JP3079870B2 - 逆ピラミッド型テクスチャーの形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は太陽電池のシリコン基板
の微細形状に関し、特に光電変換効率を向上を目的とし
た受光面における逆ピラミッド型テクスチャーの高精度
形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池は石油危機以来、新エネルギー
として実用化の可能性を左右する光電効率の向上とコス
ト低減について、研究開発が進められ電力として実用化
の可能性を確立されて来た。太陽電池の特性向上には、
各種電気特性、半導体特性の向上はもちろんのこと、さ
らに表面での光反射を減少させて基板内部へ到達する光
量を増加させることが重要である。この技術として、基
板表面に反射防止膜を設けるもの、さらに光入射面に凹
凸を設けて入射光を多重反射させて反射光量を減少する
ものがある。太陽電池の性能を表す指標において、入射
する光エネルギーの発生電力効率が高いほど単位面積当
たりの発生電力が高い。このための技術として、光電効
果によって発生するキャリアの影響をなくす、入射光の
基板表面での反射を減らす、さらに太陽電池での入射光
の有効利用を増大することが上げられる。最近では、光
電変換部を薄型化して、従来では滑らかであった基板表
面に１００μｍ角の窪み、またはコルゲート構造単結晶
とし、さらにＶ型の溝を基板の両面に刻設したもの等が
報告されている。（日経ニューマテリアル、１０．１
号、１９９０）

【０００３】その他、この分野の公知技術として特開昭
５８−７５８７１号公報には載頭ピラミッド型ゲートエ
レメントに関し、特開平３−２５２３号公報には四角錐
台状にエッチングされた基板に関し、特開平４−９１４
３４号公報には選択的エッチングによる凹部の製造方法
に関する開示がある。しかしこれら公報では一般的なエ
ッチング時の凹部の形成の開示のみであり、特定のマス
クパターンを使用して、規則正しいピラミッド型の凹部
の形成方法についての開示はない。

【０００４】前述の正方形格子からなるピラミッド型形
状がテクスチャーと呼ばれる構造であり、これは表面で
の反射光量を低減する作用を有するものである。このよ
うなＳｉ基板でのテクスチャーの形成方法は、一般的に
用いられる方法として（１００）面を有する基板表面を
ＫＯＨ、ＮａＯＨ溶液用のアルカリ水溶液でエッチング
することにより、ランダムに（１１１）面を析出させ、
ピラミッド状の凹凸構造を形成する。これは、アルカリ
水溶液によるエッチング速度が（１００）面と（１１
１）面で大きく異なることを利用した加工法であり、量
産型太陽電池に広く用いられている。

【０００５】さらに、反射防止特性に加えて、基板内部
で光を多重反射させて光吸収量を増加させる効果のあ
る、逆ピラミッド型テクスチャーと呼ばれる構造が知ら
れ、光電変換効率に優れた太陽電池が作成されている。
このＳｉ基板を用いた太陽電池の逆ピラミッド型テクス
チャー構造の形成プロセスは、フォトリソグラフィープ
ロセスを用いる場合には、フォトマスクを用いてＳｉ基
板上に酸化パターンを形成し、これにアルカリ選択エッ
チングを施し製造する方法が採用されている。

【０００６】図３に逆ピラミッド型テクスチャーの概要
図を示す。図３（ａ）に示すように正四角錐状の窪みが
規則正しく配列している。図３（ｂ）はその拡大図であ
り、この表面開口部の正方形の大きさは、通常一辺が５
〜５０μｍ程度であり、作成には精密なフォトリソグラ
フィー技術を必要とする。その作成手順は、（ａ）Ｓｉ
ウエハへの熱酸化膜形成、（ｂ）フォトレジスト塗布、
（ｃ）ベーキング処理、（ｄ）フォトマスクを用いた露
光、（ｅ）現像、（ｆ）ベーキング処理、（ｇ）バッフ
ァフッ酸エッチング処理、（ｆ）レジスト除去からな
る。

【０００７】通常のフォトマスクパターンは、ボジ型レ
ジストを使用した場合は図４に示す金属膜部分１がある
程度の幅１２を有した格子状パターンの繰り返しであ
り、この幅は上記作製手順の（ｄ）フォトマスクを用い
た露光プロセスにおいて、露光装置の光学的限界以下に
は設定できない。通常用いられるマスクアライナーの場
合の限界は約３μｍ、高精度なステッパを用いた場合で
も約１μｍである。また、露光時における、Ｓｉウエハ
とフォトマスクの位置関係は、Ｓｉウエハの（１１０）
面に平行になるよう調整される。ポジ型レジストを用い
た場合は、上記作製プロセスによって図４に示すパター
ンにおいて、金属膜部分１と同様のパターンを有する酸
化膜パターンが形成される。この酸化膜パターンを用い
た、テクスチャー形成過程を図５に示す。

