KR20110042053A - 주입을 이용한 솔라 셀-선택 에미터의 형성 및 어닐링 방법 - Google Patents

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

본 발명은 솔라 셀을 형성하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 사전 도핑된 영역을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계와, 상기 사전 도핑된 영역 위에 제 1 도핑된 영역을 형성하기 위해 상기 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 1 이온 주입을 수행하는 단계로서, 상기 제 1 이온 주입은 깊이 대 농도 프로파일을 갖는, 제 1 이온 주입 단계와, 상기 사전 도핑된 영역 위에 제 2 도핑된 영역을 형성하기 위해 상기 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 2 이온 주입을 수행하는 단계로서, 상기 제 2 이온 주입은 상기 제 1 이온 주입의 것과는 다른 깊이 대 농도 프로파일을 갖는, 제 2 이온 주입 단계를 포함하고, 상기 제 1 도핑된 영역과 상기 제 2 도핑된 영역 중 적어도 한 영역은 광을 수용할 때 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성되고, 상기 제 1 및 제 2 이온 주입은 서로 독립적으로 수행된다.

Description

주입을 이용한 솔라 셀-선택 에미터의 형성 및 어닐링 방법{FORMATION OF SOLAR CELL-SELECTIVE EMITTER USING IMPLANT AND ANNEAL METHOD}
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 FABRICATIONS 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 일반적으로 솔라 셀(solar cells) 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 솔라 셀 디바이스와 이들의 형성 방법에 관한 것이다.
솔라 셀을 제작하는데 두 가지 주된 단계가 존재한다. 제 1 단계는 광의 수용시 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성된 기판을 형성하는 것이다. 이러한 기판의 일 예는 p-n 접합을 포함한다. 제 2 단계는 분리된 전자로부터의 전하를 도통시켜 전하가 도통되어 운반될 수 있도록 구성된 기판 상에서 전도성 접촉을 형성하는 것이다.
현재, p-n 접합을 형성하는 제 1 단계에서 확산이 이용된다. 불순물로 이루어진 페이스트가 기판의 표면위에 놓인다. 그후 가열되어, 불순물을 특정 깊이까지 침투시켜 접합을 형성한다. 대안적으로, 인을 함유한 주된 가스가 기판에 주입된다. 그후 인을 기판에 침투시키기 위하여 가열이 이용된다. 제 2 단계에서, 접촉 라인은 접합의 표면 위에 스크린 프린팅된다.
표면으로부터 기판으로의 불순물의 확산의 이용은 문제점을 야기한다. 한 가지 주된 문제점은, 불순물이 재질의 체적 내로 침투할 때 표면 근처에서 비활성화 불순물의 축적인데, 이는 기판의 다른 깊이 및 영역에서 고유 저항을 변경시킬 수 있고, 따라서 광 흡수 및 전자-홀 생성 성능의 변경을 초래한다. 특히, 직면하는 한 가지 문제점은 소위 말하는 "죽은 층"("dead layer")의 형성 결과로서 청색 광의 사용 결핍이다.
부가적으로, 기판을 가로질러 불순물의 측면 위치 지정은 라인 폭과 웨이퍼 두께가 점점 줄어들고 있기 때문에 특히 어렵다. 예컨대, 선택적인 에미터 응용을 위해, 솔라 셀 산업은 200 미크론으로부터 50 미크론 미만으로 줄어든 불순물 측면 배치를 필요로 할 것으로 예상된다. 이러한 배치는 확산 및 스크린 프린팅의 현재의 방법론으로는 매우 어려울 수 있다. 더욱이, 웨이퍼가 현재의 150-200 미크론으로부터 20 미크론 미만으로 줄어들어 더 얇아지고 있기 때문에, 수직 및 일괄 확산 및 스크린 프린팅은 극히 어렵게 또는 심지어 불가능하게 될 수 있다.
