JP2005294289A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理に必要なコストや時間を低減することが可能な基板処理装置及び基板処理方法を提供する。
【解決手段】ウェハ１及び対向電極２は、処理槽４に容れられた溶液５に浸漬されている。溶液５は一部あるいは大部分が水酸基ＯＨ^-にイオン化されており、さらにエッチングマスクとなる微粒子６が混入されている。ウェハ１には、溶液５中で対向配置された対向電極２との間で、パルス電源７によりパルス電圧が印加される。ウェハ１に印加される電圧は、参照電極３を用いて制御電源８により制御される。この電圧はパルス状であり、電圧が正の期間と電圧が負の期間とが交互に印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板処理装置及び基板処理方法に関し、特に、太陽電池用多結晶シリコン基板の表面を粗面化する技術に関する。

太陽電池などの光電変換素子においては、光を効率よく取り込むことは高性能化に必須となる。そのために、基板表面に微細な凹凸を施す手法が用いられる。これにより、表面が平坦である場合に比べて、入射した光が凹凸で複数回反射するので、より多くの光が吸収されることになる。

単結晶シリコン基板を用いる太陽電池においては、薬液を用いたウェットエッチングにより表面に微細な凹凸を施し、ピラミッド状のいわゆるテクスチャ構造を形成する。しかし、多結晶シリコン基板においては、結晶軸方位がそろっていないので、上記のような薬液を用いたウェットエッチングでは部分的にしかテクスチャ構造が作製できない。

そこで、従来の薬液を用いたウェットエッチングに代えて、フォトリソグラフィーを用いたエッチングにより多結晶シリコン基板の表面に均一に凹凸を形成する手法が、特許文献１等において提案されている。特許文献１の図４では、基板１及び対極１７は、電解槽１８内において、マスク用微粒子を分散させた電解液１６に浸漬され、パルス電源１９に接続されている。ここで、電解液１６中のマスク用微粒子がプラス又はマイナスの電荷を有するかに応じて、基板１をそれぞれ負極又は正極とする。そして、所定の直流電圧を所定時間印加することにより、マスク用微粒子を電気泳動により基板１に付着（電着）させる。マスク用微粒子を電着させた基板１は、一旦、電解液１６中から取り出し、別途ウェットエッチング装置あるいはドライエッチング装置を用いてエッチングを行う。さらに、エッチングを終えた後に、残留するマスク用微粒子の除去を行うことにより、粗面化した多結晶シリコン基板が得られる。

特開２０００−２６１００８号公報（第５頁、第４図）

上記の手法においては、基板１は、マスク用微粒子を電解液１６中で付着された後に、一旦電解槽１８から取り出され、別途設けられたウェットエッチングのための薬液槽やドライエッチングのためのＲＩＥ(Reactive Ion Etching)装置においてエッチングされる。即ち、微粒子を付着させる工程とこの微粒子をマスクとしてエッチングを行う工程とが別々の装置において行われるので、処理が煩雑になってしまう。従って、処理に必要なコストや時間が増加してしまうという問題点があった。

本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、処理に必要なコストや時間を低減することが可能な基板処理装置及び基板処理方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る基板処理装置は、処理対象となる基板表面に付着させた微粒子をマスクとし、処理液により前記基板表面をエッチングする基板処理装置であって、正電位に帯電させた前記微粒子を混在したＯＨ^-イオンを含む溶液を入れて前記溶液中に前記基板および前記基板に対向配置された対向電極を浸漬させる処理槽と、時間的に正負に変化する電圧を前記基板と前記対向電極との間に与える電源とを備えることを特徴とする。

