JP4998340B2 - 薄膜半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、太陽電池セル用の薄膜半導体基板の製造方法に関する。

近年、太陽電池の実用化が広がっている。この太陽電池がさらに本格的に使用されるためには、特に省資源，低コスト化を図ることが重要であり、エネルギー変換（光−電気変換）効率の向上、エネルギー回収年数の短縮化などを考えた場合、厚膜の太陽電池よりも薄膜の太陽電池が望ましい。また、薄膜で太陽電池を形成すると、ある程度折り曲げることが可能であり、そのため例えば自動車のボディの曲面部やポータブル電気製品の外部の曲面部に搭載して発電を行うことができるので、利用範囲が広がることとなる。

このような太陽電池を普及させるには、太陽電池の更なる低コスト化、特にその製造にかかるエネルギーの更なる低減化が必要である。そのためには、太陽電池の製造を単純なプロセスで行う必要がある。

従来、このような薄膜太陽電池として、プラスチック基板上に形成したアモルファスシリコン太陽電池がある。ところが、このアモルファスシリコン太陽電池は、光電変換の変換効率が低い上に使用中に変換効率が低下するという問題がある。このため、アモルファスシリコンに比べて変換効率が高い単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを用いた薄膜太陽電池の低コストで簡便な製造方法の実現が望まれていた。
しかしながら、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを形成するプロセス温度はかなり高いため、プラスチック基板やガラス基板上に形成することは困難であった。

また、このような太陽電池に用いる薄膜の製造方法として、特許文献１にシリコンウェーハにイオン注入してそれを熱処理することにより剥離して薄膜を得ることが記載されているが、このような薄膜は非常に薄いため、その後の工程で割れてしまうことが多かった。

特開２００３−１７７２３号公報

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、単結晶シリコンを用いたエピタキシャル層を有する薄膜半導体基板を、割れを少なく低コストで製造することができる薄膜半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、薄膜半導体基板の製造方法であって、半導体基板の面内の少なくとも１部にはイオン注入層を形成させないようにして水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方をイオン注入する工程と、前記半導体基板のイオン注入された側の面上にエピタキシャル層を形成させる工程と、前記半導体基板から前記エピタキシャル層を形成された薄膜を分離させる工程とを行うことを特徴とする薄膜半導体基板の製造方法を提供する。

このように、面内の１部にイオン注入層を形成させないようにイオン注入された半導体基板の面上に、エピタキシャル層を形成することで、エピタキシャル層形成時の熱によりイオン注入層が形成されている部分は熱剥離され、イオン注入層が形成されていない１部は基板とつながった状態の薄膜上にエピタキシャル層が形成される。通常の薄膜は、補強が無い場合には搬送時やエピタキシャル層形成時に割れやすいが、本発明では、半導体基板と薄膜が１部つながっているため半導体基板が補強の代わりとなり、薄膜の割れを効果的に防止することができる。

また、エピタキシャル層形成時の熱によりエピタキシャル成長と同時に、薄膜の大部分の剥離が生じるため、エピタキシャル層が形成された薄膜と半導体基板の分離は、イオン注入層が形成されていない１部のみを切断等することで分離され、工程を少なくすることができ、容易にエピタキシャル層が形成された薄膜半導体基板を製造することができる。また、イオン注入層での剥離であり、半導体基板の表層部の極めて薄い薄膜を分離するのみであるため、１度薄膜を分離した半導体基板を再度本発明のイオン注入される半導体基板として用いることができるため、従来の削り代の多い研削等による薄膜化に比べ製造コストが抑えられる。
このような、薄膜上にエピタキシャル層を容易に形成可能であるため、単結晶シリコン層からなる薄い太陽電池を容易に、低コストで製造可能である。また、太陽電池層を薄膜上にエピタキシャル法により形成させることができるため、チョクラルスキー法で製造した単結晶で作製した太陽電池にみられるライフタイム低下現象も起きず、高性能で高変換率の薄膜太陽電池を得ることができる。

このとき、前記エピタキシャル層を形成させる工程において、２層以上のエピタキシャル層を形成させることが好ましい。
本発明の製造方法では、エピタキシャル成長させている間は、薄膜は半導体基板と１部つながった状態であるため、割れることがなく、太陽電池作製のための複数の層をエピタキシャル成長させることが容易である。また、２層以上のエピタキシャル層を形成することで極めて薄い薄膜で所望の厚さと特性を有する薄膜半導体基板にすることができる。

このとき、前記形成させる２層以上のエピタキシャル層を、少なくともｐ型層及びｎ型層をエピタキシャル成長させた太陽電池層とすることができる。
このように、エピタキシャル法によって単結晶シリコンで形成される太陽電池層を有する薄い太陽電池セルを、本発明の製造方法によれば、部分的剥離とエピタキシャル層形成を同時に行い、その後分離された薄膜半導体基板には既に太陽電池層が形成されているため、太陽電池作製の工程を少なくすることができ、低コストで製造することができる。

