JP2011088799A

JP2011088799A - 半導体装置の製造方法およびレーザー加工装置

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Publication number: JP2011088799A
Application number: JP2009245409A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Hosono; 彰彦細野; Akira Yamashita; 彰山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】比較的簡単な構成でレーザー光の加工時によって発生する加工くずが表面に付着することを防止するレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】透明基板に形成された薄膜を加工するレーザー加工装置であって、前記透明基板を保持する保持部と、前記透明基板の上面側からレーザー光を照射するレーザー光学系と、前記透明基板の下面側から前記レーザー光の照射領域に液体を吹き付けるノズルと、を備えた。下面側から液体を吹き付けるので、液体の除去が容易となり、液中に取り込まれた加工くずが薄膜表面に付着しにくい。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄膜太陽電池などの半導体装置の製造方法および、その製造過程で使用されるレーザー加工装置に関するものである。

半導体装置として、半導体材料からなる光電変換層を有する薄膜太陽電池が知られている。薄膜太陽電池は例えばガラス材料からなる基板上に、第１導電層、光電変換層、第２導電層が順に積層されて、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置である。太陽光を吸収し、電池としての役割を担うのは、光電変換層である。以下にそれらの層構成や太陽電池構造について簡単に説明する。

光電変換層の半導体材料としては、シリコンを主成分とするものが一般的に用いられており、アモルファスシリコンや微結晶シリコン、シリコンとゲルマニウムの混合材料などがある。これらの材料は、太陽光の波長によって、光の吸収率が異なることが知られている。短波長側はアモルファスシリコン、長波長側は微結晶シリコンの吸収係数が高く、その中間領域は、シリコン−ゲルマニウム混合材料が適している。光電変換層は、アモルファスシリコン単層構造もしくは、それに微結晶シリコンを積層した２層タンデム構造が、一般的である。これらのシリコン膜の光電変換層は、たとえばＳｉＨ_４ガスなどシリコンを含む原料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法などで形成することができる。その他の半導体材料としては、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物などの化合物半導体材料も用いられている。

光電変換層が変換した電力を取り出すために、光電変換層を挟む構造で第１導電層と第２導電層として電極が形成される。第１導電層と第２導電層とのうち、太陽光が入射する側にある電極は、透明性を有する透明導電膜材料などからなる電極となる。一方、第１導電層と第２導電層とのうち、太陽光が入射する側と反対に形成される裏面電極は入射光を光電変換層側に反射させる高反射率の金属材料などが用いられる。

屋外に設置する太陽電池では、その基板材料としてガラスが用いられることが多い。ガラス基板を太陽光入射側にして、薄膜太陽電池は裏面側とする、スーパーストレート構造もよく使用される。その場合、ガラス基板上には透明導電膜材料などからなる第１導電層、半導体材料からなる光電変換層、金属材料からなる第２導電層が順に積層された構造が一般的である。

このような薄膜太陽電池では、基板上の全面に形成された光電変換層を分離するために溝などを形成し、複数の単位セルごとに分割した集積型構造が用いられる。集積型構造において、光電変換層や電極を分割する溝は、分離したい部分にレーザービームを照射し、その熱作用で照射領域の光電変換層や電極を除去させるレーザースクライブ法などを用いて形成される。集積型構造では、ある単位セルの第１導電層とその隣の単位セルの第２導電層とが電気的に直列接続させる構造が一般的である。溝で分離された隣り合う単位セルの接続は、第１導電層（透明導電層）と第２導電層（裏面電極層）との接続で維持され、光電変換層に形成された溝間を通じて行われる。

そのようなレーザースクライブ法によって薄膜太陽電池を製造する手順はたとえば特許文献１に示されている。ガラス基板に透明導電層を堆積後、レーザースクライブ法で透明電極分離溝を形成し、その上に半導体からなる光電変換層を堆積後、その光電変換層にレーザースクライブ法で接続用開口溝を形成する。さらにその上に裏面電極層を形成した後、ガラス基板側からレーザービームを照射するレーザースクライブ法により、光電変換層と裏面電極層とをともに吹き飛ばして裏面電極分離溝を形成する。光電変換層が結晶質シリコン系材料の場合は、裏面電極分離溝内にできる熱影響部によって変換効率が低下する。そこで水酸化ナトリウム水溶液などで裏面電極分離溝内の熱影響部をエッチング除去する。

また、レーザービームによる加工では除去された材料の加工くずが被加工物表面に付着して問題を生じることがある。特許文献２にはＳｉ基板にレーザー光によりダイシング溝を加工する方法が示されている。水平に保持したＳｉ基板の上面に液体を供給しながらレーザー光を照射して溝を形成する。Ｓｉ基板の一方から液体は供給して他方から吸引する。この液体によって加工くずが被加工物表面に付着することを防止する。

特開２００１−１３５８４４号公報特開２００６−１２２９８２号公報

屋外に設置する太陽電池では一辺が１ｍを超える大型の基板が使用される。このようなエッチングを大型基板に対してレーザー加工部分にできる熱影響部を除去するために特許文献１のエッチングを行うには、大型のエッチング装置が必要となる。また、分離溝以外の部分もエッチングされてしまう問題がある。また、特許文献２のように液体を供給しながらレーザー光を照射する方法では加工くずの付着を抑制できるが、供給後の液体を全て吸引することは難しく、残った液体に残留した加工くずが表面に再付着してしまう恐れがある。

