JP2006332509A - 粗面化法 - Google Patents

Abstract

【課題】
基体又は基体群、特に太陽電池に用いられるシリコン基板の表面全面に凹凸を効率よく均一に形成する基体の粗面化法を提供することを目的とする。
【解決手段】
基体又は基体群の表面をドライエッチング法で粗面状にする粗面化法において、前記基体又は基体群の周囲に、前記基体と同成分からなる部材を備え、前記基体又は基体群の表面よりも前記部材の上端部の方が高い位置とした第１工程を含むようにした。
【選択図】
図４

Description

本発明は粗面化法に関し、特に基体の位置ずれを制御した粗面化法に関する。

太陽電池は表面に入射した太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。この電気エネルギーへの変換効率を向上させるため、従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに基板の表面に照射された光の反射を少なくする技術があり、基板の表面に照射された光の反射を低減することで電気エネルギーヘの変換効率を高めることができる。

太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型シリコン太陽電池は基板の品質がよいため、高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが大きいという短所を有する。それに対し、多結晶型シリコン太陽電池は基板品質が劣るために高効率化が難しいという弱点はあるものの、低コストで製造できるというメリットがある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。

一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったために、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、基板の薄型化とともに、より高い変換効率が求められるようになった。

シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合に、基板の表面を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液でエッチングすると、基板の表面に微細な凹凸が形成され、基板の表面の反射をある程度低減させることができる。

例えば、面方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いた場合は、このような方法でテクスチャー構造と呼ばれるピラミッド構造を基板の表面に均一に形成することができるものの、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、アルカリ水溶液によるエッチングでは結晶の面方位に依存することから、ピラミッド構造を均一には形成できず、全体の反射率も効果的には低減できないという問題がある。

このような問題を解決するために、太陽電池素子を多結晶シリコン基板で形成する場合に、基板の表面に微細な突起を反応性イオンエッチング（Reactive IonEtching）法で形成することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。すなわち、多結晶シリコンの不規則な結晶の面方位に左右されずに、その表面に微細な突起であるテクスチャー構造を均一に形成し、多結晶シリコンを用いた太陽電池素子であっても、反射率をより効果的に低減しようとするものである。

しかしながら、凹凸形成の条件は非常に微妙であり、また、装置の構造によっても変化するため、条件の検討は非常に難しいことが多い。シリコン表面に微細な突起を均一に形成できない場合は、太陽電池の光電変換効率が低下する。すなわち、太陽電池素子の特性を上げるためには、シリコン表面に微細な突起を均一に形成し、太陽電池の変換効率を向上させることが望ましい。

ここで、反応性イオンエッチング法で用いられる反応性イオンエッチング装置は一般に平行平板電極型をしており、基板を設置している電極の側にＲＦ電圧を印加し、他の一方の側及び内部の側壁をアースに接続してある。この容器内部を真空ポンプで真空引きし、真空引き完了後、エッチングガスを導入し、圧力を一定に保持しながら内部の被エッチング基板をエッチングする。このような手順を踏むことから、反応性イオンエッチング装置では真空引き及び大気リークの待ち時間が多い。また、反応性イオンエッチング装置はＬＳＩなどの精密な小型半導体素子に用いられる場合が多いが、太陽電池に用いる際には太陽電池自身の面積が大きいため、１回あたりの処理枚数が少なく、コストが高くなるという問題があった。そのため反応性イオンエッチング装置を太陽電池製造工程に用いる場合には、いかに高タクトで処理を行うかも重要なポイントである。

これまで、反応性イオンエッチングで表面に形成される残渣をマスクとして用いるエッチング法が検討されてきた（例えば特許文献２参照）。これにより凹凸形成速度が向上するが、被エッチング基板の周囲は凹凸が形成されないという問題があった。

図７に従来のエッチング処理を経たシリコン表面の上視図を示す。図７において、１０１はシリコン基板、１０４ａはエッチングが不十分な部分、１０４ｂはエッチングが均一に形成された部分を示す。エッチングが不十分な部分１０４ａには、エッチング処理中によって十分なシリコン化合物（残渣）が生成されず、シリコン基板の中央と比較すると不十分なエッチングとなる。

そこで、シリコン基板の周囲に基板と同一の材質からなるダミーのシリコン片を配置することにより、シリコン基板の周囲にも凹凸を形成させるようにした。（例えば特許文献３参照）
特開平９−１０２６２５号 公報 特開２００２−７６４０４号 公報 特開２００２−３２９７１０号 公報

