TOPCon 太陽電池製造プロセス：ステップバイステップ

2026-06-25
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TOPCon 太陽電池製造プロセス：ステップバイステップ

簡単な回答： TOPCon太陽電池の製造プロセスは、N型単結晶シリコンウェーハを、制御された長い一連の工程を経て完成した高効率セルに変えます。まず、光閉じ込め表面を形成するテクスチャリングから始まり、次にエミッタを形成するボロン拡散と、コンタクト領域を高濃度ドープするレーザーSE、続いてアニールとアルカリ研磨が行われます。次に決定的な工程が来ます：RCA洗浄、超薄型トンネル酸化膜の成長、そしてPE-polyまたはLPCVDによるドープポリシリコン層の堆積です。反射防止膜、スクリーン印刷によるメタライゼーション、焼成でセルが完成します。プロセスウィンドウは厳しく、ボロン拡散は約900°C、LPCVDポリシリコン堆積は約600°C、焼成ピークは920°Cに近づき、各工程が最終効率の一部を制御します。テストと選別により、ストリンギングへ送られる前に電流値でセルがビニングされます。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

はじめに

単結晶N型 TOPCon 太陽電池は、太陽光発電産業において最も有望な高効率技術の一つとなっています。その製造には、テクスチャリング、ボロン拡散、レーザーSE、アニーリング、アルカリ研磨、PE-poly、アニーリング、RCA洗浄、コーティング、メタライゼーション、そして最終検査と選別を含む、慎重に管理された長い工程チェーンが関わります。本記事では、各主要プロセスステップを順に説明し、それがなぜ重要かを解説します。

TOPConプロセス概要

1. テクスチャリング（TEX）

テクスチャリングの目的

テクスチャリングの目的は、ウェーハ表面の機械的損傷層を除去し、光吸収を高めるピラミッド状のテクスチャ表面を形成することです。表面反射率を低減することで短絡電流（Isc）が向上し、最終的にセルの光電変換効率が高まります。

ピラミッドテクスチャ

ウェットエッチングは現在の主流のテクスチャリングプロセスです。ウェーハ表面の金属イオン、損傷層、その他の汚染物質は再結合中心として働きます。分離した電子と正孔はウェーハ表面を移動して収集される必要があるため、これらの再結合中心は少数キャリア寿命を低下させ、キャリアが外部電流として出力される前に再結合する原因となります。表面酸化層や有機汚染もAlOxおよびSiNx層の堆積とパッシベーション品質に影響を与えるため、徹底的な表面洗浄は極めて重要であり、セル効率に直接影響します。

反応原理

テクスチャリングは結晶シリコンの異方性エッチング特性を利用しており、低濃度のアルカリと添加剤が異なる結晶方位を異なる速度でエッチングします。(110)面および(100)面のエッチング速度は(111)面よりもはるかに大きくなります。一定のエッチング時間後、単結晶ウェーハ表面には(111)面で構成される四つの「ピラミッド」構造が残ります。

結晶面によって原子配列が異なるため、エッチング速度に差が生じます：

(100)面：原子配列が比較的疎で露出した化学結合が多く、エッチング速度が最も速い。
(110)面：原子密度は(100)と(111)の中間で、エッチング速度は(100)より速いがやや低い。
(111)面：原子配列が最も密で、化学結合が攻撃されにくく、エッチング速度が最も遅い。

結晶面エッチング

テクスチャ添加剤の役割

添加剤はシリコンの表面張力を低下させ、反応中に生成される水素気泡の放出を促進し、ピラミッドをより均一にする。ウェーハ表面と反応溶液の間の濡れ性を改善し、NaOH溶液のエッチング強度を弱め、核生成点と核生成密度を増加させ、多数の小さなピラミッドの形成を促進する。一般に、添加剤の特性はテクスチャピラミッド表面に最も直接的な影響を与える。

テクスチャ添加剤の効果

プロセスフロー

テクスチャ工程の順序は通常、以下の通りである：NaOHとH2O2による前洗浄（60°Cでの超音波洗浄を併用し、その後純水リンス）で有機物、金属不純物、ソーダメージを除去；約0.6% NaOHと0.4%添加剤を用いて82°Cで420秒間のアルカリテクスチャを行い、ピラミッドテクスチャを形成；残留有機物を除去するための後洗浄；希酸（3.15% HCl + 7.1% HF）を用いた酸洗浄で残留アルカリを中和し酸化層を除去；表面張力により水膜を除去するための低速引き上げ予備脱水；最後に90°Cの熱風で乾燥。

