JP3493951B2 - シリコン基板の異方性エッチング方法及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

シリコン基板の異方性エッチング方法及び太陽電池の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池の製造にお
いて、プラズマを使わないドライエッチングによりシリ
コン材料の異方性エッチングを行う方法に関するもので
あり、また、光の反射率を少なくするため設けられた凸
凹表面と入射光で発生したキャリアを効率よく収集する
ため設けられた埋め込み電極用の溝を持つ太陽電池の形
成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】シリコン基板の異方性エッチングは、ア
ルカリ水溶液での液相エッチングにより、シリコン(1
11)基板表面にはピラミットのエッチピット、シリコ
ン(100)基板表面には正方形のエッチピットを形成
していた。
【0003】また、太陽電池には、太陽光線の入射光の
反射を少なくするため、基板表面に凹凸構造が設けられ
ている。従来の製造方法による凹凸構造の形成としては
上記のアルカリ水溶液(KOH)での異方性エッチング
で行われていた。もう一つの凹凸構造の形成は減圧の反
応室にエッチングガスを導入し、反応室内に放電を発生
させ、プラズマによる反応性イオンエッチング(RI
E,reactive ion etching)で行われていた。また、こ
れらのエッチングによる凹凸形成工程とは別に、太陽電
池におけるpn接合は、専用の拡散炉を用いて形成して
いた。
【0004】また、高効率の太陽電池を形成するため
に、太陽電池内に発生したキャリアを収集する目的で表
電極を表面から内部へ深く埋め込む必要がある。そのた
め表面に電極用の溝を掘るが、従来はレーザまたは機械
による溝作製が行われていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の方法の中で、試
料(半導体シリコン材料)を液相エッチングする方法で
は、アルカリ水溶液により異方性エッチング処理後、さ
らにフッ酸洗浄して、拡散炉に搬入するなどの工程があ
り、基板表面の汚染などの課題があった。また反応性イ
オンエチングでは、基板表面がプラズマによるダメージ
を受けるため、デバイスの性能に影響を与えるという課
題があった。また、反応性イオンエッチングをするため
には、真空排気系を備えた装置にエッチングガスを導入
し、エッチングガスを励起するためのプラズマを発生さ
せるなど、工程や装置が複雑になるため、コストが高く
なるという課題があった。
【0006】また、効率を高めるために太陽電池の表面
には電極用の溝を設けるが、従来のレーザによる溝作製
は大電力を要するという課題があり、機械による溝作製
はシリコン基板にダメージを与えるという課題があっ
た。
【0007】
【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ため、本発明では大気圧中の反応室に少なくともClF
3、XeF2、BrF3、BrF5のいずれかを含むエッチ
ングガスを導入し、130℃以下の温度で前記エッチン
グガスによるエッチングによって、シリコン基板表面に
異方性エッチピットを形成するという手段を用いる。
【0008】太陽電池においては、上記の異方性エッチ
ング後、続いて拡散源のガスとN2とO2ガスを導入し、
同一反応室内で拡散を行いpn接合を形成するという手
段を用いる。
【0009】さらに、電極用の溝作製に関しては、pn
接合を形成したシリコン基板表面に、シリコン酸化膜を
付け、その後、部分的に酸化膜を除去し、残った酸化膜
をマスクとして、エッチングガスのシリコンとシリコン
酸化膜に対するレートの違いを利用し、シリコン酸化膜
が除去された部分のみに深い溝を作製する。
【0010】(作用)大気圧の反応室内に導入されたC
lF3等のエッチングガスはシリコン基板の表面に物理
吸着し、エッチングサイトまで移動する。エッチングサ
イトに届いたエッチングガスの分子は分解し、シリコン
と反応し揮発性のフッ素化合物を生成する。この反応に
よりシリコンがエッチングされ、表面に凹凸構造が形成
される。ここでClF3ガスとシリコンとの反応は発熱
反応である。その発熱によって温度が高くなるとシリコ
ン基板は異方性エッチングが出来なくなる。そこで、エ
ッチングと基板の冷却を繰り返し、基板の温度を制御す
る事によって、シリコン基板表面に正方形またはピラミ
ットの異方性のエッチピットを深く形成する。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。図1は太陽電池の凹凸表面形成とpn接合形成
装置の概略図である。まず、太陽電池の凹凸表面を作る
