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    • 专利摘要:
    Eine Oberfläche eines Substrates (1) aus miltikristallinem Silicium wird mit einer alkalischen wässrigen Lösung in einem Zustand geätzt, so dass ein Verhältnis R von Oberflächenfläche zu planarer Oberflächenfläche kleiner ist als 1,1. Eine Mehrzahl feiner Texturen wird über den Unregelmäßigkeiten durch Trockenätzen gebildet. Dies ermöglicht, dass feine Texturen gleichförmig gebildet werden, und es lässt sich demzufolge eine Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad herstellen.
    公开号:DE102004005274A1
    申请号:DE102004005274
    申请日:2004-01-27
    公开日:2004-08-19
    发明作者:Yosuke Yokaichi Inomata
    申请人:Kyocera Corp；
    IPC主号:C01B33-02
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Anmeldung basiertauf der in Japan eingereichten Anmeldung mit der Nr. 2003-019535,deren Inhalt vorliegend durch Bezugnahme enthalten ist.
    [0002] Die vorliegende Erfindung betrifftein multikristallines Siliciumsubstrat und einen Prozess zum Aufraueneiner Oberflächehiervon, das bzw. der vorzugsweise auf dem Gebiet einer Solarzelleoder dgl. verwendet wird.
    [0003] Eine Solarzelle ist ein Bauteil,das Lichtenergie wie Sonnenlicht, die auf dessen Oberfläche auftrifft,in elektrische Energie umwandelt. Es sind verschiedene Versucheunternommen worden, um die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad beimUmwan deln von Lichtenergie in elektrische Energie zu verbessern.Ein derartiger Ansatz besteht in einer Technik, die das Reflexionsvermögen für Lichtverringert, das auf die Oberflächedes Substrates auftrifft. Ein Verringern des Reflexionsvermögens für Licht,das auf die Oberflächeauftrifft, ermöglicht,dass die Wandlungseffizienz in elektrische Energie verbessert wird.
    [0004] Die Haupttypen von Solarzellen werden durchdas verwendete Material in kristalline Siliciumsolarzellen, amorpheSiliciumsolarzellen, Verbund- bzw. verbindungsbasierte Solarzellenund dgl. klassifiziert. Die meisten Solarzellen, die auf den Marktgebracht werden, sind kristalline Siliciumsolarzellen. Die kristallinenSiliciumsolarzellen werden ferner in solche vom Einkristalltyp undsolche vom multikristallinen Typ klassifiziert. Solarzellen ausEinkristallSilicium haben den Vorteil, dass die Wandlungseffizienz relativgesehen höherist, und zwar auf Grund der hohen Qualität der Substrate. Sie habenjedoch den Nachteil hoher Herstellungskosten der Substrate. Im Gegensatzhierzu haben Solarzellen aus multikristallinem Silicium den Nachteileiner unterlegenen Substratqualität, was es erschwert, die Wandlungseffizienzzu verbessern, sie haben jedoch den Vorteil niedriger Herstellungskosten.Zusätzlichhierzu ist fürSolarzellen aus multikristallinem Silicium als ein Ergebnis einerjüngerenVerbesserung der Substratqualität vonSolarzellen aus multikristallinem Silicium und auf Grund des Fortschrittesbei der Zellfabrikationstechnologie auf Laborebene eine Umwandlungseffizienz inder Größenordnungvon 18 % erzielt worden.
    [0005] Unterdessen sind bislang Solarzellenaus multikristallinem Silicium auf Massenherstellungsniveau aufdem Markt, und zwar auf Grund ihrer niedrigen Kosten. Die Nachfragehat in jüngsterZeit weiter zugenommen, und zwar auf Grund von Umständen, beidenen Umweltschutzgesichtspunkte von großer Bedeutung sind. Demzufolgeist angestrebt, dass die Solarzellen zusätzlich zu dem Vorteil von niedrigen Kosteneine höhereWandlungseffizienz haben.
    [0006] Bei der Fabrikation einer Solarzelleunter Verwendung eines Siliciumsubstrates führt das Ätzen einer Oberfläche desSubstrates in einem vorbestimmten Zustand mit einer alkalischenwässrigen Lösung, wieeiner Natriumhydroxidlösung,zur Bildung von Texturen an der Oberfläche, was die Reflexion vonLicht an der Oberflächebis zu einem gewissen Maß reduziert.
    [0007] Wenn ein Substrat aus einem EinkristallSiliciummit einer Orientierung (100) verwendet wird, kann ein pyramidalesMuster, das eine texturierte Struktur genannt wird, gleichförmig ander Oberflächedes Substrates durch einen derartigen Prozess gebildet werden.
    [0008] Wenn jedoch eine Solarzelle unterVerwendung eines multikristallinen Substrates hergestellt wird,lässt sichein derartiges pyramidales Muster nicht gleichförmig ausbilden, und zwar aufGrund der Tatsache, dass der Texturätzvorgang mit einer alkalischenwässrigenLösungvon der Kristallorientierung abhängt.Aus diesem Grund führtdies zu dem Problem, dass das Gesamtreflexionsvermögen nichteffektiv reduziert werden kann.