本発明に係る基板処理装置は、処理対象となる基板表面に付着させた微粒子をマスクとし、処理液により前記基板表面をエッチングする基板処理装置であって、正電位に帯電させた前記微粒子を混在したＯＨ^-イオンを含む溶液を入れて前記溶液中に前記基板および前記基板に対向配置された対向電極を浸漬させる処理槽と、時間的に正負に変化する電圧を前記基板と前記対向電極との間に与える電源とを備えることを特徴とする。従って、処理槽に容れられた溶液に多結晶シリコン基板を浸漬させた状態で、微粒子の付着と微粒子をマスクとした多結晶シリコン基板のエッチングとを行うことできる。よって、多結晶シリコン基板のエッチングのための装置を別途用いる必要がなく、処理を容易に行うことが可能となるので、処理に必要なコストや時間を低減できる。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る基板処理装置１００を示す模式図である。この基板処理装置１００は、多結晶シリコン（ポリシリコン）からなる太陽電池用基板であるウェハ１の表面に微細な凹凸を与えて粗面化するためのものである。

図１において、ウェハ１及び対向電極２は、処理槽４に容れられた溶液５に浸漬されている。溶液５は一部あるいは大部分が水酸基ＯＨ^-にイオン化されており、さらにエッチングマスクとなる微粒子６が混入されている。ウェハ１には、溶液５中で対向配置された対向電極２との間で、パルス電源７によりパルス電圧が印加される。ウェハ１に印加される電圧は、参照電極３を用いて制御電源８により制御される。

図２は、基板処理装置１００により実現される、エッチングマスクとなる微粒子６のウェハ１表面への付着及びウェハ１のエッチングの様子を示した模式図である。図２（ａ）では、ウェハ１表面に微粒子６が付着した様子が示されている。また、図２（ｂ）では、微粒子６の付着と同時に進行するウェハ１のエッチングの様子が示されている。図２（ｂ）においては、溶液５中のＯＨ^-イオン１１と、エッチングが進展したウェハ１のエッチング面１２とが示されている。

ここで、微粒子６は、溶液５中において正に帯電しているものであればよく、アルミナや酸化ケイ素等の酸化物セラミックス、ポリスチレンやガラス等の絶縁物、あるいはアルミニウムや銅等の金属からなってもよい。微粒子６の粒径は、形成すべきエッチング面１２の凹凸のサイズにより、０．１〜数百μｍの大きさが選ばれる。溶液５は純水、好ましくはアルカリ性となるＮａＯＨ，ＮＨ₃，ＮＨ₄ＯＨ等の電解質を溶解させた水溶液が選ばれる。これにより、溶液５は、一部あるいは大部分が水酸基ＯＨ^-にイオン化した状態となる。さらに溶液５中において、微粒子６の表面を正電位に帯電させるために、溶液のＰＨを調整するか、あるいはカチオン系の界面活性剤を添加する。

図３は、基板処理装置１００においてウェハ１へ印加される電圧について説明するためのグラフである。図３（ａ）において、横軸は時間を、縦軸は電圧を、点線は電圧０をそれぞれ示している。即ち、点線の上側は正電圧であり、点線の下側は負電圧である。図３（ａ）に示されるように、この電圧はパルス状であり、電圧が正の期間３２と電圧が負の期間３１とが交互に印加される。また、図３（ａ）における期間３２は、実際には、図３（ｂ）に示すように短い正のパルス３３と短い負のパルス３４との櫛状の繰り返しにより設定される。

次に、本実施の形態に係る基板処理装置１００を用いた基板処理方法について説明する。

まず、図３において負電圧を表す期間３１について説明する。

ウェハ１に負の電圧が印加されると、溶液５中に混在している微粒子６は、上述したように予め正電位に帯電されているので、ウェハ１に引き寄せられその表面に付着する。一旦付着した微粒子６は、ウェハ１表面との間に働くファンデルワールス力により吸着状態を維持する。このとき、溶液５中の各々の微粒子６は、互いに同種の電荷を有するので、その電気的反発力により凝集が抑制され分散した状態で存在しており、従って、ウェハ１表面に分散して付着する。これにより、微粒子６は、図２（ａ）に示されるように、ウェハ１表面でほぼ等間隔に分散して付着する。従って、微粒子６を、ウェハ１表面において均一な凹凸のテクスチャ構造を形成するために適したエッチングマスクとして付着させることができる。このとき、溶液５中のＯＨ^-イオン１１は、ウェハ１と同種の電荷を有することになるので、ウェハ１を衝撃することはない。

