JP2006073849A

JP2006073849A - 半導体素子の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2006073849A
Application number: JP2004256659A
Authority: JP
Inventors: Masahito Yonezawa; 雅人米澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】
半導体素子製造工程を簡素化し、工程で消費する材料、光熱費を少量に抑える。そして製造装置の簡素化及び低価格化を目的とする。具体的には、パターニング専用の高価な装置及び工程を省くことを目的とする。
【解決手段】
本特許による方法は、基板上に半導体層を形成する時、基板の端を折り込むことによって基板自体をマスクとし、パターニングする方法である。パターニングは、基板搬送装置中に設置する補助ローラーだけで基板端を折り曲げ、実施することができる。本特許である製造方法及び製造装置により、メタルマスクやレーザー等、パターニング専用の高価な装置及び工程は不要となる。また、装置群の簡素化により設備償却費は削減できる。そして太陽電池製造原価も大幅に下げることができる。結果、本特許である製造方法及び製造装置により、安価な太陽電池の製造が容易になる。
【選択図】図４

Description

半導体薄膜堆積形成で、マスク法によるパターニングに関する技術分野である。基板の搬送はロールツーロール法を使用する。可撓性基板は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、セルロース等の樹脂基板、ＳＵＳ等の金属薄板、紙を含む。半導体薄膜で作製する半導体素子は、光電変換素子、太陽電池、ダイオードを含む。半導体薄膜堆積形成方法には、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、塗布、スプレー法を含む。

安価な太陽電池を製造するため、太陽電池製造装置の簡素化及び低価格化は急務である。製造工程を簡素化すれば、工程で消費する材料、光熱費は少量で済み、製造装置の簡素化及び低価格化は容易になる。

安価な太陽電池の一種として非単結晶シリコン薄膜太陽電池の開発が行われている。非単結晶シリコンは、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンを指す。

図１（１）に一般的な薄膜太陽電池の断面図を示す。薄膜太陽電池は半導体層１０３の一方の面から光１０５を入射させ厚さ方向に電位差１０６を発生させる。薄膜半導体の光入射側には、光を透過する透明電極１０４を設ける。薄膜半導体の、光入射側と反対側には裏面電極１０２を設ける。透明電極及び裏面電極には、それぞれ導線を接続し、外部に電流を取り出す。

しかし、透明電極、裏面電極各々に導線を接続する場合、透明電極と裏面電極を接触させないように注意すべきである。各電極は厚さ１μｍ程度で高抵抗の薄膜半導体層１０３によって隔てられているだけである。特に裏面電極は透明電極及び薄膜半導体層に覆われている為直接接続できない。裏面電極へ、透明電極側から接続しようとすると、透明電極側との接触及び電流漏れを防ぐ為特殊な工夫をしなければならない。例えば、図１（２）に示すように、透明電極と半導体層のみを絶縁物１１２によって分断する事である。また、図１（３）に示すように、透明電極に導線１１３を接続する場合も、圧着すると半導体層を突き破り透明電極と裏面電極が接触してしまう。透明電極と裏面電極を接触させると、両電極間の電位差が失われる。

前記透明電極、裏面電極各々と導線を接続する場合、図１（４）に示すように、透明電極、裏面電極、半導体層を各々ずらせて形成すると便利である。前記透明電極、裏面電極、半導体層を各々ずらせて、各形状に形成する方法をパターニングと呼ぶ。パターニングを用いて形成した電極の場合、図１（５）に示すように、導線と各電極を圧着しても透明電極、裏面電極間は接触しない。そして電流漏れは発生しない。

パターニングの従来技術に、マスクによる方法がある（例えば特許文献１、特許文献２）。図２にマスクによる方法を用いた太陽電池の製造工程を示す。（１）まず透明基板２１１上に透明電極２０１を形成する。（２）透明電極２０１上に樹脂２０２を印刷し形成する。（３）透明電極２０１をエッチングする。透明電極２０１の樹脂２０２で覆った部分はエッチングされずに残る。（４）樹脂２０２を剥離する。（５）メタルマスク２２１と透明電極２０１の位置を合わせる。そして半導体層２０３を堆積形成する。メタルマスク２２１の開口部に半導体層２０３が堆積形成される。（６）メタルマスク２２２と半導体層２０３の位置を合わせる。そして裏面電極２０４を堆積形成する。メタルマスク２２２の開口部に裏面電極２０４が堆積形成される。前記（１）から（６）記載の工程でパターニングは完成する。

