JP5575822B2 - テクスチャー形成用エッチング液 - Google Patents
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Description
本発明はシリコン基板の表面にテクスチャーと呼ばれる凹凸構造を形成するためのエッチング液に関するものである。
太陽電池に使用される結晶系シリコン基板には、基板表面における光の反射率を小さくして、効率良く光を吸収するために、テクスチャーと呼ばれる表面構造処理が施されている。
従来、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ性溶液にシリコン基板を浸漬してピラミッド状のテクスチャー構造を形成させる方法がとられているが、エッチング液にアルカリ成分以外の添加剤を使用することにより、より均一なピラミッド状のテクスチャー構造を形成することができることが知られている。
このようなテクスチャー形成用のエッチング液として、例えば、特許文献１に記載のように、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムの水溶液にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を添加したものが知られており、これを用いた場合、６０〜９５℃の加温条件下でシリコンウェハを１０〜３０分間浸漬させることによりテクスチャーを形成している。
上記ＩＰＡは、シリコンウェハにピラミッド状のテクスチャーを形成させるための添加剤としては広く認識されており、良好な品質のウェハに仕上げることが可能であるものの、ＩＰＡの沸点は８２．４℃であり、エッチング処理温度と同程度であることから、処理中にＩＰＡが揮発することにより、エッチング液の組成が変化しやすいという問題点がある。また、引火点が低いという点から取扱い上注意を要する。
そのため、アルカリエッチング液に添加して、良好なテクスチャーを形成するための添加剤は、ＩＰＡ以外にも種々提案されているが、テクスチャー形成に優れ、かつ使用時の濃度管理等の品質管理も容易であるなど、総合的に満足できるエッチング液や添加剤は未だ得られていないのが現状である（特許文献２〜６）。
また、近年、シリコンウェハのスライス方式は、従来の遊離砥粒方式から固定砥粒方式へと移行しつつあり、これらの方式ではスライス後のウェハの表面状態が互いに異なるため、従来遊離方式ウェハで使用可能であったエッチング液がそのまま固定砥粒方式ウェハに使用できない場合があるという問題もある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、良好なテクスチャーをウェハ表面に均一かつ安定的に形成することができ、使用温度である６０℃〜９５℃の領域において、添加剤成分が揮発することもなく、また遊離砥粒方式ウェハ、固定砥粒方式ウェハのどちらのウェハにも適用可能な、シリコンウェハのテクスチャー形成用エッチング液を提供することを目的とする。
本発明者らは上記問題点を解決すべく鋭意研究した結果、ホスホン酸誘導体を含むアルカリ液が、シリコンウェハ用のエッチング液としてピラミッド状のテクスチャー構造を形成するのに優れていることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明のエッチング液は、（Ａ）アルカリ成分、及び（Ｂ）ホスホン酸誘導体又はその塩を含む水溶液からなり、シリコン基板表面に凹凸を形成させるエッチング液であって、上記の課題を解決するために、（Ａ）アルカリ成分が、アルカリ金属の水酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物、及びこれらの水酸化物の塩の中から選択された少なくとも１種であり、（Ｂ）ホスホン酸誘導体又はその塩が、１−ヒドロキシエチレン−１，１−ジホスホン酸、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）、ホスホノブタントリカルボン酸、アルキレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）及びジアルキレントリアミンペンタ（メチレンホスホン酸）の中から選択された少なくとも１種であるホスホン酸誘導体及び／又は前記ホスホン酸誘導体のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アミン塩、及びアンモニウム塩の中から選択された少なくとも１種であるホスホン酸誘導体の塩であり、この（Ｂ）ホスホン酸誘導体又はその塩の濃度が、０．１質量％〜２５質量％であるものとする。
上記本発明のエッチング液においてアルカリ成分として最も好ましいものとしては、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムを用いることができる。
また、アルカリ成分の濃度は、０．３質量％〜２５質量％とすることが好ましい。
また、ホスホン酸誘導体またはその塩の濃度は、０．１質量％〜２５質量％とすることが好ましい。
さらに、上記アルカリ成分（Ａ）とホスホン酸誘導体またはその塩（Ｂ）との配合割合は、質量比でＡ／Ｂ＝０．１〜１０とすることが好ましい。
