KR0180621B1 - 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법 및 텍스쳐 용액 - Google Patents

실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법 및 텍스쳐 용액 Download PDF

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Abstract

수산화칼륨 용액 0.5∼5.0 부피% : 이소프로필알코올 3.0∼20.0 부피% : 탈이온수 75.0∼96.5 부피%의 비율로 혼합하여 텍스쳐 에칭 용액을 제조하고, 상기 에칭 용액에 실리콘 웨이퍼를 담그어 에칭한 후, 상기 에칭한 웨이퍼를 수세하고, 중화한 뒤, 세정 및 건조하는 공정을 포함하는 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐에칭 방법은 태양전지용 실리콘 웨이퍼 표면을 빛흡수가 잘되는 미세피라미드 구조로 효과적으로 만들 수 있다. 또한, 상기한 방법으로 제조된 텍스쳐 에칭용액으로 에칭을 1회 실시한 후 각 성분을 일정 비율로 다시 첨가하면 용액을 반복하여 사용할 수 있어, 용액의 준비시간을 줄이고 사용 횟수를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법 및 텍스쳐 용액
제1도는 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭방법을 개략적으로 나타낸 공정도.
제2도는 텍스쳐 에칭 용액을 혼합한 후 용액속에 실리콘 웨이퍼를 담은 캐리어를 넣은 단면도.
제3도의 (a)∼(c)는 본 발명에 의하여 에칭된 실리콘 웨이퍼의 표면 및 다른 방법으로 에칭된 실리콘 웨이퍼의 표면 전자 현미경도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 에칭 용액 2 : 캐리어
3 : [100]결정방향의 실리콘 웨이퍼
[산업상 이용 분야]
본 발명은 결정질 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 실리콘 웨이퍼 표면을 빛흡수가 잘되는 미세 피라미드 구조로 만들 수 있는 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법에 관한 것이다.
[종래기술]
결정질 실리콘 태양전지는 그 기본 구조가 PN접합 구조로 되어 있으며, PN접합 기판에 빛이 흡수될 때 전기가 발생하는 원리를 응용하여 만든 반도체 소자이다. 단위 면적의 태양전지로부터 전기적 출력을 향상시키기 위해서는 빛의 흡수량을 최대로 함으로써 발생되는 전기량이 많도록 하여야 한다.
이를 위해서는 태양전지용 실리콘 웨이퍼 표면을 피라미드 표면 또는 반사방지막 처리를 한다. 현재 피라미드 표면 구조를 만드는 방법으로는 고온의 진한 하이드라진 용액에서 에칭하는 방법이 대표적으로 사용되고 있다.
그러나, 상기한 하이드라진 용액에서 실리콘 웨이퍼를 에칭하는 경우, 하이드라진을 농도 30∼40%의 진한 용액을 사용하여야 하는데 하이드라진 용액은 인체에 유해하며, 환경 오염을 일으키는 문제점이 있다. 또한, 하이드라진 용액으로 실리콘 웨이퍼를 에칭하면 실리콘 웨이퍼의 표면이 매우 날카로운 피라미드 구조가 형성되므로 취급시 웨이퍼가 손상되어 이 웨이퍼로 태양전지를 제조하면 성능이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 상기한 방법은 화학약품의 사용량이 많기 때문에 생산원가가 상승할 뿐만 아니라, 공해 물질의 배출량이 많고 피라미드 표면의 특성이 좋지 못한 문제점이 발생한다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 방법들이 제시되고 있으나, 환경 오염을 줄일 수 있고, 좋은 미세 피라미드 구조를 형성할 수 있는 방법은 아직 개발되지 못하고 있다.
[본 발명이 해결하려는 과제]
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 방법에 비하여 화학 약품의 사용량을 최소로 하면서도 최적의 미세 피라미드 구조를 만들 수 있고, 화학 약품의 사용량을 줄일 수 있음에 따라 제조 비용 및 공해 물질의 배출량을 최소로 할 수 있는 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법과 텍스쳐 에칭 용액에 관한 것이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수산화칼륨 용액 0.5∼5.0 부피% : 이소프로필알코올 3.0∼20.0 부피% : 탈이온수 75.0∼96.5부피%의 비율로 텍스쳐 에칭 용액을 제조하고; 상기 에칭 용액에 실리콘 웨이퍼를 담그어 에칭한 후; 수세하고, 중화한 뒤; 세정 및 건조하는 공정을 포함하는 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법을 제공한다.
