JP4587988B2 - Method for manufacturing solar cell element - Google Patents
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Description
本発明は半導体基板の粗面化法に関し、特に半導体基板の表面を反応性イオンエッチング法で粗面化する半導体基板の粗面化法に関する。 The present invention relates to a method for roughening a semiconductor substrate, and more particularly to a method for roughening a semiconductor substrate in which a surface of the semiconductor substrate is roughened by a reactive ion etching method.
シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合に、基板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、表面に微細な凹凸が形成され、基板表面での反射をある程度低減させることができる。 When a solar cell element is formed using a silicon substrate, if the substrate surface is etched with an alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide, fine irregularities are formed on the surface, and reflection on the substrate surface can be reduced to some extent.
面方位が(100)面の単結晶シリコン基板を用いた場合は、このような方法でテクスチャー構造と呼ばれるピラミッド構造を基板表面に均一に形成することができるものの、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、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、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。 When a single crystal silicon substrate having a (100) plane orientation is used, a pyramid structure called a texture structure can be uniformly formed on the substrate surface by such a method, but a solar cell element using a polycrystalline silicon substrate. In the case of forming the film, the etching with the alkaline aqueous solution depends on the crystal plane orientation, so that the pyramid structure cannot be formed uniformly, and the overall reflectance cannot be effectively reduced.
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基板で形成する場合に、基板表面に微細な突起を反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching : RIE)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)。 In order to solve such problems, it has been proposed that when a solar cell element is formed of a polycrystalline silicon substrate, a fine protrusion is formed on the surface of the substrate by a reactive ion etching (RIE) method. (See, for example, Japanese Patent Publication No. 60-27195, Japanese Patent Laid-Open No. 5-75152, and Japanese Patent Laid-Open No. 9-102625).
この方法によると、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ることなく、微細な突起を均一に形成することができ、特に多結晶シリコンを用いた太陽電池素子においては、反射率をより効果的に低減することができるようになる。 According to this method, fine protrusions can be formed uniformly without being influenced by the plane orientation of the irregular crystal in the polycrystalline silicon. Especially in the solar cell element using polycrystalline silicon, the reflectance Can be reduced more effectively.
また、結晶系のシリコン太陽電池は通常インゴットをスライスしたウェハを用いて形成される。このときウェハの表面にはスライスによるダメージがあるため、表面接合(不純物拡散領域)を形成する前に、このダメージ層を除去する必要がある。この深さは通常10〜15μm程度であるが、RIE法で粗面状にするとしても、その凹凸の深さは高々数μmであり、ダメージ層除去のためには足りない。そのため、RIE法で粗面状にする前にほとんどのダメージ層を除去しておく必要がある。このようなダメージ層除去のために、通常はフッ硝酸や水酸化ナトリウム水溶液を用いる。 A crystalline silicon solar cell is usually formed using a wafer obtained by slicing an ingot. At this time, since the surface of the wafer is damaged by slicing, it is necessary to remove the damaged layer before forming the surface junction (impurity diffusion region). This depth is usually about 10 to 15 μm, but even if the surface is roughened by the RIE method, the depth of the unevenness is at most several μm, which is insufficient for removing the damaged layer. Therefore, it is necessary to remove most of the damaged layer before making the surface rough by the RIE method. In order to remove such a damaged layer, hydrofluoric acid or sodium hydroxide aqueous solution is usually used.
ところが、これらの液を用いて、水洗・乾燥してその後にRIE法で粗面状にすると、凹凸の形成時にムラができるという問題があった。特に、ムラの部分は凹凸の間に隙間が多く、充分な凹凸が形成できていないため、太陽電池の表面反射率の増加につながり、太陽電池特性を低下させる要因となる。 However, when these liquids are used for washing and drying and then roughening by RIE, there is a problem that unevenness is formed when the irregularities are formed. In particular, in the uneven portion, there are many gaps between the irregularities, and sufficient irregularities cannot be formed, leading to an increase in the surface reflectance of the solar cell, which causes a decrease in solar cell characteristics.