【０００８】図５は図４のＹ−Ｙ断面図である。図５
（ａ）はエッチングする前の断面構造を示す。Ｓｉ基板
表面１１にパターン形成された酸化膜１３が配置され
る。次に、図５（ｂ）のようにアルカリ水溶液でエッチ
ングを開始した場合、Ｓｉ基板表面１１から内部方向に
エッチングが進行する。ここで、酸化膜１３、および
（１１１）結晶面１４はアルカリ水溶液にエッチングさ
れにくいため、酸化膜のない開口部２から、内部方向、
すなわち（１００）面方向にエッチングが進行し、同時
にエッチングされにくい（１１１）結晶面１４が析出す
る。さらに、エッチングをおこなった場合は、図５
（ｃ）のように、左右から析出した（１１１）面どうし
が接触し、図３に示すような逆ピラミッド型テクスチャ
ーが完成する。

【０００９】この場合に、図５中に示す（１１１）面１
４と（１１０）面１６との角度は５４．７°となる。ま
た、酸化膜１３の下部にはテクスチャーが形成されず、
平坦部分としてそのまま残留することになる。しかし、
この逆ピラミッド型テクスチャーの製造法においては、
本質的にフォトマスクの開口部間の距離に限界があるこ
とから、平坦部分の少ない凹凸形状を形成することが難
しく、その加工プロセスは多段階を要し、複雑となり製
造効率が低く、さらに高精度の光学露光装置を必要とす
るため、かなりのコストがかかり量産品には用いられて
いなかった。ちなみに、パターン格子間隔が２０μｍ、
酸化膜パターン幅がマスクアライナー露光装置の限界で
ある３μｍの場合では、この平坦部の面積率は約２８％
にもなり、この平坦部分が多い程、太陽電池の反射率低
減効果が失われることになる。

【００１０】一方、図３に示すような、平坦部分が極端
に少ない逆ピラミッド型テクスチャーを形成する場合に
は、加工限界が１μｍであるような、高精度な露光装置
が用いるか、またはフォトリソグラフィーを多数回繰り
返すようなプロセスが必要となる。このように、従来の
方法では製造コストが増加し、逆ピラミッド型テクスチ
ャーを採用した太陽電池は高価なものとなっていた。

【００１１】このため逆ピラミッド型テクスチャーの高
精度な作成を可能とし、かつ低コストで、高効率な製造
方法による量産化技術の開発が望まれている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
反射率低減効果があり、太陽電池の高効率化に有効な逆
ピラミッド型テクスチャーを比較的簡単なリソグラフィ
ープロセスで形成可能とする逆ピラミッド型テクスチャ
ーの形成方法を提供することである。本発明の別の目的
は、アルカリ選択性エッチングの性質の、回り込みエッ
チング効果をうまく利用して加工精度の低いリソグラフ
ィー装置によって、精密な逆ピラミッド型テクスチャー
の形成を可能とする逆ピラミッド型テクスチャーの形成
方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の目的が、逆ピラミ
ッド型テクスチャーの形成方法において、フォトリソグ
ラフィープロセスに用いるフォトマスク上に規則的に配
列された開口部を、開口部の一つのみを含む領域毎にフ
ォトマスク面を分割する基本正方形格子に相似し、基本
正方形格子の大きさを越えない副正方形格子のそれぞれ
一辺の少なくとも一部を含む四辺上の直線を、基本正方
形格子の辺と平行となる部分を含まない線分で接続した
形状とし、かつ隣接する開口部間では、基本正方形格子
の辺を挟んで、近接する直線同士の一方が、他方の直線
を基本正方形格子の辺に対して対称投影した線分に重複
しない関係を有する形状とすることを特徴とする逆ピラ
ミッド型テクスチャーの形成方法によって達成される。

【００１４】また、前記逆ピラミッド型テクスチャーの
形成方法において、前記副正方形格子を、前記基本正方
形格子に一致させたことを特徴とする逆ピラミッド型テ
クスチャーの形成方法によっても達成される。

