JPH11140689A - 酸化第1銅膜の堆積法及び該酸化第1銅膜堆積法を用いた半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

酸化第1銅膜の堆積法及び該酸化第1銅膜堆積法を用いた半導体デバイスの製造方法

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JPH11140689A
JPH11140689A JP9325187A JP32518797A JPH11140689A JP H11140689 A JPH11140689 A JP H11140689A JP 9325187 A JP9325187 A JP 9325187A JP 32518797 A JP32518797 A JP 32518797A JP H11140689 A JPH11140689 A JP H11140689A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体デバイス用基板上に、所望のパターン
に良質の酸化第1銅膜を堆積することを可能にする方法
及び該方法を使用する集積化直列接続太陽電池などの半
導体デバイスの製造方法を提供する。 【構成】 少なくとも表面の一部が電気伝導性であり該
表面の別の一部が絶縁性であるパターンを有する半導体
デバイス用基板を銅イオンと硝酸イオンの共存する溶液
に浸漬し、該基板の前記電気伝導性の部分にカソード反
応により酸化第1銅膜を選択的に堆積する方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】耐熱性の低い半導体デバイス用の
基板上に、良質の酸化第1銅膜を所望状態に堆積するこ
とを可能にする酸化第1銅膜の堆積方法及び該堆積方法
を用いた光起電力素子(太陽電池)などの半導体デバイ
スの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】酸化銅(酸化第1銅)の膜は古くから実
用に供されてきた半導体であり、すでに1920年代に
は整流器、1930年代には光検出器への応用が図られ
た。しかしその後、該酸化銅膜に代って、セレン、硫化
カドミウム、さらにゲルマニウム、シリコンなどの膜が
使用されるようになり、現在では殆ど忘れられた存在と
なっているが、酸化銅膜は低コストで形成でき、また毒
性のないものであることから、特に太陽電池などの光起
電力素子への応用には依然として有望な材料である。と
ころで酸化銅膜はこれまで主として金属銅の熱酸化、あ
るいは陽極酸化によって形成されてきた。これらの方法
はそのプロセスが単純で、化学的には純度の高い酸化銅
膜が得易いという長所があったが、熱酸化の場合には、
最低で300℃、通常は500℃以上の温度が必要であ
り、耐熱性のある基板しか使用できず、また形成された
酸化銅膜は、熱膨張率の違いにより、基板から剥れ易い
という問題があった。また銅から酸化銅へ結晶構造の変
換を伴うため、ミクロな欠陥やひずみを生じやすく、そ
の電気的特性には改善の余地が多かった。この他、米国
特許第2,081,121号明細書には、硫酸銅などの
アルカリ溶液のカソード還元を利用して酸化銅膜を堆積
する方法が記載されている。この方法によれば、特別な
高温を必要とせず、結晶構造の変換を伴わないので、欠
陥や歪みの少ない良好な酸化銅膜が得られる可能性があ
るものの、良好なp型の酸化銅膜は得にくいという問題
がある。また、酸化銅膜の堆積法として反応性スパッタ
リング法が適用可能であるが、酸素分圧の変化に伴う膜
組成の変動が大きく再現性が得にくい(N.A.Eco
nomou,R.S.Toth,R.J.Komp,
D.Trivich,Proc.Photov.So
l.Energy Cnf.(1977)p1180、
参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】酸化銅膜を使用する太
