JP4289017B2 - Method for producing crystalline silicon thin film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子基板、半導体素子等に適用される結晶シリコン薄膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、非導電性の異種基板上、例えばガラス基板上などに結晶シリコン薄膜を形成する研究が盛んに行われている。ガラス基板上に形成した結晶シリコン薄膜の用途は広く、液晶デバイス用TFT(Thin Film Transistor)、薄膜光電変換素子などに用いられる。
【0003】
薄膜太陽光発電素子において、安価な基板上に低温プロセスで良好な結晶性をもつ結晶シリコン薄膜を形成し、これを光電変換装置として用いることにより、低コスト化、高性能化を図っている。光電変換素子として結晶シリコン薄膜を用いることにより、非晶質シリコン光電変換素子で問題となる光劣化を防止することができ、また、非晶質シリコン光電変換素子が感度を有さない長波長光をも電気的エネルギーに変換できる。このような技術は、光電変換素子以外の光電変換装置、例えば光センサなどへも応用することが期待されている。
結晶シリコン光電変換素子は、一般的に、プラズマCVDにより基板上に直接結晶シリコン薄膜を堆積する方法により製造される。この方法は、基板上に低温で結晶シリコン膜を形成することができるので、低コスト化に有利である。しかしながら、この方法では、大きい結晶粒径の多結晶シリコンを形成することが困難である。また、発電機能の根幹を担うi層は、素子構造最適化のためにドーピングを行うと品質が急激に低下する。これらのことから、上記方法では、低コスト化に有利なシングルセルにおいて、10%を上回る効率を達成することが困難である。
【0004】
一方、固体レーザーの走査により結晶化する方法も種々研究されている。例えば、連続波を用いる方法が特許文献1に開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平2001−351863号公報
この方法は、異種基板上に非晶質シリコンを形成し、帯状の連続波光源を走査することにより非晶質シリコンを溶融し多結晶シリコンを再結晶化するものであり、走査方向に長い結晶粒を成長させることができる。
連続波を用いて結晶化する方法では、固体レーザーとしてNd:YAGやNd:YVO4などを用いることが試みられている。これらの固体レーザーを用いることにより、製造装置のランニングコストが大幅に低下すると同時に、高品質の多結晶シリコンを形成することができる。
【0006】
しかしながら、上記方法では、シリコン膜結晶化に適合させるためにレーザー光の形状を加工した場合、加工後のレーザー光は長尺方向にせいぜい数百μm程度の大きさしかないので、1回で照射できるレーザー光の照射面積は限られてしまい、大面積の基板の全面を結晶化するには多くの時間を要する。
また、Nd:YAGなどの固体レーザーは、装置サイズが比較的大きいので、並列に並べて照射することができない。そのため、1本のレーザー光を用いて走査を繰り返す必要があり、低コスト化が困難である。
さらに、光電変換素子として充分な特性を得るためには、結晶シリコンの膜厚を1μm以上、好ましくは2μm以上の膜厚にする必要があるが、固体レーザーでは中心波長532nmの第2高調波を用いているので、レーザー光が非晶質シリコン層の表面から0.1μm程度、結晶シリコン層の表面から1μm程度の深さまでしか侵入しない。そのため、数μmの膜厚の非晶質シリコンに532nmのレーザー光を照射すると、表面近傍では急激にレーザー光が吸収されてシリコンの融点を大きく超える温度になるのに対して、非晶質シリコンの内部ではレーザー光が届かないので融解に充分な温度に達しない。もし、シリコン膜全体を融解させるために表面をさらに加熱すると、アブレーションが発生するおそれがある。
【0007】
他方、固体レーザーの代わりに、半導体レーザーを用いて非晶質または結晶シリコン膜を融解する方法が提案されている。半導体レーザーは装置サイズが小さいので、並列に並べてレーザー光を照射することにより、大面積の基板の全面を一括して結晶化することができる。また、シリコンを結晶化する場合、固体レーザーでは通常第2高調波を用いるのに対して、半導体レーザーでは基本波を用いることができる。例えば、AlGaAs活性層を有する半導体レーザーは、中心波長800nm付近の基本波を発生する。この波長域では非晶質シリコン層への侵入長が1μm前後であり、数μm程度の非晶質シリコン層を結晶化するのに最適な波長である。このように半導体レーザーの場合は侵入長が長いので、比較的均一にシリコン層にエネルギーを与えるこができる。また、結晶シリコン層の元となるプリカーサ膜の吸収係数を変化させて、プリカーサ膜の膜質を積極的に最適化することもできる。これらのことから、半導体レーザーの場合は、厚い膜においてもアブレーションを起こしにくく安定した結晶化を行うことができる。
【0008】
さらに、半導体レーザーは、長方形のレーザー光を発振することができ、レーザー光を直線状に走査するのに適するので、非晶質シリコンの結晶化に有利である。そして、固体レーザーの場合のようにレーザー光を整形する必要がない。
また、半導体レーザーの場合、AlGaAs系の他にも、InP/InGaAsP系、InGaAlP系、InGaAsP系、GaN系などがあり、種々の発振波長が選択できる。その分、結晶化できるプリカーサ膜の吸収係数と膜厚の自由度が増し、製造プロセスにおける自由度が増すことになる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体レーザーを用いた結晶シリコン薄膜の製造方法においては、現状で高出力が得られる半導体レーザーはいずれも長波長であってレーザー光のシリコン膜への侵入長が比較的長いので、比較的薄いシリコン膜の結晶化を行う場合には、照射するレーザー光のエネルギーがシリコン膜で有効に吸収されず、照射効率が低下するという課題があった。例えば、上述した中心波長800nm付近の基本波を発生するAlGaAs系半導体レーザーでは、厚さ1μmの結晶シリコン膜にレーザー光を照射すると、(該膜裏面からの反射光を無視するとき)当該結晶シリコン膜で吸収されるエネルギーは照射光全体のエネルギーの10%程度に過ぎない。このように、長波長の半導体レーザーを用いて比較的薄いシリコン膜の結晶化を行う場合には、短波長の固体レーザーを用いた場合よりも照射効率が低下する可能性がある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的薄いシリコン膜の結晶化を行う場合において半導体レーザー光の照射効率を改善するため、結晶シリコンと異なる異種基板上に結晶シリコン薄膜を形成する結晶シリコン薄膜の製造方法において、表面の一部または全面に互いに平行な、周期的に形成されるV溝を有する異種基板を用意し、前記異種基板上に、拡散防止層を形成し、前記拡散防止層上に非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層を形成し、前記異種基板の表面に半導体レーザーを光源とするレーザー光を照射して前記V溝に平行な方向に走査を行い、前記非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層を融解し再結晶化する各工程を備え、前記拡散防止層は、前記異種基板中の物質がレーザー照射によって融解した前記非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層中に拡散することを防止する結晶シリコン薄膜の製造方法を提供するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶シリコン薄膜の製造方法は、異種基板上に形成した非晶質シリコン膜または結晶性シリコン膜を半導体レーザーを用いて融解・再結晶化する方法において、表面に溝構造を有する基板上に非晶質シリコン膜または結晶性シリコン膜を形成し、溝構造に平行な方向にレーザー光を照射・走査することを特徴とする。
