JP6012597B2 - 光起電力電池素子のためのシリコンウエハの表面テクスチャ修飾を制御する方法および装置 - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、シリコン系光起電力（ＰＶ）素子のドライ化学テクスチャ加工のための方法および装置に関する。より具体的には、本発明は、活性エッチング液種を生成するために、プラズマ放電を使用することなく、大気圧において、インライン連続通過ドライ化学エッチングのための方法および装置に関する。

太陽電池は、太陽光を電気に変換する光起電力（ＰＶ）半導体素子である。太陽光からの光子が、その原子から放たれる電子に衝突し、材料を介して電流を発生させる。これらの光起電力半導体は、単一結晶シリコン（単結晶）、多重結晶（多結晶）シリコン、非晶質シリコン、または他の化合物半導体材料から作製されてもよい。簡単に言えば、電気Ｐ−Ｎ接合が、ＰＶ材料または基板、すなわち、シリコンウエハ内に生成される。次いで、この材料は、正および負電極によって発生させられる。太陽光に晒されると、光起電力効果に起因して、ＰＶ材料の中に電流が生成される。

ＰＶ太陽電池を製造するために使用される種々の処理方法が存在し、いくつかの製造プロセスステップが必要とされる。本発明のために特に着目すべきは、エッチングステップであって、制御された量の材料が、基板および蒸着された層から除去される必要があり、ウエハ損傷除去、清浄、テクスチャ加工、研磨、および副産物（ＰＳＧ）除去を含む。

基板材料のテクスチャ加工、より具体的には、このテクスチャ加工の制御は、達成が困難である。異なるテクスチャは、異なる太陽電池基板および設計に対して、異なる向上特性を有することが示されている。ほとんどの太陽電池設計では、光捕集パターンが、ウエハの太陽側の開始基板上にテクスチャ加工されると、電池効率の増加が観察される。基板の表面のテクスチャ加工は、表面積を拡大させ、基材の反射率を低下させ、したがって、表面に当たる光のより多くを捕捉するであろう。しかしながら、テクスチャは、太陽電池製造プロセスにおける後続ステップと良好に統合されるように、慎重に制御および最適化される必要がある。形成されるテクスチャは、容易にドープおよび不動態化される必要があり、ベースシリコン基板の担体寿命に損傷を及ぼしてはならない。ＰＶ太陽電池製造のためのテクスチャに関するこれらの要求は、従来利用可能であるものよりも、プロセスにわたって遥かに高いレベルの制御を必要とする。先行技術では、例えば、ウェット化学物質エッチングの使用は、エッチング機構がエッチングされる基板の結晶学的構造によって規定されるので、異なる電池設計に対して最適化されたテクスチャを達成することができない。また、基板の真の片面エッチングはもたらされない。ウェット化学エッチングの代替として、いくつかの方法が、半導体素子製造に対して周知の反応性イオンエッチングおよび他のプラズマ系シリコンエッチング技法を含め、提案されている。これらのプラズマ系技法は、ベースシリコンの担体寿命に悪影響を及ぼし得、ある場合には、容易に不動態化されることができる、テクスチャをもたらさない。

ウェット化学エッチングは、ＰＶ太陽電池製造のための最先端技術である。現在、これらのステップは、ウェット化学プロセスを介して行われており、シリコン基板は、基板の表面上に不均衡パターンを形成するために、一定時間の間、加熱された酸性またはアルカリ溶液内に浸漬される。

以下は、結晶太陽電池生産のためのウェット化学エッチングと関連付けられた問題である。
１．非常に大量の水および他の化学物質が、これらのウェット化学エッチングステップの際に消耗される。
２．ウェットエッチングプロセスは、より薄いウエハ（＜１６０μｍ）に対して適切ではない。
３．より安価な多結晶シリコン太陽電池の従来のアルカリウェット化学エッチングによるテクスチャ加工は、満足のゆく反射防止特性をもたらさない。これは、多結晶シリコン基板の異方性性質によるものである。
４．多結晶シリコン太陽電池製造のための確実なプロセスは、酸性溶液、例えば、ＨＦおよびＨＮＯ３の混合を使用した、付加的ウェットエッチングステップの使用である。本「混酸テクスチャ加工」は、多結晶基板上の従来の異方性エッチングより低い反射率をもたらす。しかしながら、ポイント１に概略されるように、単結晶基板上の従来のアルカリエッチングと同一結果をもたらさない。これは、多結晶シリコン太陽電池の全体的電池変換効率に、より高価な単結晶シリコン太陽電池の変換効率から後れを取らせる。
５．ウェットエッチング機器は、非常に大型であり得（ある場合には、長さが最大１７ｍ）、制限されたプロセス生産性能力を有する。
６．ウェットエッチング効率は、ウエハの結晶学的構造に非常に依存し、単または多Ｓｉウエハに対して、異なる化学物質配合を必要とする。
７．限定された片側のウェットプロセスは、分離表面処理を提供しない。
８．ウェットエッチングは、作用するために、ウエハ内にいくつかの欠陥を必要とする。平滑表面からは作用しない。

