KR20110042051A - 주입을 사용하여 솔라 셀의 제작 - Google Patents

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KR20110042051A
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바박 아디비
에드워드 에스. 머러
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솔라 임플란트 테크놀로지스 아이엔씨.
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Abstract

솔라 셀 디바이스는 앞서 존재하는 불순물을 포함하는 실리콘 기판을 포함한다. 균질하고 낮게 도핑된 영역은 실리콘 기판의 표면상에 형성되어, 앞서 존재하는 불순물과 낮게 도핑된 영역 사이의 접합을 형성한다. 높게 도핑된 영역은 실리콘 기판의 표면 상에 선택적으로 주입된다. 시드 층은 높게 도핑된 영역 위에 형성된다. 금속 접촉은 시드 층 위에 형성된다. 디바이스는 반사-방지 코팅을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 높게 도핑된 영역은 포물선 형태를 형성한다. 높게 도핑된 영역은 각각 실리콘 기판에서 50 내지 200 미크론 범위 거리의 폭을 가질 수 있다. 또한 높게 도핑된 영역은 실리콘 기판 상에서 서로로부터 1 내지 3 mm 범위의 거리만큼 측면으로 이격될 수 있다. 시드 층은 규화물이 될 수 있다.

Description

주입을 사용하여 솔라 셀의 제작{SOLAR CELL FABRICATION USING IMPLANTATION}
본 발명은, 발명의 명칭이 "SOLAR CELL FABRICATION USING IMPLANTATION"이고, 2008년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/131,687호, 발명의 명칭이 "APPLICATIONS SPECIFIC IMPLANT SYSTEM FOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS"이고, 2008년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/131,688호, 발명의 명칭이 "FORMATION OF SOLAR CELL-SELECTIVE EMITTER USING IMPLANTATION AND ANNEAL METHOD"이고, 2008년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/131,698호, 발명의 명칭이 "SOLAR CELL FABRICATION WITH FACETING AND IMPLANTATION"이고, 2008년 6월 24일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/133,028호, 및 발명의 명칭이 "ADVANCED HIGH EFFICIENCY CRYSTALLINE SOLAR CELL FABRICATION METHOD"이고, 2009년 3월 20일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/210,545호를 우선권으로 주장하며, 이들 모두 본 명세서에서 설명되는 것처럼 참조로서 본 명세서에 병합된다.
본 발명은 솔라 셀(solar cell)의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 솔라 셀 디바이스 및 제작 방법에 관한 것이다.
반도체 기판의 표면 위에 불순물을 형성하는데 확산의 사용은 몇 가지 문제점을 야기한다. 한 가지 문제점은 불순물이 반도체 재질의 체적 내로 침투할 때 표면 근처에서 비활성화된 불순물의 과도한 축적이다. 이러한 과도한 축적은 반도체 기판의 다른 영역에서 고유 저항을 변화시키고, 따라서 솔라 셀의 광흡수 능력의 변화와 전자-홀 형성 및 재결합 성능의 변화를 초래한다. 특히, 직면하는 한 가지 문제점은 "죽은 층"("dead layer")의 형성 결과로서 청색 광의 사용 결핍이다.
종래의 확산 형성 시스템의 다른 단점은 사용은, 라인 폭과 웨이퍼 두께가 점점 줄어들고 있기 때문에, 반도체 기판을 가로질러 불순물의 측면으로 위치 지정하는데 어려운 점이다. 에미터 크기가 200미크론으로부터 50미크론 이하로 줄어듦에 따라 솔라 셀 산업은 불순물의 측면 배치를 요구할 것으로 예상된다. 이러한 소형화는 솔라 셀을 형성하는데 확산 및 스크린 프린팅의 현재의 방법론으로는 어렵거나 심지어 불가능하다. 금속 그리드 라인 사이의 영역에 비해 금속 그리드 라인 아래 영역의 고유 저항을 선택적으로 변경시키는 것은 전하 수집 및 생성의 장점을 제공하고, 따라서 효율에서의 이득을 초래한다.
확산 공정은 전형적으로 반도체 기판의 표면위에 스프레이되거나 또는 페이스트로서 도포되는 불순물 재질을 사용한다. 그후 반도체 기판은 불순물을 특정 깊이까지 침투시켜 접합을 형성하도록 가열된다. 반도체 기판은 전형적으로 확산로 또는 유사한 수단 내에서 가열된다. 바탕의 도핑 유형에 따라 접합을 형성하기 위하여 n-형 또는 p-형 불순물이 사용될 수 있다. 후속 스크린 프린팅 단계는 솔라 셀을 완성시킬 때 웨이퍼의 표면위에 접촉 라인을 형성하기 위하여 사용된다.
반도체와 금속 접촉의 경계면은 솔라 셀의 성능에 영향을 미친다. 종래에 금속 접촉과 실리콘 사이의 접합은 가열되어 질화물을 형성한다. 이러한 가열 공정은 경계면을 개선시키지만, 단점 역시 포함한다.
따라서, 종래의 솔라 셀 제작 방법의 단점을 극복하기 위하여 솔라 셀을 형성하는 개선되고 보다 경제적인 방법을 제공하여, 더 작은 크기를 갖고, 불순물 사용량과 위치를 더 엄격하게 제어하는 솔라 셀의 제작을 허용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 양상에 따라, 솔라 셀 디바이스가 제공된다. 솔라 셀 디바이스는 앞서 존재하는 불순물을 갖는 실리콘 기판을 포함한다. 균질하고 낮게 도핑된 영역은 앞서 존재하는 불순물 위의 실리콘 기판의 표면상에 형성된다. 앞서 존재하는 불순물과 낮게 도핑된 영역 사이에 접합이 형성된다. 접합은 실리콘 기판의 표면으로부터 미리결정된 거리에 형성된다. 높게 도핑된 영역은 낮게 도핑된 영역 내의 실리콘 기판의 표면상에 선택적으로 주입된다. 시드 층(seed layer)은 높게 도핑된 영역 위에 형성된다. 금속 접촉은 시드 층 위에 형성된다. 솔라 셀 디바이스는 반사-방지 코팅을 포함할 수 있다.
예서적인 실시예에 있어서, 솔라 셀 디바이스는 80 Ω/□에서 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 갖는 균질하고 낮게 도핑된 영역과 10 Ω/□에서 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 갖는 높게 도핑된 영역을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 균질하고 낮게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 고유 저항을 포함하고, 높게 도핑된 영역은 대략 25 Ω/□의 고유 저항을 포함한다. 높게 도핑된 영역은 50 내지 200 미크론의 거리의 실리콘 기판상의 폭이 될 수 있다. 또한 높게 도핑된 영역은 실리콘 기판상에서 서로로부터 1 내지 3mm 범위의 거리만큼 측면으로 이격될 수 있다.
시드 층은 질화물이 될 수 있다. 시드 층은 또한 재질 Ni, Ta, Ti, W 또는 Cu 중 어느 하나를 포함하는 재질의 층이 될 수 있다. 실리콘 기판은 이온 주입 공정 도중에 높게 도핑된 영역의 배치를 정렬시키기 위해 구성된 기준 표식을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 양상에 따라, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 앞서 존재하는 불순물을 포함하는 실리콘 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 이온 주입 공정은 앞서 존재하는 불순물 위의 실리콘 기판의 표면상에 균질하고 낮게 도핑된 영역을 형성하기 위하여 사용된다. 앞서 존재하는 불순물과 낮게 도핑된 영역 사이에 접합이 형성된다. 접합은 실리콘 기판의 표면으로 미리 결정된 거리에 형성된다. 선택적인 이온 주입 공정은 낮게 도핑된 영역 내의 실리콘 기판의 표면상에 주입된 높게 도핑된 영역을 형성하기 위하여 사용된다. 높게 도핑된 영역은 실리콘 기판의 표면상의 미리 결정된 위치에 주입된다. 선택적인 이온 주입 공정은 높게 도핑된 영역위에 시드 층을 형성하기 위하여 사용된다. 시드 층 위에 금속 접촉이 형성된다. 이 방법은 반사-방지 코팅을 형성하는 단계를 포함한다.
