KR20040070297A - 광전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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세데그 엠. 패리스
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레베오 인코포레이티드
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Abstract

광전지는 다단층의 기판으로부터 제조된다.
상기 다단층의 기판은 이 기판에 형성되는 광전지를 갖는 제1층을 포함하고, 제2층에 선택적으로 접착된다.
광전지 또는 다수의 광전지를 제조하는 방법은 제2층에 제1층을 선택적으로 접착하는 단계로 이루어진다.

Description

광전지 및 그 제조 방법{PHOTOVOLTAIC CELL AND METHOD OF MANUFACTURE OF PHOTOVOLTAIC CELLS}
광전지(PV Cells)
세계적으로 에너지 수요가 점차 증가하고 있는 바, 비용 효율성 및 신뢰성을 갖는 대안 에너지원의 필요성이 증대되고 있다. 태양으로부터 발산된 에너지가 대안 에너지원으로 제공되고 있다.
태양전지, 또는 광전지(pv cells)는 태양으로부터 에너지를 얻기 위한 주요 대안책으로 여겨지고 있는 바, 태양광을 전기로 직접 변환시킬 수 있으며, 낮은 작동비용으로 긴 주기의 동력을 제공할 수 있으며, 에너지 발생과 관련된 오염이 전무한 잇점이 있다.
현재, 광전지(PV cells)는 위성과 우주선에 긴-주기의 동력을 제공하고 있다. 광전지는 또한 작은 스케일의 지상면에 용이하게 설치되어 왔다.
큰 스케일의 동력원으로서, 태양전지의 광범위한 사용에 대한 주요 방해요인은 전지의 비용, 태양전지의 작동 효율성 또는 비용 및 효율성에 있다 할 것이다.
통상의 광전지 작동(Operation of Typical PV cells)
단접합 전지
전형적인 단-접합(single-junction) 광전지에 있어서, 실리콘과 같은 재료는 기판(예를들어, 실리콘)에서 발생한 것보다 하나 이상 또는 이하의 전자로부터 원자가 첨가되어, 그 결과 층간의 p-n 접합이 이루어진다.
광자가 전지를 부딪히게 되면, 반도체 밴드갭(bandgap) Eg(사용된 재료, p-n 접합의 깊이에 따라 가변됨)과 동일하거나 큰 에너지를 갖는 전자들이 N-타입 실리콘에서 P-타입 실리콘으로 여기(excite)될 것이고, 이에 전기장 효과 조건하에서 상기 p-n접합을 가로지르는 전자들의 이동으로 전류가 생성되어진다.
상기 전류는 병렬 또는 직렬 배열에 의하여 다양한 전류 및 전압으로 수집되어진다.
단-접합 광전지의 효율은 제한된 Eg를 기반으로 한다. 상기 전지가 태양 스펙트럼에 노출되면, Eg보다 작은 에너지를 갖는 광자가 전지 출력층에 제공되지 않게 되고, Eg보다 큰 에너지를 갖는 광자가 전지 출력측에 에너지 Eg를 제공하며, Eg의 초과는 실질적으로 열로 소비된다.
광전지용 실리콘, 파생물 및 기타 재료
통상의 광전지용 재료는 고순도의 실리콘을 포함하는 바, 이 실리콘은 단-결정 잉곳(ingot)으로부터 웨이퍼로 절단되거나, 얇은 결정성의 시트 또는 리본으로 성장된다. 그러나, 비용이 잉곳의 성장, 절단, 도핑(doping), 연마, 실리콘 재료 자체의 불필요한 부분으로 인하여 실리적이지 못하다.
태양전지는 두께에 비하여 단지 몇몇의 광파장 정도만을 필요로 하므로, 많은 재료의 소비와 아울러 에너지 효율이 감소되는 점이 있다.
얇은층의 태양전지를 성형하기 위한 다른 방법으로 용해된 실리콘으로부터 얇은 시트를 드로잉(drawing)하는 방법이 있다.
얇은층의 태양전지를 성형하기 위한 또 다른 방법은 가스 상태의 실리콘 재료를 필름에 증착시키는 방법이 있다.
또한, 다결정(polycrystalline)의 전지가 사용되는 바, 이는 단결정 전지보다 본래 덜 효율적이지만, 제품에 대한 비용이 덜 드는 잇점이 있다.
통상, 실리콘 전지는 약 22.3%의 최대 AM1.5,1 태양광 효율을 갖는다.
또한, 약 22.3%의 최대 AM1.5,1 태양광 효율을 갖는 칼륨(gallium), 아세나이드(arsenide)와 같은 기타 다른 재료가 그 효율을 증가시키는데 사용되지만, 이들 재료는 고가인 단점이 있다.
다-접합(Multi-junction) 전지
효율을 증가시키는 또 다른 접근법은 멀티스펙트럼을 기반으로 하는 바, 여기에는 다수개의 전지가 밴드갭을 감소시키기 위하여 차례로 적층된다.
상부전지는 UV 조사 및 이 전지의 Eg와 일치하는 전자들을 흡수한다. 하부전지(대개, 하나 또는 두개)는 셀의 밴드갭과 일치하는 연속적인 하부 에너지를 갖는 전자를 흡수한다.
이러한 방법에서, 다양한 전지(예를들어, 서로 다른 Eg를 갖음)가 약 30%보다 큰 최대 효율로 적층된다.
열을 이루는 두 개의 밴드갭을 위한 이상적인 최대 효율은 50%이고, Eg1=1.75 eV, Eg2=1.18 eV, Eg3=0.75 eV를 갖는다.
세 개 이상의 밴드갭을 사용하는 시스템은 매우 낮은 효율성 증가를 나타내며-예를들어, 36밴드갭에서 최대 효율 72%은 72%이다.
상술한 템덤(직렬) 전지 구성은 본래 단-접합 전지에 비하여 고가이다.
텐덤 배열 구조는 대개 다른 전지층의 상층부에 성장되거나, 분리 가능하게 전이된다. 예를들어, 에피텍셜형 리프트-오프(epitaxial lift-off)는 얇은 필름을 만드는데 사용되어 왔는 바, 여기에 광재료가 리프트-오프를 촉진하는 해제층과 함께 성장되어진다.
그러나, 종래에 두 개 또는 세개의 셀이 다른 셀상에 적층 또는 성장시키는 방법은 셀의 가격, 특히 와트 기준당 비용이 매우 고가이다.
또한, 상기 텐덤 배열 구조에 있어서, 셀에서부터 전이 에너지까지 상기 셀의 스택 끝단부에 상호연결이 형성되어야 하고, 이는 텐덤 솔라 셀의 효율적인 비용면에서 관건이 된다.
따라서, 당분야에서는 대량생산이 가능한, 그리고 결과적으로 단위전력당 비용을 절감시킬 수 있는 알맞은 제법으로, 태양광 변환 효율을 조합시키는 태양전지의 제공을 필요로 한다.
본 발명은 다양한 형태의 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1A는 광전지의 제조공정에 사용되는 다단층의 기판을 나타내는 개략도,
도 1B는 광전지의 제조공정에 사용되는 다단층의 기판에 대한 다른 실시예를 나타내는 개략도,
도 2-13은 도 1A 및 도 1B의 구조에서 각층들의 선택적인 접착이 이루어지는 다양한 처리기술을 나타내는 개략도,
도 14-20은 도 1A 및 도 1B의 구조에 대한 여러 본딩 결합구조를 나타내는 개략도,
도 21-32는 여러가지 디본딩(debonding)기술을 나타내는 개략도,
도 33은 광전지 세트의 일실시예를 나타내는 개략도,
도 34A-34C는 텐덤 광전지를 보여주는 개략도,
도 35는 텐덤 광전지를 이용한 광전지 세트의 다른 실시예를 나타내는 개략도,
도 36은 광전지 세트의 텐덤 배열구조에 대한 구현예를 나타내는 개략도.
상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 몇몇의 방법 및 장치에 의하여 달성된다. 광전지는 다단층의 기판으로 제조된다. 이 다단층의 기판은 광전지의 형성에 적당한 제1층 및 여기에 선택적으로 부착 또는 접착되는 제2층을 갖는다.
단수의 광전지 또는 복수의 광전지를 형성하기 위한 방법은 제2층에 제1층을 선택적으로 접착하는 단계를 포함한다.
일구현예로서, 다단층의 기판이 광전지의 형성에 적당한 제1층 및 여기에 선택적으로 부착 또는 접착되는 제2층을 갖는다.
상기 선택적 본딩은 하나 이상의 강한 본딩영역과 하나 이상의 약한 본딩영역을 포함한다. 태양광 또는 광전지 또는 이것의 일부는 하나 이상의 약한 본딩 영역에 형성된다.