また、凹凸をウェハ全面に形成すると、表面全体が暗くなることから、ムラが目立ちやすく、製品にしたときの美観を著しく損ねる。 Further, when unevenness is formed on the entire surface of the wafer, the entire surface becomes dark, so that unevenness is easily noticeable, and the aesthetic appearance when made into a product is significantly impaired.
このムラはRIEの面内均一性に起因するものではなく、RIE前の洗浄ムラおよび乾燥ムラに起因している。つまり、洗浄ムラや乾燥ムラで基板表面にわずかな酸化膜などが部分的に存在すると、RIEによる凹凸形成に影響し、結果的に全体からみてムラとなるのである。 This unevenness is not caused by RIE in-plane uniformity, but is caused by cleaning unevenness and drying unevenness before RIE. That is, if a slight oxide film or the like is partially present on the substrate surface due to uneven cleaning or dry unevenness, it affects the formation of irregularities by RIE, resulting in unevenness as a whole.
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、半導体基板の一主面側にRIE工程でムラができるという従来方法の問題点を解消した半導体基板の粗面化法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and has a roughened semiconductor substrate that solves the problem of the conventional method that the RIE process can cause unevenness on one main surface side of the semiconductor substrate. The purpose is to provide the law.
上記目的を達成するために、本発明の太陽電池素子の製造法では、結晶シリコン基板の表面を粗面状にする工程を含む太陽電池素子の製造方法において、前記結晶シリコン基板の表面の酸化層を、フッ素化合物ガスを用いて反応性イオンエッチング法で除去した後に、前記結晶シリコン基板の表面をフッ素化合物ガス、塩素ガス、および酸素ガスを用いて反応性イオンエッチング法で粗面状にする。 To achieve the above object, the manufacturing method of the solar cell element of the present invention, in the manufacturing method of the solar battery cell including the step of the surface of the crystalline silicon substrate on rough surface, the oxide layer on the surface of the crystalline silicon substrate Is removed by a reactive ion etching method using a fluorine compound gas, and then the surface of the crystalline silicon substrate is roughened by a reactive ion etching method using a fluorine compound gas, a chlorine gas, and an oxygen gas .
本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、結晶シリコン基板の表面の酸化層を、フッ素化合物ガスを用いて反応性イオンエッチング法で除去した後に、前記結晶シリコン基板の表面をフッ素化合物ガス、塩素ガス、および酸素ガスを用いて反応性イオンエッチング法で粗面状にすることから、凹凸をシリコンウェハの表面側の全面にわたってムラなく均一に形成できる。もって、基板表面での反射率が低減して特性を向上させることができると共に、美観も向上させることができる。 According to the method for producing a solar cell element of the present invention, after removing the oxide layer on the surface of the crystalline silicon substrate by a reactive ion etching method using a fluorine compound gas, the surface of the crystalline silicon substrate is subjected to a fluorine compound gas, Since the surface is roughened by a reactive ion etching method using chlorine gas and oxygen gas, the unevenness can be uniformly formed over the entire surface of the silicon wafer. Accordingly, the reflectance on the substrate surface can be reduced to improve the characteristics, and the aesthetics can be improved.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、太陽電池素子の形成方法を例にした半導体基板の粗面化法を示す工程図、図2は断面図であり、1は半導体基板、2は反射防止膜、3は表面電極、4は裏面電極である。 FIG. 1 is a process diagram showing a method of roughening a semiconductor substrate, taking a method for forming a solar cell element as an example, FIG. 2 is a sectional view, 1 is a semiconductor substrate, 2 is an antireflection film, 3 is a surface electrode, 4 is a back electrode.
