JP4100044B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は主としてシリコン半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在市販されている電力用太陽電池の主流はシリコン太陽電池である。その量産レベルにおけるプロセスフローは、なるべく簡素化し製造コストの低減を図ろうとするものが一般的であり、電極形成に関しては、金属ペーストをスクリーン印刷等で形成する方法が採られている。
【０００３】
図４は従来の太陽電池作製フローの断面概念図、図５は受光面電極構造を受光面側より示した平面図、図６は溶融半田に太陽電池を浸漬する工程の概略図である。
【０００４】
以下、図４、図５及び図６を用いてその製造方法の一例について説明する。
【０００５】
図４（ａ）はスライスして作成されたｐ型Ｓｉ基板１０１（以下、基板１０１）であり、このスライスする時のダメージ層が基板表面から１０μｍ程度存在し、アルカリ系のエッチング液によりこのダメージ層を除去するとともに更に光閉じ込め構造であるテクスチャ構造を形成している。
【０００６】
次に、図４（ｂ）では、リン（Ｐ）を基板１に拡散することで、ｎ型拡散層１０２（以下、拡散層１０２）を形成する。通常のリンの拡散源としてオキシ塩化リン（ＰＯＣ１３）を用いる場合が多い。特に工夫の無い場合、拡散層１０２は基板１の全面に形成される。通常この拡散層はシート抵抗が数十Ω／□程度で拡散層の深さは０．３〜０．５μｍ程度である。詳細は省略するが、この拡散層１０２は、例えばレジストで片面を保護した後、一方の面つまり受光面のみに拡散層１０２を残すようにエッチング除去し、このレジストは有機溶剤等を用いて除去される。
【０００７】
次に、図４（ｃ）では、拡散層１０２を残した受光面にＳｉＮ等の反射防止膜１０３をＰＥＣＶＤ（ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等によって形成する。
【０００８】
次に、図４（ｄ）では、受光面に対向する位置に当たる面に、例えばアルミペーストをスクリーン印刷法で印刷、乾燥後、７００〜９００℃で数分間、近赤外炉中で焼成することで、裏面電極１０４を形成する。更に受光面側には反射防止膜１０３の上に銀ペーストを例えばスクリーン印刷法により印刷、乾燥後、７００〜９００℃で数分間、近赤外炉中で焼成することにより受光面に受光面電極１０５が形成される。この焼成の際、反射防止膜１０３は溶融し銀ペーストは拡散層１０２に到達し、接触することで電気的な接触が図られる。
【０００９】
最後に、図４（ｅ）では、これまでの処理を済ませた基板１を半田に浸漬することにより受光面電極１０５に半田層１０６をコーティングする。
【００１０】
このような工程を経て半導体装置が製造されるわけであるが、図４（ｄ）の工程での基板１の受光面側からの状態を観察したものが図５である。
【００１１】
図５（ａ）は、この受光面の反射防止膜１０３上に形成された受光面電極１０５の表面の状態を示したものであり、受光面電極１０５の表面にはグリッド電極１０７とこれと直交するバス電極１０８とが形成されている。
【００１２】
図５（ｂ）は、このグリッド電極１０７とバス電極１０８との直交する部分の拡大図である。このようにグリッド電極１０７に比べバス電極１０８の方が幅が広く構成されている。
【００１３】
図６（ａ）は、この基板１を溶融半田１０９に浸漬した状態であり、図４（ｅ）の工程に対応するものである。この場合、基板１は、溶融半田の表面に対してグリッド電極１０７が垂直方向、バス電極１０８が並行方向の向きとなった状態となって、溶融半田内に浸漬される。
【００１４】
図６（ｂ）はこの溶融半田に浸漬した後のグリッド電極１０７およびバス電極１０８を拡大したもので、溶融半田１０９への浸漬の条件にも依存するが、通常、半田がボール状に凝固した半田ボール１１０がバス電極１０８直下のグリッド電極１０７上に形成される。この半田ボール１１０は、直径数十〜数百μｍにおよぶ場合があり、この後の工程であるモジュール化の際の妨げになるので除去していた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半田ボール１１０の除去には、例えば人手により半田コテ等を用い再度溶融させ除去するが、除去の際、半田層１０６上から半田ボール１１０のみを除去するのは困難で、大抵の場合、図６（ｃ）に示すように、受光面電極１０５の一部も除去され、グリッド電極１０７に断線部分１１１が生じ、集電が有効に行われないため太陽電池の変換効率が低下するという問題点があった。