図２に於いて、透明電極２０１はフォトリソグラフィ方式と呼ばれるパターニング、半導体層２０３、裏面電極２０４はメタルマスク方式と呼ばれるパターニングで形成されている。フォトリソグラフィ方式と呼ばれるパターニングに於いては、印刷した樹脂がマスクとなり、マスクに覆われない部分の透明電極がエッチングされる。メタルマスク方式と呼ばれるパターニングに於いては、メタルマスクの開口部に半導体層、裏面電極層が堆積形成される。

マスクによるパターニングの問題点はマスク自体の製作、維持管理が大変なことである。フォトグラフィー方式に於いては、マスクとなる樹脂、印刷版、印刷機、乾燥機、樹脂除去液等が必要である。メタルマスク方式に於いては、メタルマスク上に堆積膜が堆積し、一定の膜厚に達したときに清掃しなければならない。またメタルマスクを使い捨てにする場合、メタルマスクの面積は太陽電池本体基板と同じ面積分製造することが必要である。

パターニングの従来技術は、他にレーザー切断による方法がある（例えば特許文献３、特許文献４）。図３にレーザー切断による方法を用いた太陽電池の製造工程を示す。（１）まず透明基板３１１上に透明電極３０１を堆積形成する。（２）レーザー３２１を走査し、透明電極３０１を切断する。（３）半導体層３０２を堆積形成する。（４）レーザー３２１を走査し、半導体層３０２を切断する。（５）裏面電極３０３を堆積形成する。（６）レーザー３２１を走査し、裏面電極３０３を切断する。前記図３（１）から（６）でパターニングは完成する。

レーザー切断による方法の問題点は、レーザー切断装置が高価なことである。レーザー切断装置にはレーザー光源とレーザーを走査する機構が必要である。レーザーを走査する機構にはＸＹステージやレーザー光反射鏡を動かす機構等がある。レーザー切断装置は複雑、高価である。
特開平１０−１２９０４特開２００１−１７７１３６特開平１０−２７９１８特開２０００−２５２３６０

太陽電池製造工程を簡素化し、工程で消費する材料、光熱費を少量に抑える。そして製造装置の簡素化及び低価格化を目的とする。具体的には、パターニング専用の高価な装置及び工程を省くことを目的とする。

本特許による方法は、基板上に半導体層を形成する時、基板の端を折り込むことによって基板自体をマスクとし、パターニングする方法である。基板は、搬送途中にある補助ローラーだけで基板端を折り曲げることができる。パターニング専用の高価な装置及び工程は不要である。

まず、基板端を基板裏面側に折り込む方法のパターニングを図４に示す。図４は基板の断面図を表している。基板４０１に於いて、堆積膜を飛来させる方向に曝した面を表面４１１、反対側の面を裏面４１２とする。図４（１）は基板４０１の基準状態とする。図４（１）に於いて、第一の工程として、基板端ａをＡの位置で裏面側に折り曲げる。すると図４（２）の状態になる。そして第一の堆積膜４０２を堆積形成し、図４（３）の状態になる。第二の工程では、まず基板端ａを基準状態に戻す。すると図４（４）の状態になる。そして第二の堆積膜４０３を堆積形成する。結果、図４（５）の状態になる。図４に示す方法により基板４０１上ｂＡ間に第一の堆積膜４０２、ｂａ間に第二の堆積膜４０３を堆積形成することができる。

次に基板端を基板表面側に折り込む方法のパターニングを図５に示す。図５（１）は基板５０１の基準状態とする。まず基板５０１を、図５（１）の状態から、Ａの位置で基板端ａを表面側に折り曲げ、図５（２）の状態にする。基板端ａは基板上ａ’の位置に重なる。そして第一の堆積膜５０２を堆積形成し、図５（３）の状態にする。次に基板端ａを基板の基準状態まで戻し、図５（４）の状態にする。そして第二の堆積膜５０３を堆積形成し、図５（５）にする。図５に示す方法によりｂａ’間に第一の堆積膜５０２、ｂａ間に第二の堆積膜５０３を堆積形成することができる。

図４や図５に示した、基板端を折り込む方法のパターニングを用いることによって、マスクを用いる方法や、レーザーを用いる方法に見られるようなマスクの製作、高価な装置等は不要になる。

