TW201505090A

TW201505090A - 非電漿乾式蝕刻裝置

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Publication number: TW201505090A
Application number: TW103112152A
Authority: TW
Inventors: Naoshi Yamaguchi; Hiroshi Tanabe; Yasushi Taniguchi
Original assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-02-01
Also published as: JP2014225634A; JP5824620B2; KR20140124335A; US20140305590A1

Abstract

提供一種非電漿乾式蝕刻裝置，其係將複數基板同時處理且形成粗化結構之裝置，實現在處理時均一形成全部基板與各個基板面內的粗化結構，且使全部基板與各個基板面內的反射率均一化，並且亦實現設備小型化。在反應室內，以與程序氣體流呈平行的方式多段載置基板。藉由在流動的上游側設置亂流發生葉片，來實現均一的蝕刻。

Description

非電漿乾式蝕刻裝置

本發明係關於非電漿乾式蝕刻裝置。

在矽太陽電池(光電變換元件)中，在矽基板的受光面設置被稱為粗化結構(texture)的凹凸，抑制在受光面的入射光的反射，而且使取入至矽基板的光不會洩漏至外部。

上述粗化結構的形成，一般而言係藉由將鹼(KOH)水溶液作為蝕刻劑的濕式製程來進行。藉由濕式製程所為之粗化結構形成係必須進行藉由氟化氫所為之洗淨工程、或熱處理工程等作為後處理。因此，除了有污染矽基板表面之虞之外，由成本面來看亦不利。

另一方面，亦提出一種利用乾式製程在矽基板的表面形成粗化結構的方法。例如已被提出1)使用藉由電漿所為之反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching)的方法、2)在大氣壓氣體環境下的反應室配置矽基板，且導入ClF₃、XeF₂、BrF₃及BrF₅之任何氣體，藉此將該矽基板的表面進行蝕刻的方法(參照例如專利文獻1)。

此外，以上述2)之方法之適於量產的設備而言，亦已提出一種在反應室內設置可移動的載台，使蝕刻氣體朝向被載置在載台上的矽基板噴射，一面使載台移動一面連續處理複數枚矽基板的乾式蝕刻裝置(參照例如專利文獻2)。

圖23係將專利文獻1所記載之蝕刻方法具體化的裝置的圖。

矽基板3直立載置在反應室1的載台2上。反應室1係一面被壓力調整閥4調節，一面藉由真空泵5使程序氣體8被排氣而保持預定的壓力。程序氣體8係N₂氣體作為稀釋氣體、被貯藏在氣體鋼瓶6的ClF₃、XeF₂、BrF₃及BrF₅的任何氣體作為反應氣體。

程序氣體8係透過質流控制器7而被供給至反應室1。在反應室1，矽基板3與程序氣體8起反應，可在矽基板的表面形成微細的凹凸，製作太陽電池用的粗化結構。

應用該技術，作為適於量產之製造裝置所被提出的裝置為圖24所示之專利文獻2所記載之製造裝置。

反應室1係形成為與負載鎖定室9及卸載鎖定室10相連結，載置有矽基板3的托盤狀載台2透過滾筒11進行移動的構造。載台2係當透過滾筒11而移動時，由葉片狀噴嘴12，噴射作為稀釋氣體的N₂氣體、及作為反應氣體的ClF₃、XeF₂、BrF₃及BrF₅的任何氣體相混合的氣體作為程序氣體8，與此同時，由葉片狀噴嘴13噴射冷卻氣體。

由於矽基板3被曝露在程序氣體8，矽基板3與程序氣體8起反應，在矽基板的表面形成微細的凹凸。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平10-313128號公報

[專利文獻2]日本特開2012-186283號公報

但是，經由筆者的研究可知在如專利文獻2般之習知構成中，以適於量產的製造裝置而言，難以遍及被載置成托盤狀的矽基板全部，形成一樣的粗化結構。

圖25係表示筆者使用ClF₃氣體作為程序氣體，將稀釋氣體形成為N₂氣體，將面方位111的單晶矽基板進行蝕刻時，所形成的粗化結構的尺寸與ClF₃氣體濃度的關係的圖。

