JP5232798B2 - 基板処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、基板の表面に微細な凹凸構造を形成するための基板処理方法、及びこの方法によって処理された基板に関する。
近年、太陽電池デバイスの開発が盛んに進められている。太陽電池は、光電変換層を有している。この光電変換層に光を効率よく取り込むことが、デバイスの高性能化に不可欠である。中でも、デバイスの光入射面に微細な凹凸構造を形成して、界面における光の反射を極力低減させることが知られている（例えば特許文献１，２参照）。
基板の表面に微細な凹凸構造を形成する方法として、特許文献１には、インクジェット方式で基板表面にレジスト材をパターン描画した後、当該レジスト材をマスクとして基板をエッチングする方法が開示されている。また、特許文献２には、基板の表面に散布したシリカ微粒子をマスクとして基板をエッチングした後、残留する微粒子を除去する方法が開示されている。
しかしながら、エッチングマスクにレジスト材やシリカ微粒子を用いる従来の基板処理方法においては、エッチング工程の後、基板表面に残留するマスクを除去する工程が必要である。このため、基板処理に必要な工程数の大幅な削減が図れず、生産性の向上が図れないという問題がある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、工程数を少なくして基板表面へ凹凸構造を形成することができる基板処理方法を提供することにある。
本発明の一形態に係る基板処理方法は、基板の表面に粒子を散布し、前記粒子をマスクとして前記基板の表面をエッチングして前記基板の表面に凹凸構造を形成すると同時に、前記マスクを前記エッチングによって除去する。
本発明の一実施形態に係る基板処理方法は、基板の表面に粒子を散布し、前記粒子をマスクとして前記基板の表面をエッチングして前記基板の表面に凹凸構造を形成すると同時に、前記マスクを前記エッチングによって除去する。
この方法によれば、凹凸構造の形成後、基板表面からマスクを除去する工程が不要となる。したがって、基板表面への凹凸構造の形成に必要な工程数が大幅に削減されるので、生産性の大きな向上を図ることが可能となる。
基板表面への粒子の散布方法は、ドライ散布法、ウェット散布法のいずれの方式も適用可能である。ドライ散布法とは、圧縮ガスとともに基板上に粒子を吹き付ける方式をいう。ウェット散布法とは、粒子を含有した溶剤をスピンコータ、ディスペンサ、インクジェットノズル等を用いて基板上に塗布する方式をいう。
基板の表面に散布される粒子の形状、大きさ、構成材料等は特に限定されず、基板上に形成されるべき凹凸構造の形態に応じて適宜選定される。本発明において、当該粒子は、基板のエッチングの際に基板材料と同時にエッチングされることが可能な材料であれば特に限定されず、例えばポリスチレンやジベニルベンゼン共重合体などの有機物材料を用いることができる。エッチングはドライエッチング（プラズマエッチング）で行われるが、ウェットエッチングで行ってもよい。
粒子の粒子径は小さいほど、微細な凹凸構造を形成することができる。粒子径（直径）としては、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である。粒子のエッチング速度は、基板のエッチング速度よりも遅くてもよいし速くてもよい。つまり、形成する凹凸構造の凹部の深さに応じて、最適なエッチング選択比が得られる材料で粒子を構成することができる。
本発明の基板処理方法を実施することにより、基板の表面に微細な凹凸構造を形成することができる。以上のようにして処理された基板は、表面に発光層が形成される発光ダイオード用のサファイア基板として用いたり、表面に光電変換層が形成される太陽電池用のシリコン基板として用いたりすることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態による基板処理方法を説明する概略工程図である。
図１Ａに示すように、まず、微細な凹凸構造が形成されるべき表面１０ｓを有する基板１０を準備する。表面１０ｓは平坦面であるが、曲面でも波状面であっても構わない。基板１０としては、シリコン基板、サファイア基板等が用いられるが、これ以外にも、ガラス基板、プラスチック基板、金属基板等が用いられる。
次に、図１Ｂに示すように基板１０の表面１０ｓに微粒子１１を散布する。微粒子１１は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の粒径を有する粒子であり、後のエッチング工程においてマスクとして機能する。本実施形態では、微粒子１１は、ポリスチレンやジベニルベンゼン共重合体などの絶縁性有機物材料で構成される。なお、散布される微粒子１１の粒子径は各々同一サイズのものである場合に限られず、異なる粒子径の微粒子からなる混合粒子であってもよい。
