JP2005506705A - エッチングおよびドーピング複合物質 - Google Patents
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Abstract
本発明は、無機層のエッチングおよびその下の層のドーピングの両方に好適な、塩酸／フッ素酸を含まないエッチングおよびドーピング物質に関する。本発明はさらに、前記物質を用いる方法に関する。
Description
【０００１】
本発明は第一に、無機層のエッチングおよびその下の層のドーピングの両方に好適な、ＨＦ／フッ化物を含まないエッチングおよびドーピング媒体に関する。本発明は第二に、これらの媒体を用いる方法に関する。
以下で用いる用語「太陽電池」は、他の材料に基づく太陽電池のタイプとは無関係に、単結晶または多結晶シリコン太陽電池として定義される。
【０００２】
太陽電池の作用は、光電効果、すなわち、光子エネルギーの電気エネルギーへの変換に基づく。
シリコン太陽電池では、予めドーピングされたシリコン基材（通常はｐドーピングされたＳｉ、図１の領域１）は、このために、異なる名称の逆の電荷キャリアでドーピングされ（例えばリンによるドーピングはｎ＋伝導をもたらす）、すなわち、ｐ−ｎ遷移が生成される。
【０００３】
光子エネルギー（太陽光）が太陽電池に導入されると、電荷キャリアがこのｐ−ｎ遷移で発生し、その結果空間電荷領域が広がり、電圧が増加する。電圧は太陽電池と接触することにより引き出され、太陽電流が消費者にもたらされる。
【０００４】
太陽電池製造の代表的な方法の順序は、以下の簡便な形態：
１． ｐドーピングされたＳｉ板前面のテクスチャリング
２． ｎ＋ドーピング（通常はリンによる）
３． ＰＳＧ（リン−ケイ酸ガラス）のエッチング
４． 酸化シリコンまたは窒化シリコン層によるパシベーション／反射防止コーティング
５． 前面および背面の金属化
からなる。
本発明のさらなる考察には、段階４のより詳細な記載が必要である。
【０００５】
歴史的観点からは、従来のある製造方法においては、パシベーション層は熱的に生成されたＳｉＯ２層の形成により達成される［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 109］。この機能は、Ｓｉ表面上の不飽和結合の大部分が飽和され、そこで効果を失わされることによる。従って欠陥の密度および再結合率は低下する。さらに、ＳｉＯ２層の厚さを約１００ｎｍ（＝λ／４則）に設定することにより、反射減少表面が製造される。
【０００６】
文献ではさらに、ＴｉＯ２層によるコーティングについて開示されており、パシベーション効果は少ないものの、高い反射率のために太陽電池における反射の減少に大きく寄与している［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 134］。
【０００７】
高効率太陽電池の製造のために、パシベーション層として窒化シリコン層の使用が実際に特に有利であることが証明されている。優れたパシベーション特性は半導体技術でも知られており、例えば、集積回路、ＦＥＴｓ、コンデンサなどにおけるバリアまたはパシベーション層などである。
【０００８】
太陽電池の製造における使用では、特に、多結晶シリコンの体積パシベーションにおいては、２．８ｘ１０２２ｃｍ−３という高い水素含量の窒化シリコンが電池の背面に応用されている。８２０℃においては、水素は体積中に拡散し、従って少数寿命（minority life）を増加させる。エミッタのパシベーションでは、窒化シリコンは形成ガス雰囲気下で６２５℃に調整され、その結果ＵＶ範囲におけるスペクトル感度が改善される。
【０００９】
窒化シリコンは、優れたパシベーション挙動に加えて、優れた反射防止特性を有する。プラズマ中（ＰＥＣＶＤ）で製造された窒化シリコン層の反射係数はｎ＝１．６〜２．７であり、酸化シリコンのｎ＝１．４〜１．５に比べて広い範囲をカバーする。さらに、窒化シリコンの可視光範囲における光吸収は非常に低い［R. Hezel, Gmelin Handbook, Sci. Suppl. Vol. B 5c, p. 321］。
【００１０】
これらの層は、通常、層厚さ約７０ｎｍにてプラズマ強化ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）または低圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ）により、例えばシランおよびアンモニアから製造される。選択された層厚さの範囲においては、優れた低表面再結合率に加えて、λ／４領域における反射減少層が製造される［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photo-voltaik, p. 110; A. Ehrhardt, W. Wettling, A. Bett, J. Apply. Phys. A53, 1991, p. 123］。この方法は、米国特許4,751,191に詳細に記載されている。
【００１１】
最新の技術によれば、窒化シリコンによる単結晶または多結晶太陽電池のコーティングは、表面のパシベーションおよび反射の減少に最良の方法を提供する。それらは現在、最新の生産ラインで大量生産に用いられている。
【００１２】
実験室の実験では、効率をさらに高めるためには、エミッタ側の接触（contacts）の下の領域を周辺のｎ＋領域以上にドーピングすること、すなわち、リンによるｎ＋＋拡散が有用であると証明されている。これらの構造は、選択的または２段階エミッタとして知られている［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 115, p. 141］。ここでのドーピングは、ｎ＋領域における約１０１８ｃｍ−３のオーダーから、ｎ＋＋領域における１０２０ｃｍ−３のオーダーである。実験室のスケールでは、このタイプの高効率太陽電池において、２４％までの効率が達成されている。
【００１３】
