半導体製造方法
【課題】ガラス上に高効率な薄膜多結晶シリコン（Ｓｉ）太陽電池を実現することを目的とした半導体製造方法。
【解決手段】半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜をガラス上に形成し、このＳｉ膜を種（シード）結晶として多結晶Ｓｉ層を直接成長する。
その後、本薄膜に対してＳｉ層が溶融しない条件でエネルギービームを照射してＳｉの固相成長を行うことを特徴とした太陽電池用半導体製造方法。
【解決手段】半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜をガラス上に形成し、このＳｉ膜を種（シード）結晶として多結晶Ｓｉ層を直接成長する。
その後、本薄膜に対してＳｉ層が溶融しない条件でエネルギービームを照射してＳｉの固相成長を行うことを特徴とした太陽電池用半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造方法に関し、特にガラス上に形成された高効率薄膜シリコン（Ｓｉ）系太陽電池を実現するための半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時では、ガラス上の高効率Ｓｉ系薄膜太陽電池が注目されている。現在のガラス上の薄膜Ｓｉ系太陽電池は、非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Ｓｉ系材料が主流となっている。
【０００３】
しかし、非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Ｓｉ系太陽電池は変換効率が低いという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガラス上の薄膜Ｓｉ系太陽電池、特に非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Ｓｉ系太陽電池は、バルク単結晶Ｓｉ太陽電池あるいはバルク多結晶Ｓｉ太陽電池に比較して変換効率が悪い。これは、非晶質Ｓｉあるいは微結晶Ｓｉの結晶品質が単結晶Ｓｉやバルク多結晶Ｓｉに比較して劣っていることに起因する。
【０００５】
従って、ガラス上に高品質の多結晶Ｓｉを形成することができれば、ガラス上の薄膜Ｓｉ系太陽電池の変換効率に大きなブレークスルーをもたらすと期待される。
【０００６】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、ガラス基板上に高効率薄膜Ｓｉ系太陽電池を形成するために、薄膜Ｓｉでありながら、大粒径を有する多結晶Ｓｉ薄膜を形成するための半導体製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００８】
半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶Ｓｉ薄膜を形成し、このＳｉ膜を種（シード）結晶として多結晶Ｓｉ層を直接成長する。最後に、本薄膜に対して、Ｓｉ層が溶融しない条件でエネルギービームを再度照射して、Ｓｉの固相成長を行う。
【０００９】
本発明によれば、ガラス上に大粒径の多結晶Ｓｉを形成することが可能になり、現在実用化されている非晶質Ｓｉや微結晶Ｓｉからなる薄膜Ｓｉ系太陽電池よりも高効率の薄膜Ｓｉ系太陽電池をガラス上に安価に実現することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、ガラス基板上に高い変換効率を有する薄膜Ｓｉ系太陽電池を安価に実現するための半導体製造方法が提案される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施形態について詳述する。本実施例では、半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーとして、Ｎｄ：ＹＶＯ４の第２高調波である波長５３２ｎｍを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶Ｓｉ薄膜を形成し、本Ｓｉ膜の表面を水素終端して表面を安定化させたのち、該Ｓｉ薄膜を種（シード）結晶として、プラズマＣＶＤにて多結晶Ｓｉ層を直接成長する。さらに、本多結晶Ｓｉ薄膜に対して、上記と同一の半導体励起（ダイオード励起）固体連続波レーザーを利用してレーザー固相成長を実現した。
【００１２】
図１は、本実施形態によって形成された薄膜Ｓｉ系太陽電池の概略構造図である。
【００１３】
図２〜図４は、Ｓｉ薄膜の製造方法を工程順に示す概略模式図である。
先ず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板上１にプラズマＣＶＤにより不純物をドーピングした非晶質Ｓｉ薄膜２を２００ｎｍ成長する。該非晶質Ｓｉ薄膜は、シランガスとドーピングガスを混合させることにより形成される。
【００１４】