プラズマを用いないドライエッチングプロセスは、最近、真空チャンバ清浄用途のために使用されている。例えば、特許文献１に説明されるように、フッ素分子（Ｆ２）が、化学真空蒸着（ＣＶＤ）チャンバ内の窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）の清浄のために使用されている。不活性ガス中に予希釈されたフッ素が、真空チャンバ内に送達され、フッ素は、チャンバを２３０℃と５６５℃との間の温度に加熱することによって、熱的に解離される。望ましくない窒化ケイ素は、化学反応によって、内側チャンバの表面から除去される。本真空チャンバ清浄プロセスは、プロセスにわたっての汚染を防止するために、必要とされる。

特許文献２は、酸化ケイ素または窒化ケイ素をエチングすることなく、電子素子上のシリコンを選択的にエッチングする、ドライエッチングプロセスについて説明している。この仕様は、真空チャンバの内部に基板を保持し、大気圧（２６０ミリトル（ｍＴ））未満において、エッチングガスを同一チャンバに供給するように、非常に制限されている。

ＰＶ太陽電池のドライエッチングは、しばらくの間、開発中であった。従来の真空系プラズマエッチング技法を使用した多数の刊行物が存在する。これらの方法に関する主要な問題は、エッチングプロセスの際、プラズマからのイオンによって生じる、ＰＶ材料の損傷である。いくつかの進歩が、このプラズマ損傷問題に関して見られたが、そのような溶液の市販化は、真空系システムのコストが非常に高価あり、低い生産性が大規模な太陽ＰＶ電池製造に適していないので、実現可能性が低い。

また、種々の基板の表面を処理、清浄、ある場合には、修飾するために使用される、大気プラズマに関する研究もある。特許文献３では、大気プラズマ放電を利用して、大気圧で基板を処理する方法について、説明している。同様に、特許文献４は、プラズマ放電を使用して、有機含有層を除去する方法について、説明している。

特許文献５では、結晶太陽ウエハの裏面にドープされた表面層を除去するための大気プラズマエッチング装置について、説明している。同様に、特許文献６は、プラズマ系プロセスを使用して、拡散プロセスの間に形成される、リン珪酸ガラス（ＰＳＧ）を選択的にエッチングするための装置について説明している。この最先端技術はすべて、プラズマ放電技術を利用して、およびプラズマを使用して、基板に作用するために必要とされる活性種を発生させる研究に基づく。

特許文献７は、非プラズマ技法を利用する、薄膜非晶質ＳｉＰＶ膜の蒸着およびＰＶ基板の表面処理のための装置について開示している。特許文献７は、表面上のテクスチャまたは「結晶粒粗大化」に影響を及ぼし、光吸収を支援するためのＦ_２の使用を参照している。また、接続されるが、プロセス領域がパージガスカーテンによって分離される、チャンバのアレイについて説明している。この装置は、ローラ上で運搬され、回収されることができる可撓性基板との併用に限定されるロールツーロール法を利用する。パージカーテンの使用は、全プロセスチャンバとともに、送達および回収ローラチャンバを格納する、より大きな封入されたシステム内のプロセス反応空間の分離に限定される。プロセスチャンバ間において、基板を自由に移動させる能力があっても連続生産は行われない。プロセスが完了すると、展開および回収ロールは両方とも交換され、システムは、説明されていない、ある方法で開放される必要があるであろう。Ｆ_２の使用によってもたらされる結晶粒粗大化は、任意の方法で制御または最適化されるように請求されていない。説明される流量レベルおよび圧力は、このプロセスが、真空、すなわち、１．５トルで３０ＳＣＣＭにおいて生じることを示す。しかしながら、この方法は、ウエハを処理するために好適ではない。

米国特許出願公開第２００８／１４２０４６号明細書 米国特許第６，５００，３５６号明細書 欧州特許第０６９０４７９号明細書 米国特許出願公開第２００８／００００４９７号明細書 米国特許出願公開第２００８／０３０５６４３号明細書 米国特許出願公開第２０１０／００６２６０８号明細書 米国特許第４８０３９４７号明細書