높게 도핑된 영역은 물리적인 마스크를 사용하여 실리콘 기판의 표면상의 미리 결정된 위치에 주입된다. 물리적인 마스크는 미리 결정된 위치와 정렬되는 개구부를 포함한다. 물리적인 마스크는 실리콘 기판의 표면상에 형성된다. 물리적인 마스크는 높게 도핑된 영역을 형성하기 위한 선택적인 이온 주입 공정 도중에 실리콘 기판의 표면 위의 미리결정된 거리에 위치한다. 대안적인 실시예에 있어서, 선택적인 이온 주입 공정은 높게 도핑된 영역을 형성하기 위하여 미리 결정된 위치와 정렬되는 성형된 이온 빔을 사용한다. 다른 실시예에 있어서, 이러한 선택적인 주입은 기판의 표면상의 마스크를 통해 이루어질 수 있다. 높게 도핑된 영역을 형성하는 상기의 모든 실시예의 조합이 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 균질하고 낮게 도핑된 영역은 80 Ω/□ 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함하고, 균질하고 낮게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 고유 저항을 포함한다. 높게 도핑된 영역은 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 높게 도핑된 영역은 대략 25 Ω/□의 고유 저항을 포함한다. 높게 도핑된 영역 각각은 실리콘 기판상에서 50 내지 200 미크론 범위의 거리의 폭을 포함하고, 높게 도핑된 영역은 실리콘 기판상에서 서로로부터 1 내지 3mm 범위의 거리만큼 측면으로 이격될 수 있다.
시드 층은 바람직하게 질화물이다. 시드 층은 또한 재질 Ni, Ta, Ti, W 또는 Cu 중 어느 하나를 포함하는 재질의 층이 될 수 있다. 실리콘 기판은 선택적 이온 주입 공정 도중에 높게 도핑된 영역의 배치를 정렬시키기 위해 구성된 기준 표식을 포함할 수 있다. 이러한 방법은 균질하고 낮게 도핑된 영역을 갖는 실리콘 기판상에 어닐링 공정을 사용하는 단계를 포함한다. 대안적으로 어닐링 공정은 금속 접촉을 형성한 이후 실리콘 기판상에서 사용된다. 금속 접촉을 형성한 후 어닐링을 사용하는 것은 종래의 공정보다 낮은 온도의 어닐링을 허용한다. 따라서, 그렇지 않을 경우 높은 온도에서 열화될 수 있는 캐리어 상의 기판 또는 얇은 기판의 사용을 허용한다.
본 발명의 다른 특징은 첨부된 도면과 연관하여 이루어진 다음의 설명을 고려하여 자명해질 것이다.
본 발명의 새로운 특징은 청구범위에서 설명된다. 하지만, 설명의 목적을 위하여 본 발명의 몇몇 실시예가 다음의 도면에서 설명된다.
본 발명에 따른 개선되고 보다 경제적인 솔라 셀 형성 방법을 통해, 종래의 솔라 셀 제작 방법의 단점이 극복되고, 더 작은 크기를 갖고, 불순물 사용량과 위치를 더 엄격하게 제어하는 솔라 셀의 제작을 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔라 셀의 선택적인 에미터 구조를 제작하는 방법을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 솔라 셀의 선택적인 에미터 구조를 제작하는 방법을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 솔라 셀의 선택적인 에미터 구조를 제작하는 방법을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔라 셀의 시드 층을 형성하는 방법을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔라 셀의 접촉 층을 형성하는 방법을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔라 셀 디바이스의 측면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 솔라 셀 디바이스의 측면도.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 솔라 셀 디바이스의 측면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 솔라 셀 디바이스를 형성하는 공정 흐름도를 도시하는 도면.
다음의 설명에서, 다수의 세부사항 및 대안이 설명의 목적을 위하여 설명되었다. 그러나, 당업자라면 본 발명이 이들 특정 세부사항을 사용하지 않도고 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 예에 있어서, 잘 알려진 구조 및 디바이스는 불필요한 세부 사항으로 본 발명을 불명확하게 하지 않도록 블록도 형태로 도시된다.
본 발명은 균질의 선택적인 에미터 영역을 형성하기 위하여 주입을 사용한다. 본 발명은 솔라 셀의 형성 특히 일련의 주입 공정을 통해 선택적인 에미터의 형성을 위한 방법을 다룬다. 현재, 불순물을 측면으로 조작하고 위치시키는 능력은 종래의 확산 또는 스크린 프린팅 공정으로는 어렵다. 본 발명은 그리드라인, 접촉의 저항을 선택적으로 제어하고, 금속/반도체 경계면의 접촉 저항을 선택적으로 제어한다. 더욱이, 이온 주입을 통한 선택적인 에미터의 유리한 형성은 솔라 셀 디바이를 위한 개선된 성능을 가능케 한다. 본 발명은 성장한 단일 또는 단-결정, 폴리 또는 다-결정 실리콘에 적용될 수 있고, 또한 캐리어(유리와 같은)상에 위치한 매우 얇은 실리콘 또는 매우 얇은 막으로 증착된 실리콘 또는 솔라 셀 형성을 위해 사용된 다른 재질에 적용될 수 있다. 본 발명은 접합의 제작에 사용되는 임의의 다른 재질을 위한 원자 종의 배치에 확장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주입 공정을 사용하는 선택적인 에미터 구조(105){단계(101D)}를 제작하는 방법을 도시한다. 단계(101A)에서, 불순물(102)로 사전 도핑된 실리콘 기판(101)이 제공된다. 실리콘 기판(101)은 단- 또는 폴리 실리콘 재질의 웨이퍼를 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 실리콘 기판은 156×156 mm 웨이퍼를 포함한다. 당업자에게 알려진 다른 적합한 기판 역시 실리콘 기판(101)을 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 실리콘 기판(101)은 사전 도핑된 재질(102)을 포함한다. 사전 도핑된 재질(102)은 전형적으로 p-형 불순물, 또는 대안적으로 n-형 불순물로 사전 도핑된다. 사전 도핑된 재질(102)은 0.5 - 1.5 Ω/cm 범위의 고유 저항과 5×1016/cm3 미만의 원자 농도를 가질 수 있다. 높은 생산성을 가진 주입 시스템(미도시)이 균질하고 낮게 도핑된 영역 또는 균질한 영역(104)의 형성을 위해 사용된다. 이러한 주입 시스템은 발명의 명칭이 "APPLICATION SPECIFIC IMPLANT SYSTEM FOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS"이고, 2009년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국특허출원 제 XXXXXX호의 요지이고, 이 특허출원은 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 병합된다. 균질한 층(104)은 높은 고유 저항 영역이다. 균질한 층(104)은 광 입사의 결과로서 전자-홀 쌍의 형성을 허용한다. 동작시, 균질한 층(104)은 바람직하게 재결합을 회피하면서 전하 캐리어의 형성을 용이하게 하기 위하여 상대적으로 낮은 레벨의 불순물(높은 고유 저항)을 사용하여, "죽은 층"("dead layer") 효과를 회피한다.
이온 빔('A')은 균질한 층(104)의 주입을 위해 사용된다. 이온 빔(A)은 사전 도핑된 재질(102) 내에 블랭킷(blanket) 방식으로 균질한 층(104)을 주입한다. 균질한 층(104)을 주입할 때, 실리콘 기판(101)을 가로질러 완전한 커버를 제공하기 위해 스폿 빔 또는 넓은 플라즈마 빔이 사용된다. 완전한 커버를 달성하기 위하여 빔이 웨이퍼를 가로질러 주사되거나, 웨이퍼가 빔아래에서 움직이거나, 또는 이들의 조합이 이루어질 수 있다. 주입 시스템의 생산성은 대략 시간 당 1000개 이상의 웨이퍼를 포함한다.
사전 도핑된 재질(102)과 균질한 층(104)이 만나는 곳에 p-n 접합(103)이 형성된다. 접합(103)은 실리콘 기판(101)의 표면(107)으로부터 미리결정된 거리에 형성될 수 있다. 표면(107)으로부터의 접합(103)의 거리는 이온 빔(A)에 사용된 에너지(E1)의 양에 따라 결정된다. 에너지(E1)의 양은 솔라 셀 디바이스를 위한 원하는 규격에 따라 1 내지 150 KeV 범위일 수 있다. 균질한 층(104)은 80 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 균질한 층(104)의 고유 저항은 대략 100 Ω/□를 포함한다. 어닐링 단계가 본 명세서에서 수행될 수 있고, 이하의 단계(101C)에서 더 상세하게 기술된다. 대안적으로, 본 명세서에서 어닐링 단계는 아래의 최종 어닐링 단계(도 6) 때까지 제거될 수 있다.
