JP5058112B2

JP5058112B2 - エッチング装置

Info

Publication number: JP5058112B2
Application number: JP2008251195A
Authority: JP
Inventors: 剛司谷垣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-09-29
Also published as: JP2010087009A

Description

本発明はエッチング装置に関するものであり、特に太陽電池用結晶系シリコン基板の粗面化に用いるものである。

近年、エネルギー問題や地球温暖化などの環境問題の深刻化に伴い、光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する太陽電池素子を用いた太陽光発電が注目を集めている。

現在これらの太陽電池素子の多くは、その光電変換効率の高さやコスト、長期的な安定性などの観点から主として単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板等の半導体基板を用いて作製されている。

このような結晶系シリコン基板を用いた太陽電池素子では、その受光面に反射防止膜を形成することに加えて、当該受光面に微細な凹凸を形成して、太陽電池素子の受光面側の光の反射を低減することにより、太陽電池素子内部により多くの光を取り込み、その光電変換効率を向上させることが重要となっている。

上記凹凸の形成方法としては、太陽電池素子基板の表面に反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching、以下ＲＩＥと略する）法を利用するものがある（例えば、特許文献１参照）。

このＲＩＥ法で用いられるエッチング装置は、一般に平行平板電極型を成しており、基板を設置している電極の側にＲＦ電圧を印加し、他の一方の側及び内部の側壁をアースに接続してある。次いで、この容器内部を真空ポンプで真空引きし、真空引き完了後、エッチングガスを導入し、圧力を一定に保持しながら内部の被エッチング基板（シリコン基板）をエッチングしている。なお、この特許文献１に開示された方法では、シリコン基板の表面にエッチング残渣を付着させるために、シリコン基板を多数の開口部が形成されたプレート部材（蓋体）で覆ってエッチングを行っている。このプレート部材は、エッチング残渣がチャンバーに分散するのを低減し、該エッチング残渣をシリコン基板表面に付着させるために用いている。
特開２００３−１７７２５号公報

この特許文献１に開示されたエッチング装置では、エッチングガスが導入されるプレート部材の貫通孔の径が略一定であった。そのため、このエッチング装置では、当該貫通孔の直下の部位におけるシリコン基板の表面は効率良くエッチングガスで曝されるが、この直下の部位を除く部位におけるシリコン基板の表面にエッチングガスがいきわたりにくくなり、エッチングにムラが生じる可能性があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は被処理体をエッチング処理する際に生じるエッチングのムラを低減し、効率良く被処理体の表面をエッチング可能なエッチング装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、被処理体の表面をエッチングガスで粗面化するエッチング装置であって、前記被処理体を上面で支持する支持基板と、前記被処理体に臨む第１の面と該第１の面の裏面側にある第２の面とを有するとともに、前記第１の面と前記支持基板により、前記エッチングガスが注入されるエッチング処理部を構成する蓋体と、を備え、前記蓋体は、前記第１の面から前記第２の面に向かって連通するとともに、前記エッチングガスを外部より前記エッチング処理部に導く貫通孔部を有し、前記貫通孔部は、前記第１の面における開口面積が前記第２の面における開口面積よりも大きく、前記蓋体は、第１の面、第２の面、および前記貫通孔部の内壁面に第１のセラミック層が被覆されている特徴とする。

また、本発明において、前記貫通孔部の内壁面と前記第１の面との境界部が曲面状であることが好ましい。

また、本発明において、前記貫通孔部の内壁面と前記第２の面との境界部が曲面状であることが好ましい。

また、本発明において、前記蓋体は、金属から成る基材の表面に前記第１のセラミック層が被覆されていることが好ましい。

また、本発明において、前記支持基板の上面に第２のセラミック層が被覆されていることが好ましい。

また、本発明において、前記第１および第２のセラミック層は、アルミナおよびイットリアの少なくとも一方を含んでなることが好ましい。

また、本発明において、前記金属は、アルミニウムを含んでなることが好ましい。

本発明のエッチング装置によれば、蓋体の貫通孔部は、被処理体と対向する蓋体の第１の面における開口面積が第１の面の裏面側にある第２の面における開口面積よりも大きいため、貫通孔部より導入されるエッチングガスがエッチング処理部内で拡散しやすくなる。それゆえ、本発明によれば、エッチング処理部内におけるエッチングガスのムラを低減することができるため、被処理体の表面を効率良くエッチングによって粗面化することができる。