【0012】
本発明の好適な実施形態を以下に説明する。まず、表面に微細な溝構造、特にV溝を一様に形成したガラス基板等の異種基板を用意する。溝構造は、ガラス基板の場合、型押し加工、機械的な研磨加工等により形成することができる。V溝は、レーザー光の長尺方向のサイズよりも小さい横方向の周期を有する。
【0013】
次いで、この基板上に結晶シリコン薄膜の元になるプリカーサ膜を形成する。プリカーサ膜としては、非晶質シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、または結晶成分を含む非晶質シリコンを用いることができる。また、炭素、ゲルマニウム等を混入して結晶シリコン薄膜のバンドギャップを制御することができる。プリカーサ膜の厚さは数十nm〜数μmであれば良い。
【0014】
結晶化後に結晶シリコン薄膜中に基板から拡散する不純物が問題となる場合には、基板とプリカーサ膜との間に拡散防止層を形成することができる。拡散防止層は、不純物の拡散を防止できるものであれば何れの材料から成っても良い。例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化亜鉛、酸化錫、ITO(Indium Tin Oxide)、酸化チタンやこれらの化合物などからなる。拡散防止層は、各層が互いに異なる物質からなる2つ以上の層からなる積層構造であってもよい。例えば、膜の構造が緻密な窒化シリコンや酸窒化シリコンの層を基板側に形成し、その上に酸化シリコン層を形成することができる。この構造によれば、酸化シリコンは結晶シリコンとのマッチングが良いので、窒化シリコンや酸窒化シリコン層により基板からの不純物の拡散を防ぎながら、結晶シリコン裏面における表面再結合速度を下げることができる。
【0015】
また、光電変換素子用の結晶シリコン薄膜を形成する場合、基板側に反射率および導電率の高い層を形成し、その上に(結晶シリコン薄膜に接して)、透明性および導電性を有する層を形成することができる。その一例は、基板側にAg層、その上に酸化錫層を形成する構成である。この層構成によれば、光電変換素子の短絡電流密度を向上させることができる。
また、基板上に高融点材料層を形成し、その上にプリカーサ膜を形成することができる。高融点材料としては、例えば、タングステン、モリブデンがある。
一方、レーザー光照射の際のアブレーションを防止するために、プリカーサ膜の上に酸化シリコンを形成してもよい。
【0016】
このようにして形成された基板上のシリコン膜に対し、半導体レーザー光を照射する。V溝の傾斜面が基板裏面と所定の角度以上をなす場合には、平坦な面(傾斜角度がゼロ)にレーザー光を照射する場合に比べて、照射光の吸収量が著しく増加する。何故なら、所定の傾斜角度以上では、V溝の斜面に照射された光はシリコン膜表面で2回反射する成分を含むようになるからである。具体的には、基板に垂直にレーザー光が入射するとき傾斜角度が30°以上あればシリコン膜表面で2回反射を生じ、傾斜角度が45°以上あれば全ての入射光がシリコン膜表面で2回反射を生じる。しかも、所定の傾斜角度以上では、シリコン膜表面に対してレーザー光が斜めから入射することになるので、シリコン膜表面に垂直に入射する場合に比べると、若干シリコン膜内部を伝搬する光の光路長が増大している。
【0017】
照射する半導体レーザー光をp偏光(電界ベクトルが入射面に平行)とし、入射角を最適化することにより、シリコン膜表面における反射をゼロに近づけることができる。このようにしてシリコン膜表面における反射を低減することによりシリコン膜内部に進入する光量を増加させ、シリコン膜における光吸収量を増加させることができる。p偏光のときに反射率を最小値とするための入射角の最適値は、透過光と反射光とが90°の角度をなすような入射角である。この入射角はブルースタ角と呼ばれる。例えば、レーザー光波長800nm、空気の屈折率1、シリコン膜の屈折率3.64とすると、ブルースタ角(最適入射角)は75°である。また、シリコン膜の屈折率がレーザー光の波長域で3.5〜6.8程度の値を取るとすれば、ブルースタ角(最適入射角)は74〜82°である。
【0018】
一方、シリコン膜表面に酸化シリコンが形成されている場合には、照射するレーザー光をs偏光(電界ベクトルが入射面に垂直)にし、入射角および酸化シリコン膜厚を最適化することにより、p偏光の場合と同様にシリコン膜表面における反射を低減してシリコン膜内部に進入する光量を増加させ、シリコン膜における光吸収量を増加させることができる。s偏光のときに反射率を最小値とするためには、入射するレーザー光波長に対して、酸化シリコン膜厚およびレーザー光入射角の両方を最適化する必要がある。例えば、レーザー光波長500nmに対しては、酸化シリコン膜厚110〜116nm、入射角72〜74°であり、レーザー光波長800nmに対しては、酸化シリコン膜厚175〜186nm、入射角68〜72°であり、レーザー光波長1000nmに対しては、酸化シリコン膜厚218〜233nm、入射角67〜71°である。
【0019】
半導体レーザー光の走査については、溝に平行な方向に走査することにより、走査方向に長く成長した結晶粒が得られる。そのため、基板の凹凸の影響を受けずに大きな結晶粒からなる結晶シリコン薄膜が得られる。
レーザー光の走査は、レーザー光または基板を移動することにより行う。
半導体レーザーでは、レーザー単体のサイズが小さく複数のレーザーを並べて同時に照射・走査することができるので、結晶シリコン薄膜の製造においてスループットが向上する。
なお、半導体レーザー装置では、活性層の温度が変化すると出力する波長が僅かに変化することが知られているが、それに対処するために、温度保持機能を半導体レーザー装置に付与することにより、結晶化をより安定にすることができる。
【0020】
【実施例】
本発明に従う実施例を以下に説明する。なお、これらの実施例は本発明の一例を示すものであり、本発明がこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1
本実施例では、プラズマCVDを用いてプリカーサ膜(非晶質シリコン層)を形成している。図1(a)〜(c)は、基板1上のV溝12の伸長方向に対して垂直の断面図である。
