特許 7547270 半導体ウエハ及び太陽電池セル製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-30

(45)【発行日】2024-09-09

(54)【発明の名称】半導体ウエハ及び太陽電池セル製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0224 20060101AFI20240902BHJP

   H01L 31/18 20060101ALI20240902BHJP

   H01L 31/068 20120101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

H01L31/04 260

H01L31/04 460

H01L31/06 300

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021052580

(22)【出願日】2021-03-26

(65)【公開番号】P2022150121

(43)【公開日】2022-10-07

【審査請求日】2024-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000000941

【氏名又は名称】株式会社カネカ

(74)【代理人】

【識別番号】100131705

【弁理士】

【氏名又は名称】新山 雄一

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】吉河 訓太

【審査官】桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１０２５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６３１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１１４３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１６３７５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１８１４５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１８１９６９８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０７８

Ｈ０１Ｌ ３１／１８－３１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板、並びに前記半導体基板の裏面側に積層される第１半導体層及び第２半導体層を有し、複数の光電変換構造が形成された光電変換体と、
前記光電変換体の裏面側に積層される電極パターンと、
を備え、
前記電極パターンは、
前記第１半導体層に積層される第１電極及び前記第２半導体層に積層される第２電極をそれぞれ含むよう前記光電変換構造ごとに形成される複数の素子電極構造と、
前記素子電極構造を間隔を空けて取り囲むダミー電極と、
を有する半導体ウエハ。

【請求項2】

前記ダミー電極は、前記第１半導体層及び前記第２半導体層に跨って積層される、請求項１に記載の半導体ウエハ。

【請求項3】

前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記光電変換構造を構成しない領域にも積層され、
前記ダミー電極は、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の一方の前記光電変換構造を構成する部分と、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の他方の前記光電変換構造を構成しない部分とに跨って積層される、請求項２に記載の半導体ウエハ。

【請求項4】

前記ダミー電極は、間欠的に前記素子電極構造を取り囲むよう形成される、請求項１から３のいずれかに記載の半導体ウエハ。

【請求項5】

半導体基板の裏面側に第１半導体層及び第２半導体層を積層することにより複数の光電変換構造を有する光電変換体を形成する工程と、
前記第１半導体層に積層される第１電極及び前記第２半導体層に積層される第２電極をそれぞれ含むよう前記光電変換構造ごとに形成される複数の素子電極構造と、前記素子電極構造を間隔を空けて取り囲むダミー電極と、を有する電極パターンを前記光電変換体の裏面側に積層する工程と、
前記素子電極構造と前記ダミー電極との間で前記光電変換体を切断する工程と、
を備える太陽電池セル製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体ウエハ及び太陽電池セル製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

１枚の半導体基板に複数の光電変換構造及び電極構造を形成した半導体ウエハを作成し、この半導体ウエハをダイシング（切断）することによって複数の太陽電池セルが製造されている。特許文献１には、ダイシングが予定されるスクライブライン上に電極を形成することによって、電極の形成時に半導体基板に反りが生じることを防止することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１１４３８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体基板をダイシングする際に、太陽電池セルの端部に割れや欠け等の損傷が発生する可能性がある。小型の太陽電池セルの場合、このような端部の損傷は許容できない出力低下を生じさせ得る。また、例えば円形状の太陽電池セル等、曲線に沿って半導体基板をダイシングする必要がある場合には、ダイシングに際して太陽電池セルが損傷するリスクが大きくなる。

【0005】

このような実情に鑑み得、本発明は、ダイシングによる出力低下を抑制できる半導体ウエハ及び太陽電池セル製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る半導体ウエハは、半導体基板、並びに前記半導体基板の裏面側に積層される第１半導体層及び第２半導体層を有し、複数の光電変換構造が形成された光電変換体と、前記光電変換体の裏面側に積層される電極パターンと、備え、前記電極パターンは、前記第１半導体層に積層される第１電極及び前記第２半導体層に積層される第２電極をそれぞれ含むよう前記光電変換構造ごとに形成される複数の素子電極構造と、前記素子電極構造を間隔を空けて取り囲むダミー電極と、を有する。