【００１５】第一の発明については、基本格子ラインに
囲まれた領域に一つのみの開口部が対応し、副正方形格
子を基本格子ラインの内部に、その四辺長さが所定の補
償パターンの厚み相当分だけ小さくなるように設定し、
かつこの補償パターン部は副正方形格子の一部であるこ
と、およびその隣合う開口部同士の位置関係を規制した
ものである。すなわち、この開口部は副正方形格子のそ
れぞれ一辺の一部を含む直線を、傾斜角度を有する線分
で接続することを第一の要件とし、さらに隣接する開口
部同士の関係では、近接する直線同士の一方が、他方の
直線を基本格子ラインに対して対称投影した線分と重複
する部分を有しないことを第二の要件としている。ま
た、本発明の第二の発明では、前記副正方形格子を、前
記補償パターンの厚みをゼロとし、基本正方形格子に一
致させることを要件とするものである。

【００１６】

【作用】本発明は、格子ラインと平行な開口部では（１
１１）面の析出が始まり、さらにエッチングを進行させ
ると、析出面は酸化膜の下部に回り込みながら、格子ラ
インと平行な直線で規定された（１１１）面に連続する
析出面を形成する。従って、直線同士が基本格子ライン
を挟んで、一方の直線の対称投影した線分と重複する部
分を有しないように、もしくは直線同士を直接対向させ
ないようにすることにより、隣接する開口部の近接する
直線同士の距離に直接制約を受けることなく開口部を設
定することができ、延いては平坦部の少ない逆ピラミッ
ド型テクスチャーを形成することができる。これによ
り、本発明では隣合うピラミッド型凹部同士の距離がリ
ソグラフィー装置の精度、つまりマスク開口部間の近接
度に左右されないため、複雑な工程や高精度な装置を必
要としない。

【００１７】以下、添付図面を参照して、本発明の実施
態様例によって、さらに詳細に説明する。

【００１８】

【実施例】実施例１ 図２に本実施例のフォトマスクパターンの基本形状を示
す。この図において、開口部２は格子ライン３に対して
角度６を有するように配置されている。また、金属膜部
分１に囲まれた正方形状の開口部２の四隅部分４は、切
り取られて格子ライン３に接する形状を有する。この図
２に示すフォトマスクパターンを用いて、フォトリソグ
ラフィープロセス（前記と同様）を用いてＳｉウエハ表
面に、図２と同様形状の酸化膜パターンを形成する。こ
の酸化膜パターンから、アルカリ水溶液による逆ピラミ
ッド型テクスチャーの形成過程を図６に示す。図６は図
２のＸ−Ｘ断面図を示す。

【００１９】先ず、図６（ａ）のごとくＳｉ基板表面１
１にパターン形成された酸化膜が配置される。次に、図
６（ｂ）のように、析出面１７は前記図５の場合とは異
なり、（１１１）面とはならない。これは、図２に示す
開口部は、図３の開口部と異なり、格子ライン３と平行
ではなく、すなわち、（１１０）面とも平行な関係では
ない。このため、析出面１７は（１１１）面ではなく、
アルカリ溶液には溶解する。その後、図６（ｂ）に示す
ように、図２に示す正方形状の開口部２の四隅部分４
は、格子ライン３と平行、すなわち（１１０）面と平行
な関係を有するため、この部分より（１１１）面の析出
が始まる。図６（ｂ）をさらにエッチング進行させる
と、図６（ｃ）のように析出面１７は酸化膜１３の下部
に回り込みながら、最終的には、四隅部分４から析出し
た（１１１）面に収束して、正四角錐状の窪みが完成す
る。

【００２０】このように、本実施例の図６に示すプロセ
スにおいては、酸化膜下部への回り込みエッチングが発
生するために、完成した逆ピラミッド型テクスチャーの
平坦部分はほぼなくなる。ここで、本実施例の図２に示
すフォトマスクパターンの最小線幅は図６に示す部分と
なり、ある程度の幅を有する場合であっても、図４に示
したフォトマスクを用いてテクスチャーを形成した場合
に比較して、平坦部分の極めて少ない構造が可能とな
る。ちなみに、格子間隔が２０μｍの場合では、図６に
示す最小線幅は約３．２μｍとなり、この線幅であれ
ば、通常のポジレジストを用いたマスクアライナーを使
用したリソグラフィープロセスで作製が可能となる。

