JP2004111929A - エッチング装置、エッチング方法、およびそれに用いる開口プレート - Google Patents

Abstract

【課題】　開口プレートの開口部近傍でのプラズマを安定化させて、基板の表面に凹凸を効率よく均一に形成する。
【解決手段】　エッチングされる基板の表面側に開口部が多数形成された開口プレート１４を配置したエッチング装置であって、上記開口プレート１４の開口部１５の上記基板側および／または上記基板とは反対側に面取り部を設ける。
【選択図】　図１

Description

　本発明はエッチング装置、エッチング方法、およびそれに用いる開口プレートに関し、特に太陽電池などに用いられるシリコン基板等の表面を粗面化するのに好適に用いることができるエッチング装置、エッチング方法、およびそれに用いる開口プレートに関する。

背景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ーを電気エネルギー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、高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが大きい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素子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。

　一方、量産レベルの多結晶型の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。

　電気エネルギーへの変換効率を向上させるため、従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに基板の表面に入射する光の反射を少なくする技術があり、入射する光の反射を低減することで電気エネルギーヘの変換効率を高めることができる。

　シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合に、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、表面に微細な凹凸が形成され、基板の表面の反射をある程度低減させることができる。

　面方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いた場合は、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。

　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凹凸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（たとえば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。すなわち、微細な凹凸を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均一に形成し、特に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。

　図４に太陽電池素子の構造を示す。図４において、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。

　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１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。

　シリコン基板１の表面側には、入射した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って基板の表面をエッチングするものである。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法と呼ばれるこの方法は図５および図６に示すような装置を用いる。

　図５および図６において、８はマスフローコントローラ、９はＲＦ電極、１０は圧力調整器、１１は真空ポンプ、１２はＲＦ電源、１３はトレイである。装置内にマスフローコントローラ８部分からガスを導入するとともに、ＲＦ電極９からＲＦ電力を導入すること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の上部に設置されたトレイ１３上のシリコン基板１の表面に作用させてエッチングする。図５に示す装置では、ＲＦ電極９を装置内に設置して１枚のシリコン基板１の表面をエッチングするが、図６に示す装置では、ＲＦ電極９を装置の外壁に設置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。

　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って異なる分布に変化させているだけである。

　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。ガス条件、反応圧力、ＲＦパワーなどをシリコンの残渣がシリコン基板１の表面に残るような条件に設定すると、確実に凹凸２を形成することができる。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を形成することは困難である。

　しかしながら、凹凸を形成する条件は微妙であり、装置の構造によっても変化する。微細な凹凸２を均一に形成できない場合は、太陽電池の光電変換効率が低下し、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ためには、太陽電池の変換効率を向上させなければならない。

　また、反応性イオンエッチング法で用いられる反応性イオンエッチング装置は一般に平行平板電極型をしており、基板１を設置している電極９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してある。この容器内部を真空ポンプで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内部に配設した基板をエッチングする。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多い。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、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製造工程に用いる場合には、基板一枚あたりの処理時間をいかに短縮するかが重要なポイントの一つである。

　基板一枚あたりの処理時間を短縮する方法の一つとして、特願２００１−１３０４３０号による方法がある。この方法においてはシリコン基板１の粗面化法においてシリコン基板の表面にエッチング残渣を付着させながらエッチングして粗面化した後、このエッチング残渣を除去するが、このドライエッチング時にマスクとなる残渣を速く形成して凹凸の形成を促進させるために、基板１を多数の開口部１５が形成された開口プレート１４で覆ってエッチングする。この方法では凹凸２の形成速度が向上すると同時にバッチ内でのエッチングの均一性も向上する。

　この開口プレート１４を図７に示す。図７において、１５は開口部、１６は側壁部を示す。図８はこの開口プレート１４を基板１上に配置した状態を示す。図８において、１４は開口プレート、１はシリコン基板などのエッチングされる基板、１３はトレイ、９はＲＦ電極、１７は絶縁体、１９はチャンバ壁を示す。開口プレート１４はシリコン基板１と適当な距離を保って配設する。

