JP2013247161A - ドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板に対して可及的速やかにテクスチャー構造を形成することができる量産性の良いドライエッチング装置を提供する。
【解決手段】シリコン基板Ｗ表面にテクスチャー構造を形成するための本発明のドライエッチング装置ＥＭは、第１電極２及び第２電極４を備え、いずれか一方を、真空処理室１２内でシリコン基板を保持する基板保持手段とすると共に、いずれか他方を、減圧下の真空処理室内にエッチングガスを導入するガス導入手段のシリコン基板に対向配置されるシャワープレートとし、第１電極及び第２電極の少なくとも一方に所定周波数の交流電力を投入する電源３を設ける。第１電極と第２電極との間の間隔を２０〜４５ｍｍの範囲に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板表面にテクスチャー構造を形成するためのドライエッチング装置に関し、より詳しくは、結晶系太陽電池の製造工程において、シリコン基板に対し、その表面に高い光散乱封じ込め効果を発揮するテクスチャー構造を形成するために用いられるものに関する。

単結晶や多結晶のシリコン基板を用いた結晶系太陽電池において、シリコン基板表面にドライエッチングにより凹凸形状を形成して粗面化する（テクスチャー構造を付与する）ことで、シリコン基板表面に入射した光の反射を低減させて光電変換効率の向上を図ることが従来から進められている。このようにシリコン基板表面へのテクスチャー構造の付与に用いられるドライエッチング装置は例えば特許文献１で知られている。

このものは、真空処理室内でシリコン基板を保持するステージと、ステージで保持されるシリコン基板に対向配置される、複数個の透孔を有する金属製のシャワープレートと、ステージに高周波電力を投入する高周波電源とを備える。そして、減圧下の真空処理室内でシャワープレートの各透孔を通してシリコン基板に向けて均一にエッチングガスを供給し、ステージに所定の周波数（例えば、１３、５６ＭＨｚ）で交流（高周波）電力を投入して真空処理室内にプラズマを形成し、このプラズマ中で生じた活性種やイオン種をシリコン基板表面に入射させてエッチングする。このとき、基板表面に堆積したシリコン酸化物を含むハイドロカーボン（炭化水素）系の高分子膜やエッチングガス中の酸素がマスクの役割を果たすことで、シリコン基板表面が凹凸形状にエッチングされて粗面化され、テクスチャー構造が形成される。

然し、上記エッチング装置では、異常放電が発生しない範囲で、投入する交流電力を設定した場合、０．８〜１．５μｍ程度の高さに揃ったテクスチャー構造をシリコン基板表面に略均等に形成するときのエッチングレート（例えば、１０〜１５ｎｍ／ｓｅｃ）が早いとは言えず、量産性を高めるには限界があるという問題がある。

特開２０１１−３５２６２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、シリコン基板に対して可及的速やかにテクスチャー構造を形成することができる量産性の良いドライエッチング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、シリコン基板表面にテクスチャー構造を形成するための本発明のドライエッチング装置は、真空処理室内で所定間隔を存して配置される第１電極と第２電極とを備え、第１電極及び第２電極のうちいずれか一方を、真空処理室内でシリコン基板を保持する基板保持手段とすると共に、いずれか他方を、減圧下の真空処理室内にエッチングガスを導入するガス導入手段のシリコン基板に対向配置されるシャワープレートとし、第１電極及び第２電極の少なくとも一方に所定周波数の交流電力を投入する電源を設け、第１電極と第２電極との間の間隔を２０〜４５ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、第１電極と第２電極との間の間隔を２０〜４５ｍｍの範囲に設定したため、高い圧力範囲でのプロセス設計が容易になったという理由から、上記従来例のものと比較して約２．５倍のエッチングレートが得られ、高い量産性で、所定高さに揃ったテクスチャー構造をシリコン基板表面にその全面に亘って略均等に形成することができる。この場合、間隔が２０ｍｍより短いと、放電が偏るという不具合があり、４５ｍｍより長くなると、エッチングレートの均一性が悪くなるという不具合が生じる。

本発明において、ガス導入手段は、エッチング時に真空処理室内の圧力を２０Ｐａ以上に制御する制御部を備えることが好ましい。これにより、反応ガス分子密度が高くなるという理由から一層エッチングレートを向上することができる。この場合、２０Ｐａより低い圧力では、異常放電により放電維持が困難となるという問題があり、また、５０Ｐａより高い圧力では、安定して真空処理室内にプラズマを発生させることができない。なお、前記電源の周波数を１３．５６ＭＨｚ〜６０ＭＨｚとすればよい。

