JP2012234854A - シリコン球状体用の加工電極装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン球状体の上の半球部分のみならず下の半球部分にもテクスチャー形状を形成できるシリコン球状体用の加工電極装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】電極２上に載置して真空雰囲気内でテクスチャーを加工される加工電極装置は、シリコン球状体１４の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°の角度になるように構成した磁石組み込み電極を有する。加工方法は、前記処理基板に、シリコン球状体の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°になるように構成した磁石１２を組み込み、反応性イオンエッチング法により、エッチングガスとしてμテクスチャーを形成する際に反応に寄与するフッ素系ガスと、マスク材をより効率的に形成しテクスチャー形成を促す塩素系ガスと、シリコン球状体の表面を酸化させまたマスク材のポリマーの大きさを制御する酸素ガスとを含むガスを使用して、シリコン球状体の表面に微細なμテクスチャーを加工する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換装置におけるシリコン球状体用の加工電極装置及び加工方法に関するものであり、特にシリコン球状体の表面にサブミクロンのピラミッド型の凹凸を形成し反射率を低減させるような加工に応用できる分野に関する。

近年結晶Ｓｉの太陽電池の分野においてＳｉの消費量を減じ材料費を低減できる集光型の球状Ｓｉ太陽電池が注目されている。一般に約９００個の球状Ｓｉを一つのセルが構成され、このようなセルが２００〜３００枚設けられて一つの太陽電池を形成している。

先行技術の例としては、光電変換部を薄型化して、高価なシリコンの使用量を低減ししかも入射してくる光を有効利用するために、各々底部に孔を形成した導電体から成る多数の凹部内に球状素子を取り付け、凹部内面を反射鏡として機能させるようにした球状太陽電池及びその製造法は公知である（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

また、この種の装置に用いられる球状粒子は、底部にノズル孔を設けた坩堝に材料を入れ、溶融させ、上方からガス圧力を作用させて坩堝の底部のノズル孔から溶融した材料を滴下させることにより作られている（特許文献５、特許文献６参照）。

従来公知の仕方で製作したシリコン球状体に対して、光電変換効率を高めるために、その表面にテクスチャー加工を施している。このようなテクスチャー加工には一般に反応性イオンエッチング法やプラズマエッチング法が用いられている。

ところで、従来技術の装置では、単なる平行平板の電極上にシリコン球状体を載置しただけであるので、通常の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いて球状Ｓｉテクスチャー加工で行った場合、シリコン球状体の上の半球部分ではテクスチャー形状が形成されるが、下の半球部分は、表面に対して入射するプラズマの粒子の垂直成分が極めて少ないためにテクスチャーが形成されないという問題がある。

特開２００２−１６４５５４ 特開２００４−６３５６４ 特開２００７−２１４２６４ 特開２００９−１３５３３２ 特開２００２−２９２２６５ 特開２００４−２４４６７０

本発明の目的は、かかる問題点を解決して、シリコン球状体の上の半球部分では勿論のこと下の半球部分にもテクスチャー形状を形成できるシリコン球状体用の加工電極装置及び加工方法を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、電極上に載置して真空雰囲気内でテクスチャー形成加工が行われる本発明による加工電極装置において、
シリコン球状体の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°の角度になるように構成した磁石組み込み電極を有することを特徴としている。

また、本発明の第２の発明によれば、処理基板を電極上に載置して真空雰囲気内でテクスチャー形成加工する本発明による加工方法において、
前記処理基板に、シリコン球状体の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°になるように構成した磁石を組み込み、
反応性イオンエッチング法により、エッチングガスとしてμテクスチャーを形成する際に反応に寄与するフッ素系ガスと、マスク材を依り効率的に形成しテクスチャー形成を促す塩素系ガスと、シリコン球状体の表面を酸化させまたマスク材のポリマーの大きさを制御する酸素ガスとを含むガスを使用して、シリコン球状体の表面に微細なμテクスチャーを加工すること
を特徴としている。

