JP5466837B2 - テクスチャーの形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば多結晶シリコン基板の表面を処理する技術に関し、特に、太陽電池用の多結晶シリコン基板の表面にテクスチャーを形成する技術に関する。

一般に、太陽電池においてセルとなるシリコン基板に太陽光が到達した場合、基板内部に進入する光と、基板表面で反射する光とに分離する。これらの光のうち基板内部に進入する光のみが光起電力効果に寄与することから、基板表面における反射率を低減するため、基板表面において多数の凹凸部分が連続するテクスチャー形状に形成するようにしている。

従来、このようなシリコン基板表面のテクスチャー化としては、ウエットエッチングによる方法（例えば、特許文献１、２）や、ドライエッチングである反応性イオンエッチングによる方法（例えば、特許文献３、４）が知られている。
上記反応性イオンエッチングにおいては、真空槽内にフッ素系ガスと塩素系ガスの混合反応ガスを導入してテクスチャーを形成することが行われている。

近年、このようなシリコン基板表面における発電面積を大きくする技術が求められているとともに、反射率のより低減も求められている。
特開２００６−３４４７６５号公報 特開２００７−１９４４８５号公報 特開２００３−１０１０５１号公報 特開２００３−１９７９４０号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、シリコン表面における発電面積を大きくするとともに、反射率のより低減が可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、真空処理槽内に処理ガスを導入し、プラズマを用いた反応性イオンエッチング法によって多結晶シリコン材料からなる処理対象物の表面をエッチングしてテクスチャーを形成する工程を有するテクスチャー形成方法であって、当該導入される処理ガスが、酸素ガス、三フッ化窒素ガス、塩素ガスを含有する混合ガスであり、前記真空処理槽内の圧力が２０Ｐａ〜５０Ｐａであるとともに、前記酸素ガスの分圧Ｐ _O2 に対する前記三フッ化窒素ガスの分圧Ｐ _NF3 の比（Ｐ _NF3 ／Ｐ _O2 ）が５以上８以下であり、前記酸素ガスの分圧Ｐ _O2 に対する前記塩素ガスの分圧Ｐ _Cl2 の比（Ｐ _Cl2 ／Ｐ _O2 ）が２５以上５０以下であるものである。

本発明の作用は詳細には不明な点もあるが、例えば以下のように考察される。すなわち、ドライエッチングの際に、処理ガスとして、三フッ化窒素ガス、塩素ガス及び酸素ガスを含有する混合ガスを真空処理槽内に導入することにより、例えば図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０のテクスチャー１０ａの凸部分表面に微細な層１１が形成される。

そして、この微細な層１１が、プラズマによるエッチングを阻止する所謂セルフマスクとして働き、これにより、例えば図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１０表面により深い微細なテクスチャー１０ａをエッチングにより形成することができる。その結果、本発明によれば、従来技術に比べてシリコン材料表面の面積を大きくすることができ、またシリコン材料表面の反射率をより小さくすることができる。

本発明によれば、従来技術に比べシリコン系処理対象物により深いテクスチャーを形成することができるので、シリコン材料表面の面積を大きくするとともに、表面反射率をより低減することができる。
さらに、本発明によれば、低反射率のシリコン材料を提供できるので、ディスプレイ装置の下地層形成技術としても有効となるものである。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するためのエッチング装置（ＲＩＥ装置）の一例の内部構成を示す概略構成図である。
図１に示すように、本実施の形態のエッチング装置１は、シリコン基板（シリコン系処理対象物）１０を収容可能な真空処理槽２を有している。この真空処理槽２は、真空排気系３に接続され、所定の圧力となるように真空排気される。

なお、真空処理槽２は、接地電位となるようにその電位が設定されている。
一方、真空処理槽２内には、シリコン基板１０を載置するためのサセプタ４が設けられている。サセプタ４の上部には印加電極４０が設けられ、この印加電極４０は、例えば真空処理槽２の外部に設けられた交流電源４１に接続されている。

一方、本実施の形態のシリコン基板１０は、多結晶シリコンからなる。本発明では、この多結晶シリコンは、太陽電池用のものを好適に用いることができる。
真空処理槽２は、それぞれ真空処理槽２の外部に設けられた三フッ化窒素ガス導入部５、塩素ガス導入部６及び酸素ガス導入部７が接続されている。