在該圖中可知隨著ClF₃氣體濃度變高，粗化結構尺寸變大。其中，粗化結構尺寸係形成為所形成之凹凸的高低差。

此外，圖26係表示所形成之粗化結構的尺寸及該時之附粗化結構之矽基板的反射率的關係的圖。在該圖中可知隨著粗化結構尺寸變大，反射率變低。

該知見係顯示出若矽基板被曝露於在其面內為不同的濃度的程序氣體時，會製作出反射率局部高的部分。接著，在如專利文獻2所示之習知構成中，亦可知在反應室1內之矽基板3所曝露的程序氣體濃度非為均一。

圖27係將專利文獻2之葉片狀噴嘴12、葉片狀噴嘴13、及托盤狀的載台2、矽基板3的構成部分放大後的圖。使用其來說明筆者的知見。

若程序氣體8由葉片狀噴嘴12被噴射，冷卻氣體14由葉片狀噴嘴13被噴射時，以圖27的虛線所包圍的部分A係位於葉片狀噴嘴12的正下方，程序氣體8的濃度為比較濃的部分。

另一方面，以虛線包圍的部分B係成為葉片狀噴嘴13的正下方，為冷卻氣體14的濃度為較濃的部分。此外，以虛線包圍的部分C係程序氣體8與冷卻氣體14的氣體噴射相交的部分。為方便起見，若區分為以虛線包圍的部分A、B、C時，程序氣體的濃度係依濃度由高而低的順序，以「以虛線包圍的部分A>以虛線包圍的部分C>以虛線包圍的部分B」的順序表示。

在該環境下，如圖27所示，若載台2載置矽基板3而移動時，矽基板3係一面被交替曝露程序氣體的濃度濃的部分、程序氣體的濃度淡的部分一面移動。如此一來，難以使複數枚矽基板3的各個曝露一定濃度的程序氣體。

具體而言，由葉片狀噴嘴12被噴射的程序氣體8、及由葉片狀噴嘴13被噴射的冷卻氣體14係在矽基板3的表面上不相混合，視情況，局部作出程序氣體的濃度高的部分與低的部分。結果，難以在矽基板3的面內形成一樣的粗化結構且使基板面內實現一樣的反射率。

相反地，為了不局部作出程序氣體的濃度高的部分與低的部分，若將矽基板3與葉片狀噴嘴12及葉片狀噴嘴13的距離取得較大即可。如此一來，程序氣體8與冷卻氣體14被擴散至到達矽基板3為止，可使程序氣體8與冷卻氣體14均一摻混。但是，若形成為如上所示之狀態時，會使冷卻氣體14原本的冷卻效果降低。

此外，專利文獻2的製造裝置係形成為將複數矽基板3以平置載置於載台2的平面上的構成，因此必須將設備的設置面積取得較大，以適於量產之設備而言，有其課題。

本發明係為解決上述習知之課題者，目的在提供一種非電漿乾式蝕刻裝置，其係將複數基板同時處理之裝置，可將上述複數基板在各個基板面內均一地處理，而且亦實現減小設備之設置面積。

為達成上述目的，本發明係具有以下特徵。

〔1〕反應室，其係可進行真空排氣。

〔2〕供給口，其係與反應室相連接，供給程序氣體。

〔3〕排氣口，其係與反應室相連接，將反應室內的氣體進行排氣，而且，與供給口相對向配設。

〔4〕基板保持機構，其係被設置在供給口與排氣口之間，保持基板。

〔5〕在基板保持機構之中載置基板的面係被配置成與由供給口所被供給之程序氣體的流動方向呈平行。

〔6〕在基板之中供給口側的緣部具備有葉片狀的亂流發生機構、或1根至複數根線材或棒。

藉由如上所示之構成，在反應室內，係由程序氣體供給口朝向程序氣體排氣口，程序氣體在平行流的狀態下以一方向流動。複數基板係與程序氣體的流動方向呈平行設置在基板保持機構，因此程序氣體係由作為上游側的程序氣體供給口朝向作為下游側的程序氣體排氣口，一面沿著基板的面上一面進行化學反應。

