KR20100119394A - 태양전지의 에미터 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 에미터 형성방법에 관한 것이다. 본 발명은 먼저 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판에 대해 p-타입 도펀트인 붕소의 확산 계수를 증가시키기 위해 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서 장시간 습식 산화시킨다. 그러면, 'POCl3' 분위기에서 에미터를 형성하는 기존 공정에 비해 상대적으로 두꺼운 산화물층이 형성됨과 아울러 붕소의 디플리션(depletion) 현상으로 에미터층을 형성할 수 있다. 따라서 상기 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판 표면에서의 전체적인 불순물 양을 감소시킬 수 있다. 이는 불순물 함유량이 많이 포함된 저급의 실리콘 기판을 사용하여 에미터층을 형성하더라도 그 에미터 부근에서 불순물의 양이 감소하기 때문에, 상용화가 가능한 특성 효율을 가지는 태양전지를 제조할 수 있는 이점이 있다. 또 본 발명은 상기 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서 다소 순도가 높은 p-타입 실리콘 기판에 에미터를 형성할 경우에는 p-타입 실리콘 기판의 면 저항이 높아지게 되는데, 이때에는 상기한 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기와 인의 확산을 동시에 실시하여 면 저항을 감소시키도록 한다. 그리고 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기와 인의 확산을 동시에 수행하여 에미터층을 형성할 경우 붕소의 디플리션(depletion) 현상이 과도하게 발생하더라도 에미터층 형성 이후에 수소 분위기가 제거된 열처리 공정을 통해 해결한다.
태양전지, 실리콘 기판, 습식 산화, 인, 붕소 디플리션, 게터링
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 붕소(boron)/인(phosphorous) 등의 불순물 함유량이 많은 저급의 실리콘 기판을 이용하더라도 에미터층 근처의 불순물 양을 감소시켜 에미터를 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘 태양전지의 기판은, 실리콘 표면의 빛의 흡수를 증가시키기 위하여 표면의 빛 포획(Light Trapping) 구조를 가지는 p-형 실리콘 기판이 주로 많이 사용된다. 상기 p-형 실리콘 기판은 붕소 및 인 등의 불순물 등이 함유되어 있다.
상기 p-형 실리콘 기판을 이용하여 태양전지를 제조하기 위해서는 p형(또는 n형) 기판에 n형(또는 p형) 불순물을 도핑(emitter)하여 p-n 접합을 형성해야 한다. 즉 p-형 실리콘 기판을 이용한 태양전지의 제조방법에 있어서는 먼저 실리콘 기판의 표면에 에미터 접합을 해야하는데, 이때 n-형 도펀트인 인을 주입하는 방법을 주로 사용하였다.
도 1에는 일반적인 인 주입방식에 의해 에미터(emitter) 층을 형성하는 공정이 도시되어 있다.
도 1을 보면, 일단 p-타입 실리콘 기판을 도핑원소인 'POCl3(옥시염화인)' 분위기에 공급한 후 온도를 높이고(①), 온도가 안정화되게 한다(②). 이때의 온도는 대략 900℃의 고온이다.
그리고 상기 'POCl3'분위기에 상기 p-타입 실리콘 기판이 노출되면, 실리콘 기판의 실리콘과 ''POCl3'이 반응하여 상기 실리콘 기판 표면에는 PSG(Phosphor-Silicate Glass)층이 형성된다(③). 이후 열처리 공정이 진행되면 상기 PSG층의 인 불순물이 상기 실리콘 기판내로 확산되면서 p-n 접합하여 에미터층을 형성하게 된다(④). 이후 온도가 낮춰지고(⑤), 다음 공정을 위해 이송되게 된다(⑥). 이 방법은 에미터층을 형성함과 동시에 상기 p-타입 실리콘 기판 내부에 존재하는 불순물을 제거하는 PDG(phosphorous diffusion gettering) 까지 같이 수행할 수 있는 이점이 있다.
하지만, 'POCl3' 분위기에서 에미터를 형성하는 방법에는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 붕소/인 불순물 함유량이 많은 p-타입 실리콘 기판을 사용하여 에미터 층을 형성할 경우, 상기 형성된 에미터 층 근처에서 불순물 농도가 과도하게 증가하는 문제가 있다.
