JP5018688B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の反射防止膜を成膜する成膜装置及び成膜方法に関する。

太陽電池は、太陽光を効率よく吸収するために、通常、太陽電池の受光面を反射防止膜で被覆している。反射防止膜の形成方法の一つとして、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法によりシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。又、物理気相成長（ＰＶＤ）法、蒸着法、スピンオン法、スプレー法及びディップ法等によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）等の反射防止膜を形成する手法が知られている。

又、太陽電池には高い光電変換効率が要求されるが、シリコン基板にｐｎ接合を形成する場合、シリコン基板の表面には未結合手（ダングリングボンド）が存在する。ダングリングボンドが多く存在すると、受光したときに発生するキャリアがダングリングボンドに捕捉されて光電変換効率が低下する。この光電変換効率の低下を抑制するものとして、反射防止膜であるシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）中の水素（Ｈ₂）によりシリコン基板中のダングリングボンドを終端する「水素パッシベーション効果」が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

又、太陽電池の製造プロセスにおいて、反射防止膜の成膜速度の向上が要求されている。そこで、ホローカソード放電により生成した高密度プラズマを利用する場合には、通常の平行平板型プラズマＣＶＤ装置と比較して解離能力が高いので、成膜速度を向上することはできる。しかしながら、高密度プラズマを利用する場合、高いＨ₂パッシベーション効果を得ることが困難である。
特開２０００−２９９４８２号公報 特開２００３−２７３３８２号公報

本発明の目的は、太陽電池の反射防止膜の成膜において成膜速度を向上しつつ高い水素パッシベーション効果を得ることができる成膜装置及び成膜方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、（イ）チャンバと、（ロ）チャンバ内に配置され、シリコンを含む下地層が設けられた被処理体を保持するアノード電極と、（ハ）チャンバ内にアノード電極と対向して配置された筒状のホローカソード電極と、（ニ）ホローカソード電極に水素、窒素及びシリコンを含む材料ガスを供給するガス供給管と、（ホ）ホローカソード電極とアノード電極との間に低周波を印加し、ホローカソード放電によるプラズマを生成させる電源とを備え、プラズマで励起された材料ガスを下地層上に供給してシリコン窒化膜を成膜する成膜装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、（イ）チャンバ内に配置されたアノード電極に、シリコンを含む下地層が設けられた被処理体を載置するステップと、（ロ）チャンバ内にアノード電極と対向して配置された筒状のホローカソード電極に、水素、窒素及びシリコンを含む材料ガスを供給するステップと、（ハ）ホローカソード電極とアノード電極との間に低周波を印加し、ホローカソード放電によるプラズマを生成させるステップと、（ニ）プラズマで励起された材料ガスを下地層上に供給してシリコン窒化膜を成膜するステップとを含む成膜方法が提供される。

本発明によれば、太陽電池の反射防止膜の成膜において成膜速度を向上しつつ高い水素パッシベーション効果を得ることができる成膜装置及び成膜方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものである。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（成膜装置）
チャンバ１０１と、チャンバ１０１内に配置され、シリコン（Ｓｉ）を含む下地層が設けられた被処理体１００を保持するアノード電極１０６と、チャンバ内にアノード電極１０６と対向して配置された筒状のホローカソード電極１０２と、ホローカソード電極１０２に水素（Ｈ₂）、窒素（Ｎ）及びシリコン（Ｓｉ）を含む材料ガスを供給するガス供給管１０９と、ホローカソード電極１０２とアノード電極１０６との間に低周波を印加し、ホローカソード放電によるプラズマＰを生成させる電源１０５とを備え、プラズマＰで励起された材料ガスを下地層上に供給してシリコン窒化膜を成膜する。本発明の実施の形態において、「低周波」とは、４５０ｋＨｚ以下の交流信号と定義する。

被処理体１００としては、太陽電池のｐｎ接合を構成するシリコン（Ｓｉ）を含む半導体層が下地層として形成されたシリコン基板等が使用可能である。チャンバ１０１は、被処理体１００の表面（下地層）に成膜するための密閉容器である。

アノード電極１０６はプラズマＰを発生させるための電極であり、基板ステージの機能も兼ねている。アノード電極１０６は図示を省略した昇降機構により上下方向の移動と回転が可能であり、必要に応じて、被処理体１００の加熱や冷却等も可能なように構成されている。

ホローカソード電極１０２にはガス供給管１０９が接続されている。ガス供給管１０９は、窒素（Ｎ₂）ガス、アンモニア（ＮＨ₃）ガス及びシラン（ＳｉＨ₄）ガス等の材料ガスを供給する。本発明の実施の形態における「材料ガス」とは、成膜される膜の材料となるガスの他に、希ガスや反応性活性種となるガスを含むものを意味する。