微粒子１１の散布には、ドライ散布法を用いることができる。ドライ散布法では、比較的細い圧送管の先端に接続されたノズル（図示略）から、微粒子１１が圧縮ガスとともに基板上に吹き付けられる。このとき、微粒子１１は、高速気流によって圧送管内を移動することで分散され、かつ圧送管の内壁との摩擦によって帯電する。帯電した微粒子１１は、ノズルから吹き出されて、基板表面１０ｓに静電気力によって付着する。このとき、微粒子１１は基板１０に付着してもすぐには放電しないので基板上では微粒子同士が反発し合い、再凝集することなく、図１Ｂに示したように一定間隔を保って付着する。
また、微粒子１１の散布には、ウェット散布法を用いることも可能である。この場合、微粒子を水やアルコール等の溶媒に混合し、その混合液を基板表面１０ｓにスピンコータを用いて全面塗布する、あるいは、ディスペンサノズルやインクジェットノズル（ヘッド）を用いて基板表面１０ｓの所定位置に点状塗布する。
各々の微粒子１１は、互いに一定以上の間隔をおいて基板表面１０ｓに付着する。微粒子１１どうしの間隔は一定である場合に限られない。単位面積（平方メートル）あたりの微粒子１１の個数（散布密度）は、微粒子１１の粒子径によって異なる。例えば、粒子径が０．０１μｍ〜０．１μｍの場合の散布密度は、２×１０９個〜２×１０１０個、粒子径が０．１μｍ〜１μｍの場合の散布密度は、２×１０７個〜２×１０８個、粒子径が１μｍ〜１０μｍの場合の散布密度は、２×１０５個〜２×１０６個である。
なお、微粒子１１の散布領域は、基板表面の全領域である場合に限られず、基板表面の一部の領域であってもよい。
続いて、散布した微粒子１１をマスクとして基板１０の表面１０ｓをエッチングする。本実施形態において、エッチングはドライエッチング（プラズマエッチング）で行われる。このエッチング工程では、微粒子１１が付着した基板１０を図示しないエッチングチャンバに装填した後、チャンバ内を所定の真空度に減圧する。そして、基板１０および微粒子１１の各構成材料に応じて適切なエッチングガスをチャンバ内に導入し、当該エッチングガスのプラズマを発生させることで、微粒子１１をマスクとする基板表面１０ｓのエッチングを行う。
エッチングガスのプラズマを発生させる方法としては、誘導結合（ＩＣＰ）型、容量結合（ＣＣＰ）型、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型などの種々の方式があるが、いずれの方式を採用してもよい。また、基板１０に高周波バイアス電力を印加することで、プラズマ中のイオンを周期的に基板上へ照射させるようにしてもよい。エッチングガスとしては、基板１０がシリコン基板である場合には、ＳＦ６やＮＦ３、ＣｏＦ２等のフッ素系ガスを用いることができ、基板１０がサファイア基板である場合には、Ｃｌ２等の塩素系ガスのほか、ＣＨＦ３等のフロロカーボン系ガスを用いることができる。
基板１０のエッチング工程において、微粒子１１は、エッチングマスクとして機能する。したがって図１Ｃに示すように、微粒子１１が付着していない基板１０の表面領域は選択的にエッチングされて凹部１２ａが形成される。一方、このエッチング工程と同時に、図示するように微粒子１１もエッチングされる結果、マスクの厚みが減少する。
エッチングが更に進行すると、基板表面１０ｓに形成される凹部も深くなり、図１Ｄに示すように所定深さの凹部１２ｂが形成された時点で、マスク１１が当該エッチング処理によって除去される。この凹部１２ｂの深さは、エッチング条件、マスクとしての微粒子１１の構成材料等によって制御される。
以上のようにして、基板１０の表面１０ｓに、凹凸構造１２が形成される（図１Ｅ）。本実施形態によれば、凹凸構造１２の形成後、基板表面１０ｓからマスク１１を除去する工程が不要となる。これにより、基板表面１０ｓへの凹凸構造１２の形成に必要な工程数が大幅に削減されるので、基板１０の処理効率、すなわち生産性の大きな向上を図ることが可能となる。
また、本実施形態によれば、マスクとして用いる微粒子１１の粒子径によって、基板表面１０ｓに形成される凹部１２ｂの深さやピッチ（隣接する凹部間の距離）などが制御可能となり、所望とする凹凸構造１２を容易に得ることが可能となる。例えば、微粒子１１の粒子径を小さくするほど、基板表面１０ｓに付着する微粒子１１の間隔を小さくできるので、形成される凹部１２ｂのピッチが狭くなる。
また、凹部１２ｂの深さやピッチは、基板１０に対する微粒子１１のエッチング選択比によっても制御され得る。例えば、微粒子１１として、基板１０よりもエッチング速度が速い材料を用いた場合、微粒子１１の耐エッチング性が低下するため、基板表面１０ｓに比較的浅い凹部が形成される。一方、微粒子１１として、基板１０よりもエッチング速度が遅い材料を用いた場合、微粒子１１がエッチングによって消失するまでの間に基板表面が受けるエッチング処理時間が長くなるため、基板表面１０ｓに比較的深い凹部が形成される。
図２は、上述した本発明に係る基板処理方法の実施の結果得られたサンプルのＳＥＭ写真である。表面に凸部がランダムに形成されている状態が示されている。当該凸部の形成領域は、マスクとしての微粒子が付着していた領域に対応する。なお、基板はサファイア製で、マスク用の微粒子には粒子径０．１μｍ〜４μｍのポリスチレン粒子を用いた。