2. ボロン拡散（B Diff）

目的

高温下で、ボロン原子がN型ウェーハの表面に拡散してPN接合を形成する。PN接合の内蔵電界が光生成キャリアを分離し、外部に電流を出力する。正孔濃度が高いP型ウェーハではリンをドープして接合を形成し、電子濃度が高いN型ウェーハではボロンをドープする。

ボロン拡散

プロセス原理

三塩化ホウ素（BCl3）は800-900°Cの石英管内を通過し、酸素と反応してB2O3を形成します。B2O3は窒素キャリアガスとともにウェーハ表面に堆積し、Siと反応してホウ素原子を生成し、ホウケイ酸ガラス（BSG）層を形成します。その後、ホウ素原子はウェーハ内に拡散してPN接合を形成します。BCl3は無色の発煙性液体または気体で、密度は1.35 kg/m3、融点は-107.3°C、沸点は12.5°Cです。不燃性で刺激性および刺激臭があり、水中で分解して塩化水素とホウ酸を生成し、大きな発熱を伴います。中間生成物であるB2O3は、融点450°C、沸点1860°Cで、プロセス全体を通じて液体状態を保ち、石英部品に対して強い腐食性を示します。

ホウ素拡散はリン拡散よりも困難であるため、TOPConルートは設備に対する要求がより高く、より高い均一性、より高い拡散温度（通常1000°C以上）、より長い拡散時間（成膜はしばしば240分に達する）が含まれ、接合形成段階での設備および生産コストが増加します。

プロセスフロー

拡散は2つの方法で行われます。プリデポジション拡散（BSG堆積ステップ）はより低い温度を使用し、ウェーハを飽和不純物雰囲気中に保つため、表面不純物濃度は一定に保たれます。これは定表面源拡散として知られています。再分布拡散は、外部不純物なしで酸素リッチ雰囲気中でより高い温度でBSGからウェーハ内にホウ素を押し込みます。ここでは表面濃度が時間とともに変化し、これは有限表面源拡散と呼ばれ、ガウス型不純物分布を示します。

典型的なプロセスステップは次のとおりです。真空ポンプで低圧に到達させる。拡散温度（800-900°C）まで加熱する。温度を保持しながらさらに圧力を下げる。低圧下でリーク検出を行う。次の拡散ステップを遅らせ、ホウ素拡散をより均一にするために1nmのSiO2層を形成する予備酸化。ホウ素源を導入して活性プリデポジションとパッシブドライブインを行う拡散/堆積。拡散速度と深さを増加させるために900°C以上にさらに加熱する。ホウ素含有量を制御し、接合を深め、保護層を形成し、基板不純物をゲッタリングするために100nm以上のSiO2層を形成する後酸化。安全な開管温度まで冷却する。N2で真空を破り、大気圧に戻す。

3. BSG除去とアルカリエッチング

BSG除去

ボロン拡散後、ウェーハの裏面とエッジには厚いBSG層（40-100nmの酸化膜）が形成されます。このホウケイ酸ガラス層は後続のプロセスに悪影響を及ぼし、PN接合のリークを引き起こす可能性があるため、ドーピング後に化学エッチングと洗浄が必要です。アルカリエッチングの前に、インライン片面HFプロセスで裏面とエッジのBSGを除去し、表面のBSGはアルカリエッチング時のマスクとして保持され、表面構造を保護します。

BSG除去

ウェーハはまずインラインHF洗浄装置に入り、約60%のHFが裏面のBSGを溶液に溶解し、水膜が表面のBSGを保護し、その後約0.5分間の純水リンスが行われます。工程は以下の通りです：SiO2の親水性を利用して水膜を形成し表面のBSGを保護する；裏面とエッジのBSGをHFエッチングする；汚染された可能性のある水膜を更新するためのウォーターガンステップ；残留HFを除去するための水洗；残留不純物イオンを除去するための酸洗浄；表面の水膜を乾燥させる。