本発明の実施形態のドライエッチング装置の構成を示す模式図。 本発明の効果を示す実験結果のＳＥＭ像。

以下、図面を参照して、処理対象物を、結晶系太陽電池に用いられる単結晶や多結晶のシリコン基板（以下、単に基板Ｗという）とし、その表面にテクスチャー構造を形成する本発明の実施形態のドライエッチング装置を説明する。なお、結晶系太陽電池の構造は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図１を参照して、ＥＭは、本実施形態のドライエッチング装置である。以下では、後述するシャワープレートから基板Ｗに向かう方向を下方、基板Ｗからシャワープレートに向かう方向を上方として説明する。ドライエッチング装置ＥＭは、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどを備えた真空排気手段１１を介して所定の真空度に減圧保持できる真空チャンバ１を備え、真空処理室１２を画成する。真空処理室１２の下部空間には、基板保持手段としての基板ステージ２が設けられている。基板ステージ２は導電性部材で形成され、一方の電極を構成する。基板ステージ２には、電源３としての交流電源３ａからマッチングボックス３ｂを介して出力３１が接続されている。交流電源３ａとしては、例えば１３．５６〜６０ＭＨｚの範囲の所定周波数で所定電力（例えば、３〜２０ｋＷ）を基板ステージ２に投入するものであり、マッチングボックス３ｂを含め公知のものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

真空処理室１２の上部には、基板ステージ２に対向させてガス導入手段のシャワープレート４が設けられている。シャワープレート４は、真空チャンバ１の内壁面に突設した環状の支持壁１３の下端で保持され、支持壁１３とシャワープレート４とで画成された空間４１にはエッチングガスを導入するガス導入手段のガス導入管５が接続されている。シャワープレート４は、導電性を有する金属製の板材に、上下方向に貫通する透孔４ａの複数個を所定のパターンで開設したものであり、アース接地の第２電極を構成する。本実施形態では、シャワープレート４の下面と基板ステージ２の上面との間の間隔Ｄが、２０〜４５ｍｍの範囲に設定されている。この場合、間隔Ｄが２０ｍｍより短いと、異常放電により放電維持が困難となるという不具合があり、４５ｍｍより長くなると、エッチングレートの均一性が悪くなるという不具合が生じる。

ガス導入管５には、マスフローコントローラ等の閉止機能を有する流量制御手段５１ａ、５１ｂ、５１ｃが介設されたガス分岐管５２ａ、５２ｂ、５２ｃが夫々接続され、第１〜第３のガス源５３ａ、５３ｂ、５３ｃに夫々連通している。そして、ガス種毎に流量制御して真空処理室１２に導入できるようになっている。この場合、流量制御手段５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、真空処理室１２内の圧力を２０Ｐａ以上となるように各流量制御手段５１ａ〜５１ｃを制御され、各流量制御弁５１ａ〜５１ｃがエッチング時に真空処理室内の圧力を２０Ｐａ以上に制御する制御部を構成する。なお、制御部は、これに限定されるものではなく、例えば真空排気手段に設けたコンダクタンスバルブや圧力調節弁を単体または組み合わせて構成することもできる。エッチングガスとして、フッ素含有ガスとハロゲンガスと酸素ガスとを含むものが用いられ、この場合、第１のガス源５４ａのガスは、ＮＦ_３、ＳＦ_６、ＣｘＨｙＦｚ等のフッ素含有ガスからなり、第２のガス源５４ｂのガスはＣｌ_２のようなハロゲンガス、ＨＢｒのようなハロゲン化水素ガス等のハロゲン含有ガスからなり、第３のガス源５４ｃのガスは酸素ガスからなる。次に、上記ドライエッチング装置ＥＭを用いたエッチング方法について具体的に説明する。

先ず、真空処理室１２が所定真空度（例えば、１０^−３Ｐａ）に達した状態で、図外の真空ロボットにより基板Ｗを搬送し、基板ステージ２に保持させる。次に、各流量制御弁５１ａ〜５１ｃを制御して、真空排気手段１１で真空引きした状態で、第１〜第３のガス源５３ａ、５３ｂ、５３ｃからエッチングガスを、ガス供給管５を介して空間４１に供給し、シャワープレート４を介して真空処理室１２内に導入する。この場合、エッチングガスとしては、例えば、フッ素含有ガスとしてのＮＦ_３と、ハロゲンガスとしてのＣｌ_２と、酸素ガスとが用いられ、また、真空処理室１２内の圧力が２０Ｐａ以上となるように各流量制御弁５１ａ〜５１ｃを制御する。この場合、真空処理室１２内に導入するガスの総流量に体するフッ素含有ガスの流量比を１〜５の範囲、ハロゲンガスの流量比を１〜４の範囲、酸素ガスの流量比を１〜３の範囲とすればよい（この場合、減圧下の処理室１２内の圧力は２０〜５０Ｐａとする）。これに併せて、電源３を介して基板ステージ２に１３．５６ＭＨｚの周波数で交流電力を投入する。この場合、電源３の投入電力は、３〜２０ｋＷとする。

