JP2004087985A - シリコン基板の粗面化法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板の表面に微細な凹凸を効率よく均一かつ容易に形成する。
【解決手段】シリコン基板１４をトレイ１６上に載置してドライエッチングすることによって粗面状にするシリコン基板１４の粗面化法であって、上記シリコン基板１４の周辺部にダミーのシリコン片１５を配設するとともに、このシリコン片１５に重なるように上記シリコン基板１４を配設して粗面状にする。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン基板の粗面化法に関し、特に太陽電池などに用いられるシリコン基板の粗面化法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
太陽電池は入射した光エネルギを電気エネルギに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造が高コストになるという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。
【０００３】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、低コストでより高い変換効率が求められるようになった。
【０００４】
このような太陽電池では、電気エネルギへの変換効率を向上させるために従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに基板に入射する光の反射を低減する技術があり、表面での光の反射を低減することで電気エネルギへの変換効率を高めることができる。
【０００５】
シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合、基板の表面を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液でエッチングすると、基板の表面に微細な凹凸が形成され、反射をある程度低減できる。面方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いた場合、このような方法でテクスチャ構造と呼ばれるピラミッド構造を基板の表面に均一に形成することができるものの、アルカリ水溶液によるエッチングは結晶の面方位に依存することから、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、ピラミッド構造を均一には形成できず、そのため全体の反射率も効果的には低減できないという問題がある。
【０００６】
このような問題を解決するために、太陽電池素子を多結晶シリコンで形成する場合に、基板の表面に微細な突起を反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法で形成することが提案されている（例えば特公昭６０−２７１９５号、特開平５−７５１５２号、特開平９−１０２６２５号公報参照）。すなわち、多結晶シリコンにおける不規則な結晶の面方位に左右されずに微細な凹凸を均一に形成し、多結晶シリコンを用いた太陽電池素子においても反射率をより効果的に低減しようとするものである。
【０００７】
しかしながら、上述のような凹凸の形成条件は微妙であり、また装置の構造によっても変化するために条件の設定は非常に難しいことが多い。凹凸を均一に形成できない場合は、入射する光を太陽電池に有効に取りこむことができず、太陽電池の光電変換効率は向上しない。個々の太陽電池の価値はその発電効率で決まることから、そのコストを低減するには、太陽電池の変換効率を向上させなければならない。
【０００８】
また、反応性イオンエッチング法で用いられる装置は一般に平行平板電極型をしており、基板を配設している電極の側にＲＦ電圧を印加し、他の一方の側および内部の側壁をアースに接続する。このチャンバ内部を真空引きしてエッチングガスを導入して圧力を一定に保持しながら基板をエッチングし、エッチングが完了した後にチャンバ内部を大気圧に戻す。
【０００９】
このような手順を踏むことから、反応性イオンエッチング装置では真空引きおよび大気リークの待ち時間が長い。また、反応性イオンエッチング装置はＬＳＩなどの精密な小型半導体素子に用いられる場合が多いが、太陽電池に用いる際には太陽電池自身の面積が大きいため、１回あたりの処理枚数が少なく、製造コストが高くなるという問題があった。そのため反応性イオンエッチング装置を太陽電池の製造工程に用いる場合には、いかに高タクトで１回あたりの処理枚数を増やすかが重要なポイントである。
【００１０】
そのために、エッチングされた残渣をマスクとして用いるエッチング法が検討されてきた（例えば特願２０００−２６３０２３号）。この方法によれば凹凸の形成速度を向上させることができる。
【００１１】
ところが、これらの方法を用いると凹凸の形成速度は向上するが、周縁部に配設された基板には依然として凹凸が形成されないという問題があった。
【００１２】
