JP5945008B2 - 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法に関する。
従来、一導電型の半導体基板における表面の表層部に逆導電型の不純物元素が導入されている領域(逆導電型領域)が配され、その上に反射防止膜および線状の電極が配されるとともに、半導体基板の裏面に電極が配された太陽電池素子が知られている。特表2011−512041号公報には、逆導電型領域のうち、線状の電極が配される領域において、逆導電型の不純物元素の含有濃度が高められた構造(選択エミッタ構造)を有する太陽電池素子が提案されている。
また、この選択エミッタ構造は、例えば、次のようにして形成される。まず、一導電型としてのp型の半導体基板が加熱炉内に配置される。次に、半導体基板が加熱されている状態で、逆導電型としてのn型の不純物元素を含むガスが加熱炉内に供給されることで、p型の半導体基板の表層部にn型の不純物元素が拡散によって導入される。このとき、p型の半導体基板の表層部に第1エミッタ領域が形成されるとともに、この第1エミッタ領域上にn型の不純物元素の拡散源となる層(例えば、リンケイ酸ガラス層等)が形成される。そして、拡散源の予め設定された位置にレーザー光が選択的に照射されることで、拡散源が局所的に加熱され、n型の不純物元素が拡散によって半導体基板内にさらに導入される。これにより、線状の電極が配される領域において、逆導電型としてのn型の不純物元素の含有濃度が高められた第2エミッタ領域が形成される。
なお、例えば、一導電型としてのp型の半導体基板の一主面上に、逆導電型としてのn型の不純物元素を含むペースト状の原料溶液(例えばP2O5等)が塗布された後に、熱処理が施されても、p型の半導体基板の表層部に逆導電領域が形成される。
ところで、一導電型の半導体基板の表層部に第1エミッタ領域が形成される際には、例えば、加熱炉内のガス濃度および半導体基板の温度(基板温度)にばらつきが生じる。これにより、第1エミッタ領域における逆導電型の不純物元素の濃度および第1エミッタ領域の厚さにばらつきが生じる。つまり、第1エミッタ領域におけるシート抵抗にばらつきが生じる。例えば、一導電型の半導体基板の外周部付近において、ガス濃度および基板温度の低下に起因して、第1エミッタ領域における逆導電型の不純物元素の濃度、第1エミッタ領域の厚さおよび拡散源の厚さにばらつきが生じる。
その後、拡散源の予め設定された位置にレーザー光が均一に照射されると、第1エミッタ領域における逆導電型の不純物元素の濃度および第1エミッタ領域上に形成された不純物元素の拡散源の厚み等のばらつきに応じて、第2エミッタ領域における逆導電型の不純物元素の濃度および厚さにばらつきが生じる。これにより、第2エミッタ領域におけるシート抵抗が上昇するとともに、pn接合深さが最適値よりも浅くなり得る。つまり、例えば、半導体基板と線状の電極との境界部分における接触抵抗が上昇するととともに、pn接合深さが最適値よりも浅くなる。その結果、太陽電池素子におけるFFおよび開放電圧が低下し、太陽電池素子における変換効率が低下する。
そこで、半導体基板のうちの電極との境界部分の改善によって変換効率が向上し得る太陽電池素子ならびに太陽電池素子の製造方法が望まれている。
上記課題を解決するために、一態様に係る太陽電池素子は、第1主面に位置する第1導電型の第1半導体領域、および前記第1主面とは反対側に位置する第2主面の表層部に前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域を有する半導体基板と、該半導体基板の前記第2主面上に配置された線状の電極とを備えている。この太陽電池素子は、前記第2半導体領域が、平面視して前記電極から所定距離を隔てた位置に存在している第1濃度領域と、該第1濃度領域よりもドーパント濃度が高い高濃度領域を含み且つ前記電極の長手方向に沿って存在する第2濃度領域とを有するとともに、一部位の前記第2濃度領域のドーパント濃度の値から該一部位に近接した部位の前記第1濃度領域のドーパント濃度の値を引いたドーパント濃度差が、前記電極の長手方向に沿って、極小値になっている極小部位と極大値になっている極大部位とが交互に繰り返し存在しており、前記電極の長手方向において隣り合う前記極小部位の一端部同士の極小部位間隔が異なっている部分を有している。
一態様に係る太陽電池素子の製造方法は、第1導電型の半導体基板を準備する準備工程と、前記半導体基板の一主面の表層部に、前記第1導電型とは異なる第2導電型のドーパントとなる元素を拡散させることによって、前記第2導電型のドーパント濃度が第1濃度範囲である前記第2導電型の第1濃度領域を形成する第1形成工程と、前記第2導電型のドーパントとなる元素を含む元素供給源が前記第1濃度領域上に配されている状態で、周期的なタイミングでレーザー光が前記元素供給源上に照射されることによって、前記元素供給源から前記半導体基板の前記表層部に、前記第2導電型のドーパントとなる元素を拡散させて、前記第1濃度範囲よりも高い第2濃度範囲の前記第2導電型のドーパント濃度を有する高濃度領域を含む前記第2導電型の第2濃度領域を形成する第2形成工程と、前記第2濃度領域上に電極を形成する第3形成工程とを有し、前記第2形成工程において、前記元素供給源上において前記レーザー光が照射される照射対象領域の位置を一方向に移動させながら、前記照射対象領域の中心位置同士の間隔、前記照射対象領域の面積および前記照射対象領域の前記レーザー光の照射エネルギーの3条件のうち少なくとも1つ以上を変化させる。
一態様に係る太陽電池素子によれば、第1濃度領域のうちのドーパント濃度が相対的に低い部分を下地として形成された第2濃度領域におけるドーパント濃度が適切に増加され得るため、第2濃度領域におけるシート抵抗の分布が狭く適切な値域に収まり得る。その結果、半導体基板のうちの電極との境界部分の改善によって変換効率が向上し得る。
一態様に係る太陽電池素子の製造方法によれば、第1濃度領域のうちのシート抵抗が相対的に高い部分を下地として形成された第2濃度領域におけるシート抵抗が適切に低減され得るため、第2濃度領域におけるシート抵抗の分布が狭く適切な値域に収まり得る。その結果、半導体基板のうちの電極との境界部分の改善によって変換効率が向上し得る。
以下、本発明の一実施形態および各種変形例を図面に基づいて説明する。なお、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は適宜変更し得る。なお、図1から図8、図12、図20から図26および図28から図34には、太陽電池素子10の第1線状部5aの延在方向(図1の図面視上方向)を+Y方向とする右手系のXYZ座標系が付されている。
<(1)一実施形態>
<(1−1)太陽電池素子の概略構成>
図1から図3で示されるように、太陽電池素子10は、第1主面10a、第2主面10bおよび側面10cを有している。第2主面10bは、入射光を受光する面(受光面)である。また、第1主面10aは、太陽電池素子10のうちの第2主面10bの反対側に位置する面(非受光面)である。側面10cは、第1主面10aと第2主面10bとを接続する面である。図3では、第1主面10aが太陽電池素子10の−Z側の下面として描かれており、第2主面10bが太陽電池素子10の+Z側の上面として描かれている。
<(1−1)太陽電池素子の概略構成>
図1から図3で示されるように、太陽電池素子10は、第1主面10a、第2主面10bおよび側面10cを有している。第2主面10bは、入射光を受光する面(受光面)である。また、第1主面10aは、太陽電池素子10のうちの第2主面10bの反対側に位置する面(非受光面)である。側面10cは、第1主面10aと第2主面10bとを接続する面である。図3では、第1主面10aが太陽電池素子10の−Z側の下面として描かれており、第2主面10bが太陽電池素子10の+Z側の上面として描かれている。
また、太陽電池素子10は、板状の半導体基板1、反射防止膜2、第1電極4および第2電極5を備えている。
半導体基板1は、第1導電型の第1半導体領域1pおよび第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域1nが積み重ねられた構成を有している。第1半導体領域1pは、半導体基板1のうちの第1主面10a側(図中の−Z側)に位置する。また、第2半導体領域1nは、半導体基板1のうちの第1主面10aとは逆の第2主面10b側(図中の+Z側)の表層部に位置する。
ここで、半導体基板1は、例えば、矩形状の盤面を有する板状の形状を有していればよい。また、半導体基板1は、例えば、単結晶または多結晶のシリコンの基板(結晶シリコン基板)であればよい。第1導電型と第2導電型は逆の導電型であればよい。例えば、第1導電型がp型である場合には、第2導電型はn型であればよい。また、第1導電型がn型である場合には、第2導電型はp型であればよい。これにより、第1半導体領域1pと第2半導体領域1nとがpn接合領域を形成する。なお、本実施形態では、第1導電型がp型であり且つ第2導電型がn型である。つまり、第1半導体領域1pはp型の半導体の領域である。第2半導体領域1nはn型の半導体の領域である。
また、半導体基板1の盤面の一辺は、例えば、156mmであればよい。第1半導体領域1pの厚さは、例えば、250μm以下であればよく、さらには150μm以下であってもよい。半導体基板1の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、平面視した状態で矩形状であれば、半導体基板1の製作が容易である。
第2半導体領域1nは、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnを含んでいる。第1濃度領域1Lnは、第2導電型としてのn型のドーパントの濃度(ドーパント濃度)が第1濃度範囲である半導体領域である。また、第2濃度領域1Hnにおけるn型のドーパント濃度は、第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度よりも高い。
ここで、第2半導体領域1nは、例えば、p型の結晶シリコン基板のうちの第2主面1b側の領域に、n型のドーパントとなる元素が拡散によって導入されることで、この結晶シリコン基板のうちの第2主面1b側の表層部に形成される。この場合、結晶シリコン基板のうちの第2半導体領域1n以外の部分が第1半導体領域1pとなる。なお、n型のドーパントとしては、例えば、リン(P)等が採用される。
また、第1半導体領域1pは、第3濃度領域1Lpおよび第4濃度領域1Hpを有している。第4濃度領域1Hpは、半導体基板1のうちの第1主面1a側の表層部に位置している。第4濃度領域1Hpは、第1主面1a上において出力取出電極4bと第3濃度領域1Lpとの接触を可能とする間隙を有する。第4濃度領域1Hpにおけるp型のドーパント濃度は、第3濃度領域1Lpにおけるp型のドーパント濃度よりも高い。なお、p型のドーパントとしては、例えば、ボロン(B)、ガリウム(Ga)またはアルミニウム(Al)等が採用される。
第4濃度領域1Hpは、半導体基板1のうちの第1主面1a側の領域におけるキャリアの再結合を低減する役割を有する。このため、第4濃度領域1Hpの存在によって、太陽電池素子10における変換効率の低下が抑制される。また、第4濃度領域1Hpは、半導体基板1のうちの第1主面1a側において内部電界を生じさせる。なお、第4濃度領域1Hpは、例えば、半導体基板1のうちの第1主面1a側の領域にBまたはAl等のドーパントが拡散によって導入されることで形成される。この場合、第1半導体領域1pのうちの第4濃度領域1Hp以外の部分が第3濃度領域1Lpとなる。
また、図3で示されるように、半導体基板1のうちの第2主面1bの略全面にわたって凹凸部1bLが配されている。ここで、凹凸部1bLにおける凸部の高さは、例えば、0.1μm以上で且つ10μm以下程度であればよく、凸部の幅は、例えば、0.1μm以上で且つ20μm以下程度であればよい。また、凹凸部1bLの凹部の面形状は、例えば略球面状であればよい。なお、上記の凸部の高さとは、凹部の底面を通り且つ第1主面1aに平行な面(基準面)を基準とし、この基準面の法線方向における、この基準面から凸部の頂面までの距離を意味する。また、上記の凸部の幅とは、上記基準面に平行な方向における、隣接する凸部の頂面間の距離を意味する。凹凸部1bLの存在によって、半導体基板1の受光面側の第2主面1bにおける反射率が低減される。
さらに、半導体基板1の第2主面1b側の表層部には、相互に離隔している2箇所以上のアライメント基準部1mが設けられている。この2箇所以上のアライメント基準部1mは、第2電極5が形成される位置の調整時に基準として使用される。本実施形態では、第2主面1b上に2箇所のアライメント基準部1mが配されているが、これに限られない。第2主面1b上に3箇所以上のアライメント基準部1mが配されていてもよい。
反射防止膜2は、太陽電池素子10における光の吸収の効率を向上させるための膜である。反射防止膜2は、半導体基板1のうちの第2主面1b側の第1濃度領域1Ln上に配されている。反射防止膜2の材料としては、例えば、窒化シリコン、酸化チタン、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化インジウムスズ、酸化スズまたは酸化亜鉛等が採用される。なお、反射防止膜2として窒化シリコンの膜が採用される場合には、反射防止膜2がパッシベーション膜として機能することで、パッシベーション効果が実現される。
反射防止膜2は、第2主面1bの凹凸部1bLに沿って配されるため、反射防止膜2の+Z側の上面は、凹凸部1bLの形状に応じた凹凸部を有する。なお、反射防止膜2の厚さは、半導体基板1および反射防止膜2の材料に応じて適宜設定されればよい。これにより、太陽電池素子10において、種々の光の照射に対して光が反射され難い条件が実現される。半導体基板1が結晶シリコン基板である場合には、反射防止膜2の屈折率は、例えば、1.8以上で且つ2.3以下程度であればよく、反射防止膜2の厚さは、例えば、50nm以上で且つ120nm以下程度であればよい。
第1電極4は、半導体基板1の第1主面1a上に配されている。図2および図3で示されるように、第1電極4には、集電電極4aと出力取出電極4bとが含まれている。
集電電極4aは、第4濃度領域1Hp上に配されている。具体的には、集電電極4aは、例えば、半導体基板1の第1主面1aのうち、出力取出電極4bが形成される領域を除く略全面に配されていればよい。集電電極4aの厚さは、15μm以上で且つ50μm以下程度であればよい。なお、例えば、Alを主成分として含有する導電性ペースト(Alペースト)が、スクリーン印刷等によって半導体基板1の第1主面1a上に所望のパターンで塗布された後に焼成されることで、集電電極4aが形成される。
出力取出電極4bは、第4濃度領域1Hpの間隙において、第3濃度領域1Lp上に配されている。そして、出力取出電極4bは、第3濃度領域1Lpから、間隙を挟む両側の第4濃度領域1Hp上にそれぞれ配されている集電電極4a上にかけて配されている。つまり、出力取出電極4bは、集電電極4aに対して電気的に接続されている。出力取出電極4bの厚さは、例えば、10μm以上で且つ30μm以下程度であればよい。出力取出電極4bの短手方向の幅は、例えば、1.3mm以上で且つ7mm以下程度であればよい。出力取出電極4bは、例えば、銀(Ag)を主成分として含有する導電性ペースト(Agペースト)が、スクリーン印刷等によって半導体基板1の第1主面1a上に所望のパターンで塗布された後に焼成されることで形成される。
第2電極5は、半導体基板1の第2主面1b上に配されている。具体的には、第2電極5は、半導体基板1のうちの第2主面1b側の第2濃度領域1Hn上に配されている。そして、図1で示されるように、第2電極5は、バスバー電極としての第1線状部5aおよびフィンガー電極としての複数の第2線状部5bを含んでいる。第1線状部5aは、第1延在方向としてのY方向に延在している。各第2線状部5bは、第1延在方向とは異なる第2延在方向(第2線状部5bの長手方向)としてのX方向に延在している。さらに、第1線状部5aは、複数の第2線状部5bと交差している。そして、図3で示されるように、第2半導体領域1nのうちの第2電極5との境界に沿って第2濃度領域1Hnが延在している。換言すれば、第2濃度領域1Hnが、第2電極5に沿って延在している。なお、第2電極5には、第2線状部5bの各端部において、Y方向に延在し且つ複数の第2線状部5bと接続される第3線状部が含まれていてもよい。
ここで、第1線状部5aのうちの少なくとも一部が、複数の第2線状部5bと交差することで、この複数の第2線状部5bと電気的に接続されている。そして、第1線状部5aの線幅は、複数の第2線状部5bの線幅よりも広ければよい。具体的には、第2線状部5bの短手方向(線幅方向)としてのY方向における線幅は、例えば、50μm以上で且つ200μm以下程度であればよい。第1線状部5aの短手方向(線幅方向)としてのX方向における線幅は、例えば、1.3mm以上で且つ2.5mm以下程度であればよい。また、複数の第2線状部5bのうちの隣り合う第2線状部5b同士の間隔は、1.5mm以上で且つ3mm以下程度であればよい。さらに、第2電極5の厚さは、例えば、10μm以上で且つ40μm以下程度であればよい。なお、第2電極5は、例えば、1以上の第1線状部5aを含んでいればよい。本実施形態では、第2電極5は、3本の第1線状部5aを含んでいる。ここで、3本の第1線状部5aのうちの隣り合う第1線状部5a同士の間隔は、例えば、50mm程度であればよい。
ところで、第2電極5は、例えば、上記出力取出電極4bと同様な材料および製法によって形成される。つまり、第2電極5は、例えば、Agペーストが、スクリーン印刷等によって半導体基板1の第2主面1b上に所望のパターンで塗布された後に焼成されることで形成される。このとき、図1で示されるように、半導体基板1の第2主面1b側の表層部に設けられた2箇所以上のアライメント基準部1mが基準とされて、第2電極5が形成される領域(被形成領域)が調整される。これにより、第2電極5が、半導体基板1の第2濃度領域1Hn上に精度よく形成され得る。
<(1−2)太陽電池モジュール>
一実施形態に係る太陽電池モジュール100は、1以上の太陽電池素子10を備えている。例えば、太陽電池モジュール100は、電気的に接続されている複数の太陽電池素子10を備えていればよい。このような太陽電池モジュール100は、単独の太陽電池素子10の電気出力が小さな場合に、複数の太陽電池素子10が例えば直列および並列に接続されることで形成される。そして、例えば、複数の太陽電池モジュール100が組み合わされることで、実用的な電気出力が取り出され得る。
一実施形態に係る太陽電池モジュール100は、1以上の太陽電池素子10を備えている。例えば、太陽電池モジュール100は、電気的に接続されている複数の太陽電池素子10を備えていればよい。このような太陽電池モジュール100は、単独の太陽電池素子10の電気出力が小さな場合に、複数の太陽電池素子10が例えば直列および並列に接続されることで形成される。そして、例えば、複数の太陽電池モジュール100が組み合わされることで、実用的な電気出力が取り出され得る。
図4で示されるように、太陽電池モジュール100は、例えば、透明部材104、表側充填材102、複数の太陽電池素子10、配線部材101、裏側充填材103および裏面保護材105が積層された積層体を備えている。ここで、透明部材104は、太陽電池モジュール100のうちの受光面を保護するための部材である。透明部材104は、例えば、透明な平板状の部材であればよい。透明部材104の材料としては、例えばガラス等が採用される。表側充填材102および裏側充填材103は、例えば透明な充填剤であればよい。表側充填材102および裏側充填材103の材料としては、例えばエチレン・酢酸ビニル共重合体(EVA)等が採用される。裏面保護材105は、太陽電池モジュール100を裏面から保護するための部材である。裏面保護材105の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)またはポリフッ化ビニル樹脂(PVF)等が採用される。なお、裏面保護材105は、単層構造を有していても積層構造を有していてもよい。