더욱이, 확산의 사용은 불순물 농도와 최종 고유 저항의 이상적인 레벨을 제공하기에는 가능하지 않았었다. 솔라 셀의 전자-홀 쌍의 생성 영역은 이상적으로 낮은 불순물 농도와 높은 고유 저항 레벨을 가질 것인 반면, 솔라 셀의 접촉 영역(표면 또는 그 근처)은 이상적으로 높은 불순물 농도와 낮은 고유 저항 레벨을 가질 것이다. 확산은 각 영역을 독립적으로 다룰 수 없고, 두 영역 모두에 대해 약 50 Ω/□의 시트 저항에 제한되고, 이는 전자-홀 쌍의 생성 영역에 대해 충분히 높지 않고, 접촉 영역에 대해 충분히 낮지 않다.
본 발명은 솔라 기판을 도핑하는 기존 공정의 사용으로부터 초래되는 다양한 저항 손실을 다루기 위한 방법을 제공한다. 본 발명은, 기판, 접촉, 버스바 및 핑거의 저항, 금속-실리콘 계면의 접촉 저항, 후면 금속화부의 저항을 변경시키는 것과, 그리드 접촉하에서 그리고 핑거 사이에서 원하는 고유 저항을 달성하는 것을 수반한다. 더욱이, 성능을 개선하기 위한 선택적인 에미터와 그 능력의 유리한 형성이 본 발명의 사용을 통해 가능하다. 본 발명은 성장한 단일 또는 모노-결정의 실리콘, 폴리 또는 다중-결정 실리콘과 함께 매우 얇은 실리콘 또는 매우 얇은 필름으로 증착된 실리콘 또는 솔라 셀 형성 및 다른 응용에 사용된 다른 재질에 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 접합 및/또는 접촉의 제작에 사용된 임의의 다른 재질을 위한 원자 종의 배치에 확장될 수 있다.
재질의 체적 내에서 그리고 기판을 가로질러 측면으로 위치한 불순물의 적합하고 독립적인 배치 및 농도를 제공하기 위하여, 본 발명은 응용-특정 이온 주입 및 어닐링 시스템 및 방법을 사용할 수 있다. 정확하며 고도로 정확하게 배치된 불순물과 불순물 원자 프로파일의 맞춤화의 사용이 이하에서 설명된다. 그리드 라인 하의 높게 도핑된(10-40 Ω/□) 영역에 대한 요건을 다루는 방법과 함께 그리드 핑거 사이에 낮게 도핑된(80-160 Ω/□) 영역을 달성하기 위한 방법이 기술된다. 대략 1×1020/cm3 의 불순물 농도로 해석되는 그리드 라인 하의 접촉 영역에 대해 대략 25 Ω/□, 그리고 대략 1×1019/cm3 의 불순물 농도로 해석되는 그리드 핑거 사이 및/또는 접촉 영역 아래의 전자-홀 쌍의 생성 영역에 대해 대략 100 Ω/□의 이상적인 시트 저항의 레벨이 본 발명을 사용하여 얻어질 수 있다.
부가적으로, 맞춤화된 파라미터의 사용을 통해, 원자 불순물의 프로파일은, 기판 바탕의 도핑 레벨에 대해 적절한 깊이에서 전기적인 접합을 제공하기 위하여, 그리고 표면 상의 접촉의 형성을 위해 필요한 고유 저항을 제공하기 위하여 동시에 맞추어진다. 역행 도핑 및 평탄한 원자 프로파일(박스형 접합)의 사용이 또한 필요하다면 전개된다. 이러한 방법론은 솔라 셀의 효율 성능을 강화하기 위한 선택적인 에미터 및 적절한 고유 저항의 형성을 위한 단순하고, 효과적이며 값싼 수단을 제공한다.
