JP5208020B2

JP5208020B2 - 反応性イオンエッチング装置と基板のエッチング方法

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Publication number: JP5208020B2
Application number: JP2009043598A
Authority: JP
Inventors: 剛司谷垣; 孝博清水; 俊輔佐々木; 憲一黒部; 典一中谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010199364A

Description

本発明は反応性イオンエッチング装置に関する。

近年、エネルギー問題や地球温暖化などの環境問題の深刻化に伴い、光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する太陽電池素子を用いた太陽光発電が注目を集めている。

現在これらの太陽電池素子の多くは、その光電変換効率の高さやコスト、長期的な安定性などの観点から主として単結晶や多結晶の結晶系シリコン基板を用いて作製されている。

このような結晶系シリコン基板を用いた太陽電池素子は、受光面に微細な凹凸を有する。このような凹凸の形成は、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching、以下ＲＩＥと略する）装置を利用する（例えば、特許文献１参照）。

ＲＩＥ装置は、一般に平行平板電極型を成しており、基板を設置している電極の側にＲＦ電圧を印加し、装置内部の天井面、側壁（装置の筐体）をアースに接続してある。次いで、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。さらにこの特許文献１に開示された方法では、シリコン基板の表面にエッチング残渣を付着させるために、シリコン基板を多数の開口部が形成されたプレート部材（蓋体）で覆ってエッチングを行っている。

特開２００３−１７７２５号公報特開２００４−８７９８３号公報

しかしながら、従来のＲＩＥ装置では、各基板毎の凹凸形成状態の不均一を低減することが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的はＲＩＥ装置により基板をエッチングする際に生じるエッチングの不均一を低減することが可能なＲＩＥ装置を提供することにある。

本発明の反応性イオンエッチング装置は、アースに接続された筐体と、前記筐体内に配置されて、高周波電圧を印加するＲＦ電極と、前記ＲＦ電極上に備えた絶縁性のトレイと、前記トレイの上面に配置される複数の基板を覆い、アースに接続されているとともに、前記トレイとの間に絶縁材が配置された状態で前記トレイの上に配置されて、前記筐体に接続治具を介して電気的に接続されているプレート部材と、を有しており、前記プレート部材は、支持部と蓋部とからなり、前記蓋部に貫通孔が形成されていて、前記プレート部材の前記蓋部には、スリット状の複数の前記貫通孔が配列されている。

上記反応性イオンエッチング装置によれば、装置内のプレート部材が筐体に接続治具を介して電気的に接続されていることにより、装置筐体とプレート部材が同電位となり、装置の筐体内部の高さを高くしたままでＲＦ電極とプレート部材の間にプラズマが発生することになり、その電束密度が均一になる領域が広がると共に、ガス密度をも均一にすることができる。よって、基板にエッチングを均一に行い、微細な凹凸を均一に形成することが可能になる。

本実施の形態に係るＲＩＥ装置１は、図１に示すように、ＲＦ電極１３、シリコン基板４、プレート部材５、トレイ８が収容された筐体（チャンバー）２を有する。
トレイ８は、基板４を覆うプレート部材５が取り付けられている。このトレイ８とプレート部材５の間には絶縁材１８が配置されている。またＲＩＥ装置１のチャンバー２の側壁等は接続線１９によりアースに接続されており、ＲＦ電極１３とチャンバー２の側壁の間も絶縁材９により絶縁されている。さらにＲＩＥ装置１には、チャンバー２の側壁とプレート部材５を電気的に接続する接続治具１７が設けられている。この接続治具１７は例えばチャンバー２の側壁の外側から内部に貫通するように設けられたエアーシリンダー１６とつながっている。プレート部材５と接続治具１７を接続し、チャンバー２の側壁とプレート部材５を電気的に接続することで、チャンバー２とプレート部材５を同電位にすることができる。

トレイ８の上面には、基板４が配置される。基板４を例えば太陽電池素子に用いる場合、基板４は、単結晶や多結晶の結晶系シリコン基板である。

基板４はＲＩＥ装置内のトレイ８の上面で支持され、プレート部材５に覆われた状態でエッチング処理される。トレイ８は、例えば平板状を成している。また、トレイ８は、その上のプレート部材５をＲＦ電圧から絶縁するために、ガラス、石英、またはアルミナなどのセラミック等の材料で構成される。

