(57)【要約】  パターン構造加工のための装置は、原料ガス（２）源と、プラズマ領域で原料ガス（２）からプラズマを発生させるのに適したエネルギー源と、固体サンプル（５）を受けるように構成された接地サンプルホルダ（１２）と、を含む。本発明によれば、装置は、プラズマ領域と接地サンプルホルダ（１２）との間に配置されたマスク（４）であって、プラズマ領域の方に向けられた第一の面（４５）と加工対象の固体サンプル（５）の表面（５１）の方に向けられた第二の面（４６）とを有し、マスク（４）は第一の面から第二の面まで延びるマスク開口（４０）を含むマスクと、マスクに直流バイアス電圧を印加するようになされた電源（１６）と、を含み、マスク開口（４０）は、固体サンプル（５）の表面（５１）に空間選択的なパターン構造加工を生成するような寸法及び形状とされる。
2020521322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−原料ガス（２）源と、
−前記原料ガス（２）を励起させ、プラズマ領域でプラズマ（２０）を発生させるのに適したエネルギー源と、
−固体サンプル（５）を受けるように構成された接地サンプルホルダ（１２）と、
を含むパターン構造加工のための装置において、
−前記プラズマ領域と前記接地サンプルホルダ（１２）との間に配置されたマスク（４）であって、前記プラズマ領域の方に向けられた第一の面（４５）と加工対象の前記固体サンプル（４）の表面（５１）の方に向けられた第二の面（４６）とを有し、前記第一の面から前記第二の面まで前記マスクを通って延びる少なくとも１つのマスク開口（４０、４３、４４）を含むマスク（４）と、
−直流非ゼロバイアス電圧を前記マスクに印加するようになされた電源（１６）と、を含み、
前記マスク（４）は、前記マスク（４）と前記固体サンプル（５）との間のプラズマ発生が防止されるように、前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）から閾値距離より短い距離（Ｄ２）に設置され、前記マスク開口（４０、４３、４４）は、前記プラズマ（２０）からのイオンを選択して前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）上に集束させることによって空間選択的なパターン構造加工が行われるような寸法及び形状とされることを特徴とするパターン構造加工のための装置。
【請求項２】
前記マスク開口（４０、４３、４４）は、前記マスク（４）の前記第二の面（４２）に平行な第一の方向（Ｘ）に沿って測定されるミリメートル未満からミリメートルの範囲にわたる開口幅（Ｗ）を有し、前記マスク開口（４０、４３、４４）は、前記マスク（４）の前記第二の面（４２）を横断するように測定される他の方向（Ｚ）への開口高さ（Ｈ）を有し、前記開口高さ（Ｈ）対前記開口幅（Ｗ）のアスペクト比（Ｈ／Ｗ）を画定し、前記アスペクト比（Ｈ／Ｗ）は１より大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記マスク開口（４０、４３、４４）は円錐若しくは円柱形状又は、前記基板（５）の前記表面（５１）上の所定の空間プロファイルを有するパターンを生成するように選択された形状を有する、請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記マスク（４）は、１次元又は２次元周期アレイに配置された複数のマスク開口（４０、４３、４４）を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記マスク（４）は導電性材料で製作され、前記マスク（４）は前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）から非ゼロの距離（Ｄ２）に設置される、請求項１〜４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記マスク（４）は前記第一の面（４５）上に導電部を有し、導電部は前記マスク開口（４０、４３、４４）の側壁を部分的又は完全に覆い、前記マスクの前記第二の面（４６）は絶縁部を含み、前記マスク（４）の前記第二の面（４６）の前記絶縁部は加工対象の前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）と接触する、請求項１〜５の何れか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記マスク（４）は第一の導電部（４１）と前記第一の導電部（４１）から電気的に絶縁された第二の導電部（４２）を含み、前記第一の導電部（４１）は第一の種類のマスク開口（４３）を含み、前記第二の導電部（４２）は第二の種類のマスク開口（４４）を含み、前記電源（１６）は、第一の直流バイアス電圧を前記第一の導電部（４１）に印加するようになされ、前記電源（１６）は、第二の直流バイアス電圧を前記第二の導電部（４２）に印加するようになされる、請求項１〜６の何れか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記第一の直流バイアス電圧と前記第二の直流バイアス電圧とは同じ時点で反対の極性を有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記エネルギー源は、前記サンプルホルダに平行に配置され、容量結合プラズマを発生するように構成された平面電極（１１）に接続された他の電源（１３）又は、誘導結合プラズマを発生するように配置されたコイル電極若しくは導波路を介して前記プラズマ発生チャンバ（１０）に結合され、マイクロ波プラズマを発生するように配置されたマイクロ波アンテナ及び／又は前記プラズマ領域に磁場を発生するための磁場発生システムに接続された他の電源を含む、請求項１〜８の何れか１項に記載の装置。
【請求項１０】
固体サンプル（５）をパターニングする方法において、
−固体サンプル（５）をプラズマ加工装置の接地サンプルホルダ（１２）上に設置するステップと、
−前記プラズマ加工装置の前記接地サンプルホルダ（１２）とプラズマ領域との間にマスク（４）を設置するステップであって、前記マスク（４）は第一の面（４５）と、第二の面（４６）と、前記第一の面から前記第二の面まで前記マスクを通って延びる少なくとも１つのマスク開口（４０、４３、４４）と、を有し、前記第一の面（４５）は前記プラズマ領域の方に向けられ、前記第二の面（４６）は加工対象の前記固体サンプル（５）の表面（５１）の方に向けられるようなステップと、
−前記プラズマ加工装置の前記プラズマ領域内に原料ガス（２）を注入するステップと、
−前記原料ガス（２）を励起させ、前記プラズマ領域内にプラズマ（２０）を発生するのに適したエネルギーを印加するステップと、