この問題は、エッチングされるシリコン基板の周囲に同じ材質のダミーのシリコン片を配設してエッチングする方法によって解決することができる（例えば特願２００１−１３０４２９号）。この方法ではエッチングされる基板はダミーのシリコン片と５ｍｍ以下に近接させて配設する必要がある。
【００１３】
このように５ｍｍ以下に近接させてエッチングされる基板を配設することは、トレイや装置が小さいときは比較的容易であるが、大面積になってくると困難になる。例えば太陽電池の基板の表面に凹凸を形成する場合には、上述のように製造コストを低下させることが特に重要であるから、タクトを向上させるためにバッチ内に搬入する基板の枚数を増加させる必要がある。そのため基板を載置するトレイのサイズは大きくなる。また、ガラス系の材質からなるトレイを使用する場合には、トレイの湾曲が破損につながるためにトレイの厚みを厚くする必要があり、重量が増加する傾向にある。
【００１４】
また、エッチングされる基板の供給および取り出しを自動機で行う場合、基板を５ｍｍ以下に近接させて配設するには、トレイの湾曲による配設誤差が問題となり、ガラス系の材質からなるトレイを使用していない場合でも強度を増す必要があり、トレイの重量が増加する。例えば１ｍ×１ｍのトレイで厚み１５ｍｍのトレイをアルミニウムで形成した場合、トレイの重量は４０Ｋｇにもなる。
【００１５】
一方、エッチングされる基板をトレイ上に自動供給および自動取出する場合には一般的にトレイ側を位置決めし、毎回同じ場所で供給および取り出しを行う。このようにトレイ側を位置決めすることにより、基板の搬送機構は決められた動きをすればトレイ上の正しい位置に基板を配設できることになり、構造を単純化することができる。
【００１６】
ところが、装置が大型化してトレイの重量が増加すると位置決めの精度を維持することが困難となる。特に上述のように基板を５ｍｍ以下に近接させて配設する場合、位置決め機構まで強化する必要があり、製造コストが大きく増加する。
【００１７】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池などに用いられるシリコン基板の表面に微細な凹凸を効率よく均一かつ容易に形成する方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るシリコン基板の粗面化法では、シリコン基板をトレイ上に載置してドライエッチングすることによって粗面状にするシリコン基板の粗面化法において、前記シリコン基板の周辺部にダミーのシリコン片を配設するとともに、このシリコン片に重なるように前記シリコン基板を配設して粗面状にすることを特徴とする。
【００１９】
上記シリコン基板の粗面化法では、前記シリコン片上に前記シリコン基板が空間をもって重なるように配設するとともに、この重なり幅が前記空間の高さよりも大きくなるように設定することが望ましい。
【００２０】
また、上記シリコン基板の粗面化法では、前記シリコン片上に前記シリコン基板が空間をもって重なるように配設するとともに、前記シリコン片が前記空間の高さよりも５ｍｍ以上大きな幅で露出するように設定することが望ましい。
【００２１】
また、上記シリコン基板の粗面化法では、前記ドライエッチングが反応性イオンエッチングであることが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の方法を用いて形成される太陽電池素子を示す図であり、１はシリコン基板、２は凹凸、３は受光面側の不純物拡散層、４は裏面側の不純物拡散層（ＢＳＦ）、５は反射防止膜、６は表面電極、７は裏面電極である。
【００２３】
前記シリコン基板１は単結晶もしくは多結晶のシリコン基板である。この基板はｐ型、ｎ型いずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを３００μｍ程度の厚みにスライスして、１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断してシリコン基板１となる。
【００２４】
シリコン基板１の表面側には、逆導電型半導体不純物が拡散された層１ｂと反射防止膜５が形成されている。また、シリコン基板１の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層（ＢＳＦ）４を形成することが望ましい。シリコン基板１の表面側および裏面側には、表面電極６および裏面電極７が形成されている。この表面電極６および裏面電極７はＡｇペーストをスクリーン印刷して焼成し、その上に半田層を設けて形成する。
【００２５】
シリコン基板１の表面側には、入射する光を反射させずに有効に取り込むために微細な凹凸２を形成して粗面化する。これは、真空引きされたチャンバ内にガスを導入し、一定圧力に保持して、チャンバ内に設けられた電極にＲＦ電力を印加することでプラズマを発生させ、生じた活性種であるイオン・ラジカル等の作用により基板の表面をエッチングするものである。
【００２６】