したがって、前述の問題を克服する結晶シリコン太陽光電池ウエハのドライエッチング／テクスチャ加工および制御のためのプロセスならびに装置を提供する必要性がある。

本明細書によると、添付の請求項に記載されるように、光起電力（ＰＶ）素子を作製するために好適である、シリコン基板または蒸着されたシリコン層の表面構造を所望のテクスチャに修飾するための方法であって、
基板または蒸着された層を可動搬送装置上に配置するステップと、
基板または蒸着された層を予加熱するステップと、
基板または蒸着された層を、外部周囲環境からパージガス封込めカーテンを通して開放大気リアクタの中まで、エッチングするために連続的に移動させるステップと、
リアクタ内側のエッチング液送達特徴の中をまたはそれを通して、基板を連続的に移動させるステップと、
適用されるエッチング液ガスの流量および角度を制御することによって、基板上に所望のテクスチャを生成するように、リアクタ内の基板または蒸着された層に、ガス形態の少なくとも１つのエッチング液を適用するステップと、
開放大気リアクタから、さらなるまたは同一の組のパージガス封込めカーテンを通して、外部周囲環境へと、基板または蒸着された層をエッチングするために連続的に移動させるステップと
を備え、少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスおよび塩素系化合物を備える群から選択される、方法が、提供される。

解決された技術的問題は、フッ素含有ガスおよび塩素系化合物を使用するエッチングプロセスを支援するために、プラズマまたは真空を必要とせず、大気圧で行われる、高生産性ドライエッチング法の提供である。これまでに使用されている他のエッチング液のいずれよりも有意に低い結合エネルギーを有するフッ素原子の使用は、フッ素原子をそのエッチングラジカルに分解するために、遥かに低い電力エネルギー源の使用を可能にする。この方法は、大気圧で実行することができ、一組のパージガス封込めカーテンを利用することができるため、エッチングゾーン内およびそれを通して、ワークピースの連続移動を可能にし、ＰＶ業界によって必要とされる、遥かに高い生産性をもたらす。基板のドライエッチングのために、大気圧におけるプラズマの支援を伴わないフッ素元素または分子の使用は、基板または蒸着された層の制御されたエッチングのための単純かつ効果的プロセスを提供し、基板材料上に所定のテクスチャおよび構造の生成をもたらす。達成することができる、単純性およびテクスチャのタイプにわたっての高レベル制御は、全体的電池製造プロセスの最適化を可能にし、特定のテクスチャを電池設計に整合するように選択させる。

一実施形態では、エッチング液は、任意のプラズマの支援を伴うことなく、熱的に活性化される。

一実施形態では、エッチングは、他のプロセスステップと容易に統合することができる、すなわち、容易に不動態化され、光捕集能力における向上をもたらすことができる、所定のテクスチャを基板上にもたらすように制御されてもよい。ここで、我々は、基板と相互作用するのに伴って、エッチング液の流量を変化させることによって、エッチング速度を制御することができることを見出した。ガス流量およびエッチング液ガス送達モジュールの幾何学形状を変動させることによって、約０．１から３ｍ／秒までの速度が達成される。異なる幾何学形状パラメータとして、約２−４０ｍｍの範囲の基板とエッチング液送達ハードウェアとの間の間隙が挙げられる。エッチング液ガス流の角度は、通過に伴って、基板の方向および速度によって最適化することができる。流動の角度は、エッチングされる基板表面に対して、約０−１８０度変動させることができる。これらのパラメータを慎重に調節することによって、異なるエッチング速度が達成され、異なるテクスチャを生成することができる。

一実施形態では、結果として生じたテクスチャの特徴サイズは、エッチング速度を変動させることを通して、制御することができる。達成される典型的エッチング速度範囲は、約２−４０μｍ／分であって、特徴を有する送達テクスチャは、約０．１μｍから５μｍまでのサイズを有する。

一実施形態では、ガス送達モジュールは、一組のノズルを備える。

一実施形態では、ガス送達モジュールは、一組のパターンの複数の開口を有する平板を備える。

一実施形態では、ガス送達モジュールは、異なるまたは同一の長さの一組あるいは一列の開口を備える。好ましい実施形態では、開口は、細隙または間隙開口部を備える。

一実施形態では、ガス送達モジュールは、細隙を備える。

一実施形態では、単一リアクタは、基板をエチングするために、１つ以上のタイプのガス送達システムを有してもよい。ガス送達システムは、それぞれ、基板上に同一または異なるテクスチャを送達するように、配設することができる。

一実施形態では、異なるガス送達モジュールは、同一基板上において、順々に、後続エッチングステップを行うように配設され、それによって、既にテクスチャ加工された表面上にさらなるテクスチャをもたらし得る。

一実施形態では、プロセスは、連続通過プロセスとして行われる。

一実施形態では、プロセスは、基板が、リアクタゾーン内で停止することなく、行われる。

一実施形態では、プロセスは、基板がリアクタゾーン内で１回または数回、停止することができるように行われる。

一実施形態では、エッチングされる基板は、リアクタゾーン内に送達され、エッチングプロセスが完了すると、基板は、次いで、送達された方向において、リアクタから移動される。