단계(101B)에서, 접촉 마스크(106)는 실리콘 기판(101)의 표면(107)상에 형성된다. 접촉 마스크(106)는 미리 결정된 위치의 실리콘 기판(101) 내에 불순물의 선택적인 배치를 허용한다. 접촉 마스크(106)는 당업자에게 알려진 임의의 적합한 마스크일 수 있다. 이러한 마스크의 예는 포토-레지스트, 질화물 층, 산화물 층, 스크린-프린팅 또는 임의의 다른 적합한 필름을 포함할 수 있다. 접촉 마스크(106)는 당업자에게 알려진 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 리쏘그라피 또는 접촉 프린팅 공정이 접촉 마스크(106)를 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 접촉 마스크(106) 내의 개구부(109)의 폭은 대략 200미크론일 수 있다. 교대로, 개구부(109)의 폭은 50미크론 만큼 작은 폭일 수 있다. 개구부(109)와 동일한 크기의 선택적인 에미터(108)가 실리콘 기판(101) 내에 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다. 각 선택적인 에미터(108){단계(101C)} 사이의 거리 또는 피치(111){단계(101C)는 대략 1mm 내지 3mm의 범위일 수 있다.
단계(101C)는 선택적인 에미터(108)를 위한 높게 도핑된 영역을 주입하기 위하여 이온 주입 빔('B')을 사용하는 것을 도시한다. 이온 빔(B)은 접촉 마스크(106)에 의해 보호되지 않는 균질한 층(104) 내에 선택적인 에미터(108)를 주입한다. 이온 빔(B)은 전체 실리콘 기판(101) 위에 블랭킷 방식으로 가해질 수 있고, 여기에서 접촉 마스크(106)는 이온이 기판에 들어가는 것을 방지할 것이다. 대안적으로, 이온 빔(B)은 적절히 방향이 정해지는 성형된 빔을 사용하여 타킷화된 방식으로 가해질 수 있다. 성형된 빔을 사용하는 것은 불순물 사용을 감소시키는 것을 도울 수 있고, 주입 공정의 생산성을 향상시키는 것을 도울 수 있다. 이온 빔(B)은 제작자의 규격에 따라 선택된 불순물을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(108)를 위한 불순물은 인 또는 비소와 같은 n-형 불순물을 포함한다. 대안적으로 이온 빔(B)은, 실리콘 기판(101)을 위한 n-형 사전 도핑된 재질(102)을 사용하는 일 실시예에서 붕소와 같은 p-형 불순물을 포함할 수 있다. 선택적인 에미터(108)는 표면(107)으로부터 사전 도핑된 재질(102)로 일정 깊이 및 거리까지 주입된다. 표면(107)으로부터 선택적인 에미터(108)의 거리는 이온 빔(B)에 사용된 에너지(E2)의 양에 따라 결정된다. 거리는 또한 이온 빔(B)을 위해 선택된 불순물 농도 레벨에 의존한다. 에너지(E2)의 양은 솔라 셀 디바이스를 위한 원하는 규격에 의존할 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 단계(101C)는 변화하는 에너지 레벨과 변화하는 불순물 농도 레벨의 이온 빔(B)을 사용하는 다중 주입을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 에너지(E2)는 맞춤화된 원자 프로파일을 제공하기 위한 변화성의 연속체일 수 있다. 이러한 프로파일 맞춤화는 발명의 명칭이 "FORMATION OF SOLAR CELL SELECTIVE EMITTER USING IMPLANT AND ANNEAL METHOD"이고, 2009년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국특허출원 제 XXXXXX호에서 더 상세하게 설명되는데, 이 특허출원은 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 병합된다.
어닐링 단계는 실리콘 기판(101)을 용융점 근처의 하지만 용융점 아래의 온도까지 가열하여 이온 주입으로 인해 야기된 실리콘 기판(101)의 결정 구조에 대한 임의의 손상을 복원시킨다. 또한, 이러한 어닐링은 불순물 원자의 활성화를 야기할 것이다. 이러한 어닐링 및 활성화의 온도와 시간은 400-500℃ 만큼 낮을 수 있는데, 이 온도는 임의의 이중 원자 빈자리{실리콘 기판(101)의 결정 구조의 비어있는 원자}를 제거하고, 불순물 원자의 충분한 활성화를 제공하는데 충분한 온도이다. 어닐링 단계는 로(furnace) 어닐링을 포함할 수 있다. 대안적으로, 로 어닐링 대신에 레이저 어닐링 또는 플래쉬 램프 어닐링이 사용될 수 있다. 어닐링 단계는 이하에서 설명되는 후속적인 공정 단계에 악영향을 미치지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 이러한 어닐링 단계는 이하의 최종 어닐링 단계(도 6) 까지 제거될 수 있다.
표면 조직화 공정은 선택적인 에미터(108)의 단계(101C) 주입과 함께 포함될 수 있다. 표면 조직화는 표면 윤곽에 대한 양호한 광 캡쳐 및 부착을 제공하고, 따라서 이하에서 설명되는 접촉 형성을 개선시킬 것이다. 선택적인 에미터(108)는 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(108)의 고유 저항은 대략 25 Ω/□를 포함한다.
단계(101D)는 완성된 선택적인 에미터 구조(105)를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주입 공정을 사용하여 선택적인 에미터 구조(205){단계(201C)}를 제작하는 방법을 도시한다. 도 1에서 설명한 것과 유사하게, 단계(201A)에서 불순물(202)로 사전 도핑된 실리콘 기판(201)이 제공된다. 실리콘 기판(201)은 단, 폴리 또는 다중 결정 실리콘 재질의 웨이퍼를 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 실리콘 기판은 156×156 mm 웨이퍼를 포함한다. 당업자에게 알려진 다른 적합한 기판 역시 실리콘 기판(201)을 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 실리콘 기판(201)은 사전 도핑된 재질(202)을 포함한다. 사전 도핑된 재질(202)은 p-형 불순물로 사전 도핑된다. 사전 도핑된 재질(202)은 0.5 - 1.5 Ω/cm 범위의 고유 저항과 5×1016/cm3 미만의 원자 농도를 가질 수 있다. 위에서 설명한 주입 시스템은 균질하고 낮게 도핑된 영역 또는 균질한 층(204)의 형성을 위해 높은 생산성을 포함한다. 균질한 층(204)은 높은 고유 저항 영역이다. 균질한 층(204)의 목적은 광 입사의 결과로서 전자-홀 쌍의 형성이다. 동작시, 균질한 층(204)은 전하 캐리어의 형성을 용이하게 하기 위하여 상대적으로 낮은 레벨의 불순물(높은 고유 저항)을 필요로 한다. 이온 빔('A')이 균질한 층(204)의 주입을 위해 사용된다. 이온 빔(A)은 사전 도핑된 재질(202) 내에 블랭킷(blanket) 방식으로 균질한 층(204)을 주입한다. 균질한 층(204)을 주입할 때, 실리콘 기판(201)을 가로질러 완전한 커버를 제공하기 위해 스폿 빔 또는 넓은 플라즈마 빔이 사용된다. 주입 시스템의 생산성은 대략 시간 당 1000개 이상의 웨이퍼를 포함한다.
사전 도핑된 재질(202)과 균질한 층(204)이 교차하는 곳에 p-n 접합(203)이 형성된다. 접합(203)은 실리콘 기판(201)의 표면(207)으로부터 미리결정된 거리에 형성될 수 있다. 표면(207)으로부터의 접합(203)의 거리는 이온 빔(A)에 사용된 에너지(E1)의 양에 따라 결정된다. 에너지(E1)의 양은 솔라 셀 디바이스를 위한 원하는 규격에 따라 1 내지 150 KeV 범위일 수 있다. 균질한 층(204)은 80 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 균질한 층(204)의 고유 저항은 대략 100 Ω/□를 포함한다. 어닐링 단계가 본 명세서에서 수행될 수 있고, 이하의 단계(201B)에서 더 상세하게 기술된다. 대안적으로, 본 명세서에서 어닐링 단계는 아래의 최종 어닐링 단계(도 6) 때까지 제거될 수 있다.