次に、図３において正電圧を表す期間３２について説明する。

ウェハ１に正の電圧が印加されると、溶液５中のＯＨ^-イオン１１は、ウェハ１と異種の電荷を有することになるので、ウェハ１に引き寄せられその表面を衝撃する。これにより、エッチングが行われる。また、ウェハ１表面に一旦付着した上記の微粒子６は、ウェハ１に正の電圧が印加されると、ウェハ１と同種の電荷を有することになるので、反発しウェハ１から離脱しようとする。しかし、図３（ｂ）に示すように、期間３２が短い正のパルス３３と短い負のパルス３４との櫛状の繰り返しにより設定されていると、パルス３３のパルス幅を所定の値よりも小さくすることにより、微粒子６をウェハ１表面に吸着させた状態を維持することが可能となる。即ち、このパルス幅が所定の値よりも小さい場合には、微粒子６はその質量の大きさ故にパルス３３の変化に追従できず、離脱する前にウェハ１が負電圧になってしまうので、微粒子６の吸着状態が維持される。一方、溶液５中のＯＨ^-イオン１１は、その質量の小ささ故にパルス３３の変化に追従できるので、ウェハ１を衝撃しエッチングが行われる。即ち、パルス３３のパルス幅を、ＯＨ^-イオン１１は追従できるが微粒子６は追従できないような範囲に設定することにより、微粒子６を離脱させることなくＯＨ^-イオン１１によるウェハ１のエッチングを行うことが可能となる。なお、図３（ｂ）においては、パルス３４のパルス幅が期間３２にわたって同じである場合を示しているが、パルス３４のパルス幅は、可変であってもよい。

上述したような期間３１を有する負の電圧と期間３２を有する正の電圧とを繰り返して所定時間印加することにより、微粒子６をマスクとしてＯＨ^-イオン１１による等方的なウェットエッチングを行うことができる。これにより、図２（ｂ）に示されるような形状のエッチング面１２を最終的に得ることができる。また、図３（ａ）に示されるように正負に変化する一周期において、正の期間３２を負の期間３１より短くすることで、より等方的なウェットエッチングを行うことが可能となる。

エッチングが終了すると、ウェハ１を処理槽４から取り出し、別途設けられたウェットエッチング装置あるいはドライエッチング装置を用いて、微粒子６の除去を行う。これにより、凹凸のエッチング面１２が形成されたテクスチャ構造のポリシリコンウェハが得られる。

このように、本実施の形態に係る基板処理装置１００及びこれを用いた基板処理方法においては、時間的に正負に変化するパルス電圧をウェハ１に印加することにより、処理槽４に容れられた溶液５にウェハ１を浸漬させた状態で、微粒子６の付着と微粒子６をマスクとしたウェハ１のエッチングとを行っている。従って、ウェハ１のエッチングのための装置を別途用いる必要がなく、処理を容易に行うことが可能となる。よって、処理に必要なコストや時間を低減できる。