そこで本発明では、比較的簡単な構成でレーザー光の加工時によって発生する加工くずが表面に付着することを防止するレーザー加工装置を提供することを目的とする。また、透明基板に形成された薄膜をレーザー光で加工する工程を含む半導体装置の製造方法において、表面に加工くずが付着することを防止して、高品質な半導体装置を実現することを目的とする。

本発明のレーザー加工装置は、透明基板に形成された薄膜を加工するレーザー加工装置であって、前記透明基板を保持する保持部と、前記透明基板の上面側からレーザー光を照射するレーザー光学系と、前記透明基板の下面側から前記レーザー光の照射位置に液体を吹き付けるノズルと、を備えたレーザー加工装置とした。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、透明基板に形成された薄膜をレーザー光で加工する工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記加工する工程は、前記薄膜が形成された一方の面を下面として前記透明基板を保持した状態で、前記透明基板の上面側から入射したレーザー光を前記薄膜に照射して照射領域の前記薄膜を除去するとともに、前記透明基板の下面側から前記照射領域に向けて液体を吹き付けることを特徴とする半導体装置の製造方法とした。

本発明のレーザー加工装置は、下面側からレーザー光の照射位置に液体を吹き付けるノズルを備えたことにより、簡単な構成でレーザー光の加工時によって発生する加工くずが表面に付着することを防止することができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、下面側から前記照射領域に向けて液体を吹き付けることにより、レーザー光の照射時に照射位置に液体を供給するので、簡単な構成でレーザー光の加工時によって発生する加工くずが表面に付着することを防止でき、高品質な半導体装置を実現することができる。

実施の形態１のレーザー加工装置の構成を説明する斜視図である。実施の形態１のレーザー加工装置による加工例を示す斜視図である。実施の形態１のレーザー加工装置による加工例を示す断面図である。実施の形態２の半導体装置の製造方法で作製される薄膜太陽電池の製造プロセスを示した断面図である。実施の形態２の半導体装置の製造方法で作製される薄膜太陽電池の全体を示す斜視図である。実施の形態３のレーザー加工装置の構成を説明する断面図である。実施の形態４のレーザー加工装置の構成を説明する断面図である。

＜実施の形態１．＞
図１は本実施の形態１のレーザー加工装置の構成を説明する斜視図である。本実施の形態１のレーザー加工装置は透明基板に形成された薄膜の加工に適したレーザー加工装置である。透明基板を保持する保持部３と、保持部３に保持された透明基板の上面側からレーザー光５を照射するレーザー光学系４と、保持部３に保持された透明基板の下面側から前記レーザー光の照射領域に液体を吹き付けるノズル１１とを備えている。保持部３には加工する薄膜が下面となるように透明基板が保持される。なお、図は矩形の基板の加工に用いる装置の場であり、保持部３は枠状であって基板周辺部を保持する。保持部３の形状は種々に変更可能である。

レーザー光学系４は保持部３の上方に設置されている。レーザー光学系４は図には示さないがレーザー光源とレンズなどの光学部品などで構成される。レーザー光源は別の位置に設置され、その光源を光ファイバーやミラーなどで保持部３の上まで導く構成としてもよい。レーザー光源からの光は透明基板の上側から入射して、下面側の膜に照射される。下面側の膜での加工サイズに合わせてレンズ、絞りなどで適当なサイズ、形状に調整される。図のようにレーザー光５を集光して照射する場合は、下面側の膜とレーザー光学系４との間隔が一定する機構を備えることが望ましい。

レーザー光源としては、連続的に光を照射するたとえばアルゴンガスレーザー等であってもよいが、短時間のパルスを繰り返し照射するＹＡＧレーザーやエキシマレーザー等が半導体装置の膜加工に適している。レーザー光源の波長は加工される膜の性質によって適宜選択される。たとえばシリコンを主成分とする半導体膜を加工する際には、可視光の波長での吸収が大きい波長５３２ｎｍのＹＡＧの２倍波レーザーが適している。また、透明導電膜などは近赤外での吸収が大きい波長１０６４ｎｍのＹＡＧの基本波レーザーが適している。これらのレーザーを用いた場合、パルスでレーザー光を照射して、レーザー光のエネルギーにより照射位置の膜を蒸発除去して、穴をあける加工が行える。また、パルスでレーザー光の照射を繰り返しながら照射位置を透明基板の面内で移動すると、加工穴が連続して溝を形成することができる。

透明基板の面内のＸＹ方向の任意の位置に対してレーザー光５を照射することが可能となるように、保持部３とレーザー光学系４とを相対的に移動する走査機構を備える。たとえば図で示したように保持部３はレール２２とローラー２３の上に載せられてＸ方向に移動可能とした。アーム２１が保持部３に取り付けられて、このアーム２１が駆動機構２０によりＸ方向に移動されて、保持部３が直線移動する。一方、レーザー光学系４はアーム２８によってＹ方向に移動可能とされている。なお、本実施の形態１では走査機構がレール２２、ローラー２３、アーム２１、駆動機構２０、アーム２８などで構成されるが、他の構成であってもよい。また、レーザー光学系４を固定として保持部３をＸＹ方向に移動可能な構成としてもよいし、保持部３を固定してレーザー光学系４をＸＹ方向に移動可能な構成としてもよい。

