JP2938367B2 - 光起電力モジュールの製造方法 - Google Patents

光起電力モジュールの製造方法

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の光起電力素子を
互いに接続してなる光起電力モジュールの製造方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、1つの機能構成要素の大きさがミ
リメータオーダ或いはミクロンオーダの3次元形状を有
するマイクロマシンと称される微小機械の研究開発が進
んでおり、マイクロマシンへのエネルギー供給を有索或
いは無索で行なう種々の方式が検討されている。
【0003】そして、無索でエネルギー供給を行なう方
式の1つとして、マイクロマシンの表面を光起電力素子
によって覆い、該光起電力素子に照射された光を直接に
電力に変換して、マイクロマシンの機能動作に供する方
式が提案されている(例えば精密工学会誌第60巻第3
号別冊、平成6年3月5日発行「ミリマシンのためのエ
ネルギー供給技術」参照)。
【0004】ところで、マイクロマシンを対象とする光
起電力素子によるエネルギー供給に於いては、微小エリ
ア内で高電圧を発生させる必要があるため、複数の微小
な光起電力素子を互いに直列に接続してなる光起電力モ
ジュールの採用が検討されている。
【0005】図14(a)(b)は、単結晶シリコンのpn
接合を用いた光起電力モジュールの製造方法を示してい
る。先ず図14(a)の如く、ガラス等の絶縁性基板(4)
上にp型単結晶シリコン層(1)及びn型単結晶シリコン
層(2)からなる光起電力素子層を形成した後、該光起電
力素子層の表面にレーザビームを照射することによっ
て、同図(b)の如く分割溝(6)を形成し、光起電力素子
層を複数の光起電力素子に分割する。その後、隣り合う
光起電力素子どうしをワイヤーで直列に接続して、光起
電力モジュールを完成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光起電力モジュールの製造方法に於いては、レーザ加工
によって分割溝(6)を形成する過程で、その被加工部が
熱による損傷を受けて、電気的抵抗値の低い変質層(9)
が形成される。この結果、p型単結晶シリコン層(1)と
n型単結晶シリコン層(2)とが互いに短絡することにな
り、リーク電流の発生によって所期の起電力が得られな
い問題が生じる。この問題は、単結晶シリコンのpn接
合を用いた光起電力素子に限らず、多結晶シリコンやア
モルファスシリコンを用いたその他の光起電力素子に於
いても同様に発生する。
【0007】特に、マイクロマシンを対象とする光起電
力モジュールに於いては、1つの光起電力素子の大きさ
に対して変質層の占める割合が、マイクロマシンの微小
化に伴って増大するので、リーク電流による起電力低下
の問題は顕著となる。本発明の目的は、レーザ加工に起
因する起電力低下の問題を解決することである。
【0008】
【課題を解決する為の手段】本発明に係る光起電力モジ
ュールの製造方法は、光起電力素子層を形成する素子層
形成工程と、形成された光起電力素子層をレーザ加工に
よって複数の光起電力素子に分離する分離工程と、分離
された複数の光起電力素子を互いに接続する接続工程と
を有し、素子層形成工程では、レーザ加工が施される領
域にイオンを注入して、該領域を高抵抗化した後、レー
ザ加工を施すことを特徴とする。
【0009】具体的には、素子層形成工程におけるイオ
ン注入は、異なる加速エネルギーを有するイオンビーム
を、高エネルギーのものから順次、低エネルギーのもの
へ切り換えて、光起電力素子層に照射することによって
行なう。
【0010】素子層形成工程において注入されるイオン
は、例えば窒素イオン若しくは酸素イオンである。
【0011】又、具体的には、素子層形成工程における
イオン注入領域は、レーザ加工による熱損傷領域よりも
僅かに広く形成される。
【0012】又、具体的には、素子層形成工程における
イオン注入の深さは、光起電力素子層のpn接合部或い
はpin接合部よりも深く設定される。
【0013】更に具体的には、分離工程におけるレーザ
加工は、窒素若しくは酸素雰囲気中で行なわれる。
【0014】
【作用】本発明の光起電力モジュールの製造方法に於い
ては、素子層形成工程にて、レーザ加工の領域がイオン
注入によって高抵抗化されているので、その後、この領
域にレーザ加工を施す過程で、その熱的影響によって被
加工部が変質したとしても、結果として抵抗値が著しく
低くなることはなく、リーク電流の発生が防止される。
【0015】ここで、単結晶シリコンに窒素イオンを注
入すれば、シリコンの窒化物が生成され、酸素イオンを
注入すれば、シリコンの酸化物が生成されることにな
る。これらの酸化物は何れも、高い電気的抵抗値を有し
ている。
【0016】素子層形成工程におけるイオン注入を異な