ために、ClF3ガスボンベ11からClF3ガスを流量
計12を通して希釈用のN2ガスと一緒に反応室13へ
導入する。本実施例でのClF3ガスを導入する反応室
13の温度は室温、圧力は大気圧とする。また、ClF
3の流量は0.2リットル/分、N2の流量は2リットル
/分である。p型シリコン基板14は石英ボート15に
のせて、反応室13内に設置する。
【0012】 図2は本実施例において、反応室にCl
3を0.2リットル/分、N2を2リットル/分の流量
で導入し、各シリコン(100)、(111)基板を2
分間室温でエッチングした後のシリコン基板表面の電子
顕微鏡写真である。写真でみるように、シリコン(10
0)面の基板には形のエッチピットが、(111)面
の基板にはピラミッ状のエッチピットが形成されてい
ることが分かる。ここで、時間を増やしたり、基板の温
度を上げたりすると図2のような異方性エッチピットは
なくなる。その理由は、ClF3ガスとシリコンとの反
応で発生した熱により、基板の温度が上昇し、等方性エ
ッチングに変わるためである。それを防ぐには、基板を
130℃以下に抑える必要があることを発明者らは確認
した。例えば長時間エッチングを行う場合、ClF3
スで基板を処理する工程と、ClF3ガスを止めて、N2
ガスを流し基板の熱を冷した後、再びClF3ガスを導
入するという工程を一回以上繰り返すことで、異方性エ
ッチングを進行させ、深い凹凸構造を形成する。この方
法によって形成された正方形及びピラミッのエッチピ
ットを有する基板に、同一反応室内で連続して拡散を行
うことにより良質の太陽電池が形成される。なお、エッ
チングの工程と拡散の工程はそれぞれ独立した反応室で
実施してもよい。その場合、それぞれの反応室を連結し
たり、搬出・搬入を清浄な雰囲気中で行うことが好まし
い。
【0013】ClF3ガスによるエッチング後、ClF3
ガスを止めて、反応室を加熱し同一の反応室に、Pの拡
散源としてPOCl3ガスボンベ16からPOCl3ガス
とN2とO2ガスを反応室13に導入し、凹凸のp−ty
peシリコン表面17にn型シリコン層18を形成す
る。P(リン)拡散の条件は反応室13の温度が850
゜Cであり、N2ガスの流量は3リットル/分、POC
3の流量は0.3リットル/分である。本発明では、
凹凸構造を気相反応エッチングで形成することによっ
て、同一の反応室13で凹凸構造17の形成とpn接合
18の形成を連続して同じ装置で行うことが可能となっ
ている。その様子を図3に示す。
【0014】ClF3エッチングと連続してPOCl3
散を行った後、シリコン酸化膜19を付けて表面に電極
にする部分のみに酸化膜を除去し、再び300℃の大気
圧中の反応室に導入し、ClF3ガスを0.2リットル/
分、N2ガスを5リットル/分で流し、酸化膜が除去され
た部分20のみを選択エッチングすることによって、深
い溝21の形成を行う。その様子を図4に示す。
【0015】
【発明の効果】シリコン基板の異方性エッチピットはア
ルカリ水溶液のエッチングで形成されるが、エッチン
グ、またフッ酸処理をするなど頻繁な薬品の処理が行わ
れる。これに対して、本発明はClF3ガスエッチング
後の基板の処理は要らないので、工程が簡単になる。
【0016】太陽電池においてのエッチピットの作製
は、普通上記の液相エッチングか真空排気された容器の
中にエッチングガスを導入し、プラズマなどを発生させ
る気相エッチングによって行われる。これに対して本発
明は同一反応室で行われるため、基板表面の汚染を避け
ることができ、プラズマを用いないため、基板へのダメ
ージを避けることができる。また、本発明は大気圧でエ
ッチングと拡散を連続で行うことや、埋め込み電極の溝
の作製も同一の反応室で行われるため、デバイスにおけ
るプロセスの簡略化、コストダウンが実現される。ま
た、本発明によって同一の反応室で基板表面に凹凸構造
とpn接合を形成した太陽電池は、凹凸構造のなしにp
n接合を形成して作製した太陽電池に比べ、開放電圧や
短絡電流が増加する。基板表面に凹凸構造と埋め込み電
極ありの太陽電池は、より高い効率を示す。その様子を
図5に示す。また、本実施例ではキャリアガスとしてN
2を用いたが、ArやHe等の不活性ガスを用いても同
様の効果が得られる。
【0017】上述した実施例では、エッチングガスとし
てClF3を使っているが、物理吸着による反応による
エッチングであることを考えると、XeF2、BrF3
BrF5のガスも同様の効果が期待できる。
【0018】上述した実施例では、基板として単結晶の
シリコンを用いているが、単結晶のシリコン基板上に配
向性の揃ったシリコンエピ膜を有する基板を用いても同
様の効果が期待できる。
【0019】上述した実施例では、p型シリコン基板に
ClF3ガスによるエッチング後、pn接合を形成する
のにPOCl3ガスを用いてPを拡散し、pn接合を形