즉 도 2는 일반적인 P 디퓨전 공정 적용시 실리콘 기판 단면의 불순물 농도를 보인 그래프로서, '1'은 붕소 농도분포, '2'는 인 농도분포, '3'은 순 도핑(Net doping) 농도분포, 'Xj'는 접합깊이이다.
그래프를 보면, 'POCl3' 분위기에 의해서 인의 농도는 높아지는 반면, 붕소는 실리콘 기판에서 산화막으로 빠져나가긴 하지만 확산계수가 느리기 때문에, 빠져나가는 붕소의 양이 많지 않다. 이는 인 확산공정으로 확산된 n-타입이 에미터층에서 p-타입 불순물인 붕소는 전도도에 기여하지 못하는 단지 결함으로 작용하게 되어 재결합 속도를 빠르게 하는 요인이 된다. 따라서 실리콘 기판의 내부영역, 즉 벌크(bulk) 영역에서 소수 캐리어의 수명이 감소하는 문제를 초래한다.
또한, 상기 p-타입 실리콘 기판 표면에 PSG 층이 형성되지만, 상기 형성되는 PSG층의 두께는 일반적으로 약 50㎚ 정도로 매우 얇게 형성되고 있는 실정이다. 이에 따라 실리콘 기판 내부에 존재하는 불순물이 상기 PSG 층으로 빠져나가는 게터링(gettering) 효과가 충분하게 나타나지 않게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 불순물 함유량이 상대적으로 많은 실리콘 원료로 만들어진 실리콘 기판을 이용하더라도 에미터층 근처의 불순물을 줄일 수 있도록 하는 것이며, 편석 계수가 작아 제거하기가 어려운 불순물들을 제거하지 않고 제작한 저급의 실리콘 기판으로 상용화가 가능한 태양전지의 효율 특성을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실리콘의 습식 산화에 의해 비교적 두꺼운 PSG 층을 형성하여 실리콘 기판 내부에 존재하는 금속 불순물들이 PSG 층으로 빠져나가는 게터링(gettering) 효과를 보다 증가시키기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판을 습식 산화시키는 습식 산화단계; 상기 습식 산화에 의해 상기 p-타입 도펀트인 붕소의 농도가 상기 p-타입 실리콘 기판에 포함된 인의 농도 이하가 되도록 하면서 산화물층과 에미터층을 형성하는 산화물층/에미터층 형성단계; 상기 산화물층/에미터층이 형성되면, 수소 분위기에서 상기 습식 산화시의 온도보다 낮은 온도로 열처리를 수행하는 열처리 수행단계; 그리고, 상기 산화물층을 제거하는 산화물층 제거단계;를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 습식 산화단계는, 상기 p-타입 도펀트인 붕소의 확산 계수를 크게 하여 상기 붕소의 디플리션 현상이 가속화되도록 하는 것이다.
또, 상기 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에 의해 에미터 형성 공정시, 상기 인의 농도가 낮게 되어 면저항이 크게 되면, 상기 수증기(H2O)에 'POCl3'분위기를 추가하여 면저항을 조절하도록 한다.
또, 상기 수증기(H2O)에 'POCl3'분위기를 추가하여 에미터 형성시, 상기 p-타입 실리콘 기판의 표면에서 p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상이 과도하게 발생하면, 상기 에미터가 형성된 다음의 열처리 공정에서 수소 분위기는 제거하고 열처리만을 수행하도록 한다.
본 발명에서는, 불순물 함유량이 많은 실리콘 원료로 만들어진 p-타입 실리콘에 에미터층을 형성하는 경우 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판을 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서 장시간 습식 산화시킴으로써, 종래 'POCl3' 분위기에서 에미터를 형성하는 공정보다 산화물층이 더 두껍게 형성되면서 p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상을 가속화시키고 있다. 또 습식 산화공정으로 에미터를 형성할 때 에미터의 면 저항이 높은 경우에는 수증기(H2O)에 'POCl3' 분위기를 추가하여 PSG 층을 형성한 후 면 저항을 감소시키고, 만약 이때 붕소 디플리션이 과도하게 발생하면, 에미터층이 형성된 다음에 열처리 공정만을 수행하여 붕소 디플리션 현상을 억제함으로써, 전체적으로 에미터층 근처의 불순물 양을 감소시키고 있다. 따라서, 기존의 'POCl3' 분위기에서 에미터를 형성하는 공정보다 보다 적은 양으로 도핑을 할 수 있고, 두꺼운 산화물층으로 인해 게터링 효과가 향상되게 된다.