상기 제2층이 열적 안정성 및 지지력을 제공하는데 사용되므로, 상기 제1층은 매우 얇게 된다(예를들어, 10, 5, 2, 심지어는 1 마이크론). 따라서, 종종 가혹한 작동 조건하에서 수행되어야 하는 얇은 광전지의 제조가 가능하고, 동시에 제1 및 제2기판층의 열적 기계적 결합이 유지된다.
결과적으로, 상기 태양전지 또는 태양전지 구성요소를 갖는 제1층이 예를들어, 종래의 필링(peeling) 또는 동종의 방법에 의하여 제2층으로부터 쉽게 제거될 수 있다.
상기 태양전지 또는 이들의 구성요소는 제1층의 약한 본드영역에 형성되므로, 상기 제거 공정동안 영향을 최소로 받게 되거나 전혀 나쁜 영향을 받지 않게 되며, 결국 최종적인 구조의 보수 또는 그 공정을 필요로 하지 않게 된다.
이하, 상술한 본 발명의 특징 및 장점을 첨부한 도면을 참조로 상세한 설명하며, 이러한 설명은 당업자에게 자명할 것이다.
본 발명은 다양한 형태의 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
이러한 태양전지의 특정한 형성에 대한 설명 이전에, 시작용 기판(starting substrates)의 설명은 미국특허출원번호 09/950,909(2001.12.9) "Thin films and Production Method Thereof"에 기재된 바와 같다.
상기 기판은 선택적 본딩이 이루어진 다단층의 기판으로 언급되며, 웨이퍼에 하나 이상의 태양전지를 형성하는 공정은 알려져 있지만, 바람직하게는 기계적 그라인딩 또는 백면 에칭없이 웨이퍼의 전지층이 쉽게 제거되는 것이 가능하고, 그에따라 종래의 공지의 태양전지 제조기술보다 비용 절감을 실현하는 동시에 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서 태양전지의 여러가지 형태를 설명하며, 이하 "태양광 장치(solar device)"는 태양광전지의 모든 종류로 인용된다.
선택적으로 본딩된 장치의 층 형성
도 1을 참조로 하면, 선택적으로 본딩된 다단층 기판(100)이 도시되어 있다.
상기 다단층 기판(100)은 노출된 표면(1B)과, 층(2)의 표면(2A)과 선택적으로 본딩되는 표면(1A)을 갖는 층(1)을 포함한다. 또한, 상기 층(2)은 반대면(2B)을포함한다.
층(1)은 제한되지 않지만 광전지 장치를 포함하는 하나 이상의 장치를 제조하는데 사용되는 층으로 그 역할을 수행하게 된다.
상기 층(2)은 층(1)에 하나 이상의 장치를 제조하는 동안 지지부재로 그 역할을 수행하게 된다.
도 1B를 참조로 하면, 선택적으로 다단층 기판내에 매입산화층이 소정의 깊이로 형성된다. 예를들어, 베이스 기판, 매입산화층, 반도체층을 포함하는 SOI 구조가 형성되도록 상기 매입산화층(buried oxide layer)은 장치의 층(1)과 층(2)간의 계면에 형성된다.
상기 산화층은 소정 크기의 기판에 장치층을 선택적으로 본딩하기 이전에 형성된다. 일실시예로서, 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 산화층은 원하는 깊이로 형성될 수 있다. 그 후, 상기 산화층 위의 층은 예를들어, 기계적 분리(즉, 틈새의 성장, 박리방향에 있어서 구조(100)의 평면과 수직, 구조(100)의 평면과 평행을 이룸)에 의하여 따르게 되는 틈새의 성장, 이온주입, 또는 열, 빛, 및/또는 층의 갈라짐을 유발하는 압력에 의하여 따르게 되는 이온 주입에 의하여 제거된다.
다음으로, 제거된 층(또는 분리 가능하게 유도되는 층)이 산화층을 갖는 기판층(2)의 상면에 선택적으로 본딩된다.
상기 산화층은 소정 부피의 기판에 장치층의 선택적인 본딩으로 형성되어진다. 예를들어, 장치층이 기판에 선택 본딩된 후, 상기 산화층은 원하는 매입산화층 깊이가 되도록 산소주입으로 형성된다.
상기 층(1)과 층(2)은 여러가지 웨이퍼 또는 필름 형성을 위하여 증착된 유체 재료 및/또는 기판구조를 포함하는 여러 공급원으로부터 얻어지게 된다.
종래의 방법은 웨이퍼 형태로 구비된 재료를 층(1)과/또는 층(2)을 얻는데 사용하게 된다. 예를들어, 층(2)이 웨이퍼로 구성되고, 층(1)은 동일 또는 다른 웨이퍼의 일부로 구성된다.
층(1)을 구성하는 웨이퍼의 일부는 기계적으로 얇게 가공(즉, 기계적 그라인딩, 커팅, 연마; 화학적-기계적 연마; 연마-정지, 또는 이들중 적어도 하나를 포함하는 조합), 기계적 분리(즉, 틈새의 성장, 박리방향에 있어서 구조(100)의 평면과 수직, 구조(100)의 평면과 평행을 이룸)에 의하여 따르게 되는 틈새의 성장, 이온주입, 또는 열, 빛, 및/또는 층의 갈라짐을 유발하는 압력, 화학적 에칭 등에 의하여 따르게 되는 이온 주입에 의하여 제거된다.
또한, 상기 층(1) 및 층(2)은 예를들어 화학적 증기 증착법, 애피텍셜 성장 방법 또는 동종의 방법에 의하여 증착 또는 성장하게 된다.
일반적으로, 선택적으로 본딩된 다단층의 기판(100)을 형성하기 위하여, 층(1), 층(2), 또는 모두가 약한 본딩(5) 및 강한 본딩(6) 영역으로 정해지도록 처리된다.
상기 층이 서로 결합된 다음, 약한 본딩영역(5)은 유용한 장치 또는 구조의 제조를 가능하게 하는 조건을 지니게 된다.
따라서, 광전지와 같은 유용한 장치를 갖는 층(1)의 제거는 용이하게 이루어져, 상기 유용한 장치에 대한 손상 잠재성을 최소화 또는 배제시킬 수 있게 된다.
상기 층(1)과 층(2)은 양립된 상태이다. 다시말해서, 상기 층(1)과 층(2)은 열적, 기계적, 및/또는 결정체 특성들이 조화롭게 양립되도록 구성된다. 물론, 서로 다른 재질이 채용될 수 있지만, 적합성을 갖도록 선택되는 것이 바람직하다.
층(1)의 하나 이상 영역이 광전지 장치와 같은 하나 이상의 구조내에 기판 영역으로 그 기능을 수행하도록 정해지게 된다. 상기 영역은 후술하는 바와 같이, 원하는 패턴으로 형성될 수 있다.
다음으로, 약한 본드영역(5)이 형성되도록 상기 층(1)의 선택영역은 그 본딩력이 최소화되게 처리된다. 선택적으로, 상기 층(2)의 대응영역도 그 본딩력이 최소화되게 처리된다(층(1)의 처리와 함께, 또는 층(1)에 대한 처리 대용).
또한, 다른 대안으로서 상기 구조를 형성하고자 선택된 영역의 이외 영역에 처리층(1) 및/또는 층(2)이 포함되는 바, 이는 강한 본드영역(6)의 본딩강도를 증대시키고자 한 것이다.
상기 층(1) 및/또는 층(1)의 처리후, 상기 층들은 배열 및 고정된다.
상기와 같은 본딩은 후술하는 바와 같이 적절한 방법에 의하여 이루어진다.
추가로, 상기 배열은 기계적, 광학적, 또는 이들의 조합에 의하여 이루어진다.
여기서의 배열은 구조가 층(1)에 형성되지 않는 범위내이므로 기준이 되는 것으로 이해해서는 안된다. 그러나, 상기 층(1) 및 층(2)이 처리된 경우, 상기 배열은 선택된 기판 영역으로부터 그 변화가 최소화될 필요가 있다.
다단층 기판(100)은 사용자가 어떤 구조 또는 장치를 종래의 제조 방법을 이용하여 또는 여러 관련 기술로 알려진 다른 기술을 이용하여 제조할 수 있다.
어떤 제조 방법은 고온, 고압, 거친 화학적 조건, 또는 이들의 조합과 같은 극한의 조건에 기판을 제공하기도 한다. 따라서, 다단층 기판(100)을 위의 조건에 견딜 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.
약한 본드영역(5)과 일부가 겹치게 되는 영역(3)에 유용한 구조 또는 장치가 형성된다. 이에, 강한 본드영역(6)과 겹치게 되는 영역(4)은 구조를 가지지 않는다.
다단층(100)의 층(1)내에 광전지와 같은 유용한 장치를 형성한 후, 층(1)은 최종적으로 분리(debonding)된다. 이 디본딩 단계는 유해한 박리 기술에 유용한 장치를 직접적으로 노출될 필요없이, 박리(peeling) 또는 층(2)으로부터 층(1)을 떼어내는 방법과 같이 잘 알려진 기술에 의하여 이루어진다.