ホローカソード電極１０２は、ガス供給管１０９から材料ガスが供給される筒状の中空部１１０と、アノード電極１０６側に設けられ、ホローカソード放電を発生させる凹部１０４と、凹部１０４に設けられ、中空部１１０と凹部１０４を貫通し、材料ガスを中空部１１０側から凹部１０４側へ放出する開口部１０３を有する。凹部１０４は、円筒形状、ストライプの溝部等の種々の形状が採用可能であり、ホローカソード放電を発生し得る形状であれば特に限定されない。

アノード電極１０６は接地電位とされ、ホローカソード電極１０２には電源１０５が接続されている。電源１０５は、反射防止膜としてのシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）の成膜時には、ホローカソード電極１０２とアノード電極１０６との間に低周波を印加する。チャンバ１０１の底部には、図示を省略した真空排気ポンプに接続される真空排気管１０８が設けられている。

（太陽電池の反射防止膜の成膜方法）
次に、本発明の実施の形態に係る太陽電池の反射防止膜の成膜方法の一例を、図１を用いて説明する。

まず、アノード電極１０６に被処理体１００を載置し、チャンバ１０１を密閉後、真空状態にする。ガス供給管１０９からホローカソード電極１０２内の中空部１１０へＳｉＨ₄ガスを３．０４×１０^-2Ｐａ・ｍ³／ｓ程度、ＮＨ₃ガスを３．３８×１０^-2Ｐａ・ｍ³／ｓ程度、Ｎ₂ガスを１．３５×１０^-1Ｐａ・ｍ³／ｓ程度で供給する。材料ガスは開口部１０３を介してチャンバ１０１内に供給される。そして、真空排気管１０８から排気を行いチャンバ１０１内の圧力を６６．６６Ｐａ程度に保持する。図示を省略したヒータにより加熱し、成膜温度を４５０℃程度とする。

電源１０５によりパワー７００Ｗ程度で、２５０ｋＨｚ程度の低周波をホローカソード電極１０２とアノード電極１０６との間に印加する。これにより負電位に保たれた凹部１０４においては電子が閉じ込められ電離・イオン化が促進されてホローカソード放電による高密度のプラズマＰが生成される。この高密度のプラズマＰのラジカルにより、開口部１０３を介して放出されたＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂を解離させ、被処理体１００のシリコンを含む下地層上に屈折率２．００〜２．２０程度、膜厚８０ｎｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）からなる反射防止膜を成膜する。

本発明の実施の形態においては、高密度のプラズマＰを用いて成膜を行うので、通常の平行平板型プラズマＣＶＤ装置と比して成膜速度を向上させることができる。更に、ホローカソード電極１０２とアノード電極１０６との間に低周波を印加することにより、イオン照射率を高めてＨ⁺イオンを被処理体１００の下地層に照射し、下地層に拡散させ、粒界パッシベーションを促進させることができる。よって成膜速度を向上しつつ、下地層において高い水素パッシベーション効果を得ることができる。なお、低周波は、５０〜４５０ｋＨｚの範囲であることが好ましい。５０ｋＨｚよりも小さいと放電が不安定であり、４５０ｋＨｚよりも大きいと水素パッシベーション効果が少なくなる。

（太陽電池）
次に、本発明の実施の形態に係る成膜装置を用いて反射防止膜が形成される太陽電池の一例を説明する。

本発明の実施の形態に係る太陽電池は、図２に示すように、ｐ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１１上に配置されたｎ型拡散層１２と、ｎ型拡散層１２上に配置された反射防止膜１４と、ｎ型拡散層１２上に配置された表面電極１５ａ，１５ｂと、ｐ型半導体層１１の裏面に配置されたｐ^＋型拡散層１３と、ｐ^＋型拡散層１３の裏面に配置された裏面電極１６ａ，１６ｂとを備える。表面電極１５ａ，１５ｂの表面には半田層１７ａ，１７ｂが配置され、裏面電極１６ａ，１６ｂの裏面には半田層１８ａ，１８ｂが配置されている。

ｐ型半導体層１１とｎ型拡散層１２によりｐｎ接合を構成している。反射防止膜１４としてはシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）が使用可能であり、本発明の実施の形態に係る成膜装置を用いて形成される。表面電極１５ａ，１５ｂ及び裏面電極１６ａ，１６ｂとしては銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）等が使用可能である。

（太陽電池の製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

（イ）ステップＳ１で、ｐ型シリコン基板を用意する。アルカリ水溶液によるエッチングや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等により表面処理を行い、ｐ型シリコン基板の表面に微細凹凸構造を形成する。これにより、ｐ型シリコン基板表面の光の反射を抑えることができる。