불순물은 장시간의 어닐링을 통한 전통적인 노(furnace) 어닐링의 사용, 신속 열 어닐링(RTA : rapit thermal anneal)과 같은 신속 어닐링의 사용, 또는 매우 신속한 온도 상승과 냉각 방법의 사용을 통해 활성화될 수 있는데, 매우 신속한 온도 상승과 냉각 방법으로는 레이저 어닐링, 플래쉬 램프 어닐링 또는 솔라셀 제작의 마지막에 소성로(firing furnace)의 채용을 들 수 있고, 소성로는 본 발명의 주입과 함께 사용될 때 더 낮은 온도를 사용한다. 어닐링 시간과 온도의 제어된 사용은 기판 내에서 원자 프로파일의 추가 개선을 제공한다. 본 발명에서, 불순물의 배치가 변경되지 않지만, 완전한 또는 거의 완전한 활성화가 얻어지는 것을 보장하기 위하여, 더 짧은 시간의 어닐링이 바람직하게 사용된다.
본 발명의 일 양상에 있어서, 솔라 셀을 형성하는 방법이 제공된다. 사전 도핑된 영역을 갖는 반도체 웨이퍼가 제공된다. 반도체 웨이퍼로 불순물의 제 1 이온 주입은 사전 도핑된 영역 위에 제 1 도핑된 영역을 형성하기 위하여 수행된다. 제 1 이온 주입은 깊이 대 농도 프로파일을 갖는다. 반도체 웨이퍼로 불순물의 제 2 이온 주입은 사전 도핑된 영역 위에 제 2 도핑된 영역을 형성하기 위하여 수행된다. 제 2 이온 주입은 제 1 이온 주입의 것과 다른 깊이 대 농도 프로파일을 갖는다. 제 1 도핑된 영역과 제 2 도핑된 영역 중 적어도 하나의 영역은 광을 수용시 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성되고, 제 1 및 제 2 이온 주입은 서로 독립적으로 수행된다.
일부 실시예에 있어서, p-n 접합은 사전 도핑된 영역과, 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성된 제 1 도핑된 영역과 제 2 도핑된 영역 중 적어도 하나의 영역 사이에 형성된다. 일부 실시예에 있어서, 반도체 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼로서 제공된다.
일부 실시예에 있어서, 제 1 이온 주입에 의해 형성된 제 1 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□에서 대략 160 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 제 2 이온 주입에 의해 형성된 제 2 도핑된 영역은 대략 10 Ω/□에서 대략 40 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 제 1 이온 주입에 의해 형성된 제 1 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□에서 대략 160 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖고, 제 2 이온 주입에 의해 형성된 제 2 도핑된 영역은 대략 10 Ω/□에서 대략 40 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖는다.
일부 실시예에 있어서, 방법은 반도체 웨이퍼의 표면 위에 금속 접촉 라인을 배치하는 단계를 더 포함하는데, 금속 접촉 라인은 제 1 및 제 2 도핑된 영역 중 적어도 한 영역으로부터 전기적인 전하를 도통시키도록 구성된다. 일부 실시예에 있어서, 사전 도핑된 영역은 p-형으로 도핑되고, 제 1 및 제 2 도핑된 영역은 n-형으로 도핑된다. 일부 실시예에 있어서, 방법은 적어도 하나의 이온 주입 단계 이후 반도체 웨이퍼 상에 어닐링 공정을 수행하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 솔라 셀을 형성하는 방법이 제공된다. 사전 도핑된 영역을 갖는 반도체 웨이퍼가 제공된다. 균질하게 도핑된 영역이 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 1 이온 주입을 수행함으로써 반도체 웨이퍼 내에서 사전 도핑된 영역 위에 형성되는데, 사전 도핑된 영역과 균질하게 도핑된 영역 사이에 p-n 접합이 형성되고, 균질하게 도핑된 영역은 광을 수용할 때 전자-홀 쌍을 생성하도록 형성된다. 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 2 이온 주입을 수행함으로써 복수의 선택적으로 도핑된 영역이 반도체 웨이퍼 내에서 균질하게 도핑된 영역 위에 형성된다. 제 1 및 제 2 이온 주입은 서로 독립적으로 수행되고, 선택적으로 도핑된 영역은 균질하게 도핑된 영역보다 더 높은 불순물 농도를 갖는다.