しかしながら、この方法ではエッチングされるシリコン基板はダミーのシリコン片と５ｍｍ以下に近接させて配設する必要がある。このように５ｍｍ以下に近接させてエッチングされる基板を配設することは、トレイや装置が小さいときは比較的容易であるが、大面積になってくると困難になるため、位置決めの精度が重要となり、シリコン基板とシリコン片との距離が長い場合にはシリコン基板のエッチングが不十分な領域が存在し、基板表面に凹凸を均一に形成することができないといった問題があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、基体又は基体群、の表面全面に凹凸を効率よく均一に形成した基体又は基体群の粗面化法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る基体又は基体群の粗面化法では、基体又は基体群の表面をドライエッチング法で粗面状にする粗面化法において、前記基体又は基体群の周囲に、前記基体と同成分からなる部材を備え、前記基体又は基体群の表面よりも前記部材の上端部の方が高い位置とした第１工程を含むようにした。

そして、請求項２に係る基体又は基体群の粗面化法は、請求項１に係る基体又は基体群の粗面化法であって、前記第１工程は、前記基体又は基体群が載置されたプレートの周囲に、溝部を有するとともに、この溝部に前記部材を固定するようにした。

また、請求項３に係る基体又は基体群の粗面化法は、請求項１に係る基体又は基体群の粗面化法であって、前記第１工程は、前記基体又は基体群が載置されたプレートに、前記基体又は基体群が並設される凹部を備えるようにした。

以上のように、本発明に係る基体の粗面化法は、基体又は基体群の表面をドライエッチング法で粗面状にする粗面化法において、前記基体又は基体群の周囲に、前記基体と同成分からなる部材を備え、前記基体又は基体群の表面よりも前記部材の上端部の方が高い位置とした第１工程を含むようにした。この結果、この基体の表面よりも高い位置に、部材の上端部を備えることで、部材が位置決めの役割を果たすため、基体を部材近傍に載置しやすくなり、また、部材が基体と同成分であるため、基体の表面に均一なエッチング残渣を付着させることが可能となる。また、基体の位置ずれを抑制することも可能となる。この結果、基体又は基体群の表面を均一に粗面化することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。文中、便宜的に基体の一つとして、シリコン基板を例に挙げて説明する。

図１は本発明の方法を用いて形成される太陽電池素子を示す図である。図１において１はシリコン基板、１ａは表面凹凸構造、１ｂは表面側不純物拡散層、１ｃは裏面側不純物拡散層（ＢＳＦ）、１ｄは反射防止膜、１ｅは表面電極、１ｆは裏面電極を示している。

シリコン基板１は単結晶もしくは多結晶のシリコン基板である。この基板はｐ型、ｎ型いずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを１０ｃｍ×１０ｃｍもしくは１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断し、３００μｍ程度の厚みにスライスしてシリコン基板１となる。

シリコン基板１の表面側には、入射した光を反射させずに有効に取り込むために微細な表面凹凸構造１ａを形成する。これは、真空引きされたチャンバー内にガスを導入し、一定圧力に保持して、チャンバー内に設けられた電極にＲＦ電力を印加することでプラズマを発生させ、生じた活性種であるイオン・ラジカル等の作用により基板の表面をエッチングするものである。

図２および図３に、本発明にかかるドライエッチング法の一つである反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法の構造を示す。図２及び図３において、２ａはマスフローコントローラー、２ｂはシリコン基板、２ｃはＲＦ電極、２ｄは圧力調整器、２ｅは真空ポンプ、２ｆはＲＦ電源である。装置内にマスフローコントローラー２ａ部分からエッチングガスとエッチング残渣生成用ガスを導入するとともに、ＲＦ電極２ｃでプラズマを発生させてイオンやラジカルを励起活性化して、ＲＦ電極２ｃの上部に設置されたシリコン基板２ｂの表面に作用させてエッチングする。図２に示す装置では、ＲＦ電極２ｃを装置内に設置して一枚のシリコン基板２ｂの表面をエッチングするが、図３に示す装置のように、ＲＦ電極２ｃを装置の外壁に設置して複数枚のシリコン基板２ｂの表面を同時にエッチングしてもよい。