陽電池は理論的には13%の光電変換効率が可能とされ
るにもかかわらず(D.Trivich,E.Y.Wa
ng,R.J.Kompand A.S.Kakar,
13th IEEE Photov.Spec.Con
f.,p174.IEEE,New York、参
照)、実際には酸化銅膜を使用した太陽電池ではこれま
で注目すべき特性が得られてなく、そうした太陽電池は
実用化されるまでに至っていない。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来技術にお
ける上述した問題点を解決すべく鋭意研究の結果完成に
至ったものである。本発明は、耐熱性の低い基板であっ
ても、その上に再現性よく良質な特性をもつ酸化第1銅
膜の成長を可能にする膜堆積方法を提供することを目的
とする。本発明の他の目的は、当該膜堆積方法を用いた
光起電力素子(太陽電池)などの半導体デバイスの製造
方法を提供することにある。
【0005】
【実施態様例】本発明の酸化第1銅膜の堆積方法は、表
面に電気伝導性の所望のパターンを有する基板を銅イオ
ンと硝酸イオンの共存する溶液に浸漬し、負電圧を印加
してカソード反応により該基板の前記伝導性パターン部
分に酸化第1銅膜を選択的に堆積することを特徴とする
ものである。本発明の膜堆積方法によれば、100℃以
下の低温環境下で、基板上の任意の場所に良質の酸化第
1銅膜を選択的に堆積することができる。特に、基板表
面の電気伝導性の部分の上にも酸化第1銅膜の堆積の有
無のパターンを作れるので、特に集積化太陽電池の製造
工程を著しく簡略化でき、これにより集積化太陽電池の
製造コストを大幅に低減できる。当該膜堆積方法を用い
た本発明の半導体デバイスの製造方法は、絶縁性の表面
に、互い分離された複数の電気伝導性の裏面電極が形成
され、各裏面電極の縁の一部を跨ぐようにアルミニウム
からなる接続端部が形成された基板を用意し、該基板
を、銅イオンと硝酸イオンの共存する溶液に浸漬し、負
電圧を印加してカソード反応により、該基板の前記接続
端部以外の電気伝導性の部分のみに酸化第1銅膜を堆積
し、前記裏面電極の一つの上に堆積した酸化第1銅膜の
表面と、隣接する裏面電極の接続端部の間を電気的に接
続することを特徴とする。当該半導体デバイスの製造方
法は、具体的には、例えば以下のような内容のものであ
る。絶縁性基板の表面に、複数の電気伝導性の裏面電極
が形成し、各裏面電極の縁の一部を跨ぐようにアルミニ
ウムからなる接続端部を形成する。この基板を銅イオン
と硝酸イオンの共存する溶液に浸漬し、負電圧を印加す
る。これにより、接続端部以外の電気伝導性の部分のみ
にカソード反応によりp型の酸化第1銅膜が堆積する。
裏面電極が銅などの金属であると、Schottky接
合が形成される。あるいはこの上に適当な方法で酸化亜
鉛膜などのn型の半導体を堆積するとヘテロ接合が形成
される。当該ヘテロ接合は、光を照射すると起電力を発
生するものである。さらに一つの裏面電極の上に堆積し
た酸化第1銅膜(または酸化第1銅膜の上に堆積したn
型半導体)の表面と、隣接する裏面電極の接続端部の間
を電気的に接続することにより容易に集積化直列接続太
陽電池が製造できる。またこの工程で同時にバイパスダ
イオードも形成できる。本発明の半導体デバイスの製造
方法によれば、安価な樹脂などの低コストな基板の上
に、レーザースクライブ法などの最適条件の設定が微妙
な手法を用いることなく、集積化直列接続太陽電池が製
造できる上に、工程を全く複雑にすることなく、バイパ
スダイオードを作り込めるので、安価で信頼性の高い太
陽電池を製造することができる。
【0006】本発明者らは、上記目的を達成すべく従来
技術について検討の結果、下述する知見を得た。該知見
に基づいて本発明者らは実験を行い、それら実験の結果
得られた事実に基づいて本発明を完成するに至った。以