配線部材101は、複数の太陽電池素子10を電気的に接続する部材(接続部材)である。太陽電池モジュール100に含まれる複数の太陽電池素子10のうちの±Y方向で隣り合う太陽電池素子10同士は、一方の太陽電池素子10の第1電極4と他方の太陽電池素子10の第2電極5とが配線部材101によって接続されている。これにより、複数の太陽電池素子10が電気的に直列に接続されている。ここで、配線部材101の厚さは、例えば、0.1mm以上で且つ0.2mm以下程度であればよい。配線部材101の幅は、約2mm程度であればよい。そして、配線部材101としては、例えば、銅箔の全面に半田が被覆された部材等が採用される。
また、電気的に直列に接続されている複数の太陽電池素子10のうち、最初の太陽電池素子10の電極の一端と最後の太陽電池素子10の電極の一端は、出力取出配線106によって、それぞれ出力取出部としての端子ボックス107に電気的に接続されている。また、図4では図示が省略されているが、図5で示されるように、太陽電池モジュール100は、上記積層体を周囲から保持する枠体108を備えていてもよい。枠体108の材料としては、例えば、耐食性と強度とを併せ持つAl等が採用される。
なお、表側充填材102および裏側充填材103の少なくとも一方の材料として、EVAが採用される場合は、EVAが酢酸ビニルを含むため、EVAが高温時における湿気または水等の透過によって、経時的な加水分解に起因して酢酸を生じる傾向がある。これに対して、EVAに水酸化マグネシウムまたは水酸化カルシウム等を含む受酸剤が添加されることで、EVAからの酢酸の発生が低減され得る。これにより、太陽電池モジュール100の耐久性が向上し得る。すなわち、太陽電池モジュール100の信頼性が長期間に渡って確保され得る。
<(1−3)第2半導体領域の構成>
図6に示すように、第2半導体領域1nは、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部の全域にわたって配されている。そして、第2半導体領域1nでは、第1濃度領域1Lnが配されているとともに、第2濃度領域1Hnが延在している。
図6に示すように、第2半導体領域1nは、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部の全域にわたって配されている。そして、第2半導体領域1nでは、第1濃度領域1Lnが配されているとともに、第2濃度領域1Hnが延在している。
図6で示されるように、第2濃度領域1Hnは、第1線状領域1Hnaおよび複数の第2線状領域1Hnbを含んでいる。第1線状領域1Hnaは、第1延在方向としてのY方向に延在している。各第2線状領域1Hnbは、第2延在方向としてのX方向に延在している。そして、第1線状領域1Hnaは、複数の第2線状領域1Hnbと交差している。なお、第2濃度領域1Hnには、第2線状領域1Hnbの各端部において、Y方向に延在し且つ複数の第2線状領域1Hnbと接続される第3線状領域が含まれていてもよい。
ここで、第1線状領域1Hnaの幅は、複数の第2線状領域1Hnbの幅よりも広ければよい。具体的には、第2線状領域1Hnbの短手方向(線幅方向)としてのY方向における線幅は、例えば、100μm以上で且つ500μm以下程度であればよい。第1線状領域1Hnaの短手方向(線幅方向)としてのX方向における幅は、例えば、2.5mm以上で且つ5mm以下程度であればよい。また、複数の第2線状領域1Hnbのうちの隣り合う第2線状領域1Hnb同士の間隔は、1.5mm以上で且つ3mm以下程度であればよい。さらに、第2半導体領域1nの厚さは、0.5μm以上で且つ2μm以下程度であればよい。なお、第2半導体領域1nは、例えば、1以上の第1線状領域1Hnaを含んでいればよい。本実施形態では、第2半導体領域1nは、3本の第1線状領域1Hnaを含んでいる。3本の第1線状領域1Hnaのうちの隣り合う第1線状領域1Hna同士の間隔は、例えば、50mm程度であればよい。
そして、図1で示されるように、第2濃度領域1Hn上には、第2電極5が配されている。具体的には、第2濃度領域1Hnの各第1線状領域1Hna上に第1線状部5aが配されている。また、第2濃度領域1Hnの各第2線状領域1Hnb上に第2線状部5bが配されている。
ここで、第1濃度領域1Lnにおける第2導電型としてのn型のドーパント濃度は、第1濃度範囲である。そして、第2濃度領域1Hn全体におけるn型のドーパント濃度は、第1濃度領域1Ln全体におけるn型のドーパント濃度よりも高い。具体的には、第2濃度領域1Hnは、第2導電型としてのn型のドーパンド濃度が第2濃度範囲である領域(高濃度領域)を含んでいる。本実施形態では、第2濃度領域1Hnは、この第2濃度領域1Hnの延在方向に配列されている複数の高濃度領域を含んでいる。例えば、第1線状領域1Hnaは、第1延在方向としてのY方向に配列された複数の高濃度領域を含む。また、例えば、第2線状領域1Hnbは、第2延在方向としてのX方向に配列された複数の高濃度領域を含む。ここで、各高濃度領域は、例えば、第1濃度領域1Ln上にn型のドーパントの供給源が配されている状態で、この供給源上にレーザー光が照射されることで形成される。なお、第1線状領域1Hnaと第2線状領域1Hnbとは、太さおよび延在方向が異なるが、類似の構成を有する。そこで、第2線状領域1Hnbの構成を例に挙げて説明する。
図7では、第2線状領域1Hnb上に配される第2線状部5bの外縁が破線で示されている。図7で示されるように、例えば、第2線状領域1Hnbは、その長手方向であるX方向に配された複数の高濃度領域1Hrを有している。そして、第2線状領域1Hnbの周囲の第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度に応じて、第2延在方向としてのX方向における複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が適宜設定されている。これにより、第2線状領域1Hnbにおける局所的なn型のドーパント濃度が適宜設定され得る。なお後述するように、第1濃度領域1Lnは平面視した第2線状部5bから所定距離を隔てた位置に存在している。
例えば、2以上の高濃度領域1Hr同士が重畳している領域(重畳領域)1ScのX方向における長さ(重畳長さ)Ls1、および2つの高濃度領域1Hr同士がX方向に離隔している距離(離隔距離)Ds1が適宜設定される。これにより、第2線状領域1Hnbにおける局所的なn型のドーパント濃度が設定され得る。この場合、第2線状領域1Hnbには、高濃度領域1Hrが配されていない領域(非配設領域)1Sa、2以上の高濃度領域1Hrが重畳せずに高濃度領域1Hrが配されている領域(単配設領域)1Sbおよび重畳領域1Scが存在する。ここで、非配設領域1Saは、例えば、隣り合う2つの高濃度領域1Hrの間隙に相当する。
なお、高濃度領域1Hrの形状およびサイズは、第2電極5の形状、サイズ、位置公差、幅公差、ならびにレーザー光の照射位置公差および幅公差によって決定される。例えば、第2線状部5bの線幅方向としてのY方向の線幅W2が約100μmでレーザー光の照射位置公差および幅公差が合計で±80μmである場合を想定する。この場合、例えば、第2線状領域1Hnbの線幅方向としてのY方向の線幅W1および高濃度領域1HrのY方向における幅W1が約260μmに設定されるとよい。これに対して、高濃度領域1HrのX方向における長さL1が約200μmに設定されると、重畳領域1Scおよび離隔距離Ds1が容易に設定されるとともに、第2線状領域1Hnb上に第2線状部5bが高精度に配され得る。なお、半導体基板1の端部から第2線状部5bの端部までの距離Lo1は、例えば、1.5mm程度に設定される。
<(1−4)第1濃度領域における面内の不均一性>
第1濃度領域1Lnの形成時には、半導体基板1の第2主面1bに供給されるドーパントとなる元素の濃度、および半導体基板1の温度のうちの少なくとも一方のばらつきが生じ得る。これにより、第1濃度領域1Lnにおけるドーパント濃度にばらつきが生じ得る。その結果、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsにばらつきが生じ得る。
第1濃度領域1Lnの形成時には、半導体基板1の第2主面1bに供給されるドーパントとなる元素の濃度、および半導体基板1の温度のうちの少なくとも一方のばらつきが生じ得る。これにより、第1濃度領域1Lnにおけるドーパント濃度にばらつきが生じ得る。その結果、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsにばらつきが生じ得る。
ここで、第1濃度領域1Lnの形成時に、半導体基板1の一端部側からこの半導体基板1の温度よりも低温の原料ガスが供給される場合を想定する。原料ガスは、n型のドーパントとなる元素を含むガスである。この場合、半導体基板1のこの一端部側の温度が、半導体基板1の中央部の温度よりも低くなり得る。このとき、半導体基板1の中央部よりも半導体基板1の一端部において、ドーパントとなる元素が拡散によって導入され難い。これにより、半導体基板1のこの一端部側に位置する第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度が、半導体基板1の中央部に位置する第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度よりも低くなる。その結果、半導体基板1のこの一端部側に位置する第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが、半導体基板1の中央部に位置する第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsよりも高くなる。本実施形態では、このような態様が生じる一例を示して説明する。
なお、第1濃度領域1Lnの形成時に、加熱炉内において半導体基板1の一端部側から他端部側に向けて原料ガスが流れている場合も考えられる。この場合、半導体基板1の一端部上から他端部上にかけて原料ガスの濃度の勾配が生じ得る。これにより、第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度が、半導体基板1の一端部から他端部にかけて低下する傾向を示す。その結果、半導体基板1の一端部から他端部にかけて第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが上昇する傾向を示す。
また、第1濃度領域1Lnの形成時に、半導体基板1の温度よりも低温の原料ガスが供給されるものの、原料ガスが供給される方向に依存して半導体基板1に温度分布が生じない場合も考えられる。この場合、原料ガスの流れによる冷却効果によって、半導体基板1の全周の端部が半導体基板1の中央部よりも低温になり得る。このため、半導体基板1の中央部よりも半導体基板1の全周の端部において、ドーパントとなる元素が拡散によって導入され難い。これにより、第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度が、半導体基板1の中央部よりも半導体基板1の全周の端部において小さくなる。その結果、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが、半導体基板1の中央部よりも半導体基板1の全周の端部において大きくなる。
<(1−5)第1濃度領域および第2濃度領域におけるシート抵抗の測定方法>
ここで、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの測定方法について説明する。第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsは、例えば、室温が25.5℃で且つ相対湿度が60%RHである暗室内において、4探針法によって測定される。4探針法は、例えば、JISH 0602−1995(シリコン単結晶及びシリコンウェハの4探針法による抵抗率測定方法)に準拠した4探針法であればよい。なお、シート抵抗ρsとしては、例えば、25.5℃で得られた値が、室温が25℃である条件下における値に補正されたものが採用される。
ここで、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの測定方法について説明する。第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsは、例えば、室温が25.5℃で且つ相対湿度が60%RHである暗室内において、4探針法によって測定される。4探針法は、例えば、JISH 0602−1995(シリコン単結晶及びシリコンウェハの4探針法による抵抗率測定方法)に準拠した4探針法であればよい。なお、シート抵抗ρsとしては、例えば、25.5℃で得られた値が、室温が25℃である条件下における値に補正されたものが採用される。
第1濃度領域1Lnのシート抵抗ρsおよび第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの測定は、例えば、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部にn型のドーパントが拡散によって導入されることで第2半導体領域1nが形成された後に行われる。具体的には、例えば、第2半導体領域1nの形成直後に、第2主面1b上に形成されたドーパントの供給源(元素供給源)の薄膜上から探針が接触されることで、各シート抵抗ρsが測定され得る。なお、元素供給源としては、例えば、リンケイ酸ガラスの層(PSG層)等が採用される。
具体的には、例えば、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsの測定前に、第1濃度領域1Lnを形成するための加熱炉から半導体基板1が取り出された後に、半導体基板1が暗室内に20分間程度放置されることで、半導体基板1の温度が室温と同程度となる。その後、例えば、半導体基板1が測定器に配置された後に、接地によって半導体基板1の表面から静電気が除去される。第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsの測定時には、探針間の距離は、例えば、1mm程度に設定される。探針の先端の径は、例えば、100μm程度に設定される。探針の表面の材質としては、例えば、タングステン・カーバイドが採用される。半導体基板1に探針が押しつけられる加重は、例えば1Nに設定される。探針間に印加される電流は、例えば1mAに設定される。測定値は、例えば、電流の印加の開始から1秒間経過した後に読み取られる。そして、例えば、同一の測定位置における10回の測定値の平均がシート抵抗ρsとして算出される。
一方、第2濃度領域1Hnについては線幅が狭い。このため、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの測定時には、探針間の距離は、例えば0.1mm程度に設定される。探針の先端の径は、例えば10μmに設定される。探針の表面の材質としては、タングステン・カーバイドが採用される。半導体基板1に探針が押しつけられる加重は、例えば0.1Nに設定される。探針間に印加される電流は、例えば0.1mAに設定される。測定値は、例えば、電流の印加の開始から1秒間経過した後に読み取られる。そして、例えば、同一の測定位置における10回の測定値の平均がシート抵抗ρsとして算出される。
ここでは、シート抵抗(表面抵抗率)ρsおよび体積抵抗率ρについて成立する下記の式(1)および式(2)が用いられる。
ρ=2π×(V/I)×[1/{(1/S1)+(1/S2)−1/(S3+S2)−1/(S1+S2)}] ・・・(1)。
ρs=ρ/t・・・(2)。
式(1)は、無限大の大きさと均一な抵抗率を有する測定対象領域に対して探針が点接触している場合に、体積抵抗率ρについて成立する一般式である。式(1)において、S1〜S3は各探針間の距離(通常はS1=S2=S3)を示し、Vは2探針間の電圧を示し、Iは直線上にならぶ4探針のうちの両端の探針間に流れる電流を示す。式(2)は、半導体基板1の表層部へのn型のドーパントの拡散による導入によって形成された層(拡散層)の体積抵抗率ρが均一であって、この拡散層の深さがtである場合に成立する。本実施形態では、深さtが2μmとされればよい。そして、4探針法において検出される電圧Vが式(1)および式(2)に代入されることで、シート抵抗ρsが算出され得る。
なお、通常は、半導体基板1の厚さおよび大きさが十分でなく、拡散層としての第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおける幅、長さおよび深さが十分でなく、測定位置が半導体基板1の端部近傍に位置する場合がある。この場合、式(1)および式(2)によって算出されるシート抵抗ρsの測定値については、真値からの誤差が生じる。例えば、半導体基板1において、第1半導体領域1pのシート抵抗ρsよりも、第2半導体領域1nのシート抵抗ρsの方が低い。このため、例えば、第1濃度領域1Lnの深さが有限であることに起因して、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsの測定値は真値よりも若干高めの値として計測され得る。また、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsよりも第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの方が低い。このため、第2濃度領域1Hnの幅および長さが有限であることに起因して、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの測定値は真値よりも若干高めの値として計測され得る。但し、この誤差は比較的小さいため、各領域の大きさおよび形状等に起因する真値からの誤差を低減するための補正は行われなくてもよい。
ところで、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの他の測定方法としては、例えば、二次イオン質量分析法(SIMS)が用いられた測定方法が採用される。例えば、第2主面1b上に形成された元素供給源の薄膜(PSG層等)が、フッ酸(HF)等による洗浄で除去された後、SIMSによって第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるドナーおよびアクセプターの濃度Nd,Naが計測される。そして、電子の移動度μe、正孔の移動度μp、電子の素電荷q、ドナーの濃度Ndおよびアクセプターの濃度Naが、下記の式(3)に代入されることで、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおける導電率σがそれぞれ算出される。
σ=μe×q×Nd+μp×q×Na ・・・(3)。
ここで、測定対象領域における導電率σと体積抵抗率ρとの間には、下記の式(4)の関係が成立する。
ρ=1/σ ・・・(4)。
そこで、式(3)で算出された第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおける導電率σが、式(4)に代入されることで、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおける体積抵抗率ρがそれぞれ算出される。そして、この体積抵抗率ρが、式(2)に代入されることで、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsがそれぞれ算出される。