好ましくは、磁力線がシリコン球状体の表面に球面に対して法線に沿うようにされ得る。

ドライエッチングでμテクスチャーを形成する際に反応に寄与するフッ素系ガスとしてはF₂、CF₄、SF₆、NF₃、CHF₃、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈などが用いられ得る。またマスク材を依り効率的に形成しテクスチャー形成を促す塩素系ガスとしては塩素CL₂、臭素Br₂、ヨウ素I₂などが用いられ得る。

本発明の第１の発明による加工電極装置においては、シリコン球状体の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°の角度になるように構成した磁石組み込み電極を有しているので、シリコン球状体の表面の下側の半球部分の２／３程度にテクスチャー加工を施すことが可能となる。これにより、特にシリコン球状体を加工する部品例えば太陽電池の集光技術に関して、シリコン球状体の表面形状にテクスチャー加工を施し反射率を低減させて光のエネルギー利用効率を上げて光電変換効率を向上させることができる。

また、本発明の第２の発明による加工方法においては、前記電極に、シリコン球状体の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°になるように構成した磁石を組み込み、反応性イオンエッチング法により、エッチングガスとしてμテクスチャーを形成する際に反応に寄与するフッ素系ガスと、マスク材を依り効率的に形成しテクスチャー形成を促す塩素系ガスと、シリコン球状体の表面を酸化させまたマスク材のポリマーの大きさを制御する酸素ガスとを含むガスを使用して、シリコン球状体の表面に微細なμテクスチャーを加工するように構成したことにより、加工形状の均一性を向上させることができ、しかも、シリコン球状体の表面にサブミクロンのピラミッド型の凹凸を形成し反射率を低減させるような加工に応用できる。

本発明を実施できる装置の一例を示す概略線図。 本発明による加工電極装置の一例を示す部分断面図。

図１には本発明を実施しているプラズマ処理装置の一例を示している。
このプラズマ処理装置は真空チャンバ１を有し、真空チャンバ１の底壁にはカソード電極２は絶縁体３を介して設けられ、カソード電極２は処理すべき基板を装着する基板受け部４を備えている。このカソード電極２はマッチング回路５を介して高周波電源６に接続されている。カソード電極２に対向した真空チャンバ１の天井には、対向電極７が絶縁体８を介して設けられている。この対向電極７は接地されている。また、真空チャンバ１にはエッチングガス導入系９が設けられ、このエッチングガス導入系９は、μテクスチャーを形成する際に反応に寄与するフッ素系ガスのガス源と、マスク材を依り効率的に形成しテクスチャー形成を促す塩素系ガスのガス源と、シリコン球状体の表面を酸化させまたマスク材のポリマーの大きさを制御する酸素ガのガス源とを含んでいる。フッ素系ガスとしてはF₂、CF₄、SF₆、NF₃、CHF₃、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈などが用いられ、塩素系ガスとしては塩素CL₂、臭素Br₂、ヨウ素I₂などが用いられ得る。なお、図示していないが、真空チャンバ１の内側面にはＹ₂Ｏ₃の保護膜が形成されている。

さらに真空チャンバ１には真空排気系１０が接続されている。この真空排気系１０により真空チャンバ１は真空排気されて所定の真空雰囲気を形成し、ガス導入系９からエッチングガスが導入され、カソード電極組立体２と対向電極７との間の放電により発生したイオンによって、導入されたエッチングガスがプラズマ化される。こうして生成したプラズマ中に発生したイオンやラジカルはカソード電極組立体２に向かって引き付けられ、カソード電極組立体２の基板受け部４上の以下に詳しく説明する処理対象物に入射してエッチング処理が行われる。

本発明の実施形態においては、処理対象物として図２に示すように基板１１の表面上に内部に磁石１２を組み込んだ円錐状または角錐状突起１３を設け、その上にシリコン球状体１４が設けられる。突起１３は、例えば剣山状に好ましくは針状に設けられ得る。シリコン球状体１４は一例では直径約１ｍｍであり、隣接シリコン球状体１４との間隔は１〜０．５ｍｍ程度となるように約９００個配列される。すなわち、隣接するシリコン球状体１４は、互いに接触しないようにされている。各シリコン球状体１４はその自体知られているように、底部にノズル孔を設けた坩堝に材料を入れ、溶融させ、上方からガス圧力を作用させて坩堝の底部のノズル孔から溶融した材料を滴下させることにより形成され得る。