三フッ化窒素ガス導入部５は、三フッ化窒素（ＮＦ₃）ガスを供給するＮＦ₃ガス供給源５０を有している。このＮＦ₃ガス供給源５０は、流量調整弁５１を介して導入管５２が真空処理槽２に接続され、この導入管５２を介して所定量のＮＦ₃ガスを真空処理槽２内に導入するように構成されている。

塩素ガス導入部６は、塩素（Ｃｌ₂）ガスを供給するＣｌ₂ガス供給源６０を有している。このＣｌ₂ガス供給源６０は、流量調整弁６１を介して導入管６２が真空処理槽２に接続され、この導入管６２を介して所定量のＣｌ₂ガスを真空処理槽２内に導入するように構成されている。

酸素ガス導入部７は、酸素（Ｏ₂）ガスを供給するＯ₂ガス供給源７０を有している。このＯ₂ガス供給源７０は、流量調整弁７１を介して導入管７２が真空処理槽２に接続され、この導入管７２を介して所定量のＯ₂ガスを真空処理槽２内に導入するように構成されている。

図３は、本発明に係るテクスチャー形成方法の要部の一例を示す流れ図である。
本例においては、図１に示す成膜装置１を用い、シリコン基板１０上にテクスチャー１０ａを形成する場合を説明する。

まず、プロセスＰ１において、シリコン基板１０を配置した真空処理槽２内を真空排気して所定の圧力にする（例えば、４×１０^-4Ｐａ）。
次いで、三フッ化窒素ガス導入部５、塩素ガス導入部６、酸素ガス導入部７の流量調整弁５１、６１、７１をそれぞれ制御し、真空処理槽２内にＮＦ₃ガス、Ｃｌ₂ガス及びＯ₂ガスをそれぞれ所定量導入する（プロセスＰ２）。

本発明の場合、特に限定されることはないが、上述したセルフマスクの形成を確保し、シリコン基板１０上に形成されるテクスチャー１０ａの大きさを０．１〜０．８μｍ程度に制御し、さらにテクスチャー形状を均一にする観点からは、真空処理槽２内の圧力を２０Ｐａ〜５０Ｐａに設定することが好ましい。

この場合、真空処理槽２内の圧力を大きくすると、シリコン基板１０上に形成されるテクスチャー１０ａの大きさが小さくなることが本発明者の実験によって確認されている。

一方、セルフマスクを確実に形成する観点からは、前記酸素ガスの分圧Ｐ_O2に対するＮＦ₃ガスの分圧Ｐ_NF3の比（Ｐ_NF3／Ｐ_O2）が５以上８以下であり、Ｏ₂ガスの分圧Ｐ_O2に対するＣｌ₂ガスの分圧の比（Ｐ_Cl2／Ｐ_O2）が２５以上５０以下とすることが好ましい。

そして、交流電源４１を動作させ、上述した混合ガスのプラズマを生成することによってシリコン基板表面の反応性イオンエッチングを行う（プロセスＰ３）。
エッチング中は、ＮＦ₃ガス、Ｃｌ₂ガス及びＯ₂ガスを導入しつつ排気を行いながら、真空処理槽２内の圧力を維持する。

本発明の場合、特に限定されることはないが、セルフマスク形成及びイオンエネルギーの観点からは、印加電極４０に対して印加する電力の周波数を数１００ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下とすることがより好ましい。
この場合、印加電力のパワーは、１．５ｋＷ〜２．５ｋＷである。

また、本発明の場合、特に限定されることはないが、テクスチャーの大きさとＳｉ格子に与えるダメージ低減の観点からは、印加電極４０に対して印加する時間（エッチング時間）を３〜６分に設定することがより好ましい。
なお、本発明によるエッチングは、シリコン基板１０を加熱せず常温で行う。

以上述べた本実施の形態によれば、従来技術に比べシリコン基板１０により深いテクスチャー１０ａを形成することができるので、シリコン基板１０表面の面積を大きくするとともに、表面反射率をより低減することができる。
さらに、低反射率のシリコン材料を提供できるので、ディスプレイ装置の下地層形成技術としても有効となる。