以下、本発明のエッチング装置に係る実施の形態を、添付図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明のエッチング装置の実施の形態の一例を示す模式図である。本実施の形態に係るエッチング装置Ｘは、圧力調整器１０と、真空ポンプ１１と、ＲＦ電源１２と、ＲＦ電極１３と、マスフローコントローラー１４と、チャンバー１５と、を備えている。

圧力調整器１０は、チャンバー１５の内部の圧力センサー（不図示）からの信号を受けてその内部の弁の開閉を調整して排気流量を制御することにより、チャンバー１５の内部の圧力を所定の圧力に維持するものである。

真空ポンプ１１は、チャンバー１５の内部を所定の圧力まで減圧するものであり、ローターポンプとメカニカルブースターポンプを組み合わせたものが好適に使用される。

ＲＦ電源１２は、ＲＦ電極１３に高周波電力を印加するものである。また、ＲＦ電極１３は、ＲＦ電源１２より印加された高周波電力を利用し、チャンバー１５内部のガスを励起し、プラズマ化するものである。

マスフローコントローラー１４は、チャンバー１５の内部に導入されるガスの流量を所定の値に制御するものである。

次に、エッチング装置Ｘの動作について説明する。まず、真空ポンプ１１により所定の圧力にまで減圧されたチャンバー１５の内部にマスフローコントローラー１４を介してエッチングガスを導入する。次いで、圧力調整器１０によりチャンバー１５の内部の圧力を所定の圧力に保ちながら、ＲＦ電源１２でもってＲＦ電極１３に電圧を印加し、該ＲＦ電極１３でプラズマを発生させてエッチングガス中のイオンやラジカルを励起活性化し、チャンバー１５内に配置された被処理体Ｙの表面に作用させてエッチングし、該表面を粗面化する。このエッチング処理は、エッチングガスとして、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）を２０ｓｃｃｍ、塩素（Ｃｌ₂）を５０ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ₂）を１０ｓｃｃｍ、ＳＦ₆を８０ｓｃｃｍ、さらにこれらに加えてＨ₂Ｏを１ｓｃｃｍ流しながら、反応圧力７Ｐａ、プラズマを発生させるＲＦパワーを５００Ｗ程度に設定し、３分間程度エッチングする。このようなエッチング処理により、被処理体Ｙの表面に凹凸構造が形成される。この被処理体Ｙとしては、例えば、シリコン基板、エポキシ樹脂などからなるプラスチック基板、ステンレスなどの金属基板、ガラス基板や酸化チタンなどの無機酸化物基板等が挙げられる。また、例えば、被処理体Ｙがシリコン基板の場合、このエッチング処理では、シリコンがエッチングされて気化するが、その一部は気化しきれずに分子同士が吸着してシリコン基板の表面に残渣として残る。そして、この残渣は、エッチングのマイクロマスクとして作用するため、残渣が付着している部位は該残渣が付着していない部位に比べてエッチングされにくくなる。その結果、このようなエッチング処理では、シリコン基板の表面に形成される凹凸が大きくなる。言い換えれば、より表面を粗くし、効率良く粗面化することが可能となる。

次に、エッチング装置Ｘのチャンバー１５内の構造について詳細に説明する。チャンバー１５内には、ＲＦ電極１３、支持基板１６、蓋体１７、枠体１８および被処理体Ｙが収容されている。被処理体Ｙは、支持基板１６の上面に配置されており、該支持基板１６と蓋体１７とによって構成されたエッチング処理部１９内に収納されている。

支持基板１６は、その上面でエッチング処理される被処理体Ｙを支持するためのものであり、例えば平板状を成している。また、この支持基板１６は、プラズマに曝されるため、耐食性を向上させるという観点から、ガラス、石英、またはアルミナなどのセラミック等の材料で構成するのが望ましい。

蓋体１７は、支持基板１６と協同して構成するエッチング処理部１９内に、被処理体Ｙをエッチングした際に生じた残渣を閉じ込める機能を有している。この蓋体１７は、図３に示すように、例えば平板状を成し、被処理体Ｙに臨む側に第１の面１７ａ、該第１の面１７ａの裏面側に第２の面１７ｂを有する。

蓋体１７の材質は、上述したエッチングガスに対する耐食性を考慮すると、金属であるアルミニウム、ガラス、セラミックス等が好ましい。また、蓋体１７には、後述するように様々な加工を施すため、加工性に優れているという観点では、アルミニウムが好適である。また、蓋体１７は、第１の面１７ａと被処理体Ｙのエッチング処理される面との距離が５〜３０ｍｍ程度の間隔を保持できる高さを有する枠体１８上に配置されている。このように、エッチング処理部１９の高さを５〜３０ｍｍ程度とすれば、被処理体Ｙがシリコン基板であれば、エッチング時に生成するシリコン化合物がエッチング処理部１９内に閉じこめられやすくなり、シリコンを主成分とする残渣がシリコン基板上に容易に生成しやすくなる。その結果、このような形態によれば、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。

