JP6031112B2 - 太陽電池における２次元ドーピングパターンの形成方法。 - Google Patents

Description

イオン注入は、基板中に導電性を変更する不純物を導入する標準技術である。所望の不純物材料がイオン源中でイオン化され、イオンは加速されて所定のエネルギーのイオンビームを形成し、イオンビームは基板の表面に向けられる。ビーム中のエネルギー性イオンは、バルク基板中に浸透し、基板材料中の結晶格子中に組み込まれて所望の導電性領域を形成する。

太陽電池は、自然資源を用いない無公害のイコールアクセスエネルギーを提供する。環境的な関心およびエネルギーコストの上昇により、シリコン基板で構成できる太陽電池は、世界的により重要になりつつある。高性能太陽電池の製造または作製コストの低減あるいは高性能太陽電池の効率改善は、太陽電池の実装に世界規模でよい影響を与えただろう。これは、このクリーンなエネルギー技術のより広い利用を可能にするだろう。

太陽電池は、効率を改善するためにドーピングを必要としうる。ドーパントは、例えば、ヒ素、リンまたはホウ素でありうる。図１は、交差指型背面接触（ＩＢＣ）太陽電池の断面図である。ＩＢＣ太陽電池においては、ｐ−ｎ接合は、太陽電池の裏面上にある。図２に示すように、幾つかの実施形態においては、ドーピングパターンは、ｐ型ドーパント領域２０３に亘って分散された複数のｎ型ドーパント領域２０４を有する。ｐ型ドーパント領域２０３およびｎ型ドーパント領域２０４は適切にドーピングされている。このドーピングは、ＩＢＣ太陽電池における接合が機能または増加された効率を有することを可能にしうる。

典型的には、図２に示されたドーパントパターンは、基板上に直接形成されたハードマスクを用いて作られる。例えば、マスク材料を基板全体に塗布することができる。次いで、ハードマスク材料はパターン化されて、ｎドープされるべき領域においてのみ除去される。続いて、露出された領域は、拡散法、イオン注入法または他の適切なドーピング法を用いてドープされうる。ドーピング処理が完了した後、ハードマスクは除去されうる。適切であれば、この処理は、追加のドープ領域パターンを形成するために繰り返すことができる。

ハードマスク技術は、（マスク材料の形成、マスク材料のパターン化、ドーピング処理後のマスクの除去を含む）多くの処理ステップを要することに注意されたい。従って、ハードマスク法は時間およびコストがかかる。

パターン化されたドープ領域の形成が、基板への材料の直接の塗布なしに行うことができれば有益であろう。

改善されたＩＢＣ太陽電池の埋め込み方法が開示される。第１のシャドーマスクを使用してｎ型ドーパントのパターン化された注入を行い、裏面領域を形成する。次いで、第２のマスクを用いてｐ型エミッタを同一表面上に形成する。第２のマスクは、ｎ型埋め込み領域に配置され、ｐ型エミッタを形成するように複数の向きで使用されうる。幾つかの実施形態において、ｐ型ブランケット注入も行われる。幾つかの実施形態において、ドーピング勾配が形成される。本開示のより深い理解のために、添付の図面を参照し、ここに参照として組み込む。

交差指型背面接触太陽電池の断面図である。 交差指型背面接触太陽電池の下面図である。 マスクを介した注入の断面図である。 図２のｎ型裏面領域を形成するために使用される代表的なマスクである。 図２のｐ型エミッタの部分を形成するために使用される代表的なマスクである。 図５Ａのマスクを用いた注入後の基板の注入領域を示している。 図５Ａのマスクを用いた２回の注入後の基板の注入領域を示している。 ｎ型およびｐ型領域を含む基板の注入領域を示している。 太陽電池の製造処理のフローチャートである。 ドーピング勾配を示している。

ここで、このシステムの実施形態について、太陽電池に関連して説明する。しかしながら、このシステムの実施形態は、例えば半導体ウェーハまたはフラットパネルとも使用できる。注入機は、例えばビームラインまたはプラズマドーピングイオン注入機でありうる。よって、本発明は、以下に説明する特定の実施形態に限定されない。

図３は、マスクを介した注入の断面図である。基板１００における特定のイオン注入パターンを所望の場合、マスク１０４を使用しうる。このマスク１０４は、シャドーマスクまたは近接マスクでありうる。マスク１０４は、イオンビーム１０１のパス中に基板１００の正面に離間されて配置される。基板１００は、基板１００を保持する静電または物理力を使用できるプラテン１０２上に載置されうる。マスク１０４は、基板１００内の所望の注入パターンに対応する開口１０５を有する。開口１０５は、縞状、ドット状または別の形状でありうる。イオンビーム１０１からのドーパント原子は、マスク１０４中の開口１０５を通過しうる。こうして、注入領域１０３のみが基板内に形成される。注入領域１０３は、例えば図２のＩＢＣ太陽電池内のｎ型裏面領域２０４に対応しうる。