【0007】

上述の半導体ウエハにおいて、前記ダミー電極は、前記第１半導体層及び前記第２半導体層に跨って積層されてもよい。

【0008】

上述の半導体ウエハにおいて、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記光電変換構造を構成しない領域にも積層され、前記ダミー電極は、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の一方の前記光電変換構造を構成する部分と、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の他方の前記光電変換構造を構成しない部分とに跨って積層されてもよい。

【0009】

上述の半導体ウエハにおいて、前記ダミー電極は、間欠的に前記素子電極構造を取り囲むよう形成されてもよい。

【0010】

一態様に係る太陽電池セル製造方法は、半導体基板の裏面側に第１半導体層及び第２半導体層を積層することにより複数の光電変換構造を有する光電変換体を形成する工程と、前記第１半導体層に積層される第１電極及び前記第２半導体層に積層される第２電極をそれぞれ含むよう前記光電変換構造ごとに形成される複数の素子電極構造と、前記素子電極構造を間隔を空けて取り囲むダミー電極と、を有する電極パターンを前記光電変換体の裏面側に積層する工程と、前記素子電極構造と前記ダミー電極との間で前記光電変換体を切断する工程と、を備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ダイシングによる出力低下を抑制できる半導体ウエハ及び太陽電池セル製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態に係る半導体ウエハの模式的裏面図である。

【図2】図１の半導体ウエハの部分拡大裏面図である。

【図3】図２の半導体ウエハのＡ－Ａ線断面図である。

【図4】図２の半導体ウエハの半導体層の配置を示す図２に対応する裏面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る太陽電池セル製造方法の手順を示すフローチャートである。

【図6】本発明の第２実施形態に係る半導体ウエハの模式的部分拡大裏面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付の図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。なお、図面における種々部材の形状及び寸法は、便宜上、見やすいように調整されている。

【0014】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体ウエハ１の模式的裏面図である。図２は、半導体ウエハ１の部分拡大裏面図である。図３は、半導体ウエハ１の断面図（図２のＡ－Ａ線上の左側の太陽電池セル１００を中心とする部分の拡大断面図）である。

【0015】

半導体ウエハ１は、光電変換体１０と、光電変換体１０の裏面側に積層される電極パターン２０と、を備える。図示する半導体ウエハ１は、一点鎖線で示すダイシングラインＬに沿って切断（ダイシング）することによって平面視円形状の複数の太陽電池セル１００を切り出すことができる。

【0016】

光電変換体１０は、半導体ウエハ１の基材となる半導体基板１１、並びに半導体基板１１の裏面側に積層される第１半導体層１２及び第２半導体層１３を有し、これらによって複数の光電変換構造１４が形成されている。つまり、第１半導体層１２及び第２半導体層１３は、太陽電池セル１００ごとに１つの光電変換構造１４を画定する所定のパターンを複数含むようにパターニングされる。なお、光電変換構造１４は、それぞれ１つの太陽電池セル１００に対応し、光電変換を行い得る構造を意味し、半導体ウエハ１においてその外縁が明確に画定されている必要はなく、当業者であれば電極パターン２０等を含む全体構成から観念し得る概念である。

【0017】

光電変換構造１４は、平面視で円形状の太陽電池セル１００の全領域に存在する半導体基板１１からなる基板部１１１と、第１半導体層１２の一部であって基板部１１１の半分の半円形状の領域の裏面側に積層される第１機能半導体部１２１と、第２半導体層１３の一部であって基板部１１１の残りの半分の半円形状の領域の裏面側に積層される第２機能半導体部１３１と、を有する。

【0018】

半導体基板１１は、受光面側からの入射光を吸収して光キャリア（電子及び正孔）を生成する。半導体基板１１は、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等の結晶シリコン材料で形成される。半導体基板１１は、例えば結晶シリコン材料にｎ型ドーパントがドープされたｎ型の半導体基板である。ｎ型ドーパントとしては、例えばリン（Ｐ）が挙げられる。半導体基板１１の材料として結晶シリコンが用いられることにより、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であっても比較的高出力（照度によらず安定した出力）が得られる。

【0019】

第１半導体層１２及び第２半導体層１３は、互いに異なる導電型を有し、半導体基板１１の内部で発生したキャリアを誘引して互いに異なる極性の電荷を収集する。第１半導体層１２及び第２半導体層１３は、所望の導電型を付与するドーパントをドープしたアモルファスシリコンによって形成することができる。ｐ型のドーパントとしては、例えばホウ素（Ｂ）が挙げられ、ｎ型ドーパントとしては、例えばリン（Ｐ）が挙げられる。