이러한 효과로 인하여 본 발명에서는 불순물 함유량이 많은 저급의 실리콘 기판으로도 충분히 상용화가 가능한 효율 특성을 보이는 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 있다.
이하 본 발명의 태양전지의 에미터 형성방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예에서는 붕소 도핑된 p-타입 실리콘 기판을 예를 들어 설명한다.
도 3에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에미터 형성방법의 흐름도가 도시되어 있다. 도 3은 인 농도가 높은 p-타입 실리콘 기판의 표면에 n-타입 에미터 접합을 형성할 경우, 습식 산화공정만을 통해 에미터를 형성하는 것이다.
도 3을 보면, 우선 태양전지용 실리콘 기판을 세척 및 텍스처링하는 공정이 수행된다(s10). 여기에서 사용되는 실리콘 기판은 6N(99.9999%)급의 순도를 갖는 솔라 그레이드(solar grade) 실리콘 및 4N(99.99%)급의 순도를 갖는 UMG(upgraded metallurgical grade) 실리콘과 같이 붕소/인 등의 불순물 함유량이 많은 실리콘 원료로 만들어진 웨이퍼가 사용된 실리콘 기판이다. 즉 본 발명은 이러한 저급 실리콘 기판을 사용하여 상용화가 가능한 태양전지의 효율 특성이 가능함을 설명하고자 하는 것이다. 하지만 반드시 상기에서 언급하고 있는 실리콘 기판 이외에, 상대 적으로 현재 태양전지의 특성 효율을 제공하도록 사용되고 있는 실리콘 기판보다 불순물 함유량이 많은 실리콘 원료로 만들어진 실리콘 기판이 적용될 수 있다.
상기와 같이 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판을 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서 장시간 습식 산화(Wet oxidation)시킨다(s12). 이와 같이 하는 이유는 p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상을 가속화시킴으로써, 결국 p-타입 실리콘 기판에서의 붕소 이탈로서 에미터를 형성하기 위함이다. 참고로, 상기 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기는 인(phosphorous)은 포함하지 않은 상태의 분위기를 말한다.
상기 p-타입 실리콘 기판이 습식 산화되면, 상기 실리콘 기판의 표면에는 종래 'POCl3' 분위기에서 에미터를 형성하는 기존 공정에 비해 상대적으로 두꺼운 산화물층이 형성된다. 이와 동시에, p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상에 따라서 n- 타입 에미터층이 형성된다(s14).
상기 에미터층이 형성되면 상기 습식 산화공정시의 온도보다 낮은 온도의 수소분위기에서 열처리 공정이 수행된다(s16). 상기 열처리 공정은 상기 실리콘 기판의 금속 불순물들(metallic impurities)을 상기 산화물층으로 빠져나가게 하는 게터링 현상을 유도하는 것이다. 이때 상기 열처리 시간은 길수록 불순물이 산화물층으로 외방확산(out- diffusion)되는 현상에 의하여 실리콘 기판 내부의 깊숙한 곳에 위치한 불순물들까지 산화물층으로 빠져나가는 장점이 있다.
상기 산화물층은 습식 식각법에 의해 제거된다(s20). 이는 후속 공정, 즉 실리콘 질화막을 적층하기 위한 것과, 아울러 상기 산화물층에는 상기 불순물이 함유 되어 있기 때문에, 후속 공정에서의 고온 열처리시 상기 불순물이 다시 실리콘 기판으로 이동할 수 있기 때문이다.
이와 같이 본 실시 예는 불순물 함유량이 많이 포함된 저급의 실리콘 기판을 사용하여 에미터층을 형성하더라도 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서의 습식 산화에 의해 산화물층이 두껍게 형성되고, p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상으로 인하여 에미터 부근에서의 불순물 양이 감소하기 때문에, 상용화가 가능한 특성 효율을 가지는 태양전지를 제조할 수 있다.