일부 실시예에 있어서, 반도체 웨이퍼는 실리콘 기판으로서 제공된다. 일부 실시예에 있어서, 제 1 이온 주입으로 형성된 균질하게 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□에서 대략 160 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 제 2 이온 주입에 의해 형성된 선택적으로 도핑된 영역 각각은 대략 10 Ω/□에서 대략 40 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 제 1 이온 주입에 의해 형성된 균질하게 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□에서 대략 160 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖고, 제 2 이온 주입에 의해 형성된 선택적으로 도핑된 영역 각각은 대략 10 Ω/□에서 대략 40 Ω/□의 범위의 시트 저항을 갖는다.
일부 실시예에 있어서, 방법은 반도체 웨이퍼의 표면 상에 금속 접촉 라인을 배치하는 단계를 더 포함하는데, 금속 접촉 라인은 복수의 선택적으로 도핑된 영역 위에서 정렬되고, 복수의 선택적으로 도핑된 영역으로부터 전기적인 전하를 도통시키도록 구성된다.
일부 실시예에 있어서, 방법은 반도체 웨이퍼의 표면 근처에 금속 시드(seed) 층을 형성하는 단계를 더 포함하는데, 금속 시드 층은 선택적으로 도핑된 영역과 금속 접촉 라인 사이에서 전이 층으로서 작용하도록 구성된다. 일부 실시예에 있어서, 금속 시드 층은 규화물을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 금속 시드 층을 형성하는 단계는 적어도 하나의 재질을 반도체 웨이퍼내로 이온 주입하는 단계를 포함하는데, 적어도 하나의 재질은 Ni, Ta, Ti, W 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에 있어서, 사전 도핑된 영역은 p-형으로 도핑되고, 균질하게 그리고 선택적으로 도핑된 영역은 n-형으로 도핑된다. 일부 실시예에 있어서, 방법은 적어도 하나의 이온 주입 단계 이후 반도체 웨이퍼 상에 어닐링 공정을 수행하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 방법은 균질하게 도핑된 영역 위에 반사-방지 코팅 층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에 있어서, 선택적으로 도핑된 영역은 반도체 웨이퍼 내에서 마스크를 사용하여 미리결정된 위치에 주입되는데, 마스크는 미리결정된 위치와 정렬되는 개구부를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 마스크는 제 2 이온 주입 동안 반도체 웨이퍼의 표면에 배치된 접촉 마스크이다. 일부 실시예에 있어서, 마스크는 제 2 이온 주입 동안 반도체 웨이퍼의 표면 위의 미리결정된 거리에 배치된 물리적인 마스크이다. 일부 실시예에 있어서, 선택적으로 도핑된 영역은 성형된 이온 빔을 사용하여 미리결정된 위치에서 반도체 웨이퍼내에 주입되는데, 성형된 이온 빔은 미리결정된 위치와 정렬된다. 일부 실시예에 있어서, 선택적으로 도핑된 영역은 서로로부터 대략 1mm에서 대략 3mm의 범위의 거리만큼 측면으로 이격된다.
본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 솔라 셀이 제공된다. 솔라 셀은 반도체 웨이퍼, 균질하게 도핑된 영역, p-n 접합, 복수의 선택적으로 도핑된 영역, 및 복수의 금속 접촉을 포함한다. 반도체 웨이퍼는 바탕의 도핑된 영역을 포함한다. 균질하게 도핑된 영역은 불순물을 반도체 웨이퍼에 이온 주입함으로써 바탕의 도핑된 영역 위의 반도체 웨이퍼 내에 형성되고, 대략 80 Ω/□과 대략 160 Ω/□ 사이의 시트 저항을 갖는다. p-n 접합이 균질하게 도핑된 영역과 바탕의 도핑된 영역 사이에 형성된다. 선택적으로 도핑된 영역은 불순물을 반도체 웨이퍼에 이온 주입함으로써 균질하게 도핑된 영역 위의 반도체 웨이퍼 내에 형성된다. 선택적으로 도핑된 영역 각각은 대략 10 Ω/□와 대략 40 Ω/□ 사이의 시트 저항을 갖는다. 금속 접촉은 반도체 웨이퍼의 표면상에 배치되고, 복수의 선택적으로 도핑된 영역 위에 정렬된다. 금속 접촉은 복수의 선택적으로 도핑된 영역으로부터 전기적인 전하를 도통시키도록 구성된다.
