JP6309445B2 - 半導体基板上に直線投影を形成する方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射回転面を有する曲面ミラーを含む半導体基板照射装置に関する。さらに、本発明は、選択的エミッタグリッドを製造するためのまたは走査動作で大面積半導体表面を照射するためのこのような装置の使用に関する。

再結晶を得るための非晶質シリコンの熱アニールとドープ材活性化などのアプリケーションの半導体材料表面のレーザ照射がよく知られている。この技術は、非常に速い熱処理と加熱領域の浅い深さを可能にすることにより、従来の加熱処理を上回る著しい利点を発揮する。

照射ビームスポットの形状および／または寸法は通常、照射対象領域の形状および／または寸法と合わないので、最先端技術は、特定の寸法と形状を有する半導体材料層の領域またはこのように分離された領域のパターンを照射できるようにレーザを整形する多くの手段を提供する。

多くの興味深いアプリケーションを有するこのような特定の形状は直線形状である。直線投影に整形された照射ビームは、明らかに、半導体表面の直線形状領域を照射するためだけでなく、直線形状と走査動作とを組み合わせることにより半導体基板の広い面積を照射するために利用することができる。広い面積照射のための直線形状と走査動作のこの組み合わせは、ステップバイステップで照射することと比較して照射速度が増加し製造コストが低下したので有利である。さらに、連続層を使用する際、重なり効果が低下し処理均一性が増加する。

照射源から直線投影を生成するための従来の光学系が知られているが、多くの欠点がある。例えば、円柱レンズを有する光学系は、多くのアプリケーションで使用される直線投影の狭い幅とレーザの発散とを仮定すると、半導体基板の極近傍にレンズを置くことを余儀なくされ、これにより半導体材料スパッターリングによりレンズを破損するという危険性を引き起こす欠点を有する。

直線投影を生成する別の従来の光学系では複数の回折素子が使用される。これらは、レーザ帯域が比較的広いと仮定すると、望ましい線幅を得るのは容易ではないという欠点を有する。加えて、高エネルギーレーザ照射下のこのような回折素子の寿命は減少され得る。

最先端技術装置の別の例は特開昭６１−４５０００号公報に記載されており、ここでは、照射対象の半導体層の横断方向と平行な直線投影を形成するとともに、同半導体層を再結晶化するためにその表面上を走査する線形照射源が曲面ミラーを介し半導体表面上で反射される。

しかしながら、上述のように、レーザ源はアニーリング、再結晶化、ドープ材活性化等に対し非常に効率的であるということが知られているが、この技術の明白な欠点は、照射源自体が線形であることと、したがってこのような系は例えばレーザ源などの点光源と相容れないということである。

別の欠点は、半導体基板上の多くの分離された平行線形状領域を照射するために、光学系はステップ動作をしなければならなく、その結果、生産非効率性と高い生産コストを生じることである。

上記欠点を考慮し、本発明の目的は、点光源により半導体基板の直線形状領域を照射するように適合化された装置を提供することである。

本発明の別の目的は、半導体材料スパッターリングにより光学素子を破損する危険性を最小化するとともに許容可能な寿命を有する光学系を備えた装置を提供することである。

本発明の別の目的は、複数の分離された平行直線投影を同時に生成する能力を有する装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、高い生産速度でかつ費用効率の高い方法で大面積半導体基板（例えば太陽電池における）を照射する能力を有する装置を提供することである。

さらに、別の目的として、本発明は、必要に応じて線長と線幅を調節する能力を有する装置を提供する。

本発明は、曲面ミラーと点光源とを含む装置であって、曲面ミラーと点光源は回転軸を有する系を形成し、点光源は前記回転軸上またはその近くに設けられ、前記回転軸は半導体基板上に生成される直線投影にほぼ一致する装置を提供することにより上記目的を満足する。

本発明は、
ａ）反射回転面を有する曲面ミラーと、
ｂ）入射方向に沿った曲面ミラー上に入射する照射ビームを生成する点光源とを含む半導体照射装置において、曲面ミラーと点光源は回転軸を有する系を形成し、点光源は前記回転軸上またはその近くに設けられ、前記回転軸は半導体基板上に生成される直線投影にほぼ一致することを特徴とする装置に向けられる。

加えて、本発明は、選択的エミッタグリッドを製造するためのまたは走査動作で大面積半導体表面を照射するためのこのような装置の使用に向けられる。

図１は、本発明による装置の実施形態を示す。 図２は、本発明による装置の実施形態を示す。 図３は、本発明による装置の実施形態を示す。 図４は、本発明による装置の実施形態を示す。 図５は、本発明による装置の実施形態を示す。