ノズル１１には液体を供給するポンプ１０が接続される。保持部３の下部には液体を吹き付けた後の液体を受けるための水受け６が設置される。また本実施の形態１では、水受け６内の液体をポンプ１０で循環して使用する。水受け６からポンプ１０への液体の経路の途中には液体中の微粒子を捕集するフィルタ９が設置されている。このような循環する構成としたのでレーザー加工装置の下部にコンパクトに収めることができる。なお外部からノズル１１に常に新しい液体が供給されて、水受け６の液体を排出する構成にしてもよい。その場合にはフィルタ９は不要である。なお微粒子を捕集するフィルタ９として遠心分離や電界等を利用した微粒子捕集装置を用いてもよい。

ノズル１１から供給する液体はレーザー光５の照射位置に供給される。アーム２８はレーザー光学系４の移動にあわせてノズル１１もＹ方向に移動する。ポンプ１０とノズル１１との間はフレキシブルな液体チューブ１５で接続される。なお、レーザー光学系４を固定で保持部３がＸＹ方向に移動する構成とすると、ノズル１１も固定でよく、アーム２８は不要となり、液体チューブ１５もフレキシブルである必要はない。

図２は本実施の形態１のレーザー加工装置による加工例を示す斜視図である。また、図３は本実施の形態１のレーザー加工装置による加工例を示す断面図である。図３において水受け６やノズル１１は、これらを取り囲むカバー７内に設置されて、使用する液体８が装置外部に飛散することを防止している。

図２では透明基板を矢印の方向に基板を移動しながら、透明基板１の下面１ｂに付着する薄膜２にレーザー光Ｌを集光して照射し、互いに連続した穴からなる溝１９を薄膜２に形成する加工の様子を示している。このような溝加工はレーザースクライブ加工として知られている。レーザー光Ｌの照射領域３０では薄膜２が非常に高温となって下面１ｂから剥離するので穴が形成される。

このとき、剥離した薄膜２の物質は照射領域３０に液体８を供給しない場合には微粒子となって放散し、その一部が薄膜２表面や溝１９内に付着して問題となる。本実施の形態１では図３のように基板の下面側から液体８を照射領域３０に吹き付けているので、剥離した薄膜２の物質は液体８内に取り込まれ、その後、図３のように液体８は重力によって基板の下の水受け６内に落下する。

供給される液体８は照射領域３０を覆うようにされる。液体８が下面１ｂ側を覆う領域は照射領域３０を含んで照射領域３０よりも大きい。たとえば照射領域３０の径が数１０ミクロンである場合に、液体８が下面１ｂ側を覆う領域のサイズを数ｍｍ〜数ｃｍの内径の円や楕円状としてもよい。そのサイズはノズル１１から吹き付ける液体の流量、圧力やノズル１１の位置や形状によって調整可能である。

液体８は例えば純水であり、この純水を高圧状態、または超音波振動（メガソニック）により微粒子化した状態、もしくは空気と混合され微粒子化した２流体の状態で噴射されるようにしてもよい。あるいは、これらを組み合わせた構成、構造でも良い。これらの場合でも照射領域３０の下面１ｂ側を液膜が覆っていることが望ましい。

供給された液体８は重力により速やかに落下するので、液体８中の加工くずが表面に再付着することも減少させることができる。液体８を除去するのに重力を利用するので構成が非常に簡単である。照射領域３０周辺が高温となって加工部周辺が熱で劣化することも防止できる。

また、透明基板の上面側からレーザー光５を照射して下面１ｂ側の薄膜２を加工し、その照射領域３０に液体８が供給されるので、膜表面側からレーザー光５を照射して、その膜表面側から液体８を供給する加工と比べて、レーザー光学系４からのレーザー光５が薄膜に到達する経路に液体８がない。このため、レーザー光５が液体８によって散乱されることがなく、高精度の加工が簡単である。

照射領域３０に吹き付ける液体８はどの方向から吹き付けても効果を有するが、基板を移動しながら溝加工する際には図３に示したように、走査後方側から斜めに液体８を吹き付けるようにするとよい。溝１９内にはノズル１１から加工くずを含まない液体８が吹き付けられ、照射領域３０で加工くずを含有した液体８は、加工済みの走査後方側からまだ加工されていない前方側に向かって薄膜２の表面を流れ、その後に下に落下する。このため、溝１９内やその周辺の薄膜２表面には加工くずがほとんど付着しなくなる。また、その反対側の薄膜２表面に液中の加工くずが微量付着しても、その後に薄膜２が加工される際に除去される。なお、図１や図３のレーザー加工装置はこのような溝加工を行うのに適するように、ノズル１１の液体８を噴出する先端は照射領域３０に向かって斜め上方に向けて設置される。

また、このような液体８を噴出するノズル１１は照射領域３０に対して複数設置して、複数方向から供給してもよいし、照射領域３０を周囲から取り囲む先端形状を有するノズル１１から供給してもよい。また、基板を往復走査させながら往復時に溝加工を行う場合には、往復それぞれのノズル１１を備えて、往方向と復方向とで液体８を供給するノズル１１を切り替えるようにするとよい。

以上のように実施の形態１のレーザー加工装置は透明基板に形成された薄膜を加工するレーザー加工装置であって、透明基板を保持する保持部３と、保持部３に保持された透明基板の上面側からレーザー光５を照射するレーザー光学系４と、保持部３に保持された透明基板の下面側からレーザー光の照射領域３０に液体８を吹き付けるノズル１１と、を備えている。これにより、簡単な構成でレーザー光の加工時によって発生する加工くずが表面に付着することを防止することができる。さらに付着した場合においても即座に取り除くことができる。