プレート部材５は、トレイ８との間の空間に、基板４をエッチングした際に生じた残渣を閉じ込める機能を有している。
プレート部材５は、図２（ａ）に示すように支持部５ａと複数の貫通孔５ｂを含む蓋部５ｃとから成り、蓋部５ｃと基板４表面との距離は、５〜３０ｍｍ程度の間隔をあけて保持される。このように蓋部５ｃと基板４表面との間隔を５〜３０ｍｍ程度とすることにより、エッチング時に生成するシリコン化合物がプレート部材５とトレイ８の上面との間の空隙部７に閉じこめられやすくなり、シリコンを主成分とする残渣がシリコン基板上に容易に生成しやすくなる。その結果、残渣の形成が促進されると同時に、凹凸の形成を促進することができる。

また、プレート部材５の材質は、エッチングガスに対する耐食性という観点、およびプレート部材５に施す様々な加工の加工性という観点で、金属特にアルミニウムが好適である。

また、プレート部材５の貫通孔５ｂは、マスフローコントローラー１４からチャンバー１５内に導入されたエッチングガスを、プレート部材５とトレイ８の上面との間の空隙部７に導くものである。貫通孔５ｂは、図２に示すようなスリット状のものが複数列並べられたパターンでもよく、また、複数の貫通孔５ｂが格子状に配列されたパターンであってもよい。この貫通孔５ｂの蓋部５ｃに対する開口率は、必要なエッチングガスを空隙部７内に供給するとともに、この空隙部７内でエッチングによって発生した残渣を効率良く閉じ込めるという観点から、５〜４０％程度にするのが望ましい。このような貫通孔５ｂの形成方法としては、例えばプレート部材５がアルミニウムなどの金属で構成されていれば、機械加工などで形成することができる。

ＲＦ電極１３は、ＲＦ電源１２より印加された高周波（ＲＦ）電力を利用し、エッチングガスを励起し、プラズマ化するものである。

本実施の形態に係るＲＩＥ装置１は、図３に示すように圧力調整器１０と、真空ポンプ１１と、マスフローコントローラー１４とをさらに備える。

圧力調整器１０は、チャンバー１５の内部の圧力センサー（不図示）からの信号を受けてその内部の弁の開閉を調整して排気流量を制御することにより、チャンバー１５の内部の圧力を所定の圧力に維持するものである。

真空ポンプ１１は、チャンバー１５の内部を所定の圧力まで減圧するものであり、ローターポンプとメカニカルブースターポンプを組み合わせたものが好適に使用される。ＲＦ電源１２は、ＲＦ電極１３に高周波電力を印加するものである。

マスフローコントローラー１４は、チャンバー１５の内部に導入されるガスの流量を所定の値に制御するものである。

次に、ＲＩＥ装置１の動作について説明する。まず、トレイ８上に配置された基板４をＲＦ電極１３上に配置する。その後チャンバー２の内部を真空ポンプ１１により所定の圧力にまで減圧した後、マスフローコントローラー１４を介して所定のエッチングガスを導入する。次いで、圧力調整器１０によりチャンバー１５の内部の圧力を所定の圧力に保ちながら、ＲＦ電源１２でもってＲＦ電極１３に電圧を印加し、該ＲＦ電極１３でプラズマを発生させる。そして、エッチングガス中のイオンやラジカルを励起活性化し、チャンバー１５内に配置された基板１の表面に作用させてエッチングし、基板４の表面を粗面化する。ここで、チャンバー２とプレート部材５とは、エアーシリンダー１６のスイッチをいれ、プレート部材５に当接するまで接続治具１７を伸ばしてプレート部材５と接続治具１７を接続し、チャンバー２の側壁とプレート部材５を電気的に接続することで、同電位とする。

エッチングガスのプラズマは、プレート部材５とトレイ８の上面との間の空隙部７にのみ発生する。従来の装置であれば、接続治具１７によるチャンバー２の側壁とプレート部材５の接続がないため、プラズマはトレイ８の上面とチャンバー２の天井面の間（すなわちチャンバー２内部の全域）に広がっていたが、接続治具１７による接続により、チャンバー２とプレート部材５が同電位となり、プラズマが空隙部７にのみ発生する。よって、トレイ８の上面とプレート部材５の天井面の間のギャップＴを狭くすることが可能となり、電極間の電束密度が均一になる領域を広げることが可能になる。このように、接続治具１７による接続により、チャンバー２とプレート部材５を同電位にすることにより、電極間の電束密度とプラズマ発生部におけるエッチングガスの密度をほぼ均一にすることが可能になり、シリコン基板４をより均一にエッチングすることができるようになる。