一実施形態では、基板の片側が、反対側をエッチングすることなく、エッチングされてもよい。

一実施形態では、エッチング液は、大気圧下、基板または蒸着された層に適用される。

一実施形態では、リアクタの反応領域は、ガスカーテンをパージすることによって、密閉される。

一実施形態では、予加熱ゾーンは、パージガスカーテン内側に位置する。

一実施形態では、結果として生じた基板の表面テクスチャは、その反射率を減少させ、吸収される光を増加させるように、粗面である。

一実施形態では、結果として生じた基板の表面テクスチャは、平滑である。

一実施形態では、エッチング液ガスは、フッ素分子または原子、あるいは熱活性化を可能にするエネルギー結合値を伴う、任意の他のシリコンエッチングガスである。フッ素濃度は、約５から１００％までの範囲内の任意の濃度であることができる。

一実施形態では、フッ素含有ガスは、テトラフルオロメタン、トリフルオロメタン、フッ化カルボニル、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、二フッ化キセノン、およびフッ素元素を備える群から選択されてもよい。

一実施形態では、塩素系化合物は、テトラクロロメタン、トリクロロシランと水素の混合物、および塩化水素を備える群から選択されてもよい。

各エッチングガスは、エッチングラジカル形成のその独自の方法を有してもよい。

一実施形態では、エッチングのための基板は、太陽光電池、シリコンウエハ、または、例えば、ガラス、ＡｌＴｉＣ（アルミニウムチタンカーボン）、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、およびＦＲ４積層（耐燃性である、エポキシ樹脂粘結剤を伴う、織布繊維ガラス布）等の基板上に蒸着された層を備える群から選択されてもよい。

別の実施形態では、この大気ドライエッチング技術は、レーザマイクロマシニングプロセスと併用されてもよい。レーザ機械加工／掘削が、切断される材料の領域を損傷し、ドライエッチングが、損傷された領域を除去／修復するための機械加工／掘削プロセス後またはその間に、行われてもよい。

別の実施形態では、この方法は、容量感知タッチスクリーンの製造において使用されてもよく、微笑孔の基質が、ＩＴＯおよびＦＲ４繊維ガラス補強エポキシ積層およびＰＣＢ（印刷回路基板）にエッチングされる。

本発明のさらなる実施形態によると、光起電力（ＰＶ）素子を作製するために好適である、ガスのみ使用して、制御可能な様式において、シリコン基板または蒸着されたシリコン層の表面構造を修飾するための装置であって、
（ｉ）筐体と、
（ｉｉ）大気リアクタと、
（ｉｉｉ）少なくとも１つのエッチング液ガス排気プレナムと、
（ｉｖ）基板または蒸着された層を可動搬送装置上に配置するための手段と、
（ｖ）基板または蒸着された層を予加熱するための手段と、
（ｖｉ）大気リアクタを通して、エッチングするために、基板または蒸着された層を連続的に移動させるための手段と、
（ｖｉｉ）リアクタ内の基板または蒸着された層に、圧力下、ガス形態の少なくとも１つのエッチング液を適用するに際して、リアクタ内側のエッチング液送達モジュール下において、基板を連続的に移動させるための手段と、
（ｖｉｉｉ）プロセスのエッチング速度を制御する手段と
を備え、少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスおよび塩素系化合物を備える群から選択される装置が提供される。

本発明の別の側面によると、基板をドライエッチングするための装置であって、
（ｉ）筐体と、
（ｉｉ）エッチング液ガス送達リアクタと、
（ｉｉｉ）少なくとも１つのエッチング液ガス排気プレナムと、
（ｉｖ）大気圧において、エッチング液ガスを筐体に送達するための手段と
を備える装置が提供される。

一実施形態では、大気リアクタ内のエッチング液ガスは、塩基ラジカルを生成するように加熱され、ドライエッチングを行ってもよい。

一実施形態では、大気リアクタは、約室温と４５０℃との間の温度まで加熱されてもよい。本明細書では、ＲＴと略される、用語「室温」は、約２０℃と約２５℃と（約６８°Ｆと約７７°Ｆと）の間の温度を意味すると理解されたい。

本発明のさらなる側面では、前述の方法によってエッチングされる基板を備える、素子が、提供される。

一実施形態では、素子は、太陽光電池、シリコンウエハ、ガラス基板、ウエハ基板（非晶質シリコン、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ）上に蒸着された層を備える群から選択されてもよい。