단계(201B)에서, 선택적인 에미터(208)의 주입을 용이하게 하기 위해 하드 마스크(206)가 사용된다. 하드 마스크는 주입 시스템(미도시)의 주입기(미도시)에 포함될 수 있다. 하드 마스크(206)는 미리 결정된 위치의 실리콘 기판(201) 내에 불순물의 선택적인 배치를 허용한다. 하드 마스크(206)는 그러한 마스크가 제작될 수 있는 임의의 적합한 재질일 수 있다. 하드 마스크(206)의 적합한 재질은 스퍼터링을 통한 주입 공정 또는 솔라 셀 디바이스에 영향을 미치지 않는다. 하드 마스크(206)의 적합한 재질은 이온 빔 가열 도중에 겪는 상승된 온도를 견딜 수 있다. 일 실시예에 있어서, 하드 마스크(206)는 실리콘 또는 SiC를 포함할 수 있다. 그러나, 당업자라면 많은 수의 적합한 다른 재질을 알 수 있을 것이다. 하드 마스크(206)의 적합한 두께는 하드 마스크(206)의 가열 및 냉각 도중에 하드 마스크(206)의 제어 및 관리를 허용한다. 하드 마스크(206)의 배치 및 지지는 하드 마스크(206)를 위해 선택된 재질 및 두께에 의존한다. 하드 마스크(206)는 이온 주입의 시작 이전에 배치될 수 있다. 하드 마스크(206)는 실리콘 기판 표면(207)상에 직접 위치될 수 있다. 대안적으로 지지부 또는 스페이서(미도시)가 하드 마스크와 실리콘 기판의 표면(207) 사이에 간극을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 하드 마스크(206)는 표면(207)로부터 떨어져 위치한 어레이일 수 있다.
하드 마스크(206) 내의 개구부(209)는 대략 200미크론 만큼 큰 폭의 선택적인 에미터(208)를 제작하기 위한 거리일 수 있다. 교대로, 개구부(209)는 조정될 수 있거나, 50미크론 만큼 작은 폭의 선택적인 에미터(208)를 제작하기 위한 거리일 수 있다. 각 선택적인 에미터(208) 사이의 거리 또는 피치(211)는 대략 1mm 내지 3mm 범위일 수 있다. 정합 표시 또는 기준 표식이 주입 시스템을 사용하여 실리콘 기판(201)상에 새겨질 수 있다. 정합 표시는 하드 마스크(206)의 실리콘 기판(201)과의 정렬을 위해 사용될 수 있다. 정합 표시는 선택적인 에미터(208)의 주입 공정의 후속 단계 도중에 정렬을 위해 사용될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 웨이퍼의 가상적인 중심이 광학적으로 한정되고, 하드 마스크(206)와 웨이퍼는 적절히 정렬되어, 많은 수의 웨이퍼 상에 일치되고 반복 가능한 패턴을 제공한다.
단계(201B)를 다시 참조하면, 높게 도핑된 영역 또는 선택적인 에미터(208)를 주입하기 위한 이온 주입 빔('C')이 도시된다. 이온 빔(C)은 하드 마스크(206)에 의해 가려지지 않은 균질한 층(204) 내에 선택적인 에미터(208)를 주입한다. 이온 빔(C)은 하드 마스크(206)를 포함하는 전체 실리콘 기판(201) 위에 블랭킷 방식으로 인가될 수 있다. 대안적으로, 이온 빔(C)은 성형된 빔을 사용하여 타깃화된 방식으로 인가될 수 있다. 성형된 빔을 사용하는 것은 불순물 사용을 줄이고 주입 공정의 생산을 증가시키는 것을 도울 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 이온 빔(C)은 넓게 성형된 이온 빔을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 이온 빔(C)은 움직이는 스폿 이온 빔을 포함할 수 있다. 넓게 성형된 이온 빔와 움직이는 스폿 빔은 50 미크론의 폭에 접근하는 선택적인 에미터(208)의 형성을 용이하게 하기 위하여 사용될 수 있다.
이온 빔(C)은 제작자의 규격에 따라 선택된 불순물을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(208)를 위한 불순물은 인 또는 비소와 같은 n-형 불순물을 포함한다. 대안적으로 이온 빔(C)은, 실리콘 기판(201)을 위한 n-형 사전 도핑된 재질(202)을 사용하는 일 실시예에서 p-형 불순물을 포함할 수 있다. 선택적인 에미터(208)는 표면(207)으로부터 사전 도핑된 재질(202)로 일정 깊이 및 거리까지 주입된다. 표면(207)으로부터 선택적인 에미터(208)의 거리는 이온 빔(C)에 사용된 에너지(E2)의 양에 따라 결정된다. 거리는 또한 이온 빔(C)을 위해 선택된 불순물 농도 레벨에 의존한다. 에너지(E2)의 양은 솔라 셀 디바이스를 위한 원하는 규격에 의존할 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 단계(201B)는 변화하는 에너지 레벨과 변화하는 불순물 농도 레벨의 이온 빔(C)을 사용하는 다중 주입을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 에너지(E2)는 맞춤화된 원자 프로파일을 제공하기 위한 변화성의 연속체일 수 있다. 이러한 프로파일 맞춤화는 발명의 명칭이 "FORMATION OF SOLAR CELL SELECTIVE EMITTER USING IMPLANT AND ANNEAL METHOD"이고, 2009년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국특허출원 제 XXXXXX호에서 더 상세하게 설명되는데, 이 특허출원은 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 병합된다.
어닐링 단계는 실리콘 기판(201)을 용융점 근처의 하지만 용융점 아래의 온도까지 가열하여 이온 주입으로 인해 야기된 실리콘 기판(201)의 결정 구조에 대한 임의의 손상을 복원시킨다. 또한, 이러한 어닐링은 불순물 원자의 활성화를 야기할 것이다. 이러한 어닐링 및 활성화의 온도와 시간은 400-500℃ 만큼 낮을 수 있는데, 이 온도는 임의의 이중 원자 빈자리{실리콘 기판(201)의 결정 구조의 비어있는 원자}를 제거하고, 불순물 원자의 충분한 활성화를 제공하는데 충분한 온도이다. 어닐링 단계는 로(furnace)-어닐링을 포함할 수 있다. 대안적으로, 로-어닐링 대신에 레이저 어닐링 또는 플래쉬 램프 어닐링이 사용될 수 있다. 어닐링 단계는 이하에서 설명되는 후속적인 공정 단계에 악영향을 미치지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 이러한 어닐링 단계는 이하의 최종 어닐링 단계(도 6) 까지 제거될 수 있다.
표면 조직화 공정은 선택적인 에미터(208)의 단계(201B) 주입과 함께 포함될 수 있다. 표면 조직화는 표면 윤곽에 대한 양호한 광 캡쳐 및 부착을 제공하고, 따라서 이하에서 설명되는 접촉 형성을 개선시킬 것이다. 선택적인 에미터(208)는 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(208)의 고유 저항은 대략 25 Ω/□를 포함한다.