このように構成した加工電極装置は図１に示すプラズマエッチング処理装置によってシリコン球状体１４に対してテクスチャーが形成される。以下、テクスチャーの形成工程について説明する。

真空チャンバ１内は真空排気系１０により真空雰囲気を維持したまま、加工電極装置を真空チャンバ１内部に搬入し、カソード電極２上の基板受け部４に装着される。

真空チャンバ１内部を真空排気しながら、ガス導入系９からエッチングガスを真空チャンバ１１内に導入し、所定圧力のエッチング雰囲気を形成する。エッチング雰囲気を維持しながら、カソード電極２と対向電極７との間の放電によりエッチングガスはプラズマ化される。

エッチングガスのうち、フッ素系ガスはμテクスチャーを形成する際に反応に寄与し、塩素系ガスはマスク材を依り効率的に形成しテクスチャー形成を促す働きをする。フッ素系ガスとしては前述のようにF₂、CF₄、SF₆、NF₃、CHF₃、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈などが用いられ、また塩素系ガスとしては塩素CL₂、臭素Br₂、ヨウ素I₂などが用いられ得るが、それらのうちのどのガスを使用するかは処理対象及び処理条件、処理装置の仕様などに応じて任意に選定される。

加工は、エッチングガスの種類や、カソード電極２への印加電圧、真空チャンバ１内の圧力等を変更することで調整可能であり、またこれらのファクタを調整することで、シリコン球状体１４の表面の凹凸形状（テクスチャーの形状）を制御し、所望な微細凹凸パターンを形成できる。

前記の加工プロセスにおいて、基板１１の表面上に設けた円錐状または角錐状突起１３内部に組み込んだ磁石１２の作用で、シリコン球状体１４の表面に対して実質的に垂直に磁力線が投射される。それにより、シリコン球状体１４の表面にサブミクロンのピラミッド型の凹凸が形成され、反射率を低減させることができる。しかも、従来可能でなかったシリコン球状体１４の下側の半球の２／３程度にテクスチャー加工を施すことが可能となった。

１：真空チャンバ
２：カソード電極
３：絶縁体
４：基板受け部
５：マッチング回路
６：高周波電源
７：対向電極
８：絶縁体
９：エッチングガス導入系
１０：真空排気系
１１：基板
１２：磁石
１３：円錐状または角錐状突起
１４：シリコン球状体

Claims (7)

1. 電極上に載置して真空雰囲気内でテクスチャー形成加工の施される加工電極装置において、
   シリコン球状体の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°の角度になるように構成した磁石組み込み電極を有することを特徴とする加工電極装置。
2. 磁石組み込み電極が針状または剣山状であり、その上にシリコン球状体が設けられていることを特徴とする請求項１記載の加工電極装置。
3. 針状または剣山状の磁石組み込み電極が頂部シリコン球状体を受けるように凹状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の加工電極装置。
4. 処理基板を電極上に載置して真空雰囲気内でテクスチャー形成加工する加工方法において、
   前記処理基板に、シリコン球状体の表面に対して、磁力線が少なくとも４５°になるように構成した磁石を組み込み、
   反応性イオンエッチング法により、エッチングガスとしてμテクスチャーを形成する際に反応に寄与するフッ素系ガスと、マスク材を依り効率的に形成しテクスチャー形成を促す塩素系ガスと、シリコン球状体の表面を酸化させまたマスク材のポリマーの大きさを制御する酸素ガスとを含むガスを使用して、シリコン球状体の表面に微細なμテクスチャーを加工すること
   を特徴とする加工方法。
5. 磁力線がシリコン球状体の表面に球面に対して法線に沿うようにされることを特徴とする請求項４記載の加工方法。
6. ドライエッチングでμテクスチャーを形成する際に反応に寄与するフッ素系ガスとしてはF₂、CF₄、SF₆、NF₃、CHF₃、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈などが用いられることを特徴とする請求項４又は５記載の加工方法。
7. マスク材を依り効率的に形成しテクスチャー形成を促す塩素系ガスとしては塩素CL₂、臭素Br₂、ヨウ素I₂などが用いられることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項記載の加工方法。

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