また、レーザー光学系４と保持部３とを相対的に移動する走査機構を備え、ノズル１１が走査後方側から照射領域に液体８を吹き付けるノズル１１であるので、溝などの加工後の表面に加工くずが付着することをさらに防止できる。

また、供給する液体８に超音波振動を付与したり、空気を混合して２流体にしたりすると、液中の加工くずが表面に付着することに効果がある。

＜実施の形態２．＞
次に、このレーザー加工装置を用いた半導体装置の製造方法として薄膜太陽電池の製造について説明する。なお、半導体装置として薄膜シリコントランジスタ等にも応用可能である。

まず薄膜太陽電池の構造について概略を説明する。図５は本実施の形態２の半導体装置の製造方法で作製される薄膜太陽電池の全体を示す斜視図である。図５のように薄膜太陽電池１００は、透光性絶縁基板５１上に形成された短冊状（矩形状）の単位セル５０を複数備え、これらの単位セル５０が電気的に直列に接続された構造を有する。単位セル５０は、図５に示すように透光性絶縁基板５１と、透光性絶縁基板５１上に形成され第１電極層となる透明電極層５２と、透明電極層５２上に形成される薄膜半導体層である光電変換層５４と、光電変換層５４上に形成され第２電極層となる裏面電極層５６と、が順次積層された構造を有する。

透光性絶縁基板５１上に形成された透明電極層５２には、矩形の透光性絶縁基板５１の一方の辺と略平行な方向に延在するとともに透光性絶縁基板５１に達するストライプ状の第１の溝７１が形成されている。この第１の溝７１の部分に光電変換層５４が埋め込まれることで、透明電極層５２が隣接する単位セル５０に跨るようにセル毎に分離されて形成されている。

また、透明電極層５２上に形成された光電変換層５４には、第１の溝７１と異なる箇所において透光性絶縁基板５１の一方の辺と略平行な方向に延在するとともに透明電極層５２に達するストライプ状の第２の溝（接続溝）９１が形成されている。この第２の溝（接続溝）９１の部分に裏面電極層９６が埋め込まれることで、裏面電極層５６が透明電極層５２に接続される。そして、該透明電極層５２が隣接する単位セル５０に跨っているため、隣り合う２つのセルの一方の裏面電極層５６と他方の透明電極層５２とが電気的に接続されている。

また、裏面電極層５６および光電変換層５４には、第１の溝７１および第２の溝（接続溝）９１とは異なる箇所で、透明電極層５２に達するストライプ状の第１の溝９２が形成されて、各単位セル５０が分離されている。このように、単位セル５０の透明電極層５２が、隣接する単位セル５０の裏面電極層５６と接続することによって、隣接する単位セル５０が電気的に直列接続している。

次にこの薄膜太陽電池１００の製造手順について説明する。図４は本実施の形態２の半導体装置の製造方法で作製される薄膜太陽電池の製造プロセスを示した断面図であり、特に隣接する単位セル間付近を拡大した図である。

まず、透光性絶縁基板５１を用意する。ここでは、透光性絶縁基板５１として平板状の白板ガラスを用いる。この透光性絶縁基板５１の一面側に透明電極層５２として透明導電膜であるＺｎＯ膜をスパッタリング法により形成する（図４（ａ））。また、透明導電膜を構成する材料として、ＺｎＯ膜の他にＩＴＯ、ＳｎＯ_２などの透明導電性酸化膜や、導電率向上のためにこれらの透明導電性酸化膜にＡｌなどの金属を添加した膜を用いることができる。また、成膜方法として、ＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いてもよい。成膜条件の調整や、成膜後の酸によるエッチング等の方法で透明電極層５２の表面を粗面化してもよい。

次に、透明電極膜の一部を透光性絶縁基板５１の一辺と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、短冊状にパターニングし、複数の透明電極層５２に分離する（図４（ｂ））。透明電極層５２のパターニングは、レーザースクライブ法により、透光性絶縁基板５１の一辺と略平行な方向に延在して透光性絶縁基板５１に達するストライプ状の第１の溝７１を形成することで行う。

ここでのレーザースクライブ法は、図１に示したレーザー加工装置に、透明電極層５２が下面側となるように透光性絶縁基板５１を設置の後に、上面側からレーザー光Ｌ１を入射して透明電極層５２を加工する。レーザー光Ｌ１として波長１０６４ｎｍのＹＡＧ基本波レーザー光を使用するとよい。上で述べたようにレーザー光Ｌ１をパルス状に照射しながら透光性絶縁基板５１を移動することで、穴がつながって溝が形成される。レーザー光Ｌ１をパルス状に照射する際に、下面側から照射領域に液体として水を吹きつける。水を吹きつけながらレーザー加工するので、形成される第１の溝７１内や、透明電極層５２の上に加工くずが付着しにくい。

なお、このようにガラス基板２上に基板面内で互いに分離された複数の透明電極層５２を得る工程は、必ずしもレーザースクライブ法によって行われずともよく、写真製版などで形成したレジストマスクを用いてエッチングする方法や、メタルマスクを用いた蒸着法などの方法でも可能である。

次に、第１の溝７１を含む透明電極層５２上に半導体材料からなる光電変換層５４をプラズマＣＶＤ法により形成する（図４（ｃ））。光電変換層５４として、透明電極層５２側からｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、ｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層を順次積層形成する。光電変換層５４として非晶質シリコンを用いてもよく、また異なる半導体材料からなる複数の光電変換層を積層した構造を有していてもよい。