下に、本発明者らが得た知見について述べる。上述した
米国特許第2,081,121号明細書には、硫酸銅な
どのアルカリ溶液のカソード還元を利用して形成した酸
化銅膜は抵抗が高い旨記載されている。これは当該酸化
銅膜では、結晶の欠陥はむしろ少なく、ドナーの不足、
若しくはアクセプターの生成により実質的に真性化して
いるためと考えられる。当該成膜において、不純物が入
らないと仮定すると、酸化第1銅の結晶中で本来1価で
あるべきCuが2価となり実質的にドナーとして機能
し、通常p型になる酸化第1銅が真性化した可能性があ
る。従ってCuの酸化の過程をより厳密に制御できれ
ば、p型で抵抗の低い膜が得られると予想される。本発
明者らはカソード電極上で金属酸化膜が生成するプロセ
スを次のように推定している。すなわち金属イオンと酸
素を含むエージェント(イオンまたは分子)との溶液に
浸漬したカソード電極上で、エージェントが還元をう
け、それに伴い酸素が発生し金属イオンと反応して金属
酸化物を形成する。ここでエージェントが酸素を発生す
る標準電極電位は、エージェントの種類に応じて変化し
うる。また金属が複数の価数を取りうる場合、その標準
電極電位の値に応じて金属が何価で取り込まれ易いかが
変化しうる。すなわち銅の場合、エージェントの選択次
第では2価の銅を含まずp型で抵抗の低い酸化第1銅が
得られる可能性がある。また伊崎らは、酸化亜鉛を硝酸
亜鉛の水溶液に浸漬したカソード電極上に堆積した(伊
崎、小見、J.Electro Chem.Sci.,
Vol.143,No.3,March 1996,
p.L53、参照)。この場合は硝酸イオンがエージェ
ントになっていると考えられる。
【0007】本発明者らは、上述した知見に基づき、酸
化銅膜の堆積に硝酸イオンをエージェントとして用いる
ことを考え、実験を行った。以下に本発明者らが行った
実験について述べる。
【0008】
【実験1】硝酸銅の0.01M/lの水溶液を作製し
た。該水溶液中に酸で表面処理し裏に絶縁フィルムを貼
った5cm×5cmのステンレス基板を浸漬した。この
基板から5cm離して5cm×5cmの銅の板を浸漬し
た。ここでステンレス基板がカソード電極、銅板がアノ
ードとなるようガルバノスタットに接続した。この状態
で液温を表1に示すように所定の値に保ちつつ、表1に
示すようにガルバノスタットで所定の電流を流し、表面
の変化の様子を観察した。その結果を表1に示す。表1
において、「銅が堆積」とあるのはステンレス基板の表
面が肌色に変化し、この膜のX線回折を調べると、実際
Cuの結晶であることが確認された状態である。「茶色
の堆積物」とあるのは基板の表面が無光沢の茶色に変化
し、光学顕微鏡で観察すると不規則な樹脂状の堆積物が
生成した状態で、X線回折を調べると基板のステンレス
のピーク以外の特有のピークは観察されない状態であ
る。「黒い堆積物」とあるのは基板の表面が無光沢の黒
色に変化し、光学顕微鏡で観察すると不規則な樹脂状の
堆積物が生成した状態で、X線回折を調べると基板のス
テンレスのピーク以外の特有のピークは観察されない状
態である。「茶色の/黒い堆積物」とあるのは基板の周
辺が「黒い堆積物」で覆われ、中央部が「茶色の堆積
物」で覆われた状態である。「赤紫の薄膜」とあるのは
薄い赤紫を帯びた膜が堆積した状態で、光学顕微鏡で観
察すると基板上に立方体状の細かい結晶粒が密集し、X
線回折を調べると酸化第1銅の結晶の強いピークが見ら
れる状態である。いずれの場合においても、基板のステ
ンレスのピークが見られることはあるが、酸化第2銅の
ピークは見られなかった。すなわち液温55℃以上の、
かなり広い条件範囲で酸化第1銅膜の堆積が確認され
た。またいずれの場合も酸化第2銅が同時に堆積する様
子はなかった。
【0009】
【実験2】液温を55℃に保ち、硝酸銅の0.01M/
lの水溶液に硝酸を加え、硝酸イオンの濃度が2倍にな