【００２１】本実施例のフォトマスクは厚さ２ｍｍ程度
のレジストを感光させる紫外線を透過する板材を基板と
して、片面に厚さ２０００〜５０００Å程度の金属薄膜
を形成した後、この金属膜を目的とする形状に加工して
形成される。図２の金属膜部分１の最小線幅間隔５は、
傾斜角度６および格子サイズ７に依存し、フォトリソグ
ラフィープロセスの加工限界以上にすることが必要があ
る。この傾斜角度６を０〜４５°まで変化させた場合は
２１°前後で最も最小線幅間隔５が大きくなる。また、
傾斜角度６を０°または４５°では最小線幅間隔５は０
となりリソグラフィー加工は不可能となる。また、格子
サイズが大きいほど最小線幅間隔５は大きくなり、リソ
グラフィー加工は容易になるが、逆ピラミッド型テクス
チャーを形成するためのエッチング時間が増大し、作製
プロセス時間が長くなるという問題点が生ずる。このた
め、加工限界の線幅が確保可能な範囲で格子サイズ７は
出来るだけ小さい方が好ましい。

【００２２】具体的には、ポジ型レジストを使用し、マ
スクアライナーを用いたフォトリソグラフィープロセス
において、微細加工限界が線幅で約３μｍであり、この
条件を満たし、かつ出来るだけ格子サイズ７が小さくな
る条件としては、格子サイズ７が２０〜４０μｍ程度、
傾斜角度６を１６〜２６°に設定することが好ましい。
また、開口部２の四隅部分４は格子ライン３に接し、か
つ平行であるため、この部分４より（１１１）面が析出
し、（１１１）面を正確に析出させるためには、四隅部
分４を格子サイズ７の１０％程度設けることが好まし
い。

【００２３】また、リソグラフィー工程において、微細
加工限界がさらに小さくなるステッパ等の、より高精度
な露光システムを用いる場合や、時間をかけてより大き
いテクスチャーを形成する場合においては、格子サイズ
７が５〜２００μｍ、傾斜角度６が７〜３５°程度の範
囲でフォトマスクを作製することができる。

【００２４】本実施例における最適設計例として作製し
たフォトマスク仕様は、格子サイズ７が２０μｍ、線分
８の長さが５μｍ、線分９の長さが２μｍであり、この
時傾斜角度６はほぼ最適値の２１°である。

【００２５】実施例２ 本実施例のフォトマスクパターンを図１に示す。上記実
施例１のフォトマスクパターンはＫＯＨやＮａＯＨ水溶
液等の、Ｓｉの（１１１）結晶面へのエッチング量が極
めて少ない溶液を用いる場合である。しかし、溶液に含
まれるＫや、Ｎａといったアルカリ金属元素は、太陽電
池を含めたＳｉ半導体の電気特性を低下させる特徴があ
る。さらに、高性能な太陽電池を形成する場合は上記元
素を含有しないアルカリ溶液を用いる必要があり、この
代表的なものとして、水酸化テトラメチルアンモニウム
がある。（以後略称としてＴＭＡＨ）しかし、ＴＭＡＨ
溶液はＫＯＨ等のアルカリ金属元素を含有する溶液に比
較して（１１１）面がエッチングされやすく、回り込み
エッチングによるパターン崩れ、欠陥が発生しやすい。
そこでこの欠陥発生を防止するために、図１に示すよう
に、正方形開口部端部４を、格子ライン３よりも内側に
設けた構造を発明した。この補償パターン部分１０を設
けることにより（１１１）面がエッチングされた場合に
おいても、良好な逆ピラミッド型テクスチャーの形成が
可能となる。

【００２６】図１では基本格子ライン３に囲まれた領域
に一つのみの開口部２が対応し、さらに、副正方形格子
２０を基本格子ライン３の内部に、その四辺長さが所定
の補償パターンの厚み１８相当分だけ小さくなるように
設定される。この補償パターン部は副正方形格子の一部
に相当し、さらに、この開口部２はこの補償パターン部
傾斜角度６を有する線分で接続している。さらに隣接す
る開口部２同士の関係では、近接する直線同士が基本格
子ラインを挟んで、一方の直線の対称投影した線分と重
複する部分を有しないことを示している。

【００２７】前記補償パターン部は、格子サイズ７の２
〜１０％程度の範囲で設けることが好ましい。本実施例
における最適設計例として作製したフォトマスクは補償
パターン１０以外は、図２と同様であり、補償パターン
の線幅間隔１８は１μｍである。