また、前記イオン注入する工程において、前記半導体基板の面内の少なくとも１部にマスクを形成してからイオン注入することによって、該マスクが形成されている部分にはイオン注入層を形成させないようにすることが好ましい。
このように、半導体基板の面内の１部にマスクを形成してイオン注入することで、マスクが形成されている部分は確実にイオン注入されないようにすることができる。

また、前記イオン注入する工程において、前記半導体基板のイオン注入する面に基板の外周に沿って溝を設け、少なくとも一部に溝のない部分を橋梁部として残し、該橋梁部にはイオン注入層を形成させないようにしてイオン注入することが好ましい。
このように、橋梁部を有する溝を設けて橋梁部以外の部分の溝の深さより浅い位置にイオン注入層が形成され、その後エピタキシャル層を形成することで、溝の内周に沿って表層部が剥離して薄膜になり、イオン注入されていない橋梁部は剥離されないことによって半導体基板とつながった状態を維持でき、分離する工程でその橋梁部を切断するのみで分離工程を行うことができる。このため、分離工程の際の割れをより確実に防止することができる。このように作製された薄膜半導体基板は形成した溝の内周部の形状になるため、所望の形状の薄膜半導体基板を簡単に製造することができる。

また、前記分離させる工程において、前記エピタキシャル層を形成された薄膜を分離した残りの半導体基板を、前記イオン注入する工程における、面内の少なくとも１部にはイオン注入層を形成させないようにして水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方をイオン注入される半導体基板として再度用いることが好ましい。
このように、本発明の薄膜半導体基板の製造方法では、用意される半導体基板からは、イオン注入深さの極めて薄い薄膜を分離するのみであるため、分離後の半導体基板を再度用いて本発明のイオン注入される半導体基板として用いることができる。これにより、従来は研削等によって薄膜化するために削り代が多かった薄膜半導体基板の製造コストを本発明の製造方法により効果的に低減することができる。

また、前記イオン注入される半導体基板の形状が、矩形又は正方形であることが好ましい。
本発明の薄膜半導体基板の製造方法であれば、通常用いられるチョクラルスキー法で作製された円筒形の結晶に限られず、矩形又は正方形の半導体基板上にエピタキシャル層を形成することで、矩形又は正方形の薄膜半導体基板を作製することができる。このような、矩形又は正方形の薄膜半導体基板を用いて太陽電池セルを作製することで、パネルに配置する際に隙間を少なくでき、高い充填率で並べることが可能となる。

また、本発明の薄膜半導体基板の製造方法により製造された薄膜半導体基板を用いて製造されたことを特徴とする太陽電池セルを提供する。
このように、本発明の製造方法により製造された薄膜半導体基板を太陽電池セルの製造に用いれば、高い充填率の薄い太陽電池セルを低コストで製造することができる。

以上のように、本発明の薄膜半導体基板の製造方法によれば、薄膜の作製とエピタキシャル層の形成を同時に行うことができるため、工程を少なくすることができ、さらにイオン注入による薄膜化であるため表層部の極一部のみを使用し、分離後の半導体基板を再度イオン注入される基板として用いることができるため、低コストで薄膜半導体基板を製造することができる。また、割れの生じやすい薄膜半導体基板の製造において、本発明の製造方法であれば、エピタキシャル層を形成している間は、剥離された薄膜は半導体基板と１部つながっており、半導体基板が補強の代わりとなるため、太陽電池層形成のためのエピタキシャル成長中には割れは効果的に防止され、その後、半導体基板とつながっている１部を切断するのみでエピタキシャル層が形成された薄膜を容易に分離することができる。

このように製造された薄膜半導体基板であれば、太陽電池の製造に用いれば単結晶からなる薄い太陽電池を低コストで製造することができ、形状や厚さも比較的自由であるため、高効率で低コスト、さらにパネルに配置する際に高充填率で並べることができる。

太陽電池用の単結晶シリコンの層を有する薄膜半導体基板を安価で簡便に製造する方法の開発が待たれていた。
本発明者は、半導体基板の面内の少なくとも１部にイオン注入層を形成させないようにイオン注入して（面内の一部を残してイオン注入する）、そのイオン注入された側の面上にエピタキシャル層を形成させることでエピタキシャル成長時の熱でイオン注入層が形成されている部分は剥離し形成されていない部分は半導体基板とつながっており、薄膜の割れを効果的に防止でき、その後半導体基板とつながっている部分を分離することで、容易にエピタキシャル層が形成された薄膜半導体基板を製造することができることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明の薄膜半導体基板の製造方法について、実施態様の一例として、図１、２、３を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は本発明の薄膜半導体基板の製造方法の工程の一例としてのフロー図である。図２は本発明の薄膜半導体基板の製造方法の具体的工程の一例を示したフロー図である。図３は本発明の製造方法に用いることができる半導体基板の斜視図である。また、図２（ａ）で示されている半導体基板は、図３に示す半導体基板のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面図を示している。