以下、具体例を用いて、本実施の形態を詳細に説明する。

水１リットルに対して０．１％のアンモニアを加えた水溶液に、粒径１０μｍのアルミナ微粒子を入れて処理溶液とした。この溶液を入れた処理槽内でのＰＨは約９となり、アルミナ微粒子は正電位に帯電した。さらに、微粒子の正電荷量を増大させるため、溶液にカチオン系の界面活性剤を添加した。処理槽には１５ｃｍ角のポリシリコンウェハと、ウェハ１と同程度の大きさの対向電極を数ｃｍの間隔をあけて浸漬し、それぞれをパルス電源に接続した。図３に示される電圧としては、負電圧が−数十Ｖ、正電圧が＋数Ｖに変化するパルス電圧をウェハに印加した。又、負電圧を印加する期間（期間３１）は数秒程度、正電圧を印加する期間（パルス３３）は数百ｍｓｅｃ程度に設定した。以上の電圧を数分間印加して、微粒子の付着とウェハのエッチングをおこなった後、ウェハを引き上げた。引き上げたウェハは所定の処理をおこなって微粒子を除去し、ウェハ表面に凹凸のエッチング面を形成してテクスチャ構造を得た。得られたウェハの波長６２８ｎｍにおける反射率は１７％であった。

＜実施の形態２＞
実施の形態１においては、パルス電源７によるパルス電圧を用いるが、パルス電圧に代えて高周波電源による交流電圧を用いてもよい。

図４は、実施の形態２に係る基板処理装置２００を示す模式図である。図４は、図１において、パルス電源７に代えて、高周波電源４１及びコンデンサ４２を設置したものである。図４において、図１と同様の要素については同一の符号を付してしてあるので、それらのここでの詳細な説明は省略する。また、以下の動作説明においても、実施の形態１と同様の動作については、詳細な説明は省略する。

図５は、基板処理装置２００においてウェハ１へ印加される電圧について説明するためのグラフである。図５において、横軸は時間を、縦軸は電圧を、点線は電圧０をそれぞれ示している。即ち、点線の上側は正電圧であり、点線の下側は負電圧である。図５に示されるように、この電圧は、時間的に電圧が正負に変化する三角関数状であり、次のような理由により、負にバイアスされる。

すなわち、溶液５中には、例えばＮＨ₄ ⁺の正イオンに加えて正に帯電されている微粒子６と、ＯＨ^-イオン１１とで、電気的に中性になっている。この状態でウェハ１に高周波電圧を印加すると、重い微粒子６は高周波電圧に追従せず動かないが、軽いＯＨ^-イオン１１やＮＨ₄ ⁺イオンは高周波電圧の正負の電界に対応してウェハ１表面に集まる。しかしながら、溶液５中でのＮＨ₄ ⁺イオンはＯＨ^-イオン１１に比べて少ないため、ウェハ１表面にはＯＨ^-イオン１１が多く集まることになる。その結果、ウェハ１表面の電位は負にバイアスされることになる。

次に、本実施の形態に係る基板処理装置２００を用いた基板処理方法について説明する。

まず、図５において負電圧を表す期間５１について説明する。

ウェハ１に負の電圧が印加されると、溶液５中に混在している微粒子６は、上述したように予め正電位に帯電されているので、実施の形態１と同様に、ウェハ１に引き寄せられその表面に付着する。

ここで、図５に示されるように、ウェハ１には、電圧を負の方向にシフトさせるような自己バイアス電圧５３が発生する。従って、高周波電圧の１サイクルの変化には追従しないような大きな質量を有する微粒子６であっても、高周波電圧を所定時間印加することによりウェハ１表面に付着させることが可能となる。また、コンデンサ４２は、直流成分をカットし交流成分のみを通すいわゆるブロッキングコンデンサとして動作するので、この自己バイアス電圧５３によりウェハ１に電流が流れることを防止できる。