このようなシート抵抗ρsの測定方法によれば、測定対象領域の一部が破壊される。しかしながら、微小な測定対象領域におけるドナーおよびアクセプターの濃度についての分析結果からシート抵抗ρsが算出され得る。このため、本測定方法によって得られるシート抵抗ρsの測定値については、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnの大きさおよび形状等による起因する真値からの誤差が小さくなり得る。
<(1−6)第1濃度領域および第2濃度領域におけるドーパント濃度の測定方法>
第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるn型のドーパント濃度は、例えば、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnの各表面が測定対象領域とされた飛行時間二次イオン質量分析計(TOF−SIMS)によって測定され得る。例えば、n型のドーパントであるPの濃度分布が可視的に出力されれば、高濃度領域1Hrの位置およびn型のドーパント濃度の二次元的な分布が確認され得る。
第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnにおけるn型のドーパント濃度は、例えば、第1濃度領域1Lnおよび第2濃度領域1Hnの各表面が測定対象領域とされた飛行時間二次イオン質量分析計(TOF−SIMS)によって測定され得る。例えば、n型のドーパントであるPの濃度分布が可視的に出力されれば、高濃度領域1Hrの位置およびn型のドーパント濃度の二次元的な分布が確認され得る。
<(1−7)第2濃度領域におけるドーパント濃度およびシート抵抗の調整>
本実施形態では、第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsのばらつきに応じて、第2濃度領域1Hnにおいて、延在方向における複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が適宜調整されている。これにより、第2濃度領域1Hnにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsが調整される。その結果、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
本実施形態では、第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsのばらつきに応じて、第2濃度領域1Hnにおいて、延在方向における複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が適宜調整されている。これにより、第2濃度領域1Hnにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsが調整される。その結果、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
本実施形態では、第2濃度領域1Hnのうちの第2線状領域1Hnbにおいて、第2延在方向としてのX方向における複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が調整されている一例を挙げて説明する。
第2線状領域1Hnbと、第1濃度領域1Lnのうちの第2線状領域1Hnbに近接し且つ第2線状領域1Hnbに沿ってX方向に延在する領域(近接領域)1NAとの間では、n型のドーパント濃度とシート抵抗とが異なる。図8において、近接領域1NAの外縁が破線で例示されている。
なお、近接領域1NAは、第2線状領域1Hnbと、第1濃度領域1Lnのうちの第2線状領域1Hnbの第2延在方向と交差する方向(交差方向)において第2線状領域1Hnbに近接する領域であればよい。また、近接領域1NAは、第2線状領域1Hnbから予め設定された距離の範囲に含まれる領域であればよい。予め設定された距離は、例えば、隣り合う第2線状領域1Hnbの間隔以下であればよい。この隣り合う第2線状領域1Hnbの間隔は、例えば、1mm以上で且つ2mm以下程度であればよい。このため、上記予め設定された距離は、例えば、100μm以上で且つ1000μm以下程度であればよい。
図9には、近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsのX方向についての分布が太線で例示されている。図10には、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsのX方向についての分布が太線で例示されている。図9および図10では、横軸に、半導体基板1の−X側の端面から測定位置までの距離が示されており、縦軸にシート抵抗ρsが示されている。
本実施形態では、図9で示されるように、第1濃度領域1Lnの形成条件に応じて、近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsが、X方向において、半導体基板1の一端部側(−X側)に近づく程上昇し、半導体基板1の中央部側に近づく程低下する傾向を示す。このとき、近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsは、値域Rr1に含まれる。ここでは、図11の太線で示されるように、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度が、X方向において、半導体基板1の一端部側(−X側)に近づく程低下し、半導体基板1の中央部側に近づく程上昇する傾向を示す。
ここで、仮に、図12で示されるように、第2線状領域1Hnbが、X方向における複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が一定に設定されている第2線状領域1HnbAに置換された態様(参考例)を想定する。この参考例においては、図11の破線で示されるように、X方向の位置に拘わらず、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度に対して、第2線状領域1HnbAにおけるn型のドーパント濃度が近接領域1NAの濃度分布と略同じ傾向で上昇する。図10には、参考例に係る第2線状領域1HnbAにおけるシート抵抗ρsのX方向についての分布が太い破線で例示されている。ここでは、第2線状領域1HnbAにおけるシート抵抗ρsは、値域Rr2Aに含まれる。
これに対し、本実施形態に係る第2線状領域1Hnbでは、図8および図9で示されるように、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsの分布に応じて、X方向における複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が調整されている。これにより、第2線状領域1Hnbにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsが調整され、図10の太線で示されるように、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsが、値域Rr2Aよりも狭く適切な値域Rr2に収まり得る。
ここで、本実施形態に係る第2線状領域1Hnbにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsの調整について順次説明する。
<(1−7−1)ドーパント濃度の調整>
本実施形態では、第2線状領域1Hnbの第2延在方向において、第2線状領域1Hnbと、第1濃度領域1Lnのうちの第2線状領域1Hnbに近接する近接領域1NAとの間におけるn型のドーパント濃度の差(ドーパント濃度差)に増減が生じている。ここで、ドーパント濃度差は、第2線状領域1Hnbにおけるn型のドーパント濃度から、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度を引くことで得られる差分である。
本実施形態では、第2線状領域1Hnbの第2延在方向において、第2線状領域1Hnbと、第1濃度領域1Lnのうちの第2線状領域1Hnbに近接する近接領域1NAとの間におけるn型のドーパント濃度の差(ドーパント濃度差)に増減が生じている。ここで、ドーパント濃度差は、第2線状領域1Hnbにおけるn型のドーパント濃度から、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度を引くことで得られる差分である。
図13には、図14で示されるトップハット型の強度分布を有するレーザー光が用いられて各高濃度領域1Hrが形成される場合について、第2線状領域1Hnbに係るドーパント濃度差の詳細な分布の一例が太線で示されている。このドーパント濃度差の詳細な分布は、ドーパント濃度の測定対象領域が狭く設定されることで得られる。具体的には、測定対象領域における第2延在方向としてのX方向の長さが、例えば、0.01mm以上で且つ0.1mm以下程度に設定されればよい。図13では、横軸に半導体基板1の−X側の端面から測定位置までの距離が示されており、縦軸にドーパント濃度差が示されている。なお、図13には、図12で示された参考例に係る第2線状領域1HnbAについてのドーパント濃度差の分布の一例が太い破線で示されている。
図13で示されるように、本実施形態に係る第2線状領域1Hnbについては、ドーパント濃度差が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向において繰り返して増減している。例えば、図13の右部から中央部で示されるように、ドーパント濃度差が、X方向において第1値域としての略零の値域Dd0と第2値域としての値域Dd1との間で繰り返して増減している。値域Dd1は、例えば、予め設定された基準値を中心とする基準値の±30%の範囲内の値域であればよい。この場合、例えば、基準値が1×1020atoms/cm3に設定されれば、値域Dd1は、0.7×1020atoms/cm3以上で且つ1.3×1020atoms/cm3以下の値域となる。また、例えば、図13の左部で示されるように、ドーパント濃度差が、X方向において第1値域としての値域Dd1と第2値域としての値域Dd2との間で繰り返して増減している。値域Dd2は、例えば、予め設定された基準値を中心とする基準値の±30%の範囲内の値域であればよい。この場合、例えば、基準値が2×1020atoms/cm3に設定されれば、値域Dd2は、1.4×1020atoms/cm3以上で且つ2.6×1020atoms/cm3以下の値域となる。なお、上記の値域Dd1,Dd2についての数値範囲の具体例は、一例に過ぎず、値域Dd1,Dd2は、上記数値範囲に限られない。また、第2濃度領域1Hnの全体においては、位置によって値域Dd1および値域Dd2が異なっていても構わない。例えば、値域Dd1および値域Dd2が、第2濃度領域1Hnの全体においてそれぞれ一定の値域でなくてもよい。この場合、例えば、第2半導体領域1nの予め設定されたサイズの領域において、値域Dd1および値域Dd2が相対的な関係を有する態様が採用されてもよい。この予め設定されたサイズの領域は、例えば10mm四方の領域であればよい。より具体的には、例えば、第2半導体領域1nの予め設定された領域において、値域Dd1と値域Dd2とが、値域Dd2を値域Dd1で除した値が1.5以上であり且つ3以下である関係を有する態様が考えられる。これに対して、参考例に係る第2線状領域1HnbAについては、ドーパント濃度差が、第2線状領域1HnbAの延在方向としてのX方向において略一定に保持されている。
そして、第2線状領域1Hnbについては、X方向において、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度の低下に応じて、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域に含まれている区間が占める占有率が増大している。例えば、図13の右部から中央部で示されるように、−X側に行く程、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd1に含まれている区間が占める占有率が増大している。そして、図13の左部で示されるように、−X側に行く程、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd2に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第1濃度領域1Lnのうちのドーパント濃度が相対的に低い部分を下地として形成された第2線状領域1Hnbにおけるドーパント濃度が適切に増加され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
ここで、単位長さL0は、例えば、高濃度領域1HrのX方向における長さL1よりも長ければよく、例えば、長さL1の1.1倍以上で且つ数倍以下に設定され得る。例えば、長さL1が約200μmの場合に、単位長さL0が約280μmに設定される。図13には、単位長さL0を有する区間L01〜L04が示されている。区間L01〜L04は、半導体基板1の中央部から−X側の端部に向けて、この順に設けられている。
ここで、区間L01でドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd1に含まれている区間が占める占有率よりも、区間L02でドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd1に含まれている区間が占める占有率の方が大きい。そして、ここでは、X方向において、隣り合う複数の高濃度領域1Hrの間隔としての離隔距離Ds1の減少に応じて、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd1に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第2線状領域1Hnbについては、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向において、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd1に含まれている区間が占める占有率が容易に増大され得る。
また、図8および図13で示されるように、複数の高濃度領域1Hrには、第1高濃度領域としての単配設領域1Sbと第2高濃度領域としての重畳領域1Scとが含まれている。ここで、単配設領域1Sbに係るドーパント濃度差は、第1値域としての値域Dd1に含まれている。また、重畳領域1Scにおけるドーパント濃度差は、値域Dd1よりも大きい第2値域としての値域Dd2に含まれている。つまり、X方向において、値域Dd1のドーパント濃度差を有する単配設領域1Sbと、値域Dd2のドーパント濃度差を有する重畳領域1Scとが繰り返して存在している。
ここで、区間L03でドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd2に含まれている区間が占める占有率よりも、区間L04でドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd2に含まれている区間が占める占有率の方が大きい。そして、ここでは、X方向において、複数の高濃度領域1Hrが重畳する重畳長さLs1の増加に応じて、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd2に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第2線状領域1Hnbについては、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向において、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域としての値域Dd2に含まれている区間が占める占有率が容易に増大され得る。
また、別の観点から言えば、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が第2値域に含まれている区間が占める占有率が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向における中央部側よりも一端部側(−X側)において大きい。図13の右部から中央部においても、図13の左部においても、この占有率が、−X側に行く程増大している様子が示されている。これにより、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向(X方向)において、半導体基板1の一端部側(−X側)に近づく程低下する場合でも、第2線状領域1Hnbにおけるn型のドーパント濃度がより高まり得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるドーパント濃度の分布が狭く且つ高い値域に収まり得る。したがって、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
一方、図15には、図16で示される非トップハット型の強度分布を有するレーザー光が用いられた場合における、第2線状領域1Hnbに係るドーパント濃度差の詳細な分布の一例が太線で示されている。このドーパント濃度差の詳細な分布は、ドーパント濃度の測定対象領域が狭く設定されることで得られる。図15では、図13と同様に、横軸に半導体基板1の−X側の端面から測定位置までの距離が示されており、縦軸にドーパント濃度差が示されている。
ここで、図13および図15で示される、第2線状領域1Hnbにおける一部位のドーパント濃度の値から第1濃度領域1Lnにおけるこの一部位に近接した部位のドーパント濃度の値を引いたドーパント濃度差の変化に着目する。なお、一部位とこの一部位に近接した部位とは、例えば、Y方向に近接していればよく。そして、この一部位に近接した部位は、例えば、近接領域1NAに含まれていればよい。ここでは、ドーパント濃度差が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向において、極小値になっている極小部位と極大値となっている極大部位とが交互に繰り返し存在している。そして、第2延在方向としてのX方向において、隣り合う極小部位の一端部同士の間隔(極小部位間隔)IN1が異なっている部分が存在している。なお、第2線状領域1Hnbでは、極小部位の一端部は、極小部位の−X側の端部である。つまり、第2線状領域1Hnbにおける極小部位の一端部は、半導体基板1の−X方向の端面側から進むにつれてドーパント濃度差が減少して極小部位に到達した部分である。
ここでは、第2線状領域1Hnbに近接した近接領域1NAにおけるドーパント濃度に応じて、極小部位間隔IN1を適宜異ならせることで、第2線状領域1Hnbにおける第2導電型のドーパント濃度が適切に調整される。これにより、第1濃度領域1Lnのうちの第2導電型のドーパント濃度が相対的に低い部分を下地として形成された第2線状領域1Hnbにおける第2導電型のドーパント濃度が適切に増加され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。したがって、半導体基板1のうちの第2電極5との境界部分の改善によって太陽電池素子10の変換効率が向上し得る。
また、例えば、第2延在方向(X方向)に沿って極小部位間隔IN1が広がっている部分がある。換言すれば、近接領域1NAにおけるドーパント濃度の低下に応じて、第2延在方向(X方向)とは逆方向(−X方向)に沿って極小部位間隔IN1が次第に狭くなっている部分がある。例えば、複数の高濃度領域1Hrが配列されている場合は、−X方向に沿って、隣接する高濃度領域1Hrの離隔距離Ds1が短くなることで、極小部位間隔IN1が次第に狭くなる。図13および図15の右部から中央部付近では、第2延在方向(X方向)に複数の高濃度領域1Hrが配列されており、−X方向に沿って隣接する高濃度領域1Hrの離隔距離Ds1が短くなることで極小部位間隔IN1が次第に狭くなっている様子が示されている。また、図13の左部では、−X方向に沿って高濃度領域1Hrの重畳長さLs1が長くなることで極小部位間隔IN1が次第に狭くなっている様子が示されている。これにより、第1濃度領域1Lnのうちのドーパント濃度が相対的に低い部分を下地として形成された第2線状領域1Hnbにおけるドーパント濃度が適切に増加され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