選択的エミッタについて程度の異なるドーピング領域を得るために、多くの方法が文献に記載されており、これらの方法は全て構造化の段階に基づいている。ここで、ほとんどの方法がフォトリソグラフィ法を用いており、局所的ドーピング（ｎ＋＋）を可能とする開口部（図２の層２）を、標的法（targeted manner）によりＳｉＯ２層に導入し（図１、層２）、それにより下のシリコンの気相におけるドーピングを防止している。このドーピングは、通常、ＰＯＣｌ３またはＰＨ３（図３、層３）を用いて気相で行う。ドーピングウィンドウを、フッ化水素酸またはフッ化水素酸バッファを用いてＳｉＯ２にエッチングする（図２）。
【００１４】
ｎ＋＋ドーピングの後（図３、層３）、ＳｉＯ２マスクを再び完全に除去し（図４）、ｎ＋ドーピング（図５、層４）を行う。最後に、反射防止層を蒸着する（図６、層５）。
非常に複雑で高価な方法のため、これらの方法は実験室段階以上には実施されていない。
【００１５】
他の方法は、ｎ＋＋領域をフッ化水素酸および硝酸を含むエッチング混合物を用いたエッチングにより除去し、同時に、後の接触領域をマスキングすることに基づく。この方法も同様に、その複雑な手順のため、実際に確立された手法になっていない。
これらの方法全てに共通する特徴は、フッ化水素酸またはフッ化水素酸の塩類を用いてパシベーション層を局所的に開放しなければならないことである。さらに、気相でのドーピングはリンスおよび乾燥の段階の後に行わなければならない。
【００１６】
DE 10101926またはPCT/EP 01/03317に記載の、エッチングペーストの支援によるＳｉＯ２または窒化シリコン層の局所的開放、および、それに続く気相での例えばＰＯＣｌ３を用いたドーピングは、明らかにこれらの方法より優れているように見える。
【００１７】
窒化シリコンがＳｉＯ２上で、ホットオルトリン酸を用いて選択的にエッチング可能なことは、文献により知られている［A. F. Bogenschuetz, “Aetzpraxis fuer Halbleiter” [Etching Practice for Semiconductors], Carl Hanser Verlag Munich, 1967］。これはマイクロエレクトロニクスの分野で広く普及した方法である。ここでリン酸は、通常約１６５℃で用いられ、ウェハーは酸性のバス中に浸される。この温度範囲におけるエッチング速度は、約３ｎｍ／分である。
【００１８】
この方法は、太陽電池上の窒化シリコン層のエッチングには非常に好適とは言えない。エッチング速度は大量生産には遅すぎ、さらに、構造化のために複雑なフォトリソグラフィの段階がまだ必要である。
【００１９】
本発明の目的は、従って、無機表面、特に太陽電池の窒化シリコン層表面を高いエッチング速度で選択的にエッチングできる、好適なエッチング媒体を提供することである。本発明の更なる目的は、太陽電池の選択的エミッタ構造の製造のため、無機表面を選択的にエッチングする方法であって、エッチングに加えて、ｎ＋＋領域作製のためのリンによる標的ドーピングを可能とする前記方法を、提供することである。
【００２０】
この目的は、太陽電池上の窒化シリコンのパシベーションおよび反射防止層をエッチングする方法により達成される。該方法においては、リン酸またはリン酸塩を含むエッチング媒体を、一つの方法段階において全表面またはエッチングする表面領域に選択的に適用し、特に、エッチング媒体と共に提供されるシリコン基板を、表面全体または局所的に２５０〜３５０℃の温度範囲で３０〜１２０秒間加熱し、所望により、さらなるｎ＋＋ドーピングのため、続いて＞８００℃の温度、特に８００〜１０５０℃の温度範囲で２０〜４０分間加熱する。
【００２１】
従って、本発明は請求項１および２に記載の方法に関連し、特に、請求項３〜７に記載の態様に関連する。本発明は、従って、請求項８〜１０に記載の新規なエッチング媒体に関連し、請求項１１〜１３に記載のそれらの使用に関連する。本発明はさらに、請求項１〜７に記載の方法により製造される太陽電池にも関連する。
【００２２】
本発明の目的は、特に、種々の形態のリン酸、または、加熱によって対応するリン酸に分解される好適なリン酸塩もしくは化合物が、エッチング成分として作用し、所望によりドーピング成分としても作用する、エッチング媒体によって達成される。
【００２３】
実験によれば、オルトリン酸、メタリン酸、ピロリン酸またはそれらの塩類、ここで特に、アンモニウム塩（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、（ＮＨ４）３ＰＯ４）および、熱分解によってこれらの化合物の一つを形成する他の化合物が、厚さ７０ｎｍの窒化シリコン層を、２５０℃を越える温度での数秒〜数分間のエッチングによって、完全に除去できることが示されている。３００℃でのエッチング時間は約６０秒である。
【００２４】
例えば、スクリーン印刷により、インクジェット法または他の方法による選択的適用により、および被覆シリコン基板の全表面を加熱することにより、局所的エッチングがさらに実施可能である。同じことが、完全なコーティング法、例えばスピンコーティング、吹き付け（スプレー）コーティング、または他のコーティング法と、局所的な加熱例えばＩＲレーザーを用いた加熱により、達成できる。
【００２５】
このエッチング法の利点は、毒性がありその廃棄のために高価となるフッ化水素酸またはフッ化水素酸塩を使用することなく、窒化シリコンをエッチング可能なことである。さらに、エッチングの開始および終了は、時間および熱的励起の持続時間によって簡単に制御できる。特に有利であるのは、選択的に印刷されたリン酸（オルト−、メタ−またはピロ−）、またはその塩もしくは化合物の１種により、同様の作用が例えば熱的励起により可能で、ｎ＋＋ドーピングが１秒以内のその直後の段階で生成されることであり、これは選択的エミッタの場合に必要である。このドーピング法は、当業者には知られており、例えば［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 115, p. 141］に記載の方法により実施可能である。
【００２６】
従って本発明は、ＨＦ／フッ化物を含まず印刷可能なエッチングおよびドーピング複合媒体の使用を介した、選択的エミッタ構造の製造に関する。
使用されるエッチング媒体は、ＨＦ／フッ化物を含まず操作が容易な、鉱酸またはその塩および／またはその混合物であり、溶液またはペーストの形態であってよい。
【００２７】