次に、このようにして積層形成された光電変換層５４に、上で述べた透明電極層５２と同様にレーザースクライブによってパターニングを施す（図４（ｄ））。すなわち、光電変換層５４の一部を透光性絶縁基板５１の一辺と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、光電変換層５４を短冊状にパターニングし、分離する。光電変換層５４のパターニングは、レーザースクライブ法により、第１の溝７１と異なる箇所に、透光性絶縁基板５１の一辺と略平行な方向に延在して透明電極層５２に達するストライプ状の第２の溝（接続溝）９１を形成することで行う。

ここでのレーザースクライブ法は、図１に示したレーザー加工装置に、光電変換層５４が下面側となるように透光性絶縁基板５１を設置の後に、上面側からレーザー光Ｌ２を入射して光電変換層５４を加工する。レーザー光Ｌ２は加工する膜面と反対側の基板面から入射する。レーザー光Ｌ２として波長５３２ｎｍのＹＡＧの２倍波レーザー光を使用するとよい。この波長の光は透明電極層５２での吸収が小さく、光電変換層５４での吸収が大きいので、透明電極層５２を残したまま光電変換層５４のみを加工できる。上で述べたようにレーザー光Ｌ２をパルス状に照射しながら透光性絶縁基板５１を走査することで、穴がつながって溝が形成される。レーザー光Ｌ２をパルス状に照射する際に、下面側から照射領域に液体として水を吹きつける。水を吹きつけながらレーザー加工するので、形成される第２の溝９１内や、光電変換層５４の上に加工くずが付着しにくい。また、第２の溝９１内に加工くずがほとんど付着しないので、レーザースクライブ法で一般に行われていた加工後の洗浄工程を省くこともできる。

なお、透明電極層５２を残したまま光電変換層５４のみを除去する加工条件は膜の構成で異なるが、例えば光電変換層がＳｉ系の厚さ３μｍ程度の膜である場合には、波長５３２ｎｍのＹＡＧ２倍波レーザーを用い、繰り返し周波数２０ｋＨｚ、照射領域におけるレーザーパターン径５０μｍ、照射パワー０．２Ｗ、ビームの送り速度８００ｍｍ／秒などの条件で膜除去が可能である。これは一例であって光電変換層や裏面電極層の厚みや材料により適切な条件を選べばよい。

また、レーザー光Ｌ２の照射領域に吹き付ける液体として水が最も扱いやすいが、水に限らず他の液体としてもよい。液体中に室温〜１５０℃程度で揮発可能な物質が混入されていてもよい。たとえばシリコンの加工に対してはシリコンを酸化する作用のある過酸化水素やオゾンを含有する水とするとよい。その場合、加工によって発生するシリコンの微粒子の加工くずが酸化されて、第２の溝９１内や、光電変換層５４の上により付着しにくくなり、また付着しても酸化された粒子であれば電気的な問題を生じにくい。また、図１のように液体を循環して使用する場合は、吹き付ける水中に電気的な問題を生じる可能性がある導電性のシリコン微粒子が混入しづらくなるので特に有効である。さらに、薄膜太陽電池の場合、加工溝内面のシリコン表面が酸化されると、次工程で形成される裏面電極層５６と光電変換層５４との接触が防止できるのでリークを減少させることができる。

次に、光電変換層５４上および第２の溝（接続溝）９１内に裏面電極層５６として光電変換層５４上に例えば銀（Ａｇ）をスパッタリング法により成膜する（図４（ｅ））。このとき、第２の溝９１内を銀（Ａｇ）などの金属層が満たすような条件で金属層を形成する。また、金属層の成膜方法として、ＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いてもよい。図には示さないが、裏面電極層５６である銀（Ａｇ）などの金属層と光電変換層５４との間にＺｎＯ膜などの透明電極層を挟んでもよい。なお、透明電極層を挟む場合は第２の溝９１を形成する前に光電変換層５４上に形成しておいてもよい。

次に、裏面電極層５６および光電変換層５４の一部を透光性絶縁基板５１の一辺と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して短冊状にパターニングして複数の単位セル５０に分離する（図４（ｆ））。パターニングは、レーザースクライブ法により、第１の溝７１および第２の溝（接続溝）９１とは異なる箇所に、それらの溝と略平行な方向に延在して透明電極層５２に達するストライプ状の第３の溝（分離溝）９２を形成することで行う。なお、反射率の高い裏面電極層５６にレーザーを直接吸収させるのは困難なので、光電変換層５４にレーザー光エネルギーを吸収させて、光電変換層５４とともに裏面電極層５６を局所的に吹き飛ばすことによって複数の単位セル５０に対応させて分離される。これにより図４（ｆ）において隣り合う単位セル５０はＵＣ１とＵＣ２に分けられる。ＵＣ１とＵＣ２との間は第１の溝７１、第２の溝（接続溝）９１、第３の溝（分離溝）９２からなる領域ＣＡとなる。領域ＣＡはＵＣ１とＵＣ２とを分離および接続する領域である。光電変換は主としてＵＣ１やＵＣ２の領域で行われ、領域ＣＡはほとんど発電に寄与しないので、電気的に良好な分離と接続が実現できれば、領域ＣＡの幅をＵＣ１やＵＣ２に対してなるべく狭くすることが望ましい。