アルカリエッチング

アルカリエッチングの目的は、裏面とエッジのPN接合を除去してリークを防ぎ、裏面パッシベーションに備えて均一で清浄な裏面モフォロジーを形成することです。

アルカリエッチング

主に2つのアプローチがあります。二次テクスチャリングは原理的には一次テクスチャリングと類似していますが、添加剤はBSGとアルカリの反応速度を低下させる必要があります。アルカリ研磨は高濃度のアルカリと添加剤を使用してアルカリ-シリコン反応を加速し、異方性エッチング特性を弱め、高反射の研磨モフォロジーを形成します。アルカリエッチング添加剤は表面のBSGを保護し、アルカリとの反応速度を低下させて過剰エッチングを防ぎ、後続工程のマスクとしてBSGを維持し、表面張力を低下させて水素気泡を放出し、濡れ性を改善し核生成密度を高めます。

4. 堆積とコーティング

この段階ではトンネル酸化膜（TOX）、Poly-Si層、マスクを堆積します。堆積は主に真空気相中で行われ、物理気相堆積（PVD）、化学気相堆積（CVD）、原子層堆積（ALD）に分けられます。PVDは材料源を原子、分子、イオンに気化させ、低圧下で基板上に堆積します；CVDは基板上の化学反応によって堆積物を生成します；ALDは材料を単原子層として層ごとに堆積します。

トンネル酸化膜（TOX）

トンネル酸化膜層は量子トンネル効果を利用し、超薄酸化膜（通常1-2nm）を障壁として用います。n型シリコン基板とドープされたpoly-Si層の間で、キャリア選択輸送を可能にします：電子（多数キャリア）は酸化膜をトンネルしてpoly-Si層へ入り、正孔（少数キャリア）はより高い障壁高さ（約4.5-4.8eV）に直面してブロックされます。また、バンドベンディングと電界効果パッシベーションを生み出し、ドープされたpoly-Siと基板の仕事関数差が界面のエネルギー帯を曲げ、静電界を形成して多数キャリアを増やし少数キャリアを反発させることで、界面再結合をさらに低減します。

酸化膜は熱酸化（LPCVDと互換）またはPECVD、PEALDおよび熱酸化（PECVDと互換）によって作製できます。膜密度の面では、PEALDが最良のパッシベーションを与えますが装置コストが高く、熱酸化とPECVDはより優れた経済性を提供します。ALDは通常約0.7nm、熱酸化は約1.3nmを与え、トンネル機構は一般に1.6nm未満の厚さで達成されます。LPCVDはより成熟しており、制御が簡単で膜品質が高いなどの利点がありますが、前端で巻き込みドープpoly-Si層を形成しやすく、それを洗浄除去する必要があり、成膜速度が遅いです。PECVD poly-Siはより新しい技術で、堆積が速く、インサイチュドーピングと巻き込みが少ないですが、成熟度はまだ改善が必要で、ダスト、高い水素含有量、高温アニール時の気泡形成に悩まされることがあります。

Poly-Si層

多結晶シリコン（Poly）は無数の微細なシリコン結晶粒からなり、結晶粒径は通常数十から数百ナノメートルで、その間に結晶粒界があります。poly-Si層は通常リンをドープして高ドープn型poly-Siを形成し、導電性を向上させ、キャリア選択輸送を可能にし、基板と良好なオーミック接触を形成します。

Poly-Si層

Poly-Siの作製には堆積とドーピングの両方が含まれます。堆積は主にLPCVDまたはPECVDを使用し、膜厚は約100-150nmです。アモルファス膜はアニール中に結晶性が変化し、微結晶-アモルファス混合相から多結晶へと変わり、パッシベーションが活性化されます。ドーピングについては、LPCVDは通常まず真性poly-Si層を堆積し、その後拡散炉またはイオン注入によってリン（P）ドーピングを完了します（ex-situドーピング）。これは、遅いLPCVD堆積中にドーピングを行うとさらに遅くなるためです。PECVDは成膜効率が高く、コーティング中にリンドーピングを完了できます（in-situドーピング）。poly-Siの主流技術であるLPCVDは、シラン（SiH4）を熱分解してケイ素原子とし、膜として堆積させることで機能します。なお、poly-Siが厚いほどFCA（寄生）損失が深刻になり、短絡電流損失が大きくなり、リンドーピング濃度が高いほどFCA吸収と電流損失が増加します。

マスク層

マスク層は通常、poly-Si堆積後に成長させる約10nm厚のSiO2膜で、裏面構造を保護するためのものです。主に、その後のウェットプロセスがpoly-Si層をエッチングするのを防ぎます。槽型ウェット装置内で裏面構造が損傷しないように、polyプロセス後にシランと亜酸化窒素を用いて裏面にSiOxマスク（約10nm）を成長させます（注：シランと酸素は非真空環境で爆発の危険があります）。

