JP2008263189A - 太陽電池用の反射防止又はパッシベーション層を製造する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池用の反射防止及び／又はパッシベーションコーティングを製造する。
【解決手段】堆積チャンバに、シリコンウェハ５を提供する工程と、該シリコンウェハを４００℃を超える温度まで予備加熱する工程と、水素含有反射防止及び／又はパッシベーションコーティングをスパッタプロセスにより堆積する工程とを含む方法、並びに、反射防止及び／又はパッシベーションコーティングをＳｉウェハに製造するコーティング装置であって、第１の真空チャンバ１と、第２の真空チャンバ２と、基板５を該第１及び第２の真空チャンバに、この順番で搬送するための搬送手段４とを含み、該第１の真空チャンバは、少なくとも１つの赤外線ヒータ１６を含み、該第２の真空チャンバは、ターゲットを蒸発させるためのスパッタ手段１２及び水素を含む反応性ガスを導入するためのガス入口を含むコーティング装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池用の反射防止又はパッシベーションコーティングを製造する方法、及び、特に、対応の方法を用いて、太陽電池を製造するためのコーティング装置に係る。

通常、シリコンウェハに基づく太陽電池は、次のようにして製造される。即ち、基本的には、既にドープされたシリコンウェハを、元々ドープされた材料とは異なるｐ−又はｎ−型導電性を確立する特性を有するドーパントによりドープする。例えば、ｐ−型導電性を示すホウ素ドープシリコンウェハは、リンを組み込んで、ｎ−型層を確立するために、例えば、ＰＯＣｌ_３を用いて、拡散プロセスにより処理してもよい。かかるｐ−ｎ接合の形成後、反射防止コーティング又はパッシベーション層を基板表面に形成すべきである。これは、通常、プラズマエンハンスド化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセスにより実施される。

ＰＥＣＶＤプロセスの極めて爆発性のシランを用いるのを避け、コーティング領域を拡大するために、パリ／フランス２００４年の第１９回欧州太陽電池の太陽エネルギー会議（Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）（「大規模インラインスパッタリングによるＣ−Ｓｉ太陽電池用のＳｉＮ：Ｈ反射防止コーティング」（”ＳｉＮ：Ｈ ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｃ−Ｓｉ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｂｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｌｉｎｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ”））で、ウィンフリードヴォルケ（Ｗｉｎｆｒｉｅｄ Ｗｏｌｋｅ）らにより、水素含有反射防止又はパッシベーションコーティングを適用することにより、反応性スパッタプロセスを用いることが報告された。このために、ＡＴＯＮシリーズの（ＡＴＯＮは、前アプライドフィルムズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｆｉｌｍｓ）、現アプライドマテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）の商品名である）水平動作インラインコーティング装置を用いた。詳細は、本出願の明細書に参考文献として完全に組み込まれる前述のウィンフリードヴォルケ（Ｗｉｎｆｒｉｅｄ Ｗｏｌｋｅ）らの記事に記載されている。

この従来技術は、反射防止又はパッシベーションコーティングをシリコンウェハ上に適用する前に、ウェハを２００℃〜４００℃の温度まで予備加熱するものであった。

（発明の目的）
本発明の目的は、上述したタイプの太陽電池の反射防止又はパッシベーションコーティングを製造する方法を更に改善することである。太陽電池のコーティング特性及び全体の特徴の改善の他に、新規な方法を単純で信頼性がある効率的なやり方で実施しなければならない。更に、かかる方法を実施するための適切なコーティング装置が提供されなければならない。

（技術的解決）
請求項１の構成を有する方法及び請求項１２の構成を有するコーティング装置により、この目的は解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の対象である。

本発明の発明者らは、スパッタプロセスによる反射防止又はパッシベーション層の堆積を実施する前に、予備加熱温度を上げると、反射防止又はパッシベーションコーティング及び太陽電池の特性を非常に改善できることを見出した。特に、特定のウェハタイプについては、予備加熱温度が高いと、水素パッシベーションに関して有利である。従って、本発明による予備加熱温度は、従来技術に用いる温度よりも高くする。即ち、４００℃を超える、特に、４５０℃を超える、好ましくは５００℃を超える温度まで上げる。