本発明の製造方法では、図１、図２（ａ）、図３に示すように、半導体基板１０の外周に沿って、橋梁部１２を有する溝１１を設けることができるが、この溝は設けなくても本発明の製造方法は実施することができる。また、溝としては橋梁部が１箇所以上あればよいが、例えば図３に示すように４箇所形成することもできる。例えば数百μｍ程度の深さの溝を、ダイサー等による削り込みによって設けてもよいし、エッチング法等による化学的な方法で設けてもよい。

このとき用意される半導体基板としては、例えば単結晶シリコンウェーハを用意することができ、その形状としては、例えば矩形又は正方形のものが好ましい。このような形状の半導体基板であれば、矩形又は正方形の薄膜半導体基板を容易に製造することができ、その薄膜半導体基板を用いて太陽電池を作製すれば、パネルに配置する際に高い充填率で並べることができ、隙間を少なくすることができる。

次に図１、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１０の面内の少なくとも１部にはイオン注入層１３を形成させないようにして水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方をイオン注入する。

このときイオン注入条件を、例えば注入エネルギーを２０〜１００ｋｅＶ、注入線量を１×１０^１６〜１×１０^１７／ｃｍ^２、注入温度を２５〜４５０℃とすることができるが、所望の厚さの薄膜を得ることができるように適宜選択することができ、これらに限られない。本発明の製造方法では、薄膜上にエピタキシャル層を形成した状態で基板と分離するので、イオン注入深さを浅くして薄膜の厚さを極めて薄いものにしてもよく、また、薄膜分離後の半導体基板を再度本発明の製造方法に用いることを考慮すると、薄膜が薄い方がより多数回繰り返し用いることができ、製造コストをより低減することができる。

図２では、溝１１の外周部と橋梁部１２の面にはイオン注入層１３を形成させないようにし、面内のそれ以外の部分にイオン注入層１３を形成するようにしたが、これに限定されるものではなく、溝を設けていない場合等には、エピタキシャル層形成時にイオン注入層で剥離しても薄膜の１部が半導体基板とつながっている状態にできればよく、例えば半導体基板の中心部や外周部にイオン注入層を形成させないようにしてもよい。
このとき、部分的にイオン注入層を形成させないようにする方法としては、イオン注入層を形成させない部分にマスクを形成してイオン注入することが好ましい。マスクとしては、例えば保護テープや保護膜を形成しておくことで、確実にその部分はイオン注入層が形成されないようにすることができる。また、マスクを用いれば、原則としてどのようなパターンでも可能であるので、後工程の分離工程で分離するのが容易になるように適宜マスクパターンを選択すればよい。

次に、本発明の製造方法では、図１、図２（ｃ）に示すように、半導体基板１０のイオン注入された側の面上にエピタキシャル層１４を形成させる。このとき、図２（ｃ）に示すようにエピタキシャル層形成時の熱により、イオン注入層１３を形成した部分が剥離され、イオン注入層を形成していない部分のみが半導体基板１０とつながった状態となる。このため、半導体基板が薄膜の補強の役を果たし、その薄膜上にエピタキシャル層が形成されるため、薄膜の割れを効率的に防止でき、大部分の剥離とエピタキシャル層形成を同時に行うことができるため、工程も少なくすることができる。

このときエピタキシャル層を形成させる方法としては、例えばＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、シランの塩化物／水素系などを用いるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。これらは、目的に応じて適切な方法を選択すればよい。そして、形成されたエピタキシャル層は、一部基板とつながっているので、そのままＰＮ接合形成等の太陽電池を形成する工程を施すことができる。

このとき、本発明の製造方法では、２層以上のエピタキシャル層を形成させることができ、例えば、ｐ型層及びｎ型層をエピタキシャル成長させた太陽電池層を形成させることができる。
本発明の製造方法では、薄膜が非常に薄くできるためエピタキシャル層を複数層形成して太陽電池層を形成しても十分な薄さの薄膜半導体基板を製造でき、さらにエピタキシャル層形成時は半導体基板が補強の役を果たしているので薄膜の割れが防止される。