この凹凸は、例えば、円錐形もしくはそれが連なったような形状を呈し、ＲＩＥ法により各ガスの分圧もしくはエッチング時間を制御することにより、その大きさを変化させることができる。この微細な凹凸の幅と高さはそれぞれ２μｍ以下に形成される。なお、凹凸を被処理体Ｙの必要な部分の全面にわたって均一且つ正確に制御性を持たせて形成するためには、１μｍ以下が好適である。この微細な凹凸のアスペクト比（凹凸の高さ／幅）は、凹凸形状の破損を低減するという観点から、２以下であることが望ましい。

また、蓋体１７は、第１の面１７ａから第２の面１７ｂに向かって連通する貫通孔部１７ｃを有している。この貫通孔部１７ｃは、マスフローコントローラー１４からチャンバー１５内に導入されたエッチングガスをエッチング処理部１９内に導くものである。この貫通孔部１７ｃの第２の面１７ｂに対する開口率は、必要なエッチングガスをエッチング処理部１９内に供給するとともに、該エッチング処理部１９内でエッチングによって発生した残渣を効率良く閉じ込めるという観点から、５〜４０％にするのが望ましい。

そして、この蓋体１７の貫通孔部１７ｃは、図２に示すように、第１の面１７ａにおける開口面積が第２の面１７ｂにおける開口面積よりも大きい。即ち、本実施の形態において、貫通孔部１７ｃは、その径が第２の面１７ｂ側に比し、第１の面１７ａ側が大きい。このように、本実施の形態では、貫通孔部１７ｃの第１の面１７ａにおける開口面積を第２の面１７ｂにおける開口面積より大きくすることにより、貫通孔部１７ｃより導入されるエッチングガスがエッチング処理部１９内で拡散しやすくなる。それゆえ、本実施の形態では、エッチング処理部１９内におけるエッチングガスのムラを低減することができるため、被処理体Ｙの表面を効率良くエッチングによって粗面化することができる。なお、本実施の形態において、貫通孔部１７ｃは、外形が円形状を成しているが、角柱形状等であってもよい。つまり、貫通孔部１７ｃは、エッチング処理部１９内にエッチングガスが拡散しやすいように、開口面積が大きくなっていればよい。この蓋体１７の第１の面１７ａの開口径をｔ１、第２の面１７ｂの開口径ｔ２とした場合、上述したエッチングガスの拡散効果および蓋体１７の機械的強度を維持するという観点から、ｔ１は、ｔ２に比べて１．０５以上１．２５以下であることが望ましい。また、本実施の形態において、貫通孔部１７ｃの形状は、第２の面１７ｂ側から第１の面１７ａ側に向かって漸次、径が大きくなるテーパー状を成しているが、本発明ではこのような形態に限定されることなく、例えば、貫通孔部１７の径の大きさが段階的に変化するような形態であってもよい。また、貫通孔部１７ｃの形状は、上述した開口面積の大小関係を満たしていれば、特に限定されるものではない。例えば、図３に示すようなスリット状でも良いし、円柱状や角柱状でも良いし、さらにそれらを組み合わせたものでも構わない。また、貫通孔部１７ｃの形成方法としては、例えば、蓋体がアルミニウムなどの金属で構成されていれば、機械加工で形成することができる。また、貫通孔部１７ｃの開口径を第１の面１７ａと第２の面１７ｂとで異ならせるためには、例えば、大きさの異なる切削工具を使用して両側から加工すればよい。また、蓋体がガラスやセラミックで構成されていれば、貫通孔部１７ｃを形成する部分以外のところに樹脂のマスクをしてブラスト加工をする方法や研磨、機械加工などの方法で形成可能である。なお、ブラスト加工で行う場合、貫通孔部１７ｃの開口径を第１の面１７ａと第２の面１７ｂとで異ならせるためには、両側で開口部の寸法の異なるマスクを使用し、両側からブラスト加工すればよい。