단계(201C)는 완성된 선택적인 에미터 구조(205)를 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주입 공정을 사용하여 선택적인 에미터 구조(305){단계(301C)}를 제작하는 방법을 도시한다. 선택적인 에미터 구조(305)는 도 2에서 설명한 선택적인 에미터 구조(205)와 유사하다. 단계(301A)에서 불순물(302)로 사전 도핑된 실리콘 기판(301)이 제공된다. 실리콘 기판(301)은 단, 폴리 또는 다중 결정 실리콘 재질의 웨이퍼를 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 실리콘 기판은 156×156 mm 웨이퍼를 포함한다. 당업자에게 알려진 다른 적합한 기판 역시 실리콘 기판(301)을 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 실리콘 기판(301)은 사전 도핑된 재질(302)을 포함한다. 사전 도핑된 재질(302)은 p-형 불순물로 사전 도핑된다. 사전 도핑된 재질(302)은 0.5 - 1.5 Ω/cm 범위의 고유 저항과 5×1016/cm3 미만의 원자 농도를 가질 수 있다. 위에서 설명한 주입 시스템은 균질하고 낮게 도핑된 영역 또는 균질한 층(304)의 형성을 위해 높은 생산성을 포함한다. 균질한 층(304)은 높은 고유 저항 영역이다. 균질한 층(304)의 목적은 광 입사의 결과로서 전자-홀 쌍의 형성이다. 동작시, 균질한 층(304)은 전하 캐리어의 형성을 용이하게 하기 위하여 상대적으로 낮은 레벨의 불순물(높은 고유 저항)을 필요로 한다. 이온 빔(A)이 균질한 층(304)의 주입을 위해 사용된다. 이온 빔(A)은 사전 도핑된 재질(302) 내에 블랭킷(blanket) 방식으로 균질한 층(304)을 주입한다. 균질한 층(304)을 주입할 때, 실리콘 기판(301)을 가로질러 완전한 커버를 제공하기 위해 스폿 빔 또는 넓은 플라즈마 빔이 사용된다. 주입 시스템의 생산성은 대략 시간 당 1000개 이상의 웨이퍼를 포함한다.
사전 도핑된 재질(302)과 균질한 층(304)이 만나는 곳에 p-n 접합(303)이 형성된다. 접합(303)은 실리콘 기판(301)의 표면(307)으로부터 미리결정된 거리에 형성될 수 있다. 표면(307)으로부터의 접합(303)의 거리는 이온 빔(A)에 사용된 에너지(E1)의 양에 따라 결정된다. 에너지(E1)의 양은 솔라 셀 디바이스를 위한 원하는 규격에 따라 1 내지 150 KeV 범위일 수 있다. 균질한 층(304)은 80 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 균질한 층(304)의 고유 저항은 대략 100 Ω/□를 포함한다. 어닐링 단계가 본 명세서에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 본 명세서에서 어닐링 단계는 아래의 최종 어닐링 단계(도 6) 때까지 제거될 수 있다.
단계(301B)에서, 선택적인 에미터(308)의 주입을 용이하게 하기 위해 이온 주입 빔('D')가 사용된다. 정합 표시 또는 기준 표식이 주입 시스템을 사용하여 실리콘 기판(301)상에 새겨질 수 있다. 정합 표시는 단계(301B)에서 아래에 도시된 선택적인 에미터(308)의 주입 공정 도중에 정렬을 위해 사용될 수 있다.
단계(301B)를 다시 참조하면, 높게 도핑된 영역 또는 선택적인 에미터(308)를 주입하기 위한 이온 주입 빔(D)이 도시된다. 이온 빔(D)은 자기 수단, 정전기 수단 또는 이들 수단의 조합을 사용하여 이온 빔(D)을 성형함으로써 타깃화된 방식으로 인가될 수 있다. 이온 빔(D)은 선택적인 에미터(308)의 폭(309)과 일치하는 지정된 크기로 성형될 수 있다. 이온 빔(D)은 실리콘 기판(301)의 길이와 폭과 일치하는 일 방향 또는 양 방향에서 폭이 좁아질 수 있다. 이온 빔(D)은 일 방향에서 폭이 좁아져 실리콘 기판(301)의 길이 방향을 가로질러 주사될 수 있다. 대안적으로 이온 빔(D)은 신장되어 실리콘 기판(301)의 폭을 따라 주사될 수 있다. 다른 실시예에서, 이온 빔(D)은 선택적인 에미터(308)의 주입 도중에 상부가 평평한 형태의 빔으로 형성될 수 있다. 성형된 빔을 사용하는 것은 불순물 사용을 줄이고 주입 공정의 생산을 증가시키는 것을 도울 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 이온 빔(D)은 넓게 성형된 이온 빔을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 이온 빔(D)은 빔의 조작, 웨이퍼 위치의 조작 또는 빔 펄싱을 통해, 높고 낮은 불순물의 영역을 생성하기 위하여 임의의 마스킹이 없는 성형된 빔 또는 주사 빔을 포함할 수 있다. 임의의 마스킹이 없는 성형된 또는 주사 빔을 사용하는 것은 이온 빔(D)의 부가적이고 중첩하는 분산을 제공한다.
이온 빔(D)은 실리콘 기판(301)의 표면(307)상의 미리 결정된 위치의 균질한 층(304) 내에 선택적인 에미터(308)를 주입한다. 이온 빔(D)은 대략 200 미크론 만큼 큰 폭의 선택적인 에미터(308)를 제공하도록 성형될 수 있다. 교대로 이온 빔(D)은 50 미크론 만큼 작은 폭의 선택적인 에미터(308)을 제공하도록 성형될 수 있다. 각 선택적인 에미터(308) 사이의 거리 또는 피치(311)는 대략 1mm 내지 3mm의 범위가 될 수 있다.
이온 빔(D)은 제작자의 규격에 따라 선택된 불순물을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(308)를 위한 불순물은 인 또는 비소와 같은 n-형 불순물을 포함한다. 대안적으로 이온 빔(D)은, 실리콘 기판(301)을 위한 n-형 사전 도핑된 재질(302)을 사용하는 일 실시예에서 붕소와 같은 p-형 불순물을 포함할 수 있다. 선택적인 에미터(308)는 표면(307)으로부터 사전 도핑된 재질(302)로 일정 깊이 및 거리까지 주입된다. 표면(307)으로부터 선택적인 에미터(308)의 거리는 이온 빔(D)에 사용된 에너지(E2)의 양에 따라 결정된다. 거리는 또한 이온 빔(D)을 위해 선택된 불순물 농도 레벨에 의존한다. 에너지(E2)의 양은 솔라 셀 디바이스를 위한 원하는 규격에 의존할 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 단계(301B)는 변화하는 에너지 레벨과 변화하는 불순물 농도 레벨의 이온 빔(D)을 사용하는 다중 주입을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 에너지(E2)는 맞춤화된 원자 프로파일을 제공하기 위한 변화성의 연속체일 수 있다. 이러한 프로파일 맞춤화는 발명의 명칭이 "FORMATION OF SOLAR CELL SELECTIVE EMITTER USING IMPLANT AND ANNEAL METHOD"이고, 2009년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국특허출원 제 XXXXXX호에서 더 상세하게 설명되는데, 이 특허출원은 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 병합된다.
어닐링 단계는 실리콘 기판(301)을 용융점 근처의 하지만 용융점 아래의 온도까지 가열하여 이온 주입으로 인해 야기된 실리콘 기판(301)의 결정 구조에 대한 임의의 손상을 복원시킨다. 또한, 이러한 어닐링은 불순물 원자의 활성화를 야기할 것이다. 이러한 어닐링 및 활성화의 온도와 시간은 400-500℃ 만큼 낮을 수 있는데, 이 온도는 임의의 이중 원자 빈자리{실리콘 기판(301)의 결정 구조의 비어있는 원자}를 제거하고, 불순물 원자의 충분한 활성화를 제공하는데 충분한 온도이다. 어닐링 단계는 로-어닐링을 포함할 수 있다. 대안적으로, 로-어닐링 대신에 레이저 어닐링 또는 플래쉬 램프 어닐링이 사용될 수 있다. 어닐링 단계는 이하에서 설명되는 후속적인 공정 단계에 악영향을 미치지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 이러한 어닐링 단계는 이하의 최종 어닐링 단계(도 6) 까지 제거될 수 있다.
표면 조직화 공정은 선택적인 에미터(308)의 단계(301B)의 주입과 함께 포함될 수 있다. 표면 조직화는 표면 윤곽에 대한 양호한 광 캡쳐 및 부착을 제공하고, 따라서 이하에서 설명되는 접촉 형성을 개선시킬 것이다. 선택적인 에미터(308)는 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(308)의 고유 저항은 대략 25 Ω/□를 포함한다.
