JP2013222917A

JP2013222917A - 半導体基板の表面エッチング装置及び方法

Info

Publication number: JP2013222917A
Application number: JP2012095325A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanabe; 浩田辺; Naoshi Yamaguchi; 直志山口; Hiroshi Taniguchi; 泰士谷口
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】ＣｌＦ３ガスを用いた、大気圧下での気層エッチングによる半導体基板の表面エッチング装置及び方法において、テクスチャーのサイズと大きさを制御することを可能とする装置および方法を提供すること。
【解決手段】予め基板表面に塗布した有機材料組成をマスクとしてチャンバー１に導入したシリコン基板に、不活性ガスを導入し、予め大気圧でチャンバー１を保持することで、シリコン基板に対するエッチング速度を制御することで解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばシリコン基板の表面を処理する半導体基板の表面エッチング装置及び方法に関し、特に、太陽電池用のシリコン基板の表面にテクスチャーを形成する技術に関するものである。

一般に、太陽電池においてセルとなるシリコン基板に太陽光が到達した場合、基板内部に進入する光と、基板表面で反射する光とに分離する。これらの光のうち基板内部に進入する光のみが光起電力効果に寄与することから、基板表面における反射率を低減するため、基板表面において、多数の凹凸部分が連続するテクスチャー形状に形成するようにしている。

従来、このようなシリコン基板表面のテクスチャー化としては、ウエットエッチングによる方法（例えば、特許文献１及び２参照）が主流であったが、近年、半導体や液晶分野がそうであったように、反応性イオンエッチングによる方法（例えば、特許文献３参照）などのドライエッチングへの移行が進み始めている。

図４は、特許文献３に記載された、反応性イオンエッチングによる従来のフローを示す図であり、図５は、その実施の形態を示す図である。

図４のプロセスフローを、図５を用いて説明する。真空ポンプ１６を用いて、チャンバー１内を予め真空排気を行い、好ましい雰囲気を保持し、別途、移載室より、ステージ２上にシリコン基板４が載置される。次にガスボンベ５より、ＮＦ３、Ｃｌ２、Ｏ２等を含むプロセスガスが、マスフローコントローラー６を介し、圧力調整弁７で調圧され、チャンバー１内に所定量導入される。その後、高周波電源１７により、ステージ２に高周波電圧が印加され、チャンバー１内に、プラズマが発生し、反応性イオンエッチングにより、テクスチャーを形成する方法である。

一方、反応性イオンエッチングを用いないドライエッチングによるテクスチャーの形成方法として、三フッ化塩素ガス（ＣｌＦ３）を用いた大気圧下でのドライエッチング方法（例えば、特許文献４）がある。図６は、特許文献４に記載された、三フッ化塩素ガス（ＣｌＦ３）を用いた大気圧下でのドライエッチング方法を示す図である。

図６におけるドライエッチングの方法は、大気圧下のチャンバー１内に、ステージ２を設け、シリコン基板４を載置し、ガスボンベ５からマスフローコントローラー６を介して、所定の流量のＣＬＦ３ガスを導入し、シリコン基板４にＣｌＦ３ガスを暴露させることで、気層中の化学反応のみでシリコンと反応させ、テクスチャーを形成する方法である。

特開２００６−３４４７６５号公報特開２００７−１９４４８５号公報特開２０１０−２１１９６号公報特開平１０−１７８１９４号公報

しかしながら、特許文献３のような、反応性イオンエッチングによるテクスチャーの形成方法では、真空雰囲気を形成するための真空ポンプや、プラズマを発生させるための高周波電源などの高コスト部材が必要となる課題を有していた。

また、特許文献４のような、ＣｌＦ３ガスを用いた大気圧下でのドライエッチング方法は、化学的反応のみでエッチング加工形状や大きさを面方位に沿って制御するためエッチングマスクとなる材料を事前に形成しておく必要があるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、より精密な凹凸形状と寸法を制御することが可能な、半導体基板の表面エッチング装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体基板の表面エッチング装置及び方法は、ＣｌＦ３ガスを用いた大気圧下でのドライエッチング方法であって、エッチング処理前にレジストなどの有機成分を含んだ塗布材料をオゾンなどで炭化水素系の成分の残渣組成を残しそれをマスクとして、その後ＣｌＦ３ガスを含むプロセスガスを導入し、残差元素をマスクとしてエッチング加工を進行させるものである。

