KR20100061122A - 웨이퍼 제조 방법 - Google Patents

Abstract

웨이퍼 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법은 웨이퍼를 세정하는 단계, 상기 웨이퍼를 평탄화하는 단계, 상기 웨이퍼 표면 위에 박막층을 형성하여 PN접합을 형성하는 단계 그리고 상기 박막층을 포함하는 상기 웨이퍼 표면을 텍스처 처리하는 단계를 포함한다.

박막층, 텍스처 처리, 디펙트

Description

웨이퍼 제조 방법{Manufacturing method of wafer}

본 발명은 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이다.

광전 변환 소자는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 이용하는 금속에 따라 여러 가지 종류가 있는데 그 중 하나가 태양 전지이다. 태양 전지는 태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것으로 P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용하여 전기를 일으킨다.

태양 전지는 크게 상용 제품의 대부분을 점유하고 있는 결정질 실리콘 태양 전지와 값싼 기판을 사용할 수 있는 박막 태양 전지, 그리고 결정질 실리콘 태양 전지와 박막 태양 전지의 혼합형 등으로 분류될 수 있다.

결정질 실리콘 태양 전지는 실리콘 덩어리를 얇게 잘라 기판으로 사용하며, 실리콘의 제조 방법에 따라 단결정 태양 전지와 다결정 태양 전지로 구분된다. 예컨대 단결정 실리콘 태양 전지의 경우, 실리콘에 5가 원소 인, 비소 또는 안티몬을 첨가시킨 N형 반도체와 3가 원소인 붕소 또는 갈륨을 침투시켜 만든 P형 반도체로 이루어진 PN접합 구조를 가지고 있으며, 그 구조는 다이오드와 대체로 동일하다.

반도체 공정에 사용하는 웨이퍼와 달리 결정질 태양 전지에 사용하는 웨이퍼는 두께가 얇고 웨이퍼의 순도가 낮아 캐리어의 수명이 짧다. 결국, 결정계 태양 전지의 광효율이 떨어진다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고효율의 태양 전지를 형성하기 위한 웨이퍼 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법은 웨이퍼를 세정하는 단계, 상기 웨이퍼를 평탄화하는 단계, 상기 웨이퍼 표면 위에 박막층을 형성하여 PN접합을 형성하는 단계 그리고 상기 박막층을 포함하는 상기 웨이퍼 표면을 텍스처 처리하는 단계를 포함한다.

상기 텍스처 처리하는 단계 이후에 상기 웨이퍼를 수소 플라스마 처리하는 단계를 더 포함한다.

상기 박막층을 형성하는 단계는 가스 확산법(Gas diffusion), 이온 주입법(Ion implantation), 플라스마 처리(Plasma treatment), 스크린 프린팅법(Screen printing) 및 스핀 코팅법(Spin coating) 중의 어느 하나를 사용한다.

상가 박막층의 두께는 0.5um 내지 3um으로 형성한다.

상기 박막층을 형성하는 동안 상기 웨이퍼를 가열하는 단계를 더 포함한다.

상기 박막층을 형성하는 단계 이후에 상기 박막층을 포함하는 상기 웨이퍼를 열처리하는 단계를 더 포함한다.

상기 열처리는 100도 내지 500도의 온도로 수행한다.

상기 열처리는 30분 내지 90분의 시간 동안 진행한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법은 웨이퍼를 세정하는 단계, 상기 웨이퍼를 평탄화하는 단계, 상기 웨이퍼 표면 위에 상기 웨이퍼와 극성이 다른 박막층을 형성하는 단계, 상기 박막층을 포함하는 상기 웨이퍼 표면을 텍스처 처리하는 단계, 상기 웨이퍼의 하부면에 후면 전극막을 형성하는 단계, 상기 웨이퍼의 상부면에 접합층을 형성하는 단계 그리고 상기 접합층 위에 전극 역할을 하는 반사 방지막을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 웨이퍼는 P 타입 혹은 N 타입의 결정계 실리콘으로 형성한다.

상기 박막층은 웨이퍼와 다른 타입의 실리콘으로 형성한다.

상기 텍스처 처리하는 단계 이후에 상기 웨이퍼를 수소 분위기하에서 플라스마 처리하는 단계를 더 포함한다.

상기 웨이퍼와 상기 접합층은 PN접합을 형성한다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 초기 웨이퍼에 존재하는 결함(defect)를 제거 하여 고품질의 웨이퍼를 얻을 수 있다. 이에 따라, 상기 웨이퍼를 기판으로 하여 형성된 결정질 태양 전지는 우수한 광효율을 가질 수 있다.

첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법은 먼저 잉곳(Ingot)에서 잘라낸 웨이퍼를 세정하는 단계(S100)를 포함한다.