本発明の方法は、上述したウィンフリードヴォルケ（Ｗｉｎｆｒｉｅｄ Ｗｏｌｋｅ）らの記事に記載されている通り、窒素と水素の含量が異なる、組成ＳｉＮｘ：Ｈの窒化ケイ素層を含有する水素を、ドープシリコンウェハ上に堆積するのに適用すると有利である。

予備加熱は、赤外線ヒータのような放射線ヒータにより実施すると、高加熱速度及び低加熱時間が確保され好ましい。好ましい加熱時間は、１００ｓ以下、特に５０秒以下の範囲であるが、他の加熱時間も適用可能である。従って、加熱速度は、４Ｋ／ｓ以上、好ましくは１０Ｋ／ｓ以上となるように選択することができる。

放射線ヒータにより放出される放射線の効率的な吸収を達成するためには、１８００℃〜３０００℃のフィラメント温度で動作可能な赤外線ヒータを用いるとよい。このフィラメント温度だと、赤外線ヒータにより放出される放射線の波長は１．０〜１．４μｍの範囲である。この赤外線の波長は、非常に効率的なやり方でシリコンウェハにより吸収される。

ウェハ表面の酸化のような予備加熱中の望ましくない影響を排除するために、技術的真空条件下で予備加熱ステップを実施することができる。このように、予備加熱を実施する堆積チャンバは、堆積チャンバというよりも真空チャンバである。予備加熱を行う堆積又は真空チャンバの圧力は、１００ｈＰａ以下、好ましくは１０^−２ｈＰａ又は１０^−５ｈＰａより低い値にセットすることができる。

予備加熱ステップ後のスパッタプロセスは、上述したウィンフリードヴォルケ（Ｗｉｎｆｒｉｅｄ Ｗｏｌｋｅ）らの記事に記載された通りに実施してよい。特に、反応性スパッタプロセスは、アルゴンイオンによりスパッタされるシリコンターゲットを用いてよく、アルゴンイオンは、アルゴンプラズマと、堆積チャンバに導入される窒素、水素又はアンモニアを含有する反応性ガスとから作成される。プラズマは、例えば、アプライドフィルムズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｆｉｌｍｓ）、現アプライドマテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）のツインマグ構成のような二重電極構成により生成することができ、２つの電極をカソード又はアノードとして交互に動作させて、電極の前に配置されたターゲット材料又はターゲット材料自身を、イオンを衝突することにより交互にスパッタするものである。ＡＣ又はパルス電圧源に用いる周波数は、中周波数から高周波数（ｋＨｚ〜ＭＨｚ）の範囲で選択することができる。

本発明によれば、コーティング装置は、少なくとも第１の真空チャンバ、第２の真空チャンバ、及び第１及び第２の真空チャンバをこの順番で通るシリコンウェハ等の基板を搬送するための搬送手段を含む。第１の真空チャンバにおいて、基板の予備加熱は、赤外線ヒータにより実施され、高いウェハ温度、特に、４００℃を超える範囲が達成できる。従って、赤外線ヒータを用いると、フィラメントは１８００℃〜３０００℃の温度に達し、高加熱速度及び低予備加熱時間で、高い基板温度が達成される。

第２の真空チャンバにおいて、反応性スパッタリングプロセスによる層の堆積を行う。
コーティング装置は、水平又は垂直動作インラインコーティング装置とすることができる。即ち、予備加熱及び層堆積中、殆ど水平又は垂直方向に、基板をコーティング装置を通して搬送できるということである。

第１及び第２の真空チャンバは、単一のハウジングを有する単一装置として設計されているが、分離可能なチャンバを備えたモジュール式設計も考えられる。

赤外線ヒータは、基板の搬送方向を横切るように配置して、第１の真空チャンバを通して基板の移動中、放射線ヒータを通過することにより、基板から吸収された放射線により基板を加熱することができる。

基板を完全且つ均一に加熱するためには、赤外線ヒータの有効加熱長さを、基板の、又は搬送手段の基板ホルダの幅より長くする。

複数の赤外線ヒータを基板の搬送方向に１つずつ配置するのが好ましい。赤外線ヒータは、互いに平行に並べてよい。このように、基板の効率的且つ均一な加熱がなされる。

基板の温度を制御できるようにするために、赤外線ヒータは、別々にスイッチを入れたり、且つ／又は制御できるように設計する。これによってまた、１つのヒータが故障しても、他のヒータで補うことができる。

