JPH05218472A - 薄膜構成体のレーザ加工方法 - Google Patents

薄膜構成体のレーザ加工方法

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JPH05218472A
JPH05218472A JP4287039A JP28703992A JPH05218472A JP H05218472 A JPH05218472 A JP H05218472A JP 4287039 A JP4287039 A JP 4287039A JP 28703992 A JP28703992 A JP 28703992A JP H05218472 A JPH05218472 A JP H05218472A
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thin film
film
laser
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thin
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JP4287039A
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Stefan Praschek
プラシエク シユテフアン
Wolfgang Riedl
リードル ウオルフガング
Hans Goslowsky
ゴスロウスキー ハンス
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Siemens Corp
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Siemens Solar GmbH
Siemens Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ソーラーモジュールの電力を悪化させることな
く、薄膜構成体の背面電極のパターニングを簡単かつ確
実に実施する。 【構成】１つまたは複数の透明電極上に位置する少なく
とも１つの薄膜を含む特殊な薄膜構成体において材料除
去を行うために、波長が薄膜の吸収範囲にある透明膜を
通してレーザパルスが照射される。レーザパルスを照射
された薄膜領域は場合によってはその薄膜上に位置する
膜をも含めて残留物なく透明膜から切り離される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜構成体のレーザ加工
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】多くの技術分野ではレーザによる切断方
法またはレーザによる材料除去方法が広く一般的に普及
している。加工すべき材料には適当な波長を有するレー
ザが直接照射され、その際に光線エネルギーが材料によ
って吸収され、この材料内へ入射して材料を蒸発させる
ために利用される。その応用例としてはマイクロエレク
トロニクスデバイスを製造するためにファインメカニズ
ムプロセスによる薄鋼板の切断がある。
【０００３】特殊な応用例としては薄膜ソーラーモジュ
ールをパターニングする際のレーザ加工方法がある。そ
の際に光活性半導体材料が最初に全面的に設けられ、そ
の後に直列接続された多数のセグメントに分割される。
次のパターニングにおいてはモジュール面の上記分割の
ために薄膜構成体の個々の膜の各々、すなわち前面電極
と半導体膜と背面電極とが分割されなければならない。
重なり合って配置された膜およびその境界面の異なった
吸収特性および散乱特性を考慮して、このパターニング
には工具としてレーザが使用され得る。
【０００４】最後の工程で背面電極のパターニングが行
われる。この場合、この背面電極の下に直接位置する光
活性半導体膜が“電気的に”傷付けられるという問題が
ある。特にアモルファス半導体材料から成るソーラーモ
ジュールにおいては、半導体膜の良導電性領域が背面電
極と前面電極との間に導電結合を作りこれらを短絡して
しまう場合、背面電極と前面電極との間にその導電結合
を作り得る位相変換の危険が生じる。半導体膜の別の傷
付けによってもソーラーモジュールの出力電力の減少が
生じる。
【０００５】このことを回避するために、薄膜ソーラー
モジュール用の背面電極のパターニングは一般に“リフ
ト−オフ”技術を用いて行われる。その場合、光活性半
導体膜上に背面電極が析出される前に薄い直線の形態の
ペーストが塗布される。このペーストは乾燥後半導体膜
から機械的に簡単に除去することができ、その場合この
ペースト上に設けられた背面電極の部分も一緒に除去さ
れる。
【０００６】この“リフト−オフ”技術は次の重大な欠
点を有する。
【０００７】ペースト条片の幅に応じて０．５ｍｍ以上
の幅を有する光不活性面が形成される。
【０００８】“リフト−オフ”技術によって背面電極と
光活性半導体膜との間の付着が局部的に弱くされる。
【０００９】光活性半導体膜の光伝導がペースト内に含
まれている化学物質によって妨害される。
【００１０】背面電極のパターニングプロセスは多数の
異なった工程を必要とする。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ソー
ラーモジュールの電力を悪化することなく、薄膜ソーラ
ーセルの背面電極の上述のパターニングを簡単かつ確実
に実施することができるようにレーザ加工方法を改善す
ることにある。
【００１２】本発明による方法は薄膜構成体の類似の材
料除去プロセスにも適するようにすべきである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】このような課題は、本発
明によれば、薄膜構成体が１つまたは複数の透明膜上に
配置された少なくとも１つの薄膜を有して、波長が薄膜
の吸収範囲内にあるレーザパルスが前記１つまたは複数
の透明膜を通して照射され、それにより薄膜構成体はレ
ーザ光線の領域が透明膜から切り離されることによって