【0020】

図４に、第１半導体層１２及び第２半導体層１３の配設パターンをハッチングにより分かりやすく示す（ハッチングは断面を意味しない）。第１機能半導体部１２１及び第２機能半導体部１３１は、一定の距離だけダイシングラインＬから外側にはみ出すよう形成される。これにより、半導体ウエハ１から太陽電池セル１００を切り出したときに、太陽電池セル１００の全面に第１半導体層１２又は第２半導体層１３が存在するため、光電変換効率を向上できる。

【0021】

また、第１半導体層１２及び第２半導体層１３は、光電変換構造１４を構成しない領域にも積層される。具体的には、第１半導体層１２は、第２機能半導体部１３１の外側に隣接する第１無効半導体部１２２を有し、第２半導体層１３は、第１機能半導体部１２１の外側に隣接する第２無効半導体部１３２を有する。第１無効半導体部１２２は、第２機能半導体部１３１の径方向外側のダイシングラインＬに沿う外縁の略全長に亘って接するよう形成されることが好ましい。同様に、第２無効半導体部１３２は、第１機能半導体部１２１の径方向外側の外縁の略全長に亘って接するよう形成されることが好ましい。

【0022】

本実施形態では、半導体基板１１の裏面全体が第１半導体層１２又は第２半導体層１３で覆われているが、特に光電変換構造１４の外側には、第１半導体層１２及び第２半導体層１３のいずれも積層されない領域が存在してもよい。また、本実施形態では、複数の光電変換構造１４の向きを調整することによって、１つの第１無効半導体部１２２が複数の第２機能半導体部１３１に隣接し、１つの第２無効半導体部１３２が複数の第１機能半導体部１２１に隣接するパターニングが可能となっているが、それぞれの光電変換構造１４に第１無効半導体部１２２及び第２無効半導体部１３２が一対一に対応するよう設けられてもよい。

【0023】

電極パターン２０は、導電性を有する材料から形成される。電極パターン２０は、例えば金属材料、導電性粒子とバインダとを含む材料等から形成され得る。また、電極パターン２０は、第１半導体層１２及び第２半導体層１３に接する薄層状の透明電極層と、この透明電極に積層される金属電極層と、を有する多層構造を有してもよい。

【0024】

電極パターン２０は、第１半導体層１２に積層される第１電極２１及び第２半導体層１３に積層される第２電極２２をそれぞれ含むよう光電変換構造１４ごとに形成される複数の素子電極構造２３と、素子電極構造２３を間隔を空けてそれぞれ取り囲む複数のダミー電極２４と、を有する。

【0025】

第１電極２１は第１半導体層１２から電荷を取り出し、第２電極２２は第２半導体層１３から電荷を取り出す。第１電極２１及び第２電極２２は、太陽電池セル１００において外部の回路が接続される正負の端子となる。

【0026】

第１電極２１及び第２電極２２は、第１機能半導体部１２１及び第２機能半導体部１３１の外縁部を露出させるよう、第１機能半導体部１２１及び第２機能半導体部１３１より僅かに小さく形成されることが好ましい。第１電極２１及び第２電極２２をできるだけ大きく形成することによって、光電変換構造１４からの電流の出力抵抗を小さくできる。一方、第１電極２１及び第２電極２２が、第１機能半導体部１２１と第２機能半導体部１３１との境界線を露出するよう形成されることによって、第１電極２１と第２電極２２との接触による短絡を防止できる。また、ダイシングラインＬ上には第１電極２１及び第２電極２２を形成しないことによって、ダイシングが容易となると共に、ダイシング時に太陽電池セル１００に作用する応力を軽減できるのでダイシング時の太陽電池セル１００の損傷を抑制できる。

【0027】

ダミー電極２４は、光電変換構造１４を基準としてダイシングラインＬの外側に配設される。これによって、半導体ウエハ１をダイシングする際の光電変換体１０の歪を抑制できるので、ダイシングにより切り出される太陽電池セル１００に割れや欠けが発生することを抑制し、太陽電池セル１００の出力低下を抑制できる。