以上によれば、上記従来例のものと比較して、２．５倍の高いエッチングレートで得られ、高い量産性で、所定高さに揃ったテクスチャー構造をシリコン基板表面にその全面に亘って略均等に形成することができる。

次に、以上の効果を確認するため、図１に示すドライエッチング装置を用いて次の実験を行った。発明実験では、シャワープレート４の径をφ０．８ｍｍ、シャワープレート４の下面と基板ステージ２の上面との間の間隔Ｄを２５ｍｍとした。また、基板として公知の方法で得た１５６ｍｍ×１５６ｍｍの多結晶シリコン基板を用い、エッチング条件として、エッチングガスをＮＦ_３とＣｌ_２と酸素ガスとし、その流量ＮＦ_３：Ｃｌ_２：酸素ガスの流量を５００：１２００：２００ｓｃｃｍとし、エッチング時の処理室の圧力を５０Ｐａに設定した。また、電源３からの投入電力を１０ｋＷ、周波数を１３．５６ＭＨｚとし、６０ｓｅｃ間エッチングした（発明実験１）。なお、比較実験として、シャワープレート４の下面と基板ステージ２の上面との間の間隔Ｄを２５ｍｍとし、その他は同じ条件でエッチングを行った。

以上によれば、比較実験では、そのエッチングレートは、０．９μｍ／ｍｉｎであったのに対し、発明実験１では、２．３μｍ／ｍｉｎであり、約２．５倍以上の高いエッチングレートが得られることが確認された。また、そのときのシリコン基板の表面状態をＳＥＭ像で確認したところ（図２（ａ）参照）、０．８〜１．５μｍ程度の高さに揃ったテクスチャー構造をシリコン基板表面に略均等に形成することができていた。

次に、シャワープレート４の下面と基板ステージ２の上面との間の間隔Ｄを１０ｍｍ、その他は同じ条件でエッチングを行った（発明実験２）これによれば、２．５μｍ／ｍｉｎの高いエッチングレートが得られることが確認された。また、そのときのシリコン基板の表面状態をＳＥＭ像で確認したところ（図２（ｂ）参照）、０．８〜１．５μｍ程度の高さに揃ったテクスチャー構造をシリコン基板表面に略均等に形成することができていた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、電源３から出力する交流電力の周波数が１３．５６ＭＨｚの場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、周波数が３〜６０ＭＨｚであれば問題はない。なお、周波数が３ＭＨｚより低いと、セルフバイアスが発生しないという問題が生じる。周波数が６０ＭＨｚを超えると、放電の偏りで正常な放電維持が困難となるという問題が生じる。

また、上記実施形態では、エッチングガスとして、フッ素含有ガスとハロゲンガスと酸素ガスとを含むものを用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、他のエッチングガス（混合ガス）を用いる場合にも本発明は広く適用することができる。

ＥＭ…ドライエッチング装置、１２…処理室、２…基板ステージ（一方の電極）、３…交流電源（電源）、４…シャワープレート（他方の電極）、５…ガス導入管、流量制御手段５１ａ、５１ｂ、５１ｃ…流量制御手段（制御部）、Ｗ…基板（シリコン基板）。

Claims (3)

1. シリコン基板表面にテクスチャー構造を形成するためのドライエッチング装置であって、
   真空処理室内で所定間隔を存して配置される第１電極と第２電極とを備え、
   第１電極及び第２電極のうちいずれか一方を、真空処理室内でシリコン基板を保持する基板保持手段とすると共に、いずれか他方を、減圧下の真空処理室内にエッチングガスを導入するガス導入手段のシリコン基板に対向配置されるシャワープレートとし、第１電極及び第２電極の少なくとも一方に所定周波数の交流電力を投入する電源を設け、
   第１電極と第２電極との間の間隔を２０〜４５ｍｍの範囲に設定したことを特徴とするドライエッチング装置。
2. 前記ガス導入手段は、エッチング時に真空処理室内の圧力を５０Ｐａ以上に制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング装置。
3. 前記電源から出力する交流電力の周波数が１３．５６ＭＨｚ〜６０ＭＨｚに設定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のドライエッチング装置。