JP5697554B2

JP5697554B2 - シリコン基板のエッチング方法および太陽電池の発電素子

Info

Publication number: JP5697554B2
Application number: JP2011132396A
Authority: JP
Inventors: 崇澤井; 裕介大城
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2031-06-14
Also published as: JP2013004618A

Description

本発明は、シリコン基板のエッチング方法、エッチング液、およびエッチング装置に関するものであり、特に、シリコン基板の表面にテクスチャーを形成するためのシリコン基板のエッチング方法およびそれを用いて作製されたシリコン基板を備えた太陽電池の発電素子に関する。

太陽光発電装置において太陽光を効率良く吸収するためには、受光面に照射される光をできるだけ多く吸収する、すなわち光の反射率をできるだけ小さくする必要がある。このため、太陽光発電装置の製造においては、シリコン基板を高温のアルカリ溶液でウェットエッチングすることによって、シリコン基板の表面にテクスチャーを形成している。ここでテクスチャーとは、シリコン基板の表面に形成する微小凹凸の総称である。

より光反射率を低減する従来の方法としては、特許文献１に記載の技術のように、高温のアルカリ溶液にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等を添加したエッチング液を用いてシリコン基板をウェットエッチングする方法が一般的である。このようにアルカリ溶液に適当な有機物を添加することにより、シリコン基板表面に添加剤が付着して局所的にエッチングが阻害され、効率的にテクスチャーを形成して光反射率を低下させることができる。その結果、より多くの太陽光を吸収でき、光電変換効率の高い太陽光発電装置を製作することができる。

特開２０００−１７９２号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、表面にダメージ層のあるウエハをテクスチャーエッチングすると、エッチング初期にウエハと薬液とが激しく反応し気泡が発生する。この気泡がウエハ表面に添加剤が付着する妨げとなり、過剰に添加剤を加えなければならなくなる。また添加剤の付着が不均一になるため均一なテクスチャーの形成が阻害されるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、薬液温度制御することにより均一なテクスチャーを効率的に形成するシリコン基板のエッチング方法およびそれを用いて作製されたシリコン基板を備えた太陽電池の発電素子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、シリコン基板表面に付着して局所的にエッチングを阻害する添加剤を含んだアルカリ水溶液のエッチング薬液で満たされ当該エッチング薬液の温度制御が可能な薬液槽にシリコン基板を浸漬してエッチングするシリコン基板のエッチング方法であって、シリコン基板を前記エッチング薬液に浸漬した直後からは、前記エッチング薬液の温度を第１の温度にしてシリコン基板のエッチングを行う第１エッチング工程と、前記第１エッチング工程の後は、前記エッチング薬液の温度を前記第１の温度より高い第２の温度にしてシリコン基板のエッチングを行う第２エッチング工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の実施の形態によるシリコン基板のエッチング方法によれば、シリコン基板の表面に、より均一なテクスチャーを形成することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態によるシリコン基板のエッチング方法によれば、エッチング初期の添加剤の効果が上昇するので、添加剤の使用量を削減することができる。即ち、従来に比べて添加剤の使用量を抑えてシリコン基板の表面に均一なテクスチャーを効率的に形成することが可能となる。

図１は、実施の形態においてシリコンウエハを薬液に浸漬する装置の模式図である。図２は、実施の形態において、シリコンウエハをエッチング薬液槽に投入して間もない初期段階において、薬液の温度を低温にした場合の発泡の様子を表す模式図である。図３は、実施の形態において、シリコンウエハをエッチング薬液槽に投入した後、薬液の温度を高温にした場合の発泡の様子を表す模式図である。

以下に、本発明にかかるシリコン基板のエッチング方法、シリコン基板のエッチング液、およびシリコン基板のエッチング装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態．
本発明に係るシリコン基板のエッチング方法の実施の形態について図１乃至３を参照して以下に説明する。図１は、本実施の形態においてシリコンウエハ１を薬液に浸漬する装置１０の模式図である。図２は、シリコンウエハ１をエッチング薬液槽４に投入して間もない初期段階において、薬液の温度を低温にした場合の発泡の様子を表す模式図である。図３は、シリコンウエハをエッチング薬液槽４に投入した後、薬液の温度を高温にした場合の発泡の様子を表す模式図である。

シリコンウエハ１は、表面にダメージ層が存在する例えばｐ型シリコンウエハである。添加剤２は、ＩＰＡやエチレングリコール、アルコール誘導体Ｘ−（ＯＨ）n（Ｘは炭素数Ｃnが４以上７以下の飽和または不飽和炭化水素基、nは１以上の整数、n<Ｃn）などのいずれか或いはこれらの組み合わせであり、シリコンウエハ１に吸着することでその部分のエッチングを局所的に阻害する。

図１に示すエッチング薬液槽４は、シリコンウエハ１を一定時間にわたりエッチング薬液５に浸漬することにより、シリコンウエハ１の表面のダメージ層を除去すると共に、反射率を低減するための凹凸構造(テクスチャー)をシリコンウエハ１の表面に形成するものである。エッチング薬液５としては、例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたアルカリ水溶液が用いられ、これらがエッチング薬液槽４内に入っている。この場合、気泡３は主に水素（Ｈ₂)である。エッチング薬液槽４内のヒーター７と温度計８と温調機９を用いてエッチング薬液５の温度を制御する。