    [0009] Um ein derartiges Problem zu überwinden, istdas Vorbereiten einer Oberflächemit feinen Texturen mittels eines reaktiven Ionenätzens („reactiveion etching") für den Fallvorge schlagen worden, bei dem eine Solarzelle unter Verwendung einesSubstrates aus multikristallinem Silicium hergestellt wird (beispielsweisein dem Patentdokument [1]). Durch dieses Verfahren können feineTexturen gleichförmig ausgebildetwerden, und zwar unabhängigvon der unregelmäßigen Orientierungder Kristalle des multikristallinen Siliciums. Insbesondere kanndas Reflexionsvermögenbei einer Solarzelle unter Verwendung von multikristallinem Siliciumeffektiver reduziert werden. ([1] Japanische offengelegte PatentveröffentlichungNr. 1997-102625)
    [0010] Multikristalline Siliciumsubstratewerden generell hergestellt, indem ein Block oder Rohblock („ingot") aus Silicium inScheiben geschnitten wird, der durch einen Gussprozess erhaltenwird. Dabei wird in weitem Maßeein Scheibenschneidprozess verwendet, bei dem ein ID-Blatt bzw.eine ID-Klinge oder eine Multidrahtsäge verwendet wird. Siliciumsubstrate,die durch einen derartigen Prozess hergestellt werden, weisen eineSchicht an der Oberflächeauf, die durch den Scheibenschneidvorgang mechanisch beschädigt bleibt,was eine Verschlechterung der Performance der Solarzelle hervorruft.Die beschädigteSchicht muss entfernt werden, damit das Substrat für eine Solarzelleverwendet werden kann. Die Dicke der beschädigten Schicht liegt generellin der Größenordnungvon 10 μm,obgleich die Dicke in Abhängigkeitvon dem Bearbeitungsprozess variiert.
    [0011] Da die erforderliche Tiefe, auf diedie Oberflächedurch das vorstehende reaktive Ionenätzen zum Bilden von feinenTexturen geätztwird, höchstenseinige Mikrometer beträgt,lässt sichdie beschädigteSchicht kaum entfernen.
    [0012] Um feine Texturen an der Oberfläche eines Substratesfür eineSolarzelle durch reaktives Ionenätzenzu bilden, wird die beschädigteSchicht vorzugsweise vor der Texturbildung entfernt.
    [0013] Mit der Ausnahme eines mechanischen Ätzvorgangeskönnenverschiedene Prozesse zum Entfernen der beschädigten Schicht verwendet werden. Obgleichjeder dieser Prozesse verwendet werden kann, ist insbesondere Nassätzen mitChemikalien ein einfacher und leicht zu handhabender Prozess. Generellnimmt man an, dass der einfachste und kostengünstigste Prozess ein Ätzvorgangunter Verwendung einer alkalischen wässrigen Lösung ist, einschließlich vonNatriumhydroxid oder Kaliumhydroxid.
    [0014] Es ist jedoch erkannt worden, dassdas Entfernen der beschädigtenSchicht durch einen alkalischen Ätzvorgangvor dem reaktiven Ionenätzenzum Bilden von feinen Texturen manchmal zur Bildung von zu komplexenUnregelmäßigkeitenan dem Substrat führt,und dass die Performance von Solarzellen, die unter Verwendung derartigerSubstrate hergestellt werden, verschlechtert ist.
    [0015] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindungbesteht darin, ein multikristallines Siliciumsubstrat und einenProzess zum Aufrauen einer Oberfläche hiervon anzugeben, diedie Performance der Solarzelle effektiv verbessern, und zwar selbstbei einem Zustand des Entfernens der beschädigten Schicht durch alkalisches Ätzen vordem reaktiven Ionenätzenzum Bilden von feinen Texturen.
    [0016] Ein multikristallines Siliciumsubstratgemäß der vorliegendenErfindung weist auf: ein Substrat aus multikristallinem Silicium,wobei auf einer Oberflächehiervon relativ großeUnregelmäßigkeitenausgebildet sind, und zwar durch Ätzen mit einer alkalischenwässrigenLösung;und einer Mehrzahl von relativ feinen Texturen, die über denrelativ großenUnregelmäßigkeitenausgebildet sind, und zwar durch Trockenätzen, wobei ein Verhältnis rnicht kleiner ist als 1 und kleiner ist als 1,1, wobei das Verhältnis rerhalten wird zu r = a/b, bei dem es sich um das Verhältnis zwischender Längea einer virtuellen Linie, die individuelle Spitzen der relativ feinenTexturen an einem vertikalen Querschnitt hiervon verbindet, und derLänge beiner geraden Linie handelt, die die Endpunkte der virtuellen Linieverbindet.
    [0017] Dieses Substrat aus multikristallinemSilicium ermöglicht,dass feine Texturen gleichförmigmit gleichen Höhenausgebildet werden, wodurch das Reflexionsvermögen bei einer Solarzelle effektivreduziert wird, die unter Verwendung dieses Substrates hergestelltist. Somit könnenSolarzellen mit einer hohen Wandlungseffizienz hergestellt werden.
    [0018] Es ist bevorzugt, wenn die feinenTexturen eine Höhebzw. eine Breite von 2 μmoder weniger aufweisen. Noch bevorzugter ist es, wenn die feinen Textureneine Höhebzw. eine Breite von 1 μmoder weniger aufweisen.