本特許による方法のパターニングは、太陽電池と導線の接続部分に於いて、太陽電池出力電流の漏れが発生しないことを図６に示す。前記導線は各電極と接続し、太陽電池出力を外部に取り出すためのものである。太陽電池と導線の、一般的な接続状態を図６（１）に示す。裏面電極用導線６１１は裏面電極６０２に、透明電極用導線６１２は透明電極６０４に、それぞれ直接接続している。次に、前記各導線を基板６０１側に圧着した状態を図６（２）に示す。裏面電極用導線６１１は、裏面電極６０２に圧着しても、電極より下部は基板６０１が存在するだけである。基板６０１に絶縁物を使用した場合、電気的接続に影響を与えない。また、透明電極６０４と裏面電極用導線６１１は離れており接触しない。よって透明電極６０４と裏面電極６０２は短絡せず、漏れ電流は発生しない。透明電極用導線６１２は、圧着すると透明電極６０４を突き破り半導体層６０３、更に基板６０１にまで到達する可能性がある。しかし到達した場合でも、裏面電極６０２との間は高抵抗の半導体層６０３でと隔てられている。半導体層の厚さ６２１に比べて、裏面電極６０２と透明電極用導線６１２の距離６２２は十分長く取ることができ、漏れ電流は発生しない。

本特許による方法は、基板上に半導体層を形成する時、基板の端を折り込むことによって基板自体をマスクとし、パターニングする方法である。本特許である製造方法及び製造装置により、メタルマスクやレーザー等、パターニング専用の高価な装置及び工程は不要となる。本特許である製造方法及び製造装置により、パターニングは、太陽電池基板搬送装置中に設置する補助ローラーだけで基板端を折り曲げ、実施することができる。また、装置群の簡素化により設備償却費は削減できる。そして太陽電池製造原価も大幅に下げることができる。結果、本特許である製造方法及び製造装置により、安価な太陽電池の製造が容易になる。

図４に示した、基板端を裏面側へ折り込む方法のパターニングを用いることによって作製する薄膜太陽電池の形態が、実用的である。

本特許による方法で、帯状基板を用いて薄膜太陽電池を作製する方法を図７に示す。前記帯状基板は可撓性基板を使用する。図７は帯状基板の短尺側断面図を表している。

図７（１）に示す基板７０１の状態を基板の基準状態とする。基板７０１の紙面上方を基板表面７１１、下方を裏面７１２とする。まず、Ａの位置で基板右端ａを裏面７１２側へ折り込み、図７（２）の状態とする。そして裏面金属電極７０２を堆積形成し、図７（３）の状態とする。次に基板左端ｂを、Ｂの位置で裏面７１２側へ折り込み、図７（４）の状態とする。そしてｎ型半導体層７０３を堆積形成し、図７（５）の状態とする。今度は基板右端ａのみを基準状態の位置まで戻し、図７（６）の状態とする。その後ｉ、ｐ型半導体層７０４及び透明電極７０５を堆積形成し、図７（７）の状態とする。最後に基板左端ｂを基準状態の位置まで戻し、図７（８）の状態とする。図７に示したように、基板端を折り込み、太陽電池基板自体をマスクとする方法によるパターニングを用いることによって太陽電池が完成する。

尚、本実施例では基板と反対面から光を入射する薄膜太陽電池構造を示したが、基板７０１に透明基板を使用した場合、基板側から光を入射する薄膜太陽電池構造にしても良い。この場合、裏面金属電極７０２の代わりに透明電極を形成する。

また、本実施例ではｎ型半導体層７０３とｉ、ｐ型半導体層７０４の堆積順で太陽電池の作製方法を示したが、ｎ型とｐ型の導電型を入れ換え、ｐ型半導体層を７０３の位置に、ｉ、ｎ型半導体層を７０４の位置に堆積形成しても太陽電池は作製できる。

本特許による方法のパターニングで作成した太陽電池は、直列接続が容易にできる。前記太陽電池を直列接続して作製した太陽電池群を図８に示す。

非単結晶シリコン薄膜太陽電池は半導体層のｐｉｎ接合一段当たり、太陽光下で開放電圧が０．５Ｖ〜０．９Ｖ程度である。最適な電流を出力する場合、電圧は更に低くなる。この為バッテリーとの接続等実用上は太陽電池を直列接続し、太陽電池群として高い出力電圧で使用する場合が多い。