또한, 수산화칼륨 용액 0.5∼5.0 부피% 이소프로필알코올 3.0∼20.0 부피% : 탈이온수 75.0∼96.5 부피%의 비율로 포함하는 텍스쳐 에칭 용액을 제공한다.
본 발명을 첨부된 도면에 따라 더욱 상세하게 기술하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법을 개략적으로 나타낸 공정도로서, 수산화칼륨 용액을 이소프로필 알코올과 탈이온수에 소정의 비율로 용해하여 텍스쳐 에칭 용액을 제조한 후 이 에칭 용액의 온도를 80 내지 85℃로 한다.
이 에칭 용액에 실리콘 웨이퍼를 담그어 에칭한 후, 수세하고, 중화한 뒤 세정 및 건조하여 실리콘 웨이퍼를 텍스쳐 에칭한다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 텍스쳐 에칭 용액은 수산화칼륨 용액과 상기 이소프로필알코올 및 상기 탈이온수를 각각 0.5∼5.0 부피% : 3.0∼20.0 부피% : 75.0∼96.5 부피%의 비율로 포함하는 것이 바람직하며, 특히, 각각 1.0∼3.0 부피% : 5.0∼10.0 부피% : 87.0∼94.0 부피%의 비율로 포함하는 것이 가장 바람직하다. 수산화칼륨 용액이 상기한 부피비율보다 클 경우에는 웨이퍼 표면에 피라미드 표면이 나타나지 않고, 상기 비율보다 작을 경우에는 피라미드 표면이 나타나는 시간이 너무 길어지므로(1시간 이상 소요) 바람직하지 않다.
또한, 이소프로필 알코올이 상기한 부피비율보다 클 경우에는 피라미드 표면이 나타나는 시간이 너무 길어지며(1시간 이상 소요), 상기 비율보다 작을 경우에는 피라미드 표면이 나타나지 않아 바람직하지 않다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 텍스쳐 에칭 용액은 상온의 수산화칼륨 용액과 50∼70℃의 이소프로필 알코올 및 80∼99℃의 탈이온수를 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다. 이소프로필 알코올은 휘발성이 강하여 낮은 온도로 혼합한 후에 작업을 하면서 가열을 하면 가열하는 시간동안 증발되어 용액의 혼합 비율이 달라지게 되므로 용액의 온도를 적당히 높인 후 혼합하는 것이 증발량을 줄일 수 있어 바람직하다. 그러나 이소프로필 알코올의 예비 가열 온도가 지나치게 높을 경우에는 용액을 사용하기 전에 증발되므로 불필요한 소모가 발생하므로 50∼70℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 탈이온수는 끓는 점 아래의 온도까지 가열한 후 수산화칼륨 용액, 이소프로필 알코올과 혼합하면 에칭하기 위한 작업 온도(80∼85℃)에 도달하는 시간을 최소화할 수 있어 바람직하다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 텍스쳐 에칭 용액의 온도가 80∼85℃로 유지된 상태에서 상기 웨이퍼를 상하로 움직이면서 25∼60분간 웨이퍼를 에칭하는 것이 바람직하다. 상기한 온도보다 낮거나 시간이 짧을 경우 웨이퍼에 피라미드 구조가 나타나지 않고, 온도가 높거나 시간이 길어질 경우 피라미드 구조가 커지거나, 용액의 조성이 변하여 피라미드 구조가 사라져 바람직하지 않게 된다. 상기 웨이퍼를 상하로 움직이면서 에칭을 실시하면 실리콘 웨이퍼 표면에서 발생되는 반응석출물 및 반응 가스가 실리콘 웨이퍼에 흡착되는 것을 방지할 수 있고, 균일하게 에칭할 수 있어서 바람직하다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 웨이퍼를 탈이온수에 5분 이상 담그어 수세하고, 염산 용액에 5분이상 담그어 중화한 후, 다시 탈이온수에 5분이상 담그어 세정하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명에 있어서, 상기 염산 용액의 농도는 용매와의 부피 비율로 1∼10%인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 수산화칼륨 용액 0.5∼5.0% : 이소프로필알코올 3.0∼20.0 부피% : 탈이온수 75.0∼96.5 부피%의 비율로 혼합하여 텍스쳐 에칭 용액을 제조하고; 상기 에칭 용액에 실리콘 웨이퍼를 담그어 에칭한 후 ; 상기 에칭을 실시한 용액에 수산화칼륨 용액 0.0∼1.0 부피% : 이소프로필알코올 1.0∼10.0 부피% : 탈이온수 1.0∼10.0 부피%의 비율로 혼합한 용액을 더 첨가하는 공정을 포함하는 텍스쳐 에칭 용액의 재생 방법을 제공한다.