るように調整した。この状態で実験1と同様にしてガル
バノスタットで流す電流を調整しつつ、基板表面の変化
の様子を観察した。続いて硝酸イオンの濃度が5倍にな
るように調整して同様の実験を行った。得られた結果を
表2に示す。得られた結果から、硝酸イオンの濃度を高
めることによって、酸化第1銅膜が堆積する条件が広く
なることが判った。
【0010】
【実験3】基板として、スパッタリングによりその面積
の半分に銅を堆積した5cm×5cmのガラス板を用
い、銅が堆積された部分に通電するようにした以外は実
験1と同様にして、液温70℃で、電流5mAを通電し
た。銅が堆積された部分のみに膜の堆積が見られ、光学
顕微鏡で観察するときれいな立方体状の結晶粒の集積が
見られた。またX線回折でステンレス上の場合と同様の
酸化第1銅膜であることが確認された。一方ガラスがむ
き出しだった部分には膜の堆積は見られなかった。これ
はガラスの部分には電流が流れないため、表面でのカソ
ード反応が起こらなかったためと考えられる。
【0011】
【実験4】基板として、スパッタリングによりその面積
の半分にアルミニウムを堆積した5cm×5cmの銅板
を用いた以外は実験1と同様にして、液温70℃で、電
流5mAを通電した。銅が露出していた堆積された部分
には膜の堆積が見られ、光学顕微鏡で観察するときれい
な立方体状の結晶粒の集積が見られた。またX線回折で
ステンレス上の場合と同様の酸化第1銅膜であることが
確認された。一方アルミニウムが堆積された部分には、
膜の堆積が殆ど見られなかった。その理由は明らかでは
ないが、アルミニウム膜の表面の酸化膜が電流が流れる
のを阻止している、または表面でのカソード反応を妨害
している可能性がある。以上の実験結果から、つぎのこ
とが判明した。100℃以下の低温環境下で、基板上の
任意の場所に選択的に酸化第1銅の膜を堆積できる。特
に導電性の部分の上にも膜の堆積の有無のパターンを作
ることができる。これが故に、以下に述べる実施例にお
いて示すように、特に集積化太陽電池の製造工程を著し
く簡略化できる。
【0012】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに説明す
る。本発明はこれらの実施例により限定されるものでは
ない。
【0013】
【実施例1】本実施例では、図1に示す構成の太陽電池
を作製した。ここで図1(a)は平面図、図1(b)は
断面図である。101は厚さ0.2mmで11cm×1
1cmのサイズのポリエチレンテレフタレート(PE
T)フィルムである。該PETフィルム上に実寸が10
cm×10cmとなるようにマスクをかけて厚さ100
0ÅのCu膜からなる裏面電極層102をスパッタリン
グ法により堆積し、得られたものを基板103とした。
該基板103を硝酸銅の0.02M/lの水溶液に浸漬
した。この基板から5cm離して10cm×10cmの
サイズの銅板を浸漬した。ここでCuの裏面電極層10
2がカソード電極、銅板がアノード電極となるようガル
バノスタットに接続した。この状態で硝酸銅水溶液の液
温を85℃に保ちつつ、電流を50mAに保って酸化第
1銅の膜104を堆積した。酸化第1銅膜104は裏面
電極102の部分のみに堆積した。この上にAgペース
トで集電電極105を印刷した。こうして実寸で10c
m×10cmの太陽電池を作製した。ここでCuの裏面
電極層102と酸化第1銅膜104の間にSchott
ky接合が形成された。該接合は、光の照射によりその
酸化第1銅膜104側が正の起電力を発生するものであ
る。このように形成された太陽電池を測定したところ、
良好な特性が得られた。本発明では高々100℃以下の
低温で良質な酸化第1銅膜が堆積できるので、安価な一
般の樹脂フィルムが使用できる。
【0014】
【実施例2】本実施例では、図2(a)乃至(e)に示
す構成の太陽電池を作製した。ここで201は厚さ0.