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法と呼ばれるこの方法は図２および図３のように示される。図２および図３において、８はマスフローコントローラ、１はシリコン基板、９はＲＦ電極、１０は圧力調整器、１１は真空ポンプ、１２はＲＦ電源である。装置内にマスフローコントローラ８部分からエッチングガスを導入するとともに、ＲＦ電極９でプラズマを発生させてイオンやラジカルを励起活性化して、ＲＦ電極９の上部に配設されたシリコン基板１の表面に作用させてエッチングする。図２に示す装置では、ＲＦ電極９を装置内に配設して一枚のシリコン基板１の表面をエッチングするが、図３に示す装置では、ＲＦ電極９を装置の外壁に配設して複数枚のシリコン基板１の表面を同時にエッチングするようにしている。
【００２７】
発生した活性種のうち、イオンがエッチングに作用する効果を大きくした方法を一般に反応性イオンエッチング法と呼んでいる。類似する方法にプラズマエッチングなどがあるが、プラズマ発生の原理は基本的に同じであり、基板に作用する活性種の種類の分布をチャンバ構造、電極構造、あるいは発生周波数等により異なる分布に変化させているだけである。そのため、本発明は反応性イオンエッチング法に限らず、プラズマエッチング法全般に対して有効である。
【００２８】
本発明では、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ_３）を２０ｓｃｃｍ、塩素（Ｃｌ_２）を５０ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ_２）を１０ｓｃｃｍ、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を８０ｓｃｃｍ、さらにこれらに加えてＨ_２Ｏを１ｓｃｃｍ流しながら、反応圧力７Ｐａ、プラズマを発生させるＲＦパワー５００Ｗで３分間程度エッチングする。これによりシリコン基板の表面には凹凸構造が形成される。これによりシリコン基板の表面には凹凸２が形成される。エッチング中はシリコンがエッチングされて基本的には気化するが、一部は気化しきれずに分子同士が吸着して基板１の表面に残渣として残る。
【００２９】
また、ガス条件、反応圧力、ＲＦパワーなどの凹凸２の形成条件をシリコンからなるエッチングの残渣が基板１の表面に残るような条件に設定すると、凹凸２を確実に形成することができる。ただし、その凹凸２のアスペクト比は条件によって最適化が必要である。逆に、基板１の表面に残渣が残らないような条件では凹凸２を形成することは困難である。
【００３０】
本発明においては、エッチングされるシリコン基板１を周囲に配設したダミーのシリコン片に一部分または全面が重なるように配設する。図４にこの模式図を示す。図４において、１４はエッチングされる基板、１５はダミーのシリコン片、１６はトレイを示す。このようにエッチングされる基板１４をダミーのシリコン片１５に重ねて配設することで、上述のような５ｍｍ以下に近接させるための位置決めが不要となり、簡単な位置決め機構で済ますことができ、製造コストの削減が可能となる。
【００３１】
このようにダミーのシリコン片１５にエッチングされる基板１４を重ねる場合、両者の基板は接していても接していなくてもよいが、接することが望ましい。
【００３２】
ただし、ダミーのシリコン片１５の厚みが一定でない場合、実用上は周囲のダミーのシリコン片１５とエッチングされる基板１４との間に、図４に示すように、空間がある方が実施が容易である。ところが、ある一定以上の空間があるとダミーのシリコン片１５がない場合と同じようにエッチングされる基板１４の周囲の残渣の形成が不十分となることから、凹凸２の形成速度が遅くなるという問題が生じる。
【００３３】
この点について種々検討した結果、周縁部に配設される基板１４の凹凸２の形成速度に影響を及ぼす因子として、この空間の大きさと基板との距離に相関関係があることが判明した。
【００３４】
そこで本発明においては、エッチングされるシリコン基板１４と周囲に配設するダミーのシリコン片１５とを、この重なり部分を断面で見たときに空間の高さが重なりの幅よりも小さくなるように設定して配設することが望ましい。
【００３５】
図５にこの概念図を示す。周囲に配設するダミーのシリコン片１５とエッチングされるシリコン基板１４とが重なる空間の高さＨが両者の重なり幅Ｔよりも小さくなるように設定することで、周縁部に配設される基板１４の近傍で残渣の形成が不十分となる問題が解消される。
【００３６】
また、シリコン基板１４の周囲に配設したシリコン片１５は、シリコン基板１４の周囲にある程度以上の幅をもって露出するように配設される必要がある。シリコン片１５をシリコン基板１４と接触するように配設する場合には、シリコン基板１４のシリコン片１５側の周縁部とそれ以外との部分とで同等の凹凸の形成速度とするために、ダミーのシリコン片１５は最低５ｍｍほどの幅で露出していることが必要である。
【００３７】
また、シリコン基板１４と周囲のシリコン片１５とを重ねる場合には、シリコン基板１４と周囲に配設したダミーのシリコン片１５との重なり部分を断面から見て、シリコン片１５とシリコン基板１４との空間の高さをＨとしたときに、シリコン片１５の重なっている部分以外の幅がＨ＋５ｍｍより大きくなっていることが望ましい。
