KR20020049718A - 태양전지용 접합층 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼의 전면에 불순물이 확산된 제1불순물영역과 실리콘 웨이퍼의 전면전극 형성부위에 제1불순물영역보다 고농도 및 깊은 깊이로 불순물이 확산된 제2불순물영역으로 이루어진 태양전지용 접합층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 접합층 형성공정을 간단히 하여 단 한번의 열확산 공정으로 고농도 불순물 영역 및 저농도 불순물 영역으로 이루어진 태양전지용 접합층을 형성하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 태양전지용 접합층 형성방법에서는 산화막 패턴을 소정두께로 식각하여 종래의 산화막 패턴보다 얇은 두께로 하고, 이러한 얇은 두께의 산화막 패턴을 마스크로 하여 불순물을 열확산시키는 단 한번의 열확산공정으로 고농도 불순물 영역 및 저농도 불순물 영역을 동시에 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지용 접합층 형성방법 {Formation method of junction for solar cell}

본 발명은 태양전지용 접합층 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 마스크를 이용하여 불순물의 도핑농도가 다른 두 영역, 즉 고농도 불순물 영역과 저농도 불순물 영역으로 이루어진 태양전지용 접합층을 한번의 열확산법에 의해 형성하는 방법에 관한 것이다.

태양전지는 반도체 pn 접합을 기본구조로 하고 있으며, 이러한 pn 접합을 만드는 방법에는 크게 열확산법과 이온주입법이 있다. 이들 방법을 p형 실리콘 기판에 대해서 n형 반도체층을 형성하는 방법으로 설명하면, 열확산법은 기판을 가열하여 인(P) 원소를 p형 실리콘 기판의 표면으로부터 스며들게 함으로써 표면층을 n형화하여 pn 접합을 만드는 방법이고, 이온주입법은 인 원소를 진공 중에서 이온화한 뒤에 전기장에 의해 가속하여 p형 실리콘 기판 표면에 넣음으로써 표면층을 n형화하여 pn 접합을 만드는 방법이다.

열확산법으로 태양전지용 접합층을 형성하는 방법에 대해서는 많은 연구가 이루어져 왔다. 그 중에서 미국 특허 5,510,271호에서는, 급속 열처리(rapid thermal process) 장치를 이용하여 실리콘 기판의 전면과 후면에 각각 인과 알루미늄을 동시에 열확산시킨 후, 냉각속도를 조절하여 캐리어의 벌크 라이프타임을 유지하고 확산된 영역의 깊이를 선택적으로 조절가능하도록 하였다. 이러한 급속 열처리 공정으로 전면과 후면의 전극을 어닐링하는 동시에, 전면의 에미터(emitter)와 후면필드(back surface field : BSF)를 동시에 형성하여 저가의 생산비로 고효율의 실리콘 태양전지를 제조하였다. 그러나, 여기서 이미터 형성 및 불순물 도핑 등에 사용된 급속 열처리 공정은, 20% 이상의 고효율 단결정 태양전지를 제작하는 데 사용된 것이 아니며 태양전지를 저가로 만들기 위해 시도되고 있는 기술이다.,

미국 특허 4,158,591호는 플라즈마를 이용하여 불순물이 확산된 영역을 선택적으로 식각해내는 방법을 이용해 태양전지를 제작하는 방법에 관한 특허로서, 여기서는, 다수개의 제1도전형 웨이퍼에 반대 도전형 불순물을 도핑하여 pn접합을 형성한 다음, 금속화(metallization) 공정으로 웨이퍼에 전면전극과 후면전극을 형성하는데, 이 때 후면 전극물질은 후면 영역 내에 존재하는 pn 접합을 관통할 수 있는 물질로 선택함으로써 저항이 낮은 오믹(ohmic) 전극을 형성하도록 한 다음, 웨이퍼를 적층하고 적층된 웨이퍼의 가장자리면으로부터 충분한 pn 접합을 제거하여전면접합을 후면접합으로부터 전기적으로 고립시키도록 적층된 웨이퍼의 가장자리면을 플라즈마 에칭한 후, 적층된 웨이퍼를 각각의 웨이퍼로 분리하여 태양전지로 제작하였으며, 이로 인해 후면 식각단계를 생략할 수 있었다. 즉, 여기서는, 일반적인 불순물 확산 공정인 웨이퍼에 산화막을 형성하고 이를 식각한 다음 불순물을 확산하여 도핑하는 대신에, 웨이퍼 전체에 불순물 도핑을 한 후 불순물이 도핑되지 말아야 할 곳을 플라즈마로 식각해 내는 방법을 이용하여 태양전지를 제작하는데, 이 때 플라즈마로 식각된 표면의 손상이 심한 문제점이 있다.