プロセスステップは次のとおりです。真空予備加熱によりウェーハを必要な温度にします。真性シリコン源の予備堆積（ガスのみ、RFなし、管内を均一に満たし圧力を安定化させるため）。真性シリコン源の堆積（RFオン、ドープされていない膜を堆積させ、ドープpolyからのリンをブロックおよびバッファリングする）。ドープシリコン源の予備堆積（ガスのみ）。ドープシリコン源の堆積（RFオン、リンをドープしたpoly膜を堆積させる）。PECVD SiOxによる酸化マスク形成。そしてN2/ArパージによりSiH4とN2Oを管外へ押し出し、炉扉を開ける際の燃焼を防ぎます。

5. アニール

アニールの目的は、PECVDで成長させたアモルファスシリコンを多結晶シリコンに変換し、リン原子を活性化して接合深さを進行させ、ピンホールを形成することです。プロセスではBN2（窒化ホウ素）を導入し、890-920°Cまでゆっくり昇温します。この高温でBN2がドライブインされ、poly膜中のリン原子を活性化して有効なドーピングを形成します。

アニールとTOXの間には関係がある。トンネル酸化膜が変わらない場合、アニール温度を上げるとピンホールと内部拡散が増加し、接触抵抗が低下してFFが向上するが、パッシベーション要件は依然として満たされる。同じアニール温度では、トンネル酸化膜が厚いほどピンホールと内部拡散が増加し、飽和電流が高くなる。

6. PSG除去とRCA洗浄

n+-poly-Si膜のPEALD堆積中に、ウェーハ表面に局所的なn+-poly層が形成され、薄いMask（SiOx）膜で覆われる。片面HFでSiOxを除去し、その後アルカリ浴で表面のn+-poly-Siを除去する。ウェーハはエッチング槽、アルカリ槽、洗浄槽を順に通過して化学反応を行った後、乾燥される。

RCAの目的は、回り込みメッキを除去しエッジエッチングを行ってエッジリークを防ぐこと、および表面と裏面のBSGとマスクを除去してウェーハを洗浄し脱水し、表面と裏面のパッシベーション膜の準備をすることである。polyは多結晶シリコンであるため、回り込み除去には高濃度アルカリと添加剤を用いたアルカリ研磨を使用する。

RCA添加剤は無機物質と残留生成物を洗浄して表面濡れ性を向上させ、反応触媒として作用してOH-とシリコンの結合を促進し回り込みとエッジエッチングを加速し、二酸化ケイ素のアルカリエッチング速度を低減して表面BSGと裏面マスクの過剰エッチングを防ぐ。

プロセスステップは次のとおりである。インラインHFでN2アニール後に表面とエッジに形成されたPSGを除去しつつ、裏面PSGを保持して裏面polyを保護する。NaOHと添加剤によるアルカリ研磨で余分な表面とエッジのpolyを除去する。アルカリ洗浄で残留添加剤と不純物を除去する。酸洗浄で残留アルカリを中和し金属イオンを除去する。ロボットを用いて室温の脱イオン水でスロー引き出しを行いウォーターマークを防ぐ。90°Cで乾燥させ、ウェーハとキャリア上の残留液を防ぐ。

RCA洗浄

7. ALD（原子層堆積）

原子層堆積法は、基板上に材料を単原子層としてコーティングする手法であり、ALDの基盤となる自己制限的な性質を特徴としています。時間的または空間的な間隔を介して、基板は異なる前駆体に交互に曝露されます。基板が前駆体Aの雰囲気中にあるとき、Aは飽和するまで表面に化学吸着し、その後停止します。前駆体Bに曝露されると、Bはすでに吸着したAと反応し、副生成物を生成しながら最初の前駆体が完全に消費されるまで反応が自動的に停止し、必要な原子層が形成されます。ALDはこの反応を繰り返して所望の膜を構築します。

ウェハー裏面では、AlOxパッシベーションが裏面の再結合速度を低減します。酸化アルミニウムは、ウェハー表面の酸化アルミニウムと酸化ケイ素の界面に固定負電荷を有しており、この高密度の負電荷が効果的な電界パッシベーションを保証します。酸化アルミニウムはまた、優れた化学的パッシベーションを提供し、結晶シリコン表面のダングリングボンドを飽和させ、界面準位密度を低減します。