また、別の観点から言えば、第2線状領域1Hnbの一端部(−X側の部分)における極小部位間隔IN1が、第2線状領域1Hnbの中央部における極小部位間隔IN1よりも狭くなっている。図13および図15では、第2延在方向(X方向)において、第2線状領域1Hnbの一端部(−X側の部分)における極小部位間隔IN1が、第2線状領域1Hnbの中央部における極小部位間隔IN1よりも狭くなっている様子が示されている。このような構成によって、第2延在方向(X方向)において、近接領域1NAにおけるn型のドーパント濃度が半導体基板1の一端部(−X側の部分)に近づく程低下する場合でも、第2線状領域1Hnbにおけるn型のドーパント濃度が適切に高まり得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるドーパント濃度の分布が狭く且つ高い値域に収まり得る。したがって、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
<(1−7−2)シート抵抗の調整>
本実施形態では、第2線状領域1Hnbの第2延在方向において、第2線状領域1Hnbと、第1濃度領域1Lnのうちの第2線状領域1Hnbに近接する近接領域1NAとの間におけるシート抵抗ρsとの差(シート抵抗差)に増減が生じている。ここで、シート抵抗差は、近接領域1NAにおけるシート抵抗から、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗を引くことで得られる差分である。
本実施形態では、第2線状領域1Hnbの第2延在方向において、第2線状領域1Hnbと、第1濃度領域1Lnのうちの第2線状領域1Hnbに近接する近接領域1NAとの間におけるシート抵抗ρsとの差(シート抵抗差)に増減が生じている。ここで、シート抵抗差は、近接領域1NAにおけるシート抵抗から、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗を引くことで得られる差分である。
図17には、第2線状領域1Hnbに係るシート抵抗差の詳細な分布の一例が太線で示されている。このシート抵抗差の詳細な分布は、シート抵抗ρsの測定対象領域が狭く設定されることで得られる。例えば、4探針法における探針間の距離が狭く設定される手法またはSIMSによる測定対象領域が狭く設定される手法等が採用されればよい。具体的には、測定対象領域における第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向の長さが、例えば、0.01mm以上で且つ0.1mm以下程度に設定されればよい。図17では、横軸に半導体基板1の−X側の端面から測定位置までの距離が示されており、縦軸にシート抵抗差が示されている。なお、図17には、図12で示された参考例に係る第2線状領域1HnbAについてのシート抵抗差の分布の一例が太い破線で示されている。
図17で示されるように、本実施形態に係る第2線状領域1Hnbについては、シート抵抗差が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向(X方向)において繰り返して増減している。例えば、図17の右部から中央部で示されるように、シート抵抗差が、X方向において第1値域としての略零の値域Dr0と第2値域としての値域Dr1との間で繰り返して増減している。値域Dr1は、例えば、予め設定された基準値を中心とする基準値の±20%の範囲内の値域であればよい。この場合、例えば、基準値が50Ω/□に設定されれば、値域Dr1は、40Ω/□以上で且つ60Ω/□以下の値域となる。また、例えば、図17の左部で示されるように、シート抵抗差が、X方向において第1値域としての値域Dr1と第2値域としての値域Dr2との間で繰り返して増減している。値域Dr2は、例えば、予め設定された基準値を中心とする基準値の±20%の範囲内の値域であればよい。この場合、例えば、基準値が80Ω/□に設定されれば、値域Dr2は、64Ω/□以上で且つ96Ω/□以下の値域となる。なお、上記の値域Dr1,Dr2についての数値範囲の具体例は一例に過ぎず、値域Dr1,Dr2は上記数値範囲に限られない。また、第2濃度領域1Hnの全体においては、位置によって値域Dr1および値域Dr2が異なっていても構わない。つまり、例えば、値域Dr1および値域Dr2が、第2濃度領域1Hnの全体においてそれぞれ一定の値域でなくてもよい。この場合、例えば、第2半導体領域1nの予め設定されたサイズの領域において、値域Dr1および値域Dr2が相対的な関係を有する態様が採用されてもよい。この予め設定されたサイズの領域は、例えば、10mm四方の領域であればよい。より具体的には、例えば、第2半導体領域1nの予め設定された領域において、値域Dr1と値域Dr2とが、値域Dr2を値域Dr1で除した値が1.2以上であり且つ2.8以下である関係を有する態様が考えられる。これに対して、参考例に係る第2線状領域1HnbAについては、シート抵抗差が、第2線状領域1HnbAの延在方向としてのX方向において、略一定に保持されている。
そして、第2線状領域1Hnbについては、X方向において、近接領域1NAにおけるシート抵抗差の増大に応じて、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域に含まれている区間が占める占有率が増大している。例えば、図17の右部から中央部で示されるように、−X側に行く程、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域としての値域Dr1に含まれている区間が占める占有率が増大している。そして、図17の左部で示されるように、−X側に行く程、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域としての値域Dr2に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第1濃度領域1Lnのうちのシート抵抗が相対的に高い部分を下地として形成された第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsが適切に低減され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
図17には、図13と同様に、単位長さL0を有する区間L01〜L04が示されている。区間L01〜L04は、半導体基板1の中央部から−X側の端部に向けて、この順に設けられている。
ここで、区間L01でシート抵抗差が第2値域としての値域Dr1に含まれている区間が占める占有率よりも、区間L02でシート抵抗差が第2値域としての値域Dr1に含まれている区間が占める占有率の方が大きい。そして、ここでは、X方向において、隣り合う複数の高濃度領域1Hrの間隔としての離隔距離Ds1の減少に応じて、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域としての値域Dr1に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第2線状領域1Hnbについては、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向において、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域としての値域Dr1に含まれている区間が占める占有率が容易に増大され得る。
また、図8および図13で示されるように、複数の高濃度領域1Hrには、第1高濃度領域としての単配設領域1Sbと第2高濃度領域としての重畳領域1Scとが含まれている。そして、図17で示されるように、単配設領域1Sbにおけるシート抵抗差は、第1値域としての値域Dr1に含まれている。また、重畳領域1Scにおけるシート抵抗差は、値域Dr1よりも大きい第2値域としての値域Dr2に含まれている。つまり、X方向において、値域Dr1のシート抵抗差を有する単配設領域1Sbと、値域Dr2のシート抵抗差を有する重畳領域1Scとが繰り返して存在している。
ここで、区間L03でシート抵抗差が第2値域としての値域Dr2に含まれている区間が占める占有率よりも、区間L04でシート抵抗差が第2値域としての値域Dr2に含まれている区間が占める占有率の方が大きい。そして、ここでは、X方向において、複数の高濃度領域1Hrが重畳する重畳長さLs1の増加に応じて、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域としての値域Dr2に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第2線状領域1Hnbについては、第2線状領域1Hnbの延在方向としてのX方向において、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域としての値域Dr2に含まれている区間が占める占有率が容易に増大され得る。
また、別の観点から言えば、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が第2値域に含まれている区間が占める占有率が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向における中央部側よりも一端部側(−X側)において大きい。図17の右部から中央部においても、図17の左部においても、この占有率が−X側に行く程増大している様子が示されている。これにより、近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsが、第2線状領域1Hnbの延在方向(X方向)において、半導体基板1の一端部側(−X側)に近づく程増大する場合でも、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsがより低減され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
一方、図18には、図16で示される非トップハット型の強度分布を有するレーザー光が用いられた場合における、第2線状領域1Hnbに係るシート抵抗差の詳細な分布の一例が太線で示されている。このシート抵抗差の詳細な分布は、シート抵抗ρsの測定対象領域が狭く設定されることで得られる。図18では、図17と同様に、横軸に半導体基板1の−X側の端面から測定位置までの距離が示されており、縦軸にシート抵抗差が示されている。
ここで、図17および図18で示される、第2線状領域1Hnbにおける一部位のシート抵抗ρsの値を、第1濃度領域1Lnにおけるこの一部位に近接した部位のシート抵抗ρsの値から引いたシート抵抗差の変化に着目する。なお、一部位とこの一部位に近接した部位とは、例えばY方向に近接していればよい。そして、この一部位に近接した部位は、例えば近接領域1NAに含まれていればよい。ここでは、シート抵抗差が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向において、極小値になっている極小部位と極大値となっている極大部位とが交互に繰り返し存在している。そして、第2延在方向としてのX方向において、隣り合う極小部位の一端部同士の間隔(極小部位間隔)IN2が異なっている部分が存在している。なお、第2線状領域1Hnbでは、極小部位の一端部は、極小部位の−X側の端部である。つまり、第2線状領域1Hnbにおける極小部位の一端部は、半導体基板1の−X方向の端面側から進むにつれてシート抵抗差が減少して極小部位に到達した部分である。
ここでは、第2線状領域1Hnbに近接した近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsに応じて、極小部位間隔IN2を適宜異ならせることで、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsが適切に調整され得る。これにより、第1濃度領域1Lnのうちの第2導電型のシート抵抗ρsが相対的に高い部分を下地として形成された第2線状領域1Hnbにおける第2導電型のシート抵抗ρsが適切に低減され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。したがって、半導体基板1のうちの第2電極5との境界部分の改善によって太陽電池素子10の変換効率が向上し得る。
また、例えば、第2延在方向(X方向)に沿って極小部位間隔IN2が広がっている部分がある。換言すれば、近接領域1NAにおけるドーパント濃度の低下に応じて、第2延在方向(X方向)とは逆方向(−X方向)に沿って極小部位間隔IN2が次第に狭くなっている部分がある。例えば、複数の高濃度領域1Hrが配列されている場合は、−X方向に沿って、隣接する高濃度領域1Hrの離隔距離Ds1が短くなることで、極小部位間隔IN2が次第に狭くなる。図17および図18の右部から中央部付近では、第2延在方向(X方向)に複数の高濃度領域1Hrが配列されており、−X方向に沿って隣接する高濃度領域1Hrの離隔距離Ds1が短くなることで極小部位間隔IN2が次第に狭くなっている様子が示されている。また、例えば図17の左部では、−X方向に沿って高濃度領域1Hrの重畳長さLs1が長くなることで極小部位間隔IN2が次第に狭くなっている様子が示されている。これにより、第1濃度領域1Lnのうちのシート抵抗ρsが相対的に高い部分を下地として形成された第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsが適切に低減され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
また、別の観点から言えば、第2線状領域1Hnbの一端部(−X側の部分)における極小部位間隔IN2が、第2線状領域1Hnbの中央部における極小部位間隔IN2よりも狭くなっている。例えば、図17および図18では、第2延在方向(X方向)において、第2線状領域1Hnbの一端部(−X側の部分)における極小部位間隔IN2が、第2線状領域1Hnbの中央部における極小部位間隔IN2よりも狭くなっている様子が示されている。このような構成によって、第2延在方向(X方向)において、近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsが半導体基板1の一端部(−X側の部分)に近づく程上昇する場合でも、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsが適切に低減され得る。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
レーザー照射によって第2濃度領域を形成した場合、照射箇所と他の領域とは、ドーパント濃度、シート抵抗値だけでなく、表面の微細な形状も異なるので、例えば、光学顕微鏡観察による素子表面の色の違いでも両領域を判別することができる。また、第1濃度領域と第2濃度領域のドーパント濃度差によるキャリアのライフタイムの違いを利用して、電子ビーム誘起電流法(EBIC)、レーザー光誘起電流法(LBIC)等を用いた光電流マッピング測定によっても第2濃度領域の分布を観察することも可能である。本実施形態では第2濃度領域の延在方向に沿って、これらの方法によって観察される第2濃度領域の間隔が異なっていることにより、第1濃度領域のドーパント濃度(シート抵抗)が異なる部分を下地として形成された第2濃度領域のドーパント濃度(シート抵抗)が適切に調整することを実現することができる。
<(1−8)太陽電池素子の製造方法>
ここで、上記構成を有する太陽電池素子10の製造プロセスの一例について説明する。図19で示されるように、ステップS1からステップS8が順に行われることで、太陽電池素子10が製造される。以下、各ステップS1〜S8について順に説明する。
ここで、上記構成を有する太陽電池素子10の製造プロセスの一例について説明する。図19で示されるように、ステップS1からステップS8が順に行われることで、太陽電池素子10が製造される。以下、各ステップS1〜S8について順に説明する。
<(1−8−1)準備工程>
ステップS1では、半導体基板1(図20参照)が準備される工程(準備工程)が実施される。本実施形態では、第1導電型としてのp型の半導体基板1が準備される。ここで、半導体基板1が単結晶シリコン基板である場合は、例えば、FZ(Floating Zone)法等が用いられて半導体基板1が形成される。また、半導体基板1が多結晶シリコン基板である場合は、例えば、鋳造法等が用いられて半導体基板1が形成される。この場合、例えば、まず、鋳造法によって半導体材料としての多結晶シリコンのインゴットが作製される。次に、そのインゴットが、例えば、200μm以下の厚さで薄切りにされることで、半導体基板1が形成される。ここで、半導体基板1は、例えば、一辺が156mmの矩形状の盤面を有していればよい。半導体基板1は、例えば、Bのドープによってp型の導電型を呈すればよい。半導体基板1の比抵抗は、1Ω・cm以上で且つ2Ω・cm以下であればよい。
ステップS1では、半導体基板1(図20参照)が準備される工程(準備工程)が実施される。本実施形態では、第1導電型としてのp型の半導体基板1が準備される。ここで、半導体基板1が単結晶シリコン基板である場合は、例えば、FZ(Floating Zone)法等が用いられて半導体基板1が形成される。また、半導体基板1が多結晶シリコン基板である場合は、例えば、鋳造法等が用いられて半導体基板1が形成される。この場合、例えば、まず、鋳造法によって半導体材料としての多結晶シリコンのインゴットが作製される。次に、そのインゴットが、例えば、200μm以下の厚さで薄切りにされることで、半導体基板1が形成される。ここで、半導体基板1は、例えば、一辺が156mmの矩形状の盤面を有していればよい。半導体基板1は、例えば、Bのドープによってp型の導電型を呈すればよい。半導体基板1の比抵抗は、1Ω・cm以上で且つ2Ω・cm以下であればよい。
<(1−8−2)前処理工程>
ステップS2では、半導体基板1の表面からダメージ層が除去される工程(前処理工程)が実施される。ダメージ層は、例えば、ステップS1において半導体基板1が薄切りにされる際に、半導体基板1の切断面において生じる機械的な損傷および汚染を有する層である。ここでは、例えば、半導体基板1の表面に対して、アルカリ性または酸性の溶液によるごく微量のエッチングが施されることでダメージ層が除去される。なお、アルカリ性の溶液としては、例えば、NaOHおよびKOH等の水溶液が採用され得る。また、酸性の溶液としては、HFおよびフッ硝酸等の水溶液が採用され得る。
ステップS2では、半導体基板1の表面からダメージ層が除去される工程(前処理工程)が実施される。ダメージ層は、例えば、ステップS1において半導体基板1が薄切りにされる際に、半導体基板1の切断面において生じる機械的な損傷および汚染を有する層である。ここでは、例えば、半導体基板1の表面に対して、アルカリ性または酸性の溶液によるごく微量のエッチングが施されることでダメージ層が除去される。なお、アルカリ性の溶液としては、例えば、NaOHおよびKOH等の水溶液が採用され得る。また、酸性の溶液としては、HFおよびフッ硝酸等の水溶液が採用され得る。
<(1−8−3)テクスチャ処理工程>
ステップS3では、第2主面1bに凹凸部1bL(図21参照)が形成される工程(テクスチャ処理工程)が実施される。ここでは、例えば、半導体基板1のうちの少なくとも第2主面1bに酸水溶液によるエッチング処理が施されることで凹凸部1bLが形成される。エッチング処理としては、例えば、NaOH等のアルカリ溶液またはフッ硝酸等の酸溶液が使用されるウエットエッチングあるいはRIE等が使用されるドライエッチングの処理が採用され得る。
