で照光するステップと、
    前記照明光源を用いて前記基板表面を照光した後に、前記基板表面を、約１ｍＷ／ｃｍ2の第２の入射電力を有する第２の白色照明光源を用いて、前記基板表面の法線ベクトルから、約０度から約８５度までの第２の入射角で照光するステップと
    をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記基板表面を、約５０ｍＷ／ｃｍ2から約４００ｍＷ／ｃｍ2までの第１の入射電力を有する第１の白色照明光源を用いて、基板表面の法線ベクトルから、約２度から約２０度までの第１の入射角で照光するステップと、前記基板表面を、約５０ｍＷ／ｃｍ2から約４００ｍＷ／ｃｍ2までの第２の入射電力を有する第２の白色照明光源を用いて、前記基板表面の法線ベクトルから、約６０度から約８０度までの第２の入射角でさらに照光するステップと、
    前記照明光源を用いて前記基板表面を照光した後に、前記基板表面を、約１ｍＷ／ｃｍ2の第３の入射電力を有する第３の白色照明光源を用いて、前記基板表面の法線ベクトルから、約０度から約８５度までの入射角で照光するステップと
    をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 前記ナノ粒子が、ドープされたナノ粒子および真性ナノ粒子のうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 前記ナノ粒子が、ホウ素およびリンのうちの１つでドープされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 前記反射されたコントラストが、レンズ軸を有する拡散光センサによって測定され、前記照明光源が、前記レンズ軸に対して実質的に平行であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  15. 領域の前記第１の組が高いドーパント濃度を有し、領域の前記第２の組が低いドーパント濃度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  16. 基板表面を備える基板上の１組のパターンを位置合わせするための装置であって、
    前記基板表面上に１組のシリコンナノ粒子を堆積するための手段であって、前記シリコンナノ粒子の組が、１組の炭素原子を含む１組の配位子分子を含み、前記ナノ粒子が堆積されるところに領域の第１の組が形成され、前記ナノ粒子が堆積されないところに領域の第２の組が形成される手段と、
    前記シリコンナノ粒子の組の密度を高めて薄膜にするための手段であって、前記基板表面上に１組の有機シリコン区域が形成され、領域の前記第１の組が第１の反射率値を有し、領域の前記第２の組が第２の反射率値を有する手段と、
    前記基板表面を、約３７５ｎｍと約６００ｎｍの間、または約７００ｎｍと約８００ｎｍの間の波長で照光するための手段であって、前記第２の反射率値と前記第１の反射率値の比が約１．１より大きい手段と
    を備えることを特徴とする装置。
  17. 領域の前記第１の組と領域の前記第２の組の間の反射されたコントラストを測定するための手段をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
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