続いて、図２（ｂ）に示すように、波長５３２ｎｍを有する半導体励起固体ＣＷレーザー（Ｎｄ：ＹＶＯ４，波長５３２ｎｍ）を利用し、パワー４．０ワットに設定し、レーザースキャン速度４０ｃｍ／ｓでスキャンすることにより、（１１０）あるいは（１１１）に配向制御された低抵抗の大粒径多結晶Ｓｉ層３を形成する。この時の結晶粒径は３μｍｘ２０μｍである。
【００１５】
発明者が行った過去の研究によると、Ｓｉ層の厚さが薄くなると、結晶粒は（１１０）や（１１１）方向に配向することが知られている。
【００１６】
引き続いて、（１１０）あるいは（１１１）表面をウェット処理により水素終端化したＳｉ層４（図３（ａ））を形成する。（１１０）面や（１１１）面は水素により綺麗に終端化が可能な面であることが知られている。これにより、次に続くシード層を利用したＰＥＣＶＤによるエピ成長を安定化し、再現性よく行うことができる。
【００１７】
引き続いて、ＰＥＣＶＤを利用して、水素希釈条件（ＳｉＨ４：Ｈ２＝５：９５）で２μｍのシリコン層５を３５０℃にてエピ成長させる（図３（ｂ））。本シリコン薄膜層は不純物をドープせずにイントリック層とした。なお、水素希釈量は本実施例に限定されたものではなく、シランガスと水素ガスの混合ガスであり、水素ガス量がシランガス量よりも多ければ良い。
【００１８】
引き続いて、上記成長したＳｉ薄膜上に真空を破らずに、好ましくはイントリンシックＳｉ層を形成したチャンバーと異なるチャンバーを利用して、不純物がドーピングされたＳｉ層６を２００ｎｍ成長する（図４）。本工程でドーピングする不純物は、種（シード）結晶層にドーピングされた不純物と異なるタイプの不純物をドーピングする。ここで、異なるタイプの不純物とは、種（シード）結晶がｎ型でれば本薄膜層はｐ型、逆に、種（シード）結晶層がｐ型であれば本薄膜層はｎ型とする。
【００１９】
引き続いて、上記成長が終了した薄膜Ｓｉ層に対して、Ｓｉ層が溶融しないように設定した低いパワーでレーザー照射を行いＳｉ薄膜（図５）を完成させる。本実施例では、２．０Ｗのレーザーパワーを利用し、レーザースキャン速度４０ｃｍ／ｓでスキャンすることによりＳｉ固相成長を実現した。ここで形成されたＳｉ層５５、６６層は、レーザー照射による固相成長が行われるため、レーザー照射前のＳｉ層５，６より、良質の結晶が形成される。
【００２０】
最終的な形態を図１に示す。ガラス上に太陽電池用の大粒径の多結晶Ｓｉを形成することができる。
【００２１】
本実施例では、レーザーを利用した固相成長の前に、水素だしの熱処理を４５０℃６０分を行っている。
【００２２】
また、レーザーを利用した固相成長後に、水素化処理４００℃６０分を行っている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態による半導体製造方法を工程順に示す概略図である。
【図３】図２に引き続き、本発明の実施形態による半導体製造方法を工程順に示す概略図である。
【図４】図３に引き続き、本発明の実施形態による半導体製造方法を工程順に示す概略図である。
【図５】図４に引き続き、本発明の実施形態による半導体製造方法を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ ガラス基板
２ 不純物をドープされた非晶質Ｓｉ薄膜
３ レーザー結晶化による（１１０）あるいは（１１１）配向の大粒径シリコン多結晶薄膜
４ 水素終端化された多結晶Ｓｉ薄膜
５ シリコン薄膜（イントリンシック層）
６ 不純物をドープされた多結晶Ｓｉ層
５５ レーザー照射により固相成長されたイントリンシックＳｉ層
６６ レーザー照射により固相成長された不純物をドープされたＳｉ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造方法に関し、特にガラス上に形成された高効率薄膜シリコン（Ｓｉ）系太陽電池を実現するための半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時では、ガラス上の高効率Ｓｉ系薄膜太陽電池が注目されている。現在のガラス上の薄膜Ｓｉ系太陽電池は、非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Ｓｉ系材料が主流となっている。
【０００３】
しかし、非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Ｓｉ系太陽電池は変換効率が低いという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガラス上の薄膜Ｓｉ系太陽電池、特に非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Ｓｉ系太陽電池は、バルク単結晶Ｓｉ太陽電池あるいはバルク多結晶Ｓｉ太陽電池に比較して変換効率が悪い。これは、非晶質Ｓｉあるいは微結晶Ｓｉの結晶品質が単結晶Ｓｉやバルク多結晶Ｓｉに比較して劣っていることに起因する。
【０００５】
従って、ガラス上に高品質の多結晶Ｓｉを形成することができれば、ガラス上の薄膜Ｓｉ系太陽電池の変換効率に大きなブレークスルーをもたらすと期待される。
