JP2013544028A - シリコンウェハの表面テクスチャリング加工のドライエッチング方法優先権本出願は、”ｄｒｙｅｔｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｓｕｒｆａｃｅｔｅｘｔｕｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｓｉｌｉｃｏｎｗａｆｅｒ”なるタイトルの２０１０年１１月１日出願の米国仮特許出願第６１／４０９，０６４号明細書の利益を請求し、そのすべての内容がここに参考文献として援用される。 - Google Patents

Abstract

シリコンウェハの表面反射率を改善するシステムおよび方法を開示する。本システムおよび方法は、表面酸化処理およびドライエッチング処理を行ってシリコンウェハの表面にテクスチャリング加工された表面を形成することで表面反射率を改善する。表面酸化処理はドライ酸化プラズマ処理を用いて行うことができる。ドライエッチング処理を行って、表面酸化工程で形成された酸化物層を除去し、酸化マスキングによりシリコン層のエッチングが行われる。ドライエッチング処理により光の反射または散乱を最小化またはなくすシリコンの黒化加工が可能となり、ひいては高エネルギー変換効率が達成される。
【選択図】図４

Description

１．技術分野
本発明は、太陽電池用のシリコンウェハの技術に関し、特に、ドライエッチングによる表面テクスチャリング加工に関する。
２．関連技術
ＰＶセルなどとして知られる太陽電池は太陽光を電気エネルギーに変換する。太陽電池は蒸着半導体プロセス技術を用いて製造され、当該技術には典型的に、例えば、さまざまな材料および層の蒸着、ドーピングおよびエッチングが含まれる。典型的な太陽電池は、ｐ−ｎ接合が形成されるようにドープされた半導体ウェハまたは基板上に作られる。基板表面に向けられた太陽光（例えば、光子）により、基板における電子正孔対が壊れ、ｎドープ領域からｐドープ領域へと電子が移動する（つまり、電流が生成される）。これにより、基板の対向する二つの表面間で電位差が生じる。そして、電気回路に接続されたメタルコンタクトが基板で生成された電気エネルギーを集める。

太陽電池を製造するために用いられる半導体材料は非常に反射し易い。太陽電池の反射を低減するために、太陽光を受ける太陽電池の表面はテクスチャリング加工されている。表面での反射を低減すると太陽電池の効率が向上する。テクスチャリング加工された表面を生成する従来技術（例えば、ウェットテクスチャリング）によって製造された太陽電池は典型的には約２７％の反射率を有し、効率はおよそ１２−１８％に過ぎない。太陽電池の効率の向上は、太陽電池の商業的価値を最大化しようと太陽電池を製造する者にとって重大である。さらに、従来のウェットテクスチャリング方法の場合、化学エッチング性能が結晶の種類に依存するため、シリコンウェハのタイプ（例えば、単結晶シリコンウェハ、多結晶シリコン）に応じてウェットケミカルを選択する必要がある。適当な表面性状を達成するために、単結晶ウェハには通常アルカリ性の薬品が必要であり、多結晶シリコンには酸性の薬品が必要である。一方、ドライエッチングでテクスチャリングを行えば単結晶か多結晶かといったウェハタイプに依存することはない。

以下の発明の概要は本発明のいくつかの局面と特徴の基本的な理解のために提示されるものである。本概要は本発明の外延を特定するものではなく、したがって本発明の主要点や重要要素を特定したり、本発明の範囲を線引きしたりする意図はない。本概要の目的は、後述の発明の詳細な説明の前置きとして本発明の概念を単純化して提示することにある。

本発明の一局面に従うと、シリコンウェハのシリコン酸化物層の一部を除去する第１のエッチング処理、および酸化物に対してシリコンを高選択する第２のエッチング処理を実行するシリコンエッチングチャンバを備えているシステムが提供される。

上記システムは、シリコンウェハの表面に前記シリコン酸化物層を形成する酸化チャンバを備えていてもよい。前記酸化チャンバがプラズマ酸化チャンバであってもよい。

前記酸化チャンバが前記シリコンエッチングチャンバに接続され、前記ウェハが前記シリコンエッチングチャンバに投入される前に前記シリコン酸化物層が前記シリコンの表面に形成されてもよい。