【００１６】
この発明は電極に半田をコーティングする場合の電極形成方法を簡略化し生産性を高めた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
受光面に設けられた受光面電極と、
受光面電極上に設けられたバス電極と、
受光面電極上に設けられバス電極と交差する位置からバス電極の両側に伸びているグリッド電極のうちの半田槽からの引き上げ方向に対して下方側となる一方が、バス電極から一定の位置までの幅の広い部分と、一定の位置からの幅の狭い部分とを有する半導体基板を備える。
【００１８】
また、バス電極から一定の位置までの幅の広い部分の幅は、１６０μｍから２００μｍまでである。
【００１９】
さらに、バス電極から一定の位置までの幅の広い部分の長さは、５ｍｍから１５ｍｍまでである。
【００２０】
受光面に設けられた受光面電極と、
受光面電極上に設けられたバス電極と、
受光面電極上に設けられバス電極と交差する位置からバス電極の両側に伸びているグリッド電極のうちの一方が、バス電極から一定の位置までの幅の広い部分と、一定の位置からの幅の狭い部分とを有する半導体基板を半田槽の溶融半田に侵浸し半田を皮膜して半導体装置を製造する方法であって、
溶融半田に浸した半導体基板を引き上げる時に、グリッド電極の幅が広い部分が下方を向くようにする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明にかかる技術は、従来の技術で説明した一般的な工法に従って半導体装置を製作した場合に、どのような現象が生じることで半田ボールが生成されるのかを観察する実験をもとにしている。
【００２２】
図６に示した基板を半田槽に浸漬する工程を詳細に観察すると、受光面電極１０５が溶融半田から引き上げられる際に、グリッド電極１０７に溜まった溶融半田と、バス電極１０８に溜まっていて引き上げることによりこのバス電極１０８の下方に位置するグリッド電極１０７に流れ込んできた溶融半田とによって、グリッド電極１０７とバス電極１０８とが交差する位置よりも下方のグリッド電極１０７間に溶融半田のブリッジが形成され、この溶融半田ブリッジが破裂し、過剰な溶融半田が雫のごとく一部のグリッド電極１０７を伝わって、溶融半田面に落下する。
【００２３】
この時、一部のグリッド電極１０７においては落下する前に雫が凝固したものが球状な半田ボール１１０となる。従って、半田ボール１１０は、受光面電極１０５を溶融半田から引き上げる際に、引き上げる方向に対してバス電極１０８の下側のグリッド電極１０７上に発生する。
【００２４】
なお、この半田ボール１１０は、前述したように半田槽に浸した半導体基板を引き上げる時に主にバス電極１０８に溜まった溶融半田がバス電極１０８からグリッド電極１０７に沿って流れ落ち、凝固したものである。これは半導体基板の引き上げ速度等の条件にもよるが、ここでは太陽電池として１００ｍｍ×１００ｍｍと１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズのものについて実験をし、１００ｍｍ×１００ｍｍについては主にバス電極１０８とグリッド電極１０８との交差する位置から５ｍｍから１０ｍｍまでの範囲で半田ボール１１０が発生し、１５０ｍｍ×１５０ｍｍについては主にバス電極１０８とグリッド電極１０８との交差する置から７．５ｍｍから１５ｍｍまでの範囲で半田ボール１１０が発生するという結果が得られた。
【００２５】
以上の観察結果から、グリッド電極１０７の幅が広ければ、過剰な溶融半田が球状になるのを防ぐことができるものと考えられる。したがって、半田ボール１１０の発生とグリッド電極１０７の幅との関係を実験により求めた。
【００２６】