本発明による一実施形態ではおよび図１に示すように、
ａ）反射回転面を有する曲面ミラー（Ｍ）と、
ｂ）入射方向に沿った曲面ミラー上に入射する照射ビームを生成する点光源（Ｓ）とを含む半導体基板照射装置において、曲面ミラーと点光源は回転軸（Ｒ）を有する系を形成し、点光源は前記回転軸上またはその近くに設けられ、前記回転軸は半導体基板上に生成される直線投影（Ｌ）にほぼ一致することを特徴とする装置が提供される。

点光源と曲面ミラーが、回転軸を有する系を形成し、点光源が前記回転軸上またはその近くに設けられるようにこれらの点光源と曲面ミラーを位置決めすることにより、および系の回転軸が生成対象の直線投影とほぼ一致するように系を位置決めすることにより、半導体基板の直線形状領域は点光源により照射され得、その結果、効率が改善されたアニーリング工程、再結晶化工程、ドープ材活性化工程となる。

このような装置の別の利点は、曲面ミラーが半導体基板の極近傍に置かれないということにより、光学系は、半導体材料スパッターリングにより光学素子を破損する危険性が最少化され、寿命が改善され得る。

本発明の文脈では、点光源は半導体基板を照射するのに好適な任意の点光源、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、または固体レーザまたはエキシマレーザなどその波長、エネルギー、パルス持続時間がプロセスに適合化された任意のレーザであり得る。好適には、点光源はエキシマ層、そしてより好適には塩化キセノンエキシマレーザであり得る。

点光源の波長は、それらの波長における珪素の高エネルギー吸収により１９０ｎｍ〜６００ｎｍ、１９０ｎｍ〜５５０ｎｍ、１９０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲、そして好適には３０８ｎｍであり得る。

照射エネルギーは１ジュール〜２５ジュールの範囲にあり得る。これらのエネルギーを実現するために、レーザ放射体積は、通常１０ｃｍ（電極間間隔）×７〜１０ｃｍ（放射幅）×１００〜２００ｃｍ（放射長）に最適化される。

本発明の一実施形態では、照射源は、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ^２、好ましくは１〜１０Ｊ／ｃｍ^２、最も好ましくは１〜５ジュール／ｃｍ^２のエネルギー密度を有する照射ビームを生成するように適合化され得る。

照射ビームは連続的であり得る、または１００ｎｓ〜１０００ｎｓまたは１００ｎｓ〜３００ｎｓ、または好適には１００〜２００ナノ秒のパルス持続時間を有するパルスであると好適であり得る。

本発明の好ましい実施形態では、点光源は、３０８ｎｍの波長、パルス持続時間１００〜２００ナノ秒、１〜５Ｊ／ｃｍ^２の投射照射ビームエネルギー密度を有するエキシマレーザであり得る。

直線投影を生成するための適切な点光源を有しかつ走査動作により半導体基板を照射する手段を有する本発明による装置は、大面積半導体基板（例えば太陽電池における）を高い生産速度でかつ費用効率の高い方法で照射する能力を有し得る。

本発明による一実施形態では、生成対象の直線投影は特定長を有し得、反射回転面の中心点に対する法線は曲面ミラー上の照射ビームの入射方向と角度をなし得、角度は、特定長を有する直線投影を形成する照射ビームが半導体基板上に投影されるように選択され得る。

反射回転面の中心点に対する法線と曲面ミラー上の照射ビームの入射方向との角度を変化させることにより、直線投影の長さは必要に応じて調節され得る。

代案としてまたは角度を変化させることと組み合わせて、反射回転面の寸法もまた直線投影の長さに合わせることができる。

本発明によると、曲面ミラーは凸面であり得るが好適には凹面であり得る。凹面ミラーを使用すると点光源からの照射ビームは半導体基板上にほぼ完全に投影され、一方、好適な凸面ミラーを使用すると照射ビームの小部分だけが半導体基板上に投影され他の部分は周囲環境に散乱されることになるということを当業者は理解することになる。

凹面ミラーは例えば円筒状、円錐状、または球状であり得る。

円筒または円錐ミラーは１つの回転軸だけを有するので、点光源は、ミラーと共にその回転軸を等しく有する系を形成するようにその回転軸上に設けられなければならない。この回転軸は半導体基板上の所望の直線投影に一致しなければならない。

球面ミラーは架空の球の中心点と交差する無限数の回転軸を有するので、点光源はこれらの回転軸の１つの上に必然的に設けられる。その結果、点光源の場所が系の回転軸を定義する。この回転軸は半導体基板上の所望の直線投影に一致しなければならない。