上記システムは、ウェハ装填チャンバおよびウェハ排出チャンバをさらに備えていてもよい。また、上記システムは、前記ウェハ装填チャンバと前記プラズマ酸化チャンバとの間に装填ロック、および前記シリコンエッチングチャンバと前記ウェハ排出チャンバとの間に装填ロックをさらに備えていてもよい。

本発明の別の局面に従うと、テクスチャリング加工された表面を有するシリコンウェハを製造する方法であって、酸化物層を有するシリコンウェハに第１のシリコンエッチング処理を施す工程と、前記シリコンウェハに、酸化物に対してシリコンをより選択的にエッチングする第２のシリコンエッチング処理を施す工程とを備えている方法が提供される。また、当該方法で製造された太陽電池が提供される。

上記方法は、シリコンウェハの表面に表面酸化処理を施して前記第１のシリコンエッチング処理を施す前に前記酸化物層を成長させる工程をさらに備えていてもよい。前記表面酸化処理がプラズマ酸化処理であってもよい。

前記第１および第２のシリコンエッチング処理がドライエッチングであってもよい。前記ドライエッチングが反応性イオンエッチング、プラズマエッチング、および物理スパッタリングのいずれか一つであってもよい。前記第２のシリコンエッチング処理が異方性エッチング処理であってもよい。

本発明のさらに別の局面に従うと、欠陥領域および非欠陥領域を有するシリコンウェハのシリコン酸化物層をエッチングして前記非欠陥領域上の前記シリコン酸化物層の少なくとも一部を除去する工程と、前記ウェハを選択的にエッチングする工程とを備えている方法が提供される。また、当該方法で製造された太陽電池が提供される。

上記方法は、前記シリコン酸化物層のエッチングの前に前記シリコン酸化物層を成長させる工程を備えていてもよい。前記シリコン酸化物層を成長させる工程が前記シリコンウェハの酸化処理を含んでいてもよい。前記シリコン酸化物層は前記非欠陥領域上よりも前記欠陥領域上の方が厚くてもよい。

前記シリコン酸化物層をエッチングする工程が前記シリコン酸化物層をドライエッチングする処理を含んでいてもよい。前記ウェハを選択的にエッチングする工程が前記ウェハをドライエッチングする処理を含んでいてもよい。

添付の図面は本明細書に組み込まれてその一部を構成するものであり、本発明の実施形態を例示し、説明文とともに本発明の原理を説明および解説するのに役立つ。図面は図によって実施例の主たる特徴を説明するためのものである。図面は実際の実施形態のすべての特徴を図示するものでなければ、描画要素の相対寸法を図示するものでもなく、正確な縮尺で描かれていない。
図１は、本発明の一実施形態に係る理想的なテクスチャリング加工された表面を有する太陽電池の斜視図である。本図はニューサウスウェールズ大学（ＵＮＳＷ）によって開発され、単結晶シリコンウェハにウェットテクスチャリング加工前面を持つ典型的なＰＥＲＣ（Passivated Emitter Rear Contact）太陽電池構造を示す。 図２は、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンウェハ上の典型的な太陽電池テクスチャリング加工表面を有する太陽電池の斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る太陽電池テクスチャリング加工表面を形成するドライエッチングシステムの概念的および概略的な図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る太陽電池テクスチャリング加工表面を形成する処理手順のフローチャートである。 図５Ａ−５Ｂは、事前の酸化処理をしたドライテクスチャリングの結果を示す写真であり、図５Ｃ−５Ｄは、事前の酸化処理をしないドライテクスチャリングの結果を示す写真である。 図６Ａ−６Ｂは、切断されたウェハ表面の図であり、図６Ｃ−６Ｄは、ソーダメージ層の除去およびウェットケミカルテクスチャリング後のウェハ表面の図である。 図６Ｅ−６Ｈは、ドライエッチングテクスチャリング後のウェハ表面の図である。 図７は、本発明の実施形態に係るウェットエッチングおよびドライテクスチャリング処理で達成された反射率の改善を示すグラフである。 図８Ａは、ウェットテクスチャリング後のウェハ表面の図であり、図８Ｂ−８Ｃは、ドライテクスチャリングエッチング後のウェハ表面の図であり、図８Ｄは、残留物除去後のウェハ表面の図である。