別の実施形態では、その表面構造を修飾する、または制御された厚さを除去するために、基板または蒸着された層をドライエッチングするための方法であって、
（ｉ）支持基板上にエッチングのための基板を配置するステップと、
（ｉｉ）基板を予加熱するステップと、
（ｉｉｉ）エッチングのための基板をエッチングチャンバに送達するステップと、
（ｉｖ）チャンバ内の基板に、圧力下、ガス形態の少なくとも１つのエッチング液を適用するステップと
を備え、少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスおよび塩素系化合物を備える群から選択される方法が提供される。好ましくは、圧力は、大気圧であってもよい。
（項目１）
シリコン基板または蒸着されたシリコン層の表面構造を、光起電力（ＰＶ）素子を作製するために好適である、所望のテクスチャに修飾するための方法であって、
該方法は、
該基板または蒸着された層を可動搬送装置上に配置するステップと、
該基板または蒸着された層を予加熱するステップと、
該基板または蒸着された層を、外部周囲環境からパージガス封込めカーテンを通して開放大気リアクタの中に、エッチングするために連続的に移動させるステップと、
該基板を、該リアクタ内側のエッチング液送達特徴の中にまたはそれを通して、連続的に移動させるステップと、
該適用されるエッチング液ガスの流量および角度を制御することによって該基板上に該所望のテクスチャを生成するように、該リアクタの中で、ガス形態の少なくとも１つのエッチング液を該基板または蒸着された層に適用するステップと、
該基板または蒸着された層を、該開放大気リアクタから、さらなるまたは同一の組のパージガス封込めカーテンを通して該外部周囲環境まで、エッチングするために連続的に移動させるステップと
を含み、
該少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスおよび塩素系化合物を含む群から選択される、方法。
（項目２）
前記エッチング液は、いかなるプラズマの必要もなく、熱的に活性化される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記プロセスは、連続通過プロセスとして行われる、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記ガス形態のエッチング液ガスは、大気圧下において、前記基板または蒸着された層に適用される、項目１〜３のうちのいずれかに記載の方法。
（項目５）
前記リアクタの反応領域は、パージガスカーテンによって密閉される、項目１〜４のうちのいずれかに記載の方法。
（項目６）
前記予加熱ゾーンは、前記パージガスカーテンの内側に位置する、項目５に記載の方法。
（項目７）
結果として生じた基板の表面テクスチャは、その反射率を減少させ、吸収される光を増加させるように、粗面である、項目１〜６のうちのいずれかに記載の方法。
（項目８）
結果として生じた基板の表面テクスチャは、平滑である、項目１〜６のうちのいずれかに記載の方法。
（項目９）
前記エッチング液ガスは、フッ素分子もしくは原子、または熱活性化を可能にするエネルギー結合値を有する任意の他のシリコンエッチングガスである、項目１〜８に記載の方法。
（項目１０）
前記フッ素含有ガスは、テトラフルオロメタン、トリフルオロメタン、フッ化カルボニル、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、二フッ化キセノン、およびフッ素元素を含む群から選択される、項目１〜９に記載の方法。
（項目１１）
前記塩素系化合物テトラクロロメタン、トリクロロシランと水素の混合物、および塩化水素を含む群から選択される、項目１〜１０に記載の方法。
（項目１２）
酸素またはオゾンが、前記テクスチャ加工プロセスを向上させるために付加的に提供される、項目１〜１１に記載の方法。
（項目１３）
エッチングのための前記基板は、太陽光電池、シリコンウエハ、またはガラス、ＡｌＴｉＣ、ＩＴＯ、およびＦＲ４積層を含む群から選択される基板上に蒸着された層を含む群から選択される、項目１〜１２に記載の方法。
（項目１４）
プラズマの不在下において行われる、項目１〜１３に記載の方法。
（項目１５）
光起電力（ＰＶ）素子を作製するために好適である、ガスのみ使用して制御可能な方式でシリコン基板または蒸着されたシリコン層の表面構造を修飾するための装置であって、、
該装置は、
（ｉ）筐体と、
（ｉｉ）大気リアクタと、
（ｉｉｉ）少なくとも１つのエッチング液ガス排気プレナムと、
（ｉｖ）該基板または蒸着された層を可動搬送装置上に配置するための手段と、
（ｖ）該基板または蒸着された層を予加熱するための手段と、
（ｖｉ）該エッチング液ガスを加熱するための手段と、
（ｖｉｉ）該大気リアクタを通してエッチングするために、該基板または蒸着された層を連続的に移動させるように適応されたコンベヤと、
（ｖｉｉｉ）ガス形態の少なくとも１つのエッチング液を該リアクタ内の該基板または蒸着された層に適用するに際して、該リアクタ内側のエッチング液送達モジュール下にある該コンベヤを使用して該基板を連続的に移動させるための手段と
（ｉｘ）プロセスのエッチング速度を制御する手段と
を含み、
該少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスおよび塩素系化合物を含む群から選択される、装置。
（項目１６）
前記大気リアクタの中のエッチング液ガスは、前記ドライエッチングを行うための塩基ラジカルを産生するように加熱される、項目１５に記載の装置。
（項目１７）
前記大気リアクタは、約室温と約４５０℃との間の温度まで加熱される、項目１５または項目１６に記載の装置。
（項目１８）
ガス形態の前記エッチング液は、大気圧下において、前記基板または蒸着された層に適用される、項目１５〜１７のいずれかに記載の装置。
（項目１９）
前記プロセスのエッチング速度を制御する手段は、前記適用されるガス形態のエッチング液の流量および角度を制御することを含む、項目１５〜１８のいずれかに記載の装置。
（項目２０）
項目１〜１４のいずれかに記載の方法によってエッチングされた基板を含む、素子。
（項目２１）
光起電力太陽電池、シリコンウエハ、ガラス基板、またはウエハ基板（非晶質シリコン、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ）上に蒸着された層を含む群から選択される、項目２０に記載の素子。