凹凸構造を形成する凸部１３（図１Ｅ）の形状は特に限定されない。図３は半球状の凸部１３Ａを示しており、図４Ａ，Ｂは円錐形状の凸部１３Ｂを示している。また、図５Ａ，Ｂは弾頭状あるいは釣鐘状の凸部１３Ｃを示しており、図６Ａ，Ｂは円錐台形状の凸部１３Ｄを示している。これら凸部の形状は、基板１０および微粒子１１の構成材料、エッチング条件（エッチング時間、エッチング圧力、エッチングガス等）によって制御することが可能であり、適用されるデバイスの種類に応じて任意に選定することができる。
なお、図４および図６に示したように側部に直線的な傾斜面が形成される凸部１３Ｂ，１３Ｄにおいて、当該傾斜面のテーパ角は特に限定されず、例えば、４５度から８０度である。
図７および図８は、表面に上述の凹凸構造の形成処理が施された基板１０を用いた光学デバイスの概略構成図である。
図７は面発光ダイオードへの適用例を示している。基板１０はサファイア基板からなり、凹凸構造１２が形成された面上には発光層２１がバッファ層２２を介して積層されている。発光層２１は、例えば窒化ガリウム系の半導体発光層で形成されている。発光層２１で発生した光は、主に正面側（図中上方側）に出射される。発光層２１の背面側（図中下方側）に出射した光Ｌ１は、バッファ層２２を透過して基板１０の表面で反射される。
図示の例では、基板１０の表面には微細な凹凸構造１２が形成されているので、発光層２１から背面側に出射した光Ｌ１は、基板表面の凹凸構造１２によって反射あるいは屈折透過することで、正面側へ配向される。これにより、発光層２１の正面側への集光性が高められるため、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
一方、図８は太陽電池への適用例を示している。基板１０はシリコン基板からなり、例えばｐ型半導体層を構成している。この基板１０の表面には、ｎ型半導体層３１が形成されている。これらｐ型半導体層（基板）１０とｎ型半導体層３１とにより、光電変換層が構成されている。基板１０の裏面側には裏面電極３２が形成されており、ｎ型半導体層３１の表面には正面電極３３がパターン形成されている。外光（太陽光）Ｌ２は、ｎ型半導体層３１の表面側から光電変換層へ入射し、光電変換層において入射エネルギーに応じた電圧に変換される。発生した電圧は裏面電極３２および正面電極３３によって外部へ取り出されて蓄電される。
図示の例では、基板１０の表面には微細な凹凸構造１２が形成されているので、この基板１０の表面に形成されるｎ型半導体層３１との界面およびｎ型半導体層３１の表面にも微細な凹凸構造が形成される。図では概略的に示しているが、当該凹凸構造は入射光の波長以下の凹凸ピッチで形成されていることが好ましい。この構成により、ｎ型半導体層３１の表面における光の反射率が大幅に低減され、光電変換層に入射する外光の光量を高め、変換効率の向上を図ることが可能となる。
なお、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば以上の実施形態では、基板１０の表面に凹凸構造を形成するようにしたが、基板１０の表面に形成された層あるいは膜の表面に凹凸構造を形成する場合にも本発明は適用可能である。例えば、シリコン基板の表面に形成された自然酸化膜や、ガラス基板の表面に形成された透明電極膜に対して凹凸構造を付与する場合にも、本発明を好適に実施することができる。
１０ 基板
１１ 微粒子（マスク）
１２ 凹凸構造
１２ａ、１２ｂ 凹部
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ 凸部
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Claims (4)
- 圧送管の内壁との摩擦によって帯電した有機物材料で構成された粒子を前記圧送管によって基板の表面に散布することで、帯電による反発を通じて粒子間が前記基板上で一定間隔を保つように、前記粒子を前記基板上に付着させ、
前記粒子をマスクとして前記基板の表面をエッチングして前記基板の表面に凹凸構造を形成すると同時に、前記マスクを前記エッチングによって除去する
基板処理方法。 - 請求項１に記載の基板処理方法であって、
前記粒子の粒径は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である
基板処理方法。 - 請求項１に記載の基板処理方法であって、
前記基板は、前記表面に発光層が形成される発光ダイオード用のサファイア基板である
基板処理方法。 - 請求項１に記載の基板処理方法であって、
前記基板は、前記表面に光電変換層が形成される太陽電池用のシリコン基板である
基板処理方法。
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