JP2012515453A - 多孔質シリコン電解エッチングシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

光電（ＰＶ）ソーラーセル装置アーキテクチュアの大量生産のための高生産性で且つ所有コストが低い製造装置を提供することが、本開示の目的である。気相原料シリコンを使用することによって、現存する技術と比較して、材料処理ステップ及び材料コストを低減することが、本開示のさらなる目的である。本開示は、気相基板成長プロセスに適合する犠牲基板ベース層の製造を教示する。多孔質シリコンが、本開示で犠牲層として使用される。さらに、本開示は、犠牲多孔質シリコンＰＶセル基板ベース層を製造する装置を提供する。

Description

本開示は、ソーラーセル及び製造方法に関する。より具体的には、本開示は大量多孔質シリコンプロセスに関する。

ソーラーセル産業では、既知の高効率技術は通常、広範囲で且つ高コストのプロセスステップを使用して製造される半導体グレードの単結晶シリコンウエハを使用する。

現在のところ、且つ予測可能な将来において、高コストの高品質バルク単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）は、全ての競合する高効率ｃ−Ｓｉ技術がクリティカルな「グリッドパリティ」コスト閾値に到達することを妨げるコストバリアになるであろう。

現存する技術は、インゴットスライシング、機械的ラッピング、化学エッチング、及び化学的機械的研磨のような一連の高精度の減算的プロセスを使用して基板に処理される高価なＣＺ又はＦＺ単結晶シリコンインゴットから製造される半導体グレードの基板の供給に依存する。

半導体グレードのシリコン基板の本質的なコストは、高価な基板準備ステップと組み合わされた高程度のシリコンコストのために、競合するｃ−ＳｉのＰＶ技術がグリッドパリティコストに到達することを妨げ得る。

米国特許第５，３４８，６１８号明細書

したがって、光電（ＰＶ）ソーラーセル装置の大量生産のための高生産性で且つ所有コストが低い製造装置を提供することが、本開示の目的である。

本開示のＰＶソーラーセルアーキテクチュアは、現在の高効率セルの製造にて使用されるものよりもはるかに低コストで、原料シリコン材料の１５％程度の少量を消費しながら、２０％を超える最高クラスの効率をもたらし得る。

気相原料シリコンを使用することによって、現存する技術と比較して、材料処理ステップ及び材料コストを低減することが、本開示のさらなる目的である。

本開示は、開示されたプロセスを使用して、気相原料シリコンからＰＶセル基板を、１００％に近い原料材料の利用率で実質的に仕上げられた形状に成長することによって、高効率及び低コストを達成する。

現時点で開示されている基板成長プロセスは、高効率の光トラップＰＮ接合構造の形成を通して効率を向上し得る３次元に製造された基板又は２次元基板のその場形成を可能にする。

本開示は、気相基板成長プロセスに適合する犠牲基板ベース層の製造を教示する。多孔質シリコンが、本開示で犠牲層として使用される。

さらに、本開示は、非常にコスト効果的で且つ効率的な単結晶シリコンＰＶソーラーセルの製造で手助けとなり得る犠牲多孔質シリコンＰＶセル基板ベース層を製造する装置を提供する。

多孔質シリコンプロセスは、バルクシリコン表面の電気化学エッチングを使用して、制御された厚さの非常に多孔質のシリコン層、又は多孔質シリコン層システムと称される複数の多孔質シリコン層のスタックを製造する。膜の多孔性はシリコンに対するオープン孔の体積比を２０％〜７０％に制御し得て、且つ厚さは０．２μｍから５μｍを超えるように制御され得る。

電気化学反応は、金属仕上げ産業でしばしば「陽極酸化」と呼ばれるプロセスに類似している。基本的な反応は、図２及び図３に示されている。

多孔質シリコン層システムは、２つの主要な機能を提供し得る。１）多孔質シリコンは、前述の気相単結晶シリコンセル基板がその上に成長される犠牲ベースを提供する。及び、２）多孔質シリコンは、単結晶シリコンセル基板の成長後に、非常に選択的なエッチプロセス、制御された機械的プロセス、又は化学的及び機械的プロセスの組み合わせを使用して除去され、これが、そこから多孔質シリコン層が最初に形成されたバルクシリコンウエハからのセル基板のリリースをもたらす結果となる。