（ロ）ステップＳ２で、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ₃）を用いた気相拡散法、燐酸（Ｐ₂Ｏ₅）を用いた塗布拡散法、リン（Ｐ）イオンを直接拡散させるイオン注入法等により、リン（Ｐ）をｎ型ドーパントとしてｐ型シリコン基板の表面から拡散させ、ｎ型拡散層１２を形成する。ステップＳ３で、ｎ型ドーパントを拡散したｐ型シリコン基板の一方の面のｎ型拡散層をエッチング処理を行い除去する。

（ハ）ステップＳ４で、エッチングしたｐ型シリコン基板の表面にＡｌペーストを塗布し、熱処理することによって、エッチングしたｐ型シリコン基板の表面からアルミニウム（Ａｌ）等のｐ型ドーパントを拡散させ、ｐ^＋型拡散層１３を形成する。

（ニ）ステップＳ５で、図１に示した本発明の実施の形態に係る成膜装置を用いて、ホローカソード電極１０２とアノード電極１０６との間に２５０ｋＨｚ程度の低周波を印加しながら、ホローカソード放電による高密度のプラズマＰを生成し、ｎ型拡散層１２の表面にシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）を反射防止膜１４として成膜する。低周波を印加することにより、イオン照射率を高めてＨ⁺イオンをｎ型拡散層１２、ｐ型半導体層１１及びｐ^＋型拡散層１３に照射することにより、粒界パッシベーションを促進させることができる。

（ホ）ステップＳ６で、Ａｇ粉、バインダ、フリットからなるＡｇペーストをスクリーン印刷することにより、Ａｇペーストのパターニングを行う。Ａｇペーストは、太陽電池の効率を高めるために例えば櫛型パターンに形成される。ステップＳ７で、印刷されたＡｇペーストが焼成され、表面電極１５ａ，１５ｂ及び裏面電極１６ａ，１６ｂがそれぞれ形成される。ステップＳ８で、半田ディップ法により表面電極１５ａ，１５ｂの表面に半田層１７ａ，１７ｂを形成し、裏面電極１６ａ，１６ｂの裏面に半田層１８ａ，１８ｂを形成する。

本発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法によれば、反射防止膜の成膜プロセスにおいて成膜速度を向上しつつ、高いＨ₂パッシベーション効果を得ることができる。よって、太陽電池の製造工程全体としても生産性が向上し、高い光電変換効率の太陽電池を製造可能となる。

上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る成膜装置の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る太陽電池の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１１…ｐ型半導体層
１２…ｎ型拡散層
１３…ｉ型拡散層
１４…反射防止膜（シリコン窒化膜）
１５ａ，１５ｂ…表面電極
１６ａ，１６ｂ…裏面電極
１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ…半田層
１００…被処理体
１０１…チャンバ
１０２…ホローカソード電極
１０３…開口部
１０４…凹部
１０５…電源
１０６…アノード電極
１０８…真空排気管
１０９…ガス供給管
１１０…中空部

Claims (5)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に配置され、シリコンを含む下地層が設けられた被処理体を保持するアノード電極と、
   前記チャンバ内に前記アノード電極と対向して配置された筒状のホローカソード電極と、
   前記ホローカソード電極に水素、窒素及びシリコンを含む材料ガスを供給するガス供給管と、
   前記ホローカソード電極と前記アノード電極との間に低周波を印加し、ホローカソード放電によるプラズマを生成させる電源
   とを備え、前記プラズマで励起された前記材料ガスを、前記下地層上に供給してシリコン窒化膜を成膜することを特徴とする成膜装置。
2. 前記電源が、５０〜４５０ｋＨｚの低周波を前記ホローカソード電極と前記アノード電極との間に印加することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記ホローカソード電極が、
   前記材料ガスが供給される筒状の中空部と、
   前記アノード電極側に設けられた凹部と、
   前記中空部と前記凹部を貫通し、前記材料ガスを前記中空部側から前記凹部側へ放出する開口部
   とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 前記被処理体が、太陽電池のｐｎ接合を構成するシリコンを含む半導体層が前記下地層として形成された基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
5. チャンバ内に配置されたアノード電極に、シリコンを含む下地層が設けられた被処理体を載置するステップと、
   前記チャンバ内に前記アノード電極と対向して配置された筒状のホローカソード電極に、水素、窒素及びシリコンを含む材料ガスを供給するステップと、
   前記ホローカソード電極と前記アノード電極との間に低周波を印加し、ホローカソード放電によるプラズマを生成させるステップと、
   前記プラズマで励起された前記材料ガスを前記下地層上に供給してシリコン窒化膜を成膜するステップ
   とを含むことを特徴とする成膜方法。

Images