【０００６】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、ガラス基板上に高効率薄膜Ｓｉ系太陽電池を形成するために、薄膜Ｓｉでありながら、大粒径を有する多結晶Ｓｉ薄膜を形成するための半導体製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００８】
半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶Ｓｉ薄膜を形成し、このＳｉ膜を種（シード）結晶として多結晶Ｓｉ層を直接成長する。最後に、本薄膜に対して、Ｓｉ層が溶融しない条件でエネルギービームを再度照射して、Ｓｉの固相成長を行う。
【０００９】
本発明によれば、ガラス上に大粒径の多結晶Ｓｉを形成することが可能になり、現在実用化されている非晶質Ｓｉや微結晶Ｓｉからなる薄膜Ｓｉ系太陽電池よりも高効率の薄膜Ｓｉ系太陽電池をガラス上に安価に実現することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、ガラス基板上に高い変換効率を有する薄膜Ｓｉ系太陽電池を安価に実現するための半導体製造方法が提案される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施形態について詳述する。本実施例では、半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーとして、Ｎｄ：ＹＶＯ４の第２高調波である波長５３２ｎｍを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶Ｓｉ薄膜を形成し、本Ｓｉ膜の表面を水素終端して表面を安定化させたのち、該Ｓｉ薄膜を種（シード）結晶として、プラズマＣＶＤにて多結晶Ｓｉ層を直接成長する。さらに、本多結晶Ｓｉ薄膜に対して、上記と同一の半導体励起（ダイオード励起）固体連続波レーザーを利用してレーザー固相成長を実現した。
【００１２】
図１は、本実施形態によって形成された薄膜Ｓｉ系太陽電池の概略構造図である。
【００１３】
図２〜図４は、Ｓｉ薄膜の製造方法を工程順に示す概略模式図である。
先ず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板上１にプラズマＣＶＤにより不純物をドーピングした非晶質Ｓｉ薄膜２を２００ｎｍ成長する。該非晶質Ｓｉ薄膜は、シランガスとドーピングガスを混合させることにより形成される。
【００１４】
続いて、図２（ｂ）に示すように、波長５３２ｎｍを有する半導体励起固体ＣＷレーザー（Ｎｄ：ＹＶＯ４，波長５３２ｎｍ）を利用し、パワー４．０ワットに設定し、レーザースキャン速度４０ｃｍ／ｓでスキャンすることにより、（１１０）あるいは（１１１）に配向制御された低抵抗の大粒径多結晶Ｓｉ層３を形成する。この時の結晶粒径は３μｍｘ２０μｍである。
【００１５】
発明者が行った過去の研究によると、Ｓｉ層の厚さが薄くなると、結晶粒は（１１０）や（１１１）方向に配向することが知られている。
【００１６】
引き続いて、（１１０）あるいは（１１１）表面をウェット処理により水素終端化したＳｉ層４（図３（ａ））を形成する。（１１０）面や（１１１）面は水素により綺麗に終端化が可能な面であることが知られている。これにより、次に続くシード層を利用したＰＥＣＶＤによるエピ成長を安定化し、再現性よく行うことができる。
【００１７】
引き続いて、ＰＥＣＶＤを利用して、水素希釈条件（ＳｉＨ４：Ｈ２＝５：９５）で２μｍのシリコン層５を３５０℃にてエピ成長させる（図３（ｂ））。本シリコン薄膜層は不純物をドープせずにイントリック層とした。なお、水素希釈量は本実施例に限定されたものではなく、シランガスと水素ガスの混合ガスであり、水素ガス量がシランガス量よりも多ければ良い。
【００１８】
引き続いて、上記成長したＳｉ薄膜上に真空を破らずに、好ましくはイントリンシックＳｉ層を形成したチャンバーと異なるチャンバーを利用して、不純物がドーピングされたＳｉ層６を２００ｎｍ成長する（図４）。本工程でドーピングする不純物は、種（シード）結晶層にドーピングされた不純物と異なるタイプの不純物をドーピングする。ここで、異なるタイプの不純物とは、種（シード）結晶がｎ型でれば本薄膜層はｐ型、逆に、種（シード）結晶層がｐ型であれば本薄膜層はｎ型とする。
【００１９】
引き続いて、上記成長が終了した薄膜Ｓｉ層に対して、Ｓｉ層が溶融しないように設定した低いパワーでレーザー照射を行いＳｉ薄膜（図５）を完成させる。本実施例では、２．０Ｗのレーザーパワーを利用し、レーザースキャン速度４０ｃｍ／ｓでスキャンすることによりＳｉ固相成長を実現した。ここで形成されたＳｉ層５５、６６層は、レーザー照射による固相成長が行われるため、レーザー照射前のＳｉ層５，６より、良質の結晶が形成される。
【００２０】
最終的な形態を図１に示す。ガラス上に太陽電池用の大粒径の多結晶Ｓｉを形成することができる。