2mmで11cm×12cmのサイズのポリエチレンテ
レフタレート(PET)フィルムである。該PETフィ
ルム上に2mmの間隔203を保って5個の10cm×
2cmのサイズの短冊状の銅膜からなる裏面電極202
をマスク掛けによるスパッタリング法で堆積した(図2
(a)参照)。該裏面電極の端部にアルミニウムからな
る幅2mm長さ10cmの接続端部204をマスク掛け
によるスパッタリング法で堆積し基板205とした(図
2(b)参照)。ここで接続端部204の幅の半分は裏
面電極202にかかり、残りの半分は直接PETフィル
ム201上にかかっている。裏面電極202のすべてが
電気的に接続されていることを確認しつつ負電圧を印加
して、実施例1と同様の条件で裏面電極202上に酸化
第1銅の膜206を堆積した(図2(c)参照)。ここ
で実験4において観察されたように、酸化第1銅膜20
6は裏面電極202の無い部分だけで無く、接続端部2
04のアルミニウムの部分にも堆積しなかった。この上
にAgペーストで集電電極207を印刷した(図2
(d)参照)。ここで裏面電極202が分割されている
ことにより、本実施例の太陽電池は5個のサブモジュー
ルに分割されているが、集電電極207のパターンは、
隣接するサブモジュールの裏面電極と電気的に接続され
ており、すべてのサブセルは相互に直列接続される。こ
のように、本発明においては、レーザースクライブなど
の手段を一切用いることなく簡単に直列集積化太陽電池
が得られる。また本実施例の太陽電池では一つのサブセ
ルの面積が小さいため、サブモジュールから流れる電流
が少なく集電電極を細くできるので、集電電極の影の面
積による損失を少なくすることができる。
【0015】
【実施例3】本実施例では、図3(a)乃至(c)に示
す構成の太陽電池を作製した。ここで図3(b)は平面
図、図3(a)は図3(b)におけるA−A′線に沿っ
た断面図、図3(c)は図3(b)におけるB−B′線
に沿った断面図である。301は、厚さ0.2mmで1
2cm×12cmのサイズのポリエチレンテレフタレー
ト(PET)フィルムである。この上に実施例2と同様
な手順で直列集積化太陽電池を形成した。ここで図2の
基板201は図3の基板302に、図2の裏面電極20
2は図3の裏面電極302に対応している。但し図3に
おいてはバイパスダイオードを作り込んでいる。すなわ
ち裏面電極302と同時に裏面電極302′、接続端部
204と同時に接続端部304′、酸化第1銅の膜30
6と同時に酸化第1銅の膜306′、集電電極307と
同時に遮光電極307′を形成した。裏面電極302′
と酸化第1銅の膜306′はSchottkyダイオー
ドを形成するが、このバイパスダイオードは、酸化第1
銅の膜306からなる太陽電池サブモジュールとは逆向
きに接続されている。もし酸化第1銅の膜306からな
る太陽電池サブモジュールがたまたま樹木などの影に入
った場合、このサブモジュールは電力を発生しないばか
りか、高抵抗な直列抵抗として作用し太陽電池全体の出
力を著しく低下させる。このような場合に、逆方向に接
続されたバイパスダイオードがあると、こちらを通して
電流が流れるため、出力の低下はこのサブモジュール分
だけとなり、安定した出力が得られる。一般の太陽電池
ではバイパスダイオードは、チップダイオードを接続し
ているが、本発明においてはそのような手間とコストが
不要であり、信頼性の高い太陽電池を得ることができ
る。
【0016】
【実施例4】本実施例では、図4に示す構成のヘテロ接
合太陽電池を作製した。ここで図4(a)は平面図、図
4(b)は断面図である。裏面電極402として銀膜を
堆積した他は実施例2と同じ手順で酸化第1銅の膜40
6まで堆積した。得られた基板試料をよく水洗した後、
硝酸亜鉛の0.01M/lの水溶液中に浸漬した。この
基板試料から5cm離して10cm角の亜鉛板を浸漬し
た。ここで、上述した伊崎らの方法にならって、基板試
料がカソード電極、亜鉛板がアノード電極となるようガ
ルバノスタットに接続した。この状態で硝酸亜鉛溶液の
液温を85℃に保ちつつ、電流を40mAに保って酸化
亜鉛の膜407を堆積した。この膜が酸化亜鉛であるこ