−非ゼロ直流バイアス電圧を前記マスク（４）に印加するステップであって、前記マスク（４）は、前記マスク（４）と前記固体サンプル（５）との間のプラズマ発生が防止されるように、前記固体サンプル（５）から閾値距離より短い距離（Ｄ２）に設置され、前記マスク開口（４０、４３、４４）は、前記プラズマ（２０）からのイオンを選択し、前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）上に集束させることによって空間選択的なパターン構造加工を生成するような寸法及び形状とされるようなステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記原料ガスと直流バイアス電圧は、前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）上に、それぞれパターン層堆積、パターンエッチング、パターンイオン衝突、パターンドーピング、パターンクリーニング、パターン高密度化、及び／又はパターン表面機能化を生じさせるように選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記直流バイアス電圧は、それぞれ１つの加工ステップ中に正であり、他の加工ステップ中は負である、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記直流バイアス電圧は、所定の大きさ及び／又はプロファイルを有する空間選択的なパターン構造特徴物を生成するように振幅の点で調整される、請求項１０〜１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記マスク（４）と前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）との間の前記距離（Ｄ２）は、所定の大きさ及び／又はプロファイルを有するパターン構造特徴物を生成するように調整される、請求項１０〜１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記マスク（４）は第一の導電部（４１）と、前記第一の導電部（４１）から電気的に絶縁された第二の導電部（４２）と、を含み、前記第一の導電部（４１）は第一の種類のマスク開口（４３）を含み、前記第二の導電部（４２）は第二の種類のマスク開口（４４）を含み、前記方法は、
−第一の原料ガスをプラズマ領域に注入し、第一の直流バイアス電圧を前記第一の導電部（４１）に印加し、第二の直流バイアス電圧を前記第二の導電部（４２）に印加して、前記第一の種類のマスク開口（４３）を通る前記プラズマからの第一の種類のイオンを選択し、集束させることによって、前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）上に第一の種類のパターン構造加工を生成するようにするステップと、
−他の原料ガスを前記プラズマ領域に注入し、第三の直流バイアス電圧を前記第一の導電部（４１）に印加し、第四の直流バイアス電圧を前記第二の導電部（４２）に印加し、前記第二の種類のマスク開口（４４）を通る前記プラズマからの他の種類のイオンを選択し、集束させることによって前記固体サンプル（５）の前記表面（５１）上に第二の種類のパターン構造加工を生成するようにするステップと、
を含む、請求項１０〜１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
太陽電池、半導体デバイス、又は光電子デバイスの製造のための、請求項１〜９の何れか１項に記載の装置及び／又は請求項１０〜１５の何れか１項に記載の方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン構造加工のための装置と方法に関する。
【０００２】
より詳しくは、本発明はミリメートル又はミリメートル未満の空間分解能で固体サンプル表面をパターニングするためのシステムと方法に関する。
【０００３】
特に、本発明はプラズマ堆積によるパターン構造薄膜又はプラズマエッチングによるパターン化された開口を、ぞれぞれ、従来のマスキング、フォトリソグラフィ、又はレーザ加工ステップと比較して低コストで形成するための装置と方法に関する。
【０００４】
本発明はまた、パターニングステップが必要なあらゆる太陽電池構造の製造にも関する。本発明は、より低い製造コストの高効率太陽電池に使用できる。特に、本発明はバックコンタクト型（ＩＢＣ＝ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ  ｂａｃｋ  ｃｏｎｔａｃｔ）太陽電池の製造に適用される。
【背景技術】
【０００５】
多くの文献に、太陽電池素子等のパターン構造薄膜を組み込んだデバイスの製造のための装置と方法が記されている。
【０００６】
薄膜堆積及び／又はエッチングのステップは、様々な手法で、特に一般的に低温（３００℃未満）でのプラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ＝ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で実現できる。
【０００７】
マイクロエレクトロニクスにおいて、パターニングステップは一般に、フォトリソグラフィに基づいてマイクロメートル未満の空間分解能及び非常に高いアスペクト比（最高約１／１００）でパターン構造薄膜を生成するものである。しかしながら、フォトリソグラフィにはフォトレジストマスキング層を堆積させ、除去するための追加の材料、加工ステップ、及びステッパ等の高価なツールを必要とし、それゆえ高額の製造コストにつながる。ずっと低い分解能の技術も使用されてよいが、これらの技術ではマスキング及びエッチングステップが繰り返される。例えば、特許文献である米国特許出願公開第２０１５／０３２５４１０  Ａ１号明細書には、プラズマチャンバ、基板ホルダ、及びイオンビームがそこを通って基板ホルダへと向けられる穴を有する抽出プレートを含むエッチング装置が記載されている。
【０００８】
１つのステップでパターン構造堆積物を得るために、基板の表面と接触して置かれた接地マスクが使用されてきた。しかしながら、得られたパターン構造の精度はマスクの薄さに直接関係し、そのためマスクの機械的安定性と相反する。それに加えて、接地マスクと表面との間に少しでも空間があると、パターン構造堆積物上の特徴物が広がってしまう。さらに、マスクと表面との間の接触は表面の汚染及び／又は損傷を生じさせる。
【０００９】
レーザアブレーションも、マスキングを用いずに薄膜スタックに穴を形成するために使用できる。しかしながら、レーザ加工も高コストである。
【００１０】
高効率産業用結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）太陽電池は、金属と接触する表面積を縮小するため、又は金属グリッド線による影を減らすことによって幾何学的利点を得るために、局所的コンタクトを利用する。
【００１１】
高効率（＞２０％）太陽電池はポイントコンタクトを用いている。最も高効率の産業用ｃ−Ｓｉ電池は、バックコンタクト型（ＩＢＣ）構成を用いている。しかしながら、このような設計は実装に高いコストがかかり、ポイントコンタクト用絶縁開口を形成するためのレーザアブレーション又はＩＢＣコンタクトを形成するためのリソグラフィ等、多くの加工ステップがかかわる。それにもかかわらず、現在、業界ではＩＢＣ設計とポイントコンタクトが使用されており、このことはＲ．Ｓｗａｎｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ３３ｒｄ  ＩＥＥＥ  ＰＶＳＣ，ＳａｎＤｉｅｇｏ，ＣＡ，ＵＳＡ，２００８）により述べられている。
【００１２】
他の産業用高効率設計（ＨＩＴ技術）は薄いノンドープアモルファス水素化シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層を用いるもので、これはＰＥＣＶＤによりパシベーション層として堆積させられる。ＨＩＴパシベーションは、有利な点として、低温（約２５０℃未満）で実現され、それゆえ工程のサーマルバジェットが低下し、その結果、ウェハ表面にとって非常に良好なパシベーション特性が得られる。
【００１３】
パナソニック（マスコ（Ｍａｓｕｋｏ）ら、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ  ４（２０１４）１４３３−１４３５）は最近、大型ＨＩＴパシベーションを用いたＩＢＣ太陽電池デザインのデモンストレーションを行った。しかしながら、ＩＢＣ構成の中で薄いノンドープａ−Ｓｉ：Ｈパシベーション層を使用する場合、その後のフォトリソグラフィを用いたドープ層のためのパターニングステップがかかわり、それゆえ、低温ＨＩＴパシベーションの対費用効果が下がってしまう。