【００２１】
本実施例では、レーザーを利用した固相成長の前に、水素だしの熱処理を４５０℃６０分を行っている。
【００２２】
また、レーザーを利用した固相成長後に、水素化処理４００℃６０分を行っている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態による半導体製造方法を工程順に示す概略図である。
【図３】図２に引き続き、本発明の実施形態による半導体製造方法を工程順に示す概略図である。
【図４】図３に引き続き、本発明の実施形態による半導体製造方法を工程順に示す概略図である。
【図５】図４に引き続き、本発明の実施形態による半導体製造方法を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ ガラス基板
２ 不純物をドープされた非晶質Ｓｉ薄膜
３ レーザー結晶化による（１１０）あるいは（１１１）配向の大粒径シリコン多結晶薄膜
４ 水素終端化された多結晶Ｓｉ薄膜
５ シリコン薄膜（イントリンシック層）
６ 不純物をドープされた多結晶Ｓｉ層
５５ レーザー照射により固相成長されたイントリンシックＳｉ層
６６ レーザー照射により固相成長された不純物をドープされたＳｉ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜をガラス上に形成し、このＳｉ膜を種（シード）結晶として多結晶Ｓｉ層を直接成長する。
その後、本薄膜に対してＳｉ層が溶融しない条件でエネルギービームを照射してＳｉの固相成長を行うことを特徴とした太陽電池用半導体製造方法。
【請求項２】
半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して形成された（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶Ｓｉ薄膜は、厚さが３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１項。
【請求項３】
波長３００から６００ｎｍの波長を有する半導体励起（ダイオード励起）固体連続波レーザーを利用することを特徴とした請求項１項。
【請求項４】
最終段階で行うＳｉ固相成長用のエネルギービーム照射として、連続波レーザー、パルスレーザー、ランプアニール、加熱ガスビームなどのエネルギービームを利用することを特徴とする請求項１項。
【請求項５】
Ｓｉ層が溶融しない条件でエネルギービーム固相成長することを特徴とした請求項１項
【請求項６】
大粒径からなる配向制御された種（シード）結晶層に多結晶Ｓｉを直接成長するに際し、Ｓｉ表面を水素終端することを特徴とした請求項１項。
【請求項７】
必要に応じて接合を形成するために、各層に対してドーピングを行うことを特徴とした請求項１項。
【請求項１】
半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜をガラス上に形成し、このＳｉ膜を種（シード）結晶として多結晶Ｓｉ層を直接成長する。
その後、本薄膜に対してＳｉ層が溶融しない条件でエネルギービームを照射してＳｉの固相成長を行うことを特徴とした太陽電池用半導体製造方法。
【請求項２】
半導体励起（ダイオード励起）された固体連続波レーザーを利用して形成された（１１０）と（１１１）に配向制御した大粒径多結晶Ｓｉ薄膜は、厚さが３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１項。
【請求項３】
波長３００から６００ｎｍの波長を有する半導体励起（ダイオード励起）固体連続波レーザーを利用することを特徴とした請求項１項。
【請求項４】
最終段階で行うＳｉ固相成長用のエネルギービーム照射として、連続波レーザー、パルスレーザー、ランプアニール、加熱ガスビームなどのエネルギービームを利用することを特徴とする請求項１項。
【請求項５】
Ｓｉ層が溶融しない条件でエネルギービーム固相成長することを特徴とした請求項１項
【請求項６】
大粒径からなる配向制御された種（シード）結晶層に多結晶Ｓｉを直接成長するに際し、Ｓｉ表面を水素終端することを特徴とした請求項１項。
【請求項７】
必要に応じて接合を形成するために、各層に対してドーピングを行うことを特徴とした請求項１項。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１９９５２４（Ｐ２０１０−１９９５２４Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６３５１６（Ｐ２００９−６３５１６）
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（５０８００５３５８）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（５０８００５３５８）
【Ｆターム（参考）】
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