溶液中に存在するエッチング媒体は、当業者に通常知られている方法、例えばスピンコーティング、吹き付け法またはディッピングなどにより、表面全体に適用される。第二段階においては、局所的な加熱例えばレーザーの支援により、リン酸が励起されて、窒化シリコン層をエッチングする。さらなる段階では、所望により、第二のより強力なレーザーを用いて、ｎ＋＋ドーピングに必要な＞８００℃の温度範囲にリン酸を局所的に加熱することもできる。ＩＲレーザーの使用はその波長が下のシリコンにより吸収されないので、結晶の欠陥を避けるためここでは特に有利である。この方法を巧妙な方式で実施すれば、エッチングとドーピング法は１段階にて実施することが可能である。
【００２８】
しかしながら表面全体のコーティングよりさらに有利なのは、リン酸を含むペースト形態の混合物を用いた、シリコン基板の選択的コーティングである（図１１の可能なレイアウト参照）。これは、当業者に既知の印刷方法、例えば、スクリーン印刷、ステンシル印刷、スタンプ印刷またはパッド印刷などにより実施できる。適用の後、次の段階で基板を暖めることにより、窒化シリコンのエッチングが開始される。これは、ホットプレート上またはＩＲ照射または当業者が知る基板加熱の他の方法により実施される。それらの例は、マイクロ波による加熱、または対流式オーブンでの加熱である。エッチングには２５０〜３５０℃の温度範囲が有利である。ＰＥＣＶＤによる窒化シリコン層（厚さ７０ｎｍ）のエッチング時間は、３００℃の温度で約６０秒である。リンを用いた熱によるｎ＋＋ドーピングに必要な＞８００℃の温度での基板の加熱は、エッチング段階直後のさらなる段階において実施できる。リンのシリコン中への拡散プロファイルは、当業者により知られた方式により時間と温度を介して制御可能である。
【００２９】
エッチングおよびドーピングは、ここでは巧妙な方式により一つの温度段階で有利に実施可能である。
このエッチングおよびドーピング媒体の選択的適用は、材料消費の点で有利であるばかりでなく、スループットがかなり早いという点でも、レーザーを用いる連続的領域書き込みに比べて有利である。
【００３０】
上記の印刷方法に対して、両者とも非接触法であるインクジェット印刷およびディスペンサー法による適用は、さらなる変法として記載される。これにより、暖められた基板への直接の印刷およびエッチングが可能である。ここでも、エッチングとドーピングを同時に行うことが巧妙な方式により可能となっている。
【００３１】
使用するエッチング媒体がペーストであるとき、これらは同様に、表面全体またはドーピング領域に対し選択的に適用することができる。
ペーストがさらにドーピング成分、例えばリンを含む場合、それらは実際のエッチング段階の後のドーピングソースとして作用する。
【００３２】
このために、太陽電池は８００〜１０００℃の温度にさらされ、その間ペースト中のドーピング成分は拡散して接触領域をドーピングする。他のペースト成分は全てこれらの温度において揮発性であり、残留物なしに燃焼する。
ペーストは、エッチングすべき表面の所望の領域に一段階で適用される。ペーストを表面に移動させるのに適した自動化が進んだ方法は、印刷法である。スクリーン印刷、ステンシル印刷、パッド印刷およびスタンプ印刷は、当業者に知られた方法である。
【００３３】
気相でのウェット化学エッチング法または選択的ドーピングだけでなくリンス操作においてもその使用が必要である、全てのマスキングおよびリソグラフィの段階は不要となる。そのため、本発明の方法においては時間および材料を節約できる。さらに、ごく少量の汚染化学物質のみが発生し、再操作または処分が必要となる。
【００３４】
可能な方法の順序を図７〜１０に示す。従来のｎ＋ドーピング（図７、層４）および窒化シリコンの蒸着（反射防止層として、図８の層５）の後、本発明に記載のエッチングおよびドーピング複合ペーストを用いて、ウェハーに選択的に印刷する（図９、層６）。これにより、最初に窒化シリコン層を選択的にエッチングし、シリコンウェハーに強制的にエネルギーを供給し、前に印刷した構造の下にｎ＋＋層を形成する（図１０、層３）。
【００３５】
一段階で行われるエッチングおよびドーピング操作の上に、次の段階で接触すべき領域が既に暴露されていることは有利である。従って電気化学的接触は即座に行うことができ、または、エネルギーの多量消費と共に燃焼される必要のない、金属ペーストを使用することができる。
【００３６】
本発明によるエッチングペーストは、以下の成分を有する：
ａ．エッチングおよび随意的にドーピング成分
ｂ．溶媒
ｃ．増粘剤
ｄ．随意的に添加剤、例えば、消泡剤、チクソ性剤（thixotropy agent）、流量調整剤（flow-control agent）、脱気剤（deaerator）、付着促進剤（adhesion promoter）。
【００３７】
提案されたエッチングペーストのエッチング作用は、温度による励起を通して効果を発する酸性成分に基づいている。この成分は、リン酸（オルト、メタまたはピロ）およびそれらの塩類、好ましくはアンモニウム塩（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、（ＮＨ４）３ＰＯ４）からなる群から選択される。
【００３８】
エッチング成分は、エッチングペーストの総重量に基づき、１〜８０重量％の濃度範囲で存在する。窒化シリコンのエッチングおよび除去速度は、エッチング成分の濃度によって大きく影響され得る。
【００３９】
さらなる実験により、強く酸化された成分、例えば硝酸または硝酸塩の添加は、リン酸のエッチング速度をさらに高めることができることが見出された。
【００４０】
溶媒の割合は、エッチングペーストの総重量に基づき２０〜８０重量％の範囲であってよい。好適な溶媒は、純粋な無機もしくは有機溶媒またはそれらの混合物、例えば水、一価および／または多価アルコール、エーテル、特にエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、または［２，２−ブトキシ（エトキシ）］エチルアセテートである。
【００４１】
増粘剤は、粘性範囲の標的設定および基本的にエッチング成分の印刷性を達成するために必要であり、すなわち印刷可能なペーストの形成に必要であるが、増粘剤の割合は、エッチングペーストの総重量に基づき１〜２０重量％の範囲である。
【００４２】
記載されたエッチングペーストの構造的粘性は、液相においては膨張作用を有する、ネットワーク形成増粘剤（network-forming thickeners）を介して達成され、これは所望の適用面積に応じて変化させることができる。用いられる増粘剤は、有機または無機の製品またはそれらの混合物であって：