解決される。
【００１４】
【作用】レーザによって材料を除去するための公知の方
法とは異なり、本発明においては材料は直接ではなくそ
の下に位置する透明膜を通してレーザ光線を照射され
る。この透明膜は一般に薄膜構成体の基板または支持膜
を含む。この場合透明膜とは、使用されたレーザの波長
を少なくとも一部分透過させこの波長における吸収係数
が薄膜の吸収係数よりも明らかに小さいような膜を意味
する。従って、薄膜内のレーザ光線は透明膜との境界面
近くで吸収され、それゆえ薄膜の膜厚全体に亘るレーザ
作用は必要でない。レーザ光線を照射された薄膜領域を
全薄膜構成体の場合によってはその薄膜領域の下に位置
する領域をも含めて切り離すことは入射レーザエネルギ
ーの機械的応力によって行われる。レーザのパルス長お
よびエネルギー密度を適当に設定することによって発生
した応力に応じて、透明膜と薄膜との境界面にはこの領
域の薄膜を切り離す加速力が生じる。エネルギーの入射
は透明膜の加熱が僅かしか生じないように迅速に行われ
る。
【００１５】解放される運動エネルギーは、薄膜を残留
物なしに透明膜から切り離すのに充分である。従って単
一のレーザパルスを用いてレーザ焦点の範囲内の材料を
完全に除去することが可能である。
【００１６】レーザの個別パルス間にレーザ光線と膜構
成体との相対運動を、レーザのその都度作成された焦点
が部分的に重なるように実施すると、膜構成体には特に
明確な溝状切断線が作られる。このようにして形成され
た溝において残留物のない材料除去を行うことによっ
て、薄膜構成体は除去されない膜材料からなる橋絡部が
残ることなく確実に分割される。このことは薄膜ソーラ
ーモジュールのパターニングに本発明による方法を適用
する場合に特に有利である。何故ならば、ソーラーモジ
ュールの互いに分離すべき領域間にはかかる材料橋絡部
による導電結合が作られ、この導電結合によってモジュ
ール特性が上述のように悪化させられるからである。
【００１７】本発明の有利な実施態様によれば、上側に
透明膜を有する１つの層内の薄膜構成体がレーザ光線を
照射されることによって、レーザ光線を照射された薄膜
領域の切り離しが重力によって助成される。これは垂直
とは異なった方向に配置された全ての薄膜構成体を含
み、その場合上側に透明膜を備えた水平層は最大の利点
をもたらす。これによって切り離された小片が構成体上
へ落下し、この小片が同様に短絡を形成することが防止
される。
【００１８】本発明において最も信頼できる方法は使用
されたレーザに対して無視し得る程の吸収しか有さない
透明膜を用いることであり、その場合レーザの波長は薄
膜の最大吸収範囲内に選定される。このことは、例えば
薄膜ソーラーモジュールにおいて、透明膜が導電性透明
電極（ＴＣＯ膜）を設けられたガラス基板を含みかつ薄
膜構成体が少なくとも活性半導体膜を含みしかも場合に
よってはさらにその上に背面電極を含む場合である。
【００１９】薄膜材料が強い吸収力を有する場合、特に
過熱を防止するために、吸収力の比較的弱い波長範囲を
照射することができる。
【００２０】
【実施例】次に本発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。
【００２１】図は本発明により薄膜ソーラーモジュール
のパターニングを行う際の異なった工程の概略断面図を
示す。
【００２２】図１においては、例えば２ｍｍの厚さのガ
ラス基板１上には公知の方法で薄い導電性酸化物（ＴＣ
Ｏ）から成る前面電極、例えば酸化亜鉛またはフッ素を
ドーピングされた酸化スズから成る１μｍの厚さの膜が
析出されている。全面に設けられた電極膜はＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザの直接照射によってストライプ状の個別電極２
に分割される。
【００２３】図２においては、ストライプ状電極２上に
光活性半導体膜３、例えば約０．５μｍの厚さのアモル
ファスシリコンが析出される。これはＲＦグロー放電析
出プロセスによってシラン中で行われ、その際ドーピン
グガスのボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）およびホスフィン（Ｐ
Ｈ3 ）を混合することにより半導体膜３内にｐｉｎパタ
ーンが形成される。
【００２４】ストライプ状電極２によって規定されたス
トライプ状個別ソーラーセルを後で直列接続するため
に、光活性膜３は同様にストライプ状にパターニングさ
れなければならない。本発明によればこのために波長が
光活性膜の強い吸収を示すスペクトル範囲内にあるパル
ス状レーザが使用される。アモルファスシリコンに対し
てこのためにブルーまたはグリーンのレーザ、例えば周
波数を２倍にされたＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＬＦレ
ーザが必要である。
【００２５】ミラー（図示されていない）とレンズ５と
から構成された簡単な光学素子によってレーザ光線４が
ガラス基板１を通して照射され、光活性半導体膜３に集
束される。１００ｍｍのレンズ焦点距離の場合±１ｍｍ
の公差値内となる充分な焦点深さが得られる。
【００２６】基板１および前面電極２の透明度に応じ
て、レーザ光線４は光活性半導体膜３内の前面電極２と
の境界で初めて吸収される。レーザパルス長が例えばナ
ノ秒の範囲内にある場合、レーザ光線４の吸収は半導体
膜３内に機械的応力を惹き起こす。これによって光活性
半導体膜３の露光領域６がはじけとび、そこで前面電極
２が露出する。
【００２７】形成された窪み７における半導体膜３の破
損縁部を検査したところ、半導体膜３は熱作用によって
僅かしか位相変化していないことが判明した。半導体膜
３と前面電極２との間の境界面の熱負荷は、ガウスプロ
フィルを持つレーザを用いかつパルスエネルギーを最適
に選定することによってはじけとんだ膜領域６と半導体
膜３内の直接接する縁部領域とに局限され得る。ガウス
プロフィルを持つレーザの半径方向への強度分布は本発