一般而言，如圖28所示，在一方向之氣體流之中，若以與流動方向呈平行地放置平板時，由平板的上游側緣朝下游方向形成交界層。交界層係伴隨流動的進行而發達，交界層的厚度逐漸增加。該交界層係由流動的上游側朝向下游側，由層流交界層變化成亂流交界層，將由層流交界層變化成亂流交界層的中途的狀態稱為遷移區域。

若將上述平板視為矽基板、氣體流的氣體視為程序氣體時，在層流交界層內的化學反應中的反應生成物的舉動係如圖29所示，在亂流交界層內的化學反應中的反應生成物的舉動係如圖30所示。

如圖29所示，在層流交界層內，氣體流係僅為與矽基板呈平行的方向，朝向與矽基板呈垂直的方向的氣體流幾乎沒有，因此難以以與矽基板呈垂直的方向發生物質的移動。

因此，在矽基板的表面，因程序氣體與矽基板的化學反應所產生的反應生成物係在矽基板的表面近傍，流至氣體流的下游側。但是，如前所述，由於在與矽基板面呈垂直的方向幾乎沒有物質的移動，因此隨著愈往下游，在矽基板的表面，反應生成物的濃度愈為增加，程序氣體的濃度相對降低。

因此，在層流交界層內，上游側係化學反應活潑，相對地，下游側則化學反應不活潑，產生蝕刻進行程度改變的現象。

另一方面，如圖30所示，在亂流交界層內的氣體流若平均而言，由上游至下游為一樣，但是在微觀上為時時刻刻產生不規則流動的亂流。以與矽基板呈垂直的方向發生物質的移動。

因此，在矽基板的表面，因程序氣體與矽基板的化學反應所產生的反應生成物、及程序氣體係積極地替換。因此，在亂流交界層內，上游側、下游側均會產生化學反應活潑而蝕刻進行程度均一的現象。亦即，若遍及矽基板的全面產生亂流交界層，則遍及矽基板的全面，化學反應活潑而蝕刻進行程度成為均一。

因此，以遍及矽基板的全面而使亂流發生的機構而言，在本發明中係如圖1(B)所示，在流動的上游側的矽基板的邊緣設置有亂流發生機構。

藉由該構成，由於氣體流會在比矽基板更為跟前已經亂流化，因此可由上游至下游，遍及矽基板的面全面，使在基板面內的化學反應的進行程度均一化。

結果，藉由使在矽基板的面內全部的蝕刻進行程度均一化，可將粗化結構尺寸形成為均一化，且可將所有基板的反射率均一化。此外，由於在反應室內對向設置複數矽基板，因此可大幅刪減乾式蝕刻裝置的設置面積。

如以上所示，藉由本發明之非電漿乾式蝕刻裝置，可均一地蝕刻複數基板的表面，因此亦可對應量產化。此外，由於在反應室內對向設置複數基板，因此可大幅刪減乾式蝕刻裝置的設置面積。

1‧‧‧反應室

2‧‧‧載台

3‧‧‧矽基板

4‧‧‧壓力調整閥

5‧‧‧真空泵

6‧‧‧氣體鋼瓶

7‧‧‧質流控制器

8‧‧‧程序氣體

15‧‧‧程序氣體供給口

16‧‧‧程序氣體排氣口

17‧‧‧壓力計

18‧‧‧基板保持機構

19‧‧‧亂流發生機構

20‧‧‧噴淋板

21‧‧‧開縫噴嘴

22‧‧‧噴霧噴嘴

23、24、25、26、29‧‧‧葉片

27‧‧‧第一翼

28‧‧‧第二翼

30、31‧‧‧線材或棒

32‧‧‧亂流導入板

S1、S2、S3、S4‧‧‧矽基板

P1‧‧‧上游側基板緣部中央

P2‧‧‧基板中心部

P3‧‧‧下游側基板緣部中央

圖1(A)係顯示本發明之實施形態1中之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的圖，(B)係本發明之實施形態 1中之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的亂流發生機構與氣體流模式圖。