このように、赤外線ヒータの加熱装置は、基板の必要な温度を得るのに、１つのヒータで十分となるように設計されるのが好ましく、ヒータの１つを消しても、残りのヒータバッファとして用いることができる。これには、１つのヒータが故障した場合でも、コーティング装置、ひいては真空をシャットダウンしなくてよい、という利点がある。

ヒータの反射層の蒸発による真空又は堆積チャンバの汚染を防ぐために、かかる反射層は省く。表面に堆積する反射層の代わりに、研磨金属表面の形態にある反射表面を用いて、ヒータの放射線を、真空チャンバの内部に、そして基板に反射させる。

真空チャンバの側壁は、冷却コイルのような冷却手段を備えていてもよく、水のような冷却流体がその中を流れる。このように、真空チャンバの熱を大幅に減じることができる。

赤外線ヒータは、真空チャンバの密閉要素に、特に、保守及び点検のために、水平動作コーティング装置を容易に取り外せるようにする場合には、真空チャンバのトップカバーに並べてもよい。

実施形態の説明

図１に、インラインコーティング装置の長手方向断面の概略図を示す。図１のコーティング装置は、互いに近接配置された２つの真空チャンバ１及び２を含む。真空チャンバ１及び２は、処理される基板を第１の真空チャンバ１から第２の真空チャンバ２に搬送するための開口部又はロック８を有する真空チャンバ壁３により分離されている。真空チャンバ壁３は、夫々、真空チャンバ１、２の１つに属する２つの別々の壁により形成されてもよく、真空チャンバ１及び２は分離されていてもよい。或いは、真空チャンバ１及び２は、１つの単一ハウジングでできていて、真空チャンバ１及び２は分離できなくてもよい。この場合は、真空チャンバ壁３が、全くの隔壁として設計されている。

参照番号４は、コンベヤベルト又は基板ホルダ、駆動手段等をはじめとする同様の搬送手段を指している。コンベヤ４は、真空チャンバ１及び２の両方を通して、且つ、フィードイン開口部６及び出口開口部７を通して延在している。両開口部、即ち、フィードイン開口部６及び出口開口部７は、ロック装置（図示せず）により閉鎖され、真空チャンバ１及び２内の真空状態を阻害せずに、基板５の導入と分配を夫々可能にさせている。

真空チャンバ１及び２内に真空条件を確立するために、真空ポンプ１４及び１５を真空チャンバ１及び２に与える。各真空チャンバに１つの真空ポンプを与えるのではなく、両真空チャンバに共通の真空ポンプ、又は各真空チャンバにいくつかの真空ポンプを与えてもよい。真空ポンプ１４、１５は、技術的に真空条件を確立できるような設計とする。即ち、真空チャンバ内側の圧力は、１００ｈＰａ未満、特に、１０^−３ｈＰａ未満、更に、１０^−５ｈＰａとする。

真空チャンバ１は、予備加熱チャンバであり、本発明による予備加熱工程が実施される。このために、いくつかの赤外線ヒータ１６を、基板５の搬送方向に対して、図１にある通り、左から右へ、１つずつ配置してもよい。

赤外線ヒータ１６は、搬送方向を横切って並んでおり、画像平面に垂直に延在している。図１から分かる通り、赤外線ヒータ１６は、互いに平行且つ互いに等間隔で並んでいる。

図１の画像平面に対して垂直に延在する赤外線ヒータの長さは、真空チャンバ１の上側からの突出部において、赤外線ヒータが、基板の幅、更には、インラインコーティング装置を通過する移動の間、基板が配置される搬送手段を超えるようにする。このように、基板の全領域において、均一且つ効率的な加熱が達成される。

赤外線ヒータ１６は、高温となるタイプのものである。得られる温度は、１８００℃〜３０００℃の範囲であり、即ち、赤外線ヒータのフィラメントは、所望であれば、動作中、その温度であるということである。赤外線ヒータの種類は、特に、シリコンウェハの加熱に好適なものである。かかる温度で赤外線ヒータにより放出される放射線の波長だと、シリコンによる赤外線の吸収が非常に良好になされるからである。従って、４００℃を超える、特に、４５０℃を超える、更には、５００℃を超える非常に高いウェハ温度が得られる。高いウェハ温度はまた、反射防止又はパッシベーション層の後の堆積に関して、特に、ハロゲン含有ガス及び／又は層によるパッシベーションに有利でもある。

