KR20070106818A - 실리콘 태양전지의 선택적 에미터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼의 전면부에 전극이 형성될 고농도 불순물 영역과 그 외의 저농도 불순물 영역으로 이루어진 선택적 에미터의 제조방법으로서, 쉐도우 마스크를 사용하여 화학 기상 증착, 스퍼터 증착 또는 전자빔 증착 공정에 의해 패턴화된 얇은 실리콘 산화막을 형성하는 과정; 및 불순물의 열확산에 의해, 산화막이 없는 노출 부위에는 고농도의 불순물 영역을 형성하고, 산화막이 도포된 부위에는 불순물이 상기 산화막을 부분적으로 통과하여 상대적으로 저농도의 불순물 영역을 형성하는 과정을 포함하는 것으로 구성된 선택적 에미터의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 노광 마스크, 감광성 물질, 감광막 식각액 등을 사용하는 포토리쏘그래피 공정을 거치지 않고 불순물 주입 공정을 단 1 회만 행하는 간단한 방법에 의해, 우수한 균일도의 불순물 층과 그에 따라 작동 효율이 우수한 태양전지를 제조할 수 있다.

Description

실리콘 태양전지의 선택적 에미터의 제조방법 {Process for Preparation of Selective Emitter in Silicon Solar Cell}

도 1은 포토리쏘그래피 공정에 의해 태양전지의 선택적 에미터를 제조하는 일련의 과정에 대한 모식도들이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 방법으로 태양전지의 선택적 에미터를 제조하는 일련의 과정에 대한 모식들이다;

도 3은 본 발명에서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 쉐도우 마스크의 모식도이다.

본 발명은 실리콘 웨이퍼의 전면부에 전극이 형성될 고농도 불순물 영역과 그 외의 저농도 불순물 영역으로 이루어진 선택적 에미터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 쉐도우 마스크를 사용하여 화학 기상 증착, 스퍼터 증착 또는 전자빔 증착 공정에 의해 패턴화된 얇은 실리콘 산화막을 형성하는 과정, 불순 물의 열확산에 의해, 산화막이 없는 노출 부위에는 고농도의 불순물 영역을 형성하고, 산화막이 도포된 부위에는 불순물이 상기 산화막을 부분적으로 통과하여 상대적으로 저농도의 불순물 영역을 형성하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있어서, 간단한 공정에 의해 우수한 균일도의 선택적 에미터를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.

태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.

이러한 태양광 전지(이하에서는 "태양전지"로 약칭함)의 대표적인 예인 실리콘 태양전지는, 일반적으로 Si 기재의 전면(前麵)에 n-형 반도체 층과 후면(後麵)에 p-형 반도체 층을 각각 형성하여 제조된다. 전면의 n-형 반도체 층은 에미터(emitter)로 작용하며, 조사되는 빛의 반사를 최소화시키기 위하여 실리콘 질화막 또는 산화막의 반사방지층을 도포한 후 전극을 배선한다.

상기 전면전극의 배선은 일반적으로 금속 페이스트를 스크린 프린팅함으로써 달성되는데, 실리콘 표면과 전면전극과의 접촉 저항이 높다는 문제점을 가지고 있 다. 따라서, 실리콘 표면과 전면전극의 접촉 저항을 낮추기 위하여, Si 기재의 전면에 고농도의 에미터를 형성한 후 전면전극을 배선하고 있다.

그러나, 전면전극이 위치하지 않는 부위까지 고농도의 에미터를 형성하는 경우, 표면에 존재하는 고농도의 불순물(dopant)들이 실리콘 내에 과잉으로 존재함으로써 응집물(precipitate)이 형성되고, 이로 인해 전하의 수명(lifetime)이 감소되어 궁극적으로 태양전지의 작동 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.

따라서, 미국 특허등록 제5928438호 등은 태양전지에서 전면전극이 배선되는 부위를 상대적으로 고농도의 에미터로 형성하여 상기의 문제점을 해결하는 방안을 제시하고 있다. 이러한 구조의 에미터를 선택적 에미터(selective emitter)로 칭하기도 한다.

이러한 선택적 에미터의 일반적인 제조방법을 설명하면, 우선 실리콘 웨이퍼의 표면에 포토리쏘그래피 공정으로 산화막 패턴을 형성한 후 불순물을 주입하여 고농도의 불순물 층을 형성하는 과정, 산화막을 제거하고 저농도의 불순물 층을 형성하는 과정, 전면부에 반사방지막을 도포하는 과정, 전면의 고농도 불순물 영역과 후면에 전극을 형성하는 과정 등을 거친다.