ステップS3では、第2主面1bに凹凸部1bL(図21参照)が形成される工程(テクスチャ処理工程)が実施される。ここでは、例えば、半導体基板1のうちの少なくとも第2主面1bに酸水溶液によるエッチング処理が施されることで凹凸部1bLが形成される。エッチング処理としては、例えば、NaOH等のアルカリ溶液またはフッ硝酸等の酸溶液が使用されるウエットエッチングあるいはRIE等が使用されるドライエッチングの処理が採用され得る。
<(1−8−4)第1形成工程>
ステップS4では、半導体基板1のうちの一主面としての第2主面1b側の表層部に、第2導電型としてのn型の第1濃度領域1Ln(図22参照)が形成される工程(第1形成工程)が実施される。ここでは、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部に、n型のドーパントとなる元素が拡散によって導入されることで、n型のドーパント濃度が第1濃度範囲である第1濃度領域1Lnが形成される。第1濃度領域のドーパント濃度は、例えば1×1018〜1×1020atm/cm3程度であればよい。また、このとき、第1濃度領域1Ln上にn型のドーパントとなる元素を含む層状の元素供給源GL1(図22参照)が形成される。元素供給源GL1は、ステップS5において第2濃度領域1Hnが形成される際に、n型のドーパントとなる元素の供給源として働く。
ステップS4では、半導体基板1のうちの一主面としての第2主面1b側の表層部に、第2導電型としてのn型の第1濃度領域1Ln(図22参照)が形成される工程(第1形成工程)が実施される。ここでは、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部に、n型のドーパントとなる元素が拡散によって導入されることで、n型のドーパント濃度が第1濃度範囲である第1濃度領域1Lnが形成される。第1濃度領域のドーパント濃度は、例えば1×1018〜1×1020atm/cm3程度であればよい。また、このとき、第1濃度領域1Ln上にn型のドーパントとなる元素を含む層状の元素供給源GL1(図22参照)が形成される。元素供給源GL1は、ステップS5において第2濃度領域1Hnが形成される際に、n型のドーパントとなる元素の供給源として働く。
ここでは、例えば、半導体基板1の表面がHF等によって洗浄された後、この半導体基板1が加熱炉20内に配置される。そして、加熱炉20(図23参照)において、n型のドーパントとなる元素(例えば、P)を含む原料ガスの雰囲気中で、半導体基板1に対する熱処理が施される。このとき、原料ガスに含まれるn型のドーパントとなる元素が、拡散によって半導体基板1の第2主面1b側の表層部に導入されることで、第1濃度領域1Lnが形成される。第1濃度領域1Lnの厚さは、例えば、0.1μm以上で且つ1μm以下程度であればよい。
加熱炉20は、図23で示されるように、石英製の管(石英管)20Tおよびこの石英管20Tの周囲に配されたヒーター20Hを備えている。また、加熱炉20には、石英管20T内に原料ガスGa1を供給するガス供給路20Csおよび石英管20T内からガスGa2を排出するガス排出路20Epが設けられている。原料ガスGa1は、第2導電型としてのn型のドーパントとなる元素を含むガスである。
この加熱炉20では、例えば、10枚以上で且つ1000枚以下の半導体基板1が配置された石英製のカセットが石英管20T内に取り付けられる。そして、この石英管20Tの蓋が閉められた後に、半導体基板1に対する熱処理が施される。この熱処理における昇温速度は、例えば、1℃/分以上で且つ100℃/分であればよい。但し、昇温速度が、20℃/分以上で且つ50℃/分以下であれば、熱処理に要する時間の短縮化と安定した昇温が実現され得る。また、このとき、半導体基板1が300℃以上で且つ900℃以下の温度域まで加熱されればよい。但し、半導体基板1が750℃以上で且つ900℃以下の温度域まで加熱されれば、熱処理に要する時間が短縮され得る。また、ここで、例えば、昇温後の温度域に半導体基板1が第1所定時間保持されることで、半導体基板1の温度の均一化が図られる。第1所定時間は、例えば、1分間以上で且つ20分間以内であればよい。その後、半導体基板1が昇温後の温度域に第2所定時間保持されつつ、O2ガスおよびN2ガスがキャリアガスとされて、原料ガスGa1としてのPOCl3ガスが1sccm以上で且つ10000sccmの流量で石英管20T内に導入される。第2所定時間は、例えば、1分間以上で且つ200分間以内であればよい。このとき、半導体基板1の表面上に元素供給源GL1としてのPSG層が形成されつつ、Pが拡散によって半導体基板1の表層部に導入される。次に、石英管20T内へのガスの供給が停止され、半導体基板1が所定の保持温度域に1分間以上で且つ200分間以内保持される。所定の保持温度域は800℃以上で且つ950℃以下であればよい。このとき、半導体基板1の表層部にPが拡散によってさらに導入される。その後、半導体基板1が1℃/分以上で且つ50℃/分以下の降温速度で室温まで冷却される。そして、石英管20T内からカセットが取り出され、さらにカセットから半導体基板1が取り出される。このような処理によって、半導体基板1の第2主面1b側の表層部に第1濃度領域1Lnが形成され得る。
ところで、本実施形態では、加熱炉20内において、例えば、半導体基板1が加熱されながら、原料ガスGa1が半導体基板1の温度よりも低温の状態で加熱炉20内に供給されることで、第1濃度領域1Lnが形成される。ここで、半導体基板1の一端部1Ep側(−X側)から原料ガスGa1が供給される。これにより、第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度が、半導体基板1の中央部1Cp側よりも一端部1Ep側において低くなる。このため、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが、中央部1Cp側よりも一端部1Ep側(−X側)において高くなる。
具体的には、石英管20T内に半導体基板1が配置された状態でPOCl3ガスが導入される場合、半導体基板1は、ヒーター20Hからの輻射熱によって、例えば800℃程度の温度域まで加熱されている。一方で、POCl3ガスは、POCl3が気化するのに十分な温度(例えば、40℃程度)までしか加熱されない。このため、半導体基板1の温度に比べてPOCl3ガスの温度が非常に低い。したがって、石英管20T内に供給されるPOCl3ガスによって、半導体基板1が冷却され、半導体基板1の表面上におけるPSG層の形成ならびに半導体基板1の表層部へのPの拡散が阻害される。その結果、半導体基板1のうちの原料ガスGa1としてのPOCl3ガスが供給される側の一端部1Ep側において、半導体基板1の第2主面1b上に形成されるPSG層が薄くなり、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが高くなる。このような第1濃度領域1Lnにおいてシート抵抗ρsが高くなる現象は、半導体基板1の一端部1Epから1mm以上で且つ50mm以下程度の領域において生じ得る。
例えば、図9で示されるように、第1濃度領域1Lnの形成時に、半導体基板1のうちの原料ガスGa1としてのPOCl3ガスが供給される側に位置する一端部1Ep側において、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが高くなる傾向が見られる。図9では、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが、60Ω/□以上で且つ120Ω/□以下となっている。
なお、第1濃度領域1Lnの形成方法としては、原料ガスGa1からのドーパントとなる元素の拡散によって形成される方法(ガス拡散法)に限られない。例えば、第2主面1b上に元素供給源GL1が形成された後に半導体基板1が加熱されることで、ドーパントの拡散によって半導体基板1の第2主面1b側の表層部に第2半導体領域1nが形成される方法(塗布拡散法または液拡散法)が採用されてもよい。この場合、例えば、ペースト状にされたP2O5が第2主面1b上に塗布されることで、元素供給源GL1が形成され得る。また、リン酸およびP2O5を含む溶液が、ノズルスプレーによって第2主面1b上に塗布されることで元素供給源GL1が形成されてもよい。ここで、元素供給源GL1の厚さは、例えば、30nm程度であればよい。そして、50℃以上で且つ300℃以下程度の温度域で半導体基板1が乾燥された後に、750℃以上で且つ950℃以下程度の高温域で半導体基板1が加熱されればよい。これにより、Pが半導体基板1の第2主面1b側の表層部に拡散される。なお、この熱処理における雰囲気は、例えば、アルゴンおよび窒素等の不活性ガスが主に含まれた雰囲気であればよい。また、高温域における熱処理の時間は、例えば、1分間以上で且つ200分間以内程度であればよい。
<(1−8−5)第2形成工程>
ステップS5では、半導体基板1のうちの一主面としての第2主面1b側の表層部に、第2導電型としてのn型の第2濃度領域1Hn(図24を参照)が形成される工程(第2形成工程)が実施される。ここでは、例えば、元素供給源GL1が第1濃度領域1Ln上に配されている状態で、周期的なタイミングでレーザー光が元素供給源GL1上に照射される。これにより、元素供給源GL1および半導体基板1の第2主面1b側の表層部が加熱され、元素供給源GL1から半導体基板1の第2主面1b側の表層部に、第2導電型(n型)のドーパントとなる元素が拡散される。その結果、高濃度領域1Hrを含む第2導電型の第2濃度領域1Hnが形成される。高濃度領域1Hrは、第1濃度領域1Lnにおける第2導電型(n型)のドーパント濃度の第1濃度範囲よりも高い第2濃度範囲の第2導電型(n型)のドーパント濃度を有する。第2濃度領域のドーパント濃度は、例えば1×1019〜1×1021atm/cm3程度であればよい。
ステップS5では、半導体基板1のうちの一主面としての第2主面1b側の表層部に、第2導電型としてのn型の第2濃度領域1Hn(図24を参照)が形成される工程(第2形成工程)が実施される。ここでは、例えば、元素供給源GL1が第1濃度領域1Ln上に配されている状態で、周期的なタイミングでレーザー光が元素供給源GL1上に照射される。これにより、元素供給源GL1および半導体基板1の第2主面1b側の表層部が加熱され、元素供給源GL1から半導体基板1の第2主面1b側の表層部に、第2導電型(n型)のドーパントとなる元素が拡散される。その結果、高濃度領域1Hrを含む第2導電型の第2濃度領域1Hnが形成される。高濃度領域1Hrは、第1濃度領域1Lnにおける第2導電型(n型)のドーパント濃度の第1濃度範囲よりも高い第2濃度範囲の第2導電型(n型)のドーパント濃度を有する。第2濃度領域のドーパント濃度は、例えば1×1019〜1×1021atm/cm3程度であればよい。
なお、ここで、周期的なタイミングとは、予め設定された一定の時間間隔を有する複数のタイミングであればよい。n型のドーパントとなる元素は、例えばPであればよい。また、元素供給源GL1上のうちの一部の領域がレーザー光の照射によって選択的に加熱されることで、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部の一部の領域において、第2濃度領域1Hnが形成され得る。第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsは、例えば40Ω/□以下であればよい。
また、ここでは、元素供給源GL1上においてレーザー光が照射される領域(照射対象領域)の位置が一方向に移動される。ここで、照射対象領域は、元素供給源GL1上のうち、レーザーの1回の点灯によって発せられたレーザー光が照射される微小な領域(スポット)である。そして、第2濃度領域1Hnは、第2濃度領域1Hnの延在方向に配列されている複数の高濃度領域1Hrを含む。つまり、ここでは、照射対象領域の位置が移動される一方向が、第2濃度領域1Hnの延在方向に対応する。なお、前記の一方向は、第1線状領域1Hnaの形成時には、第1線状領域1Hnaの第1延在方向であるY方向であればよく、第2線状領域1Hnbの形成時には、第2線状領域1Hnbの第2延在方向であるX方向であればよい。
そして、本実施形態では、第2濃度領域1Hnのうちの第2線状領域1Hnbが形成される際に、照射対象領域の一方向としてのX方向における移動速度が変化される。これにより、X方向において、第2線状領域1Hnbに係るドーパント濃度差が第1値域と第2値域との間で増減させられ、且つ単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が相対的に大きな第2値域に含まれている区間が占める占有率が調整され得る。このとき、X方向において、第2線状領域1Hnbに係るドーパント濃度差が、極小値になっている極小部位と極大値となっている極大部位とが交互に繰り返し存在することとなり、極小部位間隔IN1が調整され得る。また、X方向において、第2線状領域1Hnbに係るシート抵抗差が第1値域と第2値域との間で増減させられ、且つ単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が相対的に大きな第2値域に含まれている区間が占める占有率が調整され得る。このとき、X方向において、第2線状領域1Hnbに係るシート抵抗差が、極小値になっている極小部位と極大値となっている極大部位とが交互に繰り返し存在することとなり、極小部位間隔IN2が調整され得る。
また、ここでは、例えば、ステップS4で形成された第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsおよびドーパント濃度のうちの何れか一方の分布に応じて、照射対象領域の移動速度が変更されればよい。換言すれば、半導体基板1のうちの一主面としての第2主面1b側の表層部におけるシート抵抗ρsおよびドーパント濃度のうちの少なくとも一方の分布に応じて、照射対象領域における移動速度が変更されればよい。具体的には、例えば、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部におけるシート抵抗ρsの減少に応じて、照射対象領域のX方向における移動速度が上昇されればよい。一方、半導体基板1のうちの第2主面1b側の表層部におけるシート抵抗ρsの増加に応じて、照射対象領域のX方向における移動速度が低減されればよい。これにより、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
ここで、半導体基板1の表層部におけるシート抵抗ρsおよびドーパント濃度の分布については、例えば、レーザー光の照射対象である半導体基板1自体またはこの半導体基板1と同様な構成を有する半導体基板を対象とした測定によって取得され得る。
なお、半導体基板1自体を対象とした表層部におけるシート抵抗ρsおよびドーパント濃度の少なくとも一方の分布の測定が行われる工程(測定工程)は、例えば、第1形成工程(ステップS4)と第2形成工程(ステップS5)との間に実行されればよい。これにより、第1濃度領域1Lnの状態に応じた、レーザー光の照射が可能となる。その結果、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
また、半導体基板1と同様な構成を有する半導体基板を対象とした測定によって、半導体基板1の表層部におけるシート抵抗ρsおよびドーパント濃度の少なくとも一方の分布が事前に得られる場合には、太陽電池素子10の製造プロセスの簡略化が図られ得る。本実施形態では、第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度が、半導体基板1のX方向における中央部1Cpよりも一端部1Ep側で低い。また、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが、半導体基板1のX方向における中央部1Cpよりも一端部1Epで高い。そこで、照射対象領域のX方向における移動速度が、半導体基板1のX方向の外周部としての一端部1Ep側の部分にレーザー光が照射される際よりも半導体基板1の中央部1Cpにレーザー光が照射される際において大きな速度に設定されればよい。これにより、第2濃度領域1Hnが形成される下地としての第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパント濃度およびシート抵抗ρsの分布の実状に応じたレーザー光の照射が可能となる。
ここで、元素供給源GL1上にレーザー光を照射するためのレーザー照射装置30の一例について説明する。
図25で示されるように、レーザー照射装置30は、第1整列搬送部310、第1平行搬送部320、アライメント部330、ベース部340、回転搬送部350、レーザー照射部360、第2平行搬送部370および第2整列搬送部380を備えている。
第1整列搬送部310は、半導体基板1を一列に整列させながら第1平行搬送部320まで搬送する。第1平行搬送部320は、半導体基板1を回転搬送部350上まで搬送する。アライメント部330は、第1平行搬送部320によって半導体基板1が搬送される際に、半導体基板1の位置および姿勢を撮像および画像処理によって読み取り、この半導体基板1の位置および姿勢に係るアライメントを行う。回転搬送部350は、ベース部340に対して回転することで、回転搬送部350上に載置されている半導体基板1をレーザー照射部360の真下まで搬送する。レーザー照射部360は、2つのレーザー照射機構Lr1によって、所定のレーザー光を2つの半導体基板1にそれぞれ照射する。レーザー光が照射された半導体基板1は、回転搬送部350によって、第2平行搬送部370の下まで搬送される。第2平行搬送部370は、半導体基板1を第2整列搬送部380まで搬送する。第2整列搬送部380は、半導体基板1を一列に整列させながらレーザー照射装置30の外部まで搬送する。
なお、レーザー照射部360の内部温度および湿度等は、図示を省略する制御部によって管理および制御される。また、レーザー光が照射されたパターンが適正か否かについては、図示を省略する画像検査部における撮像および画像処理によって判定される。また、レーザー照射装置30の全体の制御は、図示を省略するホストコンピュータによって行われる。
図26で示されるように、レーザー照射機構Lr1は、レーザー発振器Lr11、ビームエクスパンダーLr12、Z軸制御器Lr13、2軸偏向器Lr14およびFθレンズLr15を備えている。なお、図26では、レーザー光が通過する経路が太い一点鎖線で示されている。
レーザー発振器Lr11は、パルス状の出力を一定の繰り返し周波数で発振する。これにより、周期的なタイミングでレーザー発振器Lr11からレーザー光が発せられる。ビームエクスパンダーLr12は、レーザー発振器Lr11から発せられたレーザー光の径を調整する。Z軸制御器Lr13はレーザー光の焦点を調整する。2軸偏向器Lr14は、レーザー光を略直交する2方向において偏向させる。これにより、半導体基板1の第2主面1b上においてレーザー光が照射される照射対象領域が任意に設定され得る。FθレンズLr15は、半導体基板1に対するレーザー光の入射角を制御することで、レーザー光の焦点が結像する面が半導体基板1の第2主面1bに対して平行な面となるように調整する。
レーザー発振器Lr11は、例えば、レーザーの励起源となる励起光源、レーザーの本体部、レーザーに電流と電圧とを印加する電源、本体部と電源を水冷する冷却器等を備える。励起光源としては、例えば、放電ランプおよび半導体レーザー等が採用され得る。レーザーの本体部としては、例えば、半導体レーザー、固体レーザーおよびガスレーザー等が採用され得る。固体レーザーとしては、例えば、YAGレーザーおよびYVOレーザー等が採用さ得る。ガスレーザーとしては、例えば、炭酸ガスレーザーおよびエキシマレーザー等が採用さ得る。なお、レーザー発振器Lr11の動作は、制御装置PC1によって制御される。制御装置PC1は、例えば、パーソナルコンピュータ等であればよい。