미국 특허 4,273,950호에서는, 반도체 기판 상에 도판트 코팅을 스프레이하고 극초단파를 이용하여 웨이퍼의 표면을 가열함으로써 태양전지를 제조하였으며, 이 때 가열을 조절하면 코팅된 도판트 원자가 조절가능한 깊이로 얕은 접합을 형성할 수 있었다.

미국 특허 4,729,962호에서는, 실리콘 웨이퍼의 일면에는 웨이퍼의 도전형과 반대형의 도판트 용액을 코팅하고, 그 반대면에는 웨이퍼의 도전형과 동일한 형의 도판트 용액을 코팅한 후, 웨이퍼를 약 200℃의 오븐에서 약 20분 동안 가열하여 과다한 도판트 용액을 제거하고, 약 15초 동안 강한 빛으로 웨이퍼를 950∼1200℃로 급속히 가열하여 웨이퍼의 양쪽면 모두에 접합을 동시에 형성한 다음, 웨이퍼를 750∼850℃에서 10∼60분 동안 공기 중에서 어닐링하여 강한 빛이 꺼질 때 웨이퍼가 급속히 냉각되면서 발생한 결함을 제거함으로써, 고효율 태양전지를 제조하였다.

일반적으로 고효율 단결정 실리콘 태양전지의 도핑공정에 POCl₃나 BBr₃와 같은 액체원을 이용하는 이유는 액체원이 고순도의 물질로 불순물 함유량이 적고 염소나 브롬을 함유하고 있어서, 확산공정 진행중에 금속불순물에 의한 오염을 줄여주기 때문인데, 미국특허 4,273,950호의 스프레이법이나 미국특허 4,729,962호의 도판트 코팅법을 이용하면 도핑소스의 불순물에 의한 영향으로 단결정 실리콘 태양전지의 고효율화를 이루지 못하는 문제점이 있으며, 이들 특허는 저가의 태양전지 개발에 적용하기 위한 방법일 뿐이다.

현재, 20% 이상의 고효율 태양전지 제작을 위해 일반적으로 사용되는 방법은 2단계의 열확산법을 이용한 선택적인 에미터 형성방법이다. 즉, 실리콘 웨이퍼의 전면 전체에는 불순물이 확산된 제1불순물 영역이 형성되고, 그 중에서 이후 전면전극이 형성될 부위에는 전극과의 접촉저항을 낮추기 위해 제1불순물영역보다 고농도 및 깊은 깊이로 불순물이 확산된 제2불순물영역이 형성되는데, 이러한 제1불순물영역 및 제2불순물영역의 형성을 위해 2단계의 열확산법을 이용한 것이다.

이와 같은 2단계의 열확산법으로 태양전지용 접합층을 형성하는 종래의 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1e는 종래의 태양전지용 접합층 형성방법을 도시한 공정단면도이다.

먼저, p형의 실리콘 웨이퍼(1) 상에 산화막을 형성하고 산화막 상에 감광막(미도시)을 도포한 후, 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정에 의해 마스크 상부에서 노광하여 감광막을 부분적으로 식각함으로써 감광막 패턴을 만든다. 다음, 산화막 식각용액으로 식각하여 감광막이 제거된 부분의 산화막을 식각하여 그 하부의 실리콘 웨이퍼 표면이 드러나도록 한다. 다음, 감광막 패턴을 제거하면, 실리콘 웨이퍼(1) 상에는 도 1a에 도시된 바와 같이 마스크와 동일한 패턴의 산화막 패턴(2)이 형성되며, 이러한 산화막 패턴(2)은 이후 열확산 공정에서 마스크 역할을 하게 된다.

열확산 공정시 확산시키고자 하는 불순물의 농도 및 확산깊이에 따라 기판을 가열하는 온도 및 공정시간을 조절하며, 일반적으로 공정온도가 높고 공정시간이 길수록 불순물의 농도는 고농도가 되고 확산깊이는 깊어진다.