단계(301C)는 완성된 선택적인 에미터 구조(305)를 도시한다. 단계(301D)는 완성된 선택적인 에미터 구조(305A)의 대안적인 실시예를 도시한다. 선택적인 에미터 구조(305A)는 선택적인 에미터 구조(305A)가 선택적인 에미터(308A)를 포함하는 것을 제외하고 완성된 선택적인 에미터 구조(305)와 유사하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이 또는 시드 층(312)의 형성을 도시한다. 위의 도 1에서 설명된 것과 유사하게 선택적인 에미터 구조(305) 위에 접촉 마스크(310)가 형성된다. 접촉 마스크(310)는 선택적인 에미터 구조(305)의 표면상에 형성된다. 접촉 마스크(310)는 당업자에게 알려진 임의의 적합한 마스크일 수 있다. 이러한 마스크의 예는 반사-방지 커버, 질화물 층, 산화물 층, 스크린 프린팅 또는 임의의 다른 적합한 막을 포함한다. 접촉 마스크(310)는 당업자에게 알려진 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 리쏘그라피 또는 접촉 프린팅 공정이 접촉 마스크(310)를 형성하기 위하여 사용된다. 하드 마스크(206)(도 2)와 유사한 물리적인 마스크가 사용될 수도 있다.
이온 빔('E')은 선택적인 에미터(308) 위에 시드 층(312)을 주입하기 위하여 사용된다. 이온 빔(E)은 상대적으로 높은 사용량의 금속을 포함할 수 있다. 이온 빔(E)의 배치는 위에서 설명한 것과 유사할 수 있다. 이온 빔(E)은 위에서 설명한 것과 유사하게 성형된 이온 빔을 포함할 수 있다. 시드 층(312)은 질화물 층을 포함할 수 있다. 시드 층(312)은 Ni, Ta, Ti, W 또는 Cu와 같은 다양한 금속 주입물을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 시드 층(312)은 각각이 다른 재질로 이루어진 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 시드 층(312)은 접촉(314)(도 5)과 선택적인 에미터(308) 사이의 금속/반도체 경계면의 일함수를 변경시킨다. 예시적인 실시예에 있어서, 시드 층(312)의 선택적인 에미터(308)의 일함수와 접촉(314)(도 5)의 일함수의 중간값이다. 이러한 일함수 또는 밴드갭(band gap) 기술은 접촉의 금속/반도체 경계면을 개선시킬 수 있고, 솔라 셀(600)(도 6)의 전체적인 성능을 개선시킬 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 시드 층(312)은 선택적인 에미터(308)의 폭보다 약간 좁은 폭을 포함하도록 주입된다. 시드 층(312)의 약간 좁은 폭은 접촉 누설을 감소시키는 것을 허용하고, 쇼트키 다이오드의 형성을 허용한다. 금속-반도체 접촉은 상당히 중요한데, 왜냐하면 이들이 모든 광기전 디바이스에 존재하기 때문이다. 이들은 금속/반도체 경계면의 특성에 따라 쇼트키 장벽 또는 저항 접촉으로서 거동할 수 있다. 금속/반도체 경계면의 제어 및 관리는 솔라 셀(600)(도 6)의 성능을 개선하는데 크기 유리하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 층 또는 접촉(314)의 형성을 도시한다. 접촉(314)은 적합한 금속 재질을 사용하여 형성된다. 접촉(314)은 임의의 잘 알려진 금속 증착 기술, 스크린 프린팅 기술 또는 도금 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
어닐링 단계는 실리콘 기판(301)을 용융점 근처 하지만 용융점 이하의 온도로 가열하여 이온 주입과 접촉 형성에 의해 야기된 실리콘 기판(301)의 결정 구조에 대한 임의의 손상을 복원시킨다. 또한 이러한 어닐링은 불순물 원자의 활성화를 야기할 것이다. 이러한 어닐링 및 활성화의 온도와 시간은 400-500℃ 만큼 낮을 수 있는데, 이 온도는 임의의 이중 원자 빈자리{실리콘 기판(301)의 결정 구조의 비어있는 원자}를 제거하고, 불순물 원자의 충분한 활성화를 제공하는데 충분한 온도이다. 어닐링 단계는 로-어닐링을 포함할 수 있다. 대안적으로, 로-어닐링 대신에 레이저 어닐링 또는 플래쉬 램프 어닐링이 사용될 수 있다. 어닐링 단계는 이하에서 설명되는 후속적인 공정 단계에 악영향을 미치지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 어닐링 단계는 이 실시예에서 이하의 최종 어닐링 단계(도 6) 까지 제거될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔라 셀(600)을 도시한다. 접촉 마스크(310)(도 5)는 예컨대 화학적 스트리핑(chemical stripping)에 의해 제거되거나, 애슁(ashing)에 의해 제거될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, NaOH(<3 wt%) 또는 KOH(<3 wt%)의 용액이 55℃에서 수 초간의 체류시간에서 2.4bar의 압력의 스프레이를 통해 접촉 마스크(310)를 벗겨내기 위하여 사용된다. 당업자라면 접촉 마스크(310)를 벗겨내기 위해 다른 적합한 용액을 알 것이다. 반사-방지 코팅(ARC : anti-reflective coating) 또는 ARC 막(318)이 실리콘 기판(301)의 노출된 표면(307) 위에 형성될 수 있다. ARC 막(318)은 균질한 층(304)의 패시베이션을 위해 사용될 수도 있다. ARC 막(318)은 또한 솔라 셀(600) 내에서 입사 광의 가둠을 증가시키기 위한 반사-방지 막으로서 작용할 수도 있다. 이와 같이 ARC 막(318)은 솔라 셀(600)의 효율을 개선시킬 수 있다. Dupont MM500 또는 Shell SU8 및 다른 대안물과 같은 이중층의 유기 막을 사용하는 단순한 롤러 시스템이 표면(307)위에 적층될 수 있다. ARC 막(318)의 부착 및 연속성이 이러한 적층 단계에서 중요하다. 적층 단계는 대략 50-100℃의 낮은 온도에서 이루어진다. 예시적인 실시예에 있어서, 롤러 시스템의 롤러는 사전 가열되고 1 내지 2 mm/분의 속도로 동작하여, 실리콘 기판(301)이 바람직하게 대략 50℃를 초과하는 온도에 도달하지 않도록 보장한다.
대안적인 실시예에 있어서, ARC 막(318)은 위에서 설명한 것과 유사한 이온 주입 빔을 사용하여 형성될 수 있다. ARC 막(318)은 균질한 층(304) 위의 실리콘 기판(301)의 표면(307)상에 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, ARC 막(318)은 도 3의 단계(301A)의 균질한 층(304)을 형성하기에 앞서 형성될 수 있다. ARC 막(318)의 품질은 균질한 층(304)의 낮은 도핑에 의해 악영향을 받지 않는다. 위에서 설명한 어닐링과 유사한 최종 어닐링 단계가 수행될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 위에서 설명한 바와 같이 각 주입 이후 다중의 어닐링 단계를 수행하는 대신에 오직 최종 어닐링 단계만이 수행될 수도 있다.
솔라 셀(600)은 그리드라인 또는 접촉(314) 사이에서 상당히 효과적인 광변환 효율을 포함한다. 솔라 셀(600)은 또한 접촉(314) 아래에 높은 전도성의 선택적인 에미터(308)를 제공하여, 본 명세서에서 설명하는 선택적인 에미터(308)가 없는 솔라 셀에 대해 1 내지 2 절대값 백분율 포인트 정도의 효율 이득을 제공한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 솔라 셀(700)을 도시한다. 솔라 셀(700)은 사전 도핑된 재질(702)과 균질한 층(704)를 포함한다. 솔라 셀(700)은 위에서 설명한 선택적인 에미터 구조(305A)와 유사한 선택적인 에미터 구조(705)를 포함한다. 선택적인 에미터 구조(705)는 선택적인 에미터(708)를 포함한다. 접촉(714)은 적합한 금속 재질을 사용하는 이온 주입을 사용하여 형성된다. 접촉(714)은 이온 빔 에피택시(epitaxy) 또는 위에서 설명한 임의의 알려진 금속 증착 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 솔라 셀(700)은 균질한 층(704)의 노출된 표면(707) 위에 형성된 반사-방지 코팅(ARC) 또는 ARC 막(미도시)을 포함할 수 있다. 따라서, 전하 캐리어는 솔라 셀(700)의 접촉(714)에 유리하게 접속된다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 솔라 셀(700A)을 도시한다. 선택적인 에미터(708A)는 도 7a에 도시된 바와 같이 접촉(714)보다 상당히 더 넓을 수 있다. 선택적인 에미터(708A)는 접촉(714)으로부터 솔라 셀(700A)의 다른 영역으로 전기적인 누설의 전위를 유리하게 감소시킨다. 선택적인 에미터(708A)의 폭은 위에서 설명한 이온 빔(D)(도 3)의 크기를 조절함으로써 증가할 수 있다. 또한, 선택적인 에미터(708A)의 폭은 위의 도 1과 도 2에서 설명한 접촉 마스크(106) 또는 하드 마스크(201)의 크기를 각각 조절함으로써 증가할 수 있다.