発生した活性種のうち、イオンがエッチングに作用する効果を大きくした方法を一般に反応性イオンエッチング法と呼んでいる。類似する方法にプラズマエッチングなどがあるが、プラズマ発生の原理は基本的に同じであり、基体に作用する活性種の種類の分布をチャンバー構造あるいは電極構造・発生周波数等により異なる分布に変化させているだけである。そのため、本発明は反応性イオンエッチング法だけに限らず、例えばプラズマＣＶＤなど広くプラズマ処理方法に対して有効である。

本発明では、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ_３）を２０ｓｃｃｍ、塩素（Ｃｌ_２）を５０ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ_２）を１０ｓｃｃｍ、ＳＦ_６を８０ｓｃｃｍ、さらにこれらに加えてＨ₂Ｏを１ｓｃｃｍ流しながら、反応圧力７Ｐａ、プラズマを発生させるＲＦパワー５００Ｗで３分間程度エッチングする。これによりシリコン基板の表面には凹凸構造が形成される。エッチング中はシリコンがエッチングされて基本的には気化するが、一部は気化しきれずに分子同士が吸着して基板の表面に残渣として残る。

また、ガス条件、反応圧力、ＲＦパワーなどの凹凸形成条件をエッチング後にシリコンの残渣がシリコン基板の表面に残るような条件に設定すると、凹凸を確実に形成することができる。ただし、その凹凸のアスペクト比に関しては、条件により最適化が必要である。逆に、基板の表面に残渣が残らないような条件ではいかなる条件でも凹凸を形成することは不可能である。

本発明では、基体又は基体群の表面をドライエッチング法で粗面状にする粗面化法において、この基体又は基体群の周囲に基体と同成分からなる部材を備え、且つ基体又は基体群の表面よりも部材の上端部の方が高い位置とした第１工程を含むようにした。

このように、基体と同成分からなる部材の上端部を基体又は基体群の表面よりも高い位置で周囲に配置することにより、部材が位置決めの役割を果たし、基体を部材近傍に載置しやすくなり、また、部材が基体と同成分であるため、基体の外周部にもエッチング残渣を付着させることが可能となる。さらに、部材の上端部が基体の表面よりも高い位置にあるため部材がガイドの役割を果たし、基体の位置ずれを抑制することも可能となり、基体の近傍には他の基板や部材が存在することとなる。この結果、基体又は基体群の表面を均一に粗面化することができる。また、部材の上端部と基体表面との距離を５ｍｍ以下とすれば、基体又は基体群の表面をより均一に粗面化することができる。

図４に本発明に係る粗面化法の一例を示す。図４において５ａは基体、５ｂは部材を示す。図４（ｂ）に示されるように、部材５ｂの厚みを基体５ａの厚みよりも厚くすることによって、部材の上端部が基体５ａ又は基体群の表面よりも高い位置にあるため、部材５ｂが位置決めの役割を果たすことができる。また、このような部材を用いることによって、従来よりも部材５ｂの重量が増すため、搬送時に生じる振動等の影響により部材５ｂが動くことが防止される。さらに、部材の上端部が基体５ａの表面よりも高い位置にあるので、部材５ｂにより基体５ａの位置ずれも防止でき、この結果、基体５ａ又は基体群の表面を均一に粗面化することができる。また、部材５ｂは特に接着剤などで固定する必要もない。

また、基体５ａは太陽電池用のシリコン基板に限ることはなく、例えばガラス基板などにも適宜応用することができる。

図５に本発明に係る粗面化法の他の例を示す。図５において、５ａは基体、５ｂは部材、６はプレート、７は溝部を示す。上述した第１工程において、ＲＦ電極上２ｃにプレート６を配し、基体５ａ又は基体群が載置されたプレート６の周囲に溝部７を有するとともに、この溝部７に部材５ｂを固定することが好ましい。

この溝部７に部材５ｂを備えることで、部材５ｂを確実に固定することができるため部材５ｂによる位置決めの効果が高く、また基体５ａの位置ずれに対しても大きな効果が得られる。

プレート６は、ガラス系の材質やアルミニウムなどが使用される。プレート６の加工方法としては、特に限定されないが、プレート６が金属からなる場合にはプレス加工して溝部７を設けても構わないし、またその他の材質からなる場合は切削して溝部７を形成しても構わない。さらには、溝部７が設けられた別部材を作製して、その別部材をプレート６に固定してもよい。