먼저, 도 1b에 도시된 바와 같이, 산화막 패턴(2)을 마스크로 하여 실리콘 웨이퍼(1)의 상부 전면으로부터 n형 불순물을 확산시키는 제1열확산단계를 수행하여, 산화막이 제거되어 표면이 드러난 영역의 실리콘 웨이퍼 내부에만 불순물을 확산시킨다. 이 때 제1열확산단계는 이후의 제2열확산단계에 비해 높은 온도와 긴 시간동안 열확산시킴으로써 불순물이 고농도(n⁺⁺) 및 깊은 깊이로 확산되도록 하며, 이러한 고농도 불순물 영역(3)은 이후 전면 금속전극이 형성될 영역으로서, 전극과의 접촉저항을 낮추기 위해 형성되는 것이다.

다음, 도 1c에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(1)의 상면으로부터 산화막 패턴(2)을 제거하고, 도 1d에 도시된 바와 같이 마스크 없이 전표면이 노출된 실리콘 웨이퍼(1)의 상부 전면으로부터 다시 n형 불순물을 확산시키는 제2열확산단계를수행하여, 실리콘 웨이퍼의 전 표면에 얕은 깊이로 불순물을 확산시킨다. 이 때 제2열확산단계는 제1열확산단계에 비해 낮은 온도와 짧은 시간동안 열확산하여 불순물이 저농도(n⁺) 및 얕은 깊이로 확산되도록 한다.

상기한 바와 같은 방법으로, 도 1e에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(1)의 전면 전체에 확산된 얕은 저농도 불순물 영역(4)과 전극형성 부위에 확산된 고농도 불순물 영역(3)으로 이루어진 종래의 태양전지용 접합층 형성을 완료한다.

이와 같은 종래의 태양전지용 접합층 형성방법에서는 얕은 저농도 불순물 영역과 고농도 불순물 영역을 두 번의 열확산법으로 형성하고 각각의 열확산단계에서의 온도 및 시간 등의 공정조건이 다르기 때문에, 접합층 형성공정이 복잡하여 작업자가 세심한 주의를 기울여야 하고 접합층 형성에 소요되는 작업시간이 긴 문제점이 있었다.

또한, 산화막 형성 및 열확산 단계를 포함한 사진식각공정을 2회에 걸쳐 수행해야 하는데, 이러한 사진식각공정은 비용이 비싸므로 결과적으로 태양전지 제조를 위한 공정원가가 비싼 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 접합층 형성공정을 간단히 하여 단 한번의 열확산 공정으로 고농도 불순물 영역 및 저농도 불순물 영역으로 이루어진 태양전지용 접합층을 형성하는 것이다.

도 1a 내지 도 1e는 종래의 태양전지용 접합층 형성방법을 도시한 공정단면도이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 접합층 형성방법을 도시한 공정단면도이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지용 접합층 형성방법에서는 산화막 패턴을 소정두께로 식각하여 종래의 산화막 패턴보다 얇은 두께로 하고, 이러한 얇은 두께의 산화막 패턴을 마스크로 하여 불순물을 열확산시키는 단 한번의 열확산법으로 고농도 불순물 영역 및 저농도 불순물 영역을 동시에 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 태양전지용 접합층 형성방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 접합층 형성방법을 도시한 공정단면도이다.

먼저, p형의 실리콘 웨이퍼(10) 상에 산화막을 형성하고 산화막 상에 감광막(미도시)을 도포한 후, 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정에 의해 마스크 상부에서 노광하여 감광막을 부분적으로 식각함으로써 감광막 패턴을 만든다. 이 때 감광막의 식각된 부분은 이후 전면 금속전극이 형성될 영역에 해당한다. 다음, 산화막 식각용액으로 식각하여 감광막이 식각된 부분 하부의 산화막을 식각하여 그 하부의 실리콘 웨이퍼 표면이 드러나도록 한다. 다음, 감광막 패턴을 제거하면, 실리콘 웨이퍼(10) 상에는 도 2a에 도시된 바와 같이 마스크와 동일한 패턴의 산화막 패턴(20)이 형성된다.