とは、X線回折により確認された。酸化亜鉛膜407は
酸化第1銅の膜406のある部分のみに堆積した。以
下、Agペーストで集電電極408を印刷し、実施例2
と同様に全てのサブモジュールは相互に直列接続され
る。但し本実施例の太陽電池では、光の照射により表面
のn型半導体である酸化亜鉛膜407が負の起電力を発
生するので、実施例1乃至3の太陽電池とは出力電位が
逆転している。さらに本発明の太陽電池のほうが、起電
力の絶対値が大きく高い出力が得られる。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、上述した酸化第1銅膜
の堆積法により、耐熱性の低い大面積の基板の上に、高
品質の酸化第1銅膜を所望状態に選択的に堆積を行なう
ことができるので、レーザースクライブなどの手法を用
いなくとも、出力電圧の高い直列集積化太陽電池を効率
的に製造できる。さらにはバイパスダイオードまで同時
に作り込めるので、低コストで信頼性の高い太陽電池を
製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により製造した太陽電池の一例の
構成を示す図である。
【図2】本発明の方法により製造した直列集積化太陽電
池の一例の構成を示す図である。
【図3】本発明の方法により製造したバイパスダイオー
ドまで作り込まれた直列集積化太陽電池の一例の構成を
示す図である。
【図4】本発明の方法により製造したヘテロ接合直列集
積化太陽電池の一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
101,201,301,401 基板 102,202,302,402 裏面電極 204,304,404 アルミニウムからなる接続端
部 104,206,306,406 酸化第1銅の膜 407 酸化亜鉛の膜 105,207,307,408 集電電極 307′ 遮光電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも表面の一部が電気伝導性であ
    り該表面の別の一部が絶縁性であるパターンをもつ半導
    体デバイス用基板を、銅イオンと硝酸イオンの共存する
    溶液に浸漬し、該基板の前記電気伝導性の部分にカソー
    ド反応により酸化第1銅膜を選択的に堆積する方法。
  2. 【請求項2】 少なくとも表面の一部が電気伝導性であ
    り、該電気伝導性の部分の一部がアルミニウムまたはア
    ルミニウムを主成分とする合金であるパターンをもつ半
    導体デバイス用基板を、銅イオンと硝酸イオンの共存す
    る溶液に浸漬し、前記アルミニウムまたはアルミニウム
    を主成分とする合金からなる部分以外の前記基板の電気
    伝導性の部分のみにカソード反応により酸化第1銅膜を
    選択的に堆積する方法。
  3. 【請求項3】 絶縁性の表面に、互いに分離された複数
    の電気伝導性の裏面電極が形成され、各裏面電極の縁の
    一部を跨ぐようにアルミニウムからなる接続端部が形成
    された基板を用意し、該基板を、銅イオンと硝酸イオン
    の共存する溶液に浸漬し、該基板の前記接続端部以外の
    電気伝導性の部分のみにカソード反応により酸化第1銅
    膜を堆積し、前記裏面電極の一つの上に堆積した酸化第
    1銅膜の表面と、隣接する裏面電極の接続端部の間を電
    気的に接続することを特徴とする半導体デバイスの製造
    方法。
  4. 【請求項4】 少なくとも一つの裏面電極の上に堆積し
    た酸化第1銅膜の表面から、前記隣接する裏面電極とは
    別の隣接する裏面電極の接続端部を電気的に接続し、該
    別の隣接する裏面電極の上に堆積した酸化第1銅膜の表
    面と、該少なくとも一つの裏面電極の接続端部を電気的
    に接続し、かつ該別の隣接する裏面電極の上に堆積した
    酸化第1銅膜を外部光から遮断して、バイパスダイオー
    ドとすることを特徴とする請求項3に記載の半導体デバ
    イスの製造方法。
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