【００４３】
・ セルロース／セルロース誘導体、例えばエチル−、ヒドロキシプロピル−、ヒドロキシエチル−またはカルボキシメチルセルロース（ナトリウム塩）
・ スターチ／スターチ誘導体、例えばカルボキシメチルスターチ（ナトリウム塩）（商標登録ｖｉｖａｓｔａｒ）、アニオン性ヘテロポリサッカライド
・ アクリレート（商標登録Ｂｏｒｃｈｉｇｅｌ）
・ ポリマー、例えばポリビニルアルコール（商標登録Ｍｏｗｉｏｌ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）
・ 拡散性の高いケイ酸、例えば商標登録Ａｅｒｏｓｉｌ
などである。
【００４４】
無機の増粘剤、例えば拡散性の高いケイ酸は、次の＞８００℃でのドーピング段階の間でさえ、有機の増粘剤とは対照的に基板上に残留し、従ってドーピングガラス特性を設定するのに用いることができる。有機と無機両方の型の増粘剤を、所望により組み合わせることも可能である。
【００４５】
所望の目的に対して有利な特性を有する添加剤は、消泡剤、チクソ性剤、流量調整剤／抗流剤（antiflow agent）、脱気剤および付着促進剤である。当業者には容易に、市場で入手可能な添加剤の中から、太陽電池製造のための適正な要請に適合する好適な添加剤を選択することが可能である。これらの添加剤の標的添加により、エッチングペーストの印刷性が良好な影響を受ける。
【００４６】
太陽電池の効率を高めるために、エッチングペースト製造のための全ての出発材料は適切な純度を有することが重要である。特に、シリコン中それによってキャリアの寿命をかなりの程度短縮する、容易に拡散する成分、例えば、銅、鉄およびナトリウムは、＜２００ｐｐｂの濃度で存在させるべきである。
【００４７】
本発明により、これらの新規なエッチングおよびドーピングペーストは、太陽電池産業において光電池部品、例えば太陽電池または光ダイオードなどの製造に用いることができる。特に、本発明によるペーストは、エミッタ構造の製造のための２段階プロセスに用いることができる。
【００４８】
図１１は、本発明による、例２によるエッチングペーストを用いて製造した、窒化シリコン表面にエッチングされた構造のレイアウトを示す（図１２のマイクロ写真）。
より良い理解のためおよび明確化のために、本発明の保護の範囲である例を以下に示すが、これらは本発明をこれらの例のみに限定するには適さない。
【００４９】
例１：
ペーストの製造および組成
Ａｅｒｏｓｉｌ２００（Ｄｅｇｕｓｓａ−Ｈｕｅｌｓ ＡＧ）６ｇを、１００ｇの８５％オルトリン酸（Ｍｅｒｃｋ Ａｒｔ．１．００５７３）中に攪拌する。形成されたペーストは、プロペラ攪拌器を用いてさらに２０分間攪拌する。
【００５０】
例２：
ペーストの製造および組成
３重量％のＰＶＰ Ｋ９０を、４８．５重量％のＨ３ＰＯ４（８５％）および４８．５重量％の１−メチル−２−ピロリドンからなる混合物中に攪拌する。形成されたペーストは、プロペラ攪拌器を用いてさらに２０分間攪拌する。
【００５１】
記載された方法により製造したエッチングペーストは、１２０Ｔポリエステルスクリーンを用いて、市場で入手可能なスクリーン印刷機で印刷する。図１１に示したレイアウトをスクリーン上に描いて基板に移す。用いた基板は、１００ｘ１００ｍｍのサイズで、全表面に窒化シリコンパシベーション層を有する多結晶太陽電池である。印刷の直後、基板をホットプレート上３００℃で１０秒間加熱する。窒化シリコン層の完全なスルーエッチングは、約６０秒後にすでに目視で明らかである（図１２）。基板は次に大気と共に拡散オーブン（diffusion oven）に入れ、８５０℃で３０分間維持する。
リンガラス層の除去の後、領域において約１０２０ｃｍ−３の局所的に高いリンによるドーピングを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】Ｓｉ上にＳｉＯ２層を設けた図である。
【図２】標的法によりＳｉＯ２層に開口部を導入した図である。
【図３】局所的ドーピング（ｎ＋＋）をＰＯＣｌ３またはＰＨ３において行った図である。
【図４】ＳｉＯ２を除去した図である。
【図５】ｎ＋ドーピングを行った図である。
【図６】反射防止層を蒸着した図である。
【図７】（従来の）ｎ＋ドーピングを行った図である。
【図８】（従来の）反射防止層を蒸着した図である。
【図９】本発明のエッチングおよびドーピング複合ペーストを用いてウェハーに選択的に印刷した図である。
【図１０】窒化シリコン層を選択的にエッチングし、強制的にエネルギーを供給しｎ＋＋層を形成した図である。
【図１１】本発明によるエッチングペーストを用いて製造した、窒化シリコン表面にエッチングされた構造のレイアウトを示す。
【図１２】本発明によるエッチングペーストを用いて製造した、窒化シリコン層のスルーエッチングされた構造のマイクロ写真を示す。
本発明は第一に、無機層のエッチングおよびその下の層のドーピングの両方に好適な、ＨＦ／フッ化物を含まないエッチングおよびドーピング媒体に関する。本発明は第二に、これらの媒体を用いる方法に関する。
以下で用いる用語「太陽電池」は、他の材料に基づく太陽電池のタイプとは無関係に、単結晶または多結晶シリコン太陽電池として定義される。
【０００２】
太陽電池の作用は、光電効果、すなわち、光子エネルギーの電気エネルギーへの変換に基づく。
シリコン太陽電池では、予めドーピングされたシリコン基材（通常はｐドーピングされたＳｉ、図１の領域１）は、このために、異なる名称の逆の電荷キャリアでドーピングされ（例えばリンによるドーピングはｎ＋伝導をもたらす）、すなわち、ｐ−ｎ遷移が生成される。
【０００３】
光子エネルギー（太陽光）が太陽電池に導入されると、電荷キャリアがこのｐ−ｎ遷移で発生し、その結果空間電荷領域が広がり、電圧が増加する。電圧は太陽電池と接触することにより引き出され、太陽電流が消費者にもたらされる。
【０００４】
太陽電池製造の代表的な方法の順序は、以下の簡便な形態：
１． ｐドーピングされたＳｉ板前面のテクスチャリング
２． ｎ＋ドーピング（通常はリンによる）
３． ＰＳＧ（リン−ケイ酸ガラス）のエッチング
４． 酸化シリコンまたは窒化シリコン層によるパシベーション／反射防止コーティング
５． 前面および背面の金属化
からなる。