なお、本発明は多結晶シリコンのみならず、単結晶シリコンを用いる場合にも適用することができる。
ただし、シリコン材料のテクスチャーの形状制御の困難さを鑑みれば、多結晶シリコンに適用する場合に最も有効となるものである。
また、本発明は、太陽電池用シリコン材料のみならず、例えばディスプレイ装置等の下地層にも適用することができる。

以下、本発明の実施例について、比較例とともに詳細に説明する。
＜実施例＞
図１に示すエッチング装置を使用し、真空処理槽内に、ＮＦ₃ガス、Ｃｌ₂ガス、Ｏ₂ガスを導入し、反応性イオンエッチングにより、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの多結晶シリコン基板上にテクスチャーを形成した。

この場合、各処理ガスの導入量は、ＮＦ₃ガス１２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂ガス７５０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス１５ｓｃｃｍとし、真空処理槽内の圧力を３５Ｐａに保持した。
また、印加電極に印加する電力は、１．５ｋＷ（周波数：１３．５６ＭＨｚ）とし、３分間エッチングを行った。

＜比較例＞
図１に示すエッチング装置を使用し、真空処理槽内に、ＳＦ₆ガス５０ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂ガス２５０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス１０ｓｃｃｍを導入し、反応性イオンエッチングにより、実施例と同一のシリコン基板上にテクスチャーを形成した。
この場合、真空処理槽内の圧力を３５Ｐａに保持した。
また、印加電極に印加する電力は、１．５ｋＷ（周波数：１３．５６ＭＨｚ）とし、４分間エッチングを行った。

図４（ａ）〜（ｄ）は、実施例によって形成されたテクスチャーの電子顕微鏡写真であり、図４（ａ）は基板中心部、図４（ｂ）は基板中心部を５倍拡大して示すもの、図４（ｃ）は基板端部、図４（ｄ）は基板端部を５倍拡大して示すものである。
図５（ａ）〜（ｄ）は、比較例によって形成されたテクスチャーの電子顕微鏡写真であり、図５（ａ）は基板中心部、図５（ｂ）は基板中心部を５倍拡大して示すもの、図５（ｃ）は基板端部、図５（ｄ）は基板端部を５倍拡大して示すものである。

図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、実施例によるテクスチャーは、比較例によるテクスチャーに比べて微細で深い凹凸構造となっており、また、基板の中心部と端部間においてテクスチャーサイズが均一であることが観察される。
以上の結果より、本発明の効果を確認することができた。

本発明を実施するためのエッチング装置（ＲＩＥ装置）の一例の内部構成を示す概略構成図 本発明に係るテクスチャー形成方法の原理を模式的に示す説明図 本発明に係るテクスチャー形成方法の要部の一例を示す流れ図 （ａ）〜（ｄ）：実施例によって形成されたテクスチャーの電子顕微鏡写真 （ａ）〜（ｄ）：比較例によって形成されたテクスチャーの電子顕微鏡写真

符号の説明

１…エッチング装置、２…真空処理槽、５…三フッ化窒素ガス導入部、６…塩素ガス導入部、７…酸素ガス導入部、１０…シリコン基板、１０ａ…テクスチャー、４１…交流電源、２０…プラズマ

Claims (1)

1. 真空処理槽内に処理ガスを導入し、プラズマを用いた反応性イオンエッチング法によって多結晶シリコン材料からなる処理対象物の表面をエッチングしてテクスチャーを形成する工程を有するテクスチャー形成方法であって、
   当該導入される処理ガスが、酸素ガス、三フッ化窒素ガス、塩素ガスを含有する混合ガスであり、
   前記真空処理槽内の圧力が２０Ｐａ〜５０Ｐａであるとともに、
   前記酸素ガスの分圧Ｐ _O2 に対する前記三フッ化窒素ガスの分圧Ｐ _NF3 の比（Ｐ _NF3 ／Ｐ _O2 ）が５以上８以下であり、前記酸素ガスの分圧Ｐ _O2 に対する前記塩素ガスの分圧Ｐ _Cl2 の比（Ｐ _Cl2 ／Ｐ _O2 ）が２５以上５０以下であるテクスチャー形成方法。