本発明のエッチング液によれば、シリコン基板の表面に均一なピラミッド状のテクスチャー構造を形成することができる。また、使用温度である６０℃〜９５℃の領域において、添加剤成分が揮発することがないので、安定的なテクスチャー形成が可能となり、かつ安全性も高いものとなる。さらに、本発明のエッチング液は、遊離砥粒方式ウェハ、固定砥粒方式ウェハのどちらのウェハにも適用可能である。したがって、本発明のエッチング液を使用することにより、太陽電池の性能を高めることができる高品質のシリコンウェハをより安定的に供給することが可能となる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で使用するアルカリ成分は特に限定されず、シリコンウェハ用のエッチング液に従来から用いられてきたものが適宜使用できる。その例としては水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の、アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属の水酸化物又はその塩が挙げられ、一般的に入手しやすい点では水酸化ナトリウムが好ましい。これらのアルカリ成分は、必要に応じて２種以上を混合して用いることもできる。
次に、本発明で添加物として用いるホスホン酸誘導体は、一般的に金属イオン封鎖剤として使用されるものであれば、特に限定されず使用することができる。
ホスホン酸誘導体の好ましい例としては、下記式（１）で表される１−ヒドロキシエチレン−１，１−ジホスホン酸、下記式（２）で表されるニトリロトリス（メチレンホスホン酸）、下記式（３）で表されるホスホノブタントリカルボン酸、下記一般式（４）で表されるアルキレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）（例えば、式（４）中、ｎ＝２の場合であるエチレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）、ｎ＝６の場合であるヘキサメチレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）など）、下記一般式（５）で表されるジアルキレントリアミンペンタ（メチレンホスホン酸）（例えば、式（５）中、ｎ＝２の場合であるジエチレントリアミンペンタ（メチレンホスホン酸）など）、及び、これらの塩が挙げられる。これらの塩の例としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、及びアミン塩、アンモニウム塩が挙げられ、一般的に入手しやすいことから、ナトリウム塩やカリウム塩などのアルカリ金属塩が好適に用いられる。これらホスホン酸誘導体も必要に応じて２種以上を混合して用いることもできる。
上記ホスホン酸誘導体のなかでも、得られるテクスチャー構造の均一性が高いこと、および本用途では忌避される不純物が少ない高純度品が得られやすいことから、１−ヒドロキシエチレン−１，１−ジホスホン酸、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）、又はホスホノブタントリカルボン酸が特に好ましい。
本発明のエッチング液は上記アルカリ成分とホスホン酸誘導体とを水に溶解させた水溶液である。使用する水はイオン交換水又は蒸留水のように不純物を除去した水であるのが好ましい。
本発明のエッチング液、すなわち上記水溶液において、アルカリ成分の濃度は０．３質量％〜２５質量％の範囲であることが好ましく、１質量％〜１５質量％がより好ましい。アルカリ成分の濃度が０．３質量％未満であるとエッチング力が不足し、テクスチャー形成に時間がかかり、２５質量％を超えると添加剤として使用するエッチング抑制剤の必要量が増加するため、コスト的に不利となる。
また、このエッチング液におけるホスホン酸誘導体の含有量は、０．１質量％〜２５質量％が好ましく、０．５質量％〜１５質量％がより好ましい。ホスホン酸誘導体の含有量が０．１質量％未満であるとアルカリのエッチング抑制効果が十分に得られないおそれがあり、２５質量％を超えるとアルカリのエッチングを抑制しすぎ、テクスチャー形成に時間がかかりすぎるおそれがある。
さらに、より良好なテクスチャー形成のためには、アルカリ成分の含有量に対するホスホン酸誘導体の含有量の割合をコントロールすることが好ましく、アルカリ成分（Ａ）とホスホン酸誘導体（Ｂ）との配合比が質量比でＡ／Ｂ＝０．５〜１０の範囲に入るようにすることが好ましく、より好ましくはＡ／Ｂ＝１〜５とする。両者の比を上記範囲にすることにより、アルカリ成分によるシリコンの異方性エッチングをホスホン酸誘導体によって適度に抑制することができ、良好なテクスチャー形成に寄与すると考えられる。
アルカリ成分に対するホスホン酸誘導体の量が少なすぎる場合は、エッチングを抑制する効果が不足し、エッチング速度が大きくなり、結果としてテクスチャー構造の形状やサイズの制御が困難となり、表面が不均一となる傾向が生じる。
一方、アルカリ成分に対するホスホン酸誘導体の量が多すぎる場合は、エッチングを抑制する効果が大きくなりすぎ、よってエッチング速度が小さくなりすぎ、テクスチャー構造を形成することができなくなる。
本発明のエッチング液には、本発明の目的に反しない範囲であれば、シリコンウェハのテクスチャー形成用エッチング液に通常用いられることのあるイソプロピルアルコール、脂肪酸等の添加剤を必要に応じて添加することができる。
従来の遊離砥粒方式ウェハの場合、目的の性能を得るために調製されたエッチング液で適切なテクスチャーを形成できたとしても、このエッチング液をそのまま固定砥粒方式ウェハに対して適用して、同様に適切なテクスチャーが形成できるとは限らない。これには、様々な要因が考えられるが、例えば、スライス後のウェハ表面の切断痕が異なるためであること、またはスライス時に使用するクーラントが異なるため、その後の洗浄工程での洗浄不良によりクーラント残渣が影響を及ぼすこと等が挙げられる。これに対し、本発明のエッチング液は、ホスホン酸誘導体の優れた吸着力により、遊離砥粒方式および固定砥粒方式のどちらのシリコンウェハ表面に対しても、ホスホン酸誘導体が規則的に配列し、アルカリによるエッチングを適度に抑制することが可能であることから、遊離砥粒方式ウェハ、固定砥粒方式ウェハのどちらのウェハにも適用可能である。