本発明のさらなる考察には、段階４のより詳細な記載が必要である。
【０００５】
歴史的観点からは、従来のある製造方法においては、パシベーション層は熱的に生成されたＳｉＯ２層の形成により達成される［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 109］。この機能は、Ｓｉ表面上の不飽和結合の大部分が飽和され、そこで効果を失わされることによる。従って欠陥の密度および再結合率は低下する。さらに、ＳｉＯ２層の厚さを約１００ｎｍ（＝λ／４則）に設定することにより、反射減少表面が製造される。
【０００６】
文献ではさらに、ＴｉＯ２層によるコーティングについて開示されており、パシベーション効果は少ないものの、高い反射率のために太陽電池における反射の減少に大きく寄与している［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 134］。
【０００７】
高効率太陽電池の製造のために、パシベーション層として窒化シリコン層の使用が実際に特に有利であることが証明されている。優れたパシベーション特性は半導体技術でも知られており、例えば、集積回路、ＦＥＴｓ、コンデンサなどにおけるバリアまたはパシベーション層などである。
【０００８】
太陽電池の製造における使用では、特に、多結晶シリコンの体積パシベーションにおいては、２．８ｘ１０２２ｃｍ−３という高い水素含量の窒化シリコンが電池の背面に応用されている。８２０℃においては、水素は体積中に拡散し、従って少数寿命（minority life）を増加させる。エミッタのパシベーションでは、窒化シリコンは形成ガス雰囲気下で６２５℃に調整され、その結果ＵＶ範囲におけるスペクトル感度が改善される。
【０００９】
窒化シリコンは、優れたパシベーション挙動に加えて、優れた反射防止特性を有する。プラズマ中（ＰＥＣＶＤ）で製造された窒化シリコン層の反射係数はｎ＝１．６〜２．７であり、酸化シリコンのｎ＝１．４〜１．５に比べて広い範囲をカバーする。さらに、窒化シリコンの可視光範囲における光吸収は非常に低い［R. Hezel, Gmelin Handbook, Sci. Suppl. Vol. B 5c, p. 321］。
【００１０】
これらの層は、通常、層厚さ約７０ｎｍにてプラズマ強化ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）または低圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ）により、例えばシランおよびアンモニアから製造される。選択された層厚さの範囲においては、優れた低表面再結合率に加えて、λ／４領域における反射減少層が製造される［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photo-voltaik, p. 110; A. Ehrhardt, W. Wettling, A. Bett, J. Apply. Phys. A53, 1991, p. 123］。この方法は、米国特許4,751,191に詳細に記載されている。
【００１１】
最新の技術によれば、窒化シリコンによる単結晶または多結晶太陽電池のコーティングは、表面のパシベーションおよび反射の減少に最良の方法を提供する。それらは現在、最新の生産ラインで大量生産に用いられている。
【００１２】
実験室の実験では、効率をさらに高めるためには、エミッタ側の接触（contacts）の下の領域を周辺のｎ＋領域以上にドーピングすること、すなわち、リンによるｎ＋＋拡散が有用であると証明されている。これらの構造は、選択的または２段階エミッタとして知られている［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 115, p. 141］。ここでのドーピングは、ｎ＋領域における約１０１８ｃｍ−３のオーダーから、ｎ＋＋領域における１０２０ｃｍ−３のオーダーである。実験室のスケールでは、このタイプの高効率太陽電池において、２４％までの効率が達成されている。
【００１３】
選択的エミッタについて程度の異なるドーピング領域を得るために、多くの方法が文献に記載されており、これらの方法は全て構造化の段階に基づいている。ここで、ほとんどの方法がフォトリソグラフィ法を用いており、局所的ドーピング（ｎ＋＋）を可能とする開口部（図２の層２）を、標的法（targeted manner）によりＳｉＯ２層に導入し（図１、層２）、それにより下のシリコンの気相におけるドーピングを防止している。このドーピングは、通常、ＰＯＣｌ３またはＰＨ３（図３、層３）を用いて気相で行う。ドーピングウィンドウを、フッ化水素酸またはフッ化水素酸バッファを用いてＳｉＯ２にエッチングする（図２）。
【００１４】
ｎ＋＋ドーピングの後（図３、層３）、ＳｉＯ２マスクを再び完全に除去し（図４）、ｎ＋ドーピング（図５、層４）を行う。最後に、反射防止層を蒸着する（図６、層５）。
非常に複雑で高価な方法のため、これらの方法は実験室段階以上には実施されていない。
【００１５】
他の方法は、ｎ＋＋領域をフッ化水素酸および硝酸を含むエッチング混合物を用いたエッチングにより除去し、同時に、後の接触領域をマスキングすることに基づく。この方法も同様に、その複雑な手順のため、実際に確立された手法になっていない。
これらの方法全てに共通する特徴は、フッ化水素酸またはフッ化水素酸の塩類を用いてパシベーション層を局所的に開放しなければならないことである。さらに、気相でのドーピングはリンスおよび乾燥の段階の後に行わなければならない。
【００１６】
DE 10101926またはPCT/EP 01/03317に記載の、エッチングペーストの支援によるＳｉＯ２または窒化シリコン層の局所的開放、および、それに続く気相での例えばＰＯＣｌ３を用いたドーピングは、明らかにこれらの方法より優れているように見える。
【００１７】
窒化シリコンがＳｉＯ２上で、ホットオルトリン酸を用いて選択的にエッチング可能なことは、文献により知られている［A. F. Bogenschuetz, “Aetzpraxis fuer Halbleiter” [Etching Practice for Semiconductors], Carl Hanser Verlag Munich, 1967］。これはマイクロエレクトロニクスの分野で広く普及した方法である。ここでリン酸は、通常約１６５℃で用いられ、ウェハーは酸性のバス中に浸される。この温度範囲におけるエッチング速度は、約３ｎｍ／分である。