図６に本発明に係る粗面化法の他の例を示す。図６において、５ａは基体、５ｂは部材、６はプレート、８は凹部を示す。図６に示す通り、プレート６に基体５ａ又は基体群が並設される凹部８を備えることが好ましい。この凹部８に基体５ａ又は基体群を並設させることで、部材の上端部が基体５ａ又は基体群の表面よりも高い位置にあるため、部材５ｂが位置決めの役割を果たすことができ、また基体５ａの位置ずれに対しても大きな効果が得られる。

図６に示すような凹部８に基体５ａ又は基体群を並設した場合、その周囲に配置した部材５ｂはシリコン片であってもよいし、シリコン基板の厚みより厚いシリコンブロックであってもよい。さらには、シリコンの溶射を行うことにより、プレート６にシリコンが固着するため部材５ｂを確実に固定でき、位置決めの効果が高くなる。

上述の第１工程を経た後の基体５ａ又は基体群の表面には、微細な凹凸１ａが形成される。この微細な凹凸１ａは円錐形もしくはそれが連なったような形状を呈し、ＲＩＥ法によりガス濃度もしくはエッチング時間を制御することにより、その大きさを変化させることができる。この微細な凹凸１ａの幅と高さはそれぞれ２μｍ以下に形成される。この微細な凹凸１ａをシリコン基板１の必要部分全面にわたって均一且つ正確に制御性を持たせて形成するためには、１μｍ以下が好適である。この微細な凹凸１ａのアスペクト比（凹凸１ａの高さ／幅）は、２以下であることが望ましい。このアスペクト比が２以上の場合、製造過程で微細な凹凸１ａが破損し、太陽電池セルを形成した場合にリーク電流が大きくなって良好な出力特性が得られない。

そして、反応性イオンエッチング装置あるいは類似のプラズマエッチング装置で基体５ａ又は基体群の表面に凹凸形成を行った後、基体５ａの表面に残ったエッチング残渣を除去する。さらに、形成された残渣を除去した凹凸構造を有することで、太陽電池の特性を向上させることができる。エッチング残渣を除去する方法として、例えば反応性イオンエッチング装置あるいは類似のプラズマエッチング装置によって凹凸を形成して基体５ａを取り出した後に水槽内で超音波をかける。この超音波を印加する装置の種類としては、通常市販されている主な洗浄用超音波装置の周波数は数十ｋＨｚから数百ｋＨｚで、印加する振動子も材質、形状、出力などが様々なタイプがあるが、この装置のタイプは表面の残渣除去の容易さによって選択することができる。残渣除去の容易さは凹凸の形状・大きさ・残渣の残量・基体５ａの厚みなどによっても変化し、さらに超音波の周波数によっても変化するが、比較的残渣の除去が困難な条件であっても印加時間を長くすることで残渣の除去が可能である。

また、シリコン基板１の表面側には、逆導電型半導体不純物が拡散された表面側不純物拡散層１ｂが形成されている。この表面側不純物拡散層１ｂは、シリコン基板１内に半導体接合部を形成するために設けるものであり、例えばｎ型の不純物を拡散させる場合、ＰＯＣｌ_３を用いた気相拡散法、Ｐ_２Ｏ_５を用いた塗布拡散法、及びｐ^＋イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成される。この表面側不純物拡散層１ｂは０．３〜０．５μｍ程度の深さに形成される。

このシリコン基板１の表面側には、反射防止膜１ｄが形成されている。この反射防止膜１ｄは、シリコン基板１の表面で光が反射するのを防止して、シリコン基板１内に光を有効に取り込むために設ける。この反射防止膜１ｄは、シリコン基板１との屈折率差等を考慮して、屈折率が２程度の材料で構成され、厚み５００〜２０００Å程度の窒化シリコン膜や酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜などで構成される。

シリコン基板１の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された裏面側不純物拡散層１ｃを形成することが望ましい。この裏面側不純物拡散層１ｃは、シリコン基板１の裏面近くでキャリアの再結合による効率の低下を防ぐために、シリコン基板１の裏面側に内部電界を形成するものである。

シリコン基板１の表面側および裏面側には、表面電極１ｅおよび裏面電極１ｆが形成されている。この表面電極１ｅ及び裏面電極１ｆは主にＡｇ紛、バインダー、フリットなどからなるＡｇペーストをスクリーン印刷して焼成して形成される。

本発明の実施形態は上述の例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もちろんである。図８は、本発明に係る他の実施形態の断面を示す構造図である。図８において、５ａは基体、５ｂは部材、６はプレート、９はパッドである。上述の例では平坦なプレート６に基体５ａを載置していたが、図８に示されるように基体５ａの下に基体固定用のパッド９を配置してもよい。このようにすることによって、搬送時に生じる振動等の影響により基体５ａがずれるのを防止することができ、基体５ａの表面を均一に粗面化することができる。