　この方法を用いることにより、ドライエッチング時に大面積のエッチングが行えるようになり、より多数枚の基板１を一括処理することが可能となる。加えて凹凸２の形成速度も向上するため、処理時間も短くなり、基板一枚あたりの処理時間を大きく短縮できる。

　開口プレート１４とシリコン基板１との距離を保持するための方法としては、図７に示すように、例えば側壁部１６を設けるのが簡単である。開口プレート１４でシリコン基板１を覆ってエッチングする方法は、エッチングする面積が１ｍ角を越えるような大面積の場合に特に有効である。ところが、このような大面積の開口プレート１４を作製すると、開口プレート１４そのものの自重によって撓みが生じる。また、エッチング時のプラズマによって開口プレート１４に熱がかかるため、自重による変形がさらに進行する可能性がある。大面積になればなるほど、シリコン基板１と開口プレート１４の距離を正確に制御することが困難となる。そこで、その場合には開口プレート１４の厚みを増したり、側壁部１６の高さを増すなどの対策が有効である。開口プレート１４の厚みを増すだけであると自重が増加して撓みが減らない場合があるため、開口プレート１４の中央部の厚みを薄くするという方法も有効である。しかしながら、中央部の厚みを薄くする場合でも、少なくとも周辺部は厚くしなければならない。開口プレート１４の撓みに対しては、その厚みを増加することで解決できる。

　ところが、開口プレート１４を厚くすると、開口部１５の個々の領域でプラズマが不安定となり、その度合いが増すと凹凸が形成されなくなるという問題がある。例えば開口プレート１４の開口部１５の対向する端面間の幅が３ｍｍのときは、厚みが５ｍｍ以下ではプラズマは安定するが、厚みが５ｍｍを越えると不安定になって凹凸の形成効率が悪くなる。

　プラズマが不安定になることの対策としては、開口部１５の対向する端面の開口幅を大きくすることや、開口プレート１４の厚みを薄くすることが有効である。しかしながら、開口部１５の対向する端面の開口幅を大きくすると、残渣の閉じ込め効果が小さくなって、その直下における基板の表面での残渣の形成の促進効果が弱まり、凹凸の形成が遅くなる。そのためその部分での凹凸の形成が遅くなり、結果として開口部１５がない部分のシリコン基板１の表面の凹凸の形成速度と異なることになってムラが発生してしまう。

　また、開口部１５の開口幅は開口プレート１４全体の開口形状、開口率、開口ピッチ、開口プレート１４とエッチングされる基板１との距離などとともに凹凸がより効率的に形成されるように設定するものであり、プラズマを安定化するために開口部１５の開口幅を調整することは本来の目的を失うものであって本質的な解決にはならない。

　本発明は、このような開口プレートの開口部でプラズマが不安定になるという従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、半導体基板、特に太陽電池に用いられるシリコン基板の表面の凹凸を効率よく均一に形成するエッチング装置、エッチング方法、およびそれに用いる開口プレートを提供することを目的とする。
特公昭６０−２７１９５号 特開平５−７５１５２号 特開平９−１０２６２５号公報

　上記目的を達成するために、請求項１に係るエッチング装置では、エッチングされる基板の表面側に開口部が多数形成された開口プレートを配置したエッチング装置において、前記開口プレートの開口部の前記基板側および／または前記基板とは反対側に面取り部を設けたことを特徴とする。

　上記エッチング装置では、前記開口プレートは金属からなることが望ましく、またアルミニウムからなることがさらに望ましい。

　また、上記エッチング装置では、前記エッチング装置が反応性イオンエッチング装置であることが望ましい。

　請求項５に係るエッチング方法では、エッチングされる基板の表面側に開口部が多数形成された開口プレートを配置してエッチングするエッチング方法において、前記開口プレートの開口部の前記基板側および／または前記基板とは反対側に面取り部を設けてエッチングすることを特徴とする。