【0028】

ダミー電極２４は、第１半導体層１２及び第２半導体層１３に跨って積層される。好ましくは、ダミー電極２４は、第１半導体層１２及び第２半導体層１３の一方の光電変換構造１４を構成する部分と、第１半導体層１２及び第２半導体層１３の他方の光電変換構造１４を構成しなう部分とに跨って積層される。したがって、ダミー電極２４は、第１機能半導体部１２１と第２無効半導体部１３２との境界線及び第２機能半導体部１３１と第１無効半導体部１２２との境界線に沿って延在する。これによって、半導体ウエハ１に測定光を照射して太陽電池セル１００の性能を測定する場合に、ダミー電極２４は、太陽電池セル１００（光電変換構造１４）以外の領域の半導体基板１１の内部に励起されるキャリアを電荷として取り出してジュール損による熱に変換する。これにより、太陽電池セル１００の外側の領域において励起されるキャリアが太陽電池セル１００の領域内に進入することを防止して、太陽電池セル１００の性能を正確に測定できる。

【0029】

ダミー電極２４は、例えば破線状、点線状、間欠的に素子電極構造２３を取り囲むよう形成されてもよい。、間欠的に形成されたダミー電極２４であっても。上述のようなダイシング時の太陽電池セル１００の損傷防止効果、及び太陽電池セル１００の性能測定時の測定誤差抑制効果を発揮し得る。また、電極パターン２０を例えば銀ペースト等の比較的高価な材料によって形成する場合、ダミー電極２４を間欠的に形成することで、半導体ウエハ１ひいては太陽電池セル１００の製造コストを抑制できる。

【0030】

＜太陽電池セル製造方法＞
本発明の一実施形態に係る太陽電池セル製造方法は、上述の半導体ウエハ１を製造する工程と、半導体ウエハ１を切断する工程とを含む。したがって、太陽電池セル１００の製造方法は、図５に示すように、複数の光電変換構造１４を有する光電変換体１０を形成する工程（ステップＳ１：光電変換体形成工程）と、素子電極構造２３及びダミー電極を２４有する電極パターン２０を光電変換体１０の裏面側に積層する工程（ステップＳ２：電極パターン積層工程）と、素子電極構造２３とダミー電極２４との間で光電変換体１０を切断する工程（ステップＳ３：光電変換体切断工程）と、を備える。

【0031】

ステップＳ１の光電変換体形成工程では、半導体基板１１の裏面側に第１半導体層１２及び第２半導体層１３を積層することにより複数の光電変換構造１４を有する光電変換体１０を形成する。第１半導体層１２及び第２半導体層１３は、半導体基板１１の裏面に例えばＣＶＤ等の成膜技術によって半導体材料を選択的に積層することによって順番に形成することができる。

【0032】

ステップＳ２の電極パターン積層工程では、光電変換体１０の裏面側に、光電変換構造１４ごとに素子電極構造２３及びダミー電極を２４有する電極パターン２０を積層する。電極パターン２０は、光電変換体１０への導電性接着剤の選択的な塗布（例えばスクリーン印刷等）及び焼成によって形成することができる。また、電極パターン２０は、例えばスパッタリング、メッキ等によって光電変換体１０に積層した金属層をエッチングによりパターニングすることにより形成してもよく、光電変換体１０に形成したレジストパターンの開口内にメッキ等により金属層を積層することにより形成してもよい。

【0033】

ステップＳ３の光電変換体切断工程では、スクライブラインＬに沿って光電変換体１０を切断することによって、複数の太陽電池セル１００を切り離す。光電変換体１０の切断は、例えばレーザ加工、ミリング加工等によって行うことでき、これらの加工によりスクライブラインに沿って溝を形成した光電変換体１０に応力を作用させることによってスクライブライン上で光電変換体１０を割断してもよい。

【0034】

以上の太陽電池セル製造方法によれば、半導体ウエハ１にダミー電極２４を設けるため、ダイシングを行う前に太陽電池セル１００の性能を正確に測定できるので、不良品を除外して効率よく太陽電池セル１００を製造できる。また、半導体ウエハ１にダミー電極２４を設けることにより、ダイシング時の太陽電池セル１００の損傷を防止するので、太陽電池セル１００の品質及び歩留まりを向上できる。