また、本実施形態では、2軸偏向器Lr14は、ガルバノスキャナーであればよい。ガルバノスキャナーは、例えば、第1ミラーM1x、第1サーボモーターPx1、第2ミラーM1yおよび第2サーボモーターPy1を備える。第1ミラーM1xおよび第2ミラーM1yは、レーザー光を順に反射する。第1サーボモーターPx1は、第1ミラーM1xの一方向における角度を制御することで、半導体基板1上に照射されるレーザー光のX方向における位置を制御する。第2サーボモーターPy1は、第2ミラーM1yの他方向における角度を制御することで、半導体基板1上に照射されるレーザー光のY方向における位置を制御する。第1サーボモーターPx1および第2サーボモーターPy1の動作は、2軸サーボコントローラーSC2によって制御される。なお、Z軸制御器Lr13の動作は、1軸コントローラーSC1によって制御される。そして、2軸サーボコントローラーSC2および1軸コントローラーSC1は、制御装置PC1によって制御される。
また、半導体基板1上の照射対象領域に照射されるレーザー光の光束の断面形状としては、例えば、円形、楕円形および矩形状等が採用され得る。ここで、レーザー光の光束の断面形状が矩形状であれば、光束の断面形状と第2濃度領域1Hnの形状との整合性がよく、第2濃度領域1Hnが精度よく形成され得る。また、レーザー光の強度分布としては、例えば、トップハット型またはガウス分布等の非トップハット型の分布等が採用され得る。ここで、図14で示されたようなトップハット型の強度分布を有するレーザー光が半導体基板1上の照射対象領域に照射されることで、第2濃度領域1Hnが形成されれば、第2濃度領域1Hnにおけるドーパント濃度がより均一となるように調整され得る。この場合、図6の領域AR1に形成される第2線状領域1Hnbに対応する部分において、元素供給源GL1上に照射されるレーザー光の照度の分布は、例えば、図27で示されるようなものとなる。なお、レーザー光の強度分布については、例えば、図示を省略するホモジナイザーによってトップハット型の分布に調整され得る。
なお、レーザー光の波長は、例えば、100nm以上で且つ4000nm以下であればよい。レーザー光の強度は、0.1W以上で且つ100W以下であればよい。レーザー発振器Lr11の発振周波数は、例えば、0.1kHz以上で且つ1000kHz以下であればよい。レーザー発振器Lr11によるパルス状の出力におけるパルス幅は、例えば、1ナノ秒(ns)以上で且つ1000ns以下であればよい。レーザー光の径は、元素供給源GL1において、0.1μm以上で且つ1000μm以下程度であればよい。レーザー光の強度に応じて、同一の照射対象領域にパルス状のレーザー光が1回以上で且つ100回以下照射されればよい。
ここで、例えば、元素供給源GL1上へのレーザー光の照射によって、半導体基板1の第2主面1b側の表層部に第2導電型のドーパントとなる元素が拡散によって導入される場合、第2導電型のドーパントとなる元素が拡散する深さは、2μm以下であればよい。これにより、太陽電池素子10における高い発電効率が実現され得る。このため、レーザー光の照射による半導体基板1の加熱は、この半導体基板1の第2主面1b近傍に限られていればよい。具体的には、例えば、レーザー光の波長は、シリコンに対して浸透する深さが比較的大きくない1100nm以下であればよい。そして、レーザーの出力におけるパルス幅が300ns以下であれば、半導体基板1の第2主面1b側の表層部に対して、短時間のレーザー光の照射によって高いエネルギーが付与され得る。
ところで、第2濃度領域1Hnのパターンは、第2電極5と同様なパターンを有する。但し、半導体基板1上においてレーザー光に係る照射位置およびその幅の公差、ならびに第2電極5に係る形成位置およびその幅の公差が考慮されて、第2濃度領域1Hnの線幅が、第2電極5のパターンの線幅よりも太くなるように設定される。例えば、第2電極5の第2線状部5bの線幅が100μmであって、第2電極5に係る形成位置および幅の公差の合計が±80μmである場合は、第2線状領域1Hnbの線幅が260μm程度に設定される。このとき、例えば、元素供給源GL1上にレーザー光が照射される照射対象領域のサイズについては、第2線状領域1Hnbの線幅方向における幅が260μm、および第2線状領域1Hnbの第2延在方向における長さが200μmであればよい。なお、例えば、レーザー光に係る照射対象領域が、第2線状領域1Hnbの線幅方向において130μmの幅と、第2線状領域1Hnbの第2延在方向において200μmの長さとを有する場合、並列に2回、レーザー光が照射されればよい。但し、レーザー光に係る照射対象領域における第2線状領域1Hnbの線幅方向における幅が260μmであれば、レーザー光の照射による第2濃度領域1Hnの形成に要する時間が短縮され得る。また、レーザー光の照射対象領域のサイズが拡大される程、第2濃度領域1Hnの形成に要する時間が短縮され得る。但し、この場合には、レーザー光の光束の断面における単位面積当たりのエネルギーを確保するために、大出力のレーザーが必要となる。
なお、レーザー光の照射対象領域については、第2濃度領域1Hnの線幅方向における幅が大き過ぎれば、第2濃度領域1Hnの線幅が大きくなり過ぎる。この場合、半導体基板1においてキャリアの再結合が生じ易くなる。このため、第2濃度領域1Hnの線幅が、第2電極5が第2濃度領域1Hn上からはみ出さない範囲内で出来るだけ狭く設定されれば、半導体基板1においてキャリアの再結合が生じ難く、太陽電池素子10における発電効率が向上し得る。
また、レーザー光に係る照射対象領域の移動速度(スキャン速度)は、例えば、100mm/s以上であり且つ10000mm/s程度であればよい。ここで、例えば、レーザー光に係る照射対象領域の移動方向(スキャン方向)における照射対象領域の長さが200μmであり且つレーザーの発振周波数が20kHzである場合を想定する。この場合、レーザー光に係る照射対象領域が重なりも間隙も生じないスキャン速度は4000mm/sとなる。なお、レーザー光のスキャン速度の設定は、例えば、制御装置PC1に格納されるプログラムPG1によって実現され得る。プログラムPG1は、制御装置PC1に装着される記録媒体DS1から制御装置PC1に記憶されてもよい。
なお、第2形成工程では、半導体基板1の第2主面1bのうちの第2濃度領域1Hnが形成されていない領域において、元素供給源GL1上から局所的に熱が付与されることで、2箇所以上のアライメント基準部1mが形成される。ここでは、元素供給源GL1上から第2主面1bの相互に離隔している2箇所以上に対して局所的に熱が付与されることで、半導体基板1の第2主面1b側の相互に離隔している2箇所以上の表層部の表面が粗らされる。これにより、2箇所以上のアライメント基準部1mが形成される。なお、本実施形態では、2箇所のアライメント基準部1mが形成される。
ここで、局所的な熱の付与は、レーザー光の照射によって実現されればよい。1箇所にレーザー光が照射される回数は、第2濃度領域1Hnが形成される際よりも多ければよい。具体的には、例えば、第2濃度領域1Hnの形成時におけるレーザーの1回の点灯によって発せられるレーザー光と略同一のレーザー光が、同一箇所に0.01秒間以上で且つ1秒間以内の時間において連続して100〜10000回照射されればよい。なお、レーザー光が発せられる周波数は、例えば、第2濃度領域1Hnの形成時におけるレーザー光と同様に、0.1kHz以上で且つ1000kHz以下であればよい。パルスの幅も、例えば、1ns以上で且つ1000ns以内であればよい。
<(1−8−6)除去工程>
ステップS6では、半導体基板1のうちの第2主面1b上に配されている元素供給源GL1が除去される工程(除去工程)が実施される。ここでは、例えば、HF等が用いられたエッチング処理によって元素供給源GL1が除去され得る。これにより、第2主面1bに第2半導体領域1nが露出された半導体基板1(図28参照)が形成される。そして、この半導体基板1の第2主面1b側の表層部には、図29で示されるように、2箇所のアライメント基準部1mが配されている。図29では、第2主面1bのうちの第2電極5が形成される被形成領域の外縁が破線で示されている。なお、ステップS4の第1形成工程において半導体基板1の第1主面1a側の表層部にも第1濃度領域1Lnが形成される場合には、例えば、フッ硝酸の水溶液が用いられたエッチング処理によって、第1主面1a側の第1濃度領域1Lnが除去されればよい。
ステップS6では、半導体基板1のうちの第2主面1b上に配されている元素供給源GL1が除去される工程(除去工程)が実施される。ここでは、例えば、HF等が用いられたエッチング処理によって元素供給源GL1が除去され得る。これにより、第2主面1bに第2半導体領域1nが露出された半導体基板1(図28参照)が形成される。そして、この半導体基板1の第2主面1b側の表層部には、図29で示されるように、2箇所のアライメント基準部1mが配されている。図29では、第2主面1bのうちの第2電極5が形成される被形成領域の外縁が破線で示されている。なお、ステップS4の第1形成工程において半導体基板1の第1主面1a側の表層部にも第1濃度領域1Lnが形成される場合には、例えば、フッ硝酸の水溶液が用いられたエッチング処理によって、第1主面1a側の第1濃度領域1Lnが除去されればよい。
<(1−8−7)AR成膜工程>
ステップS7では、半導体基板1の第2主面1b上に反射防止膜2(図30参照)が形成される工程(AR成膜工程)が実施される。反射防止膜2の形成方法としては、例えば、プラズマ化学気相成長(PECVD)法、蒸着法またはスパッタリング法等が採用され得る。例えば、PECVD法が採用される場合には、成膜装置において、SiH4ガスとNH3ガスとの混合ガスが、N2ガスで希釈され、チャンバー内におけるグロー放電分解によってプラズマ化されて、第2主面1b上に窒化シリコン(SiN)が堆積される。これにより、SiNを含む反射防止膜2が形成される。なお、SiNの堆積時におけるチャンバー内の温度は、例えば、500℃程度であればよい。図31には、反射防止膜2が配された半導体基板1の第2主面1bの外観が示されている。なお、図31では、第2主面1bのうちの第2電極5が形成される被形成領域の外縁が破線で示されている。
ステップS7では、半導体基板1の第2主面1b上に反射防止膜2(図30参照)が形成される工程(AR成膜工程)が実施される。反射防止膜2の形成方法としては、例えば、プラズマ化学気相成長(PECVD)法、蒸着法またはスパッタリング法等が採用され得る。例えば、PECVD法が採用される場合には、成膜装置において、SiH4ガスとNH3ガスとの混合ガスが、N2ガスで希釈され、チャンバー内におけるグロー放電分解によってプラズマ化されて、第2主面1b上に窒化シリコン(SiN)が堆積される。これにより、SiNを含む反射防止膜2が形成される。なお、SiNの堆積時におけるチャンバー内の温度は、例えば、500℃程度であればよい。図31には、反射防止膜2が配された半導体基板1の第2主面1bの外観が示されている。なお、図31では、第2主面1bのうちの第2電極5が形成される被形成領域の外縁が破線で示されている。
<(1−8−8)第3形成工程>
ステップS8では、第1電極4、第2電極5および第4濃度領域1Hpが形成される工程(第3形成工程)が実施される。
ステップS8では、第1電極4、第2電極5および第4濃度領域1Hpが形成される工程(第3形成工程)が実施される。
まず、第1電極4の形成方法について説明する。第1電極4の集電電極4aは、例えば、Al粉末と有機ビヒクルとを含有するAlペーストが用いられて形成される。ここでは、半導体基板1の第1主面1aのうちの出力取出電極4bが形成される部分の一部を除く略全面に、Alペーストが塗布される。ここで、Alペーストが塗布される方法としては、例えば、スクリーン印刷法等が採用される。なお、半導体基板1の第1主面1a上にAlペーストが塗布された後に、予め設定された温度で、Alペーストにおける溶剤の成分を蒸散させる乾燥工程が行われてもよい。これにより、この乾燥工程の後の各工程において、Alペーストが、塗布されるべき部分以外の各部に付着し難い。このため、この乾燥工程の後の各工程における作業性が高まり得る。
第1電極4の出力取出電極4bは、例えば、Ag粉末等を主に含む金属粉末と有機ビヒクルとガラスフリットとを含有するAgペーストが用いられて形成される。ここでは、例えば、半導体基板1の第1主面1a上に上記Alペーストが塗布された後に、半導体基板1の第1主面1a上にAgペーストが予め決められた形状を有するように塗布される。このとき、Agペーストは、集電電極4aを形成するためのAlペーストの一部と接する位置に塗布される。これにより、出力取出電極4bが、集電電極4aの一部と重なるように形成される。ここで、Agペーストが塗布される方法としては、例えばスクリーン印刷法等が採用される。なお、半導体基板1の第1主面1a上にAgペーストが塗布された後に、予め設定された温度で、Agペーストにおける溶剤の成分を蒸散させる乾燥工程が行われてもよい。
そして、AlペーストおよびAgペーストが塗布された半導体基板1に対し、焼成炉内において、数十秒以上で且つ数十分以内程度の時間、600℃以上で且つ850℃以下の最高温度に保持される熱処理が施される。これにより、AlペーストおよびAgペーストが焼成されることで、第1電極4が形成される。また、このとき、AlペーストのAlが半導体基板1内に拡散する。これにより、半導体基板1の第1主面1a側の表層部に第4濃度領域1Hpが形成される。
次に、第2電極5の形成方法について説明する。第2電極5は、例えば、主としてAg等を含む金属粉末、有機ビヒクルおよびガラスフリットを含有するAgペーストが用いられて形成される。具体的には、Agペーストが、半導体基板1の反射防止膜2上に塗布される。このとき、Agペーストが塗布される領域の調整時に、2箇所以上のアライメント基準部1mが基準として使用される。例えば、Agペーストの塗布装置に半導体基板1が載置された状態で、撮像装置によって第2主面1bが撮影される。その際に得られる第2主面1bが捉えられた画像が対象とされた画像処理において、例えば、2値化処理が行われ、2箇所のアライメント基準部1mの位置が検出される。そして、検出された2箇所のアライメント基準部1mの位置に応じて、第2主面1bのうちのAgペーストが塗布される領域が調整される。
その後、第2主面1b上に塗布されたAgペーストが焼成されることで、第2濃度領域1Hn上に第2電極5が形成される。ここで、焼成における最高温度は、例えば、600℃以上で且つ800℃以下であればよい。また、焼成が行われる時間は、例えば、数十秒以上で且つ数十分以内程度の時間であればよい。Agペーストが塗布される方法としては、例えば、スクリーン印刷法等が採用されればよい。このAgペーストの塗布が行われた後、所定の温度でAgペーストが乾燥されることで、このAgペースト中の溶剤が蒸散されてもよい。なお、第2電極5には、第1線状部5aおよび第2線状部5bが含まれるが、スクリーン印刷法が採用されることで、第1線状部5aおよび第2線状部5bは、1つの工程で同時期に形成され得る。
なお、ここでは、印刷および焼成が用いられた第1電極4および第2電極5の形成方法を挙げて説明したが、第1電極4および第2電極5は、例えば、蒸着法、スパッタリング法およびメッキ法等といった、その他の形成方法によって形成されてもよい。この場合は、第4濃度領域1Hpは、例えば、第1電極4および第2電極5の形成前に、半導体基板1の第1主面1a側の表層部に対するB、GaまたはAl等の拡散による導入によって形成されればよい。
<(1−9)一実施形態のまとめ>
以上のように、本実施形態に係る太陽電池素子10では、例えば、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnにおける一部位のドーパント濃度の値から第1濃度領域1Lnにおけるこの一部位に近接した部位のドーパント濃度の値を引いたドーパント濃度差が、極小値を示す極小部位と極大値を示す極大部位とが交互に繰り返し存在している。そして、第2濃度領域1Hnの延在方向において、隣り合う極小部位の一端部同士の極小部位間隔IN1が異なっている部分が存在している。このため、第2濃度領域1Hnに近接した近接領域1NAにおけるドーパント濃度に応じて、極小部位間隔IN1を適宜異ならせることで、第2濃度領域1Hnにおける第2導電型のドーパント濃度が適切に調整され得る。また、別の観点から言えば、例えば、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnと、第1濃度領域1Lnのうちのこの第2濃度領域1Hnに近接する近接領域1NAとの間に係るドーパント濃度差が、繰り返して増減している。ここで、ドーパント濃度差が、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第1値域とこの第1値域よりも高い第2値域との間で増減する。そして、第2濃度領域1Hnの延在方向において、この近接領域1NAにおけるドーパント濃度の低下に応じて、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が相対的に高い第2値域に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第1濃度領域1Lnのうちの第2導電型のドーパント濃度が相対的に低い部分を下地として形成された第2濃度領域1Hnにおける第2導電型のドーパント濃度が適切に増加され得る。その結果、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。したがって、半導体基板1のうちの第2電極5との境界部分の改善によって太陽電池素子10の変換効率が向上し得る。
以上のように、本実施形態に係る太陽電池素子10では、例えば、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnにおける一部位のドーパント濃度の値から第1濃度領域1Lnにおけるこの一部位に近接した部位のドーパント濃度の値を引いたドーパント濃度差が、極小値を示す極小部位と極大値を示す極大部位とが交互に繰り返し存在している。そして、第2濃度領域1Hnの延在方向において、隣り合う極小部位の一端部同士の極小部位間隔IN1が異なっている部分が存在している。このため、第2濃度領域1Hnに近接した近接領域1NAにおけるドーパント濃度に応じて、極小部位間隔IN1を適宜異ならせることで、第2濃度領域1Hnにおける第2導電型のドーパント濃度が適切に調整され得る。また、別の観点から言えば、例えば、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnと、第1濃度領域1Lnのうちのこの第2濃度領域1Hnに近接する近接領域1NAとの間に係るドーパント濃度差が、繰り返して増減している。ここで、ドーパント濃度差が、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第1値域とこの第1値域よりも高い第2値域との間で増減する。そして、第2濃度領域1Hnの延在方向において、この近接領域1NAにおけるドーパント濃度の低下に応じて、単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が相対的に高い第2値域に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第1濃度領域1Lnのうちの第2導電型のドーパント濃度が相対的に低い部分を下地として形成された第2濃度領域1Hnにおける第2導電型のドーパント濃度が適切に増加され得る。その結果、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。したがって、半導体基板1のうちの第2電極5との境界部分の改善によって太陽電池素子10の変換効率が向上し得る。