ALD AlOxパッシベーション

プロセスステップは以下の通りです：堆積前（ガスのみ、RFなし、管内を均一に充填し圧力を安定化、ガス浪費と安全上の危険を避けるため短時間に保つ）；堆積（RFオン、TMAがプラズマを形成し表面と反応してAlOxを形成、その後不活性ガスパージ、40サイクル繰り返し）；そしてArパージによりTMAとO2を管外に押し出し、炉扉を開ける際のTMA燃焼を防止します。

8. 前面および後面の窒化ケイ素（SiNx）

SiNxコーティングはいくつかの目的を果たします。セル表面を保護します。窒化ケイ素は1200°Cに耐える非常に高い強度を持ち、ほとんどすべての無機酸および30%以下のNaOHに対する優れた耐薬品性を有し、高性能な電気絶縁体です。反射防止を提供し、空気中での最適な単層屈折率は1.96です。ケイ素含有量を増やすと表面パッシベーションが強化され、文献では屈折率2.3で表面再結合速度が20cm/s以下に低下し、2.1から2.3の間で最良のバルクパッシベーションが得られると報告されています。また、その緻密な構造により酸化を防止します。TOPCon前面エミッタパッシベーションは主に酸化アルミニウムとSiNx:H膜を使用し、裏面パッシベーションは主にpoly-Siを使用します。

SiNxコーティング

SiNxパッシベーション機構は2つの方法で機能します。化学的パッシベーションは、ダングリングボンドを減少させることで界面欠陥密度を低減します。これは、原子がダングリングボンドを飽和させるのに十分な時間とエネルギーを与える表面層を成長させるか、水素リッチな誘電体膜を堆積させ、焼結中に水素を放出してダングリングボンドと結合させることによって行われます。電界効果パッシベーションは、表面近傍に電界を発生させて同じ極性のキャリアを反発させることで、表面に到達する少数キャリアの数を減らします。これは、高い表面ドーピング濃度を下げるか、高い固定電荷を持つ誘電体層を追加することによって達成されます。

SiNxプロセスのステップは次のとおりです：プリデポジション（ガスのみ、RFなし、チューブを充填し圧力を安定化）；デポジション1-2-3（RFオン、SiH4とNH3を導入してSi-N比が徐々に減少する3つのSiNx層を形成。Si-N比が高いほど屈折率が高くなるため）；デポジション4（RFオン、SiH4、O2、NH3でSiONx層を形成）；デポジション5（RFオン、SiH4とO2でSiO2層を形成）；そしてラインとチューブのN2パージにより反応性ガスを除去し、炉扉を開ける際のSiH4爆発を防止します。

9. スクリーン印刷（メタライゼーション）

テクスチャリング、拡散、コーティングがPN接合とパッシベーションを完成させた後、セルは光の下で電流を生成できます。この電流を引き出して収集するために、通常はスクリーン印刷、乾燥、焼結を通じて、セル表面にフロント電極とリア電極が印刷されます。

スクリーン印刷システムは5つの要素で構成されます：スキージ、インク（ペースト）、スクリーン、基板（ウェーハ）、印刷プラットフォーム。適切なペースト印刷性能（粘度、せん断減粘性）は大規模量産印刷の前提条件であり、スクリーンのメッシュ数、線径、設計線幅が印刷形態を大きく決定します。動作時には、ペーストがパターン化されたメッシュ開口部を通過し、スキージがスクリーン上を移動しながら圧力を加え、パターン開口部からペーストをウェーハ上に押し出します。ペーストの粘度によりペーストは範囲内に付着し続け、スキージはスクリーンと基板に対して線接触を維持し、接触線がスキージとともに移動して印刷ストロークを完了します。

ペーストは、量産における優れた印刷適性、低接触抵抗と高いFFのためのエミッタとの良好なオーミックコンタクト、金属化によるVoc損失を抑えるためのエミッタへの損傷最小化、そして電流損失を低減するための可能な限り低いバルク抵抗率を備えている必要があります。プロセスステップは次のとおりです。乾燥によりペースト中の有機物を蒸発させる。予備焼成によりガラスフリットを溶融させ、銀粒子を溶解し、パッシベーション層を開口する。焼成によりさらに多くの金属をガラス中に溶解させ、それらを結合させる。冷却によりガラス中に溶解した金属が表面に析出し、金属と半導体の間にオーミックコンタクトを形成する。