    [0019] Vorzugsweise haben die feinen Texturenein Längenverhältnis vonHöhe zuBreite von 2 oder weniger. Bei Längenverhältnissengrößer als2 können diefeinen Texturen währenddes Herstellungsprozesses einen Bruch erleiden, was dazu führt, dassin der hergestellten Solarzelle ein großer Leckstrom auftritt, wobeidie Solarzelle damit keine gute Ausgangs-Performance besitzt.
    [0020] Ein Verfahren zum Aufrauen einerOberflächeeines Solarzellensubstrates gemäß der vorliegendenErfindung weist die Schritte auf: Ätzen einer Oberfläche einesSubstrates aus multikristallinem Silicium mit einer alkalischenwässrigenLösung,zum Bilden von relativ großenUnregelmäßigkeitenmit einem VerhältnisR von Oberflächenfläche zu ebener Oberflächenfläche vongrößer als1 und kleiner als 1,1; und Trockenätzen zum Bilden einer Mehrzahl vonrelativ feinen Texturen überden relativ großen Unregelmäßigkeiten.
    [0021] Dieses Verfahren erlaubt, dass feineTexturen gleichförmigausgebildet werden, wodurch das Reflexionsvermögen in der Solarzelle, dieunter Verwendung des Substrates hergestellt ist, effektiv reduziertwird. Es könnenfolglich Solarzellen mit einer hohen wandlungseffizienz hergestelltwerden.
    [0022] Es versteht sich, dass die vorstehendgenannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nurin der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderenKombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmender vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    [0023] Ausführungsbeispiele der Erfindungsind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgendenBeschreibung nähererläutert.Es zeigen:
    [0024] 1 eineSolarzelle unter Verwendung eines Substrates aus multikristallinemSilicium, dessen Oberflächedurch einen Prozess der vorliegenden Erfindung texturiert ist;
    [0025] 2 eineVorrichtung zum reaktiven Ionenätzen,die in einem Verfahren zum Aufrauen einer Oberfläche eines Substrates aus multikristallinemSilicium gemäß der vorliegendenErfindung verwendet wird;
    [0026] 3 einSEM-Bild bzw. Rasterelektronenmikroskopbild einer Oberfläche einesSubstrates aus multikristallinem Silicium, das durch einen Oberflächentexturierungsprozessder vorliegenden Erfindung texturiert ist;
    [0027] 4 eineDarstellung, die die Definitionen von Oberflächenfläche und ebener Oberflächenfläche gemäß der vorliegendenErfindung darstellt;
    [0028] 5 einDiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Verhältnis R von Oberflächenfläche zu ebenerOberflächenfläche nacheinem alkalischen Ätzenund der Wandlungseffizienz der hergestellten Solarzelle zeigt;
    [0029] 6 eineschematische Querschnittsansicht, die feine Texturen 22 zeigt,die durch reaktives Ionenätzengebildet sind, und zwar übereine Oberflächeeines Siliciumsubstrates 21 nach dem Entfernen einer durchalkalisches Ätzenbeschädigten Schicht;und
    [0030] 7 einElektronenmikroskopbild zum Darstellen eines Längenverhältnisses für den Fall von feinen Texturen,die übereiner Flächeeines Siliciumsubstrates gebildet sind.
    [0031] Eine spezifische Ausführungsformder vorliegenden Erfindung wird nachstehend im Detail unter Bezugnahmeauf die beigefügteZeichnung beschrieben, wobei eine Solarzelle aus massivem („bulk") kristallinem Siliciumals Beispiel herangezogen wird. Die vorliegende Erfindung ist jedochnicht auf dieses Beispiel begrenzt und ist auf Solarzellen andererTypen anwendbar, einschließlichvon Dünnfilm-Solarzellenunter Verwendung eines Glassubstrates.
    [0032] 1 isteine Querschnittsansicht, die eine Struktur einer Solarzelle zeigt,die durch ein Substratverarbeitungsverfahren der Erfindung hergestelltist. In 1 bezeichnetBezugsziffer 1 ein Siliciumsubstrat, Bezugsziffer 2 bezeichnetTexturen, die auf dem Siliciumsubstrat 1 gebildet sind,Bezugsziffer 3 bezeichnet eine Verunreinigungsdiffusionsschichtauf der Licht empfangenden Oberflächenseite, Bezugsziffer 4 bezeichneteine Verunreinigungsdiffusionsschicht (BSF) an der rückseitigenOberflächenseite desSiliciums, Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Oberflächenelektrodeund Bezugsziffer 7 bezeichnet eine rückseitige Oberflächenelektrode.
    [0033] An der Oberflächenseite des Siliciumsubstrates 1 isteine Verunreinigungsdiffusionsschicht 3 gebildet, in dieim Vergleich zu dem Substrat ein anderer Typ von Verunreinigunghinein diffundiert ist. Diese Verunreinigungsdiffusionsschicht 3 istvorgesehen, um innerhalb des Siliciumsubstrates 1 einen Halbleiterübergang(„semiconductorjunction") zu bilden.Beispielsweise wird zur Diffusion einer Verunreinigung vom n-Typeine Dampfphasen-Diffusionstechnik unter Verwendung von POCl3, eine Spin-on-Diffusion unter Verwendungvon P2O5 oder eineIonenimplantation zum direkten Einführen von P+-Ionenin das Substrat mittels eines elektrischen Feldes verwendet.