先ず図1(a)に示されるように、異種基板1として表面全体に周期的なV溝構造12を有するガラス基板を用意した。V溝12の周期は100μm、溝の斜面の傾斜角を45°とした。基板1上に、SiNからなる厚さ200nmの第1の拡散防止層2を形成し、その上にSiOからなる第2の拡散防止層3を形成した(図1(b))。さらに、図1(c)に示されるように、プラズマCVDを用いて第2の拡散防止層3の上に、厚さ1μmの非晶質シリコン層4を形成した。プラズマCVDによる非晶質シリコン層4の形成条件は、SiH4:10ccm、PH4:0.01ccmの混合ガスを用い、基板温度500℃とし、プラズマ電源はRF周波数を用いている。この条件においては、n型のドーパントを含んだ非晶質シリコンが形成される。非晶質シリコン層4を形成した後、半導体レーザーのレーザー光を基板に垂直に照射して非晶質シリコン層を結晶化した。半導体レーザーとしてはGaAlAsレーザーを用い、10cm/secの速度でV溝に対し平行な方向に直線状に走査した。なお、半導体レーザー装置は、発振中の温度が一定となるように水冷式とした。レーザー光の照射によって厚さ1μmの非晶質シリコンは全て融解、結晶化し、半導体レーザーの走査方向に長く成長した結晶粒が得られた。
図2は、基板上のV溝12の伸長方向に平行な方向の断面図であって、融解したシリコン層6とレーザー光5との位置関係を示している。図示されるように、融解して結晶化したシリコンは多結晶シリコン層4'となる。
さらに、拡散防止層として、SiO、SiNに代えて、ZnO、SnO2、ITO、TiO2、SiONを用いた場合にも、上記と同様の結果が得られた。
【0021】
実施例2
本実施例では、プリカーサ膜を微結晶シリコンとして形成した以外の構成は、実施例1と同様とした。実施例1と同様にV溝12を有する基板1上に拡散防止層2,3を形成した後、プラズマCVDを用いて2μmの微結晶シリコン層4を形成した。この微結晶シリコン層4に実施例1と同様の条件でレーザー光を照射しV溝に平行な方向に直線状に走査したところ、アブレーションを起こすことなく、厚さ2μmの微結晶シリコンは全て融解、結晶化し、半導体レーザーの走査方向に長く成長した結晶粒が得られた。
【0022】
実施例3
本実施例では、プリカーサ膜を多結晶シリコンとして形成した。基板1として表面にV溝12を有する石英基板を用い、その上に実施例1と同様の拡散防止層2、3を形成した後、熱CVDを用いて3μmの多結晶シリコン層4を形成した。この多結晶シリコン層4に実施例1と同様の条件でレーザー光を照射しV溝に平行な方向に直線状に走査したところ、アブレーションを起こすことなく、厚さ2μmの多結晶シリコンは全て融解、結晶化し、半導体レーザーの走査方向に長く成長した結晶粒が得られた。なお、本実施例において、レーザー強度に応じてアブレーションが発生することもあったが、その対策として、多結晶シリコン層4上にSiO膜を形成することにより、アブレーションを起こさず結晶化が安定することが確認された。
【0023】
実施例4
本実施例では、結晶シリコンの裏面側に電極構造を有する積層体を作製した。図3(a)〜(d)は、基板7上のV溝12の伸長方向に対して垂直の断面図である。図3(a)に示されるように、表面全体に周期的なV溝構造を有するガラス基板を異種基板7として用いた。V溝12の周期は50μm、傾斜角は25°とした。基板7上に、第1の電極層8としてAg電極を形成し、その上に第2の電極層9としてZnO電極を形成した(図3(b))。このとき、複数の電極層のうち、シリコンと接する層は、酸化亜鉛、酸化錫、酸化チタンまたはこれらの化合物を用いて形成するのが良い。さらに、第2の電極層9上にプリカーサ層10として非晶質シリコン層を形成した(図3(c))。これに、実施例1と同様の条件で半導体レーザーのレーザー光を基板に対し垂直に照射し、V溝12に平行な方向に直線状に走査した。ここで、レーザー光はシリコン層の傾斜面に対しp偏光となるようにした。その結果レーザー光を照射した箇所は層内部の全体が結晶化した。その後、結晶化したシリコン層10'上にAl電極11を形成した(図3(d))。さらにドライエッチングにより結晶シリコン層10'裏面側の電極層を一部露出させ、I−V測定を行った。その結果、結晶シリコン層10'裏面側の電極層と結晶シリコン層10'とがオーミック接触となっていることが確認された。
また、裏面側電極がタングステンのみからなる場合にも上記方法と同様に結晶シリコン層を製造したところ、レーザー照射を行ってもタングステンは融解せず電極構造を維持し、結晶シリコン層とのオーミック接触を示すことが確認された。
さらに、第2の電極層9として、ZnOに代えて、SnO2、ITO、TiO2を用いた場合、同様の結果が得られた。
【0024】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の結晶シリコン薄膜の製造方法によれば、結晶シリコンと異なる異種基板上に結晶シリコン薄膜を形成する結晶シリコン薄膜の製造方法において、表面の一部または全面に互いに平行な溝構造を有する異種基板を用意し、前記異種基板の表面に非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層を形成し、前記異種基板の表面に半導体レーザーを光源とするレーザー光を照射して前記溝構造に平行な方向に走査を行い、前記非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層を融解し再結晶化する各工程からなるようにしたため、比較的薄いシリコン膜の結晶化を行う場合において半導体レーザー光の照射効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)は本発明の結晶シリコン薄膜の製造方法の一実施例を示す断面図である。
【図2】は、図1の実施例において、半導体レーザー光を照射しシリコン層を融解・再結晶する過程を模式的に示す。
【図3】(a)〜(d)は本発明の結晶シリコン薄膜の製造方法の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1、7:異種基板
2:第1の拡散防止層
3:第2の拡散防止層
4:プリカーサ膜
4':結晶シリコン層
5:レーザー光
6:融解したシリコン層
8:第1の電極層
9:第2の電極層
10:プリカーサ層
11:Al電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a crystalline silicon thin film applied to a semiconductor element substrate, a semiconductor element and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, active research has been conducted on forming a crystalline silicon thin film on a non-conductive dissimilar substrate such as a glass substrate. The crystalline silicon thin film formed on the glass substrate is widely used for TFTs for liquid crystal devices, thin film photoelectric conversion elements, and the like.