유용한 장치는 영역(4)에 형성되지 않기 때문에. 이러한 영역은 상기 영역(3)에 형성된 구조에 유해한 간섭제공없이 이온주입 및/또는 에칭과 같은 디본딩 공정을 받게 된다.
본드영역의 형성
약한 본드 영역(5)을 형성하기 위하여, 표면(1A),표면(2A), 또는 이 모두는 약한 본드영역(5)의 위치에서 약한 본딩력 또는 본딩력이 없는 상태를 이루도록 처리된다.
선택적으로, 상기 약한 본드영역(5)이 비처리된채로 남게 되어, 상기 강한본드영역(6)은 강한 본딩력을 갖도록 처리된다. 영역(4)가 부분적으로 강한 본드영역(6)과 겹치게 된다.
상기 강한 본드영역(4)을 형성하기 위하여, 표면(1A),(2A) 또는 이 모두는 강한 본드영역(6)의 위치에서 처리된다. 선택적으로, 상기 강한 본드영역(6)은 처리되지 않은채 남게 되어, 상기 약한 본드영역(5)은 약한 본딩력을 갖도록 처리된다. 또한, 상기 영역(5) 및 영역(6)은 서로 다른 처리 기술에 의하여 처리될 수 있으며, 이 처리기술들은 질적 또는 양적으로 서로 다르다.
약한 본드영역(5) 및 강한 본드영역(6) 모두 또는 하나에 대한 처리후, 층(1) 및 층(2)은 일체의 다단 기판층(100)을 형성하도록 서로 접착된다.
따라서, 상기 다단 기판층(100)이 광전지 또는 다른 유용한 장치를 층(1)의 영역(3)에 제조하는 중 거친 환경조건에 처해질 수 있다.
상기 "약한 본딩" 또는 "약한 본드"는 층과 층의 일부간의 접착을 말하며, 이 층의 일부는 박리(peeling), 다른 기계적 분리 방법, 열, 빛, 압력, 진공, 이들 디본딩 기술중 적어도 하나를 포함하는 조합에 의하여 용이하게 이루어진다.
이러한 디본딩 기술은 층(1)과 층(2), 특히 약한 본드영역(5)에 인접된 부분에서 결함 또는 유해함을 최소화시킨다.
상기 약한 본드영역(5) 및 강한 본드영역(6) 모두 또는 이중 하나의 처리는 다양한 방법에 의해서도 실현된다. 상기 처리의 중요한 점은 약한 본드영역(5)이 강한 본딩영역(6)보다 쉽게 분리(이후 디본딩 단계가 상세하게 설명됨)되게 한 점에 있다. 이는 광전지를 포함하는 영역(3)에 디본딩중 손상을 방지 또는 최소화시키기 위함이다. 또한, 전지의 제조중 상기 강한 본드영역(6)의 포함으로 다단층 기판(100)의 기계적 보존도를 증대시킬 수 있다. 따라서, 다음의 층에 대한 처리는 태양전지 또는 광전지가 제거될 때 최소화 또는 제거된다.
상기 약한 본드영역(5) 및 강한 본드영역(6) 모두 또는 이중 하나에 대한 처리는 다양한 방법으로 실현된다. 상기 처리의 중요한 점은 약한 본드영역(5)이 강한 본딩영역(6)보다 쉽게 분리(이후 디본딩 단계가 상세하게 설명됨)되게 한 점에 있다. 이는 유용한 구조를 포함하는 영역(3)에 디본딩중 손상을 방지 또는 최소화시키기 위함이다. 또한, 구조의 제조중 상기 강한 본드영역(6)의 포함으로 다단층 기판(100)의 기계적 보존도를 증대시킬 수 있다. 따라서, 다음의 층에 대한 처리는 태양전지 또는 광전지가 제거될 때 최소화 또는 제거된다.
약한 본드영역에 대한 강한 본드영역(SB/WB)의 본딩강도 비율은 1 이상이다.
특히 강한 본드영역과 약한 본드영역의 배열 구조, 강한 본드영역 및 약한 본드영역의 관련면적에 의거하여, SB/WB값이 무한대에 인접될 수 있다.
즉, 상기 강한 본드영역이 기계적 및 열적 안정성을 유지하는데 그 크기 및 강도가 충분하면, 약한 본드영역의 본드강도는 제로에 가깝게 된다.
그러나, 상기 SB/WB의 비율은 가변적이고, 그에따라 당분야에서 지시하고 있는 내용((Q.Y.Tong,U.Goesle, Semiconductor Wafer Bonding, Sience Technologt, pp.104-118, John Wiley and Sons, New York, NY1999 에서 찾아볼 수 있음)과 같이, 강한 본드강도(통상의 실리콘 및 실리콘 유도물, 예를들어, SiO2, 웨이퍼)가 약500mj/㎡ 에서 5000mj/㎡까지 가변될 수 있다.
그러나, 약한 본드강도도 재료에 따라 그리고 약한 본드영역에 처리된 광전지의 종류, 본딩 및 디본딩 기술의 선택, 약한 본딩영역과 강한 본딩영역간의 비교율, 웨이퍼의 패턴, 동종물에 의거하여 상당히 가변적일 수 있다.
예를들어, 이온주입이 층을 디본딩하는 단계에 사용되는 바, 이러한 이온주입으로 주입 영역에 마이크로버블이 형성된 후,유용한 약한 본드영역의 본딩강도가 강한 본드영역의 본딩강도에 필적될 수 있다.
따라서, 상기 SB/WB 본딩강도 비율은 1 이상이고, 바람직하게는 디본딩 기술의 선택 및 약한 본드영역에 형성된 유용한 구조 또는 장치의 선택에 따라, 2,5,10 또는 그 이상일 수 있다.
약한 본드영역(5) 및 강한 본드영역(6) 모두 또는 그중 하나의 처리는 재료의 선택에 따라 결정될 수 있다. 더욱이, 층(1) 및 층(2)에 대한 본딩 기술 선택은 선택된 처리 방법론에 적어도 일부를 근거로 한다.
또한, 디본딩은 처리기술, 디본딩 방법, 재료, 유용한 구조의 존재 또는 종류, 또는 이들 인자중 적어도 하나를 포함하는 조합과 같은 인자들에 의존된다.
어떤 구현예에 있어서, 처리기술에 대한 선택 조합, 본딩, 이후의 디본딩(영역(3) 또는 또는 고수준 장치에 중간매개물로서 유용한 구조를 형성하고자 종단 사용자에 의하여 행해짐)은 층(2)으로부터 층(1)을 분리되게 하는 틈새의 성장 또는 층(2)을 제거하기 위한 기계적 티닝(thinning)을 위한 필요성을 방지시킬 수 있고, 바람직하게는 틈새의 성장 및 기계적 티닝 모두 방지시킬 수 있다.
따라서, 종래의 방법에 따른 틈새의 성장 및 기계적 티닝에 의한 층(2)의 손상이 방지되므로, 기판하부층은 별도의 처리없이 재활용될 수 있다.
처리기술중 하나는 약한 본드영역(5)과 강한 본드영역(6)간의 표면거칠기 변화에 의존한다.
상기 표면거칠기는 표면(1A)(도 4), 표면(2A)(도 5)에서 또는 표면(1A) 및 표면(1B)에서 변경될 수 있다.
일반적으로, 상기 약한 본드영역(5)은 강한 본드영역(6)보다 더 높은 표면거칠기(7)(도 4 및 도 5)를 갖는다.
반도체 재료에 있어서, 예를들어 상기 약한 본드영역(5)은 약 0.5나노미터(nm)보다 큰 표면거칠기를 가지고, 상기 강한 본드영역(4)은 약 0.5nm 이하의 낮은 표면거칠기를 갖는다.
다른 실시예로서, 상기 약한 본드영역(5)은 약 1nm 이상의 표면거칠기를 갖고, 상기 강한 본드영역(4)은 약 1nm 이하의 낮은 표면거칠기를 갖는다.
또 다른 실시예로서, 상기 약한 본드영역(5)은 약 5nm 이상의 표면거칠기를 갖고, 상기 강한 본드영역(4)은 약 5nm 이하의 낮은 표면거칠기를 갖는다.
표면거칠기는 에칭(예를들어, KOH 또는 HF 용액) 또는 증착 공정(예를들어, 낮은 압력의 화학 기상 증착법(LPCVD) 또는 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD))에 의하여 변경될 수 있다.
참고로, 상기 표면 거칠기와 관련된 본딩 강도는 Gui et al.,"Selective Wafer Bonding by Surface Roughness Control",Journal of The ElectrochemicalSociety, 148(4) G225-G228(2001)에 설명되어 있다.
유사한 방법(여기서, 선정된 영역은 도 4 및 도 5에 동일한 도면부호로 지시됨)으로서, 다공영역(7)이 약한 본드영역(5)에 형성되고, 강한 본드영역(6)은 비처리된채로 남아있게 된다.