    [0034] Die Schicht 3, die eineHalbleiterverunreinigung vom entgegengesetzten Typ aufweist, istauf eine Dicke von 0,3 bis 0,5 μmgebildet.
    [0035] Ein antireflektierender Film 5 istauf der Oberflächenseitedes Siliciumsubstrates 1 gebildet. Der antireflektierendeFilm 5 ist vorgesehen, um zu verhindern, dass Licht ander Oberflächedes Siliciumsubstrates 1 reflektiert, um so effektiv Lichtin das Siliciumsubstrat 1 hinein einzuführen. Als Ergebnis der Tatsache,dass die Differenz im Brechungsindex zwischen dem Siliciumsubstrat 1 unddem antireflektierenden Film und dgl. in Betracht gezogen wird, weistder antireflektierende Film 5 ein Material mit einem Brechungsindexin der Größenordnungvon 2 auf und ist als Siliciumnitridfilm oder Siliciumoxidfilm(SiO2)-Film mit einer Dicke von 500 – 2000 %ausgebildet.
    [0036] Vorzugsweise ist an der rückseitigenOberflächedes Siliciumsubstrates 1 eine Schicht 4 ausgebildet,die mit einer Halbleiterverunreinigung vom gleichen Typ wie dasSubstrat dotiert ist, und zwar mit einer hohen Konzentration. DieseSchicht wird rückseitigeOberflächenfeldschicht(Back Surface Field layer; BSF-layer) genannt. Die BSF-Schicht 4,die mit einer Halbleiterverunreinigung eines ersten Typs mit einerhohen Konzentration dotiert ist, ist vorgesehen, um an der Rückseitedes Siliciumsubstrates 1 ein inneres elektrisches Feldzu erzeugen, um eine Rekombination von Trägern in der Nachbarschaft der rückseitigenOberflächedes Siliciumsubstrates 1 zu verhindern, was somit ein Absenkenbzw. Verringern der Effizienz verhindert.
    [0037] Bei der oben beschriebenen Strukturder Solarzelle werden Träger,die in der Nachbarschaft der rückseitigenOberflächedes Siliciumsubstrates 1 erzeugt werden, durch das elektrischeFeld beschleunigt, und im Ergebnis kann elektrische Leistung effektiverzeugt werden. Insbesondere ist die Lichtempfindlichkeit gegenüber Lichtmit langen Wellenlängen verstärkt bzw.verbessert, so dass eine Verschlechterung der Performance der Solarzellebei hohen Temperaturen vermindert werden kann. Der Lagenwiderstand(„sheetresistance") ander Rückseitedes Siliciumsubstrates 1, die mit der BSF-Schicht 4 ausgebildetist, liegt in der Größenordnungvon 15 Ω/sq.(15 Ω/square).
    [0038] Eine Oberflächenelektrode 6 undeine rückseitigeOberflächenelektrode 7 sindan der Oberflächenseitebzw. der Rückseitedes Siliciumsubstrates 1 ausgebildet. Diese Oberflächenelektrodeund rückseitigeOberflächenelektrodewerden gebildet durch Siebdrucken einer Ag-Paste und hiernach durch Brennender Ag-Paste, diehauptsächlichaus Ag-Pulver, einem Binder und einer Fritte zusammengesetzt ist,und dann durch Ausbilden einer Lötschichthierauf.
    [0039] Die Oberflächenelektrode 6 istmit einer großenAnzahl von Fingern (nicht gezeigt) konstruiert, die mit Abständen („pit ches") von etwa 3 mm miteiner Breite von etwa 200 μmgebildet sind, wobei zwei Busschienen („busbars") die große Anzahl von Fingern untereinanderverbindet.
    [0040] Die rückseitige Oberflächenelektrode 7 ist miteiner großenAnzahl von Fingern (nicht gezeigt) konstruiert, die mit Abständen vonetwa 5 mm mit einer Breite von etwa 300 μm gebildet sind, und zwei Busschienenverbinden die großeAnzahl von Fingern.
    [0041] Das Siliciumsubstrat 1 istein Substrat aus multikristallinem Silicium. Dieses Substrat 1 kann entwedervom p-Typ oder vom n-Typ sein.
    [0042] Das Substrat aus multikristallinemSilicium wird gebildet durch ein Gussverfahren oder dgl. Da es massenproduzierbarist, ist multikristallines Silicium gegenüber Einkristall-Silicium imHinblick auf die Herstellungskosten ziemlich vorteilhaft. Ein Siliciumsubstratwird erzeugt durch Schneiden eines Siliciumblockes, der durch einKristall-Ziehverfahren oder Gussverfahren in Blöcke („ingots") gebildet wird, in eine Größe von 10cm × 10cm oder 15 cm × 15cm, und indem der Block dann in Scheiben mit einer Dicke von etwa300 μm geschnittenwird.
    [0043] Ein zum Schneiden des Blockes inScheiben typischerweise verwendetes Verfahren ist das Sägen miteiner Innendurchmesser-Klingebzw. ID-Klinge („IDblade, Inside Diameter Blade")oder mit einer Mehrdrahtsäge.Da das Silicium durch ein solches mechanisches Verfahren in Scheibengeschnitten wird, verbleiben an der Grundfläche („ground surface") Restspannungen,wodurch sich eine Anzahl von Defekten in der Nachbarschaft der Oberflä che derSiliciumsubstrate ergibt. Demzufolge muss bei der Herstellung vonSolarzellen aus multikristallinem Silicium die beschädigte Schicht,wie oben genannt, entfernt werden, da diese eine Verschlechterungder Performance der Solarzelle hervorruft.