まず、一導電型半導体不純物を含有するシリコンなどから成る半導体基板1を用意する。
First, a
このシリコンなどから成る半導体基板1は、インゴットから所定寸法に切り出されたものである(図2(a)参照)。このシリコン基板1は、単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板などから成る。このシリコン基板1は、一導電型半導体不純物を1×1016atoms/cm3 程度含有し、比抵抗1.5Ωcm程度の基板である。このシリコン基板1は、p型、n型のいずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりも極めて有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを300μm程度の厚みにスライスして、10cm×10cmもしくは15cm×15cm程度の大きさに切断してシリコン基板となる。
The
次に、このシリコン基板1の表面部のスライスダメージを除去するために、フッ硝酸や水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して、15μm程度エッチングする。フッ硝酸としては、HNO3 :HF=7:1の水溶液を用いることができ、水酸化ナトリウムとしては15%程度の水溶液を用いることができる。
Next, in order to remove the slice damage on the surface portion of the
次に、水洗し、10%程度のHF水溶液に数秒浸し、表面の酸化膜を除去し、水洗後、さらに0.3wt%NaOH水溶液中に数秒浸し、ステン膜(シリコンのアモルファス膜)を除去してもよい。HF処理で付着することがあるためである。このHF、NaOHの工程を表面が水を完全にはじくようになるまで数回繰り返す。 Next, it is washed with water and immersed in a 10% HF aqueous solution for several seconds to remove the oxide film on the surface. After washing with water, it is further immersed in a 0.3 wt% NaOH aqueous solution for several seconds to remove the stainless film (silicon amorphous film). May be. It is because it may adhere by HF processing. This HF and NaOH process is repeated several times until the surface completely repels water.
次に、水洗後、硝酸、硫酸などの酸化力のある液に数分入れ、基板表面に一様に酸化膜を形成する。この酸化膜は、RIE工程でムラなく凹凸を形成すためには、数nm以下が好ましい。このように、基板表面に酸化膜を形成してRIEを行うと、酸化膜が均一にエッチングされて凹凸形成が全面にわたって同時に開始されるため、ムラなく凹凸を形成できる。 Next, after washing with water, it is put into a liquid having oxidizing power such as nitric acid and sulfuric acid for several minutes to form an oxide film uniformly on the substrate surface. This oxide film is preferably several nm or less in order to form unevenness in the RIE process without unevenness. In this way, when an oxide film is formed on the surface of the substrate and RIE is performed, the oxide film is uniformly etched and formation of unevenness is started simultaneously over the entire surface, so that unevenness can be formed without unevenness.
次に、RIE法で微細な突起1cを多数形成する。すなわち、チャンバー内に何らかの方法でプラズマを作り、平板状の基板ホルダの上にウェハを乗せ、これに高周波あるいは直流電圧を印加する。プラズマ中に発生したイオンは、電界により基板に入射しエッチングをラジカルとともに行うものである。本発明では、例えば三フッ化メタン(CHF3 )を5〜20sccm程度、塩素(Cl2 )を50〜100sccm程度、酸素(O2 )を5〜15sccm程度、および六フッ化硫黄(SF6 )を50〜80sccm程度流しながら、反応圧力50mTorr程度、プラズマをかけるRFパワー300〜500W程度で、10秒〜15分間程度行う。すると、幅と高さがそれぞれ2μm以下の微細な突起1cが多数形成される。この突起1cの幅と高さが2μm以上になると、エッチングの処理時間が長くなる。この微細な突起1cをシリコン基板1の表面側の全面にわたって均一且つ正確に制御性をもたせて形成するために、1μm以下が好適である。また、この微細な突起は極めて微小なものでも反射低減の効果はあるが、面内に均一かつ正確に形成するためには、製造工程上1nm以上であることが望まれる。
Next, many
次に、シリコン基板1の表面部に逆導電型半導体不純物を気相拡散法、塗布拡散法、或いはイオン打ち込み法などで拡散して逆導電型半導体不純物を含有する層1aを形成すると共に、この層1aが基板1の表面側のみに残るように、他の部分をエッチングする(同図(c)参照)。
Next, a layer 1a containing the reverse conductivity type semiconductor impurity is formed on the surface portion of the