반도체로 사용하는 웨이퍼는 집적회로의 성능과 신뢰성을 높이기 위해 순도가 매우 높아야 한다. 따라서, 웨이퍼 세정은 매우 중요하고 고순도를 얻기 위해 물리적, 화학적 방법을 이용하여 웨이퍼 표면의 불순물, 유기물 오염 등을 제거한다.

하지만, 이처럼 고순도의 웨이퍼를 얻는 과정에서 많은 비용이 소모되므로 현 단계의 태양 전지에서는 공정 단가를 낮추면서 효율을 높이기 위한 다른 방법이 연구되고 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법은 공정 단가를 낮추면서 효율을 높이는 방법 중 하나의 방법을 제시한다. 따라서, 현 단계(S100)에서는 비용을 많이 소모하지 않도록 중성 세제를 이용하여 웨이퍼 표면을 닦아내는 정도의 세정이 이루어질 수 있다.

다음 단계로 웨이퍼 표면을 평탄화한다(S200).

잉곳(Ingot)으로부터 절단되어 형성된 웨이퍼는 크랙(Crack) 등에 의해 거친 표면을 갖는다. 웨이퍼 표면을 평탄화하는 방법으로 알칼리계 용액을 사용하여 웨이퍼 표면을 식각한다. 웨이퍼 표면을 식각하면 잉곳(Ingot)을 절단할 때 발생한 크랙(CR)이 제거되고, 웨이퍼 표면에 형성된 유기물이나 기타 불순물을 제거할 수 있다.

다음 단계로 웨이퍼 표면에 박막층을 형성한다(S300).

웨이퍼의 표면에 박막층을 형성하는 것은 가스 확산법(Gas diffusion), 이온 주입법(Ion implantation), 플라스마 처리(Plasma treatment), 스크린 프린팅법(Screen printing) 및 스핀 코팅법(Spin coating) 중의 어느 하나를 이용할 수 있다.

박막층을 이루는 물질은 웨이퍼와 다른 극성을 갖는 물질이어야 한다. 웨이퍼는 일반적으로 P 타입의 실리콘으로 형성되어 있는데 이에 따라 박막층은 N 타입의 물질로 형성된다.

하지만, 특별히 고효율을 필요로 하는 경우에 N 타입의 물질로 형성된 웨이퍼가 사용될 수 있다. 이 경우에 박막층은 P 타입의 물질로 형성한다.

이처럼, 웨이퍼와 박막층을 서로 다른 극성을 가진 물질로 형성하는 이유는 PN접합을 이루기 위함이다. 웨이퍼와 박막층의 계면에서 PN접합을 형성하면 필드 효과(Field Effect)가 발생한다.

이 때, 웨이퍼 표면에 존재하는 디펙트(defect)들은 박막층의 도펀트들과 결합하여 공핍 영역(depletion region)을 형성한다. 웨이퍼 내부에 존재하는 디펙트(defect)들은 상기 공핍 영역을 거쳐 확산 과정에 의해 박막층으로 이동한다.

박막층은 얇게 형성할 수 있고, 낮은 온도에서도 상기 설명한 것과 같은 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 박막층의 두께는 0.5 내지 3 um로 형성할 수 있다. 이것은 추후 진행되는 텍스처 처리에 의해 웨이퍼 표면이 3 내지 5 um 정도 제거될 수 있음을 고려한 것이다.

웨이퍼 표면에 박막층을 형성할 때, 웨이퍼를 가열하거나 박막층을 형성한 이후에 수소 분위기하에서 열처리 공정을 진행할 수 있다. 이러한 과정은 PN접합이 형성될 때, 디펙트들의 확산을 잘 일어나게 한다.

웨이퍼를 가열하는 온도 또는 열처리 온도는 100도 이상 500도 이하로 설정할 수 있다. 그리고, 열처리는 30분 이상 90분 이하의 시간 동안 진행할 수 있다. 특히, 웨이퍼를 가열하는 온도 또는 열처리 온도는 100도 이상 300도 이하로 설정할 수도 있다.

물론 열처리하는 것만으로도 디펙트가 확산되는 효과를 얻을 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법에 의해 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 경우에는 열처리 온도를 상대적으로 낮출 수 있다. 이로 인해, 고온에서 열처리하여 얇게 형성된 웨이퍼가 변형되는 것을 방지할 수 있다.

다음 단계로 웨이퍼 표면을 텍스처 처리한다(S400).

텍스처 처리는 태양광이 입사하는 표면에서의 광반사를 줄여서 태양 전지 내부로 유효광의 흡수량을 증가시키기 위한 목적으로 웨이퍼 표면을 울퉁불퉁하게 직물의 표면처럼 형성하는 것을 말한다. 본 발명의 실시예에서 바람직하게는 텍스처 처리에 의해 웨이퍼의 하나의 표면은 3um 내지 5um 두께로 감소될 수 있다.