本発明は、添付図面を参照して、一例としてのみ与えられる、その実施形態の以下の説明から、より明白に理解されるであろう。

図１は、本発明のドライエッチングプロセスを例示する流れ図である。 図２は、本発明のドライエッチング装置の断面図を例示する。 図３は、大気圧における、基板の連続インライン処理のための本発明のプロセスのレイアウトを例示する。 図４は、本発明の別の実施形態による、ドライエッチング装置の別の断面図を例示する。 図５ａ−ｄは、エッチングを変動させることによって、達成することができる、種々のテクスチャを実証する、＜１００＞−ｎ−型研磨Ｃｚ−シリコンウエハの画像のＳＥＭ画像を例示する。 図６は、異なるエッチングパラメータによって、単一＜１００＞−ｎ−型研磨Ｃｚ−シリコンウエハ上に生成される、異なるテクスチャの反射データを例示する。 図７は、エッチングガス流蒸気のために必要とされる角度設定を達成するための異なる機構を例示する。 図８は、エッチングガス流蒸気のために必要とされる角度設定を達成するための代替選択肢を例示する。

本発明は、新規ドライエッチング化学を使用し、エッチングは、エッチングされる表面の結晶構造によって限定されない。エッチング液は、制御可能にガス状形態で送達され、圧力下においてエッチングされる表面に適用される。真空チャンバ内に含有されるエッチングゾーンに対する要件は存在しない。

図１は、図２〜６に関連して、より詳細に説明される光起電力（ＰＶ）素子を作製するために好適である、ガスのみ使用して、制御可能な態様において、シリコン基板または蒸着されたシリコン層の表面構造を修飾するための本発明の方法の一般的流れ図を例示する。

図２および３に例示されるように、本発明の方法を行うために装置が提供される。装置は、本発明の一実施形態によると、概して、参照番号１で呼ばれる。装置は、壁４、カバー６、およびカバー６に対して反対側のおよび平行な面における支持部８を有する筐体２を備える。筐体２内には、壁４に近接してネスト化されるパージガス保持カーテン１０、１１が位置する。リアクタゾーンは、カーテン１０、１１内の領域によって画定される。このゾーン内側にあって、筐体２の中心に向かって設置されるのは、それぞれ、カーテン１０、１１に並置されるエッチング液ガス排気プレナム１４、１５である。排気プレナム１４、１５は、シュート１９を介して筐体２内側から外側に排ガスを還流させる配管１７、１８を介して相互に接続される。

プレナム１４、１５の間に位置するのは、エッチング液ガス送達リアクタ２０である。送達リアクタ２０は、リアクタ２０の基部２６において、開口２４から、ガス２２のカーテンを放出する。次いで、エッチング液ガスは、開口２４から、基板３０上に放出される。実施形態に概略されるように、異なるエッチングパラメータに対して設定することができるいくつかの異なる設定および構成が存在する。図６は、この点に関するさらなる詳細を示し、以下により詳細に論じられる。

使用時において、図３に例示されるように、基板３０の複数のレーンがコンベヤベルト３２上に設置され、加熱デバイス３４に送達される。基板は、装置１内への通過に先立って、約室温と約４５０℃との間の温度に予加熱される。基板３０は、装置１のチャンバ４０内において加熱されたエッチング液ガスに暴露される。基板３０が、所定の時間の間、エッチング液ガスに暴露されると、コンベヤベルト３２は、装置１を通ってエッチングされた基板３０を移動させ、エッチングされる次の基板が、エッチング液ガスに暴露される。

本発明の好ましい実施形態では、送達リアクタ２０内での単純加熱によって分解または励起されるフッ素Ｆ_２ガスを使用して、フッ素系ラジカルを産生し、基板３０の表面上でエッチング行う。