本発明による別の実施形態ではおよび図２に示すように、装置は、回転軸上またはその近くに点光源を投射するための折り畳みミラー（Ｆ）を追加的に含み得る。このような折り畳みミラーは点光源（Ｓ’）を回転軸上またはその近くに設けることができるようにし、一方、点光源（Ｓ）自体は他のどこかに置かれ、これにより点光源が半導体基板と同じ面内に置かれなければならないことを回避する。

本発明による一実施形態では、装置は、それぞれが回転軸上またはその近くの平行直線に沿って設けられ、それぞれが半導体基板上に投影される照射ビームを生成し、それぞれの照射ビームが直線投影に寄与する複数の点光源を含み得る。回転軸上またはその近くの平行直線に沿って複数の光源を使用することにより、直線投影の均一性が強化され得る。さらに、直線投影の長さが増加され得る。加えて、半導体基板上の照射ビームの強度もまた増加され得る。

本発明により、かつ図３（断面図）と図４（上面図）に示す代替の実施態様では、装置は、それぞれが回転軸に交差する線に沿って設けられ、それぞれが半導体基板上に投影された照射ビームを生成し、それぞれの照射ビームが多くの平行線投影（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）に寄与する複数の点光源（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を含み得る。この場合、各点光源は、回転軸（Ｒ）上にまたはそれと平行に投影される照射ビームを生成する。回転軸に交差するこのような線は直線または曲線であり得る。

回転軸上またはその近くの平行直線に沿って設けられる複数の点光源と、回転軸に交差する直線または曲線に沿って設けられる複数の点光源との組み合わせもまた可能である。その場合、多くの平行直線が投影され、いくつかの点光源が各線に寄与することになる。

このような複数の点光源は、１つの点光源から複数の点光源を生成する手段により生成され得る。明らかに、１つの十分に強力な点光源により複数の直線形状領域を同時に照射することは、プロセス均一性、生産速度、製造コストに関する利点を発揮する。

本発明によるとそして図５に示すように、１つの点光源から複数の点光源を生成するこのような手段は、点光源（Ｓ）と曲面ミラー（Ｍ）との間に置かれたマイクロレンズ（ＭＬ１、ＭＬ２）の１つまたは複数のアレイを含み得る。マイクロレンズのアレイは、点光源をそれぞれが照射ビームを生成する複数の点光源（Ｓ’）に分割することになる。

代案としてまたはマイクロレンズのアレイと組み合わせて、１つの点光源から複数の点光源を生成するこのような手段は、それぞれが単一の照射ビームを受け、それぞれが回転軸上またはその近くに設けられる点光源を形成する複数の光ファイバ（Ｏ）を含み得る。複数の光ファイバがマイクロレンズのアレイと組み合わせて使用される場合、各ファイバは単一のマイクロレンズから単一の照射ビームを受ける。加えて、各ファイバまたは一群のファイバの出口では、曲面ミラー上に点光源（Ｓ’）のそれぞれを投射する結像系（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）が使用され得る。

複数の点光源を含む本発明による装置は、半導体基板上に最大２０、最大４０、最大６０、さらには最大７５の平行直線投影を同時に生成し得る。このような装置は、太陽電池の選択的エミッタグリッドを製造するのに極めて有用であり得る。

さらに、本発明による装置は、直線投影の幅を低減し必要に応じて直線投影幅を調節できるようにする手段を含み得る。

半導体基板は、例えば、これらに限定しないが、結晶シリコン、非ドープシリコンまたはドープシリコン、多結晶シリコン、注入シリコン、炭化ケイ素、非晶質シリコン、シリコンゲルマニウム、またはガリウム砒素、砒化ガリウムアルミニウム、窒化ガリウムなどのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体、テルル化カドミウム、二セレン化銅インジウム（ＣｕＩｎＳｅ２）、または二硫化銅インジウムガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２）などのようなＩＩ−ＶＩ化合物半導体、多接合半導体スタックなどの半導体または太陽電池アプリケーションに好適な任意の材料のものであり得る。