図４は、図２のｎ型ドーパント領域２０４を形成するために使用できるマスク１０４を表している。マスク１０４の使用により、代わりのハードマスクベースの方法に比べて処理ステップを除去することができる。マスク材料の形成、マスク材料のパターン化、およびドーピング処理後のマスクの除去を含む処理ステップを除去できる。ここで実施形態に開示したように、太陽電池の別の領域を注入するために後の注入を用いることができる。

太陽電池に採用される特定のドーピングパターンに依存して、単一のシャドーマスクを用いて、図２に示したようなｐ型ドーパント領域２０３を形成することは困難または不可能である。従って、従来の製造処理においては、上述のように、ハードマスクのような別の技術が使用されてｐ型ドーパント領域２０３が形成される。これは、イオン注入法、拡散法、またはハードマスクまたは別のマスク技術を用いた別のドーピング法を使用できる。

ｐ型ドーパント領域２０３を、１以上のシャドーマスクの繰り返し使用により形成できれば有利である。図５Ａは、これらのエミッタ領域を形成するために使用しうるマスク３００を示しており、図５Ｂは、基板上に得られた注入領域を示している。マスク３００の１回の使用により、基板上に注入縞パターン３１０が形成される。この注入後に、マスク３００および基板は、互いに９０°相対的に回転される。これは、マスク３００を回転、基板を回転、またはこれらの回転の組み合わせにより行うことができる。幾つかの実施形態において、同一のマスク３００を両注入のために使用される。別の実施形態においては、マスク３００とは異なる第２のマスクが使用される。複数のマスクを介した注入は、基板周囲の真空を壊すことなく繋げる、または行うことができる。

図６は、回転されたマスクを用いて第２の注入が行われた後の基板上に得られた注入パターンを示している。得られたパターンは碁盤状パターンであり、４つの別タイプの領域３１１、３１２、３１３および３１４を規定している。領域３１１は、両注入の間マスク３００によって被覆され、ドープされなかった領域として規定される。領域３１２は、両注入の間イオンビームに晒された領域として規定される。領域３１３は、第１の注入の間のみに注入された領域として規定され、領域３１４は、第２の注入の間のみ注入された領域として規定される。

幾つかの実施形態において、イオン種、ドーズ量、ドーズエネルギーおよび注入時間は、第１および第２の注入に対して同一である。この実施形態において、領域３１３および３１４は、同一のドーズ量を受け、同じ様にドープされる。このシナリオでは、領域３１２は領域３１３および３１４の２倍のドーパント濃度を有している。マスク３００は第１および第２の注入の間、ｎ型裏面領域２０４が完全に領域３１１内にあるように配置され、その結果、図７に示された注入パターンとなる。

この注入パターンは、図２に示されたものに近づいて行くことに注意されたい。こうして、この注入パターンを形成するために、図８に示された１組のステップを使用できるが、別のステップ順序も可能である。

まず、ステップＳ４００において、１００μｍから１０００μｍの範囲の径を有する複数の円形の開口を有し、ｎ型ドーパント領域２０４に対応するマスクを、リンまたは別のＶ族元素または分子等のｎ型ドーパントの注入の間にシャドーマスクとして用いる。幾つかの実施形態において、この注入は、ドーパントの活性化後に１×１０^１９から５×１０^１９ｃｍ^−３の範囲のｎ型ドーパント濃度を与えるために、以下の動作パラメータ、すなわち１０ｋｅＶのイオンエネルギーを有するリンイオンの注入、２×１０^１５ｃｍ^−２のイオンドーズ量で行われる。

次に、ステップ４１０に示すように、縞状パターンを有する複数の開口を有する第２のマスクを使用して、ホウ素または別のIII族元素または分子等のｐ型ドーパントの第１の注入を行う。この第２のマスク中の各開口間の間隔は、ｎ型注入領域が第２のマスクの開口間に合うように、第１のマスクの開口の寸法よりも大きいことが好ましい。この間隔は、５００μｍから２０００μｍの範囲としうる。第２のマスクは、第２のマスクがｎ型注入領域を被覆するように基板に配置される。ステップ４２０に示されるように、第２のマスクが配置されると、ｐ型ドーパントの第１の注入が行われる。ｐ型ドーパントの第１の注入は、以下の条件、すなわち１０ｋＶのイオンエネルギーを有するホウ素イオン、イオン１×１０^１５ｃｍ^−２のドーズ量を用いることができ、ドーパントの活性化後に２×１０^１８ｃｍ^−３から１０×１０^１８ｃｍ^−３のドーパント濃度となる。