도 1에는 그 중 일부에 대한 일련의 과정들이 모식적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 우선 실리콘 웨이퍼(1) 상에 산화막(2)을 형성하고, 그 위에 감광막(3)을 도포한다. 노광 마스크(photo mask:)를 이용하여 감광막에 노광하고, 부분적으로 에칭하여, 패턴화된 감광막(3)을 만든다. 패턴화된 감광막(3)을 통해 드러난 산화막(2)을 에칭액으로 제거한 후, 감광막(3a)을 제거한다. 다음으로, 열 확산을 이용하여 전극이 형성될 부분인 고농도 불순물 영역(4)을 만든 후, 패턴화된 산화막(2)을 제거하고 다시 열확산 공정을 한 번 더 행하여 전체적으로 저농도 불순물 영역(5)을 형성한다.

그러나, 상기 방법은 불순물 주입 과정이 2 회에 걸쳐 진행되고, 포토리쏘그래피 공정을 위해 노광 마스크(photo mask), 감광성 물질, 식각액 등을 필요로 하는 등 전반적으로 공정이 복잡하여 최종 완성된 태양전지 간의 효율이 균일하지 못하고 제조비용이 높아지는 등 다양한 문제점들을 가지고 있다.

한국 특허출원공개 제2002-0049718호(특허등록 제366353호)에는 실리콘 웨이퍼의 표면에 산화막을 형성하고, 그 위에 감광막을 도포하여 포토리쏘그래피 공정에 의해 부분적인 식각을 행한 후, 선택적으로 노출된 실리콘 웨이퍼에 불순물을 열확산 시킴으로써 선택적 에미터를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 상기 방법은 불순물 주입 과정을 단지 1 회 행한다는 장점을 가지지만, 산화막의 선택적인 형성(패터닝)을 위해 여전히 포토리쏘그래피 공정을 사용하여야 하므로 제조공정이 복잡하다는 근본적인 문제점을 가지고 있다.

한편, 상기 특허에서와 같이, 불순물의 열확산 과정에서 부분적인 투과성 방벽(partially penetrable barrier)으로 작용하는 막으로는 실리콘 산화막이 바람직하게 고려된다. 다만, 그러한 부분적 투과성 방벽의 형성 공정에 대한 유연성을 갖기 위하여, 상기 실리콘 산화막 대신에 금속 산화막, 질화막, 비정질 실리콘막 등을 고려할 수는 있지만, 이들 박막은 실리콘 산화막과 비교하여 태양전지의 제조비용을 상승시키거나, 소망하는 수준의 불순물 투과도를 얻기 어려우며, 불순물 열 확산 공정의 완료 후 완전하게 제거하기 위해서는 더욱 가혹한 조건이 요구된다.

따라서, 높은 작동 효율을 나타내면서 간단한 공정에 의해 선택적 에미터를 형성할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 첫 번째 목적은, 단 1 회의 불순물 주입 공정과 노광 마스크, 감광성 물질, 감광막 식각액 등을 사용하는 포토리쏘그래피 공정을 거치지 않음으로써 공정의 전반적인 간소화를 이룰 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 상기 제조방법으로 제조된 우수한 작동 효율의 태양전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 선택적 에미터의 제조방법은, 실리콘 웨이퍼의 전면부에 전극이 형성될 고농도 불순물 영역과 그 외의 저농도 불순물 영역으로 이루어진 선택적 접합층을 형성하는 방법으로서,

(a) 쉐도우 마스크를 사용하여 화학 기상 증착, 스퍼터 증착 또는 전자빔 증착 공정에 의해 패턴화된 얇은 실리콘 산화막을 형성하는 과정; 및

(b) 불순물의 열확산에 의해, 산화막이 없는 노출 부위에는 고농도의 불순물 영역을 형성하고, 산화막이 도포된 부위에는 불순물이 상기 산화막을 부분적으로 통과하여 상대적으로 저농도의 불순물 영역을 형성하는 과정;

을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 다수의 공정과 많은 재료를 사용하는 포토리쏘그래피(Photolithography) 공정을 사용하지 않고도 실리콘 웨이퍼의 전면부에 패턴화된 실리콘 산화막을 손쉽게 형성할 수 있고, 이러한 패턴화된 실리콘 산화막을 통해 고농도와 저농도 불순물 영역을 단 1 회의 불순물 주입 과정을 통해 형성할 수 있다.