本構成によって、形状及びサイズのコントロールを可能が可能となる。

以上のように、本発明のＣｌＦ３ガスを用いた大気圧下でのドライエッチング方法を用いれば、反応性ドライエッチングのような高コストの設備を導入することなく、テクスチャーを形成することができる。

本発明の実施の形態におけるエッチングフローを示す図本発明の実施の形態を示す装置図本発明での量産装置を示す図特許文献３に記載されたテクスチャーを形成する従来の方法を示す図特許文献３に記載されたテクスチャーを形成する従来の装置図特許文献４に記載されたテクスチャーを形成する従来の方法を示す図レジスト塗布直後のシリコン基板の表面の状態を示す図何も処理を施さないシリコン基板の表面の状態を示す図レジストを剥離した後のシリコン基板の表面の状態を示す図レジスト剥離後の有機成分残渣を起点に本発明で処理したテクスチャー形状の図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるエッチングフローを示す図である。また、図２は、図１を実施するための装置構成の図である。図１のプロセスフローに基づき、図２を用いて説明する。

また、図１、図２において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

Ｐ１で、予めレジストなどの有機材料が塗布されたシリコン基板にオゾンや剥離液などの材料を導入し、レジストなどの有機材料を剥離する処理を施し、原子レベルで炭化水素系などの組成成分のみをセルフマスクとなる残差元素として残す。次に、圧力計１０をモニターしながら、ブロワー３を操作して、窒素や酸素などのガスで大気圧の保持を行う。大気圧保持をしたのち、図２には記述していないが、別途、移載室などから、シリコン基板４の搬送を行う。このとき、移載室も予め不活性ガスで保持されていることが望ましい。

なお、不活性ガスであれば何を選んでもよいが、コストを考えて窒素ガスを選択することが最も望ましいと考えられる。十分に空気との置換ができた場合には、チャンバー内の水分が存在しないため、後述の化学反応人体に有害なフッ酸のチャンバー１のステージ２上にシリコン基板４を載置したのち、ガスボンベ５から、マスフローコントローラー６を通して流量制御を行い、圧力調整弁７で圧力を制御され、混合されたプロセスガスが、チャンバー１内のノズル８よりシリコン基板４に噴射される。

ノズル８は、自動スライダー９に連結されており、シリコン基板４の全面にプロセスガスを均一に暴露させるため、シリコン基板４上をノズル８が往復運動するようになっている。

ここでＣｌＦ３ガスを含むプロセスガスに暴露されたシリコンは、残渣元素である有機組成をマスク材として、それをマスクとして直ちに化学反応しながらテクスチャーを形成する。ＣｌＦ３ガスを含むプロセスガスの噴射量と同量のガスは、大気圧を維持しながら、ブロワー３より排気されている。ガスボンベ５が複数記載しているのは、プロセスガスを複数種類、想定しているためである。ＣｌＦ３ガスだけでなく、添加ガスとして酸素、キャリアガスとして窒素を混合して導入すれば、より好ましいテクスチャーを形成できるためである。

ここで、ＣｌＦ３ガスを含むテクスチャーを形成するメカニズムについて触れる。まだ不明な点が多いが、次のように推測される。

ＣｌＦ３ガスにシリコンが暴露されると、ＣｌＦ３ガスは非常に反応性が高いため、シリコンと化学反応し、ＳｉＦ４になり気層中に拡散していく、このとき有機材の残差マスクが起点となり、面方位のエッチングレートの差でエッチングが進み、テクスチャーが形成されると考えられている。