いくつかの赤外線ヒータ１６を真空チャンバ１に示したが、１つのみの赤外線ヒータ１６を有するだけで十分である。基板は、赤外線ヒータの下を動くため、基板５全体を加熱するには、１つのみの赤外線ヒータ１６の動作で十分である。従って、赤外線ヒータ１６は、赤外線ヒータ１６が接続されたスイッチ１７により示されるように、個々に切り替えられる。スイッチ１７は、電源１８と赤外線ヒータ１６の間に並んでいて、単一の赤外線ヒータが、別々に独立してスイッチオフできるようになっている。単純なスイッチの代わりに、単純にスイッチオフするばかりでなく、各赤外線ヒータの電力を制御できるその他の好適な制御手段を用いてもよい。

各赤外線ヒータは、別々に独立して動作できるため、加熱装置は、１つの赤外線ヒータの動作で十分なように設計でき、１つの赤外線ヒータが故障しても、装置及び真空チャンバ内の真空をシャットダウンする必要がない。動作できる状態になっている残りの赤外線ヒータ１６を用いることができるからである。これによって、インラインコーティング装置の動作可能性が効率的に増大する。

基板の温度を制御するために、センサ又はパイロメータの形態の測定装置２０が提供される。測定装置は、制御システム１９に接続されていて、測定された温度値に応じて、加熱手段を制御する。

赤外線ヒータが並んでいる真空チャンバ１の側壁には、反射表面２１が提供されて、赤外線ヒータ１６の放射線を真空チャンバ１の内部及び基板５へ反射する。赤外線ヒータ又は反射表面２１の反射コーティングの蒸発を排除するために、かかる反射コーティングは省いてある。この代わりに、非常に良好な反射を可能とし、真空チャンバ１の汚染を防ぐ研磨金属表面により、反射表面２１は形成される。

反射表面２１には、また、水等の冷却流体が通過する冷却コイルが設けられている。ポンプ２２により駆動されると、冷却流体は、外部冷却手段２３を流れて、冷却流体の温度を一定に保つ。

真空チャンバ１を通る移動中、基板５は、４００℃を超える温度、特に、４５０℃、又は５００℃を超える温度まで加熱される。その後、基板５が、真空チャンバ２に導入され、冷却プロセスが実施される。

このため、真空チャンバ２は、ターゲットとして用いられる２つの電極１２を含んでいて、高周波範囲の周波数で動作する電源１３に接続されている。

真空チャンバ２は、また、２つのガス供給手段９及び１０を含んでいる。これらは、バルブ１１によりロック可能である。

第１のガス供給手段９は、作動ガス供給部（図示せず）、例えば、アルゴンガス供給部に接続されている。

第２のガス供給手段１０は、反応性ガス供給部（図示せず）、例えば、窒素、水素、炭化水素Ｃ_ｘＨ_ｙ、Ｓｉ含有ガス又はアンモニアガスに接続されている。

電極表面の前にターゲットを含む、又は適切なターゲット材料でできた電極１２に印加されたＲＦ電力によって、ＲＦ放電によりプラズマが点火され、ターゲットが衝突イオンによりスパッタされる。真空チャンバ２に導入された反応性ガスによって、スパッタされたターゲット材料と反応性ガスとによる反応生成物が、基板５上に堆積する。

好ましくは、ＳｉＮ_ｘ：Ｈの組成を有する水素化窒化ケイ素フィルムが、基板５の上部に形成される。真空チャンバ１における処理によって基板が高温となるため、水素含有ガスによる非常に良好な水素パッシベーションが達成される。

図２に、真空チャンバ１における予備加熱中（ａ）及び真空チャンバ２におけるコーティングの堆積後（ｂ）のＳｉウェハの構造の概略例を示す。真空チャンバ１に導入された基板５は、ホウ素ドープ層２６とリンドープ層２７を含む２層構造を有していてもよい。通常、バルクＳｉ原材料は既にホウ素によりドープされていて、リンドープｎ−層は、別の拡散プロセス（図示せず）により生成される。

ＳｉＮ_ｘ：Ｈ層２８のコーティング後、ｐ−層２６と、ｎ−層２７と、反射防止及びパッシベーション層２８とを備えたＳｉウェハの３層構造が形成される。

本発明を好ましい実施形態との関連で詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲により定められる保護の範囲から逸脱することなく、開示された構成及び省かれた単一の構成の異なる組合せに関して、変形及び修正を行えることは当業者にとって明白である。