[0003]
In a thin-film photovoltaic power generation element, a crystalline silicon thin film having good crystallinity is formed on an inexpensive substrate by a low temperature process, and this is used as a photoelectric conversion device, thereby reducing cost and improving performance. By using a crystalline silicon thin film as a photoelectric conversion element, it is possible to prevent light degradation which is a problem in an amorphous silicon photoelectric conversion element, and long wavelength light in which the amorphous silicon photoelectric conversion element has no sensitivity. Can also be converted into electrical energy. Such a technique is expected to be applied to photoelectric conversion devices other than photoelectric conversion elements, such as optical sensors.
A crystalline silicon photoelectric conversion element is generally manufactured by a method of depositing a crystalline silicon thin film directly on a substrate by plasma CVD. This method is advantageous for cost reduction because a crystalline silicon film can be formed on a substrate at a low temperature. However, with this method, it is difficult to form polycrystalline silicon having a large crystal grain size. In addition, the quality of the i layer, which is the basis of the power generation function, is drastically lowered when doping is performed to optimize the device structure. For these reasons, with the above method, it is difficult to achieve an efficiency exceeding 10% in a single cell advantageous for cost reduction.
[0004]
On the other hand, various methods for crystallization by scanning with a solid-state laser have been studied. For example, Patent Document 1 discloses a method using a continuous wave.
[0005]
[Patent Document 1]
In this method, amorphous silicon is formed on a heterogeneous substrate, and the amorphous silicon is melted by scanning a band-like continuous wave light source to recrystallize polycrystalline silicon. Yes, it is possible to grow crystal grains that are long in the scanning direction.
In the method of crystallization using a continuous wave, it has been attempted to use Nd: YAG, Nd: YVO 4 or the like as a solid-state laser. By using these solid-state lasers, the running cost of the manufacturing apparatus is greatly reduced, and at the same time, high-quality polycrystalline silicon can be formed.
[0006]
However, in the above method, when the shape of the laser beam is processed in order to adapt it to the crystallization of the silicon film, the laser beam after processing is only about several hundred μm in the long direction, so it is irradiated once. The laser light irradiation area that can be produced is limited, and it takes a lot of time to crystallize the entire surface of a large substrate.
Moreover, since solid state lasers such as Nd: YAG have a relatively large apparatus size, they cannot be irradiated side by side in parallel. Therefore, it is necessary to repeat scanning using one laser beam, and it is difficult to reduce the cost.