따라서, 다공성의 성질로 인하여 층(1)과 층(2)이 약한 본드영역(5)에서 최소 한도 영역으로 서로 접착된다.
상기 다공도는 표면(1A)(도 4), 표면(2A)(도 5)에서 또는 표면(1A) 및 표면(1B)에서 변경될 수 있다.
일반적으로, 상기 약한 본드영역(5)은 강한 본드영역(6)보다 다공영역(7)(도 4 및 도 5)에서 보다 높은 다공도를 갖는다.
또 다른 처리기술은 에칭된 영역에 포토레지스트 또는 다른 카본 함유물질의 증착(분해성 재료를 기반으로 하는 중합체 포함)에 의하여 형성되는 약한 본드영역(5)(표면 1A(도 4), 2A(도 5), 또는 1A 및 2A)에 대한 선택적 에칭에 의존한다.
참고로, 선정된 영역은 도 4 및 도 5에 동일 도면부호로 지시된다.
캐리어 물질 충분히 분해할 수 있는 온도에서 층(1)과 층(2)간의 본딩이 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 약한 본드영역(5)은 다공성의 카본재료를 포함하며, 따라서 상기 약한 본드영역(5)에서의 층(1)과 층(2)의 본딩력은 상기 강한 본드영역(6)에서의 층(1)과 층(2)의 본딩력에 비하여 약하다.
당분야의 숙련된 자는 전체 부대상황, 가스제거되지 않은 그리고 오염되지 않게 선택된 분해 가능한 재료, 다른 오염된 기판층(1 또는 2), 또는 영역(3)에 형성되는 어떤 유용한 구조에 좌우됨을 인지할 수 있다.
또 다른 처리 기술로서, 상기 강한 본드영역(6) 및/또는 약한 본드영역(5)을 얻기 위하여 조사(irradiation)을 채택한다. 이 기술에 있어서, 층(1) 및/또는 층(2)이 중성자, 이온, 입자빔, 또는 이들의 조합으로 조사됨으로써, 필요로 하는 강한 및/또는 약한 본딩력을 얻을 수 있다.
예를들어, He+, H+와 같은 입자 또는 기타 적절한 이온 또는 입자, 전자기 에너지, 또는 레이져 빔이 강한 본드영역(6)(표면 1A, 2A, 또는 1A 및 2A)에 조사된다.
이러한 조사 방법은 조사 또는 주입 에너지가 휠씬 낮은(예를들어, 박리에 사용되는 조사량은 1/100th 에서 1/1000th의 범위를 갖음) 층의 박리 목적을 위한 이온 주입과 다른 것으로 이해해야 할 것이다.
추가적인 처리 기술로서, 표면(1A,2A 또는 1A 및 2A)에 분해 가능한 구성요소 및 고형의 구성요소를 함유하는 슬러리의 사용을 포함한다.
상기 고형의 구성요소는 예를들어, 알루미나, 실리콘 옥사이드(SiO(X)), 기타 고체 금속 또는 금속 옥사이드, 또는 층(1)과 층(2)의 본딩을 최소화하는 재료이다.
상기 분해 가능한 구성요소는 예를들어, 폴리비닐 알코올(PVA), 또는 기타 다른 적절한 분해성 중합체이다.
일반적으로, 슬러리(8)가 표면(1A)(도 2), 표면(2A)(도 3), 또는 표면(1A 및2A)에서 약한 본드영역에 적용된다.
결과적으로, 중합체를 분해시킬 수 있도록 상기 층(1) 및/또는 층(2)이 가열되어 비활성(inert)환경이 되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 다공성 구조(슬러리의 고형 구성요소로 구성됨)가 약한 본드영역(5)에 남게 되고, 이에 층(1)과 층(2)의 본딩이 상기 약한 본드영역(5)에서 이루어지지 않게 된다.
또 다른 처리 기술로서, 약한 본드영역(5)의 표면에 대한 에칭 기술을 포함한다. 이 에칭 단계를 진행하는 동안, 필러(9)가 약한 본드영역(5)에서 표면(1A)(도 8), 표면(2A)(도 9), 또는 표면(1A) 및 표면(2A)상에 형성된다.
상기 필러는 선택적인 에칭에 의하여 형성되며, 이 필러는 이면에 남게 된다. 상기 필러의 형상은 삼각형, 피라미드, 사각형, 반구형, 기타 적절한 형상을 갖는다. 선택적으로, 상기 필러는 에칭 처리된 영역에서 증착 또는 성장되어진다.
이에, 재료의 본딩을 위한 본딩력이 떨어지므로, 상기 약한 본드영역(5)에서의 전체 본딩 강도는 강한 본딩영역(6)에서의 본딩력보다 휠씬 약하게 된다.
또 다른 처리 기술로서, 층(1)(도 12), 층(2)(도 13)의 약한 본드영역(5) 위치에서 에칭, 머시닝, 또는 에칭 및 머시닝(사용재료에 따라 결정)에 의하여 형성된 보이드 영역(10)(도 12 및 도 13)의 포함한다.
따라서, 상기 제1층(1)이 제2층(2)과 결합되면, 최종적으로 본딩이 이루어지지 않게 되는 강한 본드영역(6)과 비교하여 상기 보이드 영역(10)이 본딩력을 최소화시키게 된다.
또 다른 처리 기술로서, 표면(1A)(도 2), 표면 2A(도 3), 또는 표면(1A) 및 표면(2A)의 약한 본드영역(5) 위치에서 하나 이상의 금속 영역(8)의 사용을 포함한다. 예를들어, Cu, Au, Pt 또는 이들의 조합 또는 이들의 합금을 포함하는 금속이 상기 약한 본드영역(5)에 증착되어진다.
상기 층(1) 및 층(2)간의 본딩에 의거, 상기 약한 본드영역(5)은 그 본딩력이 약하게 된다.
상기 강한 본드영역은 처리되지 않은채로 남게 되거나(약한 본드영역(5) 및 강한 본드영역(6)에 관하여 필요로 하는 강한 본드 및 약한 본드간의 비율로 제공되는 결합강도 차이), 전술 또는 후술하는 바와 같이 증진된 강한 접착력으로 처리되어진다.
또 다른 처리 기술로서, 표면(1A)(도 10), 표면(2A)(도 11), 또는 표면(1A) 및 표면(1B)의 약한 본드영역(5) 위치에서 하나 이상의 접착 프로모터(promoter)의 사용을 포함한다. 적절한 접착 프로모터로는 제한되지 않지만, TiO(x), 탄탈럼 옥사이드(tantalum oxide), 또는 기타 접착 프로모터를 포함한다.
선택적으로, 접착 프로모터는 표면(1A)및/또는 표면(2A) 전체에 사용되는 바, 여기서 상기 약한 본드영역(5) 위치에서 금속재가 접착 프로모터와 표면(1A) 또는 표면(2A)(접착 프로모터의 위치를 근거로 함) 사이에 위치된다.
이러한 본딩을 근거로 하여, 금속재는 약한 본드영역(5)에서 강한 본딩력을 방지하는 반면에 상기 강한 본드영역(6)에 남아 있는 접착 프로모터는 강한 본딩력을 증대시키게 된다.
또 다른 처리 기술로서, 소수성 및 친수성의 변화 영역을 제공하는 점을 포함한다. 예를들어, 친수성 영역은 강한 본드영역(6)에 유용하고, 그에따라 실리콘과 같은 재료는 상온에서 자발적으로 본드된다. 소수 및 친수성의 본딩 기술은 상온 및 실온에서 잘 알려진 바와 같고, 참고자료로서 Q.Y. Tong, U. Goesle, semiconductor Wafer Bonding, science and technology, pp. 49-135, Jhon Wiley and Sons, New York, NY 1999 에 기술된 바와 같다.
또 다른 처리 기술로서, 선택적인 조사에 의하여 형성되는 하나 이상의 박리층이 포함된다. 예를들어, 하나 이상의 박리층이 표면(1A) 및/또는 표면(2A)에 배치된다. 조사(助射)없이, 박리층이 접착제 역할을 하게 된다.
자외선과 같은 조사에 대한 노출을 기반으로, 상기 약한 본드영역(5)에서 접착특성이 최소화된다. 유용한 구조가 약한 본드영역(5)에 형성되고, 최종적인 자외선 조사 단계 또는 디본딩(debonding) 기술이 강한 본드영역(6)에서 층(1) 및 층(2)간의 분리에 사용되어진다.
부가의 처리 기술로서, 층(1)(도 6), 층(2)(도 7), 또는 층(1) 및 층(2)의 다수의 마이크로버블(13)이 열처리에 의거 약한 영역(3)에 형성되게 하는 주입 이온(12)(도 6 및 도 7)을 포함한다.
따라서, 상기 층(1) 및 층(2)이 서로 접착되면, 약한 본드영역(5)은 강한 본드영역(6)보다 접착력이 덜하게 되고, 결국 최종적인 층(1)과 층(2)간의 디본딩이 상기 약한 본드영역(5)에서 촉진되어진다.