【００１４】
シリコンウェハの初期表面上にマスキング作業を行う際の、特に自然酸化物を除去した後の問題の１つは、この表面が損傷と汚染を受けやすいことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、あらゆる種類の太陽電池又は半導体デバイス若しくは光電子デバイスに塗布可能なパターン構造素子を、より安い製造コストと、好ましくは低温で形成するための装置と方法を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、ＩＢＣ太陽電池中にインタデジット型コンタクトを形成するための、及び／又は太陽電池中のポイントコンタクト用絶縁開口を形成するための代替的な装置と方法を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、表面上に直接、又はデバイスの表面と接触してマスクを塗布することなく電子又は光電子デバイスをパターニングするため、例えばパターン層又はパターン表面を形成するためのシステムと方法を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、同一基板上に同一プロセスフロー内で、及び／又は同一加工ツールチャンバ内で各種のパターン付き及びパターン無し特徴物を形成することにより表面の損傷、汚染を防止し、追加のツールに伴う資本コストを回避するために、異なる堆積及び／又はエッチングステップを可能にする完全に統合された方法と装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的は、本発明によれば、原料ガス源と、原料ガスを励起させ、プラズマ領域でプラズマを発生させるのに適したエネルギー源と、固体サンプルを受けるように構成された接地サンプルホルダと、を含むパターン構造加工のための装置を提供することによって達成される。
【００２０】
本発明によれば、装置は、プラズマ領域と接地サンプルホルダとの間に配置されたマスクであって、プラズマ領域の方に向けられた第一の面と加工対象の固体サンプルの表面の方に向けられた第二の面を有し、第一の面から第二の面までマスクを通って延びる少なくとも１つのマスク開口を含むマスクと、直流非ゼロバイアス電圧をマスクに印加するようになされた電源と、を含み、マスクは、マスクと固体サンプルとの間のプラズマ発生が防止されるように、固体サンプルの表面から閾値距離より短い距離に設置され、前記マスク開口は、プラズマからのイオンを選択して固体サンプルの表面上に集束させることによって空間選択的なパターン構造加工が行われるような寸法及び形状とされる。
【００２１】
ＤＣバイアスマスクを使用する利点は、マスクに印加されるＤＣバイアス電圧を使って、パターン構造特徴物の広がりを限定し、さらには調整できることである。その結果、パターン構造特徴物の空間寸法はそれに対応するマスク開口より小さくなる。
【００２２】
本発明の特定の態様によれば、マスク開口は、マスクの第二の面に平行な第一の方向に沿って測定されるミリメートル未満からミリメートルの範囲にわたる開口幅を有し、マスク開口は、マスクの第二の面を横断するように測定される他の方向への開口高さを有し、開口高さ対開口幅のアスペクト比を画定し、アスペクト比は１より大きい。
【００２３】
特定の有利な実施形態によれば、マスク開口は円錐若しくは円柱形状又は、基板の表面上の所定の空間プロファイルを有するパターンを生成するように選択された形状を有する。
【００２４】
他の特定の態様によれば、マスクは、１次元又は２次元周期アレイに配置された複数のマスク開口を含む。
【００２５】
ある実施形態によれば、マスクは導電性材料で製作され、マスクは固体サンプルの表面から非ゼロの距離に設置される。
【００２６】
他の実施形態によれば、マスクは第一の面上に導電部を有し、導電部はマスク開口の側壁を部分的又は完全に覆い、マスクの第二の面は絶縁部を含み、マスクの第二の面の絶縁部は加工対象の固体サンプルの表面と接触する。
【００２７】
他の特定の有利な実施形態によれば、マスクは第一の導電部と第一の導電部から電気的に絶縁された第二の導電部を含み、第一の導電部は第一の種類のマスク開口を含み、第二の導電部は第二の種類のマスク開口を含み、電源は、第一の直流バイアス電圧を第一の導電部に印加するようになされ、電源は、第二の直流バイアス電圧を第二の導電部に印加するようになされる。
【００２８】
好ましくは、この最後の実施形態において、第一の直流バイアス電圧と第二の直流バイアス電圧は同じ時点で反対の極性を有する。
【００２９】
特定の実施形態において、マスクは、第一の導電部を第二の導電部に機械的に接続する電気的絶縁部をさらに含む。
【００３０】
特定の実施形態によれば、マスクは並進又は回転ステージ上に取り付けられる。
【００３１】
好ましい実施形態によれば、エネルギー源は、サンプルホルダに平行に配置され、容量結合プラズマを発生するように構成された平面電極に接続された他の電源又は、誘導結合プラズマを発生するように配置されたコイル電極若しくは導波路を介してプラズマ発生チャンバに結合され、マイクロ波プラズマを発生するように配置されたマイクロ波アンテナ及び／又はプラズマ領域に磁場を発生するための磁場発生システムに接続された他の電源を含む。
【００３２】
幾つかの応用において、加工対象のサンプルを支持する接地サンプルホルダに関して正のＤＣバイアス電圧がマスクに印加される。それに加えて、マスクに印加されるＤＣバイアス電圧はまた、プラズマにより得られるパターン構造加工の後のマスクのクリーニングを促進するためにも使用でき、例えば、プラズマにより得られたパターン構造加工のために正のＤＣバイアス電圧を使用した後に接地電極に関して負のＤＣバイアス電圧を使用する。
【００３３】
他の応用では、負のＤＣバイアス電圧は、プラズマにより得られるパターン構造加工のためのマスクに印加される。この場合、正のＤＣバイアス電圧はプラズマにより得られたパターン構造加工の後にマスクをクリーニングするために使用できる。
【００３４】
本発明はまた、固体サンプルをパターニングする方法にも関し、これは、
−固体サンプルをプラズマ加工装置の接地サンプルホルダ上に設置するステップと、
−プラズマ加工装置の接地サンプルホルダとプラズマ領域との間にマスクを設置するステップであって、マスクは第一の面と、第二の面と、第一の面から第二の面までマスクを通って延びる少なくとも１つのマスク開口と、を有し、第一の面はプラズマ領域の方に向けられ、第二の面は加工対象の固体サンプルの表面の方に向けられるようなステップと、
−プラズマ加工装置のプラズマ領域内に原料ガスを注入するステップと、
−原料ガスを励起させ、プラズマ領域内にプラズマを発生するのに適したエネルギーを印加するステップと、
−非ゼロ直流バイアス電圧をマスクに印加するステップであって、マスクは、マスクと固体サンプルとの間のプラズマ発生が防止されるように、固体サンプルの表面から閾値距離より短い距離に設置され、前記マスク開口は、プラズマからのイオンを選択し、固体サンプルの表面上に集束させることによって、空間選択的なパターン構造加工を生成するような寸法及び形状とされるようなステップと、
を含む。
【００３５】
方法の各種の態様によれば、原料ガスと直流バイアス電圧は、固体サンプルの表面上に、それぞれパターン層堆積、パターンエッチング、パターンイオン衝突、パターンドーピング、パターンクリーニング、パターン高密度化、及び／又はパターン表面機能化を生じさせるように選択される。
【００３６】
特定の実施形態において、直流バイアス電圧は、それぞれ、１つの加工ステップ中に正であり、他の加工ステップ中は負である。