開示された主題のこれらの及びその他の効果、ならびに付加的な新規な特徴は、ここに提供された記述から明らかになるであろう。この要約の目的は、主題の包括的な記述であることではなく、むしろ主題の機能性のいくつかの短い概観を提供することである。ここに提供される他のシステム、方法、特徴、及び効果は、以下の図面及び詳細な記述の検討によって、当業者に明らかになるであろう。この記述に含まれる全てのそのような付加的なシステム、方法、特徴、及び効果が、特許請求項の範囲内にあることが意図される。

開示された主題の特徴、性質、及び効果は、以下に与えられている詳細な記述から、同様の参照番号が同様の特徴を示している図面とともに参照されると、より明らかになるであろう。

ベーステンプレート、多孔質シリコン層、及び基板構成のある実施形態の断面図を示す図である。 陽極酸化プロセスを示す図である。 陽極酸化プロセスを示す図である。 多孔質シリコン層又は多孔質シリコン層システムの写真を与える図である。 ３Ｄ基板の写真を与える図である。 ３Ｄ薄膜基板を生成するための例示的なプロセスを与える図である。 静止液浸タンクの実施形態の断面図を与える図である。 静止液浸タンクの実施形態の上面図を与える図である。 ウエハパレットの等大図を与える図である。 ３つのウエハパレットの等大図を与える図である。 パレット化された液浸タンクの上面図を与える図である。 パレット化された液浸タンクの断面図を与える図である。 パレット化された液浸タンクの等大図を与える図である。 ２つの電解チャンバの断面図を与える図である。 電解チャンバを例証するパレット化された液浸タンクの断面図を与える図である。 電解チャンバを例証するパレット化された液浸タンクの等大図を与える図である。 電解セル及びシリコンウエハの断面図を与える図である。

以下の記述は限定的な意味で取られるべきではなく、本開示の一般的な原理を記述する目的で行われている。本開示の範囲は、特許請求項を参照して決定されるべきである。本開示の例示的な実施形態は図面に描かれており、同様の数字が、様々な図面の同様の及び対応する構成要素を参照するために使用されている。

本開示は、多孔質シリコンを犠牲層として使用するＰＶセル基板の製造プロセスの流れを提示する。

このシステムは、ＰＶセルの製造をサポートする許容可能な質を有する多孔質シリコン膜を製造し得る。図１〜６は、一般的にＰＶセルの製造に関している。

図１は、本開示の犠牲多孔質シリコンリリース層を使用してソーラーセルを生成するプロセスにおけるステップを示す。バルクｐ形シリコンウエハ１０は、例えば深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって又は化学的エッチングによって、そこにパターニングされたトレンチ１１を有する。それから、多孔質シリコン層１２が本開示の教示にしたがって生成された。最後に、ソーラーセル基板１４が、気相原料シリコンから層１２の上にエピタキシャル的に成長された。

図２は、陽極酸化を通して多孔質シリコンの層を形成するための電気化学セルの模式図を示す。ウエハ２０が、電解槽２２に、陽極２４と陰極２６との間に置かれる。ある実施形態では、電解槽２２はＨＦ／ＩＰＡであり得る。多孔質シリコン膜は、電流がシステムを流れるにつれてウエハの正面側２８に生成され、多孔質シリコンはウエハの裏側２７には形成されない。電流がシステムを流れるにつれて、水素ガスが陰極２６及びウエハの裏側２７で発生し得て、酸素ガスは陽極２４及びウエハの正面側２８で発生し得る。

図３は、図２の電気化学セルの異なる点における電圧降下のグラフ３５を示す。水平軸３０は、軸方向の位置をインチ単位で示す。ウエハ２０は原点、水平軸３０上の０インチにある。垂直軸３２は電位をボルト単位で示す。グラフ３５は、電圧降下が両電極及びウエハ２０の両面で存在することを示している。