또 다른 처리 기술로서, 에칭단계에 의하여 발생되는 이온 주입 단계를 포함한다. 일구현예로서, 이 기술은 표면(1B) 전체를 통하여 이온주입이 실행된다. 결과적으로, 상기 약한 본드영역(5)은 선택적으로 에칭 처리된다.
이러한 방법은 흡집을 제거하기 위한 선택적 에칭을 손상시키는 것에 관한 내용으로서, Simson 의 "Implantation Induced Selective Chemical Etching of Indium Phosphide", Electrochemical and Solid-State Letters, 4(3) G26-G27에 기술되어 있다.
또 다른 처리 기술로서, 하나 이상의 층이 협대역 또는 광대역 파장 범위를 기반으로 하여, 조사 흡수 및/또는 반사 특성을 갖는 약한 본드영역(5) 및/또는 강한 본드영역(6)에서 선택적으로 위치 선정되는 것으로 실현된다.
예를들어, 강한 본드영역(6)에 선택적으로 위치 선정된 하나 이상의 층이 소정의 조사파장에 노출됨을 근거로 하는 접착특성을 가지고, 그 결과 상기 층은 조사를 흡수하는 동시에 강한 본드영역(6)에서 층(1)과 층(2)간의 결합을 유도한다.
당업자는 전술한 처리 기술중 적어도 하나를 포함하여 조합시킴으로써, 별도의 추가 처리 기술을 채택하는 것을 쉽게 인식할 수 있다. 그러나, 이러한 처리기술을 채택하는 주된 특징은 1 보다 큰 SB/WB 본드 강도비를 제공하고자 하나 이상의 약한 본딩영역 및 하나 이상의 강한 본딩영역을 형성하는 점에 있다.
본딩영역의 배열구조
상기 층(1)과 층(2)간의 인터페이스 구간에서 약한 본드영역 및 강한 본드영역간의 배열 구조는 제한되지 않지만, 광전지 종류 또는 영역(3)에 형성되는 유용한 구조, 디본딩/본딩의 종류 선택, 처리기술 선택, 그 밖의 다른 인자를 포함하는 인자에 따라 가변될 수 있다.
상기 영역(5,6)은 동심 구조이고(도 14,16 및 도 18), 매질되어 있으며(도 15), 조사상태이며(도 17), 격자무늬이며(도 20), 격자와 고리모양의 조합(도 19) 또는 이들의 조합으로 이루어진다. 물론, 당업자는 상기 배열구조를 선택적으로 가변시킬 수 있다. 상기 강한 본딩영역에 비교하여 약한 본딩영역의 비율은 가변될 수 있다. 일반적으로, 구조 공정이 진행되는 동안 다층 구조(100)가 이루어지지 않도록 상기 비율은 충분한 본딩력(예들들어, 강한 본드영역(6))을 제공하게 된다. 바람직하게는, 상기 비율은 구조를 이루는 공정중에 유용한 영역(예를들어, 약한 본드영역(5))을 최소화시킨다.
선택적인 본딩
상술한 바와 같이, 약한 본드영역(5) 및/또는 강한 본드영역(6)의 실질적인 위치에서 상기 표면(1A) 및 표면(2A)에 대한 하나 이상의 처리가 이루어진 후, 층(1)과 층(2)은 일체로 된 다단의 층 기판이 형성되도록 서로 접착된다.
상기 층(1) 및 층(2)는 제한되지 않지만, 공정(eutectic), 융해(fusion), 아노딕(anodic), 진공(vacuum), 반 데르 바스(Van der Waals), 화학적 접착, 정전기적 인력(coulombic force), 캐필러리의 가압력(capillary force), 매주 짧은-범위의 힘, 또는 위의 나열한 본딩 기술 또는/및 물리적 현상중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함하는 물리적 현상 및 여러가지 기술중 하나에 의하여 서로 접착된다.
물론, 당업자는 상술한 본딩기술 및 물리적 현상이 하나 이상의 처리기술에 일부가 채택되는 것을 쉽게 이해할 수 있고, 광전지장치 및 기타 다른 구조가 종래의 디본딩 공정 또는 다른 인자에 형성됨을 이해할 수 있을 것이다.
이에, 다단 층으로 구성된 기판(100)은 표면(1A) 및 표면(2A)의 인터페이스에서 역한 본드영역(5)을 오버랩시키는 상부영역(3)에 의거 광전지를 형성하기 위한 시작기판으로 사용된다.
또한, 상기 광전지이외에, 조합으로 형성되는 다른 유용한 구조들이 하나 이상의 능동 또는 수동인자, 장치, 도구, 채널, 기타 구조, 또는 이들 구조중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함한다.
디본딩(Debonding)
하나 이상의 광전지 또는 이들의 조합이 다른 유용한 구조를 포함하며 층(1)의 여러 선택영역(3)에 형성되는 바, 이 층(1)은 다양한 방법으로 디본딩(debond)된다.
상기 구조는 약한 본드영역(5)과 부분적으로 겹쳐지는 영역(4)에 형성됨에 따라, 상기 층(1)의 디본딩이 구조적인 결함 또는 변형과 같이 디본딩과 관련된 구조에 대한 손상을 최소화시키며 발생된다.
상기 디본딩은 다양한 공지 기술에 의하여 수행된다.
일반적으로 디본딩은 처리 기술, 본딩 기술, 재료, 유용한 구조의 존재, 기타 인자 등에 의존된다.
도 21-32를 참조로 하면, 디본딩 기술은 층(1)의 두께와 동일한 기준깊이로 마이크로버블을 형성하도록 입자 또는 이온의 주입을 기반으로 한다.
상기 이온 또는 입자는 산소, 수소, 헬륨, 기타 입자(14)로 유도된 것이다.
상기 주입은 강한 전자기 방사, 열, 빛(예를들어, 적외선 또는 자외선), 압력, 또는 이들의 조합에 노출되어 이루어지고, 이에 마이크로버블(15)을 형성하는 입자 또는 이온이 발생되며, 이로 인하여 층(1) 및 층(2)의 박리 또는 팽창이 발생된다.
상기 주입 및 선택적인 열, 빛, 및/또는 압력은 기계적인 분리 단계(도 23,26,29)에 의하여 이루어질 수 있는 바, 예를들어 상기 층(1) 및 층(2)의 수평면방향으로, 즉 층(1)과 층(2)이 평행한 상태에서, 박리방향(도 23,26,29,32에서 은선으로 표시)으로 층(1)을 층(2)으로부터 소정 각도를 주며 분리시키게 된다.
상기 얇은 층을 분리시키기 위한 이온 주입은 참고로 Cheung,et al에 의한 미국특허출원번호 6,027,988 "Method Of Separating Films From Bulk Substrates By Plasma Immersion Ion Implantation"에 상세히 기재되어 있다.
도 21-23 및 24-26을 참조로 하면, 상기 강한 본드영역(6) 위치에 마이크로버블(17)이 형성되도록 상기 층(1) 및 층(2)간의 계면(인터페이스)에는 선택적인 주입이 이루어진다.
이러한 방법에 있어서, 영역(3)(하나 이상의 유용한 구조를 갖음)에 입자(16)가 주입됨이 최소화되고, 따라서 영역(3)내의 하나 이상의 유용한 구조에서 발생될 수 있는 수리 가능성 또는 치유불가능의 손실을 감소시킬 수 있다.
선택적인 주입이 강한 본드영역(4)(도 24-26)에 대한 선택적인 이온 빔 스캐닝 또는 상기 영역(3)에 대한 마스킹(도 21-도23)에 의하여 수행된다.
선택적인 이온 빔 스캐닝은 구조(100)에 대한 기계적 조작 및/또는 이온 또는 입자를 주입하는데 사용되는 장치로 언급될 수 있다.
당분야에 알려진 바와 같이, 여러 장치 및 기술들이 제한되지 않지만 이온 빔 및 전자기 빔을 포함하는 선택적인 스캐닝을 수행하는데 채택되고 있다. 또한 마스킹 재료 및 기술은 당분야에서 잘 알려진 바와 같다.
도 27-29를 참조로 하면, 상기 주입은 전체 표면(1B) 또는 (2B)를 가로지르며 수행된다. 상기 주입은 목표치 및 주입재료 그리고 원하는 주입깊이를 근거로 적정 수준으로 이루어진다.
따라서 상기 층(2)이 층(1)보다 더 두껍게 되고, 이로 인하여 주입이 표면(2B)을 관통하여 이루어지지 않게 되며; 그러나 상기 층(2)이 적절한 주입 두께(예를들어, 가능한 주입 에너지내에서)라면, 상기 표면(2b)를 관통하는 주입이 바람직하다.
이에, 상기 영역(3)내의 하나 이상의 유용한 구조에서 발생될 수 있는 수리 가능성 또는 치유불가능의 손실 가능성을 감소 또는 제거시킬 수 있다.