シリコンウエハ１をキャリア６である塩化ビニル製カセットに入れ、キャリア６（カセット）ごと搬送し、エッチング薬液５で満たされたエッチング薬液槽４へ浸ける。図２に示すように、エッチングの初期段階でのエッチング薬液５の温度が低く、第１の温度になるように温調機９がヒーター７を制御する。これにより、エッチングの初期段階における気泡３の発生を抑えることで添加剤２のウエハ表面への吸着を助け、テクスチャーの形成を促進することができる。

その後、シリコンウエハ１の不純物が多い表層がエッチングされて気泡３の発生の勢いが弱まった頃に、図３に示すようにエッチング薬液５の温度を高くして第２の温度にして、気泡３が少ないときのエッチング速度を維持する。エッチング薬液５の温度を第１の温度から第２の温度に変更するタイミングとしては、第１の温度で予め定めた所定時間エッチングした後に変更してもよいし、或いは何らかの手段で気泡３の発生の勢いを計測して、気泡３の発生が所定の発生率以下になった場合に変更するなど、実験的に求めるなど、様々な手法で決定することが可能である。

具体的なエッチング薬液５の温度の例としては、図２に示すエッチングの初期段階では、エッチング薬液５の温度を例えば３０〜８０℃（第１の温度）に維持し、シリコンウエハ１の不純物が多い表層がエッチングされて気泡３の勢いが弱まった後は、エッチング薬液５の温度を例えば８０〜９５℃（第２の温度）に維持することにより（図３）、エッチング速度を上げ、エッチングに要する時間を短縮することで製造効率の向上を図ることが望ましい。

上記実施の形態におけるシリコン基板のエッチング方法の説明においてはシリコンウエハ１がｐ型であるとして説明したが、ｐ型に限らずｎ型であっても上記したシリコン基板のエッチング方法は適用できる。添加剤２は、シリコンウエハ１に吸着することでその部分のエッチングを局所的に阻害するものであるならば何でも良い。

太陽電池セルの製造においては表面の反射率を下げるためにエッチングにより表面に凸凹のテクスチャーを形成する必要がある。このテクスチャーを形成するために薬液にはアルコール系の添加剤を供給する。その添加剤がウエハ表面に付着し、エッチングを阻害することでテクスチャーの核が形成され選択性エッチングが可能となる。ところで、表面にダメージ層のあるシリコンウエハをテクスチャーエッチングすると、一般にエッチング初期においてウエハと薬液とが激しく反応し気泡が発生する。この気泡の存在がウエハ表面に添加剤が付着することの妨げとなる。従って、従来これを回避するためには、過剰に添加剤を加えなければならなかった。また添加剤の付着が気泡の存在により不均一になるため均一なテクスチャーの形成を阻害していた。

本実施の形態のシリコン基板のエッチング方法においては、エッチング初期の激しい発泡を抑えるためにシリコンウエハ１のエッチング薬液槽４への投入直後はエッチング薬液５の温度を低温にしてエッチング処理を行うことによりエッチングによる初期の発泡を抑え、添加剤２がシリコンウエハ１の表面へ容易に付着できるようにする。

低温のままで、このままエッチングを進めるとエッチング速度が遅く製造効率が悪くなる。そこで、シリコンウエハ１の不純物が多い表層がエッチングされて発泡の勢いが弱まった後は、エッチング薬液の温度を上昇させてエッチング速度を上げ、エッチングに要する時間を短縮することで製造効率の向上を図る。このような薬液温度制御によるテクスチャー形成によりに均一なテクスチャーを形成すると同時にエッチングに要する時間を短縮することが可能となり、製造効率の向上を図ることができる。

更に、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。

例えば、上記実施の形態において示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記実施の形態における構成要件を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるシリコン基板のエッチング方法は、シリコンウエハに均一なテクスチャーを効率的に形成することに有用であり、特に、受光効率の向上した太陽電池セルの製造に適している。

１シリコンウエハ
２添加剤
３気泡
４エッチング薬液槽
５エッチング薬液
６キャリア
７ヒーター
８温度計
９温調機
１０装置

Claims

シリコン基板表面に付着して局所的にエッチングを阻害する添加剤を含んだアルカリ水溶液のエッチング薬液で満たされ当該エッチング薬液の温度制御が可能な薬液槽にシリコン基板を浸漬してエッチングするシリコン基板のエッチング方法であって、
シリコン基板を前記エッチング薬液に浸漬した直後からは、前記エッチング薬液の温度を第１の温度にしてシリコン基板のエッチングを行う第１エッチング工程と、
前記第１エッチング工程における気泡の発生が予め定めた発生率以下になった後に、前記エッチング薬液の温度を前記第１の温度より高い第２の温度にしてシリコン基板のエッチングを行う第２エッチング工程と、
を備えたことを特徴とするシリコン基板のエッチング方法。
前記エッチング薬液は、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムのうち少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン基板のエッチング方法。
前記添加剤は、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、或いはアルコール誘導体Ｘ−（ＯＨ）n（Ｘは炭素数Ｃnが４以上７以下の飽和または不飽和炭化水素基、nは１以上の整数、n<Ｃn）のいずれか或いはこれらの組み合わせである
ことを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン基板のエッチング方法。
前記第１の温度は３０〜８０℃、前記第２の温度は８０〜９５℃である
ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のシリコン基板のエッチング方法。
請求項１乃至４に記載のシリコン基板のエッチング方法を用いて作製されたシリコン基板を備えた
ことを特徴とする太陽電池の発電素子。