また、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、蓋体１７の第１の面１７ａ、第２の面１７ｂ、および貫通孔部１７ｃの内壁面にセラミック層（第１のセラミック層２０）を被覆することが好ましい。このようなセラミック層で蓋体１７を被覆すれば、蓋体１７のエッチングガスによる侵食を低減することができる。そのため、例えば、蓋体１７を金属（アルミニウム）で構成したとしても、アルミニウムの劣化およびアルミニウムに不純物として含まれる鉄やクロム、亜鉛、ニッケルなどが被処理体Ｙに付着またはドーピングされるのを低減することができる。この第１のセラミック層２０としては、例えば、溶射によって形成した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層またはイットリア層（Ｙ_２Ｏ_３）、陽極酸化処理によって形成したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層等が挙げられる。特に、エッチングガスに対する耐食性という観点から、第１のセラミック層２０は、アルミナまたはイットリアで形成するのが好ましい。また、第１のセラミック層２０の厚みは、例えば、第１のセラミック層２０がアルミナの場合、蓋体１７の基材（アルミニウム）との接着強度および熱膨張係数差を考慮すると、２０μｍ以上、２００μｍ以下であることが望ましい。また、本実施の形態では、支持基板１６のエッチングガスに曝される上面もセラミック層（第２のセラミック層）で被覆してもよい。なお、第２のセラミック層は、上述した第１のセラミック層２０と同等のものを使用すればよい。また、このようなセラミック層は、貫通孔部がストレート型のものであったとしても、耐食性を高めるという観点では好適である。

また、本実施の形態では、図４（ｂ）に示すように、貫通孔部１７ｃの内壁面と第１の面１７ａとの境界部１７ａ’が曲面状であることが好ましい。言い換えれば、貫通孔部１７ｃの内壁面と第１の面１７ａとが曲面部を介して連結されている。このような形態によれば、境界部が尖っている形状に比べ、よりエッチングガスをエッチング処理部１９内に拡散する効果を向上させることができる。その結果、このような形態であれば、プラズマ放電の集中を緩和することができるため、より均一なエッチングが可能となる。さらに、本実施の形態では、貫通孔部１７ｃの内壁面と第２の面１７ｂとの境界部１７ｂ’を曲面状、言い換えれば、貫通孔部１７ｃの内壁面と第２の面１７ｂとが曲面部を介して連結していれば、エッチングガスの流れがスムーズになって、エッチングガスが拡散しやすくなり、プラズマ放電の集中の緩和の効果をより高めることができる。

このように、本発明のエッチング装置では、エッチング処理部内におけるエッチングガスのムラを低減することができるため、例えば、太陽電池素子となるシリコン基板の表面（受光面）を効率良く、かつ略均一に粗面化することができる。その結果、シリコン基板の表面（受光面）において、光の反射が生じにくい太陽電池素子を作製することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るエッチング装置を示す模式図である。本発明の実施の形態に係るエッチング装置のチャンバーの部分拡大断面図である。本発明の実施の形態に係るエッチング装置の蓋体を示す斜視図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るエッチング装置の蓋体の他の例を示す断面図である。

符号の説明

Ｘ；エッチング装置
Ｙ；被処理体
１０；圧力調整器
１１；真空ポンプ
１２；ＲＦ電源
１３；ＲＦ電極
１４；マスフローコントローラー
１５；チャンバー
１６；支持基板
１７；蓋体
１７ａ；第１の面
１７ｂ；第２の面
１７ｃ；貫通孔部
１７ａ’、１７ｂ’；境界部
１８；枠体
１９；エッチング処理部
２０；セラミック層（第１のセラミック層）

Claims

被処理体の表面をエッチングガスで粗面化するエッチング装置であって、
前記被処理体を上面で支持する支持基板と、
前記被処理体に臨む第１の面と該第１の面の裏面側にある第２の面とを有するとともに、前記第１の面と前記支持基板により、前記エッチングガスが注入されるエッチング処理部を構成する蓋体と、を備え、
前記蓋体は、前記第１の面から前記第２の面に向かって連通するとともに、前記エッチングガスを外部より前記エッチング処理部に導く貫通孔部を有し、
前記貫通孔部は、前記第１の面における開口面積が前記第２の面における開口面積よりも大きく、
前記蓋体は、第１の面、第２の面、および前記貫通孔部の内壁面に第１のセラミック層が被覆されていることを特徴とするエッチング装置。
前記貫通孔部の内壁面と前記第１の面との境界部が曲面状であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング装置。
前記貫通孔部の内壁面と前記第２の面との境界部が曲面状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエッチング装置。
前記蓋体は、金属から成る基材の表面に前記第１のセラミック層が被覆されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエッチング装置。
前記支持基板の上面に第２のセラミック層が被覆されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエッチング装置。
前記第１および第２のセラミック層は、アルミナおよびイットリアの少なくとも一方を含んでなることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のエッチング装置。
前記金属は、アルミニウムを含んでなることを特徴とする請求項４に記載のエッチング装置。