次に、図５において正電圧を表す期間５２について説明する。

ウェハ１に正の電圧が印加されると、溶液５中のＯＨ^-イオン１１は、ウェハ１と異種の電荷を有することになるので、実施の形態１と同様に、ウェハ１に引き寄せられその表面を衝撃する。これにより、エッチングが行われる。また、ウェハ１表面に一旦付着した上記の微粒子６は、ウェハ１に正の電圧が印加されると、ウェハ１と同種の電荷を有することになるので、反発しウェハ１から離脱しようとする。ここで、図５に示されるような高周波電圧の周波数を所定の値よりも小さくすることにより、微粒子６をウェハ１表面に吸着させた状態を維持することが可能となる。即ち、この期間５２が所定の値よりも小さい場合には、微粒子６はその質量の大きさ故に高周波電圧の変化に追従できず、離脱する前にウェハ１が負電圧になってしまうので、微粒子６の吸着状態が維持される。一方、溶液５中のＯＨ^-イオン１１は、その質量の小ささ故に高周波電圧の変化に追従できるので、ウェハ１を衝撃しエッチングが行われる。即ち、高周波電圧の周波数を、ＯＨ^-イオン１１は追従できるが微粒子６は追従できないような範囲に設定することにより、実施の形態１と同様に、微粒子６を離脱させることなくＯＨ^-イオン１１によるウェハ１のエッチングを行うことが可能となる。

このように、本実施の形態に係る基板処理装置２００及び基板処理方法においては、パルス電源７によるパルス電圧に代えて高周波電源４１による交流電圧を用い、且つ、コンデンサ４２を介することにより自己バイアス電圧５３の直流成分をカットしている。従って、直流成分による電流がウェハ１に流れることを防止できるので、実施の形態１の効果に加えて、ウェハ１の損傷を低減できるという効果を有する。

以下、具体例を用いて、本実施の形態を詳細に説明する。

ウェハには高周波電源を用いて、振幅が数十Ｖ、周波数が１０ＭＨｚの高周波電圧を印加した。以上の高周波電圧を数分間印加して、微粒子の付着とウェハのエッチングをおこなった後、ウェハを引き上げた。引き上げたウェハは所定の処理をおこなって微粒子を除去し、ウェハ表面に凹凸のエッチング面を形成してテクスチャ構造を得た。得られたポリシリコンウェハの波長６２８ｎｍにおける反射率は１８％であった。

＜実施の形態３＞
実施の形態１，２に係るウェハ１は多結晶シリコンからなるが、その表面は金属層で覆われていてもよい。

図６は、実施の形態３に係るウェハ１ａを示す断面図である、ウェハ１ａは、多結晶シリコンからなるウェハ１の表面を、アルミニウムやタングステン等からなる厚みが１０ｎｍ程度の金属層６１で覆ったものである。導電性の高い金属層６１で覆うことによりウェハ１ａの表面電位を均一にすることができるので、エッチングマスク用の微粒子６をウェハ１ａの表面により均一に分散させて付着させることが可能となる。実施の形態１，２において説明したようなＯＨ^-イオン１１によるエッチングのときには、まずこの金属層６１がＯＨ^-イオン１１により除去された後に、その下層の多結晶シリコンがエッチングされる。

このように、本実施の形態に係るウェハ１ａにおいては、導電性の高い金属層６１で覆うことにより表面電位を均一にすることができるので、エッチングマスク用の微粒子６をより均一に分散させて付着させることが可能となる。従って、このウェハ１ａを用いることにより、凹凸のエッチング面１２がより均一に形成されたテクスチャ構造のポリシリコンウェハを得ることが可能となる。

なお、以上においては、多結晶シリコンからなるウェハ１を例として説明を行ったが、ウェハ１は、多結晶シリコンに限らず、他の材質からなってもよい。

また、以上においては、エッチング終了後のウェハ１，１ａからの微粒子６の除去は別途設けられたウェットエッチング装置あるいはドライエッチング装置を用いて行われる旨の説明を行ったが、これらのエッチング装置を用いることなく微粒子６の除去を行うことも可能である。即ち、エッチング終了後に、処理槽４において、ウェハ１，１ａに正の電圧を長時間印加することにより、反発力により微粒子６を離脱させることができる。さらに、この正の電圧を印加した状態でウェハ１，１ａを処理槽４から引き上げることにより、微粒子６の再付着を防ぐことが可能となる。