る加速エネルギーを有するイオンビームの照射によって
行なう場合、イオンビームを高エネルギーのものから順
次、低エネルギーのものへ切り換えることによって、先
ず高エネルギーのイオンビームの照射によって光起電力
素子層の深部へイオンが注入され、その後、より低いエ
ネルギーのイオンビームの照射によって、徐々に浅い層
へイオンが注入されることになる。この結果、深さ方向
に均一なイオン注入が行なわれることになる。
【0017】素子層形成工程におけるイオン注入領域
を、レーザ加工による熱損傷領域よりも僅かに広く形成
すれば、レーザ加工に伴う熱損傷はイオン注入領域の全
体には及ばず、熱損傷を受けないイオン注入領域の高抵
抗によって、リーク電流の発生が防止される。
【0018】又、素子層形成工程におけるイオン注入の
深さを、光起電力素子層のpn接合部或いはpin接合
部よりも深く設定すれば、リーク電流の経路に高抵抗が
介在することとなって、リーク電流が効果的に抑制され
る。
【0019】更に、分離工程におけるレーザ加工を窒素
若しくは酸素雰囲気中で行なうことによって、光起電力
素子層のレーザ照射領域が活性化して、該活性化領域に
雰囲気中の窒素若しくは酸素が混入し、高抵抗の窒化物
或いは酸化物が生成される。この結果、前記イオン注入
による高抵抗層と相俟って、リーク電流が殆ど完全に抑
制されることになる。
【0020】
【発明の効果】本発明に係る光起電力モジュールの製造
方法によれば、リーク電流発生の原因となっていた熱損
傷部に高抵抗層が形成されるので、該方法によって製造
された光起電力モジュールに於いては、リーク電流の発
生が抑制されて、所期の起電力が得られる。
【0021】
【実施例】以下、本発明を単結晶シリコンのpn接合か
らなる光起電力モジュールに実施した一例につき、図面
に沿って詳述する。図1(a)乃至(f)、及び図2(a)及
び(b)は、本発明に係る光起電力モジュールの製造工程
を表わしており、最終的に得られる光起電力モジュール
に於いては、図1(f)の如く絶縁性基板(4)上に複数の
光起電力素子(7)が形成されて、これらの光起電力素子
(7)がワイヤー(8)によって互いに直列接続されてい
る。
【0022】該光起電力モジュールの製造工程に於いて
は、先ず図1(a)の如くp型単結晶シリコン層(1)の表
層部に、拡散法等によってn型単結晶シリコン層(2)を
形成し、pn接合構造の光起電力素子層を得る。次に、
図1(b)の如くn型単結晶シリコン層(2)の表面にマス
ク(10)を設置して、後工程でレーザ加工を施すべき領域
に窒素イオンを注入する。
【0023】この結果、n型単結晶シリコン層(2)及び
p型単結晶シリコン層(1)の表層部は窒化されて、図1
(c)及び図2(a)に示す如くシリコンの窒化物からなる
高抵抗層(5)が形成される。尚、高抵抗層(5)の幅は、
マスク(10)の開口寸法によって、図2(a)中に鎖線で示
すレーザ加工領域よりも僅か(例えば20μm程度)に広
く形成される。又、高抵抗層(5)の深さは、同図(a)に
示す様に、pn接合部の深さ(例えば0.5μm)よりも
深く形成される。高抵抗層(5)の深さ制御については後
述する。
【0024】次に、図1(c)の如くp型単結晶シリコン
層(1)の裏面に、光起電力素子毎の電極(3)を形成した
後、同図(d)の如く電極形成面を覆ってガラス製の基板
(4)が接合される。その後、図1(e)の如くレーザビー
ムを高抵抗層(5)の表面へ照射して、電極(3)に至る深
さの分割溝(6)を加工し、光起電力素子層を複数の光起
電力素子(7)に分割する。
【0025】この過程で、レーザ加工領域には、図2
(b)に示す如く分割溝(6)の両側面に沿って、熱的影響
による変質層(9)が生じるが、該変質層(9)よりも広い
領域に亘って高抵抗層(5)が形成されているので、該高
抵抗層(5)の介在によってp型単結晶シリコン層(1)と
n型単結晶シリコン層(2)の間の絶縁は保たれる。
【0026】最後に図1(f)の如く隣り合う光起電力素
子(7)どうしをワイヤー(8)で互いに直列に接続するこ
とによって、光起電力モジュールを完成する。該光起電
力モジュールにおいては、その製造工程にて、p型単結
晶シリコン層(1)とn型単結晶シリコン層(2)の間のp
n接合が破壊されることなく、絶縁性が保たれるので、
所期の高い起電力が得られる。この効果は、光起電力モ
ジュールが微小化されても維持されるので、特にマイク
ロマシン用として好適である。
【0027】上記製造工程では、図1(b)のイオン注入
工程にて、一定の加速エネルギーを有するイオンビーム
を照射しているが、光起電力素子層の表面からpn接合
部の存在する略0.5μmを越える深さまで、深さ方向
に均一なイオン注入を行なうためには、後述の如く、異
なる加速エネルギーを有するイオンビームを、高エネル
ギーのものから順次、低エネルギーのものへ切り換えて
照射する方法が有効である。