シリコン基板1の表面側には、逆導電型半導体不純物が拡散された層1aが形成されている。この逆導電型半導体不純物が拡散された層1aは、シリコン基板1内に半導体接合部を形成するために設けるものであり、例えばn型の不純物を拡散させる場合、POCl3 を用いた気相拡散法、P2 O5 用いた塗布拡散法、およびP+ イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成される。この逆導電型半導体不純物を含有する層は、0.1〜0.5μm程度の深さに形成される。
On the surface side of the
次に、シリコン基板1の裏面側に例えばアルミニウム(Al)などを主成分とする金属ペーストを塗布して焼き付けることにより、シリコン基板1の裏面側に一導電型半導体不純物を多量に拡散させた層1bを形成する(同図(d)参照)。
Next, a layer in which one conductivity type semiconductor impurity is diffused in a large amount on the back surface side of the
シリコン基板1の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層1bを形成することが望ましい。この一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層1bは、シリコン基板1の裏面近くでキャリアの再結合による効率の低下を防ぐために、シリコン基板1の裏面側に内部電界を形成するものである。つまり、シリコン基板の裏面近くで発生したキャリアがこの電界によって加速される結果、電力が有効に取り出されることとなり、特に長波長の光感度が増大すると共に、高温における太陽電池特性の低下を軽減できる。このように、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層1bが形成されたシリコン基板1の裏面側のシート抵抗は、15Ω/□程度になる。
On the back side of the
次に、シリコン基板1の表面側に例えば窒化シリコン膜などから成る反射防止膜2をプラズマCVD法などで厚み500〜2000Å程度の厚みに形成する(同図(e)参照)。
Next, an antireflection film 2 made of, for example, a silicon nitride film or the like is formed on the surface side of the
この反射防止膜2は、シリコン基板1の表面で光が反射するのを防止して、シリコン基板1内に光を有効に取り込むために設ける。この反射防止膜は、シリコン基板1との屈折率差などを考慮して、屈折率が2程度の材料で構成され、厚み500〜2000Å程度の窒化シリコン(SiNx )膜や酸化シリコン(SiO2 )膜などで構成される。
The antireflection film 2 is provided in order to prevent light from being reflected from the surface of the
最後に、シリコン基板1の表裏両面に銀(Ag)を焼き付けたりスパッタリングして、銅(Cu)をメッキし、フィンガー電極3とバスバー電極4を形成して完成する(同図(f)参照)。
Finally, silver (Ag) is baked or sputtered on both the front and back surfaces of the
シリコン基板1の表面側に、表面電極3が形成されている。この表面電極3は、銀(Ag)と銅(Cu)の二層構造のものなどから成る。この表面電極3は、例えば幅80μm程度に、またピッチ1.6mm程度に形成される多数のフィンガー電極と、この多数のフィンガー電極を相互に接続する2本のバスバー電極で構成される。この表面電極3の表面部には、複数の太陽電池素子同志をリード線で接続するための半田層などが被着形成される。
A
シリコン基板1の裏面側には、裏面電極4が形成されている。この裏面電極4も、銀(Ag)と銅(Cu)の二層構造のものなどから成り、さらに半田層が被着形成される。
A
次に、請求項1に係る太陽電池素子の製造方法の実施形態を図3に基づいて説明する。
It will now be described with reference to embodiments of a method for manufacturing a solar cell element according to
この半導体基板の粗面化法では、半導体基板の表面領域を反応性イオンエッチング法で除去した後に、この半導体基板の表面を反応性イオンエッチング法で粗面状にする。この場合、半導体基板の表面領域をSF6 、CF4 などフッ素化合物ガスを用いて除去した後、フッ化メタンガスとフッ化硫黄ガスなどのフッ素化合物ガス、塩素ガス、および酸素ガスを用いて粗面状にする。 In this method of roughening a semiconductor substrate, the surface region of the semiconductor substrate is removed by a reactive ion etching method, and then the surface of the semiconductor substrate is roughened by a reactive ion etching method. In this case, after removing the surface region of the semiconductor substrate using a fluorine compound gas such as SF 6 or CF 4 , a rough surface using a fluorine compound gas such as fluorinated methane gas and sulfur fluoride gas, chlorine gas, and oxygen gas is used. Shape.