【００１８】
この方法は、太陽電池上の窒化シリコン層のエッチングには非常に好適とは言えない。エッチング速度は大量生産には遅すぎ、さらに、構造化のために複雑なフォトリソグラフィの段階がまだ必要である。
【００１９】
本発明の目的は、従って、無機表面、特に太陽電池の窒化シリコン層表面を高いエッチング速度で選択的にエッチングできる、好適なエッチング媒体を提供することである。本発明の更なる目的は、太陽電池の選択的エミッタ構造の製造のため、無機表面を選択的にエッチングする方法であって、エッチングに加えて、ｎ＋＋領域作製のためのリンによる標的ドーピングを可能とする前記方法を、提供することである。
【００２０】
この目的は、太陽電池上の窒化シリコンのパシベーションおよび反射防止層をエッチングする方法により達成される。該方法においては、リン酸またはリン酸塩を含むエッチング媒体を、一つの方法段階において全表面またはエッチングする表面領域に選択的に適用し、特に、エッチング媒体と共に提供されるシリコン基板を、表面全体または局所的に２５０〜３５０℃の温度範囲で３０〜１２０秒間加熱し、所望により、さらなるｎ＋＋ドーピングのため、続いて＞８００℃の温度、特に８００〜１０５０℃の温度範囲で２０〜４０分間加熱する。
【００２１】
従って、本発明は請求項１および２に記載の方法に関連し、特に、請求項３〜７に記載の態様に関連する。本発明は、従って、請求項８〜１０に記載の新規なエッチング媒体に関連し、請求項１１〜１３に記載のそれらの使用に関連する。本発明はさらに、請求項１〜７に記載の方法により製造される太陽電池にも関連する。
【００２２】
本発明の目的は、特に、種々の形態のリン酸、または、加熱によって対応するリン酸に分解される好適なリン酸塩もしくは化合物が、エッチング成分として作用し、所望によりドーピング成分としても作用する、エッチング媒体によって達成される。
【００２３】
実験によれば、オルトリン酸、メタリン酸、ピロリン酸またはそれらの塩類、ここで特に、アンモニウム塩（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、（ＮＨ４）３ＰＯ４）および、熱分解によってこれらの化合物の一つを形成する他の化合物が、厚さ７０ｎｍの窒化シリコン層を、２５０℃を越える温度での数秒〜数分間のエッチングによって、完全に除去できることが示されている。３００℃でのエッチング時間は約６０秒である。
【００２４】
例えば、スクリーン印刷により、インクジェット法または他の方法による選択的適用により、および被覆シリコン基板の全表面を加熱することにより、局所的エッチングがさらに実施可能である。同じことが、完全なコーティング法、例えばスピンコーティング、吹き付け（スプレー）コーティング、または他のコーティング法と、局所的な加熱例えばＩＲレーザーを用いた加熱により、達成できる。
【００２５】
このエッチング法の利点は、毒性がありその廃棄のために高価となるフッ化水素酸またはフッ化水素酸塩を使用することなく、窒化シリコンをエッチング可能なことである。さらに、エッチングの開始および終了は、時間および熱的励起の持続時間によって簡単に制御できる。特に有利であるのは、選択的に印刷されたリン酸（オルト−、メタ−またはピロ−）、またはその塩もしくは化合物の１種により、同様の作用が例えば熱的励起により可能で、ｎ＋＋ドーピングが１秒以内のその直後の段階で生成されることであり、これは選択的エミッタの場合に必要である。このドーピング法は、当業者には知られており、例えば［A. Goetzberger, B. Voss, J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, p. 115, p. 141］に記載の方法により実施可能である。
【００２６】
従って本発明は、ＨＦ／フッ化物を含まず印刷可能なエッチングおよびドーピング複合媒体の使用を介した、選択的エミッタ構造の製造に関する。
使用されるエッチング媒体は、ＨＦ／フッ化物を含まず操作が容易な、鉱酸またはその塩および／またはその混合物であり、溶液またはペーストの形態であってよい。
【００２７】
溶液中に存在するエッチング媒体は、当業者に通常知られている方法、例えばスピンコーティング、吹き付け法またはディッピングなどにより、表面全体に適用される。第二段階においては、局所的な加熱例えばレーザーの支援により、リン酸が励起されて、窒化シリコン層をエッチングする。さらなる段階では、所望により、第二のより強力なレーザーを用いて、ｎ＋＋ドーピングに必要な＞８００℃の温度範囲にリン酸を局所的に加熱することもできる。ＩＲレーザーの使用はその波長が下のシリコンにより吸収されないので、結晶の欠陥を避けるためここでは特に有利である。この方法を巧妙な方式で実施すれば、エッチングとドーピング法は１段階にて実施することが可能である。
【００２８】
しかしながら表面全体のコーティングよりさらに有利なのは、リン酸を含むペースト形態の混合物を用いた、シリコン基板の選択的コーティングである（図１１の可能なレイアウト参照）。これは、当業者に既知の印刷方法、例えば、スクリーン印刷、ステンシル印刷、スタンプ印刷またはパッド印刷などにより実施できる。適用の後、次の段階で基板を暖めることにより、窒化シリコンのエッチングが開始される。これは、ホットプレート上またはＩＲ照射または当業者が知る基板加熱の他の方法により実施される。それらの例は、マイクロ波による加熱、または対流式オーブンでの加熱である。エッチングには２５０〜３５０℃の温度範囲が有利である。ＰＥＣＶＤによる窒化シリコン層（厚さ７０ｎｍ）のエッチング時間は、３００℃の温度で約６０秒である。リンを用いた熱によるｎ＋＋ドーピングに必要な＞８００℃の温度での基板の加熱は、エッチング段階直後のさらなる段階において実施できる。リンのシリコン中への拡散プロファイルは、当業者により知られた方式により時間と温度を介して制御可能である。
【００２９】
エッチングおよびドーピングは、ここでは巧妙な方式により一つの温度段階で有利に実施可能である。
このエッチングおよびドーピング媒体の選択的適用は、材料消費の点で有利であるばかりでなく、スループットがかなり早いという点でも、レーザーを用いる連続的領域書き込みに比べて有利である。