다음, 산화막 패턴(20)을 식각하여 250∼1000Å 두께의 얇은 산화막 패턴(20')이 되도록 한다. 이것은 종래 방법에서 식각하지 않은 일반적인 산화막 패턴의 두께인 2000~5000Å에 비해 얇은 것으로서, 이와 같이 산화막 패턴을 얇은두께로 식각하는 것은, 얇은 산화막 패턴(20')을 마스크로 이용하여 열확산 공정을 수행할 경우 불순물이 얇은 산화막 패턴을 관통하여 실리콘 웨이퍼 내로 열확산되어 얕은 저농도 불순물 영역을 만들게 하기 위한 것이다. 이 때, 얕은 저농도 불순물 영역을 균일하게 하기 위해서는, 얇은 산화막 패턴(20')의 두께가 실리콘 웨이퍼(10)의 전면에 걸쳐서 일정하게 되도록 식각하는 것이 중요하며, 얇은 산화막 패턴(20')의 두께가 750Å인 것이 가장 바람직하다.

다음, 도 2b에 도시된 바와 같이, 두께가 250∼1000Å인 얇은 산화막 패턴(20')을 마스크로 이용하여 실리콘 웨이퍼(10)의 상부 전면으로부터 n형 불순물을 열확산시킨다. 이 때, 열확산 원(source)으로는 인 화합물인 액체의 POCl₃를 이용하였고, 950℃의 온도에서 90분동안 열확산시켰다. 보통 열확산 온도는 850∼1000 ℃ 이고 열확산 시간은 30∼150분이면 적당하다.

이러한 열확산공정의 온도 및 시간은 종래의 2단계 열확산법에서의 고농도 불순물 열확산조건에 해당하며, 이러한 온도 및 시간으로 열확산시키면, 산화막이 제거되어 표면이 드러난 영역의 실리콘 웨이퍼 내부에는 불순물이 고농도(n⁺⁺)로 확산되어 고농도 불순물 영역(30)이 형성되고, 실리콘 웨이퍼 전 영역에 걸쳐서는 불순물이 얇은 산화막 패턴(20')을 관통한 후에 저농도(n⁺) 및 얕은 깊이로 확산되어 저농도 불순물 영역(40)이 형성된다.

고농도 불순물 영역(30)은 앞에서 언급한 바와 같이 이후 전면 금속전극이 형성될 영역으로서, 전극과의 접촉저항을 낮추기 위해 형성되는 것이다.

다음, 실리콘 웨이퍼(10)로부터 얇은 산화막 패턴(20')을 제거함으로써, 단 한번의 열확산법으로 도 2c에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(10)의 전면 전체에 확산된 얕은 저농도 불순물 영역(40)과 전극형성 부위에 확산된 고농도 불순물 영역(30)으로 이루어진 태양전지용 접합층을 동시에 형성하는 본 발명에 따른 태양전지용 접합층 형성방법을 완료한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따라 단 한번의 열확산법으로 고농도 불순물 영역 및 저농도 불순물 영역을 동시에 형성하는 데에는, 얇은 산화막 패턴(20')의 두께 및 균일성이 중요하며, 최적의 얇은 산화막 패턴(20') 두께를 알아내기 위하여 얇은 산화막 패턴(20')의 두께 변화에 따른 면저항값을 측정하는 실험을 수행하였다.

일반적으로 열확산법에 의해 형성된 접합층의 상황은 전기 저항값의 측정에 의해 알 수 있다.

인을 확산한 불순물 영역의 전기 저항값은 인 도펀트량에 따라 달라지는데, 확산된 인 원자가 불순물 영역 내에서 균일하게 분포하지 못하고 실리콘 웨이퍼의 표면 가까운 곳에서 가장 높은 농도로 분포하고 깊이에 따라서 지수함수적으로 감소된 농도로 분포하기 때문에, 비저항률(Ω·cm)로서는 나타낼 수 없다. 따라서, 불순물 영역이 평균적인 저항률을 가진 것으로 간주한 비저항값을 두께로 나눈 값을 편의적으로 사용한다. 즉, 4탐침 측정법을 이용하여 구한 접압과 전류값으로부터 불순물 영역의 평균적인 저항값을 얻을 수 있는데, 이를 면저항이라 부르며 단위는 Ω/□으로 나타낸다. 이러한 면저항은 측정이 간편하므로 열확산법에 의한 불순물의 확산상태의 파악을 위해 주로 사용된다.

즉, 태양전지 제작시 4탐침 측정법으로 면저항값을 측정하는 이유는 정확한 불순물 확산량과 실리콘 웨이퍼 내에서의 확산 프로파일을 얻을 수는 없지만, 간단한 방법으로 대략적인 확산정보를 얻을 수 있기 때문이다.