また、本実施形態に係る太陽電池素子10では、例えば、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnにおける一部位のシート抵抗ρsの値を、第1濃度領域1Lnにおけるこの一部位に近接した部位のシート抵抗ρsの値から引いたドーパント濃度差が、極小値を示す極小部位と極大値を示す極大部位とが交互に繰り返し存在している。そして、第2濃度領域1Hnの延在方向において、隣り合う極小部位の一端部同士の極小部位間隔IN2が異なっている部分が存在している。このため、第2濃度領域1Hnに近接した近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsに応じて、極小部位間隔IN2を適宜異ならせることで、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsが適切に調整され得る。また、別の観点から言えば、例えば、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnと、第1濃度領域1Lnのうちのこの第2濃度領域1Hnに近接する近接領域1NAとの間に係るシート抵抗差が、繰り返して増減している。ここで、シート抵抗差が、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第1値域とこの第1値域よりも高い第2値域との間で増減する。そして、第2濃度領域1Hnの延在方向において、この近接領域1NAにおけるシート抵抗ρsの増大に応じて、単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が相対的に高い第2値域に含まれている区間が占める占有率が増大している。これにより、第1濃度領域1Lnのうちのシート抵抗ρsが相対的に高い部分を下地として形成された第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsが適切に低減され得る。その結果、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。したがって、半導体基板1のうちの第2電極5との境界部分の改善によって太陽電池素子10の変換効率が向上し得る。
また、本実施形態に係る太陽電池素子10の製造方法では、元素供給源GL1が第1濃度領域1Ln上に配されている状態で、周期的なタイミングでレーザー光が元素供給源GL1上に照射される。これにより、元素供給源GL1から半導体基板1の第2主面1b側の表層部に、第2導電型のドーパントとなる元素が拡散されることで、第2濃度領域1Hnが形成される。このとき、元素供給源GL1上においてレーザー光が照射される照射対象領域の位置が一方向に移動する移動速度が変化される。これにより、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るドーパント濃度差が、極小値を示す極小部位と極大値を示す極大部位とが交互に繰り返し存在し、隣り合う極小部位の一端部同士の極小部位間隔IN1が異なるように調整され得る。また、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るシート抵抗差が、極小値を示す極小部位と極大値を示す極大部位とが交互に繰り返し存在し、隣り合う極小部位の一端部同士の極小部位間隔IN2が異なるように調整され得る。また、延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るドーパント濃度差が第1値域と第2値域との間で増減させられ、且つ単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が相対的に大きな第2値域に含まれている区間が占める占有率が調整され得る。また、延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るシート抵抗差が第1値域と第2値域との間で増減させられ、且つ単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が相対的に大きな第2値域に含まれている区間が占める占有率が調整され得る。このため、第1濃度領域1Lnのうちのシート抵抗ρsが相対的に高い部分を下地として形成された第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsが適切に低減され得る。その結果、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。また、第2濃度領域1Hnの厚さが増大するため、pn接合部に存在する欠陥の量が低減され得る。その結果、半導体基板1におけるキャリアの再結合が生じ難く、フィルファクター(FF)および変換効率が上昇し得る。したがって、半導体基板1のうちの第2電極5との境界部分の改善によって太陽電池素子10の変換効率が向上し得る。
<(1−10)一実施形態に係る具体例>
ここで、上記一実施形態に係る具体例について説明する。
ここで、上記一実施形態に係る具体例について説明する。
<(1−10−1)第1濃度領域の形成>
まず、RIEによって一主面の全面にわたって凹凸部が形成された、一辺が156mmの矩形状の盤面を有するp型の多結晶シリコン基板が半導体基板1として準備された。この半導体基板1の表面がHFによって洗浄された後、この半導体基板1が加熱炉20内に配置された。そして、ガス拡散法によってn型のドーパントとなるPが半導体基板1の一主面側の表層部に拡散されることで、n型の第1濃度領域1Lnが形成された。
まず、RIEによって一主面の全面にわたって凹凸部が形成された、一辺が156mmの矩形状の盤面を有するp型の多結晶シリコン基板が半導体基板1として準備された。この半導体基板1の表面がHFによって洗浄された後、この半導体基板1が加熱炉20内に配置された。そして、ガス拡散法によってn型のドーパントとなるPが半導体基板1の一主面側の表層部に拡散されることで、n型の第1濃度領域1Lnが形成された。
ここでは、半導体基板1が配置された石英製のカセットが石英管20T内に取り付けられて、この石英管20Tの蓋が閉められた。そして、半導体基板1が、50℃/分の昇温速度で昇温され、850℃で10分間保持された後、850℃で30分間保持されつつ、O2ガスおよびN2ガスがキャリアガスとされて、POCl3ガスが1000sccmの流量で石英管20T内に導入された。このとき、半導体基板1の表面上に元素供給源GL1としてのPSG層が形成されつつ、Pが拡散によって半導体基板1の表層部に導入された。次に、石英管20T内へのガスの供給が停止され、半導体基板1が850℃に30分間保持されることで、Pが拡散によってさらに半導体基板1の表層部に導入された。その後、半導体基板1が50℃/分の降温速度で室温まで冷却された。そして、石英管20T内からカセットが取り出され、さらにカセットから半導体基板1が取り出された。
<(1−10−2)第1濃度領域におけるシート抵抗ρs>
上記のようにして半導体基板1上に形成された第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが測定された。第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsは、室温が25.5℃で且つ相対湿度が60%RHである暗室内において、JISH 0602−1995に準拠した4探針法によって測定された。
上記のようにして半導体基板1上に形成された第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが測定された。第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsは、室温が25.5℃で且つ相対湿度が60%RHである暗室内において、JISH 0602−1995に準拠した4探針法によって測定された。
ここでは、加熱炉20から半導体基板1が取り出された後に、例えば、この半導体基板1が暗室内に20分間放置されることで、半導体基板1の温度が室温と同程度とされた。そして、半導体基板1が測定器に配置され、接地によって半導体基板1の表面から静電気が除去された。ここで、表面の材質がタングステン・カーバイドであり且つ先端の径が100μmである探針が用いられ、探針間の距離が1mmに設定されるとともに、探針が1Nの加重で半導体基板1に押しつけられた。探針間に印加される電流は、1mAに設定され、測定値は、電流の印加の開始から1秒間経過した後に読み取られた。このとき、25.5℃で得られた値が、室温が25℃である条件下における値に補正されて、シート抵抗ρsの測定値として採用された。また、第1濃度領域1Lnの深さtが2μmであるものとして、測定器によって検出された電圧Vが、上記式(1)および式(2)に代入されることで、シート抵抗ρsの測定値が算出された。そして、同一の測定位置における10回の測定値の平均が第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsとして算出された。
上記測定の結果、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsは、図9で示されるように、60Ω/□以上で且つ120Ω/□以下であった。具体的には、第1濃度領域1Lnの形成時に、半導体基板1のうちのPOCl3ガスが供給される側の一端部1Epの近傍において、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが高くなる傾向が見られた。第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsが高くなる現象は、半導体基板1の一端部1Epからの距離が約6mm以内である領域において確認された。ここでは、半導体基板1の一端部1Epの近傍において、第1濃度領域1LnおよびPSG層の厚さ、ならびに第1濃度領域1Lnにおけるn型のドーパントの濃度が低下しているものと推察された。
<(1−10−3)第2濃度領域の形成>
次に、レーザー光がPSG層上に照射されることで第2濃度領域1Hnが形成された。第2濃度領域1Hnのうちの第2線状領域1Hnbの形成時には、レーザーについては、出力が約20Wとされ、出力のパルス幅が約100nsとされ、発振周波数が約20kHzとされた。レーザー光については、光束の断面形状が略矩形状とされ且つ強度分布がトップハット型とされた。レーザー光に係る照射対象領域のサイズについては、第2線状領域1Hnbの線幅方向としてのX方向の幅が約260μmとされ、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのY方向の長さが約200μmとされた。
次に、レーザー光がPSG層上に照射されることで第2濃度領域1Hnが形成された。第2濃度領域1Hnのうちの第2線状領域1Hnbの形成時には、レーザーについては、出力が約20Wとされ、出力のパルス幅が約100nsとされ、発振周波数が約20kHzとされた。レーザー光については、光束の断面形状が略矩形状とされ且つ強度分布がトップハット型とされた。レーザー光に係る照射対象領域のサイズについては、第2線状領域1Hnbの線幅方向としてのX方向の幅が約260μmとされ、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのY方向の長さが約200μmとされた。
1本の第2線状領域1Hnbの形成時におけるレーザー光のスキャンでは、レーザー光のスキャン方向は、半導体基板1のうちの加熱炉20においてガス供給路20Cs側に配されていた一端部1Ep側から中央部1Cpを経て反対側の他端部に向かう方向とされた。一方向におけるレーザー光の照射は、半導体基板1の一端部1Epから約1.5mmの位置(スキャン開始位置)で開始され、半導体基板1の他端部から約1.5mmの位置(スキャン終了位置)で終了された。レーザー光のスキャン速度は、レーザー光の照射の開始時には約2000mm/sに設定され、約1000000mm/s2の加速度で終速度としての約5000mm/sまで上昇された後、終速度に維持された。これにより、レーザー光の照射の開始時には、レーザー光に係る照射対象領域同士が、約97μmの重なりを生じ、スキャン速度が終速度まで到達した時点で、レーザー光の照射対象領域間に約50μmの間隙が生じた。なお、スキャン開始位置からスキャン速度が終速度まで到達した位置(終速度到達位置)までの距離は、約4.5mmであった。つまり、半導体基板1の一端部1Epから終速度到達位置までの距離は、約6mmであった。このようなレーザー光のスキャンによって、第2線状領域1Hnbにおける高濃度領域1Hrの粗密が実現された。そして、同様なレーザー光の照射が繰り返し行われることで、多数の第2線状領域1Hnbが形成された。このようなレーザー光の照射条件は、制御装置PC1におけるプログラムPG1によって実現された。
その後、第1線状領域1Hnaが、一定のスキャン速度でレーザー光が照射されることで形成された。これにより、第2半導体領域1nが形成された。すなわち、本実施形態の具体例に係る第2半導体領域1nが形成された。なお、このとき、半導体基板1の第2主面1bのうちの第2濃度領域1Hnが形成されていない領域に対して、元素供給源GL1上からのレーザー光の照射によって局所的に熱が付与されることで、相互に離隔した2箇所のアライメント基準部1mが形成された。ここでは、第2濃度領域1Hnの形成時におけるレーザーの1回の点灯によって発せられるレーザー光と略同一のレーザー光が、同一箇所に約0.05秒間で10000回照射されることで、アライメント基準部1mが形成された。
これに対して、レーザー光の照射対象領域同士が重なりも間隙も生じないようにして、図12で示されるような第2線状領域1HnbAが形成されることで、参考例に係る第2半導体領域1nが作製された。このとき、レーザー光の一方向におけるスキャン速度が、レーザー光の照射の開始時から終了時まで約4000mm/sの一定に設定された。
<(1−10−4)第2線状領域におけるシート抵抗ρsの測定結果>
ここで、上記のようにして形成された本実施形態の具体例および参考例に係る第2線状領域1Hnb,1HnbAにおけるシート抵抗ρsがそれぞれ測定された。第2線状領域1Hnb、1HnbAにおけるシート抵抗ρsは、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsと同様にして、室温が25.5℃で且つ相対湿度が60%RHである暗室内において、JISH 0602−1995に準拠した4探針法によって測定された。但し、探針の先端の径が10μmに、探針間の距離が0.1mmに、探針が半導体基板1に押しつけられる荷重が0.1Nに、探針間に印加される電流は0.1mAにそれぞれ変更された。
ここで、上記のようにして形成された本実施形態の具体例および参考例に係る第2線状領域1Hnb,1HnbAにおけるシート抵抗ρsがそれぞれ測定された。第2線状領域1Hnb、1HnbAにおけるシート抵抗ρsは、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsと同様にして、室温が25.5℃で且つ相対湿度が60%RHである暗室内において、JISH 0602−1995に準拠した4探針法によって測定された。但し、探針の先端の径が10μmに、探針間の距離が0.1mmに、探針が半導体基板1に押しつけられる荷重が0.1Nに、探針間に印加される電流は0.1mAにそれぞれ変更された。
上記測定の結果、図10の太い破線で示されるように、参考例に係る第2線状領域1HnbAのシート抵抗ρsは、半導体基板1の中央部1Cp側において30Ω/□であり、一端部1Ep側において80Ω/□であった。ここでは、第1濃度領域1Lnにおいてシート抵抗ρsが高い部分が存在していたにも拘わらず、第2線状領域1HnbAの形成時にレーザー光が均一に照射されたため、第2線状領域1HnbAにおけるシート抵抗ρsが十分に低減されなかったものと推察された。また、ここでは、半導体基板1の一端部1Ep側において、半導体基板1の一端部1Ep側に近づく程、第2線状領域1HnbAの厚さならびに第2線状領域1HnbAにおけるn型のドーパントの濃度が低下する傾向を示しているものと推察された。
これに対して、図10の太線で示されるように、本実施形態の具体例に係る第2線状領域1Hnbのシート抵抗ρsは、半導体基板1の中央部1Cp側において30Ω/□であり、一端部1Ep側において40Ω/□であった。すなわち、本実施形態の具体例に係る第2線状領域1Hnbについては、シート抵抗ρsの不均一性が改善されるとともに、シート抵抗ρsが適切に低減された。ここでは、第1濃度領域1Lnにおけるシート抵抗ρsの分布に応じて、第2線状領域1Hnbの形成時におけるレーザー光の照射対象領域の粗密が調整されたため、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsが均一かつ十分に低減されたものと推察された。また、ここでは、第2線状領域1Hnbにおけるn型のドーパントの濃度ならびに第2線状領域1Hnbの厚さについても略均一に十分増加されているものと推察された。
<(1−10−5)太陽電池素子の形成>
上述したように第2濃度領域1Hnが形成された後に、HFによる洗浄によって半導体基板1上からPSG層が除去された。その後、半導体基板1の第1主面1aの全面に対してフッ硝酸によるエッチングが施されることで、PN分離が行われた。
上述したように第2濃度領域1Hnが形成された後に、HFによる洗浄によって半導体基板1上からPSG層が除去された。その後、半導体基板1の第1主面1aの全面に対してフッ硝酸によるエッチングが施されることで、PN分離が行われた。
また、CVD法によって、反射防止膜2としてのSiNの膜が第2半導体領域1n上に形成された。さらに、第1電極4、第2電極5および第4濃度領域1Hpが形成されることで、太陽電池素子10が形成された。ここでは、第1主面1a上に、AlペーストおよびAgペーストがスクリーン印刷によって順次に塗布された後に焼成されることで、集電電極4aおよび出力取出電極4bを含む第1電極4が形成された。このとき、AlペーストのAlが第1半導体領域1pに拡散することで、半導体基板1の第1主面1a側の表層部に第4濃度領域1Hpが形成された。また、第2主面1b上に、Agペーストがスクリーン印刷によって塗布された後に焼成されることで、第2電極5が形成された。このとき、第2主面1b上に設けられた2箇所以上のアライメント基準部1mが基準とされて、第2電極5が形成される被形成領域が調整された。
これにより、本実施形態の具体例に係る太陽電池素子10が作製された。また、具体例に係る太陽電池素子10と同様に、第2線状領域1HnbAの形成後に、PSG層の除去、PN分離、ならびに反射防止膜2、第1電極4、第2電極5および第4濃度領域1Hpの形成が行われることで、参考例に係る太陽電池素子が作製された。
<(1−10−6)太陽電池素子の特性>
ここで、本実施形態の具体例に係る太陽電池素子10および参考例に係る太陽電池素子が対象とされて、変換効率およびフィルファクター(FF)が測定された。ここでは、具体例に係る太陽電池素子10および参考例に係る太陽電池素子の変換効率およびFFが、定常光ソーラシミュレーターが用いられて、各受光面に対する光の照射強度が100mW/cm2であり且つAM(エアマス)が1.5である条件下で測定された。
ここで、本実施形態の具体例に係る太陽電池素子10および参考例に係る太陽電池素子が対象とされて、変換効率およびフィルファクター(FF)が測定された。ここでは、具体例に係る太陽電池素子10および参考例に係る太陽電池素子の変換効率およびFFが、定常光ソーラシミュレーターが用いられて、各受光面に対する光の照射強度が100mW/cm2であり且つAM(エアマス)が1.5である条件下で測定された。
上記測定の結果、参考例に係る太陽電池素子については、変換効率が16.8%であり、FFが0.779であった。これに対して、本実施形態の具体例に係る太陽電池素子10については、変換効率が17.0%であり、FFが0.781であった。すなわち、参考例に係る太陽電池素子と比較して、本実施形態の具体例に係る太陽電池素子10の特性の方が良好であった。