【００３８】
図６にこの模式図を示す。図６において周囲のダミーのシリコン片１５の幅のうち、エッチングされるシリコン基板１４との重なり幅を除いた部分の幅をＤとすると、このＤがＨ＋５ｍｍよりも小さい場合にはエッチングされるシリコン基板１４の周辺部の凹凸の形成速度は顕著に遅くなる。
【００３９】
なお、基板１をトレイ１６へ自動供給する場合やトレイ１６から自動取出する場合は、トレイ１６を正確に位置決めするために、トレイ１６の重量は少しでも軽いことが望まれる。そのため、トレイ１６の厚みは搬送中にたわみが生じないようになるべく薄いほうがよい。現実的にはトレイ１６が１ｍ角程度の場合、トレイ１６の厚みは１０〜３０ｍｍ程度とすると効率的である。
【００４０】
微細な凹凸２は円錐形もしくはそれが連なったような形状を呈し、ＲＩＥ法によってガス濃度もしくはエッチング時間を制御することにより、その大きさを変化させることができる。この微細な凹凸２の幅と高さはそれぞれ２μｍ以下に形成される。この微細な凹凸２をシリコン基板１の必要部分全面にわたって均一且つ正確に制御性を持たせて形成するためには、１μｍ以下が好適である。この微細な凹凸２のアスペクト比（凹凸１ａの高さ／幅）は２以下であることが望ましい。このアスペクト比が２以上の場合、製造過程で微細な凹凸２が破損し、太陽電池素子を形成した場合にリーク電流が大きくなって良好な出力特性が得られない。
【００４１】
反応性イオンエッチング装置あるいは類似のプラズマエッチング装置で凹凸２を形成した後、シリコン基板１の表面に残ったエッチング残渣を除去する。これにより形成する太陽電池の特性を向上させることができる。エッチング残渣を除去する方法としては、例えば凹凸２を形成して粗面化した基板１を取り出した後に水槽内で超音波をかける方法などがある。この超音波を印加する装置の種類としては、通常市販されている主な洗浄用超音波装置の周波数は数十ｋＨｚから数百ｋＨｚで、印加する振動子も材質、形状、出力などが様々なタイプがあるが、この装置のタイプは表面の残渣除去の容易さによって選択することができる。残渣除去の容易さは凹凸の形状、大きさ、残渣の残量、基板の厚みなどによっても変化し、さらに超音波の周波数によっても変化するが、比較的残渣の除去が困難な条件であっても印加時間を長くすることで残渣の除去が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るシリコン基板の粗面化法では、トレイ上に載置したシリコン基板の周辺部にダミーのシリコン片を配設するとともに、このシリコン片に重なるようにシリコン基板を配設して粗面状にすることから、トレイの位置決め精度の要求が低いまま凹凸を効率よく均一かつ容易に形成することができるようになり、製造コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコン基板の粗面化法を太陽電池素子の製法に適用した例を示す図である。
【図２】本発明に係るシリコン基板の粗面化法に用いる反応性イオンエッチング装置の一例を示す図である。
【図３】本発明に係るシリコン基板の粗面化法に用いる反応性イオンエッチング装置の他の例を示す図である。
【図４】本発明に係るシリコン基板の粗面化法におけるトレイ上への基板の配設方法を示す図である。
【図５】本発明に係るシリコン基板の粗面化法におけるトレイ上への基板の配設方法を説明するための図である。
【図６】本発明に係るシリコン基板の粗面化法におけるトレイ上への基板の他の配設方法の説明するための図である。
【符号の説明】
１；シリコン基板、２；表面凹凸構造、３；不純物拡散層、４；裏面不純物拡散層、５；反射防止膜、６；表面電極、７；裏面電極、８；マスフローコントローラ、１；シリコン基板、９；ＲＦ電極、１０；圧力調整器、１１；真空ポンプ、１２；ＲＦ電源、１３；アース、１４；エッチングされる基板、１５；ダミーのシリコン片、１６；トレイ

Claims (4)

1. シリコン基板をトレイ上に載置してドライエッチングすることによって粗面状にするシリコン基板の粗面化法において、前記シリコン基板の周辺部にダミーのシリコン片を配設するとともに、このシリコン片に重なるように前記シリコン基板を配設して粗面状にすることを特徴とするシリコン基板の粗面化法。
2. 前記シリコン片上に前記シリコン基板が空間をもって重なるように配設するとともに、この重なり幅が前記空間の高さよりも大きくなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載のシリコン基板の粗面化法。
3. 前記シリコン片上に前記シリコン基板が空間をもって重なるように配設するとともに、前記シリコン片が前記空間の高さよりも５ｍｍ以上大きな幅で露出するように設定したことを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン基板の粗面化法。
4. 前記ドライエッチングが反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のシリコン基板の粗面化法。

Images