本発明の実施形態は、シリコンウェハの表面反射率を改善するシステムおよび方法に関する。当該システムおよび方法は、表面酸化処理およびドライエッチング処理を行うことでシリコンウェハ上にテクスチャリング加工表面を形成することで表面反射率を改善する。ある実施形態では、表面酸化処理は酸素プラズマを用いて行われる。欠陥領域と非欠陥領域との間で選択的な酸化が起きる。その後、エッチング化学がシリコン酸化物に対してシリコンを高選択するエッチングに切り替えられる。ドライエッチングにより、光の反射または散乱を最小化またはなくすナノスケールのテクスチャリング表面加工が可能となる。

図１は典型的なＰＥＲＣ太陽電池１００を示し、図２は典型的な多結晶太陽電池１５０を示す。図１および２に示したように、太陽電池１００は、典型的にはシリコンで形成される基板１０４を備えている。ｎドープ層１０８が基板１０４の表面に形成され、誘電体層１１２（例えば、酸化物）がｎドープ層１０８上に形成され、これらが基板表面１１６を形成している。メタルコンタクト１２０が表面１１６上に形成されている。ｐドープ領域１２４が基板１０４中に形成されており、誘電体層１２８およびメタルコンタクト１３２がｐドープ領域１２４上に形成されている。図１に示したように、理想的な太陽電池１００は周期的な逆ピラミッド構造をした表面１１６を有する。一方、図２に示したように、典型的な太陽電池１５０のテクスチャリング加工表面１１６はマイクロキャビティまたはマイクログルーブを有することが多い。

図３は、本発明の実施形態に係る改良されたテクスチャリングを形成するシステム３００を示す。図３に示したように、システム３００は、ウェハ３０８を装填するウェハ装填チャンバ３０４、バッファステージ／装填ロック３０８、酸化チャンバ３１６、インタフェース３２０、シリコンエッチングチャンバ３２４、バッファステージ／装填ロック３２８、およびウェハ排出チャンバ３３２を備えている。

ウェハ３０８はシステム３００の装填チャンバ３０４に入り、バッファステージ／装填ロック３０８を通ってプラズマ酸化チャンバ３１６に入る。ウェハ３０８はプラズマ酸化チャンバ３１６で酸化処理される。その後、ウェハ３０８はインタフェース３２０を通ってシリコンエッチングチャンバ３２４に入る。ウェハ３０８はシリコンエッチングチャンバ３２４でドライエッチング処理される。ドライエッチング処理の後、ウェハ３０８はバッファステージ／装填ロック３２８を通ってウェハ排出チャンバ３３２を通ってシステム３００から出る。

図４は、本発明の一実施形態に係るテクスチャリング加工表面を形成する処理のフローチャートである。図４に示したように、処理４００は、シリコンウェハの表面にシリコン酸化物層を形成するシリコン表面酸化処理４０４を行うことから始まる。ある実施形態では、シリコン表面酸化処理４０４はドライ酸化プラズマ処理である。当然のことながら、例えば、ウェットオキシダント化学酸化処理、熱酸化処理やＲＴＰ酸化処理のような熱工程酸化処理などの他の酸化処理も可能である。

シリコン酸化物層が前者の場合、非欠陥領域よりも欠陥領域により厚い酸化物層が形成される。シリコンウェハの表面のいたる所に微少格子境界および格子欠陥があり、通常、欠陥領域では化学反応が起き易い。この場合、シリコン表面が酸化化学に晒されると、欠陥領域ではより厚い酸化物層が形成される。ある実施形態では、酸化処理による平均的な厚さの酸化物層はおよそ２５Åの厚さである。当然のことながら、当該厚さはおよび２０とおよそ５０Åとの間の値または値範囲でもよい。