明による方法のためにＴＥＭ00モードを使用することに
よって得ることができる。他の利点は矩形状の光線プロ
フィルが得られることである。強度が断面縁部のところ
で急激に低下する光線プロフィルは特に有利である。
【００２８】パルスを反復させ、同時にレーザ光線とワ
ークピースすなわちこの場合には将来のソーラーモジュ
ールとの間の相対運動を調整することによって、薄膜す
なわち半導体材料３内に溝状切込みが形成され得る。有
利な方法でパルス周波数および相対運動はレーザの焦点
が部分的に重なるように決定される。それにより半導体
膜３は互いに分離した高オーミック領域に分割され得
る。
【００２９】適当なパルス周波数は１〜１００ｋＨｚの
範囲にあり、その場合周波数は、一方では周波数の増大
と共にレーザパルスのエネルギー密度が減少することお
よび他方では半導体膜の切り離されていない領域と透明
膜とから必要な熱排出を行うことに起因して上限があ
る。入射エネルギーの大部分は照射された膜領域６と共
に切り離されるが、それでもやはり照射領域における透
明膜（電極膜２）は僅かに加熱される。
【００３０】レーザパルスの長さは材料の高い加熱を防
止するために２００ｎｓ以下の大きさであるのが有利で
ある。一般的に使われる適当なレーザパルス長は２０ｎ
ｓ〜１００ｐｓである。
【００３１】相対運動を行うためにレーザ光線がモジュ
ール上で所定に偏向されるか、またはモジュールがレー
ザ光線に対して相対的に動かされる。切断速度はパルス
反復比と運動方向へのレーザ光線の拡がりと形成された
焦点の重なりとによって決定される。
【００３２】図３にはこの方法の中途におけるソーラー
モジュールが示されている。半導体膜３は形成された溝
７によって電極ストライプ２毎に完全に個々のストライ
プセルに分離される。
【００３３】このパターン上には金属膜または同様に透
明ＴＣＯ膜から構成され得る背面電極が全面に設けられ
る。背面電極膜８のパターニングは本発明による方法に
応じて透明の基板１および透明の前面電極２を通してパ
ルス状レーザを照射することによって行われる。上述し
た半導体膜３のパターニングと同じようにレーザは半導
体膜３内へ集束され、その場合焦点領域９では半導体膜
３と共にその上に位置する背面電極８の領域が切り離さ
れる。
【００３４】図４は完成したソーラーモジュールを示
す。このソーラーモジュールにおいては、個々のストラ
イプセルは背面電極８の適当なパターニングによって電
気的に相互に直列接続されている。
【００３５】
【発明の効果】従来の“リフト−オフ”技術に比較し
て、本発明による方法は次の利点を有する。
【００３６】個々の膜のパターニングはレーザ方法によ
って一様に行われる、すなわちパターニング技術だけが
使用される。
【００３７】領域間の分離溝はその幅が３０〜５０μｍ
に制限される。これにより“リフト−オフ”技術に比較
して光活性面が拡大される。
【００３８】“リフト−オフ”技術におけるペーストに
よって惹き起こされる背面電極の光活性半導体膜３への
付着問題はなくなる。
【００３９】背面電極のパターニングには１つのプロセ
ス工程しか必要とされない。
【００４０】アモルファスシリコンから成る薄膜ソーラ
ーモジュールの上述のパターニングは本発明による方法
の適当な例を示すが、本発明による方法はこのような例
に限定されない。
【００４１】本発明による方法は例えば障害となる材料
残留物を除去するための修正方法としても使用すること
ができる。その場合、上述した個々のレーザパルスが確
実な材料除去を保証する。
【００４２】本発明による方法によれば、一列の他のア
モルファスおよび多結晶半導体薄膜、特にゲルマニウム
含有の半導体膜または銅インジウムジセレン化物等の化
合物半導体膜を除去することができる。同様に透明な基
板または膜上の薄い金属膜も本発明による方法により良
好に除去されるかまたはパターニングが行われる。
【００４３】一般的に、充分に透明な基板または膜上に
設けられてレーザ光線に対して充分な吸収力を有する全
ての薄膜は本発明による方法によって除去することがで
きる。除去されない領域の熱負荷は極めて少なく、この
ことはソーラーモジュールのパターニングの場合には例
えば電流−電圧特性曲線から判明する。半導体材料の電
子的特性は全く変化せず、それゆえ本発明による方法を
用いたパターニングはソーラーセル特性を悪化させな
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により薄膜ソーラーモジュールのパター
ニングを行う際の１つの工程の概略断面図を示す。
【図２】本発明により薄膜ソーラーモジュールのパター
ニングを行う際の他の工程の概略断面図を示す。
【図３】本発明により薄膜ソーラーモジュールのパター
ニングを行う際の異なる別の工程の概略断面図を示す。
【図４】本発明により薄膜ソーラーモジュールのパター
ニングを行う際のさらに異なる工程の概略断面図を示
す。
【符号の説明】
１ ガラス基板 ２ 前面電極 ３ 半導体膜 ４ レーザ光線 ５ レンズ ６ 半導体膜の露光領域 ７ 溝 ８ 背面電極 ９ 焦点領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390041494 シーメンス、ソーラー、ゲゼルシヤフト、 ミツト、ベシユレンクテル、ハフツング ＳＩＥＭＥＮＳ ＳＯＬＡＲ ＧＥＳＥＬ ＬＳＣＨＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮ ＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ ドイツ連邦共和国ミユンヘン （番地な し) (72)発明者 シユテフアン プラシエク ドイツ連邦共和国 8900 ミユンヘン ５ カプチナーシユトラーセ 39アー (72)発明者 ウオルフガング リードル ドイツ連邦共和国 8000 ミユンヘン 19 アンドレーシユトラーセ ２ (72)発明者 ハンス ゴスロウスキー ドイツ連邦共和国 8018 グラーフイング ヨーベーチンマーマン シユトラーセ ５