図８は、可撓性基板上に作成した太陽電池を直列接続した太陽電池群を示す。直列接続の終端に当たる太陽電池８４１の裏面電極側に裏面電極側取り出し用導線８３１を、他方の終端に当たる太陽電池８４３の透明電極側に透明電極側取り出し用導線８３２を、それぞれ接続する。太陽電池８４１と太陽電池８４２の接続部分は、留め具８２１によって接続する。また、太陽電池８４２と太陽電池８４３の接続部分は、ボルト８２２によって接続する。
留め具８２１やボルト８２２は例として挙げたものであるから全接続箇所に留め具を用いても、また全接続箇所にボルトを用いても良い。電極については、前記留め具８２１によって接続した部分で、太陽電池８４１の透明電極８０４ａと太陽電池８４２の裏面電極８０２ｂを接続する。同様に、前記ボルト８２２によって接続した部分で、太陽電池８４２の透明電極８０４ｂと太陽電池８４３の裏面電極８０２ｃを接続する。

図８に示す太陽電池群の漏れ電流を説明する。留め具８２１を強力に留めても、太陽電池８４１における透明電極８０４ａと裏面電極８０２ａ、太陽電池８４２における透明電極８０４ｂと裏面電極８０２ｂはそれぞれ接触することはない。つまり各太陽電池で発生した電位差は失われず、漏れ電流は発生しない。また、太陽電池８４２と太陽電池８４３の接続部分は、ボルト８２２によって接続している。前記接続部分では各太陽電池の電極層、半導体層と基板に穴を開けて接続しているが、太陽電池８４２における透明電極８０４ｂと裏面電極８０２ｂ、太陽電池８４３における透明電極８０４ｃと裏面電極８０２ｃはそれぞれ接触することはない。つまり各太陽電池で発生した電位差は失われず、漏れ電流は発生しない。更に、各取り出し用導線部分には外部から応力がかかる場合が多い。しかし本特許による方法のパターニングで作成した太陽電池構造では、各太陽電池における透明電極と裏面電極の接触が起こることはなく、出力特性は良好である。

図８には示していないが、太陽電池群の耐候性を高めるために、透明電極側にガラス板を、基板側に防湿板を設置し、前記二枚の板で太陽電池を封止すると良い。

本特許による方法のパターニングを用いた太陽電池製造装置を図９に示す。前記装置は、長尺の可撓性基板上に非単結晶シリコン薄膜太陽電池を形成する装置である。前記装置の基板搬送機構は、ロール状に巻かれた帯状基板を、そのロールから引き出し、引き出した前記帯状基板をロール状に巻き取るロールツーロール方式である。図９は帯状基板表面側から見たものである。図９では帯状基板巻き出し装置及び帯状基板巻き取り装置は省略している。帯状基板は帯状基板搬入側端９２１から帯状基板搬出側端９２２に向かって搬送する。

帯状基板搬入側端９２１から帯状基板を搬送する。９３１ａの位置での基板断面形状は９３１ｂの様になる。まず、断面形状変更用ローラー９１２及び補助ローラー９１１、９１３を使用し、基板右端を基板裏面側へ折り込む。９３２ａの位置での基板断面形状は９３２ｂの様になる。そして裏面電極形成用スパッタ装置９０１により、裏面電極アルミニウム薄膜を形成する。ここで、断面形状変更用ローラー９１４を使用し、基板左端を基板裏面側へ折り込む。９３３ａの位置での基板断面形状は９３３ｂの様になる。次に、前記裏面電極アルミニウム薄膜上に、非単結晶シリコン薄膜形成用ＣＶＤ装置９０２により、ｎ型非単結晶シリコン薄膜を形成する。ここで、断面形状変更用ローラー９１５を使用し、基板右端の折り込みを元の位置へ戻す。９３４ａの位置での基板断面形状は９３４ｂの様になる。そして非単結晶シリコン薄膜形成用ＣＶＤ装置９０３により、i型非単結晶シリコン薄膜を形成する。同様に、非単結晶シリコン薄膜形成用ＣＶＤ装置９０４により、ｐ型非単結晶シリコン薄膜を形成する。更に透明電極形成用スパッタ装置９０５により、透明電極酸化スズ薄膜を形成する。最後に、断面形状変更用ローラー９１６を使用し、基板左端の折り込みを元の位置へ戻す。９３５ａの位置での基板断面形状は９３５ｂの様になり、帯状基板搬出側端９２２から帯状基板を搬出、太陽電池は完成する。

本実施例に於ける太陽電池製造装置で分かるように、ロールツーロール方式の装置を使用し、基板搬送機構の一部である補助ローラー形状を工夫するだけで薄膜のパターニングを行うことができる。更に、長尺の可撓性基板上に太陽電池を作製することができる。つまり、本特許による方法のパターニングを用いた太陽電池製造装置に於いては、パターニング専用の高価な装置及び工程は不要である。