図１は、横軸をグリッド電極幅１０７とし縦軸を半田ボール１１０の発生率とした場合の関係を示したものである。一般的な太陽電池では、図５（ａ）に示したようにバス電極１０８は２本で構成されているので半田ボール１１０は、半田槽から引き上げた際に、両方のバス電極１０８の下側に発生することになる。半田ボール発生率は、発生した半田ボール１１０の個数をグリッド電極の総本数の２倍で割ったものを１００倍して割合で表したものである。半田ボール１１０の発生率はグリッド電極１０７の幅が広くなるほど減少し、実験ではグリッド電極１０７の幅が１６０μｍで半田ボール発生率が１０％以下となり、１８０μｍを超えたところで半田ボール１１０がほとんど発生しなくなった。したがって、半田ボール１１０の発生率を１０％以下程度に抑制したければ１６０μｍ以上、半田ボール１１０をほとんど発生させないようにするにはグリッド電極１０７の幅を１８０μｍ以上にすれば良いことがわかる。
【００２７】
しかし、グリッド電極１０７の全長に渡って１８０μｍ以上の幅とすると、受光面電極１０５への光を遮る部分が増えて受光面積が減少し発電効率が低下する。一方、受光面積を増やすためにグリッド電極幅を狭くすると、電極の直列抵抗が増加し変換効率が低下する。通常、太陽電池の大きさにもよるが市販されている１００ｍｍ×１００ｍｍ以上の太陽電池のグリッド電極の幅は１００〜１５０μｍ程度として、太陽電池の発電効率と変換効率が最大になるように設計されている。
【００２８】
これらを考慮してうえで、前述したように、ほとんどの半田ボールがバス電極１０８とグリッド電極１０７とが交差する位置より５ｍｍから１５ｍｍまでの間に発生していることから、この長さに対応する部分だけグリッド電極の幅を広げることとした。
【００２９】
図２は、この発明の基板上に形成された電極の構成図である。このうち図２（ａ）は受光面電極１の全体の構成を示しており、図中、半導体基板の受光面上に設けられた受光面電極１の表面にはグリッド電極２とこれと交差するバス電極３が形成されている。この点までは図５（ａ）の受光面電極１０５と同じ構成であるが、図２（ｂ）に示すこのグリッド電極２とこれと交差するバス電極３の拡大図にあるように、バス電極３と交差するグリッド電極２の一方には、この交差する地点から一定の位置までグリッド電極２の幅が広い幅広部４が設けられ、この幅広部４の一端からグリッド電極２の幅は狭くなっている。その状態で隣に別のバス電極があればそのバス電極に接続されている。図２（ｃ）は、このような構造の電極を図４で説明した半田槽に浸漬して受光面電極１に半田層をコーティングした場合の受光面電極１の定性的な状態を示す拡大図である。
【００３０】
なお、ここでは半田槽に浸漬する場合に、溶融半田の液面と垂直方向をなす向きに形成されるのがグリッド電極であり、溶融半田の液面と水平方向をなす向きに形成されるのがバス電極である。
【００３１】
このように、グリッド電極２に幅広部４を設ける変更であるので、これまでの製造方法自体を変える必要はない。すなわち、受光面電極１上に設けられたグリッド電極２と、グリッド電極２と略直交するバス電極３とからなる半導体基板であって、グリッド電極２は幅広部４とそれ以外の幅の狭い部分との少なくとも二つの幅の異なる部分から形成されており、この半導体基板を溶融半田に侵浸する（例えば、図６（ａ）で示すように半導体基板を垂直に半田槽内に漬ける）時に、グリッド電極２（さらに詳しく言えば幅広部４）が溶融半田の液面と略垂直となるようにする。
【００３２】
図３は、グリッド電極２の一部を幅広部４とした受光面電極１について、縦軸を変換効率とし横軸をグリッド幅とした場合の関係を示したものである。ここでは太陽電池として１００ｍｍ×１００ｍｍのものを用いて、グリッド電極２の幅を１２０μｍとし、幅広部４の長さを１０ｍｍとした。その上で、このバス電極３の半田槽からの引き上げ方向に対して下方側の幅広部４幅を幾つか変えた太陽電池を試作して性能を比較したものである。
【００３３】
図３に示すように、幅広部４の幅が１２０μｍよりも広くなっていくにつれ、半田ボール発生によるグリッド電極断線が防止でき抵抗の増加による変換効率の低下が抑制される。この幅広部４の幅を広くした効果は１８０μｍ程度で最も高く、２００μｍとすると若干低下するが、。
【００３４】
この結果から、特に幅広部４の幅が１６０μｍ〜２００μｍ程度が効果が高いと判断される。この関係は、通常のグリッド電極２の幅を基準にして、幅広部４の幅を比率で表すと、以下の通りである。