【0028】図3乃至図5は、加速エネルギーの異なる
イオンビームによるイオン注入の様子を計算機シミュレ
ーションで計算した結果を表わしている。尚、計算機シ
ミュレーションでは、シリコン層に注入される窒素イオ
ンの軌跡を原子間の衝突過程より計算し、その注入イオ
ンの深さ方向のプロファイルを求めた。具体的には、1
000個の注入原子に対し、その深さ方向の原子数分布
を計算し、グラフ化した。
【0029】図3乃至図5は夫々、イオン加速電圧が1
00kV、200kV及び300kVの場合の計算結果
を表わしている。これらのグラフから明らかな様に、イ
オン加速電圧の増大に伴って、注入原子数のピーク位置
が深くなり、300kVの場合に、pn接合部(深さ略
0.5μm)を越える十分な深さまでイオンの注入が可能
である。しかしながら、300kVのイオンビームのみ
によるイオン注入では、深さ方向に均一な注入原子数分
布は得られず、高抵抗化される領域が狭い。
【0030】そこで、図3乃至図5の計算結果を重ね合
わせたところ、図6に示すグラフが得られた。このグラ
フにおいては、0.2μm〜0.7μmの深さに亘って均
一な分布が得られており、異なる加速エネルギーのイオ
ンビームの照射によって、深さ方向に均一なイオン注入
が実現されることが予測される。
【0031】次に、実際に窒素イオンをシリコン基板に
照射し、図3乃至図6の結果を確認した。尚、実験に
は、図7に示す最大加速電圧400kVのイオン注入装
置を用いた。該装置に於いては、イオン源(12)が加速部
(13)を介してチャンバー(11)へ接続されており、加速部
(13)及びチャンバー(11)は真空排気系へ接続されてい
る。チャンバー(11)の内部には、基板(15)を取り付ける
ための回転基板ホルダー(14)が配置されている。該基板
ホルダー(14)は、所謂チャネリングを防止するために、
イオン注入方向に対して基板垂線を7度傾斜させて設置
した。
【0032】尚、基板(15)は、p型の(100)シリコン
であって、その比抵抗は3Ω・cmである。又、窒素ド
ーズ量は6.0×1017atms/cm2である。
【0033】図8乃至図10は、イオン加速電圧100
kV、200kV及び300kVでの実験結果であっ
て、SIMS分析(二次イオン質量分析)による窒素濃度
の深さ方向プロファイルを表わしている。図3乃至図5
に示す計算結果とほぼ一致したプロファイルが得られて
いる。窒素濃度のピーク位置は夫々、0.25μm、0.
5μm及び0.75μmとなっており、イオン加速電圧
の増大に応じて深くなっている。
【0034】次に、イオン加速電圧の異なるイオンビー
ムの照射順序について検討するべく、実際に異なる順序
でイオンビームを照射して、同じくSIMS分析によっ
て窒素濃度分布を評価した。図11は、先ず200k
V、その次に300kVのイオン加速電圧でイオンビー
ムを照射した場合の窒素濃度の深さ方向プロファイルを
表わしている。これに対し、図12は、先ず300k
V、その次に200kVのイオン加速電圧でイオンビー
ムを照射した場合の窒素濃度の深さ方向プロファイルを
表わしている。
【0035】図11と図12の比較から明らかなよう
に、先に低い加速電圧でイオン注入を行なった場合(図
11)には、先に高い加速電圧でイオン注入を行なった
場合(図12)よりも、注入深さが浅くなっている。この
原因は、窒素イオンの注入によって基板中の原子密度が
増大し、更には、シリコンの原子配列が窒素イオンとの
衝突によって乱れるため、後の高加速電圧によるイオン
注入時には、イオンと基板原子との衝突頻度が増加し、
イオンの運動エネルギーが急速に吸収されるためである
と考えられる。
【0036】以上の結果から、深さ方向に広い範囲で均
一なイオン注入を行なうためには、先ず高い加速電圧に
よるイオン注入を行ない、その後、徐々に加速電圧を低
下させて、多重にイオンを注入することが有効であると
言える。図13は、100kV、200kV及び300
kVの3種類の加速電圧によるイオン注入に於いて、3
00kV、200kV、100kVの順序で加速電圧を
低下させた場合の窒素濃度の深さ方向プロファイルを表
わしている。このグラフから明らかな様に、表面から
0.15μm〜0.85μmの広い深さ領域に亘って、1
×1022(atms/cm3)を越える均一な窒素濃度が得られ
ている。
【0037】図1の製造工程に上述の条件を採り入れ
て、実際にマイクロマシン用の光起電力モジュールを作
製し、従来の製造方法による光起電力モジュールと比較
したところ、従来の方法による光起電力モジュールで
は、素子サイズの減小に伴う出力電流の低下率が30%
を越えたのに対し、本発明の方法による光起電力モジュ
ールでは、出力電流の低下率を5%以下に抑えることが
出来た。従って、本発明の製造方法は、マイクロマシン
等に用いる微小な光起電力モジュールの製造に極めて有
効であると言える。