상기 과정(a)에서는, 우선 패턴화된 실리콘 산화막의 형성을 위해 실리콘 웨이퍼의 전면부에 쉐도우 마스크를 위치시킨 상태에서 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD), 스퍼터 증착(Sputter Deposition) 또는 전자빔 증착(Electron Beam Evaporation) 공정을 행한다. 상기 실리콘 웨이퍼는 바람직하게는 p형 불순물이 도핑된 실리콘 웨이퍼로서, 상기 과정(b)에서의 불순물 주입에 의해 pn 접합층이 형성될 수 있다.

실리콘 산화막의 패턴 형상은, 저농도 불순물 영역이 형성될 실리콘 웨이퍼 상에는 산화막이 도포되어 있고 고농도 불순물 영역이 형성될 실리콘 웨이퍼 상에는 산화막이 도포되어 있지 않은 구조를 가진다. 실리콘 산화막의 이러한 패터닝은 실리콘 산화막의 증착시 실리콘 웨이퍼 상에 놓일 쉐도우 마스크(Shadow Mask)의 형상에 의해 결정된다.

쉐도우 마스크는 실리콘 웨이퍼 상에 위치시켰을 때 실리콘 웨이퍼의 전면부를 부분적으로 가릴 수 있도록, 예를 들어, 다수의 격막과 개구들이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 실리콘 산화막의 증착시 그러한 개구를 통해 화학적 증착을 행하여 패턴화된 산화막을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 격막은 추후 공정 과정에서 고농도 불순물 영역이 요구되는 전면전극층이 형성될 위치에 대응하는 실리콘 웨이퍼의 부위와 대략 일치하는 구조로 이루어져 있다. 상기 격막의 폭은 전면 전극층의 폭과 동일하거나 또는 그보다 약간 클 수 있다.

상기 실리콘 산화막은 상기 과정(b)에서의 선택적 에미터의 형성에 중요한 영향을 미치는 바, 바람직하게는 200 내지 2000 Å의 두께로 형성될 수 있다. 실리콘 산화막의 두께가 너무 얇은 경우에는, 그것의 하부에 형성되는 불순물 영역에서 응집물이 형성되어 전하의 수명 감소가 초래되므로 태양전지의 작동 효율이 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 실리콘 산화막의 두께가 너무 두꺼운 경우에는, 그것을 통한 불순물의 투과율이 지나치게 저하되어 소망하는 수준의 pn 접합층을 얻을 수 없다.

상기 실리콘 산화막의 증착은, 앞서 설명한 바와 같이, CVD, 스퍼터 증착 또는 전자빔 증착 공정으로 행해질 수 있으며, 그 중 CVD 공정의 경우에는 대기압 화학 기상 증착(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition: APCVD), 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD 등을 이용할 수 있지만, 바람직하게는 플라즈마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 공정으로 수행할 수 있다.

상기 과정(b)에서는 실리콘 산화막이 선택적으로 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 열확산에 의해 불순물을 주입한다. 불순물은 실리콘 산화막이 도포되어 있지 않은 실리콘 웨이퍼 상에는 많은 양이 주입되어 고농도의 불순물 영역을 형성하지만, 실리콘 산화막으로 도포된 실리콘 웨이퍼에는 상대적으로 적은 양이 주입되어 저농도 불순물 영역을 형성한다.

상기 불순물 열확산은 바람직하게는 820 내지 950℃의 온도에서 30 내지 180 분간 행할 수 있다. 공정 온도가 너무 낮거나 공정 시간이 지나치게 짧으면, 소망하는 수준으로의 불순물 영역을 얻기 어려우며, 반대로 공정 온도가 너무 높거나 공정 시간이 지나치게 길면, 불순물이 깊게 확산되어 소망하는 pn 접합을 얻기 어려울 수 있으므로, 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 제조방법에는 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위 내에서 기타 공정들이 추가로 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 과정(b) 이후에 상기 실리콘 산화막을 제거하는 과정을 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘 산화막의 제거는, 예를 들어, 희석시킨 불산 용액에서 에칭을 행하여 달성될 수 있다.

본 발명은 또한 상기와 같은 방법으로 제조된 선택적 에미터를 포함하는 것으로 구성된 실리콘 태양전지 모듈을 제공한다.

본 발명에서와 같은 선택적 에미터 구조를 가진 실리콘 태양전지 모듈의 구성과 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하지만, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 선택적 에미터의 제조방법에 대한 일련의 과정들이 모식적으로 도시되어 있다.