１６０（μｍ）／１２０（μｍ）＝１．５０
２００（μｍ）／１２０（μｍ）≒１．６７
【００３５】
したがって、グリッド電極２の幅に対して１．５０倍〜１．６７倍の広さの幅を有する幅広部４を設けることで、特に高い効果が得られる。
【００３６】
このように受光面上の受光面電極の上に設けられたバス電極と、これと交差してバス電極の両側に伸びているグリッド電極の一方が、一定の位置までは幅の広い幅広部と、そこ以降は幅の狭い部分となっている半導体基板から半導体装置を製造する場合、製造工程全体の流れは基本的に従来の技術の図４で説明した方法と同じであるが、図６で示したような溶融半田に浸した半導体基板を引き上げる工程では、幅広部が下方を向くようにして引き上げることで、半田ボールを抑制することが可能となる。
【００３７】
これにより、半田ボールの発生率を抑制することが可能となり半田ボール修正工程の省力化が達成されるとともに、高効率化が図られることが可能となった。
【００３８】
なお、このような半導体装置に用いる半導体基板を作成する際に、予め、バス電極と交差するグリッド電極について、これらの交差する位置の両側に幅広部を設けることで、半導体基板を半田槽に漬ける方向が逆向きとなっても、この発明と同じ効果が得られるようにする方法も考えられる。しかし、前述したようにグリッド電極の幅が広い部分を長くすると、光を遮る部分が増えて受光面積が減少し発電効率が低下する。そのため、この発明のように、バス電極と交差するグリッド電極の片側にだけ幅広部を設け、半田槽に浸す方向を特定した半導体基板を用いた方が発電効率の面での性能が良い。
【００３９】
【発明の効果】
このようにすることで、製造工程で発生していた半田ボールの発生を防止することができるので、半田ボール修正のための工程を不要にし、更に半田ボールの修正により切断されていたグリッド電極の断線を防止することが可能となり高効率な太陽電池の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 グリッド電極幅と半田ボールの発生率との関係についてのグラフである。
【図２】 この発明における受光面電極の構成図である。
【図３】 この発明におけるグリッド電極の幅広部と変換効率との関係についてのグラフである。
【図４】 従来の太陽電池作製フローの断面概念図である。
【図５】 従来の受光面電極構造を受光面側より示した平面図である。
【図６】 従来の溶融半田に太陽電池を浸漬する工程の概略図である。
【符号の説明】
１ 受光面電極、 ２ グリッド電極、 ３ バス電極、 ４ 幅広部。

Claims (4)

1. 受光面に設けられた受光面電極と、
   前記受光面電極上に設けられたバス電極と、
   前記受光面電極上に設けられ前記バス電極と交差する位置から前記バス電極の両側に伸びている前記グリッド電極のうちの半田槽からの引き上げ方向に対して下方側となる一方が、前記バス電極から一定の位置までの幅の広い部分と、前記一定の位置からの幅の狭い部分とを有する半導体基板を備えることを特徴とする半導体装置。
2. バス電極から一定の位置までの幅の広い部分の幅は、１６０μｍから２００μｍまでであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. バス電極から一定の位置までの幅の広い部分の長さは、５ｍｍから１５ｍｍまでであることを特徴とする請求項１及び請求項２いずれか記載の半導体装置。
4. 受光面に設けられた受光面電極と、
   前記受光面電極上に設けられたバス電極と、
   前記受光面電極上に設けられ前記バス電極と交差する位置から前記バス電極の両側に伸びている前記グリッド電極のうちの一方が、前記バス電極から一定の位置までの幅の広い部分と、前記一定の位置からの幅の狭い部分とを有する半導体基板を半田槽の溶融半田に侵浸し半田を皮膜して半導体装置を製造する方法であって、
   前記溶融半田に浸した前記半導体基板を引き上げる時に、前記グリッド電極の前記幅が広い部分が下方を向くようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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