【0038】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。例えば、上記実施例では、高抵抗層(5)の
形成に窒素イオンを用いたが、酸素イオンを用いること
も可能である。
【0039】又、図1(e)に示すレーザ加工工程を、窒
素雰囲気、或いは酸素雰囲気中で行なえば、レーザ加工
面に窒素或いは酸素が取り込まれて、図2(b)に示す分
割溝(6)の最深部まで高抵抗層を形成することが出来、
これによってリーク電流の発生を殆ど完全に防止するこ
とが出来る。更に、本発明は、単結晶シリコンのpn接
合構造を有する光起電力モジュールのみならず、アモル
ファスシリコンのpin接合構造等、その他の構造を有
する光起電力モジュールに実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光起電力モジュールの製造方法を
示す工程図である。
【図2】イオン注入工程及びレーザ加工工程における高
抵抗層を示す拡大断面図である。
【図3】イオン加速電圧が100kVの場合の注入原子
数の深さ方向プロファイルの計算機シミュレーションの
結果を表わすグラフである。
【図4】イオン加速電圧が200kVの場合の同上のグ
ラフである。
【図5】イオン加速電圧が300kVの場合の同上のグ
ラフである。
【図6】図3乃至図5を重ね合わせたグラフである。
【図7】イオン注入装置の構成を示す図である。
【図8】イオン加速電圧が100kVの場合の窒素濃度
の深さ方向プロファイルの実験結果を表わすグラフであ
る。
【図9】イオン加速電圧が200kVの場合の同上のグ
ラフである。
【図10】イオン加速電圧が300kVの場合の同上の
グラフである。
【図11】先ず200kV、その次に300kVのイオ
ン加速電圧でイオンビームを照射した場合の窒素濃度の
深さ方向プロファイルを表わすグラフである。
【図12】先ず300kV、その次に200kVのイオ
ン加速電圧でイオンビームを照射した場合の同上のグラ
フである。
【図13】300kV、200kV、100kVの順序
で加速電圧を低下させた場合の窒素濃度の深さ方向プロ
ファイルを表わすグラフである。
【図14】従来の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
(1) p型単結晶シリコン層 (2) n型単結晶シリコン層 (10) マスク (3) 電極 (4) 基板 (5) 高抵抗層 (6) 分割溝 (7) 光起電力素子 (8) ワイヤー
フロントページの続き (72)発明者 木山 精一 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−15023(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/04 - 31/042

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の光起電力素子を互いに接続してな
    る光起電力モジュールの製造方法に於いて、光起電力素
    子層を形成する素子層形成工程と、形成された光起電力
    素子層をレーザ加工によって複数の光起電力素子に分離
    する分離工程と、分離された複数の光起電力素子を互い
    に接続する接続工程とを有し、素子層形成工程では、レ
    ーザ加工が施される領域にイオンを注入して、該領域を
    高抵抗化した後、レーザ加工を施すことを特徴とする光
    起電力モジュールの製造方法。
  2. 【請求項2】 素子層形成工程におけるイオン注入は、
    異なる加速エネルギーを有するイオンビームを、高エネ
    ルギーのものから順次、低エネルギーのものへ切り換え
    て、光起電力素子層に照射することによって行なう請求
    項1に記載の光起電力モジュールの製造方法。
  3. 【請求項3】 素子層形成工程において注入されるイオ
    ンは、窒素イオン若しくは酸素イオンである請求項1又
    は請求項2に記載の光起電力モジュールの製造方法。
  4. 【請求項4】 素子層形成工程におけるイオン注入領域
    は、レーザ加工による熱損傷領域よりも僅かに広く形成
    される請求項1乃至請求項3の何れかに記載の光起電力
    モジュールの製造方法。
  5. 【請求項5】 素子層形成工程におけるイオン注入の深
    さは、光起電力素子層のpn接合部或いはpin接合部
    よりも深く設定される請求項1乃至請求項4の何れかに
    記載の光起電力モジュールの製造方法。
  6. 【請求項6】 分離工程におけるレーザ加工は、窒素若
    しくは酸素雰囲気中で行なわれる請求項1乃至請求項5
    の何れかに記載の光起電力モジュールの製造方法。
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