つまり、RIE処理前のスライスダメージをエッチングで除去し、水洗、乾燥した後、RIEのチャンバ内で粗面状にする前に、同じチャンバ内で半導体基板の表面領域をフッ素化合物ガスを用いて除去する。 In other words, the slice damage before the RIE process is removed by etching, washed and dried, and then the surface area of the semiconductor substrate is removed using a fluorine compound gas in the same chamber before the surface is roughened in the RIE chamber. To do.
15cm×15cm角多結晶シリコン基板のスライスダメージを除去するために混酸(HNO3 :HF=7:1、30℃)中で片面15μm程度エッチングした。水洗後、10%HF水溶液中に数秒浸し、表面の酸化膜を除去した。水洗、乾燥した後、真空チャンバ内に入れ、RIE法により表面層をエッチングした。このときの条件はSF6 =60sccm、反応圧力50mTorr、RFパワー300W、1分である。次に、三フッ化メタン(CHF3 )を10sccm、塩素(Cl2 )を75sccm、酸素(O2 )を10sccm、および六フッ化硫黄(SF6 )を70sccm流しながら、反応圧力50mTorr、RFパワー300Wで、10分間エッチングを行って粗面状にした。その結果、ムラがなく均一な凹凸ができた。
In order to remove the slice damage of the 15 cm × 15 cm square polycrystalline silicon substrate, etching was performed on a single side of about 15 μm in a mixed acid (HNO 3 : HF = 7: 1, 30 ° C.). After washing with water, it was immersed in a 10% HF aqueous solution for several seconds to remove the oxide film on the surface. After washing with water and drying, it was placed in a vacuum chamber and the surface layer was etched by RIE. The conditions at this time are SF 6 = 60 sccm, reaction pressure 50 mTorr,
15cm×15cm角多結晶シリコン基板のスライスダメージを除去するために15%NaOH水溶液、85℃中で片面15μm程度エッチングした。水洗後、10%HF水溶液中に数秒浸し、表面の酸化膜を除去した。水洗、乾燥した後、真空チャンバ内に入れ、RIE法により表面層をエッチングした。このときの条件はSF6 =60sccm、反応圧力50mTorr、RFパワー300W、1分である。次に、三フッ化メタン(CHF3 )を10sccm、塩素(Cl2)を75sccm、酸素(O2 )を10sccm、および六フッ化硫黄(SF6)を70sccm流しながら、反応圧力50mTorr、RFパワー300Wで、10分間エッチングを行って粗面状にした。その結果、ムラがなく均一な凹凸ができた。
In order to remove the slice damage of the 15 cm × 15 cm square polycrystalline silicon substrate, etching was performed at about 15 μm on one side in a 15% NaOH aqueous solution at 85 ° C. After washing with water, it was immersed in a 10% HF aqueous solution for several seconds to remove the oxide film on the surface. After washing with water and drying, it was placed in a vacuum chamber and the surface layer was etched by RIE. The conditions at this time are SF 6 = 60 sccm, reaction pressure 50 mTorr,
1‥‥‥半導体基板、2‥‥‥反射防止膜、3‥‥‥表面電極、4‥‥‥裏面電極 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Antireflection film, 3 ... Front electrode, 4 ... Back electrode
Claims (1)
前記結晶シリコン基板の表面の酸化層を、フッ素化合物ガスを用いて反応性イオンエッチング法で除去した後に、前記結晶シリコン基板の表面をフッ素化合物ガス、塩素ガス、および酸素ガスを用いて反応性イオンエッチング法で粗面状にすることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 The method of manufacturing a solar cell element comprising the step of the surface of the crystalline silicon substrate to rough surface,
The oxide layer on the surface of the crystalline silicon substrate, after removing by reactive ion etching using a fluorine compound gas, the surface of the fluorine compound gas of the crystalline silicon substrate, chlorine gas, and reactive ion with oxygen gas A method for producing a solar cell element, wherein the surface is roughened by an etching method.
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