以上の測定結果から、参考例に係る太陽電池素子では、半導体基板1の一端部1Epの近傍において第2線状領域1HnbAのシート抵抗ρsが高く、第2電極5と半導体基板1との間における接触抵抗が高くなり、FFおよび変換効率が低下したものと推察された。また、半導体基板1の一端部1Epの近傍では、第2線状領域1HnbAの厚さが薄く、半導体基板1の表面近傍に多く含まれる欠陥がpn接合部に多く存在することで、キャリアの再結合が生じ易く、その結果、FFおよび変換効率が低下したもの推察された。
一方、本実施形態の具体例に係る太陽電池素子10では、レーザー光の照射対象領域の粗密によって、半導体基板1の一端部1Epの近傍においても第2線状領域1Hnbのシート抵抗ρsが低減された。これにより、半導体基板1の一端部1Epの近傍においても第2電極5と半導体基板1との間における接触抵抗が低減され、FFおよび変換効率が上昇したものと推察された。また、半導体基板1の一端部1Epの近傍においても、第2線状領域1Hnbの厚さが十分に増加されることで、pn接合部に存在する欠陥が低減され、その結果、キャリアの再結合が生じ難く、FFおよび変換効率が上昇するもの推察された。
<(2)変形例>
なお、本発明は上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
なお、本発明は上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
例えば、上記一実施形態では、第2導電型としてのn型のドーパントとして、Pが採用されたが、これに限られない。例えば、第2導電型がn型であれば、第2導電型のドーパントとしてヒ素(As)等のV−B族元素(15族元素)が採用されてもよい。また、第1導電型がn型であり、第2導電型がp型である場合には、例えば、第1導電型のドーパントとして、PまたはAsが採用され、第2導電型のドーパントとして、BまたはAl等のIII−B族元素(13族元素)が採用されればよい。この場合、例えば、n型のシリコン基板に対して、ガス拡散法または塗布拡散法(液拡散法)によって第2導電型のドーパントとなる元素が半導体基板1の表層部に拡散によって導入される。例えば、三臭化ホウ素(BBr3)を含む原料ガスの雰囲気中で半導体基板1が加熱されて、半導体基板1へBが拡散して、半導体基板1の第2主面1b側の表層部にBを含む第1濃度領域1Lnが形成される。このとき、第2主面1b上に元素供給源GL1としてのボロンシリケートガラス(BSG)層が形成される。その後、BSG層上にレーザー光が照射されることで、拡散によって半導体基板1の第2主面1b側の表層部にBがさらに導入される。これにより、第2濃度領域1Hnが形成されることで、第2半導体領域1nが形成される。
また、上記一実施形態では、元素供給源GL1上におけるレーザー光の照射対象領域に粗密が設けられることで、第2線状領域1Hnbにおける複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が調整されたが、これに限られない。例えば、第1濃度領域1Lnのうちの第2線状領域1Hnbが形成される領域上に第2導電型のドーパントとなる元素を含む元素供給源が粗密を有するように配された状態で、半導体基板1が加熱されることで、第2線状領域1Hnbが形成されてもよい。このような態様であっても、図32で示されるように、第2線状領域1Hnbにおける複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が調整され得る。
次に、第2線状領域1Hnbの形成方法の具体例について説明する。例えば、RIEによって一主面の全面にわたって凹凸部が形成された、一辺が156mmの矩形状の盤面を有するp型の多結晶シリコン基板が半導体基板1として準備される。この半導体基板1の表面がHFによって洗浄された後に、POCl3ガスを原料ガスとするガス拡散法によって、半導体基板1の第2主面1b側の表層部にPが導入されることで、第1濃度領域1Lnが形成される。次に、第1濃度領域1Ln上に形成されているPSG層がHFによる洗浄によって除去される。その次に、半導体基板1の第2主面1bのうちの第2電極5が形成される領域上に、リン酸および/または酸化リンを含む溶液がインクジェット法によって印刷されることで、元素供給源が形成される。そして、半導体基板1に対して700℃以上で且つ950℃以下の温度域で熱処理が施されることで、元素供給源から半導体基板1の第2主面1b側の表層部にPが拡散によって導入される。これにより、第2濃度領域1Hnが形成される。
インクジェット法による元素供給源の印刷においては、インクジェット法によって半導体基板1上において1つの液滴が形成する元素供給源の径は、例えば、100μm程度であればよい。この場合、例えば、第2線状領域1Hnbの線幅方向としてのY方向において、3つの液滴が均等に重畳されて、元素供給源のY方向における合計の幅が260μmとされる。このとき、第2線状領域1Hnbの線幅方向において液滴同士が重畳する長さは20μmとなる。そして、このような3つの液滴からなる一群の液滴が、第2線状領域1Hnbの第2延在方向としてのX方向において、粗密を有するように形成される。例えば、半導体基板1の一端部1Ep近傍では、一群の液滴同士がX方向において重畳する重畳長さLs1が大きく設定される。そして、X方向において、一端部1Ep付近から中央部1Cpに向けて、重畳長さLs1が減少された後に、一群の液滴同士が間隙を生じ、さらに一群の液滴同士がX方向に離隔している離隔距離Ds1が大きくなるように、元素供給源が形成される。具体的には、半導体基板1の一端部1Ep近傍における重畳長さLs1は、例えば、60μm程度に設定され、半導体基板1の中央部1Cp近傍における離隔距離Ds1は、例えば、30μm程度に設定されればよい。
このようにして、第1濃度領域1Ln上に配される元素供給源としての複数の液滴に粗密が設けられることで、第2線状領域1Hnbにおける複数の高濃度領域1Hrの粗密の程度が調整され得る。例えば、第1濃度領域1Lnのうちのシート抵抗ρsが相対的に高い領域上に、相対的に多くの液滴が付着されることで、第2線状領域1Hnbにおけるシート抵抗ρsが低減され得る。また、第1濃度領域1Lnのうちの第2導電型のドーパント濃度が相対的に低い領域上に、相対的に多くの液滴が付着されることで、第2線状領域1Hnbにおける第2導電型のドーパント濃度が増大し得る。その結果、上記一実施形態に係る太陽電池素子10と同様に、太陽電池素子10の形態において、キャリアの再結合が生じ難く、FFおよび変換効率が上昇し得る。
また、例えば、第1濃度領域1Ln上の全面にわたって高濃度領域1Hrが一旦形成された後に、高濃度領域1Hrの一部が残留するように高濃度領域1Hrの除去が行われることで、第2濃度領域1Hnにおける複数の高濃度領域1Hrの粗密が調整されてもよい。具体的には、例えば、原料ガスを用いたガス拡散法によって、半導体基板1が第1温度まで昇温されて、半導体基板1の第2主面1b側の表層部にPが導入されることで第1濃度領域1Lnが形成されるともに、第1濃度領域1Ln上にPSG層が形成される。その後、第1温度よりも高い第2温度に半導体基板1が保持されることで、半導体基板1の第2主面1b側の表層部にさらにPが導入されることで、高濃度領域1Hrが形成される。そして、高濃度領域1Hrのうちの残留させたい一部の領域をレジスト等のマスクで覆った状態で、HF等の薬液によるエッチングによって高濃度領域1Hrのうちの一部の領域以外の部分が除去される。これにより、複数の高濃度領域1Hrの粗密が調整された第2濃度領域1Hnが形成され得る。
また、上記一実施形態では、複数の高濃度領域1Hrにおける重畳長さLs1および離隔距離Ds1の双方が調整されることで、複数の高濃度領域1Hrの粗密が調整されたが、これに限られない。例えば、図33で示されるように、第2線状領域1Hnbにおいて非配設領域1Saが設けられず、複数の高濃度領域1Hrにおける重畳長さLs1が調整されることで、複数の高濃度領域1Hrの粗密が調整されてもよい。この場合、複数の高濃度領域1Hrによって一体の高濃度領域1Hrが形成されるため、第2濃度領域1Hnの延在方向に高濃度領域1Hrが1つのみ存在している。また、例えば、図34で示されるように、第2線状領域1Hnbにおいて重畳領域1Scが設けられず、複数の高濃度領域1Hrにおける離隔距離Ds1が調整されることで、複数の高濃度領域1Hrの粗密が調整されてもよい。
上記何れの態様でも、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るドーパント濃度差が、極小値を示す極小部位と極大値を示す極大部位とが交互に繰り返し存在し、隣り合う極小部位の一端部同士の極小部位間隔IN1が異なるように調整され得る。また、第2濃度領域1Hnの延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るシート抵抗差が、極小値を示す極小部位と極大値を示す極大部位とが交互に繰り返し存在し、隣り合う極小部位の一端部同士の極小部位間隔IN2が異なるように調整され得る。また、延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るドーパント濃度差が第1値域と第2値域との間で増減させられ、且つ単位長さL0の区間のうちでドーパント濃度差が相対的に大きな第2値域に含まれている区間が占める占有率が調整され得る。また、延在方向において、第2濃度領域1Hnに係るシート抵抗差が第1値域と第2値域との間で増減させられ、且つ単位長さL0の区間のうちでシート抵抗差が相対的に大きな第2値域に含まれている区間が占める占有率が調整され得る。そして、第1濃度領域1Lnのうちのシート抵抗ρsが相対的に高い部分を下地として形成された第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsが適切に低減され得る。その結果、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
また、上記一実施形態では、第2線状領域1Hnbに含まれる複数の高濃度領域1Hrの粗密が調整されたが、これに限られない。例えば、第1濃度領域1Lnにおける第2導電型のドーパント濃度およびシート抵抗が、第1延在方向であるY方向において変化している場合には、これらの変化に応じて、第1線状領域1Hnaに含まれる複数の高濃度領域1Hrの粗密が調整されてもよい。これにより、第2濃度領域1Hnにおけるシート抵抗ρsの分布が狭く適切な値域に収まり得る。
また、上記一実施形態では、レーザー照射装置30において、回転搬送部350によって半導体基板1が搬送され、ガルバノスキャナー等を含む2軸偏向器Lr14によってレーザー光が偏向されたが、これに限られない。例えば、レーザー光が偏向されることなく、半導体基板1が載置されたテーブルがこの半導体基板1ごとX方向およびY方向に移動することで、半導体基板1の第2主面1b上にレーザー光が照射される照射対象位置が移動されてもよい。但し、この場合、テーブルをX方向およびY方向に移動させる際に、テーブルの重量によって大きな慣性力が生じる。このため、ガルバノスキャナー等を含む2軸偏向器Lr14によってレーザー光の照射対象位置が移動されれば、レーザー光の照射対象位置の移動における急激な加速および減速が容易に実現され得る。
また、上記一実施形態では、第2形成工程において、元素供給源上においてレーザー光が照射される照射対象領域の位置を一方向に移動させながら、レーザー光の移動速度を変化させて、前述したスポットと呼ばれる微小な照射領域の間隔を変化させた例について説明したが、これに限られない。レーザー光の移動速度を変化以外に、例えばレーザーの発振周波数を変化させて各スポットの間隔を変化させることも可能である。また、スポット間隔に限らず、スポットの幅、長さ、径を変更するなどしてスポットの面積を変化させることが可能である。また、レーザの出力を変化させる、レーザのパルス幅を変化させるなどによって、スポットあたりのレーザー照射エネルギーを変化させることでも、第1濃度領域のドーパント濃度(シート抵抗)が異なる部分を下地として形成された第2濃度領域のドーパント濃度(シート抵抗)を適切に調整することができる。
特にレーザー光の移動速度を変化させて第2濃度領域のドーパント濃度(シート抵抗)を調整する方法によれば、他の手法と比べ、レンズ等の光学系を取替える必要がなく、一定時間レーザ出力を止めることによる処理時間のロスがない点で好適である。
なお、太陽電池素子10における高濃度領域1Hrの粗密の程度は、例えば、第2電極5および反射防止膜2が塩酸(HCl)およびHFによって剥離された後に、半導体基板1の第2主面1bが対象とされたTOF−SIMSによる分析によって確認され得る。また、例えば、第2電極5および反射防止膜2がHClおよびHFによって剥離された後に、半導体基板1の第2主面1bが対象とされた光学顕微鏡による観察によって高濃度領域1Hrの境界が視認され得る。このため、高濃度領域1Hrの粗密の程度が確認され得る。
また、上記一実施形態および各種変形例をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせることが可能である。
1 半導体基板
1Cp 中央部
1Ep 一端部
1Hn 第2濃度領域
1Hna 第1線状領域
1Hnb,1HnbA 第2線状領域
1Hr 高濃度領域
1Ln 第1濃度領域
1NA 近接領域
1Sa 非配設領域
1Sb 単配設領域
1Sc 重畳領域
1a,10a 第1主面
1b,10b 第2主面
1n 第2半導体領域
1p 第1半導体領域
4 第1電極
5 第2電極
5a 第1線状部
5b 第2線状部
10 太陽電池素子
20 加熱炉
30 レーザー照射装置
100 太陽電池モジュール
Dd1,Dd2,Dr1,Dr2,Rr1,Rr2,Rr2A 値域
Ds1 離隔距離
GL1 元素供給源
Ga1 原料ガス
IN1,IN2 極小部位間隔
Lr1 レーザー照射機構
Ls1 重畳長さ
PC1 制御装置
1Cp 中央部
1Ep 一端部
1Hn 第2濃度領域
1Hna 第1線状領域
1Hnb,1HnbA 第2線状領域
1Hr 高濃度領域
1Ln 第1濃度領域
1NA 近接領域
1Sa 非配設領域
1Sb 単配設領域
1Sc 重畳領域
1a,10a 第1主面
1b,10b 第2主面
1n 第2半導体領域
1p 第1半導体領域
4 第1電極
5 第2電極
5a 第1線状部
5b 第2線状部
10 太陽電池素子
20 加熱炉
30 レーザー照射装置
100 太陽電池モジュール
Dd1,Dd2,Dr1,Dr2,Rr1,Rr2,Rr2A 値域
Ds1 離隔距離
GL1 元素供給源
Ga1 原料ガス
IN1,IN2 極小部位間隔
Lr1 レーザー照射機構
Ls1 重畳長さ
PC1 制御装置
Claims (13)
- 第1主面に位置する第1導電型の第1半導体領域、および前記第1主面とは反対側に位置する第2主面の表層部に前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域を有する半導体基板と、
該半導体基板の前記第2主面上に配置された線状の電極とを備え、
前記第2半導体領域が、平面視して前記電極から所定距離を隔てた位置に存在している第1濃度領域と、該第1濃度領域よりもドーパント濃度が高い高濃度領域を含み且つ前記電極の長手方向に沿って存在する第2濃度領域とを有するとともに、
一部位の前記第2濃度領域のドーパント濃度の値から該一部位に近接した部位の前記第1濃度領域のドーパント濃度の値を引いたドーパント濃度差が、前記電極の長手方向に沿って、極小値になっている極小部位と極大値になっている極大部位とが交互に繰り返し存在しており、前記電極の長手方向において隣り合う前記極小部位の一端部同士の極小部位間隔が異なっている部分を有している太陽電池素子。 - 前記電極の長手方向に沿って、前記ドーパント濃度差の前記極小部位間隔が次第に広くなっている請求項1に記載の太陽電池素子。
- 前記電極の長手方向に沿って、前記第2濃度領域の前記高濃度領域が複数配列されている請求項2に記載の太陽電池素子。
- 前記第2濃度領域の前記高濃度領域が1つのみ存在している請求項2に記載の太陽電池素子。
- 前記電極の長手方向の一端部における前記ドーパント濃度差の前記極小部位間隔が、前記電極の長手方向の中央部における前記極小部位間隔よりも狭くなっている請求項2乃至4のいずれかに記載の太陽電池素子。
- 第1導電型の半導体基板を準備する準備工程と、
前記半導体基板の一主面の表層部に、前記第1導電型とは異なる第2導電型のドーパントとなる元素を拡散させることによって、前記第2導電型のドーパント濃度が第1濃度範囲である前記第2導電型の第1濃度領域を形成する第1形成工程と、
前記第2導電型のドーパントとなる元素を含む元素供給源が前記第1濃度領域上に配されている状態で、周期的なタイミングでレーザー光が前記元素供給源上に照射されることによって、前記元素供給源から前記半導体基板の前記表層部に、前記第2導電型のドーパントとなる元素を拡散させて、前記第1濃度範囲よりも高い第2濃度範囲の前記第2導電型のドーパント濃度を有する高濃度領域を含む前記第2導電型の第2濃度領域を形成する第2形成工程と、
前記第2濃度領域上に電極を形成する第3形成工程とを有し、
前記第2形成工程において、前記元素供給源上において前記レーザー光が照射される照射対象領域の位置を一方向に移動させながら、前記照射対象領域の中心位置同士の間隔、前記照射対象領域の面積および前記照射対象領域の前記レーザー光の照射エネルギーの3条件のうち少なくとも1つ以上を変化させる太陽電池素子の製造方法。 - 前記第1形成工程において、加熱炉内で前記半導体基板を加熱しながら、前記第2導電型のドーパントとなる元素を含む原料ガスを前記半導体基板の温度よりも低温の状態で前記加熱炉内に供給することによって、前記第1濃度領域を形成する請求項6に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第1形成工程において、前記第1濃度領域上に前記元素供給源が形成される請求項6または7に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第2形成工程において、前記元素供給源上において前記レーザー光が照射される前記照射対象領域の位置を一方向に移動させながら、前記レーザー光の移動速度を変化させる請求項6乃至8に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第1形成工程と前記第2形成工程との間に、前記表層部におけるシート抵抗の分布を得る測定工程を有し、
前記第2形成工程において、前記測定工程で得られた前記表層部における前記シート抵抗の減少に応じて、前記移動速度を上昇させる請求項9に記載の太陽電池素子の製造方法。 - 前記第2形成工程において、前記半導体基板の前記一方向の中央部に前記レーザー光が照射される際における前記移動速度を、前記半導体基板の前記一方向の外周部側の部分に前記レーザー光が照射される際における前記移動速度よりも大きな速度に設定する請求項9または10のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第2形成工程において、光束の断面が矩形状である前記レーザー光を前記照射対象領域に照射することによって、前記第2濃度領域を形成する請求項6乃至11のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第2形成工程において、トップハット型の強度分布を有する前記レーザー光を前記照射対象領域に照射することによって、前記第2濃度領域を形成する請求項6乃至12のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
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