反応は発熱反応であるため適度な温度以上になると反応速度が爆発的に速くなるため、テクスチャーの形状や大きさを制御するためにはある程度のエッチング速度以下に抑える必要があり、添加ガスとして導入する酸素ガスがＳｉＯ２となりエッチング速度を低下させるために必要である。

従って、ＣｌＦ３ガスと添加する酸素ガスの流量比は、最適にコントロールされなければならない。チャンバー１内を空気で大気圧保持されている場合、空気中の酸素量が不安定なため、見かけの流量比と実際の流量比が異なるため、所望のテクスチャーが形成できない可能性がある。この意味でも、チャンバー１内を予め不活性ガスで保持することは重要である。

万が一、このプロセス中にＣｌＦ３と空気中の水分Ｈ２Ｏが化学反応した場合、人体に有害なフッ酸（ＨＦ）が生成され、チャンバー内部材に付着し、装置メンテナンス時に、人体に害を及ぼすことが考えられる。

図３は、図２の構成の装置から、連続処理を可能にさせた実施の形態を示す図である。シリコン基板４は複数枚処理させるため、搬送トレイ１５上に、複数枚載置されており、搬送トレイ１５が搬送ローラー１４上を走行する仕組みになっている。ノズル８はチャンバー１に固定され、図２の構造とは逆に、シリコン基板４がノズル８下を走行するようになる。

チャンバー１２、１３のように、チャンバーを複数個設けてもよい。チャンバー１２、１３は、チャンバー１の構成と同様に、エッチングが可能なチャンバーでもよいし、そうでなくてもよいが、予め不活性ガスで大気圧の保持を行うことは言うまでもない。この構成の場合でも、このプロセス中にＣｌＦ３と空気中の水分Ｈ２Ｏが化学反応した場合、人体に有害なフッ酸（ＨＦ）が生成され、チャンバー内部材だけでなく搬送トレイ１５にも付着する可能性があるので、危険度はより高くなる。

なお、実施の形態を示す方法で、大気圧での保持は、チャンバー１からのガス漏えいを防止するために、大気圧より弱減圧下で実施してもよい。

（実施例）
本発明の表面エッチング装置を用いて、基板方位面（１００）のシリコン基板表面に凹凸形状を形成した。

まず、前処理室にてステージに載置された基板方位面（１００）のシリコンウエハ（基板表面の面積：１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）の表面に、レジストなどの有機材料をノズルから噴射し４μｍ程度塗布した後、オゾンや剥離液などで前記塗布したレジスト材料の剥離処理を施し、前記レジストの主成分である有機材料を見かけ上完全に剥離した。この後処理として、純水などでの洗浄処理は施さず、有機材料の残差元素である炭化水素などのみをシリコン基板表面に原子レベルで残す処理を施した。このときのシリコン表面の残差の結果が図９に示される。組成元素成分としては炭化水素系の元素成分がシリコン表面に残留している。

比較として、前記４μｍのレジストを塗布した状態の組成を図７に示す。またレジストを塗布していないシリコン表面の元素分析の結果を図８に示す。

図７に示す通り、剥離していないレジスト塗布したままのシリコン基板表面の元素にはレジストに起因するフェノール系と炭化水素系の組成成分が検出されている。一方、図８に示す通り、レジスト塗布をしていないシリコン基板表面には図９で検出されたフェノール系や炭化水素系の組成は検出されていない。

すなわち、レジストを塗布しオゾンあるいは剥離液で剥離した表面にはフェノール系のレジスト組成は検出されないが、炭化水素系の組成が焼成成分として原子レベルでシリコン表面に残差として吸着しているものと考えられる。

この状態で得られたシリコン基板を反応室にて２５℃に温度制御されたステージに載置し、その後、温度保持したシリコン基板の表面に、減圧環境下（３０ＫＰａ）にてエッチングガスを３分間かけて吹きつけた。エッチングガスのガス組成は、ＣｌＦ３：Ｎ２：Ｏ２＝５００：５０００：２０００ｓｃｃｍとした。ＣｌＦ₃ガスを吹き付けられたシリコン基板は、基板温度が６０℃を超える辺りで急激に発熱して温度上昇して行く傾向がある。