　請求項６に係るエッチング装置開口プレートは、エッチングされる基板の表面側に配設される開口部が多数形成されたエッチング装置用開口プレートにおいて、前記開口プレートの開口部の前記基板側および／または前記基板とは反対側に面取り部を設けたことを特徴とする。

　以上のように、本発明に係るエッチング装置によれば、エッチングされる基板の表面側に開口部が多数形成された開口プレートを配置したエッチング装置において、上記開口プレートの開口部の上記基板側および／または上記基板とは反対側に面取り部を設けたことから、開口プレートの撓み強度を大きくするために厚みを厚くすることで発生する不安定なプラズマの条件を安定化させることができるようになり、その結果大面積でのエッチングが可能となって、高効率の太陽電池などに必要なシリコン基板の表面に凹凸を高タクトかつ低コストで形成することが可能となる。

　また、請求項５に係るエッチング方法によれば、開口部の基板側および／または基板とは反対側に面取り部を設けた開口プレートを用いてエッチングすることから、開口プレートの撓み強度を大きくするために厚みを厚くすることで発生する不安定なプラズマの条件を安定化させることができるようになり、その結果大面積でのエッチングが可能となって、シリコン基板の表面に凹凸を高タクトかつ低コストで形成することが可能となり、高効率の太陽電池を形成できる。

　また、請求項６に係るエッチング装置用開口プレートによれば、開口部の基板側および／または基板とは反対側に面取り部を設けたことから、開口プレートの撓み強度を大きくするために厚みを厚くすることで発生する不安定なプラズマの条件を安定化させることができるようになり、その結果大面積でのエッチングが可能となって、シリコン基板の表面に凹凸を高タクトかつ低コストで形成することが可能となり、高効率の太陽電池を形成できる。

　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に本発明に係るエッチング装置を示す。図１において、１４は開口プレート、１はシリコン基板などのエッチングされる基板、１３はトレイ、９はＲＦ電極、１７は絶縁体、１９はチャンバ壁を示す。

　図２に開口プレートの開口部１５の拡大図を示す。図２に示すように、本発明では開口部１５エッチングされる基板１側および／または基板１とは反対側に面取り部１８を設ける。これによりプラズマが不安定になりやすい開口部１５の周辺での開口プレート１４の厚みを擬似的に薄くすることができ、安定したプラズマを形成できるようになる。上述の例では開口幅ｌ_１が３ｍｍ、厚みｔ_１が６ｍｍのアルミニウム製の開口プレート１４を用いた場合、幅ｌ_２と高さｔ_２がそれぞれ０．９ｍｍ以上のＣ面を形成することによってプラズマが安定して形成できるようになる。この面取り部８の幅ｌ_２はエッチングの条件によって異なるもので、それぞれの条件に応じて自由に設定できる。したがって、本発明はこの値に限るものではない。

　この面取り部１８は、図３（ａ）に示すように、エッチングされる基板１側と基板１とは反対側との両方に形成してもよく、また図３（ｂ）に示すように、エッチングされる基板１とは反対側のみに形成してもよく、さらに図３（ｃ）に示すように、エッチングされる基板１側のみに形成してもよい。また、この面取り部１８は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、開口部１５の全周に形成する場合に限らず、図３（ｄ）〜（ｆ）に示すように、開口部１５の一部には面取り部１８が存在しない部分が存在してもよい。すなわち、図３（ｄ）は、表裏面の両方の開口部１８の一部には面取り部１８を形成しない例であり、図３（ｅ）は、表面側のみに面取り部１８を形成するが、その一部には面取り部１８を形成しない例であり、図３（ｆ）は、裏面側のみに面取り部１８を形成するが、その一部には面取り部１８を形成しない例である。

　この面取り部１８は例えば面取り加工などして形成されるが、面取り部１８を表裏面のいずれか一方にしか形成しない場合は、開口部１５を形成する際に同時に形成してもよい。

　また、面取り部１８としては例えばＲ面を形成してもよいが、いずれにしても開口部５で開口プレート１４を擬似的に薄くするものであればよい。また、この例では開口プレート１４の開口部１５をスリット形状としているが、例えば円形のような形状であってもよいし、四角形であってもよい。また、この開口パターンの並びも格子状あるいは千鳥状などのような並び方でもよい。