図５Ａ−５Ｂに示したように、酸化処理によって表面の反射率はおよび８．５％になる。一方、酸化処理を行わないと、図５Ｃ−５Ｄに示したように、シリコンウェハの反射率はおよそ１０％になる。プラズマ酸化処理を行わない場合、もともとの酸化物およびウェットテクスチャリング処理中のウェット酸化物によりおよそ１０から１５Åのシリコン酸化物層が存在する。

図４に戻り、処理４００は、酸化処理４０４で形成されたシリコン酸化物層のほとんどの部分を除去するシリコンウェハのエッチング４０８へと続く。ある実施形態では、エッチング処理４０８において非欠陥領域上の酸化物層はすべて除去されるが、欠陥領域上の厚い酸化物層の部分は残る。エッチング処理４０８中に、酸化物層（薄層）の大部分が除去され、厚い酸化物領域のみが残る。当然のことながら、非欠陥領域上の酸化物層のほとんどの部分が除去されてもよい。本発明の実施形態では、エッチング処理４０８はドライエッチング処理である。ドライエッチングとは、材料をイオン衝撃に晒して晒された表面から材料を部分的に取り除く材料の除去のことである。例えば、ドライエッチング技術として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、プラズマエッチング、物理スパッタリングなどがある。ある実施形態では、ドライエッチング工程はフッ素系である。例えば、ドライエッチング工程はＳＦ_６およびＯ_２の混合ガスを用いてもよい。典型的な処理は室温で１００ｍＴでおよそ６０秒以下生じる。

処理４００は、酸化物に対してシリコンを高選択的に多くエッチングするウェハの選択的エッチング４１２へと続く。エッチング処理の条件は、酸化物に対してシリコンを高選択的にエッチングすることである（つまり、高レートのシリコンエッチングおよび低レートの酸化物エッチング）。残った酸化物層（つまり、エッチング工程４０８で除去されなかった欠陥領域上の酸化物層）はシリコンエッチング工程４１２においてマスクとして働く。シリコン上の非欠陥部分においてシリコン表面をプラズマ化学に晒すと、残った酸化物層下のシリコンをエッチング処理４１２中に失われずに残しつつシリコンエッチングが始まる。処理工程４１２では酸化物の非均一な厚み特性を利用してパターン生成のマスキングが行われる。シリコン表面には多数の不規則な欠陥領域があり、また、シリコン表面の非欠陥部分よりも欠陥領域における酸化物層が厚いため、酸素は通常（非欠陥）領域よりも欠陥領域における方が容易に浸透する。ある実施形態では、処理工程４０８および４１２で同じ処理条件が適用される。エッチング処理４１２もまたドライエッチング処理であってもよい。このドライエッチング処理は、典型的には、酸化物マスク層の損失が最小である異方性エッチングである。ある実施形態では、酸化物層が存在する限り選択的エッチングが継続する。ある実施形態では、シリコンエッチング工程もまたフッ素系である。

処理４００は、残留物を除去するシリコンウェハ洗浄４１６へと続いてもよい。ある実施形態では、希釈ＨＦ方式を用いて、残留するシリコン酸化物を溶解することでウェハを洗浄する。

図６Ａ−６Ｂは切断されたウェハを示し、図６Ｃ−６Ｄはソーダメージ層の除去（ＳＤＲ）後のウェハを示し、図６Ｅ−６Ｈは、ドライエッチングテクスチャリング後のウェハを示す。図６Ｅ−６Ｆに示したテクスチャサイズはおよそ１００ｎｍである。ＳＤＲは機械的にダメージを受けたシリコン層（切断処理中に受けたダメージ）を除去する。典型的には、ＳＤＲはダイヤモンドソータイプのソーイングマシンを用いて行われ、続いてウェットテクスチャリング処理が行われる。

図７は、ソーダメージ除去後（反射率２３．６％）、ソーダメージ除去およびドライエッチング後（反射率１１．４％）、およびソーダメージ除去、ドライエッチングおよび洗浄後（反射率１１．８％）の表面の反射率を示す。図８Ａ−８Ｄは、ソーダメージ除去後（図８Ａ）、ドライエッチング後（図８Ｂ−８Ｃ）、および残留物除去後（図８Ｄ）のウェハ表面を示す。