図４は、本開示にしたがって生成された多孔質シリコン層の電子顕微鏡写真を示す。

図５は、本開示にしたがって多孔質シリコン犠牲層を使用することによって生成された、出来上がったソーラーセル基板を示す。

図６は、これらのセルを生成するための基本的プロセスの流れを描いている。ステップ６１にて、バルクｐ形ウエハ１０は正面側のリソグラフィ及びＤＲＩＥ（ドライ反応イオンエッチング）を受ける。リソグラフィはレジストの層７１を残し、ＤＲＩＥはトレンチ１１を生成する。

ステップ６２にて、レジスト７１がウエハ１０から剥離され、ウエハ１０がクリーニングされる。それから、多孔質シリコンの犠牲層システム１２がウエハ１０の正面側に成長される。

ステップ６３にて、ソーラーセル基板１４が犠牲層システム１２の上にエピタキシャルに成長される。ステップ６４にて、基板１４は正確なサイズ（ある実施形態では５インチ四方）にダイシングされ、その裏側が（ある実施形態では約２６０μｍに）ラッピングされる。

ステップ６５にて、犠牲層システム１２が選択的にエッチングされ、基板１４をウエハ１０からリリースする。

本開示は、多孔性及びエッチレートに対するアニーリング条件及びいくつかのエッチ化学物質との適合性の可変レベルで取り扱われた膜のキャラクタライゼーションに焦点を置いている。

本開示は、ＰＶセル大量製造にスケーリングされることができ且つ毎時１５００〜２０００基板のオーダの非常に高いウエハスループットをもたらすことができる高品質の多孔質シリコン電解エッチングプロセスを発展するために使用される多孔質シリコンプロセスシステムを教示する。

これらのウエハスループットを達成するために、本開示は、現在のシングルウエハで円筒状のシールされた電解質「チャンバ」構成から、シリコン電解エッチングプロセスのためのオープンセルの非閉じ込め又は適切に閉じ込められたマルチウエハ液浸構成への移行を教示する。この移行は、高スループットで所有コストが低いインラインコンベアスタイルのウエハハンドリング及び輸送を可能にし得る。

シリコンウエハは、周囲の電解質よりも高い抵抗を有し得るので、ウエハを通らない導通路が利用可能であれば、電流はウエハに影響を与えることなく電解質を流れ得る。これより、ウエハを通らないそのような導通路を排除することが、本開示の目的である。シリコンウエハを通る以外の電気化学的導通路を孤立化するウエハ輸送パレットは、電界がシリコンウエハのみを通るようにさせ得る。

図７は、いくつかのウエハを同時に陽極酸化するように設計された静止液浸タンク（ウエハはそのタンク内では動かない）のある実施形態の断面図を示す。複数のウエハ１０が電解質の中に沈められて、電極２４及び２６が、それらを通って電流を流す。

図８は、同様の静止液浸タンクの実施形態の上面図を示す。示されているように、このタンクは、ウエハ１０が、頂部及び底部（図示せず）とともにその側壁８１でのシールを形成するようなサイズにされ得る。そのような設計は、ウエハを通らない導通路を低減し得て、電流がウエハを通って流れるようにさせる。図７及び図８に示されている静止液浸タンクの設計では、電極電圧は、単一のウエハを陽極酸化するために必要とされる電圧に対して劇的に増加させられる必要があり得る。ウエハは電気的に直列に接続されているので、電極電圧は、タンク内のウエハの数にほぼ比例してスケーリングされ得る。

パレット化されたウエハのハンドリングは、図７及び図８の静止液浸タンクの方法、ならびに当該技術で既知の他の方法よりも高いレートのウエハスループットを可能にし得る。本開示のパレットは、液浸電解エッチングプロセスを通ってウエハを輸送するため、及び電解エッチングされているウエハの正面側に直接に接続する必要なしにセルの正負の電極間の電気化学的分離を提供するための両方のために、使用され得る。