도 1 내지 도 7a를 참조하여 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 솔라 셀 디바이스(600)를 형성하는 방법의 공정 흐름도(800)가 도시되었다. 방법은 단계(810)에서 시작한다. 불순물(102)로 사전 도핑된 실리콘 기판(101)이 제공된다. 예시적인 실시예에 있어서, 불순물(102)은 p-형 불순물을 포함한다. 단계(820)에서, 주입 시스템은 균질한 층(104)의 형성을 위해 사용된다. 균질한 층(104)은 높은 고유 저항 영역을 포함한다. 이온 빔(A)은 균질한 층(104)의 주입을 위해 사용된다. 이온 빔(A)은 사전 도핑된 영역(102) 내에 블랭킷 방식으로 균질한 층(104)을 주입한다. 균질한 층(104)을 주입할 때, 스폿 빔 또는 넓은 플라즈마 빔이 실리콘 기판(101)을 가로질러 완전한 커버를 제공하기 위하여 사용된다. 주입 시스템의 생산성은 대략 시간 당 1000개 이상의 웨이퍼를 포함한다. 균질한 층(104)은 80 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 균질한 층(104)의 고유 저항은 대략 100 Ω/□를 포함한다. 어닐링 단계가 수행될 수 있다. 대안적으로, 어닐링 단계는 제거될 수 있다.
단계(830)에서, 높게 도핑된 또는 선택적인 에미터(108)(도 1)는 낮게 도핑된 균질한 영역 층(104) 내에 주입된다. 선택적인 에미터(108)는 실리콘 기판(101)상의 미리결정된 위치에 주입된다. 예시적인 실시예에 있어서, 접촉 마스크(106)는 블랭킷 방식의 이온 주입 빔(A)을 사용하여 선택적인 에미터(108)의 주입을 용이하게 하기 위하여 사용된다. 대안적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(208)(도 2)는 하드 마스크(206)와 성형된 이온 주입 빔(C)을 사용하여 주입된다. 또 다른 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(308)(도 3)는 타깃화된 방식의 성형된 이온 주입 빔(D)을 사용하여 주입된다. 정합 표시는 선택적인 에미터(308)의 주입 공정 도중에 성형된 이온 주입 빔(D)의 정렬을 위하여 사용된다. 주입된 선택적인 에미터(308)의 폭은 대략 200미크론일 수 있다. 교대로, 선택적인 에미터(308)의 폭은 대략 50미크론으로 형성될 수 있다. 각 선택적인 에미터(308) 사이의 거리 또는 피치(311)는 대략 1mm 내지 3mm의 범위일 수 있다. 선택적인 에미터(308)는 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 선택적인 에미터(308)의 고유 저항은 대략 25 Ω/□를 포함한다. 어닐링 단계가 수행될 수 있다. 대안적으로 어닐링 단계는 제거될 수 있다.
단계(840)에서, 시드 층(312)(도 4)은 본 발명의 실시예에 따라 형성된다. 접촉 마스크(310)는 선택적인 에미터 구조(305)의 표면 상에 형성된다. 일 실시예에 있어서, 리쏘그라피 또는 접촉 프린팅 공정이 접촉 마스크(310)를 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 이온 빔(E)은 선택적인 에미터(308) 위에 시드 층(312)을 주입하기 위하여 사용된다. 이온 빔(E)은 상대적으로 높은 사용량의 금속을 포함한다. 이온 빔(E)은 위에서 설명된 것과 유사하게 성형된 이온 빔을 포함한다. 시드 층(312)은 규화물 층을 포함한다. 시드 층(312)은 Ni, Ta, Ti, W 또는 Cu와 같은 다양한 금속 주입물을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 시드 층(312)은 선택적인 에미터(308)의 폭보다 약간 좁은 폭을 포함하도록 주입된다. 시드 층(312)의 약간 좁은 폭은 접촉 누설의 감소를 허용하고, 쇼트키 다이오드의 형성을 허용한다.
단계(850)에서, 접촉(314)(도 5)은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된다. 접촉(314)은 적합한 금속 재질을 사용하는 이온 주입을 사용하여 형성된다. 접촉(314)은 위에서 설명된 것과 유사하게 이온 빔 주입을 사용하여 형성될 수 있다. 플라즈마 도핑과 유사한 불순물 농도 또는 불순물 비율이 접촉(314)을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 대안적으로, 빔라인 주입 시스템이 접촉(314)을 형성하는데 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 접촉(314)은 분자 빔 에피택시, 분자 빔 주입 또는 플라즈마 이온 주입 시스템과 같은 높은 사용량 비율 시스템을 사용하여 형성될 수 있다. 접촉(314)의 주입에 후속하여, 접촉(314)의 유사하거나 부합된 일함수의 훨씬 더 높은 주입 농도의 부가적인 주입 단계가 접촉(314)을 추가로 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 대안적으로, 후속 증착 단계는 접촉(314)상에 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 후속 잉크 제트 스프레이 단계가 추가로 접촉(314)을 형성하기 위하여 사용될 수 있다.
어닐링 단계는 실리콘 기판(301)을 용융점 근처의 하지만 용융점 아래의 온도까지 가열하여 이온 주입과 접촉 형성으로 인해 야기된 실리콘 기판(301)의 결정 구조에 대한 임의의 손상을 복원시킨다. 또한, 이러한 어닐링은 불순물 원자의 활성화를 야기할 것이다. 이러한 어닐링 및 활성화의 온도와 시간은 400-500℃ 만큼 낮을 수 있는데, 이 온도는 임의의 이중 원자 빈자리{실리콘 기판(301)의 격자 구조의 비어있는 원자}를 제거하고, 불순물 원자의 충분한 활성화를 제공하는데 충분한 온도이다. 어닐링 단계는 로-어닐링을 포함할 수 있다. 대안적으로, 로-어닐링 대신에 레이저 어닐링 또는 플래쉬 램프 어닐링이 사용될 수 있다. 어닐링 단계는 이하에서 설명되는 후속적인 공정 단계에 악영향을 미치지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 위에서 설명한 바와 같이 각 주입 이후 다중 어닐링을 사용하는 대신에 최종 하나의 어닐링 단계만이 수행된다.
방법(800)에 따라 완성된 솔라 셀(600)(도 6)이 제공된다. 솔라 셀(600)은 실리콘 기판(301)의 노출된 표면(307) 위에 형성된 반사-방지 코팅(ARC) 또는 ARC 막(318)을 포함한다. ARC 막(318)은 균질한 층(304)의 패시베이션을 위해 사용될 수 있다. ARC 막(318)은 또한 솔라 셀(600) 내에 가두어지는 광의 입사를 증가시키기 위한 반사-방지 막으로서 작용할 수 있다. 따라서, ARC 막(318)은 솔라 셀(600)의 효율을 개선시킬 수 있다. 솔라 셀(600)은 그리드라인 또는 접촉(314) 사이에서 상당히 효과적인 광변환 효율을 포함한다. 솔라 셀(600)은 또한 접촉 아래에서 높은 전도성의 선택적인 에미터(308)를 제공하고, 따라서 본 명세서에서 설명된 선택적인 에미터(308)가 없는 솔라 셀에 대해 1 내지 2 절대 백분율 포인트 정도의 효율 이득을 제공한다. 방법(800)은 단계(860)에서 종료된다.