【００３０】
上記の印刷方法に対して、両者とも非接触法であるインクジェット印刷およびディスペンサー法による適用は、さらなる変法として記載される。これにより、暖められた基板への直接の印刷およびエッチングが可能である。ここでも、エッチングとドーピングを同時に行うことが巧妙な方式により可能となっている。
【００３１】
使用するエッチング媒体がペーストであるとき、これらは同様に、表面全体またはドーピング領域に対し選択的に適用することができる。
ペーストがさらにドーピング成分、例えばリンを含む場合、それらは実際のエッチング段階の後のドーピングソースとして作用する。
【００３２】
このために、太陽電池は８００〜１０００℃の温度にさらされ、その間ペースト中のドーピング成分は拡散して接触領域をドーピングする。他のペースト成分は全てこれらの温度において揮発性であり、残留物なしに燃焼する。
ペーストは、エッチングすべき表面の所望の領域に一段階で適用される。ペーストを表面に移動させるのに適した自動化が進んだ方法は、印刷法である。スクリーン印刷、ステンシル印刷、パッド印刷およびスタンプ印刷は、当業者に知られた方法である。
【００３３】
気相でのウェット化学エッチング法または選択的ドーピングだけでなくリンス操作においてもその使用が必要である、全てのマスキングおよびリソグラフィの段階は不要となる。そのため、本発明の方法においては時間および材料を節約できる。さらに、ごく少量の汚染化学物質のみが発生し、再操作または処分が必要となる。
【００３４】
可能な方法の順序を図７〜１０に示す。従来のｎ＋ドーピング（図７、層４）および窒化シリコンの蒸着（反射防止層として、図８の層５）の後、本発明に記載のエッチングおよびドーピング複合ペーストを用いて、ウェハーに選択的に印刷する（図９、層６）。これにより、最初に窒化シリコン層を選択的にエッチングし、シリコンウェハーに強制的にエネルギーを供給し、前に印刷した構造の下にｎ＋＋層を形成する（図１０、層３）。
【００３５】
一段階で行われるエッチングおよびドーピング操作の上に、次の段階で接触すべき領域が既に暴露されていることは有利である。従って電気化学的接触は即座に行うことができ、または、エネルギーの多量消費と共に燃焼される必要のない、金属ペーストを使用することができる。
【００３６】
本発明によるエッチングペーストは、以下の成分を有する：
ａ．エッチングおよび随意的にドーピング成分
ｂ．溶媒
ｃ．増粘剤
ｄ．随意的に添加剤、例えば、消泡剤、チクソ性剤（thixotropy agent）、流量調整剤（flow-control agent）、脱気剤（deaerator）、付着促進剤（adhesion promoter）。
【００３７】
提案されたエッチングペーストのエッチング作用は、温度による励起を通して効果を発する酸性成分に基づいている。この成分は、リン酸（オルト、メタまたはピロ）およびそれらの塩類、好ましくはアンモニウム塩（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、（ＮＨ４）３ＰＯ４）からなる群から選択される。
【００３８】
エッチング成分は、エッチングペーストの総重量に基づき、１〜８０重量％の濃度範囲で存在する。窒化シリコンのエッチングおよび除去速度は、エッチング成分の濃度によって大きく影響され得る。
【００３９】
さらなる実験により、強く酸化された成分、例えば硝酸または硝酸塩の添加は、リン酸のエッチング速度をさらに高めることができることが見出された。
【００４０】
溶媒の割合は、エッチングペーストの総重量に基づき２０〜８０重量％の範囲であってよい。好適な溶媒は、純粋な無機もしくは有機溶媒またはそれらの混合物、例えば水、一価および／または多価アルコール、エーテル、特にエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、または［２，２−ブトキシ（エトキシ）］エチルアセテートである。
【００４１】
増粘剤は、粘性範囲の標的設定および基本的にエッチング成分の印刷性を達成するために必要であり、すなわち印刷可能なペーストの形成に必要であるが、増粘剤の割合は、エッチングペーストの総重量に基づき１〜２０重量％の範囲である。
【００４２】
記載されたエッチングペーストの構造的粘性は、液相においては膨張作用を有する、ネットワーク形成増粘剤（network-forming thickeners）を介して達成され、これは所望の適用面積に応じて変化させることができる。用いられる増粘剤は、有機または無機の製品またはそれらの混合物であって：
【００４３】
・ セルロース／セルロース誘導体、例えばエチル−、ヒドロキシプロピル−、ヒドロキシエチル−またはカルボキシメチルセルロース（ナトリウム塩）
・ スターチ／スターチ誘導体、例えばカルボキシメチルスターチ（ナトリウム塩）（商標登録ｖｉｖａｓｔａｒ）、アニオン性ヘテロポリサッカライド
・ アクリレート（商標登録Ｂｏｒｃｈｉｇｅｌ）
・ ポリマー、例えばポリビニルアルコール（商標登録Ｍｏｗｉｏｌ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）
・ 拡散性の高いケイ酸、例えば商標登録Ａｅｒｏｓｉｌ
などである。
【００４４】
無機の増粘剤、例えば拡散性の高いケイ酸は、次の＞８００℃でのドーピング段階の間でさえ、有機の増粘剤とは対照的に基板上に残留し、従ってドーピングガラス特性を設定するのに用いることができる。有機と無機両方の型の増粘剤を、所望により組み合わせることも可能である。
【００４５】
所望の目的に対して有利な特性を有する添加剤は、消泡剤、チクソ性剤、流量調整剤／抗流剤（antiflow agent）、脱気剤および付着促進剤である。当業者には容易に、市場で入手可能な添加剤の中から、太陽電池製造のための適正な要請に適合する好適な添加剤を選択することが可能である。これらの添加剤の標的添加により、エッチングペーストの印刷性が良好な影響を受ける。
【００４６】
太陽電池の効率を高めるために、エッチングペースト製造のための全ての出発材料は適切な純度を有することが重要である。特に、シリコン中それによってキャリアの寿命をかなりの程度短縮する、容易に拡散する成分、例えば、銅、鉄およびナトリウムは、＜２００ｐｐｂの濃度で存在させるべきである。