本開示に従ったパレットの実施形態９０は、図９に示されている。パレット９０は、ウエハにフィットするサイズにされた傾斜状円形開口９１を含む。それはまた、トラックにフィットして、本開示の装置を通るその経路上にパレットをガイドするために使用されるホイール９２も含み得る。パレット９０は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）のような非導電性材料から構成され得る。図１０に示されているように、パレット化された液浸タンクを通る輸送のために、複数のパレットが一緒にリンクされ得る。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、パレット化された液浸タンクのある実施形態の図を示す。この実施形態では、陰極２６及び陽極（図示せず）は延長されているか又は適切に配置された電極であって、液浸タンクの長さの実質的な一部に沿って延在している一様な電界を、ウエハに提供する。この構成は、ウエハが、パレット９０上でタンクを通過するときに本質的に連続して陽極酸化されることを可能にする。

図１２は、ループ状に一緒にリンクされてパレット化された液浸タンクを通って動く複数のパレットを含むパレット化された液浸タンク装置１００を示す。ホイール９２は、側板９５及びタンクの他端の対応する側板（図示せず）の上のトラック９４にフィットする。ウエハは、パレットが電解質９３に入る前に自動的にパレット上に装填され得て、且つそれを通過してタンクの他端に現れた後に自動的に取りおろされ得る。図１２に示されているパレット化された液浸タンクは、シリコンウエハが電解質槽を通過するときにシリアルに処理されることを可能にし、これにより高スループットの多孔質シリコンシステムを可能にする。

本開示はパレットベースのウエハ輸送システムを含み、ここでは電解質セルは垂直方向に向けられて、ウエハの正面側が上を向き、ウエハの裏側が下を向いている。ウエハ輸送パレットは、インラインに接続され得て、垂直な電解質セルの方向に直交して向けられ得る。これは、液浸電解エッチングプロセスシステムを通る単純なインラインウエハ輸送を可能にしながら、電解エッチングセルのコンパクトな間隔及び非閉じ込めチャンバ設計を提供する。

本開示のウエハ輸送パレットベース電解質セル設計は、シリコンウエハの正面及び裏面に直接に印加される周縁シールへの依存を排除し得る。本開示は、シリコンウエハ及びパレットの上方の電解質のカラムによって生成される電解質の圧力ヘッドと組み合わされて、シリコンウエハの裏側への周縁シールに依存する。正面側のシールが排除されるので、電解エッチングは、ウエハの正面表面全体に広がり得て、ウエハ中央からウエハ端の周囲までの除外ゾーンを有さない。これより、この設計は、正面側ウエハシールが無いことにより、フルウエハ端傾斜ラップアラウンド電解エッチングを提供し得る。これは、ウエハの端まで全てをエッチングすることが困難であり得る従来技術の電解エッチングシステムに対する改良である。

図１３は、２つの電解質セル１５０の断面図を示しており、これらは、装置１００のような液浸タンク装置の内側に配置され得る。陰極１０１は、電解質セルの頂部に示されており、ウエハがシステムを通過するときにウエハの正面側と対向する。陽極１０２は、電解質セルの底部に示されており、ウエハの裏側と対向する。高速度ジェット（図示せず）又はその他の最適化された流れ力学が、陽極酸化の間に陰極及び陽極で発生する気体を排除するために使用され得て、良好な電気的接続を維持する。

図１４は、複数の電解質セル１５０を組み込んでいるパレット化された液浸タンクの模式的な断面図を示す。モータ（図示せず）がループ状のパレット９０を電解質及び複数のセル１５０を通って運搬する。ウエハは、点１５１でパレットに装填され得る。そこから、それらはプロセスタンク内でセル１５０を通り、電解エッチングされる。電解質は、リンスタンク１５２内でウエハからリンスされ得て、これはいくつかの実施形態では、脱イオン水を含み得る。ウエハはそれから点１５３で取りおろされ得て、さらに処理され得る。図１５は、同じ実施形態の等大図を示している。