図５に示す例では：
− レーザビーム（通常、１０×６ｃｍ）は、ＭＬ２内の各マイクロレンズが図５に示すように光ファイバの入口面上にＭＬ１内の対応するマイクロレンズの画像を形成するような方法で配置された２つのマイクロレンズアレイＭＬ１、ＭＬ２によりｐ×ｑ（例えば、９×１３）個の副ビームに分割される。ＭＬ１の焦点に光ファイバの入口を置くことにより光ファイバ中に光を直接注入することに対するこのような像の形成の利点は、ピークエネルギー密度を最小限にし、したがって光ファイバの損傷の危険性を減らすことである
− 光ファイバの出力は上述の二次的光源を形成すように配置されることになる。形成される直線の数Ｎが９に等しく、光ファイバの数がｐ×ｑ＝９×１３＝１１７であれば、１１７のファイバ出力が９個の１３のグループに配置され、１３の各グループはサンプル面上に９つの直線のうちの１つを形成するように位置決めされる。
− 円筒ミラーは、９つの平行直線（それぞれは１３個のファイバ出力から形成される）を形成するために例えば１１７の光源の光出力を投影する。
− サンプル面上にファイバ出力を位置決めすることを避けるために、上に論述し図２に示したように平面ミラーが実用的な目的のために追加されることになる。
− ９つのグループ内のファイバの配置と正確な数は、９つのグループ間のエネルギーのバランスをとるために選択することができ、これにより等しいエネルギーの９つの直線を形成する。例えば、マイクロレンズアレイの入口におけるレーザビームが均質でなければ、ファイバはこのような非均質性を補償するように配置されることになる。
− 円筒ミラーは倍率＝１の光学系を形成する。これは、形成された線の幅が光ファイバのコア径と等しくなることを意味する。しかし、可用性のために、そしてファイバの数を最小限にするために、ファイバコア径は０．５〜１ｍｍに選択されるべきである。２００〜３００μｍの線幅が必要であるので、線の幅を例えば１ｍｍのファイバコア寸法から例えば２００μｍの所望の線幅に低減するためには１３個のファイバ出力のグループ毎に光学結像系が使用されなければならない。この光学系は単一レンズまたは好適には（レンズ上のエネルギー密度を低減するために）ｍ個の緊密にパッキングされたレンズ（例えば、緊密にパッキングすることができる六角形レンズ）であり得る。

Claims (14)

1. 半導体基板照射装置において、
   ａ．軸と、
   ｂ．反射面を有する曲面ミラーであって、当該反射面が、母線を前記軸を中心に回転させて形成した回転面と一致している曲面ミラーと、
   ｃ．入射方向に沿った前記曲面ミラー上に入射する照射ビームを生成する点光源と、
   を含み、
   前記点光源は前記軸上にまたはその近くに設けられ、前記軸は半導体基板上の生成対象の直線投影にほぼ一致する、ことを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の半導体基板照射装置において、前記生成対象の直線投影は特定長を有し、前記反射面の中心点に対する法線は前記入射方向と角度をなし、前記角度は、前記照射ビームが、前記特定長を有する前記直線投影を形成する前記半導体基板上に投影されるように選択される、ことを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体基板照射装置において、前記曲面ミラーは凹面ミラーであることを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の半導体基板照射装置において、前記凹面ミラーは円筒状、円錐状、球状であることを特徴とする装置。
5. 請求項１乃至４に記載の半導体基板照射装置において、前記軸上またはその近くに前記点光源を投影するための折り畳みミラーを含むことを特徴とする半導体基板照射装置。
6. 請求項１乃至５に記載の半導体基板照射装置において、それぞれが前記軸上またはその近くの平行直線に沿って設けられ、それぞれが前記半導体基板上に投影される照射ビームを生成し、それぞれの照射ビームが前記直線投影に寄与する複数の点光源を含むことを特徴とする半導体基板照射装置。
7. 請求項１乃至５に記載の半導体基板照射装置において、それぞれが前記軸に交差する線に沿って設けられ、それぞれが前記半導体基板上に投影された照射ビームを生成し、それぞれの照射ビームがいくつかの平行直線投影に寄与する複数の点光源を含むことを特徴とする半導体基板照射装置。
8. 請求項６または７に記載の半導体基板照射装置において、１つの照射源から前記複数の点光源を生成する手段を含むことを特徴とする半導体基板照射装置。
9. 請求項８に記載の半導体基板照射装置において、前記複数の点光源を生成する前記手段は前記照射源と前記曲面ミラーとの間に位置するマイクロレンズのアレイを含むことを特徴とする装置。
10. 請求項８または９に記載の半導体基板照射装置において、前記複数の点光源を生成する前記手段は、それぞれがマイクロレンズから単一の照射ビームを受け、それぞれが前記軸上またはその近くに設けられた点光源を形成する複数の光ファイバを追加的に含むことを特徴とする装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体基板照射装置において、前記直線投影の幅を低減する手段を追加的に含むことを特徴とする半導体基板照射装置。
12. 請求項１乃至１１に記載の半導体基板照射装置の使用において、前記半導体基板上に最大２０の平行直線投影を同時に生成するためであることを特徴とする使用。
13. 請求項１乃至１１に記載の半導体基板照射装置の使用において、選択的エミッタグリッドを製造するためであることを特徴とする使用。
14. 請求項１乃至１１に記載の半導体基板照射装置の使用において、大面積半導体表面を走査動作で照射するためであることを特徴とする使用。

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