【００３７】
好ましくは、直流バイアス電圧は、所定の大きさ及び／又はプロファイルを有する空間選択的なパターン構造特徴物を生成するように振幅の点で調整される。
【００３８】
同じく好ましくは、マスクと固体サンプルの表面との間の距離は、所定の大きさ及び／又はプロファイルを有するパターン構造特徴物を生成するように調整される。
【００３９】
特定の実施形態によれば、マスクは第一の導電部と、第一の導電部から電気的に絶縁された第二の導電部と、を含み、第一の導電部は第一の種類のマスク開口を含み、第二の導電部は第二の種類のマスク開口を含み、方法は、
−第一の原料ガスをプラズマ領域に注入し、第一の直流バイアス電圧を第一の導電部に印加し、第二の直流バイアス電圧を第二の導電部に印加して、第一の種類のマスク開口を通るプラズマからの第一の種類のイオンを選択し、集束させることによって、固体サンプルの表面上に第一の種類のパターン構造加工を生成するようにするステップと、
−他の原料ガスをプラズマ領域に注入し、第三の直流バイアス電圧を第一の導電部に印加し、第四の直流バイアス電圧を第二の導電部に印加し、第二の種類のマスク開口を通るプラズマからの他の種類のイオンを選択し、集束させることによって固体サンプルの表面上に第二の種類のパターン構造加工を生成するようにするステップと、
を含む。
【００４０】
それゆえ、これらの装置と方法により、基板の表面上の、マスク開口により限定され、好ましくはマスク開口より小さい空間範囲のパターンを画定する領域上でプラズマにより得られるパターン構造加工を実行し、基板の表面上にパターンを形成することを可能となる。
【００４１】
特定の応用において、本開示は、プラズマ励起化学気相成長法を使いるパターン構造層の空間選択的な堆積を可能にする。好ましくは、これはＤＣバイアスマスクと加工面とが接触しない状態で実現される。プラズマ条件、特に原料ガスの化学成分に応じて、本開示はまた、プラズマ励起化学気相成長法を使った、好ましくは基板表面と接触しない、基板表面の空間選択的なエッチング、したがって開口を有するパターン構造表面の形成、も可能にする。ＤＣバイアス電圧と調整された化学的性質を組み合わせたその他の条件では、本開示はパターン構造表面テクスチャリング、表面クリーニング、及び／又は表面機能化等、プラズマにより得られる空間選択的な表面改質も可能にする。本開示はまた、イオン衝突による空間選択的なドーピングも可能にする。換言すれば、本発明は、基板表面にフォトレジストマスキング層を塗布せずに、ミリメートル又はミリメートル未満の空間分解能でのマスキング作業を実現する。
【００４２】
さらに、異なる加工ステップ間でマスク構成及び／又はＤＣバイアス電圧をリアルタイムで変化させることによって、複数のパターンも実現できる。このようにして、プラズマエリアとサンプル表面との間の領域からマスクを取外し、プラズマ加工がマスクにより限定されず、固体サンプルの表面全体に均一に延びる、均一な、マスクを用いない堆積、エッチング、又はクリーニング工程を同じプラズマ反応チャンバで行うことができる。
【００４３】
本発明はまた、太陽電池、半導体デバイス、又は光電子デバイスの製造のための、本明細書で開示される何れかの実施形態によるパターン構造加工のための装置及び／又は本明細書で開示される何れかの実施形態による方法の使用にも関する。
【００４４】
本発明は特に、本明細書で開示されるようなプラズマ発生システムを使用する、及び／又はパターン構造デバイスの製造方法を使用する太陽光発電電池デバイスの製造に応用される。
【００４５】
この説明は、非限定的な例示目的のためにのみ行われ、下記のような添付の図面を参照するとより理解しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態によるパターン構造加工のための装置の断面を概略的に示す。
【図２】特定の実施形態によるパターン構造加工のための容量結合装置の断面を概略的に示す。
【図３】図１又は２に示されるマスクを使ったパターン構造加工のための装置を使って取得されるパターン付き特徴物の断面プロファイルの実験結果を示し、それぞれ、マスクが正にＤＣバイアスされた場合（丸い点を結ぶ曲線）と、同じマスクが接地されている場合（四角の点を結ぶ曲線）である。
【図４】特定の実施形態による２つの金属部を含むマスクの上面図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本開示は、特に基板表面上にパターン構造特徴物、すなわち薄膜又は薄膜スタックを、より安価な製造コストで、好ましくは前記表面と接触せずに堆積及び／又はエッチングするための、プラズマにより得られるパターン構造加工のための手法に関する。
【００４８】
装置と工程
一般的なプラズマ加工装置
図１は、本発明によるパターン構造加工のための装置を概略的に示す。
【００４９】
装置は、原料ガス２を注入するためのガス供給アセンブリ（図示せず）と、プラズマ領域で原料ガス２を励起させることによってプラズマ２０を発生するようになされたエネルギー源（図示せず）と、を含む。
【００５０】
ガス供給アセンブリは、例えば、プラズマ領域で原料ガス又は混合ガスを注入するための１つ又は複数のガス源に接続されたガス注入ラインを含む。
【００５１】
プラズマ領域は好ましくは、加工チャンバ中に位置付けられる。加工チャンバは低圧で、すなわち、換言すれば、大気圧より低い圧力で動作してよい。代替的に、加工チャンバは高圧で、すなわち、換言すれば、大気圧より高い、又はそれと等しい圧力で動作してよい。
【００５２】
本開示では、エネルギー源は、電気エネルギー源及び／又は磁気エネルギー源の中から選択されてよい。電気エネルギー源は、無線周波数又はマイクロ波のタイプであってよい。プラズマ発生手段の種類に関係なく、プラズマ領域内で発生するプラズマ２０を考える。
【００５３】
例えば、エネルギー源は、２つの平面平行電極間に接続され、電極間にあるプラズマ領域内で容量結合プラズマ（すなわちＣＣＰ）を発生するように構成された電源を含む。代替的な実施形態において、エネルギー源は、誘導結合プラズマ（すなわちＩＣＰ）を発生するように配置されたコイル電極に接続された電源を含む。容量又は誘導結合プラズマ発生装置は、プラズマ領域で追加の磁場を発生させるための磁場発生システムをさらに含んでいてよい。
【００５４】
他の代替的な実施形態において、エネルギー源は、導波路を介してプラズマ発生領域に結合され、マイクロ波プラズマを発生させるようになされたマイクロ波アンテナを含む。
【００５５】
図１に示される装置は、接地サンプルホルダ２２を含む。サンプルホルダ２２は、例えば、サンプル５を受けるようになされた平坦面を有する。サンプルホルダ２２は、プラズマ発生装置の接地電極を形成してよい。
【００５６】
固体サンプル５は、接地サンプルホルダ２２上に置かれる。固体サンプル５は、第一の表面５１と第二の表面５２を有する。より詳しくは、固体サンプル５の第二の表面５２は接地サンプルホルダ２２と接触している。基板５の第一の表面５１は、プラズマ領域の方に向けられている。固体サンプル５は例えば、単結晶又は多結晶シリコン等の半導体又はガラス基板である。例えば、固体サンプル５はシリコンウェハ等の平坦な平行基板である。基板５の表面５１は平坦であっても、又はパターン構造面であってもよい。固体サンプル５は、第一の表面５１及び／又は第二の表面５２上の薄膜スタックを含んでいてよい。第一の表面５１はここでは、加工される表面である。第一の表面５１は好ましくは、直交座標（ＸＹＺ）によるＸＹ平面内に置かれる。
【００５７】