    [0044] Um die beschädigte Schicht zu entfernen,ist ein Prozess notwendig, der keine zusätzliche Beschädigung derOberflächedes Siliciumsubstrates hervorruft. Generell wird als ein derartigerProzess ein Nassätzenverwendet.
    [0045] Der am häufigsten verwendete Prozessist ein Ätzenmit Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, und zwar auf Grund derLeichtigkeit und der Kostengünstigkeitder Verwendung. Das Ätzenmit einer alkalischen wässrigenLösungweist beim Ätzenvon multikristallinem Silicium eine Selektivität („selectivity") auf, die von derSelektivitätspräferenz derkristallographischen Orientierung („crystallographic orientationselectivity preference")abhängt.
    [0046] Bei den Körnern des multikristallinenSiliciums werden Körnermit einer (100)-Orientierung mit der schnellsten Ätzrate geätzt, wohingegenKörner miteiner (111)-Orientierung mit der langsamsten Ätzrate geätzt werden. Die Präferenz hinsichtlichder Ätzratewird unter den individuellen Kristallkörnern innerhalb des Substratesaus multikristallinem Silicium so bewirkt, dass das Ätzen sofortschreitet, dass sich schließlich(111)-Orientierungsebenenzeigen.
    [0047] Als ein Prozess zum Bilden von Unregelmäßigkeitenunter Verwendung des obenstehenden Merkmals gibt es einen Prozesszum Bilden einer texturierten Oberfläche unter Verwendung eineralkalischen wässrigenLösung.Bei diesem Prozess wird das Ätzenbeispielsweise durchgeführtmit einer 5%igen wässrigenNatriumhydroxidlösungbei etwa 70°C.Wenn die Kristallkörnereine (100)-Orientierung haben, werden unzählige („myriad") pyramidale Strukturen mit vier (111)-Ebenenauf den Oberflächender Kristallkörnergebildet. Demzufolge werden in Fällen,bei denen ein Einkristall-Siliciumsubstrat einer (100)-Orientierungverwendet wird, pyramidale Strukturen auf der gesamten Oberfläche desEinkristall-Siliciumsubstrates gebildet. Dort, wo die pyramidalenStrukturen gebildet werden, ist das Lichtabsorptionsverhalten gesteigertbzw. verbessert, da die pyramidalen Strukturen so funktionieren,dass sie die Reflexion von Licht reduzieren, wodurch die Performanceder Solarzelle verbessert wird. Aus diesem Grund werden Siliciumsubstrateder (100)-Orientierung häufigfür Solarzellenaus Einkristall-Silicium verwendet.
    [0048] Im Falle eines Substrates aus multikristallinemSilicium werden pyramidale Strukturen auf den (100)-orientiertenEbenen durch alkalisches Ätzen gebildet.Währendandere Ebenen nicht mit pyramidalen Strukturen ausgebildet werden,da das Ätzen sofortschreitet, dass die (111)-Ebenen sich zeigen, werden Texturenentsprechend ausgebildet. Wenn mit einer alkalischen Lösung aufeine Tiefe von etwa 15 μmgeätztwird, betragen die Größen derdurch das alkalische Ätzengebildeten Texturen etwa einige Mikrometer bis hin zu weniger als20 μm.
    [0049] Bei der vorliegenden Erfindung wirdzusätzlichnach dem Entfernen der beschädigtenSchicht mit einer alkalischen wässrigenLösungein reaktiver Ionenätzprozess(RIE-Prozess) durchgeführt,um feine Texturen zu bilden. Dies liegt daran, da es unmöglich ist,die beschädigteSchicht effektiv durch den RIE-Prozesszu entfernen. Der RIE-Prozess ätzt höchstensauf einige Mikrometer, wenn feine Texturen auf sämtlichen Oberflächen derKristallkörnerunterschiedlicher Orientierungen gebildet werden, die auf der Oberfläche desSubstrates aus multikristallinem Silicium vorliegen.
    [0050] Der RIE-Prozess ist ein Ätzprozess,bei dem Gase in eine evakuierte Kammer eingeführt werden, und während derDruck konstant gehalten wird, wird eine RF-Spannung an eine Elektrodeangelegt, die innerhalb der Kammer angeordnet ist, so dass ein Plasmaerzeugt wird, das aktive Sorten bzw. Teilchen („species") wie Ionen und Radikale ergibt, dieauf die Oberflächedes Substrates wirken, wodurch die Oberfläche geätzt wird.
    [0051] Dieser Prozess wird generell ausgeführt unterVerwendung einer Vorrichtung, wie sie in 2 gezeigt ist.
    [0052] In 2 sindgezeigt eine Massenflusssteuereinrichtung 8, ein Siliciumsubstrat 1,eine RF-Elektrode 9, ein Druckregler 10, eineVakuumpumpe 11 und eine RF-Leistungsquelle 12.Gase werden von der Massenflusssteuereinrichtung 8 in dieKammer eingeführt.Bei der RF-Elektrode wird ein Plasma erzeugt, so dass Ionen undRadikale angeregt bzw. erregt und aktiviert werden, so dass sieauf die Oberflächedes Siliciumsubstrates 1 wirken, das oberhalb der RF-Elektrode 9 angeordnetist, wodurch das Substrat geätztwird.