エッチング処理は、エッチングガスとして、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）を２０ｓｃｃｍ、塩素（Ｃｌ₂）を５０ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ₂）を１０ｓｃｃｍ、ＳＦ₆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パワーを５００Ｗ程度に設定し、３分間程度エッチングする。このようなエッチング処理により、基板４の表面に微細な凹凸構造が形成される。すなわちこのエッチング処理では、シリコン基板４のシリコンがエッチングされて気化するが、その一部は気化しきれずに分子同士が吸着してシリコン基板４の表面に残渣として残る。そして、この残渣は、エッチングのマイクロマスクとして作用するため、残渣が付着している部位は該残渣が付着していない部位に比べてエッチングされにくくなる。その結果このようなエッチング処理では、シリコン基板４の表面に形成される凹凸が大きくなる。言い換えれば、より表面を粗くし、効率良く粗面化することが可能となる。

エッチングにより形成される凹凸は、例えば円錐形もしくはそれが連なったような形状を呈し、ＲＩＥ法により各ガスの分圧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。この微細な凹凸の幅と高さはそれぞれ２μｍ以下に形成される。なお、凹凸を被処理体Ｙの必要な部分の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。この微細な凹凸のアスペクト比（凹凸の高さ／幅）は、凹凸形状の破損を低減するという観点から、２以下であることが望ましい。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものは無く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば上述のプレート部材５において、支持部５ａと蓋部５ｃを別体にして、支持部５ａを絶縁材にて作製し、この支持部５ａに金属製の蓋部５ｃを載置し、蓋部５ｃをアースに接続するようにすることも可能である。

本発明に係るＲＩＥ装置１のチャンバー２内部の構造の一形態を示す断面図である。図２（ａ）は本発明に係るプレート部材の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ―Ａの断面図を示す。本発明のＲＩＥ装置の実施の形態の一例を示す模式図である。

１；ＲＩＥ装置
２；筐体（チャンバー）
４；シリコン基板
５；プレート部材
５ａ；プレート部材の支持部
５ｂ；プレート部材の貫通孔部
５ｃ；プレート部材の蓋部
７；プレート部材とトレイの上面との間の空隙部
８；トレイ
９、１８；絶縁材
１０；圧力調整器
１１；真空ポンプ
１２；ＲＦ電源
１３；ＲＦ電極
１４；マスフローコントローラー
１５；ガス供給管
１６；エアーシリンダー
１７；接続治具
１９；アース接続線
Ｓ；チャンバーの天井面とプレート部材の間隔
Ｔ；電極間のギャップ

Claims

アースに接続された筐体と、
前記筐体内に配置されて、高周波電圧を印加するＲＦ電極と、
前記ＲＦ電極上に備えた絶縁性のトレイと、
前記トレイの上面に配置される複数の基板を覆い、アースに接続されているとともに、前記トレイとの間に絶縁材が配置された状態で前記トレイの上に配置されて、前記筐体に接続治具を介して電気的に接続されているプレート部材と、
を有しており、
前記プレート部材は、支持部と蓋部とからなり、前記蓋部に貫通孔が形成されていて、
前記プレート部材の前記蓋部には、スリット状の複数の前記貫通孔が配列されている、
反応性イオンエッチング装置。
請求項１に記載の反応イオンエッチング装置を用いた基板のエッチング方法であって、
前記筐体内の前記トレイの上面に前記基板を配置する工程と、
前記基板を、前記貫通孔を有する前記プレート部材で覆う工程と、
前記筐体と前記プレート部材とを前記接続治具を介して電気的に接続して、前記筐体と前記プレート部材とを同電位とする工程と、
前記筐体内にエッチングガスを導入する工程と、
前記エッチングガスを励起し、プラズマを発生する工程と、
前記基板をエッチングする工程と、を有する基板のエッチング方法。