상기한 본 발명에 있어서, 수산화칼륨 용액, 이소프로필알코올 및 탈이온수를 혼합한 혼합 용액을 상기 텍스쳐 에칭 용액의 2∼20 부피%의 양으로 더 첨가하면 용액의 교체없이 에칭을 3∼4회 더 실시할 수 있어 생산원가를 줄일 수 있으므로 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예 및 비교예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
제1도는 [100]결정방향을 갖는 0.3∼0.7mm 두께의 실리콘 웨이퍼를 빛흡수가 잘되는 구조인 피라미드 표면으로 만드는 텍스쳐 에칭방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
물과의 부피비가 45%인 상온의 수산화칼륨 용액 800㎖와 60℃의 이소프로필 알코올 2300㎖, 95℃의 탈이온수 23ℓ를 혼합하여 텍스쳐 에칭 용액(1)을 제조한 후, 상기 텍스쳐 에칭 용액을 83℃로 가열하였다.
제2도는 에칭 용액조에 에칭 용액과 실리콘 웨이퍼를 넣은 상태를 나타낸다.
[100]결정 방향을 갖는 450㎛두께의 실리콘 웨이퍼(3)를 캐리어(2)에 담아 제2도와 같이 상기 텍스쳐 에칭 용액속에 넣었다. 이어서, 에칭에 의해 실리콘 웨이퍼 표면에서 발생되는 반응석출물 및 반응 가스가 실리콘 웨이퍼에 흡착되는 것을 방지할 수 있고, 균일한 에칭이 가능하도록 캐리어를 상하로 움직이면서 40분간 에칭을 실시하였다.
에칭을 완료한 후 탈이온수조에 상기 에칭된 웨이퍼를 5분 이상 담그어 수세하고, 묽은(1∼10%) 염산 용액조에 5분 이상 담그어 중화하였다. 이어서, 상기 웨이퍼를 탈이온수조에 다시 담그어 세정한 후 마지막으로 스핀 드라이어(Spin Dryer)로 건조시켰다.
또 에칭 용액을 혼합하여 1회 에칭한 후 에칭 용액을 재사용하기 위하여 수산화칼륨 용액과 이소프로필알코올 및 탈이온수를 상기 에칭을 한 번 실시한 용액에 각각 100㎖ : 1000㎖ : 1000㎖로 혼합한 용액을 첨가하였고, 83℃로 가열한 후 새로운 웨이퍼를 에칭하였다.
[효과]
상기한 바와 같이 본 발명에 따라 실리콘 웨이퍼를 텍스쳐 에칭하면 화학약품의 사용량을 최소로 하면서도 보다 미세하고 조밀한 피라미드 구조를 얻을 수 있고, 화학 약품의 사용량을 줄일 수 있음에 따라 제조 비용 및 공해 물질의 배출량을 최소로 할 수 있다. 또한, 한번 에칭을 실시한 에칭 용액은 용액 성분 비율이 변하여 적정 조건으로 에칭을 실시할 수 없는데 본 발명에서는 상기한 방법같이 각 성분을 일정 비율로 다시 첨가함으로써 새 용액으로 에칭을 실시한 경우와 같은 결과를 얻을 수 있어 비용절감의 효과가 있다.
제3도는 본 발명에 의한 방법으로 에칭하여 얻은 실리콘 표면의 전자 현미경사진(a)과 종래의 하이드라진으로 에칭하여 얻은 실리콘 웨이퍼 표면의 전자 현미경사진(b), 가성소다와 이소프로필알코올 및 탈이온수로 혼합된 용액에서 에칭하여 얻은 실리콘 웨이퍼 표면의 전자 현미경사진(c)을 나타낸다.