상기 도 3의 습식산화 공정에 의해 에미터층이 형성된 경우, 실리콘 기판 단면에서의 불순물 농도 분포도를 도 4에 도시하고 있다. 도 4에서 '11'은 붕소 농도분포, '12'은 인 농도분포, '13'은 순 도핑(Net doping) 농도분포이고, 'Xj'는 접합깊이이다. 이를 보면, 붕소 도핑된 p-형 실리콘 기판의 표면에서 습식 산화 공정에 따라 붕소의 확산계수가 증가되기 때문에, 'POCl3'분위기에서의 붕소 농도보다 많이 감소됨을 알 수 있다. 즉, p-형 실리콘 기판의 표면에서 불순물 양이 그만큼 줄어들기 때문에, 재결합 속도가 늦춰지게 된다.
한편, 앞서 설명한 p-타입 실리콘 기판보다 비교적 순도가 높은 p-타입 실리콘 기판의 경우, 상기 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서 장시간 습식 산화시켜 에미터층을 형성하면, 상기 에미터층의 면저항이 과도하게 크게 될 수 있다. 즉 실리콘 기판에 포함되어 있는 인의 농도가 낮을 경우, 에미터층은 원하는 면저항을 가질 수 없게 된다. 이는 곧 태양전지의 직렬저항을 증가시키게 되어 태양전지의 효율을 저감시키게 된다.
따라서, 이 경우에는 면저항을 낮추기 위해 앞서 설명한 습식 산화공정에 이용된 수증기(H2O)에 'POCl3' 분위기를 추가하여, 인의 농도를 높여야 한다.
이는 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에미터 형성방법을 보인 흐름도를 참조하기로 한다.
도 5를 살펴보면, 우선 p-타입 실리콘 기판 세척 및 텍스처링한다(s30).
그런 다음, 상기 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판에 인을 추가로 주입하기 위해 고온의 수증기(H2O)와 'POCl3' 분위기에 상기 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판을 노출시킨다(s32).
그러면 상기 p-타입 실리콘 기판의 표면에서 인이 확산하면서 실리콘과 반응하게 되어 산화물층(즉, PSG층)이 형성되고(s34), p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상이 가속화되어 에미터층이 형성된다(s36).
상기 에미터층이 형성된 다음에는 상기 습식 산화공정시의 온도보다 낮은 수소분위기에서 열처리 공정이 수행된다(s38).
상기 열처리가 수행되면 상기 p-타입 실리콘 기판 표면의 불순물들은 상기 산화물층으로 빠져나가게 된다.
상기 산화물층은 습식 식각법에 의해 제거된다(s40). 상기 산화물층의 제거 이유는 상기 실시 예에서의 제 20 단계와 동일하다.
그와 같이 하면, 인의 농도가 보충되기 때문에 p-타입 실리콘 기판에 형성된 에미터의 면 저항을 감소시킬 수가 있고, 이에 적절한 면 저항을 가지는 에미터층을 형성할 수 있다.
도 6은 도 5와 같이 수증기에 'POCl3' 분위기를 추가하여 에미터층을 형성한 경우 실리콘 기판 단면의 불순물 농도 분포도를 보인 그래프이다. 도 6과 도 4의 그래프를 비교하면, 붕소 농도, 인 농도, 순 도핑농도의 세로축에 변화가 있음을 알 수 있다.
이와 같이 도 5는 p-타입 실리콘 기판의 인 농도가 낮을 경우, 습식 산화공정에서 수증기(H2O)와 인 확산을 동시에 실시하는 것이다.
한편, 상기한 바와 같이 습식 산화공정에서 수증기(H2O)와 인을 첨가하여 에미터를 형성할 때, 붕소 디플리션 현상이 과도하게 발생할 수 있다. 이 경우에는 상기한 열처리 공정에서 단지 수소 분위기는 제거하고 열처리만을 함으로써 해결 가능하다. 이러한 공정 단계가 도 7에 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 에미터 형성방법을 보인 흐름도이다. 도 7의 실시 예는 도 5의 방법으로 에미터를 형성할 때 붕소 디플리션 현상이 과도하게 발생할 경우 이를 방지하기 위한 방법이다.
도 7의 에미터 형성방법도 도 5에서 설명한 에미터 형성방법과 거의 유사하다. 우선 p-타입 실리콘 기판 세척 및 텍스처링한다(s60).
