JP3898600B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はエッチング装置とエッチング方法に関し、特に太陽電池などに用いられるシリコン基板等の表面を粗面化するのに好適に用いることができるエッチング装置とエッチング方法に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
太陽電池は入射した光エネルギを電気エネルギに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造が高コストになるという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは18%程度の変換効率が達成されている。
【0003】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、低コストでより高い変換効率が求められるようになった。
【0004】
このような太陽電池では、電気エネルギへの変換効率を向上させるために従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに基板に入射する光の反射を低減する技術があり、表面での光の反射を低減することで電気エネルギへの変換効率を高めることができる。
【0005】
シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合、基板の表面を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液でエッチングすると、基板の表面に微細な凹凸が形成され、反射をある程度低減できる。面方位が(100)面の単結晶シリコン基板を用いた場合、このような方法でテクスチャ構造と呼ばれるピラミッド構造を基板の表面に均一に形成することができるものの、アルカリ水溶液によるエッチングは結晶の面方位に依存することから、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、ピラミッド構造を均一には形成できず、そのため全体の反射率も効果的には低減できないという問題がある。
【0006】
このような問題を解決するために、太陽電池素子を多結晶シリコンで形成する場合に、基板の表面に微細な突起を反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching)法で形成することが提案されている(例えば特公昭60−27195号、特開平5−75152号、特開平9−102625号公報参照)。すなわち、多結晶シリコンにおける不規則な結晶の面方位に左右されずに微細な凹凸を均一に形成し、多結晶シリコンを用いた太陽電池素子においても反射率をより効果的に低減しようとするものである。
【0007】
しかしながら、上述のような凹凸の形成条件は微妙であり、また装置の構造によっても変化するために条件の設定は非常に難しいことが多い。凹凸を均一に形成できない場合は、入射した光を太陽電池に有効に取りこむことができず、太陽電池の光電変換効率は向上しない。個々の太陽電池の価値はその発電効率で決まることから、そのコストを低減するには、太陽電池の変換効率を向上させなければならない。
【0008】
また、反応性イオンエッチング法で用いられる装置は一般に平行平板電極型をしており、基板を設置している電極の側にRF電圧を印加し、他の一方の側および内部の側壁をアースに接続する。このチャンバ内部を真空引きしてエッチングガスを導入して圧力を一定に保持しながら被エッチング基板をエッチングする。エッチングが完了した後に、チャンバ内部を大気圧に戻す。
【0009】
このような手順を踏むことから、反応性イオンエッチング装置では真空引きおよび大気リークの待ち時間が長い。また、反応性イオンエッチング装置はLSIなどの精密な小型半導体素子に用いられる場合が多いが、太陽電池に用いる際には太陽電池自身の面積が大きいため、1回あたりの処理枚数が少なく、製造コストが高くなるという問題があった。そのため反応性イオンエッチング装置を太陽電池の製造工程に用いる場合には、いかに高タクトで1回あたりの処理枚数を増やすかが重要なポイントである。
【0010】
タクトを向上させるための方法の一つとして、特願2001−298671号による方法がある。この方法ではシリコン基板の表面にエッチング残渣を付着させながらエッチングして凹凸を形成して粗面化した後、このエッチング残渣を除去するが、このエッチングの際にマスクとなる残渣を速く形成するために、エッチングされる基板を開口部が形成されたプレート部材で覆ってエッチングする。この方法によれば凹凸の形成速度が速くなると同時に、バッチ内での凹凸の均一性が向上し、1回あたりの処理枚数を増やすことができる。
【0011】
この方法によれば、エッチングされる基板をトレイに載置してプレート部材で被覆してチャンバ内の電極上に搬送して真空引きしてエッチングし、その後チャンバを大気に戻してトレイを搬出してプレート部材をはずして基板を回収するという工程になる。
【0012】
ところが、この方法では真空引きの際の抵抗となるプレート部材が毎回大気に戻されてから真空引きされるので、プレート部材を載置しない場合の真空引き速度と比較してチャンバ内の真空引き速度が低下するという問題が発生する。予備室などをチャンバに隣接して設けて連続バッチ処理を行ったとしても前記工程はかわらず、複数のプレート部材が大気と真空を繰り返すこととなり、プレート部材を載置しない場合の真空引き速度と比較してチャンバ内の真空引き速度は低下する。
【0013】
また、プレート部材の端部の4点を支持体などで支持するようにして、この支持体の間から基板とトレイを搬送することも考えられるが、プレート部材は基板から5〜30mmしか離間しておらず、この間で基板とトレイを搬送することは実質的に不可能である。また、大きなエッチング面積を有するエッチング装置の場合、プレート部材の端部の4点を支持する方法ではプレート部材に自重によるたわみが発生し、基板とプレート部材との距離の違いによってエッチングムラが発生するという問題もある。