하이드라진 용액으로 에칭할 경우 미세한 피라미드 구조가 나타나지만 화학약품의 사용이 과다한 단점이 있고, 가성소다혼합 용액으로 에칭할 경우, 제3도의 (c)처럼 에칭을 실시하여도 피라미드 구조가 조밀하지 못하고 매우 크다.
한편 수산화칼륨조와 이소프로필알코올조 및 탈이온수조로부터 일정량의 수산화칼륨 용액과 가열된 이소프로필알코올 및 탈이온수를 에칭 용액조로 공급하는 장치를 장치함으로써 용액의 가열을 위한 시간을 줄이고 실리콘 웨이퍼를 담은 캐리어를 상하로 이동시킴으로서 실리콘 웨이퍼 표면에 에칭에 의한 반응물질 및 가스가 흡착되지 않도록 하였다. 또 최초의 용액으로부터 에칭후 다음 에칭을 위하여 용액을 일정 비율로 첨가함으로써 용액의 준비시간을 줄이고 용액의 사용 횟수를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 수산화칼륨 용액 0.5∼5.0 % : 이소프로필알코올 3.0∼20.0 부피% : 탈이온수 75.0∼96.5 부피%의 비율로 혼합하여 텍스쳐 에칭 용액을 제조하고; 상기 에칭 용액에 실리콘 웨이퍼를 담그어 에칭한 후; 상기 에칭한 웨이퍼를 수세하고, 중화한 뒤, 세정 및 건조하는; 공정을 포함하는 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 텍스쳐 에칭 용액은 수산화칼륨 용액과 상기 이소프로필 알코올 및 상기 탈이온수를 각각 1∼3 부피% : 5∼10 부피% : 87∼94%의 비율로 포함하는 텍스쳐 에칭 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 텍스쳐 에칭 용액은 상온의 수산화칼륨 용액과 50∼70℃의 이소프로필알코올 및 80∼99℃의 탈이온수를 혼합하여 제조하는 것인 텍스쳐 에칭 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 텍스쳐 에칭 용액의 온도가 80∼85℃로 유지된 상태에서 상기 웨이퍼를 상하로 움직이면서 25∼60분간 실시하는 것인 텍스쳐 에칭 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼를 탈이온수에 5분이상 담그어 수세하고, 묽은 염산 용액에 5분이상 담그어 중화한 후, 다시 탈이온수에 5분이상 담그어 세정하는 것인 텍스쳐 에칭 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 염산 용액의 농도는 용매와의 부피 비율로 1∼10%인 텍스쳐 에칭 방법.
  7. 수산화칼륨 용액 0.5∼5 부피% : 이소프로필알코올 3∼20 부피% : 탈이온수 75.0∼96.5 부피%의 비율로 포함하는 텍스쳐 에칭 용액.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수산화칼륨 용액 1∼3 부피% : 이소프로필알코올 5∼10 부피% : 탈이온수 87∼94 부피%의 비율로 포함하는 텍스쳐 에칭 용액.
  9. 제7항에 있어서, 상기 이소프로필알코올의 온도는 50∼70℃이고, 상기 탈이온수의 온도는 80∼99℃인 텍스쳐 에칭 용액.
  10. 수산화칼륨 용액 0.5∼5.0% : 이소프로필알코올 3.0∼20.0 부피% : 탈이온수 75.0∼96.5 부피%의 비율로 혼합하여 텍스쳐 에칭 용액을 제조하고 ; 상기 에칭 용액에 실리콘 웨이퍼를 담그어 에칭한 후; 상기 에칭을 실시한 용액에 수산화칼륨 용액 0.0∼1.0 부피% : 이소프로필알코올 1.0∼10.0 부피% : 탈이온수 1.0∼10.0 부피%의 비율로 혼합한 용액을 더 첨가하는; 공정을 포함하는 텍스쳐 에칭 용액의 재생 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수산화칼륨 용액, 이소프로필알코올 및 탈이온수를 혼합한 용액의 첨가량은 상기 텍스쳐 에칭 용액의 2∼20 부피%인 텍스쳐 에칭 용액의 재생 방법.
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