【0035】

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る半導体ウエハ１Ａの模式的裏面図である。本実施形態において、先の実施形態において説明した構成要素と同様の構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

【0036】

半導体ウエハ１Ａは、光電変換体１０と、光電変換体１０Ａの裏面側に積層される電極パターン２０Ａと、を備える。図示する半導体ウエハ１Ａは、一点鎖線で示すダイシングラインＬＡに沿って切断することによって平面視方形状の複数の太陽電池セル１００Ａを切り出すことができる。

【0037】

光電変換体１０は、半導体ウエハ１の基材となる半導体基板１１、並びに半導体基板１１の裏面側に積層される第１半導体層１２Ａ及び第２半導体層１３Ａを有し、これらによって複数の光電変換構造１４Ａが形成されている。図６には、第１半導体層１２Ａ及び第２半導体層１３Ａが存在する領域をハッチングで示す。

【0038】

光電変換構造１４Ａは、平面視で方形状の太陽電池セル１００Ａの全領域に存在する半導体基板１１からなる基板部（不図示）と、第１半導体層１２Ａの一部であって基板部の半分の方形状の領域の裏面側に積層される第１半導体層１２Ａにより構成される第１機能半導体部１２１Ａと、第２半導体層１３Ａの一部であって基板部の残りの半分の方形状の領域の裏面側に積層される第２機能半導体部１３１Ａと、を有する。

【0039】

本実施形態では、光電変換構造１４Ａが隙間なく配置され、第１機能半導体部１２１Ａは、同じ光電変換構造１４Ａの第２機能半導体部１３１Ａ及び隣接する光電変換構造１４Ａの第２機能半導体部１３１Ａに接し、第２機能半導体部１３１Ａは、同じ光電変換構造１４Ａの第１機能半導体部１２１Ａ及び隣接する光電変換構造１４Ａの第２機能半導体部１３１Ａに接する。つまり、本実施形態の半導体ウエハ１Ａは、第１無効半導体部及び第２無効半導体部を有しない。

【0040】

電極パターン２０Ａは、第１半導体層１２Ａに積層される第１電極２１Ａ及び第２半導体層１３Ａに積層される第２電極２２Ａをそれぞれ含むよう光電変換構造１４Ａごとに形成される複数の素子電極構造２３Ａと、素子電極構造２３を間隔を空けてそれぞれ取り囲む領域を有する格子状に形成されるの単一のダミー電極２４Ａと、を有する。

【0041】

本実施形態の半導体ウエハ１Ａも、ダミー電極２４Ａを有することによって、第１実施形態の半導体ウエハ１と同様に、ダイシングを行う前に太陽電池セル１００Ａの性能を正確に測定できるとともに、ダイシング時の太陽電池セル１００Ａの損傷を防止できる。

【0042】

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。本発明に係る半導体ウエハは、例えばパッシーベーション層、反射防止膜等、さらなる構成要素を備えてもよい。

【0043】

本発明に係る半導体ウエハにおいて、複数の光電変換構造の平面配置パターン、及び各光電変換構造の内部の第１半導体層及び第２半導体層の平面パターンは、上述の実施形態の形状に限定されず、本発明の概念及び技術常識の中で任意に変形できる。例として、それぞれの光電変換構造は、第１機能半導体部及び第２機能半導体部を複数備え、それぞれの機能半導体部に電極が積層される構成を有してもよい。

【符号の説明】

【0044】

１，１Ａ 半導体ウエハ
１０，１０Ａ 光電変換体
１１ 半導体基板
１１１ 基板部
１２，１２Ａ 第１半導体層
１２１，１２１Ａ 第１機能半導体部
１２２ 第１無効半導体部
１３，１３Ａ 第２半導体層
１３１，１３１Ａ 第２機能半導体部
１３２ 第２無効半導体部
１４，１４Ａ 光電変換構造
２０，２０Ａ 電極パターン
２１，２１Ａ 第１電極
２２，２２Ａ 第２電極
２３，２３Ａ 素子電極構造
２４，２４Ａ ダミー電極
１００，１００Ａ 太陽電池セル
Ｌ，ＬＡ ダイシングライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】