圖2係顯示本發明之實施形態1中之程序氣體供給口之一例圖。

圖3係顯示本發明之實施形態1中之程序氣體供給口之一例圖。

圖4係顯示本發明之實施形態1中之程序氣體供給口之一例圖。

圖5係顯示本發明之實施形態1中之基板保持機構之一例圖。

圖6係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖7係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖8係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖9係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖10係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖11係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖12係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖13係顯示本發明之實施形態1中之亂流發生機構之一例圖。

圖14係顯示本發明之實施形態1之乾式蝕刻實驗中之基板配置與測定部位的圖。

圖15係顯示測定出本發明之實施形態1之乾式蝕刻實驗中之粗化結構尺寸與反射率的結果的圖。

圖16係顯示本發明之實施形態2中之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的圖。

圖17係顯示平板上的氣體流與黏性底層的模式圖。

圖18係本發明之實施形態2中之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的亂流導入板與氣體流模式圖。

圖19係顯示本發明之實施形態3中之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的圖。

圖20係本發明之實施形態3中之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的氣體流模式圖。

圖21係顯示本發明之實施形態3中之基板保持機構之一例圖。

圖22係顯示本發明之實施形態4中之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的圖。

圖23係顯示專利文獻1所記載之習知之非電漿乾式蝕刻裝置的圖。

圖24係顯示專利文獻2所記載之習知之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的圖。

圖25係表示粗化結構尺寸與ClF₃氣體濃度的關係的圖。

圖26係表示粗化結構尺寸與基板反射率的關係的圖。

圖27係專利文獻2所記載之習知之適於量產之非電漿乾式蝕刻裝置的反應室內放大圖。

圖28係平板上的氣體流模式圖。

圖29係平板上的氣體流與在層流交界層內的化學反應模式圖。

圖30係平板上的氣體流與在亂流交界層內的化學反應模式圖。

以下一面參照圖示，一面說明本發明之實施形態。

(實施形態1)

圖1(A)係顯示本發明之實施形態1之非電漿乾式蝕刻裝置的圖。在圖1中，針對與圖21及圖22為相同的構成要素，係標註相同的符號且省略說明。

如圖1(A)所示，本實施形態之非電漿乾式蝕刻裝置係在可進行真空排氣的反應室1內，相對向設置有程序氣體供給口15及程序氣體排氣口16，程序氣體供給口15及程序氣體排氣口16係均形成為噴淋板構造，俾以實現一樣的流動。

藉由該構造，由程序氣體供給口15遍及程序氣體排氣口16，實現程序氣體的一樣的平行流。此外，一面以壓力計17監測反應室1內的壓力，一面藉由壓力調整閥4與真空泵5將反應室1內維持為預定的壓力。

複數矽基板3係按每一枚載置在載台2上，矽基板3係與程序氣體流平行載置，並且藉由基板保持機構18，各個矽基板3係相對向載置。此外，如圖1(B)所示，在被配置在各個矽基板3的程序氣體的上游側的基板的邊緣係設置有亂流發生機構19，遍及基板面全面，使亂流發生的構成。

程序氣體供給口15若為可實現一樣的平行流的構造即可，亦可為例如圖2所示之具有無數細孔的噴淋板20、如圖3所示之排列複數個開縫噴嘴21者。此外，如圖4所示，亦可為將噴霧噴嘴22排列複數個成格子狀者。