【0014】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、基板の表面に均一な凹凸を高タクトで形成するエッチング装置とエッチング方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の太陽電池の製造方法では、陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、陽極側に開口部が多数形成されたプレート部材を取り付けて、前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程を有するものにおいて、前記プレート部材の前記シリコン基板に対向する面上または前記陰極側電極上の前記シリコン基板を載置する面上に突出壁を設けて、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記プレート部材と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記凹凸を形成することを特徴とする。
【0016】
上記太陽電池の製造方法では、前記突出壁は、前記プレート部材の周縁部に設けられることが望ましい。
【0017】
上記太陽電池の製造方法では、前記陰極側電極と陽極側電極が平行平板構造となっていることが望ましい。
【0018】
上記太陽電池の製造方法では、前記対向する電極の少なくとも一方が互いに離間する方向に可動であることが望ましい。
【0019】
上記太陽電池の製造方法では、前記プレート部材が上下方向に可動であることが望ましい。
【0020】
上記太陽電池の製造方法では、前記プレート部材の開口部の端面に面取り加工を施すことが望ましい。
【0021】
上記太陽電池の製造方法では、前記ドライエッチングが反応性イオンエッチング方法により行われることが望ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を用いて詳細に説明する。
図1および図2は本発明に係るエッチング装置の一実施形態を示す図であり、1はマスフローコントローラ、2はシリコン基板、3はRF電極(陰極側電極)、4は圧力調整器、5は真空ポンプ、6はRF電源である。
【0025】
チャンバ14内にマスフローコントローラ1部分からエッチングガスとエッチング残渣生成用ガスを導入するとともに、RF電極3からRF電力を導入することでプラズマを発生させてイオンやラジカルを励起活性化してRF電極3の上部に設置された例えばシリコンなどからなる基板2の表面に作用させてエッチングする。
【0026】
図2に示す装置では、RF電極3を装置内に設置して1枚のシリコン基板2の表面をエッチングするが、図3に示す装置では、RF電極3をチャンバ14の外壁に設置して複数枚のシリコン基板2の表面を同時にエッチングするようにしている。
【0027】
発生した活性種のうち、イオンがエッチングに作用する効果を大きくした方法を一般に反応性イオンエッチング法と呼んでいる。類似する方法にプラズマエッチングなどがあるが、プラズマ発生の原理は基本的に同じであり、基板1に作用する活性種の種類の分布をチャンバ構造、電極構造、あるいは発生周波数等で異なる分布に変化させているだけである。そのため、本発明は反応性イオンエッチング装置に限らず、プラズマエッチング法などのドライエッチング装置全般に有効である。
【0028】
本発明のエッチング装置を図3〜図8を用いて詳細に説明する。図3において2はシリコン基板、3はRF電極、6はRF電源、7はプレート部材、8はチャンバ壁、9は取付け部材、10はトレイ、11は開口部、12は絶縁体を示す。
【0029】
チャンバ14内においてアースに接続され陽極側電極となるチャンバ壁8に取付け部材9を介して開口部11が多数形成されたプレート部材7を取付ける。陰極電極7側はRF電極3上にトレイ10を載置し、その上にエッチングされるシリコン基板2を載置する。RF電極3からRF電力を導入することでプラズマを発生させてイオンやラジカルを励起活性化して、RF電極3の上部に設置されたシリコン基板2の表面に作用させてエッチングする。このときプレート部材7の取付け位置は、基板2を載置する陰極電極3側と分離可能な陽極電極8側であれば、図3に示すように、チャンバ14の陰極側電極3と対向する壁面に取付けても構わないし、図4に示すように、チャンバ14内の側壁に取り付けても構わない。また、図5に示すように、プレート部材7を周辺部だけでなく中央部でも取付け部材9によって固定することにより、プレート部材7の自重によるたわみも回避できる。
【0030】
チャンバ壁8とプレート部材7は絶縁されていることが望ましい。これによってプレート部材7には電極としての効果がなくなり、プラズマの発生状態がチャンバ壁8へのプレート部材7の取付け方法および位置に左右されることがなくなる。チャンバ壁8とプレート部材7とを絶縁する方法としては、プレート部材7もしくは取付け部材9を絶縁材料で構成するか、プレート部材7とチャンバ壁8との間に絶縁材料を介在させればよい。
【0031】
エッチング装置がバッチ式の場合、陰極側電極3と陽極側電極8は平行平板構造であることが望ましい。これは基板2と対向電極8との間の距離の違いによってエッチングムラが発生することを回避するためである。
【0032】
さらに、図6に示すように、プレート部材7の陰極3側に突出壁13を設けることにより、エッチングマスクとなる残渣を基板2とプレート部材7との間に有効に閉じ込めることができ、凹凸の形成を促進できる。この効果は突出壁13をプレート部材7の周縁部に設けたときに特に有効である。
【0033】
また、図7に示すように、突出壁13は基板2を載置する面の陽極電極8側に設けることも可能である。この突出壁13はエッチング処理中にトレイ10もしくはプレート部材7と接触する位置に設けても構わないし、接触しない位置に設けても構わない。接触する位置に設ける場合には陰極電極3とチャンバ壁8が導通しないように介在するトレイ10、突出壁13、プレート部材7、または取付け部材9の少なくとも1つを絶縁材料で形成する必要がある。
【0034】
また、対向する電極3、8の少なくとも一方は互いに離間する方向へ可動することが望ましい。このようにすることにより、従来どおりプレート部材7を基板2から5〜30mm離れた位置に配置しても、基板2とトレイ10を搬送するときには電極3、8の間隔を離すことによってRF電極3とプレート部材7の間の間隔を確保することができ、基板2とトレイ10を搬送することが可能となる。
【0035】
図8は、陽極側8を固定し、陰極3側を動かすようにした例を示す図である。
【0036】