　開口プレート１４の平面部に対する開口部１４の締める割合である開口率は凹凸の形成に重要な役割を果たす。この開口率は５〜４０％であることが望ましい。開口率が５％よりも小さい場合は、シリコンのエッチングに必要なガスの供給が不十分となって残渣の形成速度が遅くなるために凹凸の形成が遅くなる。逆に、開口率が４０％よりも大きい場合は、エッチングの際に生成するシリコン化合物からなる残渣を開口プレート１４と基板１との間に閉じ込める効果が弱くなって残渣を形成する効果が弱くなる。

　本発明はエッチングチャンバの面積が１ｍ角を越えるような大面積のエッチングを行う際に大きな効果があるが、小面積の場合でも有効に活用することができる。他のエッチング条件を変化させても均一性の改善が十分でないようなハード的な問題が存在するときには本発明は特に有効である。

　開口プレート１４の材質はアルミニウム材またはガラス材のいずれでもよい。開口プレート１４の加工の容易さという面では金属が好ましいが、ステンレス系の金属ではシリコンのエッチングに用いるガスに曝されると腐食するために不適である。一方、エッチング中はプラズマに曝されるために発熱する。この温度は条件によって大幅に変わり、プラズマ中で温度が上昇しても凹凸の形成が終了すれば大気中で基板を取り出すといった工程となるために温度の上下動に耐える材質であることが好ましい。エッチングされる基板を多数並べて大面積にわたって一括してエッチングする場合には、ガラス材では脆くて破損しやすいために金属を用いることが好ましい。また、開口プレート１４にさまざまな加工を施すための加工性の点から、開口プレート１４の撓みを小さくするために自重が小さいことが望まれる点から、さらにシリコンをエッチングするガスに対する耐食性の点から、本発明においては特にアルミニウムを主成分とする開口プレート１４を用いることが好ましい。

本発明に係るエッチング装置を説明するための図である。 本発明に係るエッチング装置に用いる開口プレートの一部を拡大して示す図である。 本発明に係るエッチング装置に用いる開口プレートの面取り部を示す図である。 従来のエッチング装置を用いて形成した太陽電池素子を示す図である。 従来のエッチング装置を示す図である。 従来の他のエッチング装置を示す図である。 従来のエッチング装置で用いていた開口プレートを示す図である。 従来のエッチング方法を示す図である。

符号の説明

１；シリコン基板、２；凹凸、３；受光面側の不純物拡散層、４；裏面側の不純物拡散層（ＢＳＦ）、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、９；ＲＦ電極、１０；圧力調整器、１１；真空ポンプ、１２；ＲＦ電源、１３；トレイ、１４；開口プレート、１５；開口部、１６；側壁部、１７；絶縁体、１８；面取り部

Claims (6)

1. 　エッチングされる基板の表面側に開口部が多数形成された開口プレートを配置したエッチング装置において、前記開口プレートの開口部の前記基板側および／または前記基板とは反対側に面取り部を設けたことを特徴とするエッチング装置。
2. 　前記開口プレートが金属からなることを特徴とする請求項１に記載のエッチング装置。
3. 　前記開口プレートがアルミニウムからなることを特徴とする請求項１または２に記載のエッチング装置。
4. 　前記エッチング装置が反応性イオンエッチング装置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エッチング装置。
5. 　エッチングされる基板の表面側に開口部が多数形成された開口プレートを配置してエッチングするエッチング方法において、前記開口プレートの開口部の前記基板側および／または前記基板とは反対側に面取り部を設けてエッチングすることを特徴とするエッチング方法。
6. 　エッチングされる基板の表面側に配設される開口部が多数形成されたエッチング装置用開口プレートにおいて、前記開口プレートの開口部の前記基板側および／または前記基板とは反対側に面取り部を設けたことを特徴とするエッチング装置用開口プレート。

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