上記処理は主にシリコン基板またはウェハに関して説明したが、当然のことながら、基板またはウェハは半導体または太陽産業でよく用いられる他の材料でできていてもよい。当業者であれば上記処理がそのような別の材料に適用できることは理解できるであろう。

なお、ここに記載した処理および技術は本質的に特定の装置に関するものではなく、任意の適当な要素の組み合わせで実現することができる。さらに、ここでの教示に従ってさまざまなタイプの汎用デバイスを用いることができる。特定例に関して本発明を説明したが、これはあらゆる点で限定的よりもむしろ例示的であることを意図している。当業者であれば多くの別の組み合わせで本発明を好適に実施できることが理解できるであろう。

また、当業者であれば、ここに開示した本発明の明細書および実施を考慮して本発明の別実施例が理解できるであろう。上記実施形態のさまざまな側面および／または構成要素は単独でまたは任意に組み合わせとして用いることができる。明細書および実施例は例示に過ぎず、本発明の範囲および精神は次の特許請求の範囲に示される。

Claims (20)

1. シリコンウェハのシリコン酸化物層の一部を除去する第１のエッチング処理、および酸化物に対してシリコンを高選択する第２のエッチング処理を実行するシリコンエッチングチャンバを備えている、システム。
2. シリコンウェハの表面に前記シリコン酸化物層を形成する酸化チャンバをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記酸化チャンバがプラズマ酸化チャンバである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記酸化チャンバが前記シリコンエッチングチャンバに接続され、前記ウェハが前記シリコンエッチングチャンバに投入される前に前記シリコン酸化物層が前記シリコンの表面に形成される、請求項２に記載のシステム。
5. ウェハ装填チャンバおよびウェハ排出チャンバをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記ウェハ装填チャンバと前記プラズマ酸化チャンバとの間に装填ロック、および前記シリコンエッチングチャンバと前記ウェハ排出チャンバとの間に装填ロックをさらに備えている、請求項５に記載のシステム。
7. テクスチャリングされた表面を有するシリコンウェハを製造する方法であって、
   酸化物層を有するシリコンウェハに第１のシリコンエッチング処理を施す工程と、
   前記シリコンウェハに、酸化物に対してシリコンをより選択的にエッチングする第２のシリコンエッチング処理を施す工程とを備えている、方法。
8. シリコンウェハの表面に表面酸化処理を施して前記第１のシリコンエッチング処理を施す前に前記酸化物層を成長させる工程をさらに備えている、請求項７に記載の方法。
9. 前記表面酸化処理がプラズマ酸化処理を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１および第２のシリコンエッチング処理がドライエッチングを含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記ドライエッチングが反応性イオンエッチング、プラズマエッチング、および物理スパッタリングのいずれか一つを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２のシリコンエッチング処理が異方性エッチング処理を含む、請求項７に記載の方法。
13. 請求項７に記載の方法で製造された太陽電池。
14. 欠陥領域および非欠陥領域を有するシリコンウェハのシリコン酸化物層をエッチングして前記非欠陥領域上の前記シリコン酸化物層の少なくとも一部を除去する工程と、
    前記ウェハを選択的にエッチングする工程とを備えている、方法。
15. 前記シリコン酸化物層のエッチングの前に前記シリコン酸化物層を成長させる工程をさらに備えている、請求項１４に記載の方法。
16. 前記シリコン酸化物層を成長させる工程が前記シリコンウェハの酸化処理を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記シリコン酸化物層は前記非欠陥領域上よりも前記欠陥領域上の方が厚い、請求項１４に記載の方法。
18. 前記シリコン酸化物層をエッチングする工程が前記シリコン酸化物層をドライエッチングする処理を含む、請求項１４に記載の方法。
19. 前記ウェハを選択的にエッチングする工程が前記ウェハをドライエッチングする処理を含む、請求項１４に記載の方法。
20. 請求項１４に記載の方法で製造された太陽電池。