図１に示される装置は、プラズマ領域とサンプルホルダ２２との間に設置された直流（ＤＣ）バイアスマスク４をさらに含む。好ましくは、マスク４は概して平坦な形状を有し、ＸＹ平面内に置かれる。より詳しくは、マスク４はプラズマ領域の方に向けられた第一の面４５と、サンプルホルダ２２の方に向けられた第二の面４６を有する。第一の面４５と第二の面４６は好ましくは、ＸＹ平面内に置かれる。マスク４は、第一の面４５から第二の面４６まで延びる少なくとも１つのマスク開口４０を含む。図１に示される例において、マスク４は複数のマスク開口４０又は貫通穴を含む。マスク４は、マスク開口４０間に無地部分を含む。変形型において、マスク４は単独のマスク開口４０を含んでいてもよい。
【００５８】
マスク開口４０はＸ軸に沿った断面プロファイルを有し、Ｙ軸に沿って同様のプロファイルで延びていてもよく、それによってサンプル表面上にＹ軸に沿って長さ方向に延びる１次元パターンが生成される。
【００５９】
代替的に、マスク開口はＸ軸及びＹ軸に沿った２次元断面プロファイルを有していてよい。例えば、マスク開口はＹ軸に沿って図１に示されるものと同様のプロファイルを有していてもよく、それによって固体サンプル５の表面５１上でＸ及びＹ方向の両方に限定されたパターンが生成される。
【００６０】
例えば、マスク開口４０は軸Ｘに沿った幅Ｗと軸Ｚに沿った高さＨを有する。マスク開口の高さＨはマスク高さと概して等しい。一般に、軸Ｘに沿った幅Ｗは０．１ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜２ｍｍである。マスク開口はアスペクト比（高さ対幅Ｈ／Ｗ）を有する。このアスペクト比は１より大きく、好ましくは２より大きい。例えば、０．５ｍｍの幅Ｗと２ｍｍ高さＨの長方形の形状及び、それゆえ４のアスペクト比を有する。開口のＹ軸の寸法はＸ軸のそれより大きいか、それと等しい。
【００６１】
好ましくは、マスクは導電性材料で製作される。ＤＣ電源１６はＤＣバイアス電圧Ｖ［４］をマスク４に印加する。
【００６２】
エネルギー源と原料ガスは、マスク４の第一の面４５の側方にあるプラズマ領域内にプラズマ２０を発生させるために使用される。
【００６３】
マスク４は、加工対象のサンプル５の表面１５から距離Ｄ２に設置される。距離Ｄ２はマスク４の第二の面４６とサンプル表面５１との間のプラズマ発生を防止するように、閾値距離より短い。例えば、距離Ｄ２は０．１ｍｍ〜２．０ｍｍに設定され、ＤＣバイアス電圧は１００Ｖ又は２００Ｖより低く、それによって約１Ｔｏｒｒ、一般には０．１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの選択された圧力Ｐについて、マスク４とサンプル５の表面５１との間のプラズマ点火が回避される。それゆえ、マスクの片側に単独のプラズマ領域２０が生成される。
【００６４】
適切なＤＣバイアス電圧を使用すれば、マスク開口４０により、固体サンプル５の第一の表面５１上のパターン構造加工が可能となる。
【００６５】
より詳しくは、マスク４はＤＣバイアス電圧と極性に応じて、プラズマの励起又は電離イオン種に対する選択的操作を行う。プラズマはラジカル、プラスイオン、及びマイナスイオンを含む。イオンのうち、ＤＣバイアスと同じ極性を有する部分（正のＤＣバイアス電圧でバイアスされたマスクの場合は正電荷イオン）はマスク開口４０を通り、ＤＣバイアスによりサンプル５の表面５１に集束される。もう一方の極性のイオンは、バイアスマスクによりほぼ完全に回収される。換言すれば、ＤＣバイアスマスク開口は、ＤＣバイアス電圧と同じ極性のイオンを選択的に集束させる静電レンズを形成する。これに対して、ＤＣバイアス電圧と反対の極性を有するイオンは、マスクにより引き付けられ、マスク開口を通過しない。さらに、中性ラジカルはマスク開口の壁へと失われる。ラジカルが確実に、それらのランダムな動きとその後のマスクの側壁との反応によってマスクの壁により有効に除去されるためは、マスク開口のかなり高いアスペクト比が重要である。それゆえ、ＤＣバイアスマスクにより、マスク開口を通じて集束されたイオンを使用するサンプル表面のパターン構造加工が可能となる。その結果、サンプル表面５１上に形成されるパターン構造特徴物の幅はマスク開口の幅Ｗより小さい。
【００６６】
有利な点として、マスク４に印加されるＤＣバイアス電圧は、固体サンプル５上のパターン構造加工のプロファイルに影響を与えるように制御され、調整される。より詳しくは、ＤＣバイアス電圧が高いほど、パターン構造加工は狭くなる。したがって、より高い電圧が工程の当初から印加されると、パターン構造特徴物の幅はマスク開口の幅より狭くなる。
【００６７】
特定の応用では、プラズマ領域内で堆積プラズマを発生させるために堆積前駆体ガスが使用され、正のＤＣバイアス電圧Ｖ［４］がマスクに印加されてサンプルの表面５１上にパターン構造特徴物２５の狭い堆積物が得られる。ある例において、プラズマは、単結晶ウェハからなる基板５上にアモルファスシリコンのパターン構造特徴物２５のパターン構造堆積物を得るために使用される。
【００６８】
代替的に、負のＤＣバイアス電圧がマスクに印加されて、他の種類のイオンが選択される。
【００６９】
他の応用では、エッチングプラズマを発生させるために他の前躯体ガスが使用される。
【００７０】
さらにまた別の応用では、ＤＣバイアスマスクを通じてイオン衝突を発生させるために他の前駆体ガスが使用される。
【００７１】
ＣＣＰプラズマリアクタの実施形態
ここで、プラズマ加工装置の特定の実施形態をＣＣＰ型プラズマ発生システムに基づいてより詳しく説明する。
【００７２】
図２は、プラズマ反応チャンバ又は真空チャンバ１０を含むパターン構造加工のための装置を概略的に示している。
【００７３】
より詳しくは、無線周波数（ＲＦ）容量結合プラズマチャンバの代表的なケースを考える。ＲＦ−ＣＣＰシステムは真空チャンバ１０内に配置された第一の電極１１と第二の電極１２からなる電極アセンブリを含む。第一の電極１１と第二の電極１２は平坦で、直交座標系（ＸＹＺ）によるＸ及びＹ方向に沿って延びる平行な平面内に置かれる。この実施形態において、第二の電極１２はサンプルホルダを形成する。
【００７４】
真空チャンバ１０は、ガス注入ラインに流体接続されて、原料ガス２又は混合ガスを真空チャンバへと注入する。ポンプシステム（図示せず）が真空チャンバに接続されて、真空チャンバ内部の真空又は低圧を保持し、残留ガスを除去する。圧力センサ、流量計、及び制御装置が一般にガス注入ライン上、真空チャンバ内、及び／又はポンプシステム上に提供されて、プラズマ加工中の真空チャンバ内部の圧力と流量を制御する。ガス注入システム（図２では図示せず）は、原料ガスが第一の電極と第二の電極との間の電極間空間に満たされるよう構成される。
【００７５】
動作条件の例として、原料ガスは、圧力０．１〜１０Ｔｏｒｒでの、堆積前駆体ガス（ＳｉＨ４等）又はエッチング前駆体ガス（ＳＦ６等）とおそらくは第二のバッファガス（Ｈ２等）の混合物である。固体サンプルの温度は４００℃未満、好ましくは３００℃未満である。
【００７６】
図の例において、第二の電極１２は接地される。代替的な電流（ＡＣ）電源１３はＡＣ電圧Ｖ［１］を接地電極１２に関して第一の電極１１に印加する。印加されるＡＣ電圧Ｖ［１］は好ましくは無線周波数（ＲＦ）範囲（５００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ）である。本開示の態様によれば、無線周波数電源は第一の電極１１に印加されるＲＦ電圧を生成するために構成され、この場合、ＲＦ電圧は常に一定であるか、又は５００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲の１つの基本周波数を含む、若しくは５００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲の基本周波数の複数の高調波を含み、この場合、複数の高調波のそれぞれの振幅と位相は、振幅非対称性を有する（例えば、一連の山又は谷に似ている）又は傾斜非対称性を有する（例えば、鋸歯状電圧波形に似ている）波形の電圧差を生じさせるように選択される。例えば、第一の電極１１に印加されるＲＦ電圧の振幅は２００Ｖ〜８００Ｖである。