図１６は、本開示に従った電解質セルの他の実施形態を示す。図１６に示される実施形態は、パレット化されたウエハハンドリングには必ずしも依存しない。

ウエハ２００は、当該技術で既知の任意の適切な機構によって、電解質チャンバ内に挿入され得る。例えば、ロボットアームが、ウエハをチャンバ内に配置するために使用されることができる。

チャンバ内部で、ウエハ２００の裏側が周縁シーリング機構の上に置かれ得る。図１６に示されているように、一つの可能なシーリング機構は、ウエハ２００の直径よりもいくらか小さい直径のリップである。リップ２１０は、チャンバ壁自身の一部であり得て、あるいは、それは例えば、チャンバ内に挿入されて内壁に取り付けられたリングであり得る。

図１６に示されるように、本開示は、その非正面接触シールを達成するために、パレット化されたウエハハンドリングを必ずしも必要としない。チャンバ頂部の電解質とチャンバの底部の電解質との間の圧力差が、パレットの存在の有無に関わらず、ウエハ２００とリップ２１０との間のシールを提供し得る。

キャビティ又はトレンチパターンを形成する３次元表面トポグラフィをシリコンウエハが有するシリコンウエハ電解エッチングセルが、結晶性シリコンＰＶソーラーセル基板の形成に当たって使用され得る。シリコンＰＶ基板は、シリコンの気相成長を使用して多孔質シリコンの層の上に形成され得て、それから多孔質シリコン層によって提供される壊れ易い構造からリリースされ得る。このシステムによって製造される多孔質シリコン層は、気相成長されたシリコン基板に対するリリース層として使用される。このシステムによって処理された３Ｄパターニングされたシリコンウエハは、図面ではテンプレートと称される。

シリコンウエハテンプレートは、３Ｄ形状のシリコン基板の製造のための３Ｄ逆金型の等価物である。このパレットベースの正面側シールの無い電解エッチングプロセスセルの設計はまた、テンプレートウエハに直接接触する正面側シールが無いので、正面側テンプレートトポグラフィが、連続的な高均一性多孔質シリコン層の製造能力と干渉しないという利点も有している。

本開示は開放電解質セルを含み、これは、電解質の高いコラムをウエハの正面側の上に限定し、且つウエハに上向きの力をほとんど又は全く印加しない電解質との接触をシリコンウエハの裏側に提供することによって、シリコンウエハに差圧（頂部対底部）を印加する。これは、ウエハ上への差圧の印加を確実にして、これがウエハの裏側とパレットの頂部端との間のシールを圧縮する。

非閉じ込めシリコンウエハ電解エッチングセル設計は、連続コンベアシステムを使用して単一の又は一連の電解質セルを通って輸送されるパレット上のシリコンウエハを運搬し得るか、又は、ウエハを支持して且つウエハ全体における一様な電界を確実にするために、それは単純に電解質セルの内部のリップに依存し得る。

本開示は、ウエハを保持するパレットのコンベア化された輸送からなる電解エッチングシステムを提供し、ここでは、パレットは、電解質セルの一体化した且つクリティカルな機能性構成要素、及びウエハの裏側からのみシリコンウエハをシールする手段を形成する。このシーリングは、ウエハ正面側での影の形成、ブロック、及び除外ゾーンを妨げることを可能にする。パレットはまた、ウエハ装填からウエハの取り降ろしまでの電解エッチングシステムを通る輸送も提供する。パレットは、本開示のいくつかの実施形態の構成要素であるが、全ての実施形態の必須の構成要素ではない。

既知のシステムにおける単一ウエハのシールされた円筒状チャンバから新しく提示されたインライン液浸構成への移行は、プロセス中のウエハの表面における電界の顕著な増加及び改良された多孔質シリコン分布をもたらす結果となり得る。