次に、ステップ４３０に示されるように、マスクおよび基板は、互いに９０°回転され、ｎ型注入領域がマスクにより依然として被覆されるように配置される。上述のように、このステップのために別のマスクも使用できる。ステップ４４０において、ｐ型ドーパントの第２の注入が行われ、動作パラメータおよび得られたドーズ量は、第１のｐ型イオン注入と同じとなりうる。

また、ｎ型注入（ステップ４００）は、ｐ型注入（ステップ４２０、４４０）の後または間に行うことができることに注意されたい。この一連の処理およびシャドーマスクの使用により、ＩＢＣ太陽電池を形成するのにコストおよび時間のかかる処理を避けることができる。これらのステップは、１または複数のイオン注入機を用いて行うことができる。１つのイオン注入機のみが使用される場合、太陽電池の周囲の真空を壊すことなく連続的に行うことができる。

図８に示された一連の処理は、領域３１１中に最小レベルのｐ型ドーパント領域を形成するために、ｐ型ドーパントのブランケット注入で補うことができる。このブランケット注入は、図８に示された一連の処理内の任意の時点で行われうる。ｐ型ドーパントのブランケット注入は、以下の条件、すなわち１０ｋＶのイオンエネルギーを有するホウ素イオン、２×１０^１４から１×１０^１５ｃｍ^−２の範囲のイオンドーズ量を使用して、ドーパント活性化後のドーパント濃度を１×１０^１８から５×１０^１８ｃｍ^−３にしうる。ｎ型ドーパント領域２０４におけるドーパント濃度がブランケットｐ型ドーパント濃度を超えるように、特定の条件が選択されなければならない。

この追加のブランケット注入は有益となりうる。例えば、このブランケット注入は、基板の全表面が（ｎ型またはｐ型に）ドープされるのを保証し、少数キャリアの再結合を低減する役割を果たす。これは、太陽電池の効率を改善する。

また、ここで説明した方法においては、均一なｐ型ドーパント領域はブランケット注入され、ｎ型ドーパント領域はカウンタードープされることが好ましい。規定上、この方法は、エミッタ中に空間変動ドーピングプロファイルを生成する。これは、幾つかの理由により有益である。まず、領域３１２において局所的に高ドーピング濃度を実現でき、エミッタへの低抵抗オーミック接合を可能にする。第２に、領域３１２および３１３において低ドーパント濃度が実現され、再結合を低減して太陽電池の効率を改善する。最後に、領域３１１においてより低いドーパント濃度が実現され、エミッタとＢＳＦとの間の短絡の可能性を有益に低減することができる。領域３１１における低ドーピング濃度は、ＢＳＦ領域２０４のカウンタードーピングの必要な注入ドーズ量の低減も可能にする。

以上の図は、基板の部分または領域が注入されると、その部分内の全ての位置は同一のドーズ量を受けることを示している。これは、イオンビームがコリメーション上の厳しい精度要件を有するようにするか、あるいはシャドーマスクを基板に接近させることによりなされうる。

しかしながら、別の実施形態においては、ｎ型ドーパント領域２０４、およびエミッタ領域３１１、３１２、３１３および３１４のためにドーパント勾配を有することが有利になりうる。全てのイオンビームは、空間電荷効果またはビームブローアップ等により固有の角度ばらつきを有している。この角度ばらつき、または非コリメーションは、注入または非注入領域との間の遷移が、図に示されたように急峻ではなくなることを意味している。

図９は、基板中のドーズ濃度と開口位置との関係のグラフを示している。グラフ上にイオンビームが通過する開口４０１を有するマスク４００がある。開口直下の領域４０２は、完全なドーズのイオンが注入されうる。しかし、開口４０１に隣接する領域４０３も、ある量のイオンに晒される。領域４０３の形状および寸法は、イオンビームのコリメーションに依存しうる。よって、マスク４００と基板との間の距離を変更すること、またはイオンビームのコリメーションを調整することにより、図７の全注入領域に対してドーピング勾配を形成することができる。さらに、基板に対するイオンビームの入社角度を変更することにより、開口の片側のみの上の隣接領域４０３の形状を変更することができる。この勾配は、さらにｐ−ｎ接合の急峻性を低減しうる。

本開示は、ｎ型領域は円形であるのに対して、ｐ型領域は碁盤状に形成されることを仮定しているが、本開示はこの実施形態に限定されない。例えば、円形注入領域はｐ型とし、碁盤状パターンはｎ型ドーパントとすることができる。