ここでのレーザースクライブ法も上の第２の溝（接続溝）９１を形成した工程と同様に、図１に示したレーザー加工装置に、光電変換層５４と裏面電極層５６とが下面側となるように透光性絶縁基板５１を設置の後に、上面側からレーザー光Ｌ３を入射して光電変換層５４とともに裏面電極層５６を加工する。レーザー光Ｌ３として波長５３２ｎｍのＹＡＧの２倍波レーザー光を使用するとよい。この波長の光は透明電極層５２での吸収が小さく、光電変換層５４での吸収が大きいので、透明電極層５２を残したまま光電変換層５４のみを加工できる。上で述べたようにレーザー光Ｌ２をパルス状に照射しながら透光性絶縁基板５１を移動することで、穴がつながって溝が形成される。加工条件は、上で述べた光電変換層５４の加工条件と同様としてもよいし、積層膜が増した分、レーザー光の出力を増してもよい。レーザー光Ｌ３をパルス状に照射する際に、下面側から照射領域に液体として水を吹きつける。水を吹きつけながらレーザー加工するので、形成される第３の溝９２内や、裏面電極層５６の上に加工くずが付着しにくい。また、第３の溝９２内に加工くずがほとんど付着しないので、レーザースクライブ法で一般に行われていた加工後の洗浄工程を省くこともできる。

また、レーザー光Ｌ３の照射領域に吹き付ける液体として水が最も扱いやすいが、水に限らず他の液体としてもよい。たとえばシリコンに対して酸化作用のある過酸化水素やオゾンを含有する水であってもよい。加工によって発生するシリコンの微粒子の加工くずが酸化されて、第３の溝９２内や、光電変換層５４の上により付着しにくくなり、また付着しても酸化された粒子であれば電気的な問題を生じにくい。また、図１のように液体を循環して使用する場合は、吹き付ける水中に電気的な問題を生じる可能性がある導電性のシリコン微粒子が混入しづらくなるので特に有効である。さらに、薄膜太陽電池の場合、加工溝内面のシリコン表面が酸化されると、後の工程で導電性物質が付着するなどによるリークも防止できる。

図には示さないが、この後さらに、基板周辺部の膜を除去するエッジデリーション工程がおこなわれる。これは基板周辺部の電気的な絶縁性を確保するための工程である。この工程では基板の縁から、少なくとも一定の幅以上の導電性の膜が基板全周にわたって剥離される。また、ここでは透明電極層５２、光電変換層５４、裏面電極層５６が全て除去される。機械的に剥離することも可能であるが、実施の形態１と同様のレーザー加工装置で加工することができる。基板側の透明電極層５２がＳｎＯ_２系の材料であって、光電変換層５４と裏面電極層５６の材料と構造が上で述べたレーザースクライブの場合と同じ構成の場合には、たとえばその加工条件を、レーザー光の波長１０６４ｎｍ（ＹＡＧ基本波）、照射領域におけるレーザーパターン６００μｍ角、照射パワー１３６Ｗ、ビーム送り速度１５００ｍｍ／秒などとすると、全ての膜除去が可能である。本条件も加工条件の一例であり各電極層や光電変換層の厚みや材料により、適切な条件を選べばよい。

以上のような工程を経て図５に示される薄膜太陽電池１００が完成する。さらに、直列に接続された両端の単位セルの電極に配線を接続し、薄膜太陽電池１００の膜表面をバックシートなどの保護材で覆い、そのバックシートの一部から配線を外部に取出すことで薄膜太陽電池モジュールとなる。

以上のように、透明基板に形成された薄膜をレーザー光で加工する工程を含む半導体装置の製造方法であって、レーザー光で加工する工程は、薄膜が形成された一方の面を下面として透明基板を保持した状態で、透明基板の上面側から入射したレーザー光を薄膜に照射して照射領域の薄膜を除去するとともに、透明基板の下面側から照射領域に向けて液体８を吹き付けるので、剥離した薄膜の加工くずは液体８内に取り込まれ、その後、液体８は重力によって基板の下の水受け６内に落下する。供給された液体８は重力により速やかに落下するので、液体８中の加工くずが表面に再付着することも減少させることができる。また、液体８を除去するのに重力を利用するので構成が非常に簡単である。加工くずの付着が少ないことにより、高品質の半導体装置を実現することが可能となる。

また、透明基板の上面側からレーザー光５を照射して下面側の薄膜を加工し、その照射領域に液体８が供給されるので、膜表面側からレーザー光５を照射して、その膜表面側から液体８を供給する加工と比べて、レーザー光学系４からのレーザー光５が薄膜に到達する経路に液体がない。このため、レーザー光５が液体によって散乱されることがなく、高精度の加工が簡単である。

また、レーザー光の照射領域を光電変換層に対して走査しながら加工する工程では、たとえば溝が形成された走査後方側から未加工の前方側に向かって液体８が流れるように吹き付けられるので、加工済みの部分に加工くずの付着がより少なくなる。

また、吹き付ける液体８として、半導体材料を酸化させる過酸化水素またはオゾンを含有させた水を用いることにより、さらに加工くずの付着防止や液中の加工くずによる電気的な影響を抑制することができる。