본 실험에서는 초기에 확산 공정조건을 확립할 때에 공정온도와 시간에 따른 불순물 확산량과 실리콘 웨이퍼 내에서의 확산 프로파일을 2차이온 질량 스펙트럼 분석기(secondary ion mass spectroscopy : SIMS)를 이용해 측정하고, 측정된 SIMS 데이터와 면저항값을 비교하여 면저항값으로 불순물 확산량과 확산 프로파일을 알 수 있었다.

즉, 본 실험에서는 산화막 패턴의 두께를 250Å부터 1500Å까지 250Å씩 증가시키고 각각의 산화막 패턴을 마스크로 이용하여 열확산법으로 불순물을 확산시켰으며, 그 결과 형성된 고농도 불순물 영역 및 저농도 불순물 영역에 대해 4탐침 측정법으로 면저항을 측정하였다.

고효율 실리콘 태양전지를 위한 면저항 값의 적정값은 고농도 불순물 영역에서는 4∼20 Ω/□이고, 저농도 불순물 영역에서 150∼250 Ω/□으로 알려져 있다. 본 실험결과, 산화막 패턴의 두께를 750Å으로 식각하고 이를 마스크로 하여 열확산법으로 불순물을 확산시킨 경우, 웨이퍼의 중앙, 상, 하, 좌, 우의 5위치에서 구한 저농도 불순물 영역에서의 면저항값 평균치가 200 Ω/□이었으며, 이것은 고효율 실리콘 태양전지의 제작에 있어서 최적의 저농도 불순물 영역에서의 면저항값이다.

따라서, 산화막 패턴의 두께를 750Å으로 하여 본 발명에 따라 태양전지를 제조하면 효율 감소가 없을 것으로 예상된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 불순물의 도핑농도가 다른 두 영역, 즉 고농도 불순물 영역과 저농도 불순물 영역으로 이루어진 태양전지용 접합층을 단 한번의 열확산법에 의해 형성하기 때문에, 공정이 간소화되는 효과가 있으며, 이로써 공정시간을 단축하고 결과적으로 생산원가를 절감하는 효과가 있다.

또한, 2단계 열확산법을 거쳐 고농도 불순물 영역과 저농도 불순물 영역으로 이루어진 태양전지용 접합층을 형성하였던 종래의 방법에 비해 생산원가가 저렴하면서도, 동시에 효율은 동등한 고효율 실리콘 태양전지를 제조하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 실리콘 웨이퍼의 전면에 불순물이 확산된 제1불순물영역과 실리콘 웨이퍼의 전면전극 형성부위에 제1불순물영역보다 고농도 및 깊은 깊이로 불순물이 확산된 제2불순물 영역으로 이루어진 태양전지용 접합층을 형성하는 방법에 있어서,

   실리콘 웨이퍼 상에 산화막을 형성하고 상기 산화막 상에 감광막을 도포한 후, 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정에 의해 상기 감광막을 부분적으로 식각하여 감광막 패턴을 만드는 단계;

   상기 감광막이 식각된 부분 하부의 산화막을 산화막 식각용액으로 식각하여 그 하부의 실리콘 웨이퍼 표면이 드러나도록 한 다음, 감광막 패턴을 제거하여 산화막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 산화막 패턴을 소정두께로 식각하는 단계;

   상기 소정두께의 산화막 패턴을 마스크로 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼의 상부 전면으로부터 불순물을 열확산시킴으로써, 상기 산화막이 제거되어 표면이 드러난 영역의 실리콘 웨이퍼 내부에는 불순물이 고농도 및 깊은 깊이로 확산되어 제2불순물영역을 형성하고, 실리콘 웨이퍼 전 영역에 걸쳐서는 불순물이 상기 소정두께의 산화막 패턴을 관통한 후에 확산되어 상기 제2불순물영역보다 저농도 및 얕은 깊이인 제1불순물영역을 형성하는 단계;

   상기 소정두께의 산화막 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 태양전지용 접합층 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화막 패턴을 소정두께로 식각하는 단계에서는,

   상기 산화막 패턴을 250∼1000Å으로 식각하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 접합층 형성방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 불순물을 열확산시킬 때에는, 850∼1000℃의 온도에서 30∼150분 동안 열확산시키는 것을 특징으로 하는 태양전지용 접합층 형성방법.