図４を参照すると、本発明の方法を行うように適応された大気リアクタ１０１が、例示される。基板（または、蒸着された層）１０３は、反応エリア１０９内側にある加熱ゾーン１０７に、基板１０３を送達するために、連続的に移動するように適応される可動搬送装置１０５、例えば、基板コンベヤ上に設置される。加熱ゾーンはまた、反応エリア外側にあることができる。反応エリア１０９は、入口および出口において、パージカーテン１１１、１１２によって密閉される。予加熱ゾーン１０７は、パージカーテンによって画定される周縁境界内側に設置される。予加熱ゾーンはまた、それらの画定された周縁境界外側に設置されてもよい。基板または蒸着された層１０３は、加熱器１１５によって予加熱され、続いて、連続コンベヤ１０５によって化学リアクタゾーン１１９に送達される。コンベヤは、リアクタ内側のエッチング液送達特徴１１７の下において、ガス形態の少なくとも１つのエッチング液が、リアクタ内の基板または蒸着された層に、大気圧下で適用されるように制御された態様において、反応エリア１０９を通って基板を移動させる。少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスおよび塩素系化合物を含む群から選択される。

次に、図５ａ−ｄを参照すると、５ａおよび５ｂは両方とも、同一バッチから得られ、本発明の方法を使用して、異なるパラメータでエッチングされた＜１００＞−ｎ−型研磨Ｃｚ−シリコンウエハのＳＥＭ画像を例示する。画像は、本発明のエッチングパラメータを変動させることによって、種々のテクスチャを達成することができることを明白に実証する。約０．１−０．２μｍの範囲内の微細テクスチャを有する構造が、図５ｂに示され、約３−４μｍの範囲内のより粗いテクスチャのピラミッド形構造が、図５ａに示される。図５ａおよび５ｂに例示されるそれらのウエハの場合、変動されたパラメータは、ガス流量およびガスが基板に衝突する角度である。他のパラメータはすべて一定のままである、すなわち、大気圧、温度（３５０℃）、およびＦ_２濃度１５％である。５ｃおよび５ｄに例示されるＳＥＭ画像は、異なるパラメータを使用してエッチングされる、２つの異なる＜１００＞−ｎ−型研磨Ｃｚ−シリコンウエハから得られた。調節されたパラメータは、ガス流量およびガスが基板に衝突する角度であった。結果として生じたテクスチャは、より微細であって、結果として生じた構造は、非常に「非晶質」であって、概して、不動態化が困難であるタイプである。

本発明の装置の反応ゾーン内でエッチングされる基板へのガス送達を変動および制御するために、異なる機構を使用することができる。図７には、２０１ａおよび２０１ｂと標識される２つの異なる機構が例示されている。基板２０４ａおよび２０４ｂ、基板２０４ａおよび２０５ｂをそれぞれ搬送するためのコンベヤ２０５ａおよび２０５ｂ、ならびにエッチングガス送達モジュール２０２ａおよび２０２ｂもまた、それぞれ、機構２０１ａおよび２０１ｂに対して例示されている。また、コンベヤ２０５ａおよび２０６ｂに内蔵された基板を加熱する方法も示され、それぞれ、参照番号２０６ａおよび２０６ｂが与えられている。図７は、エッチングガス２０３ａおよび２０３ｂを、それぞれ、エッチングされる基板２０４ａおよび２０４ｂ上に指向することができる異なる方法を示す。２０１ａにおいて、コンベヤ２０５ａ、続いて、基板２０４ａを、ガス送達モジュール２０２ａに対して異なる角度「θ」に配設することができる。２０１ｂにおいて、ガス流リアクタ、ひいては、ガス送達モジュール２０２ｂを、異なるテクスチャを達成するために、種々の角度「θ」に配設することができる。２０１ａおよび２０１ｂの両方の場合において、基板とガス送達モジュール２０２ａおよび２０２ｂとの間の間隙は、それぞれ、種々の高さ「ｈ」に設定することができる。

図８は、エッチングガスが送達される角度を設定するための代替選択肢を例示する。図８に示されるように、基板３０２は、ガス送達モジュール３０３および３０４の下を通過する。ガス送達モジュール３０３および３０４は両方とも、図８に示されるように、平面図および側面図に示される。ガス送達モジュール３０４は、一連のプレート３０８を備え、それぞれ、パターン化された複数の開口３０９を有する。プレート３０８は、ウエハ表面に平行である平面において、相互に対して移動することができる。このように、開口３０９の整列によって生成されるガス送達チャネルの角度は、必要に応じて修正および設定することができる。ガス３０６が、基板３０２に衝突する角度が例示されている。同一概念は、ガス送達モジュール３０３に対して実証されており、モジュール３０３は、プレート３１０のアレイを備え、それぞれ、細隙の形態の開口を有する。プレート３１０は、ウエハ表面に平行な平面において、相互に対して自由に移動し、したがって、前述のように、ガス送達モジュール３０４のための所望のガス送達角度を設定する。

本明細書では、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ、およびｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」またはそれらの任意の変形例、ならびに用語「ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｅｄ、およびｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」またはそれらの任意の変形例は、完全に互換可能であると見なされ、すべて、最も広範な可能性として考えられる解釈を与えられるべきであって、逆もまた同様である。