Furthermore, in order to obtain sufficient characteristics as a photoelectric conversion element, the film thickness of the crystalline silicon needs to be 1 μm or more, preferably 2 μm or more. However, in the case of a solid-state laser, a second harmonic having a center wavelength of 532 nm is required. Since it is used, laser light penetrates only to a depth of about 0.1 μm from the surface of the amorphous silicon layer and to a depth of about 1 μm from the surface of the crystalline silicon layer. Therefore, when 532 nm laser light is irradiated to amorphous silicon with a thickness of several μm, the laser light is absorbed rapidly in the vicinity of the surface, resulting in a temperature exceeding the melting point of silicon. Because the laser beam does not reach inside, the temperature does not reach a sufficient temperature for melting. If the surface is further heated to melt the entire silicon film, ablation may occur.
[0007]
On the other hand, a method for melting an amorphous or crystalline silicon film using a semiconductor laser instead of a solid-state laser has been proposed. Since semiconductor lasers are small in size, the entire surface of a large-area substrate can be crystallized in a lump by irradiating laser beams in parallel. When silicon is crystallized, the second harmonic is normally used in a solid-state laser, whereas the fundamental wave can be used in a semiconductor laser. For example, a semiconductor laser having an AlGaAs active layer generates a fundamental wave having a central wavelength of about 800 nm. In this wavelength region, the penetration length into the amorphous silicon layer is around 1 μm, which is an optimum wavelength for crystallizing an amorphous silicon layer of about several μm. Thus, since the penetration length is long in the case of a semiconductor laser, energy can be given to the silicon layer relatively uniformly. It is also possible to positively optimize the film quality of the precursor film by changing the absorption coefficient of the precursor film that is the basis of the crystalline silicon layer. For these reasons, in the case of a semiconductor laser, stable crystallization can be performed without causing ablation even in a thick film.
[0008]
Furthermore, the semiconductor laser can oscillate rectangular laser light and is suitable for scanning the laser light in a straight line, which is advantageous for crystallization of amorphous silicon. And there is no need to shape the laser beam as in the case of a solid laser.
In addition, in the case of a semiconductor laser, in addition to the AlGaAs system, there are an InP / InGaAsP system, an InGaAlP system, an InGaAsP system, a GaN system, and the like, and various oscillation wavelengths can be selected. As a result, the degree of freedom in the absorption coefficient and thickness of the precursor film that can be crystallized increases, and the degree of freedom in the manufacturing process increases.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the manufacturing method of the crystalline silicon thin film using the conventional semiconductor laser, all the semiconductor lasers that can obtain high output at present have a long wavelength and the penetration length of the laser light into the silicon film is relatively long. When crystallizing a relatively thin silicon film, there is a problem that the energy of the laser beam to be irradiated is not effectively absorbed by the silicon film and the irradiation efficiency is lowered. For example, in the above-described AlGaAs semiconductor laser that generates a fundamental wave with a center wavelength of about 800 nm, when a crystalline silicon film with a thickness of 1 μm is irradiated with laser light (when the reflected light from the back surface of the film is ignored), The energy absorbed by the film is only about 10% of the energy of the entire irradiation light. Thus, when a relatively thin silicon film is crystallized using a long wavelength semiconductor laser, the irradiation efficiency may be lower than when a short wavelength solid state laser is used.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and in order to improve the irradiation efficiency of the semiconductor laser light when a relatively thin silicon film is crystallized, a crystalline silicon thin film is formed on a different substrate different from the crystalline silicon. In the method for producing a crystalline silicon thin film to be formed , a heterogeneous substrate having periodically formed V-grooves parallel to each other on a part or the entire surface is prepared, and a diffusion prevention layer is formed on the heterogeneous substrate. An amorphous silicon layer, a polycrystalline silicon layer, or a layer containing crystalline silicon is formed on the diffusion prevention layer, and the surface of the heterogeneous substrate is irradiated with laser light using a semiconductor laser as a light source to be parallel to the V groove. performs scanning in the direction, the amorphous silicon layer, comprising the steps of melting and recrystallizing a layer including a polycrystalline silicon layer or a crystalline silicon, the diffusion barrier layer, the heterogeneous substrate The amorphous silicon layer material is melted by laser irradiation, there is provided a method for producing a crystalline silicon thin film to prevent the diffusion in the layer containing polycrystalline silicon layer or a crystalline silicon.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method for producing a crystalline silicon thin film according to the present invention includes a method for melting and recrystallizing an amorphous silicon film or a crystalline silicon film formed on a different substrate using a semiconductor laser, on a substrate having a groove structure on the surface. An amorphous silicon film or a crystalline silicon film is formed on the substrate, and laser light is irradiated and scanned in a direction parallel to the groove structure.
[0012]
A preferred embodiment of the present invention will be described below. First, a heterogeneous substrate such as a glass substrate having a fine groove structure, particularly a V-groove formed uniformly on the surface is prepared. In the case of a glass substrate, the groove structure can be formed by embossing, mechanical polishing, or the like. The V-groove has a lateral period smaller than the size of the laser beam in the longitudinal direction.
[0013]
Next, a precursor film as a base of the crystalline silicon thin film is formed on the substrate. As the precursor film, amorphous silicon, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, or amorphous silicon containing a crystal component can be used. In addition, carbon, germanium, or the like can be mixed to control the band gap of the crystalline silicon thin film. The thickness of the precursor film may be several tens nm to several μm.