さらに、図9に示すように、チャンバ13内においてプレート部材7を上下方向に可動するようにすれば基板2とトレイ10をチャンバ13の側面側から搬送できるようになり、特に連続バッチ処理を行うエッチング装置の場合に有利である。
【0037】
プレート部材7の開口部11の対向する端面の角部は面取り加工することが望ましい。これにより開口部11での異常放電を回避できる。
【0038】
プレート部材7は金属材またはガラス系材質のどちらでもよい。プレート部材7の加工の容易さという面ではアルミニウムなどからなる金属部材が好ましいが、ステンレス系の材質などではシリコンエッチングに用いるガスに曝されると腐食するために不適である。
【0039】
プレート部材7とシリコン基板2との距離は、5〜30mmの間で保持してエッチングを行うことが望ましい。このようにすると、エッチングの際に生成するシリコン化合物をシリコン基板2とプレート部材7の間に閉じこめることができ、シリコンを主成分とする残渣がシリコン基板2上に容易に生成しやすくなり、残渣の形成が促進されると同時に、凹凸の形成を促進することができる。このプレート部材7とシリコン基板2の間隔が5mm以下ではプレート部材7の開口部11が凹凸を形成するときにシリコン基板2の表面に模様として転写されてムラとなる。また、30mm以上では残渣の形成が遅くなって凹凸の形成を促進する効果が少なくなってしまう。
【0040】
プレート部材7の開口部11のパターン形状は特に問わない。例えば円形状の開口を行列状に並べたパターンを用いることもできるし、ドット状の千鳥パターンを用いることもできる。また、スリットのようなパターンを形成することもできる。ただし、開口していない面積の大きい部分があると、その下部は開口部11の下部との凹凸2の形状の違いによってムラが発生する。プレート部材7の開口部11の全面積に対する比率もエッチングされる基板のエッチング状態に合わせて選択できる。
【0041】
上述した例ではエッチングされる基板としてバルク型シリコン太陽電池を例に説明したが、サブストレート型薄膜シリコン太陽電池、スーパーストレート型太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、化合物を用いた薄膜太陽電池等の基板に広く応用できる。また、多層(タンデム)型の薄膜太陽電池等の基板にも応用できる。さらにまた、太陽電池に制限されるものでもない。
【0042】
【発明の効果】
本発明の太陽電池の製造方法では、陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、陽極側に開口部が多数形成されたプレート部材を取り付けて、前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程を有するものにおいて、前記プレート部材の前記シリコン基板に対向する面上または前記陰極側電極上の前記シリコン基板を載置する面上に突出壁を設けて、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記プレート部材と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記凹凸を形成することから、特に、均一な凹凸を基板表面に高タクトで形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るエッチング装置の構造を示す図である。
【図2】本発明に係るエッチング装置の他の構造を示す図である。
【図3】本発明に係るエッチング装置の一構造例を示す図である。
【図4】本発明に係るエッチング装置の他の構造例を示す図である。
【図5】本発明に係るエッチング装置の他の構造例を示す図である。
【図6】本発明に係るエッチング装置の他の構造例を示す図である。
【図7】本発明に係るエッチング装置の他の構造例を示す図である。
【図8】本発明に係るエッチング装置の他の構造例を示す図である。
【図9】本発明に係るエッチング装置の他の構造例を示す図である。
【図10】従来のエッチング装置の構造例を示す図である。
【符号の説明】
1;マスフローコントローラ、2;シリコン基板、3;RF電極(陰極)、4;圧力調整器、5;真空ポンプ、6;RF電源、7;プレート部材、8;チャンバ壁(陽極)、9;取付け部材、10;トレイ、11;開口部、12;絶縁体、13;突出壁、14;チャンバ
Claims (7)
- 陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、陽極側に開口部が多数形成されたプレート部材を取り付けて、前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程、を有する太陽電池の製造方法において、
前記プレート部材の前記シリコン基板に対向する面上または前記陰極側電極上の前記シリコン基板を載置する面上に突出壁を設けて、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記プレート部材と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記凹凸を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記突出壁は、前記プレート部材の周縁部に設けられることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記陰極側電極と陽極側電極が平行平板構造となっていることを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記対向する電極の少なくとも一方が互いに離間する方向に可動であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
- 前記プレート部材が上下方向に可動であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
- 前記プレート部材の開口部の端面に面取り加工を施したことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
- 前記ドライエッチング方法が反応性イオンエッチング方法であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
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