また、吹き付ける液体８として、弱いエッチング作用を有するアルカリ成分、たとえばアンモニアやＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を含有する水溶液としてもよい。アンモニアは揮発性であり、ＴＭＡＨは表面に微量残留しても１４０℃程度の加熱で容易に分解除去できる。加工くずとして発生するシリコン微粒子や加工溝内面のシリコン表面の微細を溶解するので、さらに加工くずの付着を防ぐことに効果がある。化学的なエッチングは高温になるほど速度が上がるので、レーザー光５による加熱によって加工部周辺のみが局所的にエッチングされるように液体８中のエッチング成分の濃度等を調整するとよい。これにより加工部周辺以外には影響を抑制しながら、加工部やその極近傍のみ表面を滑らかにするなどの効果も得られる。なお、アルカリ成分の材料や濃度は、薄膜太陽電池を構成するシリコン以外の物質である透明電極層５２等への影響等を考慮して調整するとよい。また、被加工膜が金属膜などであれば、その金属に対して弱いエッチング作用を有する酸成分を有するようにしてもよい。

また、エッジデリーション工程においては、吹き付ける液体８として透明電極層５２に対してエッチング作用を有する液体を用いてもよい。たとえば、透明電極層５２がＺｎＯを主成分とするとき、液体８として希塩酸や酢酸などのカルボン酸を用いるとよい。レーザー光の加熱効果により液体８のエッチング作用が高まって、照射領域３０の透明電極層５２が効率的に除去され、加工くずの付着も少なくなる。また、このような透明電極層５２と光電変換層５４とをともに除去する場合に、液体として透明導電膜をエッチングする液体を用いると、レーザーとして光電変換層５４に吸収が大きい可視レーザーを用いることもできる。光電変換層５４が可視レーザーの熱で剥離されるとともに、その熱により液体のエッチング作用が高まり透明電極層５２が除去される。光電変換層５４のみを加工する工程では液体として純水を使用し、透明電極層５２と光電変換層５４とを同時に除去する工程では液体として透明電極層５２のエッチング液を用いるとよい。このように工程により液体の性質を変えることで、異なる材料の加工が共通のレーザー光源で行え、装置構成が簡単となる。また、透明導電膜をエッチングする液体を透明電極層５２に第１の溝７１を形成する工程に用いてもよい。

＜実施の形態３．＞
図６は本実施の形態３のレーザー加工装置の構成を説明する断面図である。本実施の形態３のレーザー加工装置は、実施の形態１のレーザー加工装置のノズル１１の走査後方に、さらにガスを吹き付けて透明基板１の下面に付着した液体を除去するブロワ１２を備えたものである。ブロワ１２には、コンプレッサやボンベなどのガス供給装置１３からガスチューブ１６を経て、圧縮空気や窒素ガス等が供給される。供給されたガスはブロワ１２の先端から透明基板１の下面に向かって吹きつけられる。吹き付ける位置はレーザー加工後の基板下面領域であり、吹きつけられたガスによってその部分に付着した液体が吹き飛ばされる。吹き飛ばされた液滴は水受け６内に落下する。また、水受け６、ノズル１１、ブロワ１２は、これらを取り囲むカバー７内に設置されて、使用する液体が、装置外部に飛散することを防止する。

このように、レーザー光学系４と保持部３とを相対的に移動する走査機構を備え、ノズル１１の走査後方からガスを吹き付けて透明基板１に付着した液体を除去するブロワ１２を備えることにより、たとえ付着した液体中に加工くずやゴミなどが混入していても、液体が乾燥する前に透明基板１から除去されるので、より清浄な加工表面が得られる。液中に混入した加工くずやゴミは一旦乾燥すると非常に強固に付着して洗浄が困難となるので、このように液体とともに速やかに除去されることが望ましい。また、レーザー加工処理後の透明基板１には加工くずや液体がほとんど付着していないので、洗浄や乾燥処理を省いて次の処理工程へ速やかに移行させることが容易となる。

また、本実施の形態３のレーザー加工装置によれば、被加工物に対してエッチング作用を有する液体を使用した場合にも、付着した液体が速やかに吹き飛ばされるので、加工後に液体が付着した特定部分のエッチング量が大きくなることを防止できる。

なお、図には示さないが、保持部３が透明基板１を下から支える構造である場合に、保持部３付近からガスを透明基板１に吹き付けるようにしてもよい。保持部３が透明基板１に接する部分周辺に液体が残留することを防止できるので、より清浄な加工表面が得られる。

＜実施の形態４．＞
図７は本実施の形態４のレーザー加工装置の構成を説明する断面図である。本実施の形態４のレーザー加工装置は、実施の形態１と同様であるが、液体に炭酸ガスを含有させた炭酸水１８を用いる。また、炭酸水１８中の炭酸ガスの濃度を水のｐＨ（水素イオン濃度指数）を測定することで管理する。図のように水受け６内の炭酸水１８に、ｐＨ電極４１が浸漬して、そのｐＨ電極４１に接続されたｐＨ計４０が水受け６の外に設置する。

ここで炭酸水１８中の炭酸ガスの濃度は、たとえば室温での飽和濃度よりも少し低い程度の値とするとよい。炭酸ガスは２５℃の水１Ｌに対して気体として０．７〜０．８Ｌ溶解するので、たとえば水１Ｌに気体として０．３〜０．６Ｌ程度の炭酸ガスが溶解した炭酸水１８を使用する。炭酸ガスの溶解量とｐＨには一定の関係があり、ｐＨの濃度を測定することで濃度管理が可能である。たとえば２５℃の飽和濃度におけるｐＨが４弱であるので、ｐＨをそれよりも少し高い４．１〜４．３などとするとよい。