본 발명이 다수의 특정 세부사항을 참조하여 설명되었지만, 당업자라면 본 발명이 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고도 다른 특정 형태로 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 당업자라면 본 발명이 상술한 예시적인 세부사항에 의해 제한되지 않으며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 것을 이해할 것이다.
101,201,301 : 실리콘 기판 102,202,302,702 :사전 도핑된 재질
103,203,303 : 접합 104,204,304,704 : 균질한 영역
105,205,305,705 : 선택적인 에미터 구조 106,310 : 접촉 마스크
107,207,307,707 : 기판의 표면 108,208,308,708 : 선택적인 에미터
109,209,309 : 에미터의 폭 206 : 하드 마스크
312 : 시드 층 314,714 : 접촉
318 : ARC 막 600,700 : 솔라 셀

Claims (45)

  1. 솔라 셀(solar cell) 디바이스로서,
    내부에 포함된 앞서 존재하는 불순물을 포함하는 실리콘 기판과,
    상기 앞서 존재하는 불순물 위의 상기 실리콘 기판의 표면상에 형성된 균질하고 낮게 도핑된 영역으로서, 이를 통해 상기 앞서 존재하는 불순물과 상기 낮게 도핑된 영역 사이에 접합을 형성하는, 균질하고 낮게 도핑된 영역과,
    상기 낮게 도핑된 영역 내의 상기 실리콘 기판의 표면상에 높게 도핑되고 선택적으로 주입된 영역과,
    상기 높게 도핑된 영역 위에 형성된 시드 층(seed layer)과,
    상기 시드 층 위에 형성된 금속 접촉을
    포함하는 솔라 셀 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역은 균일하게 주입되는, 솔라 셀 디바이스.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 낮게 도핑된 영역의 상부 위에 반사-방지 코팅을 더 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역은 80 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 대략 25 Ω/□의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 접합은 상기 실리콘 기판의 표면으로부터 미리 결정된 거리에 형성되는, 솔라 셀 디바이스.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 시드 층은 규화물을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 시드 층은 Ni, Ta, Ti, W, 또는 Cu 중 하나 이상으로 이루어진 그룹으로부터의 재질을 주입하여 형성되는, 솔라 셀 디바이스.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 각각 상기 실리콘 기판상에서 50 내지 200 미크론 범위의 폭을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 상기 실리콘 기판상에서 서로로부터 1 내지 3 mm 범위의 거리만큼 측면으로 이격되는, 솔라 셀 디바이스.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 이온 주입 공정 도중에 상기 높게 도핑된 영역의 배치를 정렬시키도록 구성된 기준 표시를 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  14. 솔라 셀(solar cell) 디바이스를 형성하는 방법으로서,
    내부에 포함된 앞서 존재하는 불순물을 포함하는 실리콘 기판을 제공하는 단계와,
    상기 앞서 존재하는 불순물 위의 상기 실리콘 기판의 표면상에 균질하고 낮게 도핑된 영역을 형성하기 위해 이온 주입 공정을 사용하는 단계로서, 이를 통해 상기 앞서 존재하는 불순물과 상기 낮게 도핑된 영역 사이에 접합을 형성하는, 이온 주입 공정을 사용하는 단계와,
    상기 낮게 도핑된 영역 내의 상기 실리콘 기판의 표면상에 주입된 높게 도핑된 영역을 형성하기 위하여 선택적인 이온 주입 공정을 사용하는 단계로서, 상기 높게 도핑된 영역은 상기 실리콘 기판 표면상의 미리 결정된 위치에 주입되는, 선택적인 이온 주입 공정을 사용하는 단계와,
    상기 높게 도핑된 영역 위에 시드 층을 형성하기 위해 선택적인 이온 주입 공정을 사용하는 단계와,
    상기 시드 층 위에 금속 접촉을 형성하기 위해 선택적인 이온 주입 공정을 사용하는 단계를
    포함하는 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 반사-방지 코팅을 형성하기 위하여 선택적인 이온 주입 공정을 사용하는 단계를 더 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 물리적인 마스크를 사용하여 상기 실리콘 기판 표면상의 미리 결정된 위치에 주입되고, 상기 물리적인 마스크는 상기 미리 결정된 위치와 정렬된 개구부를 갖는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 물리적인 마스크는 상기 실리콘 기판의 표면상에 형성되는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 물리적인 마스크는, 상기 높게 도핑된 영역을 형성하기 위한 선택적인 이온 주입 공정 도중에 상기 실리콘 기판의 표면 위의 미리 결정된 거리에 위치하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  19. 제 14항에 있어서, 상기 선택적인 이온 주입 공정은 상기 높게 도핑된 영역을 형성하기 위해 상기 미리 결정된 위치와 정렬되는 성형된 이온 빔을 사용하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  20. 제 14항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역은 80 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  22. 제 14항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 대략 25 Ω/□의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  24. 제 14항에 있어서, 상기 접합은 상기 실리콘 기판의 표면으로부터 미리 결정된 거리에 형성되는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  25. 제 14항에 있어서, 상기 시드 층은 질화물을 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  26. 제 14항에 있어서, 상기 시드 층은 재질의 층을 포함하고, 상기 재질은 Ni, Ta, Ti, W, 또는 Cu인, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  27. 제 14항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 각각 상기 실리콘 기판상에서 50 내지 200 미크론 범위의 폭을 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  28. 제 14항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 상기 실리콘 기판상에서 서로로부터 1 내지 3 mm 범위의 거리만큼 측면으로 이격되는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  29. 제 14항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 선택적인 이온 주입 공정 도중에 상기 높게 도핑된 영역의 배치를 정렬시키도록 구성된 기준 표시를 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  30. 제 14항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역을 갖는 상기 실리콘 기판상에 어닐링 공정을 사용하는 단계를 더 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  31. 제 14항에 있어서, 상기 금속 접촉을 형성한 후 상기 실리콘 기판상에 어닐링 공정을 사용하는 단계를 더 포함하는, 솔라 셀 디바이스를 형성하는 방법.
  32. 솔라 셀 디바이스로서,
    내부에 포함된 앞서 존재하는 불순물을 포함하는 실리콘 기판과,
    상기 앞서 존재하는 불순물 위의 상기 실리콘 기판의 표면상에 형성된 균질하고 낮게 도핑된 영역으로서, 이를 통해 상기 앞서 존재하는 불순물과 상기 낮게 도핑된 영역 사이에 접합을 형성하는, 균질하고 낮게 도핑된 영역과,
    상기 낮게 도핑된 영역 내의 상기 실리콘 기판의 표면상에 선택적으로 주입된 높게 도핑된 영역으로서, 상기 실리콘 기판의 표면으로부터의 거리의 함수로서 주입되는, 높게 도핑된 영역과,
    상기 높게 도핑된 영역 위에 형성된 금속 접촉을
    포함하는 솔라 셀 디바이스.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역 위에 그리고 상기 금속 접촉 아래에 형성된 시드 층을 더 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  34. 제 32항에 있어서, 반사-방지 코팅을 더 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  35. 제 32항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역은 80 내지 160 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 균질하고 낮게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  37. 제 32항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 10 내지 40 Ω/□ 범위의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 대략 25 Ω/□의 고유 저항을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  39. 제 32항에 있어서, 상기 접합은 상기 실리콘 기판의 표면으로부터 미리 결정된 거리에 형성되는, 솔라 셀 디바이스.
  40. 제 32항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역의 측면 경사(grade)는 포물선 형태를 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  41. 제 33항에 있어서, 상기 시드 층은 규화물을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  42. 제 33항에 있어서, 상기 시드 층은 재질의 층을 포함하고, 상기 재질은 Ni, Ta, Ti, W, 또는 Cu인, 솔라 셀 디바이스.
  43. 제 32항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 각각 상기 실리콘 기판상에서 50 내지 200 미크론 범위의 폭을 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
  44. 제 32항에 있어서, 상기 높게 도핑된 영역은 상기 실리콘 기판상에서 서로로부터 1 내지 3 mm 범위의 거리만큼 측면으로 이격되는, 솔라 셀 디바이스.
  45. 제 32항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 이온 주입 공정 도중에 상기 높게 도핑된 영역의 배치를 정렬시키도록 구성된 기준 표시를 포함하는, 솔라 셀 디바이스.
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