【００４７】
本発明により、これらの新規なエッチングおよびドーピングペーストは、太陽電池産業において光電池部品、例えば太陽電池または光ダイオードなどの製造に用いることができる。特に、本発明によるペーストは、エミッタ構造の製造のための２段階プロセスに用いることができる。
【００４８】
図１１は、本発明による、例２によるエッチングペーストを用いて製造した、窒化シリコン表面にエッチングされた構造のレイアウトを示す（図１２のマイクロ写真）。
より良い理解のためおよび明確化のために、本発明の保護の範囲である例を以下に示すが、これらは本発明をこれらの例のみに限定するには適さない。
【００４９】
例１：
ペーストの製造および組成
Ａｅｒｏｓｉｌ２００（Ｄｅｇｕｓｓａ−Ｈｕｅｌｓ ＡＧ）６ｇを、１００ｇの８５％オルトリン酸（Ｍｅｒｃｋ Ａｒｔ．１．００５７３）中に攪拌する。形成されたペーストは、プロペラ攪拌器を用いてさらに２０分間攪拌する。
【００５０】
例２：
ペーストの製造および組成
３重量％のＰＶＰ Ｋ９０を、４８．５重量％のＨ３ＰＯ４（８５％）および４８．５重量％の１−メチル−２−ピロリドンからなる混合物中に攪拌する。形成されたペーストは、プロペラ攪拌器を用いてさらに２０分間攪拌する。
【００５１】
記載された方法により製造したエッチングペーストは、１２０Ｔポリエステルスクリーンを用いて、市場で入手可能なスクリーン印刷機で印刷する。図１１に示したレイアウトをスクリーン上に描いて基板に移す。用いた基板は、１００ｘ１００ｍｍのサイズで、全表面に窒化シリコンパシベーション層を有する多結晶太陽電池である。印刷の直後、基板をホットプレート上３００℃で１０秒間加熱する。窒化シリコン層の完全なスルーエッチングは、約６０秒後にすでに目視で明らかである（図１２）。基板は次に大気と共に拡散オーブン（diffusion oven）に入れ、８５０℃で３０分間維持する。
リンガラス層の除去の後、領域において約１０２０ｃｍ−３の局所的に高いリンによるドーピングを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】Ｓｉ上にＳｉＯ２層を設けた図である。
【図２】標的法によりＳｉＯ２層に開口部を導入した図である。
【図３】局所的ドーピング（ｎ＋＋）をＰＯＣｌ３またはＰＨ３において行った図である。
【図４】ＳｉＯ２を除去した図である。
【図５】ｎ＋ドーピングを行った図である。
【図６】反射防止層を蒸着した図である。
【図７】（従来の）ｎ＋ドーピングを行った図である。
【図８】（従来の）反射防止層を蒸着した図である。
【図９】本発明のエッチングおよびドーピング複合ペーストを用いてウェハーに選択的に印刷した図である。
【図１０】窒化シリコン層を選択的にエッチングし、強制的にエネルギーを供給しｎ＋＋層を形成した図である。
【図１１】本発明によるエッチングペーストを用いて製造した、窒化シリコン表面にエッチングされた構造のレイアウトを示す。
【図１２】本発明によるエッチングペーストを用いて製造した、窒化シリコン層のスルーエッチングされた構造のマイクロ写真を示す。
Claims (14)
- 太陽電池の窒化シリコンパシベーションおよび反射防止層のエッチング法であって、リン酸またはリン酸塩を含むエッチング媒体を、単一の工程で、表面全体に、またはエッチングする表面領域に選択的に、適用することを特徴とする、前記方法。
- エッチング媒体を適用したシリコン基板の表面の全体または一部を、２５０〜３５０℃の温度範囲で３０〜１２０秒間加熱し、所望により、さらなるｎ＋＋ドーピングのため、引き続き＞８００℃、特に８００〜１０５０℃の温度範囲で、２０〜４０分間加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 印刷可能なペースト形態のエッチング媒体を用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
- エッチング媒体が、その粘度に応じて、吹き付け法、スピンコーティング、ディッピング、またはスクリンーン印刷、テンプレート印刷、スタンプ印刷、パッド印刷もしくはインクジェット印刷、またはディスペンサ法によって適用されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- 加熱が、ホットプレート上で、対流式オーブン内で、またはＩＲ照射、ＵＶ照射もしくはマイクロ波によって行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 部分的な加熱をレーザー、特にＩＲレーザーを用いて行い、＞８００℃の温度に加熱することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- ２段階エミッタを有する太陽電池の製造のための、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
- 太陽電池の無機のパシベーションおよび反射防止層をエッチングするためのエッチング媒体であって、活性成分として、オルト−、メタ−またはピロ−リン酸、および／またはメタ−五酸化リンまたはこれらの混合物を含み、エッチング成分およびドーピング成分の両方として作用する、前記エッチング媒体。
- エネルギーの熱的な入力を介してリン酸のエッチングを作用させる、１種または２種以上のリン酸のアンモニウム塩および／またはリン酸のモノエステルまたはジエステルを含む、請求項８に記載のエッチング媒体。
- エッチングおよびドーピング成分に加えて、溶媒、増粘剤、および随意的に添加剤、例えば消泡剤、チクソ性剤、流量調整剤、脱気剤および付着促進剤を含む、請求項８または９に記載のペースト形態のエッチング媒体。
- シリコンのｎ＋＋ドーピングのための、請求項８〜１０のいずれかに記載のエッチング媒体の使用。
- ２段階エミッタを有する太陽電池の製造のための、請求項８〜１０のいずれかに記載のエッチング媒体の使用。
- 請求項８〜１０のいずれかに記載のエッチング媒体の、請求項１〜７のいずれかに記載の方法における使用。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の方法により製造される太陽電池。
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