보통의 결정계 태양 전지와 마찬가지로 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법은 웨이퍼에 빛이 조사되었을 때 반사를 줄이고 흡수를 더 많이 할 수 있도록 표면에 텍스처 처리를 한다.

웨이퍼 표면을 평탄화하는 단계(S200) 이후에 바로 웨이퍼 표면을 텍스처 처리하는 단계(S400)를 진행하는 경우에도 빛 반사를 줄이고 빛 흡수를 더 많이 할 수 있는 효과를 나타낼 수 있지만, 웨이퍼 내부에 존재하는 디펙트들은 그대로 남아 있다.

하지만, 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법에 의하면 PN접합을 형성하여 디펙트들이 웨이퍼 표면으로 이동하고, 웨이퍼 표면에 많은 디펙트들이 축적 된 상태에서 텍스처 처리가 진행되기 때문에 웨이퍼 내부에 존재하는 디펙트들이 많이 제거되어 고품질의 웨이퍼를 얻을 수 있다.

다음 단계로 웨이퍼 표면을 플라스마 처리한다(S500).

상기 플라스마 처리는 수소(H2) 분위기 하에서 진행될 수 있다. 상기 플라스마 처리를 하면 웨이퍼 표면에서 옥사이드(oxide)가 형성되는 것을 억제하고, 재오염이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 내부에서 디펙트(defect)의 이동을 나타내는 단면도들이다.

도 2를 참고하면, 웨이퍼(100)는 잉곳(Ingot)을 얇게 절단하여 형성된다. 실리콘 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski)법이 있다. 잉곳(Ingot)으로부터 절단된 웨이퍼(100)는 그 표면에 크랙(CR)과 웨이퍼(100) 내부에 디펙트(d)들을 갖고 있다.

디펙트(d)들은 이온, 금속 불순물, 산소, 탄소 등을 포함한다. 웨이퍼(100)의 품질을 높이기 위해서는 크랙(CR)과 디펙트(d)는 제거되어야 한다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법에 의해 웨이퍼(100)의 양 표면은 알칼리계 용액을 사용하여 식각한다. 이러한 과정은 웨이퍼(100) 표면을 평탄화하여 잉곳(Ingot)을 절단할 때 발생하는 크랙(CR)을 제거하고, 웨이퍼(100) 표면에 형성된 유기물이나 기타 불순물을 제거할 수 있다.

도 4를 참고하면, 크랙(CR)이 제거된 웨이퍼(100)의 양 표면에 박막층(200)이 형성되어 있다. 웨이퍼(100)의 양 표면에 박막층(200)을 형성하는 것은 가스 확산법(Gas diffusion), 이온 주입법(Ion implantation) 및 플라스마 처리(Plasma treatment)를 이용할 수 있다.

박막층(200)은 웨이퍼(100)와 다른 극성을 갖는 물질로 형성되어 있다. 웨이퍼는 일반적으로 P 타입의 실리콘으로 형성되어 있는데 이에 따라 박막층은 N 타입의 물질로 형성된다. 따라서, 웨이퍼(100)와 박막층(200)은 서로 PN접합을 형성하여 전계 효과가 발생하고, 이에 따라 웨이퍼(100) 내부에 있는 디펙트(d)들이 웨이퍼(100) 표면으로 이동한다.

박막층(200)을 형성할 때, 웨이퍼(100)를 100도 이상 500도 이하의 온도에서 가열하거나 박막층(200) 형성후에 100도 이상 500도 이하의 온도로 수소 분위기하에서 열처리 하면 디펙트(d)들의 확산이 잘 일어나도록 할 수 있다. 웨이퍼(100)를 가열하는 온도 또는 열처리하는 온도는 100도 이상 300도 이하로 설정할 수도 있다.

도 5를 참고하면, 웨이퍼(100)에 축적되어 있던 많은 디펙트(d)들이 텍스처 처리에 의해 제거된다. 구체적으로, 텍스처 처리를 하면 빛 반사를 줄이고 빛 흡수를 더 많이 할 수 있는 효과를 가져올 뿐만 아니라, 텍스처 처리 진행 중에 박막층(200)이 제거되면서 웨이퍼(100) 표면에 집중되어 있는 디펙트(d)들을 효과적으로 제거할 수 있다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법에 의하면, 반도체 웨이퍼처럼 고순도를 얻기 위해 필요한 세정 단계를 간소화하여 공정 단가를 줄일 수 있고, 고품질의 웨이퍼를 생산할 수 있다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법에 의해 형성된 결정계 태양 전지를 나타내는 사시도이다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 실리콘에 보론(boron)을 첨가한 P형 실리콘 반도체층(610)을 기본으로 하여 그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층(620)이 형성되어 있다.