そのため、基板温度がその変位温度（約６０℃）にまで達しない時間で、ガス供給を止めてＮ２ガスを噴きつけ、冷却するサイクルを繰り返した。その結果、得られたシリコン基板表面のＳＥＭ写真を図１０に示す。図１０に示されるように、基板表面に凹凸形状のテクスチャーが形成されていることがわかる。

本発明のＣｌＦ３ガスを用いた大気圧下でのドライエッチングによるテクスチャー形成方法は、フッ酸などの人体に有害な物質を生成するだけでなく、ＣｌＦ３ガスと酸素なとの混合ガスでエッチングする場合には、ガス比のコントロールを容易にさせる効果も期待できる。この技術は、テクスチャー形成方法だけでなく、ＣｌＦ３を用いた加工用途すべてに応用できる。

１チャンバー
２ステージ
３ブロワー
４シリコン基板
５ガスボンベ
６マスフローコントローラー
７圧力調整弁
８ノズル
９自動スライダー
１０圧力計
１２チャンバー
１４搬送ローラー
１５搬送トレイ
１６真空ポンプ
１７高周波電源

Claims

大気圧以下に減圧可能な前処理室と、
前記前処理室の内部において半導体基板を搬送可能なステージと、
前記ステージに載置される半導体基板の表面に向けて有機材料を噴射するノズルと、
前記前処理室に連結され半導体基板が搬送可能な大気圧以下に減圧可能な後処理室と、
前記後処理室において前記半導体基板に向けて有機材料除去用ガスを噴射するノズルと、
前記大気圧以下に減圧可能な反応室内で前記ステージに載置される半導体基板に向けてエッチングガスを噴射するノズルと、
を有することを特徴とする、半導体基板の表面エッチング装置。
前記有機材料はレジスト成分からなる、請求項１記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記有機材料除去用ガスはオゾンを含有する、請求項１記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記エッチングガスは、ＣｌＦ₃，ＸｅＦ₂，ＢｒＦ₃およびＢｒＦ₅からなる群から選ばれる一以上のガスを含む、請求項１記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記エッチングガスは、分子中に酸素原子を含有するガスをさらに含む、請求項４記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記エッチングガスは、分子中に窒素原子を含有するガスをさらに含む、請求項４記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記エッチングガスは、分子中にオゾンを含有するガスをさらに含む、請求項４記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記反応室内の圧力は、１ｋＰａ〜１００ｋＰａの範囲に調整可能である、請求項１記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記有機材料を噴射するノズル、及び、前記エッチングガスを噴射するノズルは、それぞれ複数有する、請求項１記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記有機材料を噴射するノズル、及び、前記エッチングガスを噴射するノズルは、前記ステージの移動方向に沿って配列されている、請求項９記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記半導体基板は、基板面方位（１００）のシリコン基板である、請求項１記載の半導体基板の表面エッチング装置。
前記半導体基板は、基板面方位（１１１）のシリコン基板である、請求項１記載の半導体基板の表面エッチング装置。
表面に凹凸形状が形成された半導体基板を製造する半導体基板の表面エッチング方法であって、
減圧された前記反応室内のステージに載置された半導体基板を用意するステップと、
前記ステージを移動させながら、前記半導体基板に有機材料を噴射するノズルからレジストなどの有機材料を吹き付けるステップと、
前記ステージを移動させながら、前記半導体基板にオゾンガスを噴射するノズルからオゾンガスを吹き付けるステップと、
大気圧下で前記反応室内のステージに載置された半導体基板にエッチングガスを噴射するノズルからエッチングガスを吹き付けるステップと、
前記ステージを移動させながら、前記半導体基板に残留不純物除去用ガスを噴射するノズルからガスを吹き付けるステップと、を含むこと、
を特徴とする、半導体基板の表面エッチング方法。
前記半導体基板の温度を１５０℃以下に保持する、請求項１３記載の半導体基板の表面エッチング方法。