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 薄膜構成体は１つまたは複数の透明膜上
    に配置された少なくとも１つの薄膜を有しており、波長
    が薄膜の吸収範囲内にあるレーザパルスが前記１つまた
    は複数の透明膜を通して照射され、それにより薄膜構成
    体はレーザ光線の領域が透明膜から切り離されることを
    特徴とする薄膜構成体のレーザ加工方法。
  2. 【請求項２】 レーザ光線と膜構成体との間の相対運動
    は、薄膜内に集束されるレーザ焦点が重なり、材料除去
    によって薄膜構成体内に溝状切断線が形成されるように
    調整されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 上側に透明膜を有する１つの層内の膜構
    成体がレーザ光線を照射されることによって、レーザ光
    線を照射された薄膜領域の切り離しが重力によって助成
    されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
  4. 【請求項４】 波長が薄膜の最大吸収範囲内に選定され
    たレーザが照射されることを特徴とする請求項１ないし
    ３の１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 レーザは２００ｎｓ以下のパルス長を有
    することを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 パルス長は２０ｎｓ〜１００ｐｓの大き
    さであることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記
    載の方法。
  7. 【請求項７】 １〜１００ｋＨｚのレーザパルス周波数
    が使用されることを特徴とする請求項１ないし６の１つ
    に記載の方法。
  8. 【請求項８】 レーザのＴＥＭ00が使用されることを特
    徴とする請求項１ないし７の１つに記載の方法。
  9. 【請求項９】 レーザ光線を案内するために、不所望な
    赤外線を光路から出射させる光学素子が使用されること
    を特徴とする請求項１ないし８の１つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 透明基板を有する薄膜ソーラーセルの
    活性および不活性な膜領域をパターニングするために使
    用されることを特徴とする請求項１ないし９の１つに記
    載の方法。
JP4287039A 1991-10-07 1992-10-02 薄膜構成体のレーザ加工方法 Pending JPH05218472A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP91117061A EP0536431B1 (de) 1991-10-07 1991-10-07 Laserbearbeitungsverfahren für einen Dünnschichtaufbau
AT91117061.1 1991-10-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH05218472A true JPH05218472A (ja) 1993-08-27

Family

ID=8207244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP4287039A Pending JPH05218472A (ja) 1991-10-07 1992-10-02 薄膜構成体のレーザ加工方法

Country Status (4)

Country Link
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