P형 실리콘 반도체층(610)은 앞서 설명한 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법에 의해 형성된 웨이퍼에 해당한다. 태양 전지에서 사용하는 웨이퍼는 보통 200um 내지 220um의 두께를 가진다. 결정계 태양 전지에서 웨이퍼, 즉, P형 실리콘 반도체층(610)은 광흡수층 역할을 한다.

P형 실리콘 반도체층(610) 과 N형 실리콘 반도체층(620)이 결합하여 PN접합층을 형성함으로써 전계가 발생한다. 이로써 태양 전지가 형성되는데 부하와 연결하기 위해 P형 실리콘 반도체층(610) 하부면에 후면 전극막(600)이 형성되어 있고, N형 실리콘 반도체층(620)의 상부면에 전극 역할을 하는 반사 방지막(630)이 형성되어 있다.

상기 후면 전극막(600)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo) 중의 어느 하나로 형성된다.

반사 방지막(630)은 IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성할 수 있다. 반사 방지막(630)은 N형 실리콘 반도체층(620)을 보호하고, N형 실리콘 반도체층(620)으로 입사하는 빛이 반사되지 않도록 하여 광흡수율을 높이는 역할을 한다. N형 실리콘 반도체층(620)이 전극 역할을 할 수 있다. 또는, 별도 의 연결 전극(미도시)을 형성할 수도 있다.

이렇게 형성된 태양 전지에 빛(LIGHT)이 입사하면 반도체 내의 전자와 정공이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 된다.

캐리어에 해당하는 전자 또는 정공이 자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자는 N형 실리콘 반도체층(620)에, 정공은 P형 실리콘 반도체층(610)에 이르게 된다. P형 반도체와 N형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 내부에서 디펙트(defect)의 이동을 나타내는 단면도들이다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 웨이퍼 제조 방법에 의해 형성된 결정계 태양 전지를 나타내는 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 웨이퍼 200 박막층

600 후면 전극막 630 반사 방지막

610 P형 실리콘 반도체층 620 N형 실리콘 반도체층

d 디펙트

Claims (13)

1. 웨이퍼를 세정하는 단계,

   상기 웨이퍼를 평탄화하는 단계,

   상기 웨이퍼 표면 위에 박막층을 형성하여 PN접합을 형성하는 단계 그리고

   상기 박막층을 포함하는 상기 웨이퍼 표면을 텍스처 처리하는 단계를 포함하는 웨이퍼 제조 방법.
2. 제1항에서,

   상기 텍스처 처리하는 단계 이후에

   상기 웨이퍼를 수소 플라스마 처리하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 제조 방법.
3. 제1항에서,

   상기 박막층을 형성하는 단계는 가스 확산법(Gas diffusion), 이온 주입법(Ion implantation), 플라스마 처리(Plasma treatment), 스크린 프린팅법(Screen printing) 및 스핀 코팅법(Spin coating) 중의 어느 하나를 사용하는 웨이퍼 제조 방법.
4. 제3항에서,

   상가 박막층의 두께는 0.5um 내지 3um으로 형성하는 웨이퍼 제조 방법.
5. 제4항에서,

   상기 박막층을 형성하는 동안 상기 웨이퍼를 가열하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 제조 방법.
6. 제4항에서,

   상기 박막층을 형성하는 단계 이후에

   상기 박막층을 포함하는 상기 웨이퍼를 열처리하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 제조 방법.
7. 제6항에서,

   상기 열처리는 100도 내지 500도의 온도로 수행하는 웨이퍼 제조 방법.
8. 제7항에서,

   상기 열처리는 30분 내지 90분의 시간 동안 진행하는 웨이퍼 제조 방법.
9. 웨이퍼를 세정하는 단계,

   상기 웨이퍼를 평탄화하는 단계,

   상기 웨이퍼 표면 위에 상기 웨이퍼와 극성이 다른 박막층을 형성하는 단계,

   상기 박막층을 포함하는 상기 웨이퍼 표면을 텍스처 처리하는 단계,

   상기 웨이퍼의 하부면에 후면 전극막을 형성하는 단계,

   상기 웨이퍼의 상부면에 접합층을 형성하는 단계 그리고

   상기 접합층 위에 전극 역할을 하는 반사 방지막을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
10. 제9항에서,

    상기 웨이퍼는 P 타입 혹은 N 타입의 결정계 실리콘으로 형성하는 태양 전지 제조 방법.
11. 제10항에서,

    상기 박막층은 상기 웨이퍼와 다른 타입의 실리콘으로 형성하는 태양 전지 제조 방법.
12. 제9항에서,

    상기 텍스처 처리하는 단계 이후에

    상기 웨이퍼를 수소 분위기하에서 플라스마 처리하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
13. 제9항에서,

    상기 웨이퍼와 상기 접합층은 PN접합을 형성하는 태양 전지 제조 방법.

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