    [0053] Bei Ätzprozessen, bei denen aktiveSorten bzw. Teilchen erzeugt werden, wird das Verfahren, bei demdie Wirkung der Ionen auf das Ätzenbesonders gesteigert bzw. verbessert wird, generell reaktives Ionenätzen genannt.Ein diesem Prozess ähnlicherProzess ist das Plasmaätzen,bei dem das Prinzip der Plasmaerzeugung generell das Gleiche ist. Dasreaktive Ionenätzenunterscheidet sich von dem Plasmaätzen nur dadurch, dass dieVerteilung der aktiven Sorten, die auf das Substrat wirken, aufeine unterschiedliche Verteilung geändert wird, und zwar durchdie Anordnung der Kammer, der Elektrode oder der erzeugten Frequenzen,und ist hinsichtlich anderer Aspekte gleich dem Plasmaätzen. Demgemäß ist dievorliegende Erfindung nicht nur auf reaktives Ionenätzen anwendbar,sondern in weitem Maßeauf Plasmaätzenim Allgemeinen.
    [0054] Bei der vorliegenden Erfindung wird Ätzen beispielsweisemit einem Cl2-Gasfluss von 0,01 slm, einemO2-Gasfluss von 0,06 slm und einem SF6-Gasfluss von 0,04 slm durchgeführt, undzwar bei einem Reaktionsdruck von 7 Pa und einer RF-Leistung von 5kW, zum Erzeugen eines Plasmas füretwa 5 Minuten. Durch diesen Prozess werden feine Texturen auf einerOberflächedes Siliciumsubstrates gebildet.
    [0055] Obgleich Silicium während des Ätzens geätzt undim Wesentlichen verdampft wird, verdampft ein Teil hiervon nichtund Molekülewachsen zusammen, wobei sie als Rest bzw. Residuen auf der Oberfläche desSubstrates verbleiben. Die Hauptkomponente bzw. der Hauptbestandteilder Residuen ist Silicium.
    [0056] Wenn die Zustände der Gase, des Reaktionsdruckes,der RF-Leistungund dgl. so eingestellt sind, dass feine Texturen gebildet werdenund die Residuen, die oben genannt wurden, auf der Oberfläche desSubstrates verbleiben, werden feine Texturen gebildet durch einen Ätzvorgang,der die Residuen als eine Maske verwendet. Demgemäß können Texturenverlässlichgebildet werden. Wie es jedoch später beschrieben werden wird,muss das Längenverhältnis derfeinen Texturen optimiert werden, um einen bestimmten Zustand bzw.eine bestimmte Bedingung zu erfüllen.
    [0057] 3 zeigteine Oberfläche,bei der feine Texturen gebildet sind durch reaktives Ionenätzen, undzwar nach dem Entfernen einer beschädigten Schicht durch Ätzen miteiner alkalischen wässrigen Lösung. Dasuntere Foto der 3 isteine vergrößerte Darstellungdes oberen Fotos.
    [0058] Die Größen der feinen Texturen, diedurch das reaktive Ionenätzengebildet werden, liegen bei etwa 0,1 bis 1,0 um, was eine Größenordnungkleiner ist als die Texturen der Textur, die durch Ätzen miteiner alkalischen wässrigenLösunggebildet werden.
    [0059] Da die Bildung von Texturen beimreaktiven Ionenätzenschlecht bzw. wenig von der Kristallorientierung abhängt, istferner ein Substrat aus multikristallinem Silicium Texturgeätzt worden,um gleichförmigefeine Texturen mittels des reaktiven Ionenätzens zu bilden, und zwar nachdem Entfernen der beschädigtenSchicht unter Verwendung der alkalischen wässrigen Lösung.
    [0060] 4 isteine schematische Darstellung von zufälligen Unregelmäßigkeiten,die auf einer Oberflächeeines Substrates aus multikristallinem Silicium gebildet sind, undzwar unter Verwendung einer alkalischen wässrigen Lösung. Einige Unregelmäßigkeitensind als eine Gruppe von kleinen Dreiecken A bis J gezeichnet.
    [0061] In der vorliegenden Anmeldung wirdeine Fläche,in der die Flächenvon Texturen der Oberflächedes Siliciumsubstrates beinhaltet sind (in 4 die Summe der Flächen der Dreiecke: A+B+C+D+E+F+G+H+I+J)als die „Oberflächenfläche" bezeichnet, undeine projizierte Fläche,bei der es sich um die Flächehandelt, die aus einer Richtung senkrecht zu dem Siliciumsubstrat(S in 4) betrachtetwird, wird als die „planareOberflächenfläche" bezeichnet. DieOberflächenfläche lässt sich durchdreidimensionale Oberflächenmessungenmit einem AFM (Atomkraftmikroskop; Atomic Force Microscope) odereinem SEM (Rasterelektronenmikroskop) messen.
    [0062] Durch alkalisches Ätzen gebildeteUnregelmäßigkeitenhaben VerhältnisseR von Oberflächenfläche zu planarerOberflächenfläche vonetwa 1,1 bis 1,3. Definitionsgemäß ist dasVerhältnisR niemals kleiner als 1.