成した太陽電池であるが、AsCl3ガスを用いてAs
を拡散した太陽電池でも同様の効果を得ることができ
る。また、n型シリコン基板においても、ClF3ガス
によるエッチング後、Bの拡散源としてBCl3または
BBr3ガスまたはBr25の蒸気を用いてBを拡散
し、pn接合を形成した太陽電池でも同様の効果を得る
ことができる。
【0020】以上の様に本発明は、簡易な装置及びプロ
セスで特性の優れた太陽電池を製造できるという点で、
極めて有用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における太陽電池の凹凸表面とpn接合
形成装置の概略図
【図2】本発明におけるClF3エッチングによるシリ
コン基板の顕微鏡写真
【図3】本発明における太陽電池の凹凸表面とpn接合
形成の実施例を示す図
【図4】本発明における太陽電池においての埋め込み電
極用溝の形成の実施例を示す図
【図5】本発明における太陽電池の太陽電池特性を示す
【符号の説明】
11 ClF3ガスボンベ 12 テフロン製流量計 13 反応室 14 p型シリコン基板 15 石英ボート 16 POCl3ガスボンベ 17 凹凸表面を有するp−typeシリコン基板 18 n型シリコン 19 シリコン酸化膜 20 シリコン酸化膜を除去した部分 21 選択エッチングされた電極用の溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北川 雅俊 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−75152(JP,A) 特開 平9−102625(JP,A) 特開 平3−129730(JP,A) 特開 平8−274072(JP,A) 特開 昭61−181131(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04 - 31/078 H01L 21/306 - 21/308

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 大気圧の反応室内にシリコン基板を設置
    し、 ClF 3 、XeF 2 、BrF 3 、BrF 5 より選ばれた少な
    くとも一つのエッチングガスを前記反応室に導入して前
    記シリコン基板表面をエッチングする第1の工程と、 2 ガス又は不活性ガスを前記反応室に導入して前記シ
    リコン基板を冷却する第2の工程を有し、 前記第1及び第2の工程において、前記シリコン基板の
    温度を130℃以下に保つシリコン基板の異方性エッチ
    ング方法。
  2. 【請求項2】 前記第1の工程において、エッチングガ
    スがClF 3 である請求項1に記載のシリコン基板の異
    方性エッチング方法。
  3. 【請求項3】 前記第2の工程において、前記反応室に
    導入されるガスがN 2 ガスである請求項1又は2に記載
    のシリコン基板の異方性エッチング方法。
  4. 【請求項4】 前記シリコン基板が面方位(111)の
    シリコン基板である請求項1〜3に記載のシリコン基板
    の異方性エッチング方法。
  5. 【請求項5】 前記シリコン基板が面方位(100)の
    シリコン基板である請求項1〜3に記載のシリコン基板
    の異方性エッチング方法。
  6. 【請求項6】 ピラミッド状のエッチピットが作成され
    ることを特徴とする請求項4に記載のシリコン基板の異
    方性エッチング方法。
  7. 【請求項7】 矩形のエッチピットが作成されることを
    特徴とする請求項5に記載のシリコン基板の異方性エッ
    チング方法。
  8. 【請求項8】 前記第1の工程と第2の工程を繰り返す
    ことを特徴とする請求項1〜7に記載のシリコン基板の
    異方性エッチング方法。
  9. 【請求項9】 請求項1〜8のいずれかに記載のシリコ
    ン基板の異方性エッチング方法により、p型シリコン基
    板表面に凹凸構造を形成する工程と、 前記反応室で、所定の温度に加熱してPまたはAsを含
    むガスを導入し、基板表面をn型化してpn接合を形成
    する工程を連続して行うことを特徴とする太陽電池の
    製造方法。
  10. 【請求項10】 請求項1〜8のいずれかに記載のシリ
    コン基板の異方性エッチング方法により、n型シリコン
    基板表面に凹凸構造を形成する工程と、 前記反応室で、所定の温度に加熱してBを含むガスを導
    入し、基板表面をp型化してpn接合を形成する工程
    を連続して行うことを特徴とする太陽電池の製造方法。
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