基板保持機構18若為程序氣體由矽基板3的上游側至下游側可一樣地通過的構造即可，例如圖5所示，以等間隔配置的爪來保持載置有矽基板3的載台2的兩端部的構造為宜。

亂流發生機構19若為效率佳地使亂流發生的構造即可，亦可為例如圖6所示具有無數突起的葉片23，亦可為如圖7所示具有無數凹處或孔洞的葉片24，亦可為如圖8所示，交替具有無數突起與凹處或孔洞的葉片25。

此外，如圖9所示，可為具有矩形狀波型的葉片26，亦可如圖10所示，在第一翼27上垂直設置第二翼28，且形成角度交替配置在第二翼28者，亦可為如圖11所示，將複數葉片29相對程序氣體的上游側具有仰角，且交替配置的構造。此外，亦可非為葉片狀的亂流發生機構，亦可如圖12所示載置1根或複數根剖面為圓形的線材或棒30，亦可如圖13所示為剖面為多角形的線材或棒31。

藉由該構成，對各個矽基板3，在亂流發生機構19被亂流化的程序氣體8可在亂流的狀態下通過各個矽基板3的表面。經亂流化的程序氣體8通過時，促進預定的化學反應，因程序氣體8與矽基板3的化學反應所產生的反應生成物與程序氣體效率佳地進行替換，各個矽基板3係遍及全面進行均一的蝕刻。

藉此，可將複數矽基板3一樣地曝露在同一濃度的氣體，可將所有矽基板3的表現均一地蝕刻。例如，若為適於太陽電池的矽基板，可使粗化結構尺寸均一化，且可使所有矽基板3的反射率均一化。

(實施例)

在基板保持機構18相對向配置4枚面方位(111)的矽基板，將作為稀釋用氣體的N₂氣體、及相對N₂氣體為ClF₃氣體：5%、O₂氣體：20%加以混合的氣體作為程序氣體8，在將反應室1內的壓力形成為90kPa的條件下進行蝕刻處理。

在此敘述將面方位(111)的矽基板曝露在ClF₃與O₂的混合氣體，在不會發生電漿的情形下進行乾式蝕刻的機制。

上述機制係藉由筆者的研究而解釋如以下化學反應所示。

3Si+4ClF₃→3SiF₄↑+2Cl₂↑‧‧‧(A)

Si+O₂→SiO₂‧‧‧(B)

若矽基板被曝露在ClF₃氣體時，ClF₃分解，如化學反應式(A)所示，矽起反應而成為SiF₄。SiF₄由於為氣體，因此由矽基板脫離。

另一方面，在混合氣體中由於存在O₂，因此因化學反應(A)，蝕刻進展，並且藉由化學反應(B)，SiO₂被微觀形成。SiO₂係與ClF₃未起反應而未被蝕刻，因此被微觀形成的SiO₂形成為自我對位遮罩(self-mask)，以其為起點，進行沿著面方位的蝕刻。若被曝露在混合氣體的面為(111)面，形成具有以藉由(100)面、(010)面、(001)面所致之三面所包圍的蝕刻斑(etch pit)的粗化結構。

圖14係顯示乾式蝕刻實驗中之基板的配置與測定部位的圖。

如該圖所示，將4枚矽基板3對向載置在基板保持機構18的載台2。其中，為方便起見，將4枚矽基板3由上段部設為S1、S2、S3、S4。此外，將S1~S4的矽基板3中的測定點，在各個基板中，將上游側基板緣部中央設為P1，基板中心部設為P2，下游側基板緣部中央設為P3。

將在該等所有的測定點中測定出粗化結構尺寸與反射率的圖表顯示在圖15。

其中，所測定出的粗化結構尺寸係使用電子顯微鏡，將各測定點的基板剖面以5000倍進行觀察，將在一視野內所被觀察到的凹凸隨機測定10個，取得各個凹凸的高低差的平均值。此外，反射率係以分光光度計測定各測定點，由所得之輪廓(profile)，形成為代表值，抽出波長600nm中的反射率來進行比較。