일실시예로서, 도 18 및 도 30-32를 참조로 하면, 강한 본드영역(6)이 층(1)과 층(2)의 계면의 외주면에 형성된다.
따라서, 상기 층(1)을 층(2)으로부터 분리하기 위하여, 일례로서 상기 층(1)및 층(2)간의 계면에 마이크로버블이 형성되도록 상기 영역(4)을 통하여 이온(18)이 주입되어진다.
바람직하게는, 선택적인 스캐닝이 사용됨에 있어서, 구조(100)가 회전(도면에서 화살표(20)로 지시됨)되거나, 또는 스캐닝 장치(21)가 회전(화살표 22로 지시됨)되거나 또는 모두 회전을 하게 된다.
이러한 구현예의 장점은 사용자가 유용한 구조를 선택하는데 유연성을 제공하는 점에 있다. 이때 상기 강한 본드영역(6)(예를들어, 폭)의 크기는 다단 층의 기판을 기계적 및 열적으로 유지시키는데 적절하다.
바람직하게는, 상기 강한 본드영역(6)의 크기가 최소화되는 것이 좋고, 따라서 구조 형성 공정 동안 상기 약한 본드영역의 면적을 최대화시킬 수 있다. 예를들어, 강한 본드영역(6)은 8인치 웨이퍼중 약 1마이크론을 차지하게 된다/
또한, 상기 층(2)으로부터 층(1)을 분리시키는 것은 강한 본드영역(6)을 관통하는 에칭작용이 이루어지도록 한 에칭(표면과 평행하게) 방법과 같이 다른 종래의 방법에 의하여 개시될 수 있다.
이러한 구현예에서, 처리 기술은 치환 가능하며, 예를들어, 상기 강한 본드영역(6)이 두께를 갖는 재료(즉, 층(1) 및 층(2))보다 에칭 선택성이 휠씬 높은 옥사이드층으로 처리될 수 있다.
바람직하게는, 상기 약한 본드영역(5)은 약한 본드영역(5)의 위치에서 층(2)으로부터 층(1)이 분리되게 하는 에칭을 요하지 않으며, 이에 선택된 처리 또는 이 처리의 결핍으로도 층(2)에 층(1)을 본딩시키는 단계에서 본딩되는 것이 방지된다.
선택적으로 틈새의 증가 방법이 층(2)으로부터 층(1)을 분리하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리는 단지 강한 본드영역(6)의 위치에서 요구되는 것이고, 이에 상기 약한 본드영역(5)에서의 본딩은 제한된다.
또한 상기 분리는 영역(4)(즉, 상기 강한 본드영역(6)과 오버랩된 부분)의 위치로 제한시키면서 종래에 잘 알려진 에칭 방법에 의하여 개시될 수 있다.
다른 실시예로서, 디본딩 방법은 다단층의 기판을 제공하는 단계; 상기 WB 영역에 하나 이상의 구조(미도시됨)을 형성하는 단계; 상기 SB 영역에서 바람직하게는 테이퍼진 각도(45도)로 에칭이 이루어지는 단계; 상기 장치층에서 에칭된 SB 영역에만 낮은 에너지의 이온주입이 이루어지는 단계; 상기 WB 영역에서 장치층 부위를 제거하기 위한 박리 단계를 포함한다.
여기서 상기 두 개의 장치층 부분은 WB 영역에서 제거되며, 하나의 장치층 부분에 풀림이 촉진되게 하는데 사용되는 것으로 이해된다.
테이퍼진 상기 WB영역의 끝단은 기계적으로 제거된다. 이에, 본래의 장치층 두께를 관통하는 주입 에너지에 비하여 보다 낮은 이온 주입 에너지가 사용될 수 있다.
재료
층(1)과 층(2)이 동일 또는 서로 다른 재질일 수 있고, 제한되지 않지만 플라스틱(즉, 폴리카보네이트), 금속, 반도체, 절연재, 단결정체, 무정형체, 비결정체, 유기재료, 또는 이들중 적어도 하나가 포함된 조합을 포함하는 재료일 수 있다.
예를들어, 특정 타입의 재료로서, 실리콘(즉, 단결정, 다결정, 비결정, 폴리실리콘, 및 Si3N4, SiC, SiO2와 같은 유도체), GaAs, InP, CdSe, CdTe, SiGe, GaAsP, GaN, SiC, GaAlAs, InAs, AlGaSb, InGaAs, ZnS, AlN, TiN, 기타 그룹 ⅢA-VA 재료, 그룹ⅡB 재료, 그룹 Ⅵ재료, 사파이어, 수정(그리스탈 또는 유리), 다이아몬드, 실리카 및/또는 실리케이트 기반의 재료, 액정 크리스탈 재료, 중합체(절연, 전도성 또는 반도체 성질) 또는 이들 재료중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함한다.
물론, 다른 재료의 공정 처리가 원하는 조성을 갖는 다단층 기판(100)을 제공하며 이루어지는 공정에 이득일 수 있다.
다단층 기판의 잇점
최종적인 다단층 기판 또는 다단층으로부터 유도되는 얇은 필름 그리고 신속한 제조 방법의 잇점은 그 구조가 약한 본드영역(5)에 일부가 오버랩되는 영역(3)에 형성되는 점에 있다.
이는, 층(1)이 층(2)으로부터 제거될 때, 광전지 또는 다른 구조에 손상을 최소화시키거나 배제시킬 수 있게 한다.
상기 분리(debonding) 단계는 침입(즉, 이온주입), 가압 적용, 또는 층(1)과 층(2)을 분리시키는데 필요한 기술을 필요로 한다.
일구현예로서, 상기 구조는 영역(2)에 침투, 가압 적용, 수리 가능성 또는 치유불가능의 손실을 입을 수 있는 공정 단계를 필요로 하지 않고, 상기 구조에 대한 최종적인 교정 처리 공정없이, 상기 층(1)이 제거된 구조로 유도될 수 있다.
상기 강한 본드영역(6)과 일부가 오버랩된 상기 영역(4)은 위의 구조를 가지지 않고, 따라서, 상기 영역(4)은 상기 구조의 손상없이 침투가 이루어진다.
상기 층(1)은 지지필름 또는 자자-지지필름으로 제거된다.
예를들어, 핸들이 층(1)에 부착을 위하여 채택되어, 층(1)이 층(2)으로부터 제거될 수 있고, 핸들에 의하여 지지된 채로 남을 수 있다.
일반적으로 상기 핸들은 필름 또는 이것(하나 이상의 유용한 구조를 갖음)의 일부를 소정의 기판, 또 다른 필름에 최종적으로 배치하는데 사용되고, 또는 선택적으로 핸들에 필림이 남게 된다.
상기 핸들러는 당분야에 잘 알려져 있다. 상기 핸들러는 PCT출원번호 PCT/US02/31348(2002.10.2) "Device And Method For Handling Fragile Object, And Manufacturing Method Thereof"에 기재된 바와 같다.
상기한 방법의 잇점으로 상기 층(2)을 구성하는 재료는 재사용 가능한 잇점이 있다.
예를들어, 알려진 방법에 의하여 층(1)이 형성된 싱글 웨이퍼가 사용될 수 있다. 상기 층(1)은 전술한 바와 같이 선택적으로 잔여부분(층(2))과 본딩될 수 있다.
얇은 필름이 분리되면, 다음층(1)에 사용되어질 얇은 층을 얻을 수 있도록층(2)의 잔여부분을 이용하여, 상기 공정이 반복된다.
이 공정은 얇은층(1)을 유도하기 위하여 층(2)의 잔여부분을 이용하되, 더 이상 실현되지 않게 될 때까지 반복된다.
다단층 기판에 광전지를 형성하는 방법
태양전지는 상기 약한 본드영역(5)과 일부가 겹쳐진 상기 영역(3)에 형성된다. 이에, 강한 본드영역(6)과 일부가 겹쳐진 영역(4)은 전지를 가지지 않게 된다. 따라서, 상기 다단층 기판(100)이 구비됨에 따라 어떤 종류의 광전지도 종래의 제조 방법, 또는 여러 관련된 기술로 잘 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다.
어떤 제조기술은 기판에 고온, 고압, 거친 화학적 조건, 또는 이들의 조합으로 이루어진 극한 조건을 가하게 된다. 따라서, 다단층의 기판(100)이 위의 조건들에 견딜 수 있도록 형성된다.
다단층의 기판(100)의 층(1)에 광전지를 제조하는 공정 후, 층(1)이 분리되어진다.
이러한 분리 공정은 유해한 박리 기술에 태양전지를 직접적으로 접촉되지 않게 하면서 잘알려진 기술 즉, 박리(peeling)과 같은 기술로 이루어진다.
태양전지가 상기 영역(4)에 형성되지 않게 되므로, 영역(3)에 형성된 전지에 유해한 접촉없이 상기 영역(4)은 이온 주입과 같은 분리 공정을 거치게 된다.