上記のように炭酸ガスは水に対して溶解度が大きいガスであり、また溶解して得られた炭酸水１８は弱酸性である。この炭酸水１８は多くの半導体材料、金属材料、無機材料に対してエッチング作用をほとんど示さない。一方、炭酸の電離によって導電性を有するので、表面の帯電を防止するのに有効である。このため、膜や加工表面をエッチングや劣化などの現象を生じることが少なく、加工くずやゴミが静電的に付着することを抑制できる。なお、このような導電性のみ効果を得るのであれば、上記のように炭酸水１８を高濃度にすることは必須でなく、ｐＨが４．５〜５．５程度としてもよい。

炭酸ガスの水に対する溶解度は温度の上昇とともに低下する。たとえば、４０℃の水では気体として溶解度は０．３〜０．４Ｌと減少し、さらに高温になるにつれてさらに低下する。従って、上で述べたように室温での飽和濃度よりも少し低い程度の炭酸水１８を照射領域３０に供給すると、レーザー光５の照射領域３０付近で高温に加熱された炭酸水１８からは炭酸ガスが気泡として析出する。液体中や加工表面の加工くずはこの気泡とともに除去されやすくなる。なお、炭酸ガスの気泡の一部は大気中に放出され、一部は温度低下とともに再び水に溶解する。

レーザー光５の加熱によって、炭酸水１８中の炭酸ガス濃度が所定の値から減少した場合は、炭酸水１８を新規な液に交換するか、炭酸水１８中に炭酸ガスを通じて濃度を増加する。ｐＨ計４０の出力を利用して炭酸水１８のｐＨ値が一定の値となるように炭酸を自動供給するようにしてもよい。

以上のように液体として炭酸ガスを含有させた水を用いることにより、レーザー加工による加工くずを抑制することが容易である。また、炭酸水は揮発性で扱いが容易であり、特に飽和濃度より少し低い液を用いたため、液の保存などの取り扱いに優れる。このようなレーザー加工装置を、実施の形態２のような半導体装置の製造方法に適用することにより、加工くずの付着が少なく、高品質の半導体装置を実現することが容易となる。

以上の実施の形態において、保持部３は基板全周の周囲を保持する形状としたが、保持されない部分があってもよい。また、レーザー加工しない領域の上面を吸盤等で吸着保持する構成でも良い。そのような保持部３を使用すると、基板周辺部までレーザー加工することが容易となる。また、保持部３の基板を保持する位置が照射領域からずれるようにレーザー光の照射領域の移動にあわせて保持位置も移動するようにしてもよい。そのような保持具３とすることで、エッジリーテーション工程など基板周辺部の全周にわたって半導体膜を加工することが容易となる。

また、以上の実施の形態において、ある実施の形態内で述べられた技術的特徴を、技術的な矛盾が生じない範囲内で別の実施の形態内に適用してもよい。また、実施の形態１、２、４内で述べた液体は、加工表面側から液体を供給する従来の方法や装置等に適用しても、その液体とレーザー加工との相乗効果による効果が得られる。

１透明基板、１ｂ下面、２薄膜、３保持部、４レーザー光学系、５レーザー光、６水受け、７カバー、８液体、９フィルタ、１０ポンプ、１１ノズル、１５液体チューブ、１６ガスチューブ、１９溝、２０駆動機構、２１アーム、２２レール、２３ローラー、２８アーム、３０照射領域、５０単位セル、５１透光性絶縁基板、５２透明電極層、５４光電変換層、５６裏面電極層、７１第１の溝、９１第２の溝（接続溝）、９２第３の溝（分離溝）、１００薄膜太陽電池、Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３レーザー光。

Claims

透明基板に形成された薄膜をレーザー光で加工する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記加工する工程は、前記薄膜が形成された一方の面を下面として前記透明基板を保持した状態で、前記透明基板の上面側から入射したレーザー光を前記薄膜に照射して照射領域の前記薄膜を除去するとともに、前記透明基板の下面側から前記照射領域に向けて液体を吹き付けることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１に記載した半導体装置の製造方法であって、
前記加工する工程は、前記レーザー光の照射領域を前記光電変換層に対して走査しながら加工する工程であって、前記液体は走査後方側から前方側に向かって流れるように前記照射領域に吹き付けられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載した半導体装置の製造方法であって、
前記加工する工程は、前記レーザー光の照射領域を前記光電変換層に対して走査するとともに、前記ノズルの走査後方からガスを吹き付けて、前記透明基板に付着した前記液体を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載した半導体装置の製造方法であって、
前記液体として過酸化水素またはオゾンを含有させた水を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載した半導体装置の製造方法であって、
前記液体として炭酸ガスを含有させた水を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載した半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置は透明導電膜を有し、
前記液体が前記透明導電膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
透明基板に形成された薄膜を加工するレーザー加工装置であって、
前記透明基板を保持する保持部と、前記保持部に保持された前記透明基板の上面側からレーザー光を照射するレーザー光学系と、前記保持部に保持された前記透明基板の下面側から前記レーザー光の照射領域に液体を吹き付けるノズルと、を備えたレーザー加工装置。
請求項７に記載したレーザー加工装置であって、
レーザー光学系と保持部とを相対的に移動する走査機構を備え、前記ノズルは走査後方側から照射領域に液体を吹き付けるノズルであることを特徴とするレーザー加工装置。
請求項７または８に記載したレーザー加工装置であって、
レーザー光学系と保持部とを相対的に移動する走査機構を備え、前記ノズルの走査後方からガスを吹き付けて前記透明基板に付着した前記液体を除去するブロワを備えることを特徴とするレーザー加工装置。