このような処理を行うことにより、エッチング装置を別途用いることなく、微粒子６を付着させる工程と微粒子６をマスクとしてエッチングを行う工程とに加えて、微粒子６を離脱させる工程を処理槽４を用いて行うことができる。従って、微粒子６の離脱のための装置を別途用いる必要がなく、処理をさらに容易に行うことが可能となる。よって、処理に必要なコストや時間をさらに低減できる。

以下、具体例を用いて、本実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１に係る具体例に記載した処理によりエッチングが完了したウェハは、次に正の電圧＋数十Ｖを数分間印加され、さらにその電圧を印加した状態で処理槽から引き上げられた。これによりマスクとなっていた微粒子は完全に離脱し、再付着することなくウェハ表面から除去された。

実施の形態１に係る基板処理装置を示す模式図である。 実施の形態１に係る基板処理装置による付着及びエッチングを示す模式図である。 実施の形態１に係る基板処理装置においてウェハへ印加される電圧を示すグラフである。 実施の形態２に係る基板処理装置を示す模式図である。 実施の形態２に係る基板処理装置においてウェハへ印加される電圧を示すグラフである。 実施の形態３に係るウェハを示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ ウェハ、２ 対向電極、３ 参照電極、４ 処理槽、５ 溶液、６ 微粒子、７ パルス電源、８ 制御電源、１１ ＯＨ^-イオン、１２ エッチング面、３１，３２，５１，５２ 期間、３３，３４ パルス、４１ 高周波電源、４２ コンデンサ、５３ 自己バイアス電圧、６１ 金属層、１００，２００ 基板処理装置。

Claims (10)

1. 処理対象となる基板表面に付着させた微粒子をマスクとし、処理液により前記基板表面をエッチングする基板処理装置であって、
   正電位に帯電させた前記微粒子を混在したＯＨ^-イオンを含む溶液を入れて前記溶液中に前記基板および前記基板に対向配置された対向電極を浸漬させる処理槽と、
   時間的に正負に変化する電圧を前記基板と前記対向電極との間に与える電源と
   を備えることを特徴とする基板処理装置。
2. 請求項１に記載の基板処理装置であって、
   前記基板に与える電圧はパルス状に正負に変化する
   ことを特徴とする基板処理装置。
3. 請求項２に記載の基板処理装置であって、
   前記基板に与える電圧が正負に変化する一周期において、正の期間は、前記基板に与える電圧が負の期間より短い
   ことを特徴とする基板処理装置。
4. 請求項３に記載の基板処理装置であって、
   前記基板に与える電圧が正の期間において、前記基板には櫛状に繰り返す短い正のパルス電圧と短い負のパルス電圧とが与えられる
   ことを特徴とする基板処理装置。
5. 請求項４に記載の基板処理装置であって、
   前記基板に与える電圧が正の期間において、前記短い負のパルス電圧のパルス幅は可変する
   ことを特徴とする基板処理装置。
6. 請求項１に記載の基板処理装置であって、
   前記電源からの電圧はブロッキングコンデンサを介して前記基板に与えられる
   ことを特徴とする基板処理装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の基板処理装置であって、
   前記基板は多結晶シリコン基板である
   ことを特徴とする基板処理装置。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の基板処理装置であって、
   前記基板はその表面に金属層を有する
   ことを特徴とする基板処理装置。
9. ＯＨ^-イオンを含み、且つ正電位に帯電された微粒子が混在させられた溶液中に、基板と対向電極とを浸漬させる工程と、
   前記基板に負電圧を与えることにより前記基板に前記微粒子を付着させる工程と、
   前記基板に正電圧を与えることにより前記微粒子をマスクとして前記基板を前記ＯＨ^-イオンでエッチングするエッチング工程と
   を備えることを特徴とする基板処理方法。
10. 請求項９に記載の基板処理方法であって、
    前記エッチング工程の後に、前記基板に正電圧を与えながら前記溶液中から前記基板を取り出す工程
    をさらに備えることを特徴とする基板処理方法。
    

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