전술한 다단층 기판을 이용하여, 태양전지 또는 광전지를 갖는 분리층은 매우 얇은 층으로 구성된다.
전지를 갖는 층이 쉽게 분리되도록 기판에 지지되는 바, 500마이크로미터의 두께를 갖는 종래의 전지에 비하여, 5마이크로미터 또는 2마이크로미터의 얇은 두께를 갖게 된다.
광전지는 태양-전기 변환에 사용되는 장치를 포함한다.
지금까지, 세계적으로 대규모의 전기 수요로 인하여 고가의 제조비용과 관련된 광전지 사용에 한계가 있다.
공지된 광전지의 어떠한 종류 또는 광전지의 분야에서 개발된 것은 본 발명에 따라 제조될 수 있다.
광전지의 종류는 제한되지 않지만 pn접합; 백면 필드(back surface field);바이올렛(violet); 텍스튜어드(textured); V-그루브 멀티정션; 유기체(organic), 광합성 기반의 에너지 변환을 포함한다.
전형적인 pn접합 광전지는 표면에 형성되는 좁은 pn접합을 포함하는 바, 이 표면은 기판에 발생되는 것보다 많거나 적은 전자를 갖는 인자로부터 원자를 갖는 기판의 도핑에 의하여 형성된 표면이다.
금속 또는 다른 전도성 재료가 프론트 옴 접촉 스트라이프(front ohmic contact stripe) 및 핑거, 그리고 전체 백면을 커버하는 백 옴 접촉을 형성하는데 사용된다.
따라서, 약한 본드영역에서, pn접합이 형성되는 동시에 금속화된다.
상기 약한 본드영역(층(1), 층(2) 또는 모두)는 도핑(doping)이전에 금속화된다.
이러한 공정후, 상기 층은 전술한 바와 같이 분리되고, 그로부터 손상없이 태양광전지 또는 광전지가 제거된다.
금속 또는 기타 다른 전도성 재료가 정면의 옴믹 접촉 스트립(ohmic contact stripe) 및 핑거(finger), 전체 후면을을 커버하는 백면 오믹 접촉을 형성하는데 사용된다. 따라서, 약한 본드영역에서 pn접합이 금속화되어 형성된다.
상기 약한 본드영역(층(1), 층(2), 모두)는 도핑 전에 금속화된다.
이러한 공정후, 상기 층이 전술한 바와 같이 비접착되고, 태양 또는 광전지가 손상없이 분리된다.
다른 구현예로서, UV 파장을 반사시키거나 흡수하도록 선택 가능한 층이 전지에 채용될 수 있다. 또한, 콜레스테릭 액정층이 IR 파장을 반사 또는 흡수하는데 포함될 수 있다.
pn접합 전지 이외에, 다른 형태의 태양전지가 다단층의 기판(100)상에 제조된다.
약한 본드영역에 형성될 수 있는 태양전지의 다른 종류로는 "back surface field"(BSF) 전지가 있다. 이 전지의 정면은 전술한 바와 같이 형성된다. 이 전지의 백면은 금속 옴 접촉 대신에 매우 강한 도핑 영역을 포함한다.
상기 도핑 영역은 상기 약한 본드영역에서 층(1) 및 층(2)의 본딩 이전에 형성될 수 있다.
상기 약한 본딩 영역에 형성될 수 있는 전지의 다른 종류로는 "바이올렛(violet)" 전지가 알려져 있으며, 이 바이올렛 전지는 보다 작은 접합 깊이 및 감소된 도핑 농도로 제조된다. 이 전지는 높은 광자에너지에서 증대된 반응을 제공한다.
상기 약한 본딩 영역에 형성되는 또 다른 종류의 전지로는 "텍스튜어드"(textured) 전지가 알려져 있으며, 피라미드 표면을 갖는다. 이 피라미드 표면은 본래의 Si표면에 이방성 에칭이 행해져 형성된다.
상기 피라미드의 측면에 입사된 빛이 다른 피라미드상에 반사되어, 점차 작동 효율이 증대된다.
상기 약한 본딩 영역에 형성되는 또 다른 종류의 전지로 V-그루브 다접합 태양전지가 알려져 있으며, 여기에는 개개의 pnn(또는 ppn) 사다리꼴 형태의 다이오드 구성들이 직렬로 연결된다. 이러한 다이오드의 형상은 실리콘 다이옥사이드층이 열적으로 성장함에 의거 Si 의 이방성 에칭으로 형성된다.
물론, 당업자는 다른 알려진 태양전지가 다단층의 기판(100)의 약한 본딩영역에 제조됨을 쉽게 이해할 수 있다.
도 33을 참조하면, 태양전지 세트(100)가 전지(110A)(110B)(110C)를 포함한다. 각 전지는 금속층 및 pn접합을 포함한다.
상기 전지(110A)(110B)(110C)는 전지의 일끝단(즉, 각각의 동일한 면)에서 그 상면(112A)(112B)(112C)(즉, 태양 포획면) 위치에서 층에 적층 부착된다.
이러한 배열은 태양전지 세트(100)의 두께에 비교하여, 대용량의 태양포획면적을 갖게 한다. 상기 전지는 예를들어, 글래스, 폴리카보네이트, 글래스, 플라스틱, 폴리우레탄, 우드, 페이퍼, 금속(절연재를 갖는)과 같은 저렴하면서 유연한 기판에 지지될 수 있다.
도 34A를 참조하면, 다수의 태양전지 세트(340,350,360)를 이용하는 텐덤 태양전지(300)가 스펙트랄 변환의 범위로 적절하게 형성된다.
상부전지 세트9340)는 UV 조사 및 상기 전지의 Eg와 일치하는 광자를 흡수한다. 중간 전지 세트(350)는 세트(340)의 대역갭보다 낮은 대역갭 Eg를 흡수한다. 가장 낮은 전지 세트(360)는 세트(350)의 대역갭보다 낮은 대역갭 Eg를 흡수한다.
이러한 방법에서, 밴드갭의 큰부분은 에너지로 변화될 수 있다. 여러 전지(즉, 서로 다른 Eg값)가 30% 이상의 최대화 효율로 적층될 수 있다.
각 전지 세트는 출력단자의 세트에 전기에너지를 전송할 수 있게 서로 연결된다.
층간의 상호연결은 층의 사이면, 또는 층의 측면, 또는 사이면과 측면 모두 가능하다.
'909 출원에서 설명된 기술 뿐만아니라 PCT출원번호 PCT/US02/31348(2002.1002) "Device And Method For Handling Fragile Objects, And Manufacturing Method Thereof" 에 기재된 핸들을 이용하여, 층간의 상호연결이 비용효율성을 가지면서 신뢰성이 있는 종래의 시스템을 기반으로 형성될 수 있다.
예를들어, 기계적으로 적층된 텐덤 태양전지에서 여러 태양전지들이 분광 폭이 넓은 광전지를 형성하도록 층구성된다.
도 34B를 참조하면, 텐덤 태양전지가 적층된 Si/InGap 얇은 필름의 기본적인개요가 도시되어 있다. 얇은 필름 InGaP 태양전지가 실리콘 저면 전지에 부착될 것이다.
선택적으로, 상부전지에 의하여 태양 스펙트럼의 파란부분의 흡수가 최대화된다. 또한, 접촉패턴 및 비-반사 코팅의 디자인은 전지 표면에서 빛의 차단을 최소화시켜 최적화되게 하는 것이 바람직하다.
추가적으로, 기계적으로 적층된 템덤 태양전지는 얇은 필름의 손상 또는 불량 광학 커플링으로 인하여 최소의 효율로 구축될 수 있다.
전술한 바와 같이, 다단층 기판의 약한 본드영역에 광전지를 제조하는 기술을 이용하여, 그리고 적절한 핸들러 장치를 이용하여, 상기 필름 손상 및 불량 광학 커플림의 문제를 최소화 또는 배제시킬 수 있다.
도 34C를 참조로 하면, 모노리식 집적회로 형태의 텐덤 태양전지가 도시되어 있다. 모노리식 InXGa1-XAs/InXGa1-XP-on-Ge 텐덤 전지 구조가 하나의 모범예로 도시되어 있다.
모노리식 템덤 태양 전지의 경우, 개개의 캐스캐이드 인자간의 상호 연결이작동상 높은 도핑 수준을 요하는 터널 접합(tunnel junction)(도 34C에 도시됨)의 사용에 의하여 이루어지게 된다.
이 터널 접합은 전지간의 전자 흐름을 보조하게 되고, 정면 및 후면 접촉이 전류의 수집을 제공한다.
도 35를 참조하면, 텐덤 태양 전지 세트가 여러개의 텐덤 태양전지(300)를이용하여 형성될 수 있다. 상기 텐덤 태양 전지(300)들이 예를들어, 도 33(단독 스펙트럼 변환 전지에 관련된)에 도시된 바와 같이 상부면의 끝단에 배열 및 접착된다.