    [0063] Wenn feine Texturen ferner über denUnregelmäßigkeitendurch reaktives Ionenätzengebildet werden, nimmt die Oberflächenfläche, die durch Ätzen vonUnregelmäßigkeitenmit einer alkalischen wässrigenLösunggebildet wird, weiter zu. Wenn die Oberflächenfläche zunimmt, wird die Differenzauf Grund der unterschiedlichen Kristallorientierungen prominentbzw. tritt hervor. Es ist herausgefunden worden, dass aus diesemGrund dann, wenn ein antireflektierender Film bei einem späteren Prozess durchdas CVD-Verfahren gebildet wird, auf Grund der Filmdicken, die sichvon Kristallkorn zu Kristallkorn unterscheiden, eine Farbunregelmäßigkeithervorgerufen wird, was zu einer Verschlechterung der Performanceder Solarzelle führt.Ferner ist im Hinblick auf die Performance der Solarzelle eine kleinere Oberflächenfläche bevorzugt,da dann, wenn die Ober flächenfläche zunimmt,ein Sättigungsstromansteigt, der zu einem Anstieg des Leckstromes führt. Mit anderen Worten istdie Oberflächedes Siliciumsubstrates vor der Bildung der feinen Texturen durch reaktivesIonenätzenvorzugsweise so flach wie möglich.
    [0064] Nach einer Anzahl von Experimentenist herausgefunden worden, dass es zur effektiven Bildung von feinenTexturen durch reaktives Ionenätzennach dem Entfernen der beschädigtenSchicht an der Oberflächeeines Substrates aus multikristallinem Silicium durch alkalisches Ätzen bevorzugtist, wenn das VerhältnisR von Oberflächenfläche zu planarer Oberflächenfläche nachdem Entfernen der beschädigtenSchicht durch alkalisches Ätzenkleiner ist als 1,1.
    [0065] Durch diese Anordnung kann die Dickedes antireflektierenden Films nahezu konstant gehalten werden, undzwar unabhängigvon den Kristallkörnernan der Oberflächedes Substrates, so dass die Performance hinreichend verbessert werdenkann.
    [0066] 5 istein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis Rvon Oberflächenfläche zu planarerOberflächenfläche einesSubstrates nach dem Entfernen einer beschädigten Schicht durch alkalisches Ätzen undder Wandlungseffizienz einer Solarzelle darstellt, die durch Bildenvon feinen Texturen mittels reaktiven Ionenätzens unter Verwendung desSubstrates hergestellt ist. Das Diagramm zeigt, dass hohe Wandlungseffizienzenerzielt werden, wenn das VerhältnisR von Oberflächenfläche zu planarerOberflächenfläche nachdem Entfernen der beschädigtenSchicht durch alkalisches Ätzen kleinerist als 1,1.
    [0067] 6 isteine Querschnittsansicht, die feine Texturen 22 zeigt,die auf einer Oberflächeeines Siliciumsubstrates gebildet sind, und zwar nach dem Entferneneiner beschädigtenSchicht durch alkalisches Ätzen.
    [0068] Die vorliegende Erfindung ist soausgelegt, dass ein Verhältnisr (r = a/b) zwischen der Längea einer virtuellen Linie (die fette Linie in 6), die einzelne Spitzen der feinen Texturen 22 ineinem Querschnitt hiervon untereinander verbindet, und der Länge b einergeraden Linie, die die zwei Endpunkte 23 und 24 dervirtuellen Linie untereinander verbindet, kleiner ist als 1,1, d.h.r < 1,1. Dies zeigtan, dass die Höhender Spitzenwerte der feinen Texturen 22 gleichmäßig bzw.gleich („even") sind. Ferner istdas Verhältnisr durch Definition niemals kleiner als 1.
    [0069] Damit das Verhältnis R zwischen der Oberflächenfläche undder planaren Oberflächenfläche nachdem Entfernen der beschädigtenSchicht durch alkalisches Ätzenkleiner ist als 1,1 und/oder damit das Verhältnis r zwischen der Länge a einervirtuellen Linie, die einzelne Spitzen der feinen Texturen 22 in einemQuerschnitt hiervon untereinander verbindet, und der Länge b einergeraden Linie, die die zwei Endpunkte der virtuellen Linie untereinanderverbindet, kleiner ist als 1,1, wäre es effektiv, wenn das Entfernender beschädigtenSchicht mittels des alkalischen Ätzensso schnell wie möglichdurchgeführt wird.
    [0070] Dies kann beispielsweise durch einenProzess erzielt werden, bei dem eine wässrige Lösung mit 25 Gew.-% Natriumhydroxidauf 85°Cerwärmt wird,und wenn ein Siliciumsubstrat in der Lösung geätzt wird. Bei der vorliegendenErfindung könnendie Merkmale, dass das VerhältnisR zwischen der Oberflächenfläche undder planaren Oberflächenfläche kleinerist als 1,1, und dass das Verhältnisr zwischen der Längea einer virtuellen Linie, die einzelne Spitzen der feinen Texturenin einem Querschnitt hiervon untereinander verbindet, und der Länge b einergeraden Linie, die die zwei Endpunkte jener virtuellen Linie untereinanderverbindet, kleiner ist als 1,1, erzielt bzw. erreicht werden, indemdas alkalische Ätzenmit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird.