更なる特性、利点及び構成が、添付図面を参照して、好ましい実施形態の詳細な説明で説明される。図面は概略に過ぎない。

本発明によるインラインコーティング装置の長手方向断面図である。 本発明の方法による処理前のＳｉ−ウェハの断面図である。 本発明の方法による図１のコーティング装置の処理後を示す図である。

Claims (21)

1. 太陽電池用の反射防止及び／又はパッシベーションコーティングを製造する方法であって、
   堆積チャンバ（１）内にＳｉウェハ（５）を提供する工程と、
   前記Ｓｉウェハを４００℃を超える温度まで予備加熱する工程と、
   水素含有反射防止又はパッシベーションコーティング（２８）をスパッタプロセスにより堆積する工程とを含む方法。
2. ドープＳｉウェハ（５）を用いる請求項１記載の方法。
3. 前記反射防又はパッシベーションコーティング（２８）がＳｉＮ：Ｈ層である請求項１又は２記載の方法。
4. 前記予備加熱工程中の加熱が熱放射要素（１６）により実施される前記請求項のいずれか１項記載の方法。
5. 赤外線ヒータ（１６）を用いる請求項４記載の方法。
6. １８００℃〜３０００℃のフィラメント温度で動作可能で、且つ／又はシリコンの吸収範囲の波長で放射線を放出する赤外線ヒータ（１６）を用いる請求項４又は５記載の方法。
7. １００ｓ以下、好ましくは５０ｓ以下の加熱時間、及び／又は４Ｋ／ｓ以上、好ましくは１０Ｋ／ｓ以上の加熱速度を用いる前記請求項のいずれか１項記載の方法。
8. 前記Ｓｉウェハを、予備加熱中、４５０℃以上、好ましくは５００℃以上の温度まで加熱する前記請求項のいずれか１項記載の方法。
9. 前記予備加熱工程を、前記Ｓｉウェハの移動中、インラインコーティング装置で実施する前記請求項のいずれか１項記載の方法。
10. 前記予備加熱工程を技術的真空条件下で実施する前記請求項のいずれか１項記載の方法。
11. 前記スパッタプロセスが少なくとも反応性スパッタ工程を含む前記請求項のいずれか１項記載の方法。
12. 太陽電池、特に、反射防止及び／又はパッシベーションコーティングをＳｉウェハに製造するコーティング装置、特に、先行する請求項のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、第１の真空チャンバと、第２の真空チャンバ（２）と、基板（５）を前記第１及び第２の真空チャンバにこの順番で搬送するための搬送手段（４）とを含み、前記第１の真空チャンバは、少なくとも１つの赤外線ヒータ（１６）を含み、加熱するとヒータフィラメントを１８００℃〜３０００℃の温度にでき、前記第２の真空チャンバは、ターゲットを蒸発させるためのスパッタ手段（１２）及び水素を含む反応性ガスを導入するためのガス入口（１０）を含むコーティング装置。
13. 第１及び第２の真空チャンバ（１、２）が、単一のハウジング又は別々のモジュールハウジングを含む請求項１２記載のコーティング装置。
14. 前記赤外線ヒータ（１６）が、前記基板の搬送方向を横切って配置されている請求項１２又は１３記載のコーティング装置。
15. 前記赤外線ヒータ（１６）の有効加熱長さが、前記基板又は前記搬送手段の前記幅を超える請求項１４記載のコーティング装置。
16. 複数の赤外線ヒータが前記基板の搬送方向に１つずつ配置されており、特に、前記赤外線ヒータが互いに平行に並んでいる請求項１２〜１５のいずれか１項記載のコーティング装置。
17. 前記赤外線ヒータが、別々にスイッチを入れたり、且つ／又は制御できる請求項１６記載のコーティング装置。
18. 前記赤外線ヒータ（１６）が、前記ハウジング、特に、密閉要素、特に、トップカバーの側壁に並んでいる請求項１２〜１７のいずれか１項記載のコーティング装置。
19. 前記赤外線ヒータに反射コーティングがない請求項１２〜１８のいずれか１項記載のコーティング装置。
20. 前記ハウジングの少なくとも１つの側壁が、研磨金属表面である反射表面（２１）を含む請求項１２〜１９のいずれか１項記載のコーティング装置。
21. 前記反射表面（２１）が、冷却手段を、特に、冷却流体が流れる冷却コイルの形態で含む請求項２０記載のコーティング装置。

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