【００７７】
第二の電極１２は接地サンプルホルダを形成する。固体サンプル５は、接地された第二の電極１２の上に置かれる。固体サンプル５は第一の表面５１と第二の表面５２を有する。より詳しくは、固体サンプル５の第二の表面５２は接地された第二の電極１２と接触している。基板５の第一の表面５１は、第一の電極１１の方に向けられる。固体サンプル５は例えば、単結晶若しくは多結晶シリコンウェハ等の半導体又はガラス基板である。例えば、固体サンプル５はシリコンウェハ等の平坦な平行基板である。基板５の表面５１は平坦であっても、パターン構造表面であってもよい。固体サンプル５は、第一の表面５１及び／又は第二の表面５２上の薄膜スタックを含んでいてよい。第一の表面５１はここでは、加工される表面である。
【００７８】
本開示のシステムと方法は、プラズマ加工、例えばＰＥＣＶＤ堆積のマスキング及び／又はエッチング若しくはその他のパターン構造表面改質を実行する。マスキングは好ましくは無接触である。
【００７９】
これは、その上でのパターン改質、例えばパターン堆積、パターンエッチング、又はパターン表面改質が望まれる第一の表面５１の正面に設置された直流（ＤＣ）バイアスマスク４を使用することによって実現される。
【００８０】
図２の実施形態において、マスク４は固体サンプル５と第一の電極の両方から空間的に分離されて配置される。好ましくは、マスク４は一般に、平坦な形状を有し、ＸＹ平面内に第一の電極１１及び第二の電極１２に平行に置かれる。より詳しくは、マスク４は、プラズマ領域の方に向けられる第一の面４５と、サンプルホルダ２２の方に向けられる第二の面４６を有する。それぞれ、マスク４の第一の面４５は、第一の電極１１から第一の距離Ｄ１に設置され、また、第二の面４６は第二の電極１２から第二の距離Ｄ２に置かれる。例えば、Ｄ１は５ｍｍ〜５０ｍｍに含まれ、Ｄ２は０．１ｍｍ〜２ｍｍに含まれる。マスク厚さは０．５ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲である。
【００８１】
図２の断面図に示されるように、マスク４は無地部分と複数のマスク開口４０を含む。ある変形型において、マスク４は１つのマスク開口を含んでいてもよい。
【００８２】
マスク開口４０は、Ｘ軸に沿った断面プロファイルを有し、同様のプロファイルでＹ軸に沿って延びていてもよく、サンプル表面上にＹ軸に沿って長手方向に延びる１次元パターンを生成する。
【００８３】
代替的に、マスク開口はＸ軸とＹ軸に沿った２次元断面プロファイルを有していてもよい。例えばマスク開口は、Ｙ軸に沿って図２に示されるものと同様のプロファイルを有して、固体サンプル５の表面５１上にＸ及びＹの両方向に限定されたパターンを生成してもよい。
【００８４】
もちろん、マスク開口のより複雑な形状も想定され、それも本開示の枠内から逸脱しない。
【００８５】
マスク開口は、円柱形、円錐形、部分的球形、又は基板表面上に所定の空間プロファイルを有するパターンを生成するように選択された形状の中から選択された３Ｄ形状を有していてもよい。マスク開口は、第一の表面５１上に形成されることになるパターンに応じて、正方形、長方形、台形、円形、若しくは楕円形等の多角形、又は非幾何学形状から選択されたＸＹ平面内の２Ｄ断面形状を有していてもよい。同じマスク４の異なるマスク開口４０は、同じ形状及び大きさを有していてもよい。代替案として、同じマスク４の異なるマスク開口４０は、形状及び／又は寸法が異なっていてもよい。特定の有利な態様によれば、マスク４は１次元又は２次元周期アレイに配置された複数のマスク開口４０を含む。
【００８６】
ある例として、マスク開口４０は、ＸＹ平面内の長方形の断面と軸Ｚに平行な軸とを有する円柱形状を有する。マスク開口４０は、軸Ｘに沿った幅Ｗと軸Ｚに沿った高さＨとを有し、１より大きい、好ましくは２より大きい高さ対幅のアスペクト比、すなわちＨ／Ｗを特定する。一般に、幅Ｗは０．１ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜２ｍｍであり、例えば０．５ｍｍの幅Ｗと２ｍｍの高さＨを有し、４のアスペクト比を画定する。
【００８７】
ＡＣ電源１３は第二の接地電極１２に関して第一の電極１１にＡＣ電圧Ｖ［１］を印加して、第一の電極１１と第二の電極１２と間のプラズマ領域に容量結合プラズマ２０を生成する。ＤＣ電源１６はＤＣバイアス電圧Ｖ［４］をマスク４に印加する。ＤＣバイアスマスクは、プラズマ２０と第二の電極１２との間に配置される。ＤＣバイアス電圧は大きさ２００Ｖ未満又は１００Ｖ未満程度に低く保たれ、それによってマスク４と固体サンプル５との間で焼き入れ効果によるプラズマが生成されない。例えば、距離Ｄ２は０．１〜２．０ｍｍに設定され、ＤＣバイアス電圧は１０Ｖ〜１００Ｖであり、それによってマスク４とサンプル５の表面５１との間でのプラズマ発生が回避される。圧力Ｐは一般に、０．１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ、好ましくは約１Ｔｏｒｒに選択される。それゆえ、１つのプラズマエリアが真空チャンバ１０内で生成され、プラズマ２０はマスク４の第一の面４５と第一の電極１１との間に延びる。
【００８８】
適切な非ゼロＤＣバイアス電圧を用いると、マスク開口４０によって、固体サンプル５の第一の表面５１上でのパターン構造加工が可能となる。より詳しくは、マスク開口４０は、シャドーマスクで得られるものと比較して、第一の表面５１上のプラズマ加工の、より制御され、狭められたパターニングが可能になるような寸法とされ、そのために固体サンプルの第一の表面５１から距離Ｄ２に設置される。マスク開口４０とマスクに印加されるＤＣ電圧は、サンプルの表面５１上の、パターン構造加工が行われるエリアを決定する。それに対して、マスクの無地部分は、マスク開口から横方向にずれたエリアで表面加工が行われるのを防止する。略述すれば、プラズマ２０自体はマスク開口を通過しない。さらに、プラズマの一部の種のみがマスク開口を通過する。より詳しくは、イオンの一部のみがマスクを通り、マスク開口を通る際にＤＣバイアスにより集束され、その一方でラジカルはマスクの壁へと失われる。実際に、ＤＣバイアス電圧と比較して逆の極性のイオンは、マスクにより引き付けられ、スクリーニングされる。ＤＣバイアス電圧と同じ極性のイオンだけがマスク開口を通過し、静電レンズ効果により集束される。これらの複合的効果により、マスク開口のアスペクト比は、ラジカルが確実にマスク開口の壁によって有効に「真空クリーニング」されるようにするための重要なパラメータである。その結果、この装置により、固体サンプル５の表面５１上での空間選択的なパターン構造特徴物２５の加工が可能となる。加工対象の表面５１は好ましくは、イオンの拡散を回避するために、マスク開口から比較的短い距離Ｄ２にある。
【００８９】
ある応用例では、装置は、フォトレジストマスキング層を用いずに、固体サンプルの表面５１上にパターン構造特徴物２５の直接堆積を提供する。
【００９０】
有利な点として、マスク４に印加されるＤＣバイアス電圧は、固体サンプル５へのパターン構造堆積物２５のプロファイルに影響を与えるように制御され、調整される。特に、正のＤＣバイアス電圧Ｖ［４］がマスクに印加されて、狭い堆積物が得られる。前述のように、ＤＣバイアス電圧が高いほど、パターン構造特徴物２５の堆積は狭くなる。したがって、より高い電圧が堆積の当初から印加されると、堆積ライン２５の幅はより狭くなる。例えば、ＤＣバイアス電圧は１０Ｖ〜１００Ｖに設定され、単結晶ウェハ上にアモルファスシリコンを堆積させるために１Ｔｏｒｒの圧力が使用される。