따라서, 이러한 배열을 이용한 전체적인 구조가 매우 얇게 되는 바, 예를들어 15um 이하로 얇게 된다.
또한, 전지간의 직접적인 상호 결합으로 인하여, 상기 배열은 와이어링의 상호연결에 의하여 차단되는 영역을 감소시키게 되고, 그에따라 태양빛 흡수동안 활성 영역이 증대된다.
전체 텐덤 태양 전지 세트(400)는 필요한 경우 고가의 기판에 지지된다. 예를들어, 태양전지층이 매유 얇고 유연하기 때문에 유연한 기판이 사용될 수 있다.
다른 구현예로서, 도 36을 참조하면, 서로 다른 대역폭 갭을 가지려 하는 서로 다른 태양전지(540),(550),(560)가 형성된다(도 33에 관한 기재임). 이러한 층들은 이후 적층되어 상호 연결된 후, 텐덤 태양전지 세트(500)를 형성하게 된다.
태양전지를 형성하는데 사용되는 재료는 다단층 기판의 각층에 관하여 상기에서 기술된 바와 같이, 그리고 당분야에 잘 알려진 사실을 근거로 한다.
일반적으로, 1과 2eV 사이의 밴드갭을 갖는 반도체는 태양전지 재료로 사용될 수 있다. 이러한 재료는 제한되지 않지만 실리콘(단-결정, 다결정, 무정형의 얇은 필름), Ⅲ-Ⅴ반도체, CdS, GaAs, InP, CdTe, CuInSe2, 이들중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함한다.
또한, 풀러린(fullerene), 전도성 폴리머, 펜탁신(pentacene), 액정 헥사페리헥사벤조코로닌(HPBC), 페릴렌 다이(perylene dye)와 같은 유기재료가 광자에너지를 전기적 전하로 변환시키는데 필요한 여기구조를 만들고자 유기 광전지에 사용될 수 있으며, 이들 유기재료는 단독으로 또는 서로의 조합으로 또는 다른 재료로 사용될 수 있다.
얇은 필름 태양전지에 있어서, 지지층이 글래스, 플라스틱, 세라믹, 금속, 흑연, 또는 야금 실리콘과 같은 전기적으로 능동 또는 수동적인 기판을 포함한다.
따라서, 태양전지 또는 태양전지 세트가 지지기판의 약한 본드영역에 형성될 수 있고, 결과적으로 지지층의 끝단에 배치되거나 부착 및 분리될 수 있다.
재료비와 원하는 효율간의 균형이 맞아야 함은 당업자에게 자명한 사실일 것이다. 그러나, 상술한 기술에 의거, 태양전지의 매우 얇은 층이 사용될 수 있게 되므로, 재료비가 감소될 수 있고, 큰 분광 변환 효율을 갖는 보다 높은 가격의 태양전지 재료만큼의 잇점을 제공하게 된다.
이러한 실질적인 잇점들은 본 발명으로부터 유도되어진다.
40%이상의 효율이 저비용에서도 가능하게 이루어지게 되는 바, 이는 그 제조 방법에 매우 얇은 층의 재료 사용이 가능하기 때문이며, 기판의 재활용이 분리(deboding)공정후 가능한 잇점 또한 있다.
전술한 바람직한 실시예는 본 발명의 정신 및 범주내에서 벗어남없이 수정및 변경이 가능하다. 이에, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (14)

  1. 광전지 구조에 있어서,
    하나 이상의 태양전지용 재료층에 p-n 접합이 형성되고, 상기 태양전지용 재료층은 지지층으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 광전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 태양전지용 재료층 및 지지층은 실질적으로 동일한 재료인 것을 특징으로 하는 광전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 태양전지용 재료층은 p-n접합의 형성 이전에 지지층과 접착되는 것을 특징으로 하는 광전지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 태양전지용 재료층은 p-n접합의 형성 이전에 지지층과 선택적으로 접착되는 것을 특징으로 하는 광전지.
  5. 청구항 1의 제1광전지 및 청구항 1의 제2광전지로 구성되고, 각 광전지는 태양포획면, 백면, 제1 및 제2말단면을 포함하며, 상기 제1광전지의 태양포획면의 제1말단면이 상기 제2광전지의 백(back)면의 말단면과 접착되는 것을 특징으로 하는 광전지 세트.
  6. 청구항 5에 있어서, 제3광전지를 더 포함하되, 상기 제2광전지의 태양포획면의 제1말단면이 상기 제3광전지의 백면의 제2말단부와 접착되는 것을 특징으로 하는 광전지 세트.
  7. 광전지의 제조 방법에 있어서,
    하나 이상의 약한 본딩영역과 하나 이상의 강한 본딩영역을 규정하는 선택 위치에서 기판층에 광전지 층이 본딩되는 단계;
    하나 이상의 약한 본딩영역에 하나 이상의 광전지를 입히는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 광전지의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 하나 이상의 강한 본딩영역을 디본딩(debonding)함으로써, 하나 이상의 광전지가 제거되는 단계가 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    기판층의 일부층이 제거되는 단계와,
    하나 이상의 약한 본딩영역과 하나 이상의 강한 본딩영역을 규정하는 선택 위치에서 나머지 기판층 부분에 상기 제거된 기판층을 접착하는 단계에 의거 기판층을 재활용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광전지의 제조 방법.
  10. 광전지의 제조 방법에 있어서,
    하나 이상의 강한 본딩영역과 하나 이상의 약한 본딩영역이 구획된 기판층에 장치층이 선택적으로 본딩되어, 장치층 및 기판층을 갖는 다단층의 기판이 제공되는 단계;
    하나 이상의 약한 본딩영역 위치에서 상기 장치층에 하나 이상의 광전지를 입히는 단계;
    상기 강한 본드영역을 디본딩하여 기판층으로부터 장치층을 제거하되, 이 장치층의 제거가 상기 장치층에 입혀진 광전지의 손상없이 또는 손상을 최소화시키며 진행될 수 있도록 한 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지의 제조 방법.
  11. 청구항 7 또는 청구항 10에 있어서, 상기 광전지는 p-n접합, 백면 필드(backsurface field), 바이올렛(violet), V-그루브(groove) 다접합, 유기, 광합성을 기반으로 하는 에너지 변환, 이들중 적어도 하나를 포함하는 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지의 제조 방법.
  12. 광전지의 제조 방법에 있어서,
    하나 이상의 약한 본딩영역과 하나 이상의 강한 본딩영역을 구획하는 제1기판층에 제1장치층이 선택적으로 접착되어, 제1장치층 및 제1기판층을 갖는 제1다단층의 기판이 제공되는 단계;
    하나 이상의 약한 본딩영역 위치에서 제1장치층에 제1광전지를 입히는 단계;
    상기 강한 본드영역을 디본딩하여 제1기판층으로부터 제1장치층을 제거하되, 이 제1장치층의 제거가 상기 제1장치층에 입혀진 광전지의 손상없이 또는 손상을 최소화시키며 진행될 수 있도록 한 단계;
    하나 이상의 약한 본딩영역과 하나 이상의 강한 본딩영역을 구획하는 제2기판층에 제2장치층이 선택적으로 접착되어, 제2장치층 및 제2기판층을 갖는 제2다단층의 기판이 제공되는 단계;
    하나 이상의 약한 본딩영역 위치에서 제2장치층에 제2광전지를 입히는 단계;
    상기 강한 본드영역을 디본딩하여 제2기판층으로부터 제2장치층을 제거하되, 이 제2장치층의 제거가 상기 제2장치층에 입혀진 광전지의 손상없이 또는 손상을 최소화시키며 진행될 수 있도록 한 단계;
    광전지 세트를 형성하도록 상기 층들의 말단부 위치에서 상기 제2장치층에 제1장치층을 적층 및 접착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지의 제조 방법.
  13. 청구항 7, 10 또는 11의 방법에 따라 형성되어 밴드갭 Eg(1)을 갖는 제1광전지를 제공하는 단계;
    청구항 7, 10 또는 11의 방법에 따라 형성되어 밴드갭 Eg(2)를 갖는 제2광전지가 상기 제1광전지의 상면에 적층되는 단계로 이루어지되, 상기 Eg(1)은 Eg(2)보다 더 크게 되어, 텐덤 광전지가 구비되는 것을 특징으로 하는 텐덤 광전지의 제조 방법.
  14. 청구항 4에 있어서, 선택적 본딩은 약한 본딩영역과 강한 본딩영역으로 구성되고, 상기 p-n 접합은 태양전지용 재료층상의 약한 본딩영역에 형성됨에 따라,
    약한 본드영역을 최소로 침투하여 강한 본딩영역을 처리해줌으로써, 태양전지용 재료층이 지지층으로부터 디본딩되고,
    상기 약한 본드영역에 형성된 광전지는 디본딩시 수리교정을 요하지 않게 되는 것을 특징으로 하는 광전지.
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