【００２８】実施例３ 本実施例のフォトマスクパターンを図７および図８に示
す。前記図１および図２に示すフォトマスクパターンは
開口部が正方形状であるが、図７に示すような、曲線状
のパターンや、図８に示す二つの基本パターンの組み合
わせでも同様な効果を得ることができる。ただし、次の
条件を満たすことが必要である。すなわち、開口部２が
周囲の４本の格子ライン３すべてに接する。または補償
パターンを含んで接すること。また、開口部を構成する
ライン１９が格子ライン、すなわち（１１０）面と平行
にならないこと。もし平行なラインがあると、アルカリ
エッチング時において目的とする場所以外に（１１１）
面が析出し、そこでエッチングが停止し、目的形状が得
られない。また、隣接する開口部間の最小距離（金属膜
パターンの最小幅）が露光装置の加工限界以上であるこ
と。この場合、マスクアライナーを用いる場合には３μ
ｍ以上が好ましい。

【００２９】なお、本実施例の図１、図２、図７および
図８並びに基本の図４に示すフォトマスクパターンは、
ポジ型レジストを用いた場合の説明であるが、これと逆
の関係にあるネガ型レジストを用いる場合には金属膜パ
ターン部と開口部の位置を逆にすれば同様の形状が得ら
れることになる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る逆ピ
ラミッド型テクスチャーの形成方法は、開口部が傾斜し
た正方形格子を基本とした形状を有するフォトマスクを
用いて酸化膜パターンを形成し、アルカリ水溶液でエッ
チング処理を行うことにより、良好な逆ピラミッド型テ
クスチャーを、安価な装置によって、簡易な工程にて形
成することを可能とする。

【００３１】さらに、補償パターンを付与したフォトマ
スクを用いることによって、上記の酸化膜パターンを形
成し、アルカリ金属元素を含まないＴＭＡＨ溶液等でエ
ッチング処理を行うことにより、良好な逆ピラミッド型
テクスチャーの形成が可能となる。これにより、アルカ
リ金属元素による電気特性の低下も防止され、高性能太
陽電池を低コストで製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る補償パターンを付与した
フォトマスクパターンの一例を示す図である。

【図２】本発明の実施例に係るフォトマスクパターンの
基本構成の一例を示す図である。

【図３】本発明に係る逆ピラミッド型テクスチャーの概
要図であり、（ａ）配列状況を示し、（ｂ）拡大図を示
す。

【図４】従来のフォトマスクパターンの一例を示す図で
ある。

【図５】従来のフォトマスクパターンによるテクスチャ
ーの形成過程を示す図で、（ａ）開始段階、（ｂ）途中
段階、（ｃ）最終段階を示す。

【図６】本発明のフォトマスクパターンによるテクスチ
ャーの形成過程を示す図で、（ａ）開始段階、（ｂ）途
中段階、（ｃ）最終段階を示す。

【図７】本発明の実施例に係る曲線状パターンを有する
フォトマスクの一例を示す図である。

【図８】本発明の実施例に係る二つの基本パターンの組
み合わせを有するフォトマスクの一例を示す図である。

【符号の説明】

１…金属膜部分 ２…開口部 ３…格子ライン ４…開口部四隅部分 ５…最小線幅部分 ６…傾斜角度 ７…格子サイズ ８…パターン長さ（その１） ９…パターン長さ（その２） １０…補償パターン部分 １１…Ｓｉ基板表面 １２…金属膜部分の幅 １３…酸化膜 １４…（１１１）面 １５…（１１１）面と（１００）面の角度 １６…（１００）面 １７…析出面 １８…補償パターンの線幅間隔 １９…開口部を構成するライン ２０…副正方形格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078 H01L 21/306 - 21/308

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 逆ピラミッド型テクスチャーの形成方法
   において、フォトリソグラフィープロセスに用いるフォ
   トマスク上に規則的に配列された開口部を、該開口部の
   一つのみを含む領域毎にフォトマスク面を分割する基本
   正方形格子に相似し、該基本正方形格子の大きさを越え
   ない副正方形格子のそれぞれ一辺の少なくとも一部を含
   む四辺上の直線を、該基本正方形格子の辺と平行となる
   部分を含まない線分で接続した形状とし、かつ隣接する
   開口部間では、該基本正方形格子の辺を挟んで、近接す
   る直線同士の一方が、他方の直線を該基本正方形格子の
   該辺に対して対称投影した線分に重複しない関係を有す
   る形状とすることを特徴とする逆ピラミッド型テクスチ
   ャーの形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法であって、前記副
   正方形格子を、前記基本正方形格子に一致させたことを
   特徴とする逆ピラミッド型テクスチャーの形成方法。