其中，亂流發生機構19係使用如圖7所示之具有無數凹處的葉片24。

在圖15中，大概粗化結構的尺寸係收在平均為3.2~6.9UM之間的不均，被均一化。此外，關於反射率，亦收在狹窄如5.0~5.6%的不均，被均一化。

其中，在本實施例中係顯示在適於太陽電池的矽基板形成粗化結構的形態，但是本發明係未使用電漿地控制ClF₃等程序氣體，藉此將基板表面進行蝕刻的技術，因此獲得亦適於適用在半導體等基板的平坦化或薄板化的情形下的結果。

(實施形態2)

圖16係顯示本發明之實施形態2之非電漿乾式蝕刻裝置的模式圖。本實施形態係除了上述實施形態1中的亂流發生機構19以外，設置亂流導入板32為其特徵。

亂流導入板32係在矽基板3的表面近傍相對於程序氣體的上游側具有仰角，沿著氣體流所被配置的葉片。

一般而言，在亂流交界層內的矽基板3的表面係依氣體流的條件，極為些微地形成圖17所示之被稱為黏性底層之接近層流的流動。若產生黏性底層，在黏性底層內係成為接近層流的流動，因此與前述圖29的層流交界層內相同地，氣體流係僅成為與矽基板3呈平行的方向，在與矽基板3呈垂直的方向不易發生物質的移動。因此，發生與前述層流交界層內為相同之不均一的蝕刻。

為防止該情形，如圖18所示配置亂流導入板32。亂流導入板32係在矽基板3的表面近傍相對於程序氣體上游側具有仰角的葉片。亂流導入板32係將交界層外的氣體流導至矽基板3的表面，利用該流動，攪拌在矽基板3的表面的流動，藉此可防止黏性底層的發生。

藉由如上所示之構成，經在亂流發生機構19亂流化的程序氣體8係在亂流的狀態下通過各個矽基板3的表面，而且藉由亂流導入板32，交界層外的氣體流亦被導至矽基板3的表面而被攪拌。結果，因程序氣體與矽基板3的化學反應所產生的反應生成物與程序氣體更加效率佳地替換，矽基板3係遍及全面被促進均一的蝕刻。

其中，亂流導入板32的表面若為可效率佳地發生亂流的構造即可，與前述亂流發生機構19相同地，若為圖6~圖13所示之構造即可。

(實施形態3)

圖19係本發明之實施形態3之非電漿乾式蝕刻裝置的模式圖。

本實施形態之特徵為刪除載台2，使矽基板3漂浮來進行保持，並且在矽基板3的兩面均附加亂流發生機構19的效果。例如圖20所示，若在漂浮狀態下所保持的矽基板3的緣部設置使用在表背面具有凸部的葉片的亂流發生機構19時，在矽基板3的表背面發生上下對稱的亂流交界層，可將矽基板3的兩面同時加工。

其中，在本實施形態中，係列舉上述圖19所示之亂流發生機構19為一例，但是若以上下對稱設置亂流發生機構19，即使為前述圖6至圖13所示之機構亦可得同樣的效果。

其中，使矽基板3漂浮的機構係例如圖21所示之基板保持機構18被列舉為一例。具體而言，在基板保持機構18設置溝部，以夾著矽基板3的兩側端部的方式進行保持者。若形成為如上所示之構成，可在矽基板3的表面及背面均曝露在程序氣體，因此可實現兩面加工。

(實施形態4)

圖22係本發明之實施形態4之非電漿乾式蝕刻裝置的模式圖。

將實施形態1中的載台2形成為在表背面均可進行吸附的靜電吸盤構造，由直流電源33進行供電，藉此可使矽基板3分別吸附在載台2的表背面。藉由形成為如上所示之構成，與實施形態1相比，可處理2倍的基板枚數，形成為作為量產裝置為更佳的形態。

[產業上可利用性]

本發明之非電漿乾式蝕刻裝置係可均一地蝕刻複數基板的表面，因此亦可對應量產化。具體而言，亦可適用於適於太陽電池的矽基板的形成、或半導體等基板的平坦化或薄板化。