本開示は、ここで説明した特定の実施形態によって範囲が限定されない。実際、ここで説明した開示に加えて、本開示の別の様々な実施形態および本開示への変更は、上述の説明および添付の図面から当業者には明らかであろう。よって、このような別の実施形態および変更は、本開示の範囲内にあることを意図している。さらに、本開示は、特定目的のための特定環境における特定実装に関してここで説明したが、当業者は、その有用性はそれに限定されず、本開示は多くの目的のための多くの環境に有益に実装されうることを理解されよう。よって、以下に記載された特許請求の範囲は、ここで説明した本開示の広さおよび精神を考慮して解されるべきである。

Claims (19)

1. 交差指型背面接触太陽電池を形成するための基板の処理方法であって、
   複数の第１の開口を有する第１のマスクを介してｎ型ドーパントを注入し、対応する複数のｎ型ドープ領域を前記基板中に形成するステップと、
   第２のマスクを介してｐ型ドーパントの第１の注入を行い、複数の第１のｐ型ドープ縞状領域を前記基板中に形成するステップであって、前記第２のマスクは複数の縞状開口を有し、前記縞状開口対間の間隔は、前記第１の開口の寸法よりも大きく、前記第２のマスクは、前記ｎ型ドープ領域が前記ｐ型の第１の注入によって注入されないように配置される、ステップと、
   第３のマスクを介してｐ型ドーパントの第２の注入を行い、複数の第２のｐ型ドープ縞状領域を前記基板中に形成するステップであって、前記第３のマスクは、前記ｎ型ドープ領域が前記ｐ型の第２の注入によって注入されないように配置される、ステップと、
   を含み、
   前記第３のマスクおよび前記第２のマスクは単一のマスクを有し、前記ｐ型ドーパントの第２の注入は、前記第２のマスクおよび前記基板を互いに相対的に９０°回転させることにより行うことを特徴とする基板の処理方法。
2. 前記基板のｐ型ドーパントのブランケット注入を行うステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ｎ型注入は、前記ｐ型ドーパントの第１および第２の注入後に行う、請求項１に記載の方法。
4. 前記ｎ型ドープ領域はドーピング勾配を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ドーピング勾配は、前記第１のマスクと前記基板との距離を調節することにより形成する、請求項４に記載の方法。
6. 前記ｎ型ドーパントおよび前記ｐ型ドーパントはイオンビームを用いて注入され、前記ドーピング勾配は前記イオンビームのコリメーションを調節することにより形成される、請求項４に記載の方法。
7. 前記ｐ型ドープ領域はドーピング勾配を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記ドーピング勾配は前記第２のマスクと前記基板との距離を調節することにより形成される、請求項７に記載の方法。
9. 前記ｎ型ドーパントおよび前記ｐ型ドーパントはイオンビームを用いて注入され、前記ドーピング勾配は前記イオンビームのコリメーションを調整することにより形成される、請求項７に記載の方法。
10. 交差指型背面接触太陽電池を形成するための基板の処理方法であって、
    マスクを介してｐ型ドーパントを注入するステップと、
    前記ｐ型ドーパントを注入するステップの後に、前記基板に対して前記マスクを９０°回転させるステップと、
    碁盤状パターンであって、該碁盤状パターンの第１の部分は別の部分よりも少量ドープされる、碁盤状パターンを形成するために、前記マスクを９０°回転させるステップの後に、前記マスクを介してｐ型ドーパントの第２の注入を行うステップと、
    別のマスクを介してｎ型ドーパントを前記碁盤状パターンの前記第１の部分中に注入するステップと、
    を含むことを特徴とする基板の処理方法。
11. 前記基板のｐ型ドーパントのブランケット注入を行うステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ｎ型注入は前記ｐ型ドーパントの注入後に行う、請求項１０に記載の方法。
13. 前記ｎ型ドープ領域はドーピング勾配を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記ｐ型ドープ領域はドーピング勾配を含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記碁盤状パターンは複数の縞状開口を有するマスクを用いて形成される、請求項１０に記載の方法。
16. 前記ｎ型ドーパントは複数の円形開口を有するマスクを介して注入される、請求項１０に記載の方法。
17. 交差指型背面接触太陽電池であって、
    ｐ型ドープ碁盤状パターンであって、前記ｐ型ドープ碁盤状パターンの第１の部分は、別の部分よりも少量ドープされる、ｐ型ドープ碁盤状パターンと、
    前記碁盤状パターンの前記第１の部分に位置する円形のｎ型ドープ領域と、
    を備える、交差指型背面接触太陽電池。
18. 別の部分よりも多量にドープされた前記碁盤状パターンの第２の部分を更に備える、請求項１７に記載の交差指型背面接触太陽電池。
19. 前記第１の部分および前記第２の部分のそれぞれは１／４の前記碁盤状パターンを含む、請求項１８に記載の交差指型背面接触太陽電池。

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