図９、図１０に本発明に係る基体を斜めに載置した図を示す。図９において、５ａは基体、５ｂは部材、６はプレート、７は溝部である。また、図１０において、５ａは基体、５ｂは部材、６はプレート、７は溝部、９はパッドである。

このように、図９、１０に示されるように基体５ａを傾けて載置しても構わない。５００μｍ程度の高低差をつけて基体５ａを載置することによって、基体５ａにずれが生じても基体５ａ同士が重なる問題や、またずれた際にも一方向にずれるため基体５ａ同士の間隔が開いてしまう問題を防止することができ、基体５ａの表面を均一に粗面化することが可能となる。図９のようにプレート６の表面自体に傾きを設けても構わないし、図１０のようにパッド９に高低差をつけて載置しても構わない。さらに、基体５ａ載置面にすべり易い材質を設けて、故意に基体５ａを一方向に滑らせても構わない。例えば、基体５ａが太陽電池素子用シリコン基板であった場合には、コスト削減の観点からシリコン基板の厚みが１００〜２００μｍという厚さとなる。この程度の厚みを有する基体５ａなどは、重量が軽いためにずれやすいので上記方法を行うことにより基体５ａのずれを防止する効果は大きくなる。また、上記方法はエッチング装置に限らず、複数枚の基体５ａを搬送する搬送機構を備えた基体処理装置にも併用することができる。

さらに、図１１に本発明に係る他の実施形態を示す。図１１中、５ａは基体、５ｂは部材、６はプレート、７は溝部である。図１１に示されるように部材５ｂをＬ字型に加工して、基体５ａを部材５ｂに重ねて載置しても構わない。このように載置することによって、基体５ａの表面をより均一に粗面化することが可能となる。

また、図３から図６において、基体５ａ同士や、基体５ａと部材５ｂとが距離を有して配置されているが、この距離は５ｍｍ以下であるほうが好ましく、さらにこの距離がない方が好ましい。

本発明に係る基体及び基体群の粗面化法を太陽電池セルの製法に適用した例を示す図である。 本発明に係る基体及び基体群の粗面化法に用いる反応性イオンエッチング装置の一例を示す図である。 本発明に係る基体及び基体群の粗面化法に用いる反応性イオンエッチング装置の他の例を示す図である。 （ａ）本発明に係る一実施形態を示す上視図である。

（ｂ）本発明に係る一実施形態を示す断面を表す構造図である
本発明に係る他の実施形態の断面を表す構造図である。 本発明に係る他の実施形態の断面を表す構造図である。 従来の凹凸形成により凹凸不十分な部分が存在している状態のシリコン基板の表面の模式図である。 本発明に係る他の実施形態の断面を表す構造図である。 本発明に係る他の実施形態の断面を表す構造図である。 本発明に係る他の実施形態の断面を表す構造図である。 本発明に係る他の実施形態の断面を表す構造図である。

符号の説明

１；シリコン基板
１ａ；表面凹凸構造
１ｂ；表面不純物拡散層
１ｃ；裏面不純物拡散層
１ｄ；反射防止膜
１ｅ；表面電極
１ｆ；裏面電極
２ａ；マスフローコントローラー
２ｂ；シリコン基板
２ｃ；ＲＦ電極
２ｄ；圧力調整器
２ｅ；真空ポンプ
２ｆ；ＲＦ電源
５ａ；基体
５ｂ；部材
６ ；プレート
７ ；溝部
８ ；凹部
９ ；パッド
１０１；シリコン基板
１０４ａ；エッチング不十分な部分
１０４ｂ；エッチングが均一形成されている部分

Claims (3)

1. 基体又は基体群の表面をドライエッチング法で粗面状にする粗面化法において、
   前記基体又は基体群の周囲に、前記基体と同成分からなる部材を備え、前記基体又は基体群の表面よりも前記部材の上端部の方が高い位置とした第１工程を含む粗面化法。
2. 前記第１工程は、前記基体又は基体群が載置されたプレートの周囲に、溝部を有するとともに、この溝部に前記部材を固定した請求項１に記載の粗面化法。
3. 前記第１工程は、前記基体又は基体群が載置されたプレートに、前記基体又は基体群が並設される凹部を備えた請求項１に記載の粗面化法。

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