    [0071] Wie es in den 6 und 7 gezeigtist, bilden die feinen Texturen konische Formen oder Fäden bzw.Ketten („strings") mit konischen Formen.Deren Größe lässt sichveränderndurch die Gaskonzentration oder die Ätzzeit bei dem RIE-Prozess.
    [0072] Die feinen Texturen werden so gebildet,dass sie jeweils eine Breite und eine Höhe von 2 μm oder weniger aufweisen. Umfeine Texturen gesteuert bzw. steuerbar zu bilden, so dass sie vollständig die Fläche derOberflächedes Siliciumsubstrates 1 gleichförmig und präzise abdecken, betragen die Breiteund die Höhejeweils vorzugsweise 1 μmoder weniger.
    [0073] Das zur Beschreibung der vorliegendenErfindung verwendete Längenverhältnis ist,wie es in 7 gezeigtist, als das Verhältniszwischen der Höheund der Basis eines Dreiecks definiert, das gebildet ist durch diegenerell gerade Linie der beiden Seiten, die sich im Querschnittder feinen Texturen beobachten lassen (Höhe/Breite einer Textur). Wenn dieKoni der feinen Texturen einen Faden bzw. eine Kette bilden, bezieht sichder Querschnitt der oben genannten feinen Texturen auf einen vertikalenQuerschnitt entlang des Fadens bzw. der Kette.
    [0074] Da die Höhe und die Breite der feinenTextur in 7 1,3 μm bzw. 1,0 μm betragen,hat das Längenverhältnis einenWert von 1,3.
    [0075] Bei der vorliegenden Erfindung beträgt das Längenverhältnis derfeinen Texturen vorzugsweise 2 oder weniger. Wenn das Längenverhältnis größer istals 2, tritt ein Bruch der feinen Texturen beim Herstellungsprozessauf und in der hergestellten Solarzelle ist ein großer Leckstromvorhanden, wodurch die Solarzelle keine gute Ausgangs-Performancebesitzt.
    [0076] Obgleich bislang eine besondere Ausführungsformder vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist die Implementierungder vorliegenden Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsformbeschränktund es könnenverschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereiches der vorliegendenErfindung vorgenommen werden.
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Substrat (1) aus multikristallinem Silicium,mit: einem Substrat (1) aus multikristallinem Silicium,wobei auf einer Oberflächehiervon relativ großeUnregelmäßigkeitengebildet sind durch Ätzenmit einer alkalischen wässrigenLösung;und einer Mehrzahl von relativ feinen Texturen (2; 22),die durch Trockenätzen über denrelativ großenUnregelmäßigkeitenausgebildet sind, wobei ein Verhältnis r, das sich berechnetzu r = a/b, größer gleich1 und kleiner als 1,1 ist, wobei das Verhältnis r das Verhältnis zwischender Längea einer virtuellen Linie, die einzelne Spitzen der relativ feinen Texturenim Querschnitt hiervon untereinander verbindet, und der Länge b einergeraden Linie ist, die die Endpunkte (23, 24)der virtuellen Linie untereinander verbindet.
    [2] Substrat aus multikristallinem Silicium nach Anspruch1, wobei die feinen Texturen (2; 22) eine Höhe bzw.eine Breite von 2 μmoder weniger aufweisen.
    [3] Substrat aus multikristallinem Silicium gemäß Anspruch1, wobei die feinen Texturen (2; 22) eine Höhe bzw.eine Breite von 1 μmoder weniger aufweisen.
    [4] Substrat aus multikristallinem Silicium gemäß einemder Ansprüche1 bis 3, wobei die feinen Texturen (2; 22) einLängenverhältnis vonHöhe zuBreite von 2 oder weniger aufweisen.
    [5] Verfahren zum Aufrauen einer Oberfläche einesSubstrates (1) aus multikristallinem Silicium, mit denSchritten: Ätzeneiner Oberflächeeines Substrates (1) aus multikristallinem Silicium miteiner alkalischen wässrigen Lösung zumBilden von relativ großenTexturen bzw. Unregelmäßigkeitenmit einem VerhältnisR von Oberflächenfläche zu ebenerOberflächenfläche größer als1 und kleiner als 1,1; und einem Trockenätzschritt zum Bilden einerMehrzahl von relativ feinen Texturen über den relativ großen Unregelmäßigkeiten.
    [6] Verfahren zum Aufrauen einer Oberfläche einesSubstrates aus multikristallinem Silicium nach Anspruch 5, wobeibei dem Schritt des Bildens einer Mehrzahl von relativ feinen Texturenein Verhältnisr, das sich berechnet zu r = a/b, größer gleich 1 und kleiner als1,1 ist, wobei das Verhältnisr das Verhältnisist zwischen der Längea einer virtuellen Linie, die einzelne Spitzen der relativ feinenTexturen in einem vertikalen Querschnitt hiervon untereinander verbindet,und der Längeb einer geraden Linie, die die Endpunkte (23, 24)der virtuellen Linie untereinander verbindet.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    JP2004235274A|2004-08-19|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-08-19| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2005-04-07| 8125| Change of the main classification|Ipc: H01L 310236 |
    2009-08-20| 8131| Rejection|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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