本発明は、前述の実施形態に限定されず、構造および詳細の両方において、可変であってもよい。

Claims (12)

1. シリコン基板または基板上に蒸着されたシリコン層の表面構造を所望のテクスチャに修飾するための方法であって、該所望のテクスチャは、光起電力（ＰＶ）素子を作製するために好適である、該方法は、
   可動搬送装置上に該基板を配置するステップと、
   予加熱ゾーン内で該基板を予加熱するステップと、
   外部周囲環境からパージガス封込めカーテンを通して開放大気リアクタの中に、エッチングするために該基板を連続的に移動させるステップと、
   該リアクタ内側のエッチング液送達特徴の中にまたはそれを通して該基板を連続的に移動させるステップと、
   適用される少なくとも１つのエッチング液ガスの流量および角度を制御することによって該基板上に該所望のテクスチャを生成するように、該リアクタの中で、少なくとも１つのエッチング液ガスを該基板に適用するステップと、
   該開放大気リアクタから、さらなるまたは同一の組のパージガス封込めカーテンを通して該外部周囲環境まで、エッチングするために該基板を連続的に移動させるステップと
   を含み、
   該少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスであり、該エッチング液ガスは、プラズマを必要とすることなく熱的に活性化され、該エッチング液ガスは、大気圧下で該基板に適用される、方法。
2. 前記方法は、連続通過プロセスとして行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記リアクタ内側の前記エッチング液送達特徴は、パージガスカーテンによって密閉される、請求項１〜２のうちのいずれかに記載の方法。
4. 前記予加熱ゾーンは、前記パージガスカーテンの内側に位置する、請求項１に記載の方法。
5. 前記基板の表面テクスチャは、その反射率を減少させ、吸収される光を増加させるように、粗面である、請求項１〜４のうちのいずれかに記載の方法。
6. 前記エッチング液ガスは、フッ素分子もしくは原子、または、熱活性化を可能にするエネルギー結合値を有する任意の他のシリコンエッチングガスである、請求項１〜５のうちのいずれかに記載の方法。
7. 前記フッ素含有ガスは、テトラフルオロメタン、トリフルオロメタン、フッ化カルボニル、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、二フッ化キセノン、フッ素元素を含む群から選択される、請求項１〜６のうちのいずれかに記載の方法。
8. 酸素またはオゾンが、前記シリコン基板または前記蒸着されたシリコン層の表面構造を所望のテクスチャに修飾するための前記方法を向上させるために付加的に提供される、請求項１〜７のうちのいずれかに記載の方法。
9. エッチングのための前記基板は、太陽光電池、シリコンウエハ、または、ガラス、ＡｌＴｉＣ、ＩＴＯ、ＦＲ４積層を含む群から選択される基板上に蒸着された層を含む群から選択される、請求項１〜８のうちのいずれかに記載の方法。
10. 光起電力（ＰＶ）素子を作製するために好適である、ガスのみ使用して制御可能な方式でシリコン基板または蒸着されたシリコン層の表面構造を修飾するための装置であって、該装置は、
    （ｉ）筐体と、
    （ｉｉ）大気リアクタと、
    （ｉｉｉ）少なくとも１つのエッチング液ガス排気プレナムと、
    （ｉｖ）可動搬送装置上に基板または蒸着された層を配置するための手段と、
    （ｖ）該基板または該蒸着された層を予加熱するための手段と、
    （ｖｉ）該エッチング液ガスを加熱するための手段と、
    （ｖｉｉ）該大気リアクタを通してエッチングするために、該基板または該蒸着された層を連続的に移動させるように適合されたコンベヤと、
    （ｖｉｉｉ）少なくとも１つのエッチング液ガスを該リアクタ内の該基板または該蒸着された層に適用することによって、該リアクタ内側のエッチング液送達モジュール下にある該コンベヤを使用して該基板を連続的に移動させるための手段と、
    （ｉｘ）該少なくとも１つのエッチング液ガスを該リアクタ内の該基板または該蒸着された層に適用する速度を制御する手段と
    を含み、
    該少なくとも１つのエッチング液ガスは、フッ素含有ガスから選択され、該大気リアクタ内の該エッチング液ガスは、ドライエッチングを行うための塩基ラジカルを産生するように加熱され、該エッチング液ガスは、大気圧下で該基板または該基板上に蒸着された層に適用される、装置。
11. 前記大気リアクタは、約室温と約４５０℃との間の温度まで加熱される、請求項１０に記載の装置。
12. 前記少なくとも１つのエッチング液ガスを前記基板または前記蒸着された層に適用する速度を制御する手段は、適用される該少なくとも１つのエッチング液ガスの流量および角度を制御することを含む、請求項１０または請求項１１に記載の装置。

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