[0014]
In the case where impurities diffused from the substrate into the crystalline silicon thin film after crystallization become a problem, a diffusion preventing layer can be formed between the substrate and the precursor film. The diffusion prevention layer may be made of any material as long as it can prevent the diffusion of impurities. For example, it is made of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, zinc oxide, tin oxide, ITO (Indium Tin Oxide), titanium oxide or a compound thereof. The diffusion prevention layer may have a laminated structure composed of two or more layers, each layer made of a different material. For example, a silicon nitride or silicon oxynitride layer having a dense film structure can be formed on the substrate side, and a silicon oxide layer can be formed thereover. According to this structure, since silicon oxide matches well with crystalline silicon, the surface recombination rate on the backside of the crystalline silicon can be reduced while preventing diffusion of impurities from the substrate by the silicon nitride or silicon oxynitride layer.
[0015]
Further, when forming a crystalline silicon thin film for a photoelectric conversion element, a layer having high reflectance and conductivity is formed on the substrate side, and a layer having transparency and conductivity (in contact with the crystalline silicon thin film) is formed thereon. Can be formed. One example is a structure in which an Ag layer is formed on the substrate side and a tin oxide layer is formed thereon. According to this layer configuration, the short-circuit current density of the photoelectric conversion element can be improved.
Further, a high melting point material layer can be formed on the substrate, and a precursor film can be formed thereon. Examples of the high melting point material include tungsten and molybdenum.
On the other hand, in order to prevent ablation upon laser light irradiation, silicon oxide may be formed on the precursor film.
[0016]
The silicon film on the substrate thus formed is irradiated with semiconductor laser light. When the inclined surface of the V-groove makes a predetermined angle or more with the back surface of the substrate, the amount of irradiation light absorbed is significantly increased as compared with the case where laser light is irradiated onto a flat surface (with an inclination angle of zero). This is because the light irradiated on the slope of the V-groove includes a component that is reflected twice on the surface of the silicon film above a predetermined tilt angle. Specifically, when the laser beam is incident perpendicularly to the substrate, if the tilt angle is 30 ° or more, reflection occurs twice on the silicon film surface, and if the tilt angle is 45 ° or more, all incident light is reflected on the silicon film surface. Two reflections occur. Moreover, since the laser beam is incident on the silicon film surface obliquely at a predetermined inclination angle or more, the optical path of the light propagating slightly inside the silicon film as compared with the case where the laser beam is incident perpendicularly on the silicon film surface. The length is increasing.
[0017]
By making the semiconductor laser light to be irradiated p-polarized light (electric field vector is parallel to the incident surface) and optimizing the incident angle, the reflection on the silicon film surface can be made close to zero. In this way, by reducing reflection on the surface of the silicon film, the amount of light entering the silicon film can be increased, and the amount of light absorption in the silicon film can be increased. The optimum value of the incident angle for minimizing the reflectance when p-polarized light is such that the transmitted light and the reflected light form an angle of 90 °. This incident angle is called the Brewster angle. For example, assuming that the laser beam wavelength is 800 nm, the refractive index of air is 1, and the refractive index of silicon film is 3.64, the Brewster angle (optimum incident angle) is 75 °. Further, if the refractive index of the silicon film takes a value of about 3.5 to 6.8 in the wavelength range of the laser beam, the Brewster angle (optimum incident angle) is 74 to 82 °.
[0018]
On the other hand, when silicon oxide is formed on the surface of the silicon film, the laser beam to be irradiated is s-polarized (the electric field vector is perpendicular to the incident surface), and the incident angle and the silicon oxide film thickness are optimized. As in the case of polarized light, reflection on the silicon film surface can be reduced to increase the amount of light entering the silicon film and increase the amount of light absorption in the silicon film. In order to minimize the reflectance when s-polarized light is used, it is necessary to optimize both the silicon oxide film thickness and the laser light incident angle with respect to the incident laser light wavelength. For example, the silicon oxide film thickness is 110 to 116 nm and the incident angle is 72 to 74 ° for the laser beam wavelength of 500 nm, and the silicon oxide film thickness is 175 to 186 nm and the incident angle is 68 to 72 for the laser beam wavelength of 800 nm. For a laser beam wavelength of 1000 nm, the silicon oxide film thickness is 218 to 233 nm and the incident angle is 67 to 71 °.
[0019]
With respect to the scanning of the semiconductor laser light, crystal grains grown in the scanning direction can be obtained by scanning in the direction parallel to the grooves. Therefore, a crystalline silicon thin film composed of large crystal grains can be obtained without being affected by the unevenness of the substrate.
Laser beam scanning is performed by moving the laser beam or the substrate.
In a semiconductor laser, the size of a single laser is small, and a plurality of lasers can be arranged and simultaneously irradiated and scanned, so that the throughput is improved in the production of a crystalline silicon thin film.
In the semiconductor laser device, it is known that the output wavelength slightly changes when the temperature of the active layer changes. In order to cope with this, by providing the semiconductor laser device with a temperature holding function, Can be made more stable.
[0020]
【Example】
Examples according to the invention are described below. In addition, these Examples show an example of this invention and this invention is not limited to these Examples.
Example 1
In this embodiment, a precursor film (amorphous silicon layer) is formed using plasma CVD. 1A to 1C are cross-sectional views perpendicular to the extending direction of the V groove 12 on the substrate 1.