【００９１】
任意選択により、原料混合ガスは堆積ガスとドーパントガスを含み、それによってドープされたパターン構造特徴物が堆積される。
【００９２】
図２のシステムは、適切な堆積前駆体ガスを使用する１つ又は複数のパターン構造エリアにわたるプラズマ励起化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）に使用できる。図２の例では、パターン構造堆積特徴物２５対無堆積エリアとの相対的割合は、ポイントコンタクト堆積への応用に合わせられている。それゆえ、パターン構造堆積は１つのステップで直接行われる。
【００９３】
ガスの化学的性質を変えることにより、図１又は２の装置は、適切な原料ガスとマスクに印加される適切なＤＣバイアス電圧を使って、表面又は薄膜上のパターン構造エリアのプラズマ支援エッチングにも使用できる。それゆえ、サンプル５の表面５１上の絶縁層に開口を形成するために、空間分解プラズマエッチングを適用することにより、パターン構造デバイスが得られてよい。このパターン構造は、２ステップで実現されてよく、すなわちこれは、ステップ１−絶縁層の均一な堆積と、ステップ２−ＤＣバイアスマスクエッチングによる空間分解プラズマエッチングの生成と、である。任意選択により、これら２つのステップは同じ工程フロー及び／又は単独の反応チャンバ内で行われる。
【００９４】
プラズマにより得られるパターン構造エッチングは、他の堆積及び／又はエッチングステップの前に表面の幾つかのエリアを選択的にクリーニングするために使用できる。
【００９５】
ＤＣバイアスマスクにより、所定のエリア内の薄膜の堆積又はエッチングが可能となり、それゆえ、フォトレジストマスキング層を使用しないマスキング作業が実現される。この手法により得られるパターン構造層の限界寸法と特徴物サイズは、ミリメートル未満の範囲（１〜数百マイクロメートル）であり、バックコンタクト型（ＩＢＣ）太陽電池又は太陽電池用ポイントコンタクト開口の製造に必要なものと両立可能である。
【００９６】
適切な原料ガスとマスクに印加される適切なＤＣバイアス電圧との組合せを用いて、装置は物理的蒸着法（ＰＶＤ＝Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はイオン注入にも使用できる。これらのシステムでは、プラズマも使用される。例えば、ＰＶＤでは、プラズマが固体の標的と、基板ホルダを形成する接地電極との間に発生する。すでに開示したものと同様に、ＤＣバイアスマスクはプラズマ領域と接地電極との間に挿入され、ＰＥＣＶＤについて開示したものと同じ効果でパターン構造加工が可能となる。
【００９７】
他の応用では、プラズマは原料ガスから発生し、非ゼロのＤＣバイアス電圧がマスクに印加されて、基板の表面５１のパターン構造イオン注入が行われる。この特定の工程は、イオン注入によるドーピングに使用できる。
【００９８】
好ましくは、ＤＣバイアスマスクは、パターン構造プラズマ加工が行われている表面との接触を回避する。ある実施形態では、マスクは導電性材料で製作され、距離Ｄ２は非ゼロであり、所定の閾値より低く、それによってＤＣバイアスマスク４と接地電極１２との間のプラズマ発生が防止される。この実施形態の変形型によれば、マスク４と固体サンプル５との間の距離Ｄ２は固体サンプル上のパターン構造堆積物のプロファイルをさらに制御できるように調整可能である。この実施形態において、マスクは例えばステンレススチール若しくはアルミニウム又はその他の金属若しくは金属合金で製作される。
【００９９】
代替的実施形態では、マスク４は、接地電極１２の方に向けられたその第二の面４６上の絶縁コーティングと、その第一の面４５及び／又はマスク開口４０の側壁上の導電部とを含む。この場合、マスクの絶縁コーティングは固体サンプル５の第一の表面５１と接触していることができ、その一方で、マスク４は接地電極１２及び固体サンプル５に関して非ゼロのＤＣバイアス電圧である。
【０１００】
図３は、図２を参照しながら詳述したシステムを使って得られた、１つのマスク開口４０に関する実験結果を示す。より詳しくは、図２は、それぞれ、接地マスクの場合の、また正にＤＣバイアスされたマスクに関する、軸Ｘに沿った堆積材料の正規化厚さＴＨの測定値を示す。堆積材料はアモルファスシリコンとすることができるが、代替的にそれはナノ結晶シリコンとすることもできる。マスク開口４０の幅Ｗは破線で示されている。この例では、幅Ｗは約１ｍｍである。アスペクト比Ｈ／Ｗは４である。四角のドットを結ぶ曲線は、マスクが接地されている（Ｖ［４］＝０ボルト）ときの堆積材料、この例ではアモルファスシリコンの厚さを表す。また、丸いドットを結ぶ曲線は、接地電極１２に関して正にＤＣバイアスされたマスク（Ｖ［４］＞０ボルト）を使用した堆積材料の厚さを表す。接地マスクを用いた堆積材料の正規化厚さＴＨの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、広がりにより、マスク開口の幅Ｗより大きい。それに対して、正にＤＣバイアスされたマスクを用いた堆積材料の正規化厚さＴＨの半値全幅（ＦＷＨＭ）は約４００マイクロメートルであり、それゆえ、マスク開口の幅Ｗよりずっと狭い。正にＤＣバイアスされたマスクを用いた堆積材料は、接地マスク（Ｖ［４］＝０ボルト）を用いて堆積された堆積材料より狭いプロファイルを示し、さらにはマスク開口の幅Ｗよりはるかに狭いことがわかる。実際に、正にＤＣバイアスされたマスクの場合、マスク開口４０は、プラスイオンをマスク開口４０の中央部分に集束させる静電レンズとして機能する。その結果、パターン構造堆積層２５の幅は、正にＤＣバイアスされたマスクを使った場合、マスク開口４０の幅Ｗより狭い。
【０１０１】
正のＤＣバイアスは、堆積にも又はエッチングにも使用されてよい。ガスの化学的性質は堆積効果か又はエッチング効果かを決定する。
【０１０２】
他の応用では、負のＤＣバイアス電圧がマスクに印加され、その結果、マスク開口から出るプラスイオンがデフォーカスされる。これは、複数のステップの工程が検討される場合に利用され、加工エリアの幅を開口４０の幅より小さく、又は大きく調整しなければならない。
【０１０３】
このプラズマ発生装置の構成により、例えばパターン構造層２５の局所的堆積が可能となる。パターン構造特徴物の軸Ｘに沿った横方向の寸法は、主としてマスク開口４０の幅Ｗとアスペクト比ＨＷとＤＣバイアス電圧の組合せによって決まる。
【０１０４】
マスク開口４０の形状と寸法は、パターン構造特徴物の、もう一方の横断方向Ｙに沿った形状と寸法を決定する。マスク開口が軸Ｚに沿った回転対称を示す場合、マスク開口は球面静電レンズとして機能し、回転対称のパターン構造特徴物を生成する。これに対して、マスク開口が軸Ｘに沿って１ｍｍ未満の狭い幅Ｗと、軸Ｙに沿って数ミリメートルを超える長さＬの長いスリット形状を有する場合、マスク開口は円柱静電レンズとして機能し、軸Ｘに沿ってマスク開口４０の幅Ｗより短い、長い形状を有するパターン構造特徴物が生成される。
【０１０５】
したがって、ＤＣバイアスマスクの使用により、狭いマスク開口を機械加工する必要が限定的となる。それゆえ、ミリメートル又はミリメートル未満の寸法のマスク開口は、マイクロメートルサイズのマスク開口より機械加工しやすい。さらに、マスク厚さは好ましくは１ミリメートルより厚く、それゆえ、マスク４について、より高い機械的強度が確保される。
【０１０６】
固体サンプル５の表面５１上への材料堆積中、マスクも堆積材料で覆われる場合がある。その結果、マスク開口が詰まる場合がある。加工済みサンプルがサンプルホルダから取り外された後、例えばＮＦ３プラズマを用いたクリーニングプラズマ化学を使ってマスクをクリーニングすることができる。有利な態様として、負のＤＣバイアス電圧をマスクに印加して、マスクをより効率的にクリーニングすることができる。実際に、この場合、プラスイオンがマスクにより引き付けられ、したがってクリーニング速度が速まる。