本発明のエッチング液を使用したエッチング方法は特に限定されず、従来の方法と同様に、エッチング液を約６０℃〜９５℃に加温し、これに対象となるシリコンウェハを１０〜３０分間浸漬させる方法を用いることができる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例、比較例］
水酸化ナトリウムとホスホン酸誘導体またはその塩を表１に示す割合で混合し、イオン交換水を加えて水溶液を調製し、これを本発明のエッチング液とした。このエッチング液を８０℃に加温して、これに表１に示した遊離砥粒方式又は固定砥粒方式のいずれかの単結晶シリコンウェハを２０分間浸漬した後、水洗して乾燥させた。得られたシリコンウェハのテクスチャー構造の評価を、次の２項目により実施した。
水酸化ナトリウムとホスホン酸誘導体またはその塩を表１に示す割合で混合し、イオン交換水を加えて水溶液を調製し、これを本発明のエッチング液とした。このエッチング液を８０℃に加温して、これに表１に示した遊離砥粒方式又は固定砥粒方式のいずれかの単結晶シリコンウェハを２０分間浸漬した後、水洗して乾燥させた。得られたシリコンウェハのテクスチャー構造の評価を、次の２項目により実施した。
（１）テクスチャー構造の外観評価
走査電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ−６３８０ＬＶ）を用いてテクスチャー構造を観察した。倍率１０００倍で観察した際に、基板表面上に、ピラミッドがない平坦な領域が全面積に対して５％以下となるようにピラミッド構造を形成しているものを「○」とし、全面積に対して５％を超えて平坦な領域が生じているものを「×」とした。
走査電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ−６３８０ＬＶ）を用いてテクスチャー構造を観察した。倍率１０００倍で観察した際に、基板表面上に、ピラミッドがない平坦な領域が全面積に対して５％以下となるようにピラミッド構造を形成しているものを「○」とし、全面積に対して５％を超えて平坦な領域が生じているものを「×」とした。
（２）シリコン基板の反射率評価
シリコン基板の反射率を紫外・可視分光光度計（日立ハイテクノロジーズ社製、Ｕ−３９００Ｈ）で測定した。波長６００ｎｍの光の反射率が１３％以下の場合は良好と判断して「○」とし、１３％より大きい場合は不良と判断して「×」とした。
シリコン基板の反射率を紫外・可視分光光度計（日立ハイテクノロジーズ社製、Ｕ−３９００Ｈ）で測定した。波長６００ｎｍの光の反射率が１３％以下の場合は良好と判断して「○」とし、１３％より大きい場合は不良と判断して「×」とした。
本発明のエッチング液は、太陽電池のシリコン基板等のエッチングに使用することができる。
Claims (5)
- （Ａ）アルカリ成分、及び（Ｂ）ホスホン酸誘導体又はその塩を含む水溶液からなり、シリコン基板表面に凹凸を形成させるエッチング液であって、
前記（Ａ）アルカリ成分が、アルカリ金属の水酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物、及びこれらの水酸化物の塩の中から選択された少なくとも１種であり、
前記（Ｂ）ホスホン酸誘導体又はその塩が、１−ヒドロキシエチレン−１，１−ジホスホン酸、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）、ホスホノブタントリカルボン酸、アルキレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）及びジアルキレントリアミンペンタ（メチレンホスホン酸）の中から選択された少なくとも１種であるホスホン酸誘導体及び／又は前記ホスホン酸誘導体のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アミン塩、及びアンモニウム塩の中から選択された少なくとも１種であるホスホン酸誘導体の塩であり、
前記（Ｂ）ホスホン酸誘導体又はその塩の濃度が、０．１質量％〜２５質量％である
ことを特徴とする、エッチング液。 - 前記アルカリ成分が、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムであることを特徴とする、請求項１に記載のエッチング液。
- 前記アルカリ成分の濃度が、０．３質量％〜２５質量％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエッチング液。
- 前記ホスホン酸誘導体が、１−ヒドロキシエチレン−１，１−ジホスホン酸、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）及びホスホノブタントリカルボン酸の中から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエッチング液。
- 前記アルカリ成分（Ａ）とホスホン酸誘導体又はその塩（Ｂ）との配合割合が、質量比でＡ／Ｂ＝０．１〜１０であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエッチング液。
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