그런 다음, 상기 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판에 인을 추가로 주입하기 위해 고온의 수증기(H2O)와 'POCl3' 분위기에 상기 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판을 노출시킨다(s62).
그러면 상기 p-타입 실리콘 기판의 표면에서 인이 확산하면서 실리콘과 반응하게 되어 산화물층(즉, PSG층)이 형성되고(s64), p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상이 가속화되어 에미터층이 형성된다(s66).
상기 에미터층이 형성된 다음에는 상기 습식 산화공정시의 온도보다 낮은 수소분위기에서 열처리 공정이 수행된다(s68). 이때 붕소의 디플리션 현상이 과도하게 발생하면, 상기 붕소의 디플리션의 정도를 줄이기 위해 수소분위기는 제거하고 열처리만을 수행한다. 이는 수소 분위기에서는 붕소의 확산 계수가 증가하기 때문에 이를 억제하기 위함이다.
이에 따라, 상기 붕소의 디플리션 현상이 완화되기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이 접합깊이 'Xj'는 다소 줄어들게 되어 에미터층의 두께에 변화가 발생한다.
이후, 산화물층은 습식 식각에 의해 제거된다(s70).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실리콘 기판에서의 에미터 접합시, 기본적으로 'POCl3' 분위기에서 습식산화공정을 통해 실리콘 기판 표면에서 p-타입 불순물인 붕소의 디플리션 현상을 유도하여 불순물 양을 감소시킬 수 있고,또 습식산화공정에 따라 산화물이 기존 공정보다 더 두껍게 형성되고 있어 실리콘 기판 내의 불순물을 효과적으로 게터링하게 됨을 알 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 일반적인 에미터 형성방법의 흐름도
도 2는 도 1의 방법에 의해 에미터 형성시 실리콘 기판 단면의 불순물 농도분포를 보인 그래프
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에미터 형성방법의 흐름도
도 4는 도 3의 방법에 의한 에미터 형성시 실리콘 기판 단면의 불순물 농도 분포를 보인 그래프
도 5는 도 3의 방법에 인을 추가하여 에미터를 형성하는 방법을 보인 흐름도
도 6은 도 5의 방법에 의한 에미터 형성시 실리콘 기판 단면의 불순물 농도 분포를 보인 그래프
도 7은 도 5의 방법에서 수소분위기를 제거하고 열처리만을 하여 에미터를 형성하는 방법을 보인 흐름도
도 8은 도 7의 방법에 의한 에미터 형성시 실리콘 기판 단면의 불순물 농도 분포를 보인 그래프
Claims (4)
- 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에서 텍스처링된 p-타입 실리콘 기판을 습식 산화시키는 습식 산화단계;상기 습식 산화에 의해 상기 p-타입 도펀트인 붕소의 농도가 상기 p-타입 실리콘 기판에 포함된 인의 농도 이하가 되도록 하면서 산화물층과 에미터층을 형성하는 산화물층/에미터층 형성단계;상기 산화물층/에미터층이 형성되면, 수소 분위기에서 상기 습식 산화시의 온도보다 낮은 온도로 열처리를 수행하는 열처리 수행단계; 그리고,상기 산화물층을 제거하는 산화물층 제거단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 에미터 형성방법.
- 제 1항에 있어서,상기 습식 산화단계는, 상기 p-타입 도펀트인 붕소의 확산 계수를 크게 하여 상기 붕소의 디플리션 현상이 가속화되도록 하는 것임을 특징으로 하는 에미터 형성방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 수증기(H2O) 등이 포함된 분위기에 의해 에미터 형성 공정시, 상기 인 의 농도가 낮게 되어 면저항이 크게 되면, 상기 수증기(H2O)에 'POCl3'분위기를 추가하여 면저항을 조절하는 것을 특징으로 하는 에미터 형성방법.
- 제 3항에 있어서,상기 수증기(H2O)에 'POCl3'분위기를 추가하여 에미터 형성시, 상기 p-타입 실리콘 기판의 표면에서 p-타입 도펀트인 붕소의 디플리션 현상이 과도하게 발생하면, 상기 에미터가 형성된 다음의 열처리 공정에서 수소 분위기는 제거하고 열처리만을 수행하는 것을 특징으로 하는 에미터 형성방법.
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