First, as shown in FIG. 1A, a glass substrate having a periodic V-groove structure 12 on the entire surface was prepared as a heterogeneous substrate 1. The period of the V groove 12 was 100 μm, and the inclination angle of the slope of the groove was 45 °. A first diffusion prevention layer 2 made of SiN and having a thickness of 200 nm was formed on the substrate 1, and a second diffusion prevention layer 3 made of SiO was formed thereon (FIG. 1B). Further, as shown in FIG. 1C, an amorphous silicon layer 4 having a thickness of 1 μm was formed on the second diffusion prevention layer 3 by using plasma CVD. The formation conditions of the amorphous silicon layer 4 by plasma CVD are a mixed gas of SiH 4 : 10 ccm and PH 4 : 0.01 ccm, a substrate temperature of 500 ° C., and a plasma power source using an RF frequency. Under this condition, amorphous silicon containing an n-type dopant is formed. After the amorphous silicon layer 4 was formed, the amorphous silicon layer was crystallized by irradiating a laser beam of a semiconductor laser perpendicularly to the substrate. A GaAlAs laser was used as the semiconductor laser, and it was scanned linearly in a direction parallel to the V-groove at a speed of 10 cm / sec. The semiconductor laser device was water-cooled so that the temperature during oscillation was constant. All the amorphous silicon having a thickness of 1 μm was melted and crystallized by the irradiation of the laser beam, and crystal grains that grew long in the scanning direction of the semiconductor laser were obtained.
FIG. 2 is a cross-sectional view in a direction parallel to the extending direction of the V-groove 12 on the substrate, and shows the positional relationship between the melted silicon layer 6 and the laser beam 5. As shown in the drawing, the silicon crystallized by melting becomes a polycrystalline silicon layer 4 ′.
Further, when ZnO, SnO 2 , ITO, TiO 2 , or SiON was used as the diffusion prevention layer instead of SiO or SiN, the same results as above were obtained.
[0021]
Example 2
In this example, the configuration was the same as that of Example 1 except that the precursor film was formed of microcrystalline silicon. In the same manner as in Example 1, the diffusion preventing layers 2 and 3 were formed on the substrate 1 having the V-groove 12, and then a 2 μm microcrystalline silicon layer 4 was formed by plasma CVD. When this microcrystalline silicon layer 4 was irradiated with laser light under the same conditions as in Example 1 and scanned linearly in the direction parallel to the V-groove, all the microcrystalline silicon having a thickness of 2 μm was melted without causing ablation. The crystal grains were crystallized and grown long in the scanning direction of the semiconductor laser.
[0022]
Example 3
In this embodiment, the precursor film is formed as polycrystalline silicon. A quartz substrate having a V-groove 12 on the surface was used as the substrate 1, and diffusion prevention layers 2 and 3 similar to those in Example 1 were formed thereon, and then a 3 μm polycrystalline silicon layer 4 was formed by thermal CVD. . When this polycrystalline silicon layer 4 was irradiated with laser light under the same conditions as in Example 1 and scanned linearly in the direction parallel to the V-groove, all the polycrystalline silicon having a thickness of 2 μm was melted without causing ablation. The crystal grains were crystallized and grown long in the scanning direction of the semiconductor laser. In this embodiment, ablation may occur depending on the laser intensity, but as a countermeasure, crystallization is stabilized without causing ablation by forming a SiO film on the polycrystalline silicon layer 4. It was confirmed.
[0023]
Example 4
In this example, a laminate having an electrode structure on the back side of crystalline silicon was produced. 3A to 3D are cross-sectional views perpendicular to the extending direction of the V groove 12 on the substrate 7. As shown in FIG. 3A, a glass substrate having a periodic V-groove structure on the entire surface was used as the heterogeneous substrate 7. The period of the V groove 12 was 50 μm, and the inclination angle was 25 °. An Ag electrode was formed as the first electrode layer 8 on the substrate 7, and a ZnO electrode was formed as the second electrode layer 9 thereon (FIG. 3B). At this time, a layer in contact with silicon among the plurality of electrode layers is preferably formed using zinc oxide, tin oxide, titanium oxide, or a compound thereof. Further, an amorphous silicon layer was formed as a precursor layer 10 on the second electrode layer 9 (FIG. 3C). This was irradiated with a laser beam of a semiconductor laser perpendicularly to the substrate under the same conditions as in Example 1 and scanned linearly in a direction parallel to the V-groove 12. Here, the laser light was p-polarized with respect to the inclined surface of the silicon layer. As a result, the entire portion inside the layer was crystallized at the location irradiated with the laser beam. Thereafter, an Al electrode 11 was formed on the crystallized silicon layer 10 ′ (FIG. 3D). Furthermore, a part of the electrode layer on the back surface side of the crystalline silicon layer 10 ′ was exposed by dry etching, and IV measurement was performed. As a result, it was confirmed that the electrode layer on the back side of the crystalline silicon layer 10 ′ and the crystalline silicon layer 10 ′ were in ohmic contact.
In addition, when the back side electrode is made of only tungsten, a crystalline silicon layer was produced in the same manner as the above method. Even when laser irradiation was performed, tungsten did not melt and the electrode structure was maintained and ohmic contact with the crystalline silicon layer was achieved. It was confirmed that
Further, when SnO 2 , ITO, TiO 2 was used as the second electrode layer 9 instead of ZnO, the same results were obtained.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for producing a crystalline silicon thin film of the present invention, in the crystalline silicon thin film producing method for forming a crystalline silicon thin film on a different substrate different from the crystalline silicon, a part of the surface or the entire surface are parallel to each other. A heterogeneous substrate having a groove structure is prepared, an amorphous silicon layer, a polycrystalline silicon layer, or a layer containing crystalline silicon is formed on the surface of the heterogeneous substrate, and a laser beam using a semiconductor laser as a light source on the surface of the heterogeneous substrate Is performed in a direction parallel to the groove structure, and includes the steps of melting and recrystallizing the amorphous silicon layer, the polycrystalline silicon layer, or the layer containing crystalline silicon. In the case of crystallizing a thin silicon film, the irradiation efficiency of the semiconductor laser light can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views showing an embodiment of a method for producing a crystalline silicon thin film of the present invention.