本開示のパレット及びコンベアに基づくインライン液浸多孔質シリコン電解エッチングプロセスシステムの実施形態は、いくつかのキーコンポーネント及び設計上の配慮とともに設計され、これらは、結果として得られるシステムの特徴を変更させるために、変動され得る。これらの設計上の配慮のいくつかは、以下のものを含む。すなわち、電極の形状、サイズ、及び間隔。電極のセグメント化（多段階電極）。電極材料。電極の電流密度。ＡＣ、ＤＣ、又はパルス電流供給。ウエハと電極との間の間隔。ウエハの構成（トポグラフィ、ビアホール、ウエハ厚さ、ウエハドーピング条件、及び表面処理）。ウエハ処理ゾーン内でのウエハの方向。ウエハ処理ゾーンの形状及びサイズ。処理ゾーンにおけるウエハの輸送速度。プロセス中のウエハからの反応ガスの抽出（気泡及び結果として得られる電解エッチングのブロックの防止）。電解質の濃度、流量、及び流れの方向。及び電界質の安定性。

実施形態のここまでの記述は、開示された主題を当業者が作製し且つ利用できるようにするために提供されている。これらの実施形態に対する様々な改変は、当業者には容易に明らかになるであろう。ならびに、ここに規定された一般的な原理は、革新的な設備の使用無しに、他の実施形態にも適用され得る。

Claims (20)

1. シリコンウエハの正面側に多孔質シリコンを製造する装置であって、
   ハウジングと、
   陽極と、陰極と、電解質と、を備える少なくとも一つの垂直方向に向けられた電解質セルと、
   前記電解質セルの内部のシーリング機構であって、前記シーリング機構が前記シリコンウエハの裏側と接触する表面を備えており、前記シーリング機構が前記シリコンウエハの前記正面側とは接触しない、シーリング機構と、
   前記電解質を前記シリコンウエハから除去するリンス機構と、
   を備える、装置。
2. 前記リンス機構が脱イオン水のスプレーを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記リンス機構が脱イオン水のタンクを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記シーリング機構が第１のパレットを備えており、前記第1のパレットが、
   電気的に絶縁性の材料と、
   前記シリコンウエハを保持するための開口と、
   第２のパレットに取り付けられることができる端と、
   を備えている、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１のパレットを前記少なくとも一つの電解質セルを通って動かすモータをさらに備える、請求項４に記載の装置。
6. 前記シーリング機構が前記電解質セルの内部の周縁シールを備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記シリコンウエハを前記電解質セルの内部に配置し且つ前記シリコンウエハを前記電解質セルから取り除くことができる機構をさらに備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記少なくとも一つの電解質セルが複数の電解質セルを備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記少なくとも一つの電解質セルの前記電解質がＨＦ／ＩＰＡを備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記少なくとも一つの電解質セルが前記陽極から気体を除去するための電解質ジェットをさらに備える、請求項１に記載の装置。
11. 前記少なくとも一つの電解質セルが前記陰極から気体を除去するための電解質ジェットをさらに備える、請求項１に記載の装置。
12. シリコンウエハに多孔質シリコンを製造する方法であって、
    前記シリコンウエハを非閉じ込め電解質セルの内部に配置するステップと、
    前記非閉じ込め電解質セルの内部の表面上に前記シリコンウエハを支持するステップであって、前記電解質セルが、電解質と、陽極と、陰極と、を備えている、ステップと、
    電流を前記ウエハに流すステップであって、前記電流が前記ウエハの頂部表面に多孔質シリコンの層を製造する、ステップと、
    前記ウエハを前記非閉じ込め電解質セルから取り除くステップと、
    前記電解質を前記シリコンウエハからリンスするステップと、
    を包含する、方法。
13. 前記ウエハをパレット上で輸送するステップをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記リンスステップが、前記シリコンウエハを、脱イオン水を備えるリンスタンクを通過させるステップを包含する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記リンスステップが前記シリコンウエハを脱イオン水でスプレーするステップを包含する、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ウエハを支持する前記パレットを、複数の非閉じ込め電解質セルを通って輸送するステップをさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
17. 前記電解質がＨＦ／ＩＰＡを備える、請求項１２に記載の方法。
18. 前記電解質のジェットで前記陽極から気体を除去するステップをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
19. 前記電解質のジェットで前記陰極から気体を除去するステップをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
20. 前記非閉じ込め電解質セルが垂直に向けられている、請求項１２に記載の方法。

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