【０１０７】
本開示は、バックコンタクト型（ＩＢＣ）太陽光発電電池のための、及び太陽電池のポイントコンタクト用絶縁開口のためのインタデジット型コンタクトの堆積に最も好適に利用できる。
【０１０８】
前述のように、マスク４は単独の導電部から形成できる。例えば、マスク開口４０は、バルク金属プレートの貫通穴又はスリットとして機械加工される。代替的に、マスク４は相互につなぎ合わされた部分の集合を含む（図４の例を参照）。変形型の代替案では、マスク４は幾つかの部分を含み、これらの部分の少なくとも１つはその他に関して移動可能である。
【０１０９】
図４は、マスクの他の例の上面図を示す。マスク４はここでは、第一の金属部４１と第二の金属部４２を含む。第一の金属部４１は第二の金属部４２から、例えば絶縁体４８により電気的に分離される。第一の金属部４１、絶縁体４８、及び第二の金属部は相互につなぎ合わされる。図の例において、第一の金属部４１と第二の金属部４２は相補的な形状を有し、例えば２つの勘合する櫛形である。第一の金属部４１は複数の第一のマスク開口４３を取り囲む。同様に、第二の金属部４２は複数の第二のマスク開口４４を取り囲む。第一のＤＣバイアス電圧が第一の金属部４１に印加される。第二のＤＣバイアス電圧が第二の金属部４２に印加される。それゆえ、第一の金属部４１と第二の金属部４２は異なる電圧とすることができる。好ましくは、第一の非ゼロＤＣバイアス電圧と第二の非ゼロＤＣバイアス電圧が１度に印加される。有利な点として、第一のＤＣバイアス電圧の符号は第二のＤＣバイアス電圧の符号の反対である。第一及び第二のＤＣバイアス電圧のそれぞれの符号は、連続する加工ステップに応じて反転してもよい。
【０１１０】
例えば、第一の正のＤＣバイアス電圧（Ｖ［４１］＞０ボルト）は第一の導電部４１に印加され、第二の負のＤＣバイアス電圧（Ｖ［４２］＜０ボルト）は第二の導電部４２に印加される。このようにして、それぞれ堆積材料、エッチング材料、又はイオン衝突材料の狭いプロファイルが第一のマスク開口４３の正面に形成され、これに対して第二のマスク開口４４の正面では加工速度が低下するか、さらにはゼロになる。例えば、ｎ型にドープされた半導体材料は、上述のＤＣバイアス電圧条件で適当な原料混合ガス、例えば二水素（Ｈ２）、シラン（ＳｉＨ４）、及びリン（ＰＨ３）の混合物等を用いて第一のマスク開口４３を通じて堆積させられる。
【０１１１】
すると、バイアス電圧の極性は反転し、負のＤＣバイアス電圧（Ｖ［４１］＜０ボルト）が第一の導電部４１に印加され、正のＤＣバイアス電圧（Ｖ［４２］＞０ボルト）が第二の導電部４２に印加される。原料ガスは、例えば二水素（Ｈ２）、シラン（ＳｉＨ４）、及びジボラン（Ｂ２Ｈ６）で構成される混合ガスから、他のパターン構造層、理想的にはこの例ではｐ型ドープ層を堆積させるように切り替えられる。このようにして、ＤＣバイアス電圧の極性とプラズマ化学を共に調整することにより、ｐ型にドープされた半導体材料が第二のマスク開口４４から堆積され、その一方で、第一のマスク開口４３の正面での堆積速度はゼロとされる。
【０１１２】
図４の例のマスクは、例えばインタデジット型コンタクトを生成するための単独の工程フローで、同じプラズマリアクタ内で、それぞれ、第一のマスク開口に対応するｎ型パターン構造層と、また、第二のマスク開口４４に対応するｐ型パターン構造層とを形成する用途に合わせて調整されている。
【０１１３】
図４に示されるマスク構造と前述の２ステップ工程を用いて、ＩＢＣ構造のインタデジット型ｎ型及びｐ型フィンガが堆積され、マスク自体の設計により自己整列する。
【０１１４】
マスク４を取り除くことにより、パターン構造加工ステップの合間に同じ加工チャンバ内で均一なプラズマ加工を行うことが可能となる。それゆえ、ＤＣバイアスマスク及び加工条件により、連続する工程ステップでの複数のパターン構造及び／又はパターン無し層を堆積させることが可能となる。
【０１１５】
性能の面で、ＤＣバイアスマスクの使用により、軸Ｘ及び／又はＹに沿って約１００マイクロメートルというミリメートル未満の限界寸法のパターンを形成できる。このような限界寸法は、産業用太陽電池製造の現在の要求によく適している。
【０１１６】
したがって、本明細書で開示されているＤＣバイアスマスクの使用により、パターン構造層又はデバイスの製造の加工コストを格段に削減できる。
【０１１７】
バイアスマスクを用いた工程により、ポイントコンタクト及び／又はＩＢＣコンタクトを形成するために通常必要となる、高コストのステップの繰返しが回避されるため、ステップ数も大幅に減少する。バイアスマスクとその動作は、現在利用可能なプラズマチャンバ内に容易に実装される場合がある。ＤＣバイアスマスクをプラズマリアクタに追加しても、プラズマに対する混乱は非常に限定的であることが予想される。したがって、本開示は、すでに最適化されたレシピの何れにもわずかな変更のみで使用されてよく、新たなレシピの考案を必要としない。
【０１１８】
本明細書で開示されるプラズマ発生装置及び工程の主な用途は、高効率結晶シリコン太陽電池を製造するためのバックコンタクト又は絶縁開口の形成である。
【０１１９】
本開示により、エミッタ形成ステップが２つ減り、さらには１つのステップまで減少するため、ＩＢＣ型セルの製造の複雑さが劇的に軽減される。さらに、ＩＢＣ製造ステップは低温で実行され、これは、プラズマ加工温度が通常４００℃未満に限定されるからである。これらの利点は、ＩＢＣ電池の製造コストを大きく低減させることができる。
【０１２０】
さらに、本開示により、セル製造工程フローにいかなる工程ステップも追加せずに、ＩＢＣ構成及びＨＩＴパシベーションステップの両方を使用することが可能となる。
【０１２１】
最後に、特にマスク４がパターン構造表面から離れている場合、表面損傷及び／又は汚染が回避される。
【０１２２】
本開示は、すでに業界で使用されている高性能素子をはるかに単純且つ安価な工程を使って実装できるようにする。ＤＣバイアスマスクを用いた工程と装置を使用しても、性能損失は一切ないと予想されるはずである。ＤＣバイアスマスクは既存のツールに、プラズマ加工装置の電極間に追加のマスクを挿入し、ＤＣバイアス電源をこのマスクに接続するだけで簡単に実装できる。
【０１２３】
本開示により、ＩＢＣコンタクトを１つの工程ステップにおいて低温で形成でき、おそらくは同じプラズマ反応チャンバ内で薄い固有のａ−Ｓｉ：Ｈパシベーション層が使用される。方法と装置により、セル製造工程フローに追加の加工ステップを一切追加することなく、ＨＩＴパシベーションステップとＩＢＣ構成の両方の組合せを使用できる。方法は無接触という利点を提供し、これは、クリーンなウェハの表面（酸化膜が除去されている）が損傷と汚染を非常に受けやすいため、重要な問題を解決する。
【０１２４】
この方法では、プラズマによる種の活性化又は電離を必要とするあらゆるプラズマ加工ステップを使用できる。したがって、ＤＣバイアスマスキング方式は、例えばこれらに限定されないが、堆積、エッチング、クリーニング、高密度化、及び機能化等の工程にとって等しく有益である。
【０１２５】
本明細書で開示されるＤＣバイアスマスキング方式はまた、その他の太陽光発電デバイス、光検出器、及びセンサの製造にも応用される。
【図１】
2020521322.tif 000003
【図２】
2020521322.tif 000004
【図３】
2020521322.tif 000005
【図４】
2020521322.tif 000006
【国際調査報告】
2020521322.tif 000007
2020521322.tif 000008
2020521322.tif 000009