FIG. 2 schematically shows a process of melting and recrystallizing a silicon layer by irradiating a semiconductor laser beam in the embodiment of FIG.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views showing another embodiment of the method for producing a crystalline silicon thin film of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 7: Different board | substrate 2: 1st diffusion prevention layer 3: 2nd diffusion prevention layer 4: Precursor film | membrane 4 ': Crystalline silicon layer 5: Laser beam 6: Molten silicon layer 8: 1st electrode layer 9 : Second electrode layer 10: Precursor layer 11: Al electrode

Claims (11)

結晶シリコンと異なる異種基板上に結晶シリコン薄膜を形成する結晶シリコン薄膜の製造方法において、
表面の一部または全面に互いに平行な、周期的に形成されるV溝を有する異種基板を用意し、
前記異種基板上に、拡散防止層を形成し、
前記拡散防止層上に非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層を形成し、
前記異種基板の表面に半導体レーザーを光源とするレーザー光を照射して前記V溝に平行な方向に走査を行い、前記非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層を融解し再結晶化する各工程を備え、
前記拡散防止層は、前記異種基板中の物質がレーザー照射によって融解した前記非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層中に拡散することを防止する結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the method for producing a crystalline silicon thin film, the crystalline silicon thin film is formed on a different substrate from the crystalline silicon.
Prepare a heterogeneous substrate having periodically formed V-grooves parallel to each other on a part or the entire surface of the surface,
Forming a diffusion preventing layer on the heterogeneous substrate;
Forming an amorphous silicon layer, a polycrystalline silicon layer or a layer containing crystalline silicon on the diffusion preventing layer;
The surface of the heterogeneous substrate is irradiated with a laser beam using a semiconductor laser as a light source and scanned in a direction parallel to the V-groove to melt the amorphous silicon layer, the polycrystalline silicon layer, or the layer containing crystalline silicon. With each step of recrystallization,
The diffusion prevention layer is a method for producing a crystalline silicon thin film, in which a substance in the heterogeneous substrate is prevented from diffusing into the amorphous silicon layer, the polycrystalline silicon layer, or the layer containing crystalline silicon melted by laser irradiation.
前記レーザー光の走査は、前記V溝に平行な方向に直線状に、前記レーザー光または前記異種基板を移動して行う、請求項1に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  2. The method for producing a crystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the scanning of the laser beam is performed by moving the laser beam or the dissimilar substrate linearly in a direction parallel to the V-groove. 前記V溝は、前記レーザー光の長尺方向のサイズよりも小さい横方向の周期を有する、請求項1に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  2. The method for producing a crystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the V groove has a lateral period smaller than a size of the laser beam in a longitudinal direction. 前記V溝は、前記基板裏面との間で30°以上の角度を成す傾斜面を有する、請求項1に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  The method for producing a crystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the V groove has an inclined surface that forms an angle of 30 ° or more with the back surface of the substrate. 前記レーザー光の走査は、前記V溝の傾斜面に対しp偏光となるように照射して行う、請求項1〜4のいずれかに記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  The method of manufacturing a crystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the scanning with the laser light is performed by irradiating the inclined surface of the V-groove so as to be p-polarized light. 前記レーザー光の走査は、前記V溝の傾斜面と前記レーザー光とが成す角度を、垂直入射の場合よりも反射率が低くなる角度において行う、請求項5に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  6. The method of manufacturing a crystalline silicon thin film according to claim 5, wherein the scanning of the laser light is performed at an angle between the inclined surface of the V-groove and the laser light so that the reflectance is lower than that in the case of normal incidence. . 前記拡散防止層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、ITOのいずれかまたはこれらの化合物からなる、請求項1に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  2. The method for producing a crystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the diffusion prevention layer is made of any one of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, ITO, or a compound thereof. 前記拡散防止層は、各層が互いに異なる物質からなる2層以上からなる積層構造を有する、請求項1に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  2. The method for producing a crystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the diffusion preventing layer has a laminated structure including two or more layers each made of a different material. 前記互いに異なる物質は、それぞれ、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、ITOのいずれかまたはこれらの化合物から選択される、請求項8に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。  9. The crystalline silicon thin film according to claim 8, wherein the different materials are each selected from silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, ITO, or a compound thereof. Production method. さらに、前記非晶質シリコン層、多結晶シリコン層または結晶シリコンを含む層上に、酸化シリコン層を形成する工程からなる、請求項1に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。The method for producing a crystalline silicon thin film according to claim 1, further comprising a step of forming a silicon oxide layer on the amorphous silicon layer, the polycrystalline silicon layer, or the layer containing crystalline silicon. 前記レーザー光の走査は、前記V溝の傾斜面に対しs偏光となるように照射して行う、請求項10に記載の結晶シリコン薄膜の製造方法。The method of manufacturing a crystalline silicon thin film according to claim 10, wherein the scanning of the laser light is performed by irradiating the inclined surface of the V groove so as to be s-polarized light.
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