形成されるエピタキシャル層としては、例えば、１０００〜１２００℃の温度で、半導体基板のイオン注入された側の面上にｐ＋型Ｓｉ層、ｐ型Ｓｉ層及びｎ型Ｓｉ層を順次形成させて太陽電池層を形成した後に、ｎ型Ｓｉ層上に例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜の少なくとも一方を形成して保護膜を形成することができる。このように、エピタキシャル層を形成させることにより、薄膜と合わせて例えば１０〜１００μｍ程度の厚さの薄膜半導体基板となる。

次に、本発明の製造方法では、図１、図２（ｄ）に示すように、エピタキシャル層１４を形成された薄膜１５を半導体基板１０から分離させることにより、薄膜半導体基板１７を製造することができる。
分離させる方法としては、特に限定されないが例えば、図２、図３のように予め溝１１を設けている場合には、その溝の橋梁部１２を、また、溝を設けていない場合には半導体基板とつながっている部分を、ダイサーや化学的なエッチング等で取り除くことによって分離することができる。

一方、薄膜半導体基板１７を分離した残りの半導体基板１６を、本発明のイオン注入される半導体基板として再度用いることが好ましい。このように、本発明の製造方法であれば、半導体基板の表層部のみを剥離して分離するので、分離後の半導体基板は再度本発明の製造方法に用いることができ、製造コストをより低減することができる。この場合、残った半導体基板１６の表面を研磨、洗浄してから、繰り返し使用するようにすればよい。

このように作製された薄膜半導体基板１７を太陽電池セルの製造に用いれば、単結晶シリコンを用いた高性能、高変換率の薄い太陽電池を低コストで製造することができる。また、本発明の製造方法であれば、太陽電池用の薄膜半導体基板をエピタキシャル法により矩形や正方形等の多様な形状で製造することができるため、太陽電池のパネルに配置する際に無駄な隙間を無くし高い充填率で並べることができる。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

まず、１０×１０ｃｍの正方形の、ｐ型の単結晶シリコン基板を用意し、それに図２に示すような橋梁部を４箇所有する深さ１００μｍの溝をダイサーで設けた。
次に、溝の橋梁部に保護テープを貼り、注入エネルギー８０ｋｅＶ、注入線量１×１０^１６／ｃｍ^２、注入温度３５０℃で水素イオンを注入して橋梁部と溝の外側以外にイオン注入層を形成した。

次に、その基板にエピタキシャル成長法で１１００℃の温度の下、ｐ＋型Ｓｉ層、ｐ型Ｓｉ層、ｎ型Ｓｉ層の順にエピタキシャル層を形成し、同時に溝の内側の橋梁部以外が剥離し橋梁部のみで単結晶シリコン基板とつながっている状態になった。
次に、単結晶シリコン基板の橋梁部をダイサーで切断し、太陽電池層が形成された厚さ５０μｍ薄膜半導体基板が得られた。
このように製造した薄膜半導体基板を用いて太陽電池を作製すると、低コストで高効率、高充填率の太陽電池が得られた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の製造方法の実施態様の一例を示すフロー図である。 本発明の製造方法の実施態様の具体的な一例を示すフロー図である。 本発明の製造方法に用いることができる半導体基板の斜視図である。

符号の説明

１０、１６…半導体基板、 １１…溝、 １２…橋梁部、 １３…イオン注入層、
１４…エピタキシャル層、 １５…薄膜、 １７…薄膜半導体基板。

Claims (5)

1. 薄膜半導体基板の製造方法であって、半導体基板の面内の少なくとも１部にはイオン注入層を形成させないようにして水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方をイオン注入する工程と、前記半導体基板のイオン注入された側の面上に２層以上のエピタキシャル層を形成させる工程と、前記半導体基板から前記エピタキシャル層を形成された薄膜を分離させる工程とを行い、
   前記形成させる２層以上のエピタキシャル層を、少なくともｐ型層及びｎ型層をエピタキシャル成長させた太陽電池層とすることを特徴とする薄膜半導体基板の製造方法。
2. 前記イオン注入する工程において、前記半導体基板の面内の少なくとも１部にマスクを形成してからイオン注入することによって、該マスクが形成されている部分にはイオン注入層を形成させないようにすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体基板の製造方法。
3. 前記イオン注入する工程において、前記半導体基板のイオン注入する面に基板の外周に沿って溝を設け、少なくとも一部に溝のない部分を橋梁部として残し、該橋梁部にはイオン注入層を形成させないようにしてイオン注入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の薄膜半導体基板の製造方法。
4. 前記分離させる工程において、前記エピタキシャル層を形成された薄膜を分離した残りの半導体基板を、前記イオン注入する工程における、面内の少なくとも１部にはイオン注入層を形成させないようにして水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方をイオン注入される半導体基板として再度用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の薄膜半導体基板の製造方法。
5. 前記イオン注入される半導体基板の形状が、矩形又は正方形であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の薄膜半導体基板の製造方法。

Images