安価な太陽電池製造装置を提供できることにより太陽電池の設備投資において経済効果が大きい。

一般的な薄膜太陽電池の断面図パターニングの従来技術、マスクによる方法パターニングの従来技術、レーザー切断による方法基板端を基板裏面側に折り込む方法のパターニング基板端を基板表面側に折り込む方法のパターニング太陽電池と導線の接続部分に於ける太陽電池出力電流の漏れ本特許による方法を用いて基板上に薄膜太陽電池を形成する方法太陽電池を直列接続して作製した太陽電池群本特許による太陽電池製造装置

符号の説明

101:基板 102:裏面電極 103:半導体層 104:透明電極 105:光入射方向 106:裏面電極と透明電極の間の電位差
111:裏面電極側取り出し電極 112:絶縁物 113:透明電極側取り出し電極
201:透明電極 202:樹脂 203:半導体層 204:裏面電極
211:透明基板
221:メタルマスク 222:メタルマスク
301:透明電極 302:半導体層 303:裏面電極 311:透明基板
321:レーザー
401:基板 402:第一の堆積膜 403:第二の堆積膜
411:基板表面 412:基板裏面
501:基板 502:第一の堆積膜 503:第二の堆積膜
601:基板 602:裏面電極 603:半導体層 604:透明電極
611:裏面電極側取り出し電極 612:透明電極側取り出し電極
621:半導体層の厚さ 622:裏面電極と透明電極用導線の距離
701:基板 702:裏面電極 703:ｎ型半導体層 704:ｉ、ｐ型半導体層 705:透明電極
711:基板表面 712:基板裏面
801a:基板 802a-c:裏面電極 803a:半導体層 804a-c:透明電極
821:留め具 822:ボルト
831:裏面電極側取り出し用導線 832:透明電極側取り出し用導線
841:太陽電池一単位（１） 842:太陽電池一単位（２） 843:太陽電池一単位（３）
901:裏面電極形成用スパッタ装置 902:非単結晶シリコン薄膜形成用ＣＶＤ装置、ｎ層用 903:非単結晶シリコン薄膜形成用ＣＶＤ装置、ｉ層用 904:非単結晶シリコン薄膜形成用ＣＶＤ装置、ｐ層用 905:透明電極形成用スパッタ装置
911:補助ローラー 912:断面形状変更用ローラー 913:補助ローラー 914:断面形状変更用ローラー 915:断面形状変更用ローラー 916:断面形状変更用ローラー 917:補助ローラー
921:帯状基板搬入側端 922:帯状基板搬出側端
931a,932a,933a,934a,935a:基板上の位置
931b,932b,933b,934b,935b:基板断面形状

Claims

基板上に堆積膜原料を飛来させ堆積膜を形成してゆく半導体素子の製造方法であって、基板の、一方の面の端を、前記一方の面側又は前記一方の面の裏面側に折り込み、堆積膜原料を飛来させる方向から前記一方の面の端を隠し、前記一方の面の端を除く一方の面部分に第一の堆積膜を形成する第一の行程と、一方の面の端を、折り込みから元に戻し、堆積膜原料を飛来させる方向に曝し、一方の面上で、第一の堆積膜及び前記一方の面の端にわたって第二の堆積膜を形成する第二の工程を有する半導体素子の製造方法。
請求項１記載の基板は、帯状の可撓性基板であることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
請求項２記載の、半導体素子の製造方法に於いて、ロール状に巻かれた帯状基板を、そのロールから引き出し、引き出した前記帯状基板をロール状に巻き取るロールツーロール方式の基板搬送機構を用いることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
基板上に堆積膜原料を飛来させ堆積膜を形成してゆく半導体素子の製造装置であって、基板の、一方の面の端を、前記一方の面側又は前記一方の面の裏面側に折り込み、堆積膜原料を飛来させる方向から前記一方の面の端を隠し、前記一方の面の端を除く一方の面部分に第一の堆積膜を形成する第一の行程と、一方の面の端を、折り込みから元に戻し、堆積膜原料を飛来させる方向に曝し、一方の面上で、第一の堆積膜及び前記一方の面の端にわたって第二の堆積膜を形成する第二の工程を実施する機構を有する半導体素子の製造装置。
請求項４記載の基板は、帯状の可撓性基板であることを特徴とする、半導体素子の製造装置。
請求項５記載の、半導体素子の製造装置に於いて、ロール状に巻かれた帯状基板を、そのロールから引き出し、引き出した前記帯状基板をロール状に巻き取るロールツーロール方式の基板搬送機構を備えていることを特徴とする、半導体素子の製造装置。