도 2(a)를 참조하면, 우선 p형 불순물이 도핑된 실리콘 웨이퍼(10)의 전면부 상에 쉐도우 마스크(30)를 실장하고, 산화막 증착 공정에 의해 패턴화된 실리콘 산화막(20)을 형성한다. 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 쉐도우 마스크(30)의 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 쉐도우 마스크(30)는 실리콘 웨이퍼 상에 형성될 전면전극에 대략 일치하는 형상의 격막들(32)과 이들 사이에 위치하는 개구들(34)로 이루어져 있다. 쉐도우 마스크(30)가 실리콘 웨이퍼 상에 실장되었을 때, 실리콘 웨이퍼 중 개구(34)에 대응하는 부위만 상부로 노출된다. 따라서, 도 2(a)에서와 같이 산화막 증착 공정을 행하면, 그러한 개구(34)에 대응하는 실리콘 웨이퍼(10)의 부위에만 선택적으로 실리콘 산화막(20)이 도포된다.

다음으로, 도 2(b)를 참조하면, 쉐도우 마스크(30)를 제거하고 패턴화된 실리콘 산화막(20)의 실리콘 웨이퍼(10)가 얻어지며, 여기에 n형 불순물을 열확산법에 의해 주입한다. 불순물은 실리콘 산화막(20)이 도포되어 있지 않은 부위에는 고농도를 가진 깊은 불순물 영역(40)을 형성하지만, 실리콘 산화막(20)이 도포되어 있는 부위에서는 불순물이 실리콘 산화막(20)을 부분적으로 투과함으로써 저농도를 가진 얕은 불순물 영역(50)이 형성된다. 따라서, 실리콘 산화막(20)은 불순물 주 입과정에서 부분적인 투과성 방벽으로 작용하여 서로 다른 농도를 갖는 대략 두 종류의 불순물 영역으로 이루어진 선택적 에미터의 형성을 가능케 한다. 이러한 결과로 얻어진 고농도 불순물 영역(40)은 대략 10 ~ 40 Ω/㎠의 면저항을 가지며, 저농도 불순물 영역(50)은 대략 70 ~ 200 Ω/㎠의 면저항을 가진다.

도 2(c)를 참조하면, 불순물 주입 완료 후, 실리콘 산화막을 에칭하여 제거하면, 고농도 불순물 영역(40)과 저농도 불순물 영역(50)의 실리콘 웨이퍼(10)의 전면부가 노출된다. 고농도 불순물 영역(40)은 도 3의 쉐도우 마스크(30)에서 격막(32)의 형상에 대략 일치한다. 따라서, 고농도 불순물 영역(40) 상에 일치하는 형상으로, 예를 들어, 금속 페이스트를 실리콘 웨이퍼(10) 상에 스크린 프린팅 한 후 열처리하면, 그에 대응하는 패턴화된 전면전극이 만들어질 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따르면, 노광 마스크, 감광성 물질, 감광막 식각액 등을 사용하는 포토리쏘그래피 공정을 거치지 않고 불순물 주입 공정을 단 1 회만 행하는 간단한 방법에 의해, 작동 효율이 우수한 태양전지를 제조할 수 있으며, 공정 수가 많아짐에 따라 발생하는 제조된 태양 전지 간의 효율 불균일성을 줄일 수 있다.

Claims (7)

1. 실리콘 웨이퍼의 전면부에 전극이 형성될 고농도 불순물 영역과 그 외의 저농도 불순물 영역으로 이루어진 선택적 에미터를 형성하는 방법으로서,

   (a) 쉐도우 마스크를 사용하여 화학 기상 증착, 스퍼터 증착 또는 전자빔 증착 공정에 의해 패턴화된 얇은 실리콘 산화막을 형성하는 과정; 및

   (b) 불순물의 열확산에 의해, 산화막이 없는 노출 부위에는 고농도의 불순물 영역을 형성하고, 산화막이 도포된 부위에는 불순물이 상기 산화막을 부분적으로 통과하여 상대적으로 저농도의 불순물 영역을 형성하는 과정;

   을 포함하는 것으로 구성되어 있는 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(a)의 실리콘 웨이퍼는 p형 불순물이 도핑된 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 쉐도우 마스크는 전면전극층이 형성될 위치에 대응하는 실리콘 웨이퍼의 고농도 불순물 영역과 대략 일치하는 다수의 격막과 이들 사이의 개구들로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 산화막은 200 내지 2000 Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 화학 기상 증착 공정은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 공정인 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)의 불순물 열확산 공정은 820 내지 950℃의 온도에서 30 내지 180 분간 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 선택적 에미터를 포함하는 것으로 구성된 실리콘 태양전지 모듈.

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