일부 실시예에 있어서, 반도체 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이다. 일부 실시예에 있어서, 제 1 이온 주입에 의해 형성된 균질하게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 시트 저항을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 제 2 이온 주입에 의해 형성된 선택적으로 도핑된 영역 각각은 대략 25 Ω/□의 시트 저항을 갖는다.
일부 실시예에 있어서, 솔라 셀은 선택적으로 도핑된 영역 위에 그리고 금속 접촉 아래에 배치된 금속 시드 층을 더 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 금속 시드 층은 규화물을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 금속 시드 층은 Ni, Ta, Ti, W 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재질을 포함한다.
일부 실시예에 있어서, 사전 도핑된 영역은 p-형으로 도핑되고, 균질하게 그리고 선택적으로 도핑된 영역은 n-형으로 도핑된다. 일부 실시예에 있어서, 솔라 셀은 균질하게 도핑된 영역 위에 배치된 반사-방지 코팅 층을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 선택적으로 도핑된 영역은 대략 1mm에서 대략 3mm의 범위의 거리만큼 서로로부터 측면으로 이격된다.
본 발명은 미리 결정된 다른 깊이 대 농도 프로파일을 갖는 다중의 독립적인 불순물 주입을 사용함으로써, 사용자의 선호도에 따라 솔라 셀의 전체 원자 프로파일을 맞춤화한다.
도 1의 (a)는 본 발명의 원리에 따른 솔라 셀의 일 실시예의 평면도.
도 1의 (b)는 본 발명의 원리에 따른 솔라 셀의 일 실시예의 측단면도.
도 2는 본 발명의 원리에 따른 솔라 셀을 형성하는 방법의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 원리에 따른 균질 주입의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 원리에 따른 선택적인 주입의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 원리에 따른 접촉 시드 주입의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 원리에 따른 금속 접촉 형성의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 원리에 따른 반사-방지 표면 코팅 형성의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 원리에 따른 프로파일 맞춤화 그래프의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 확산을 이용하여 도핑된 솔라 셀에 대한 프로파일 맞춤화 능력에서 결핍을 도시하는 그래프.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 원리에 따른 이온 주입을 이용하여 도핑된 솔라 셀에 대한 프로파일 맞춤화 능력에서의 장점을 도시하는 그래프.
다음의 설명은 당업자로 하여금 본 발명을 구성하고 사용하는 것을 가능케 하기 위하여 제공되고, 특허 출원과 그 요건의 상황 내에서 제공되었다. 설명된 실시예에 대한 다양한 변경이 당업자에게는 자명할 것이고, 본 명세서에서의 일반적인 원리는 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 도시된 실시예에 제한되는 것으로 의도되지 않고, 대신에 본 명세서에서 기술된 원리 및 특징과 일치하는 가장 넓은 범주와 조화를 이루는 것으로 의도된다.
도 1 내지 도 10b는 유사한 요소에 유사하게 번호가 메겨지는 상태로, 솔라 셀 디바이스, 그 특성 및 그 구성의 실시예를 도시한다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 다른 축척으로 도시된 솔라 셀(100)의 일 실시예의 평면도 및 측단면도를 각각 도시한다. 솔라 셀(100)은 웨이퍼(110)를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 웨이퍼(110)는 156×156 mm의 웨이퍼이다. 바람직하게, 웨이퍼(110)는 실리콘(단일 또는 다중-결정)과 같은 반도체 재질로 구성되고, p-n 접합을 포함한다. p-n 접합은 서로 이어서 배치된 p-형으로 도핑된 영역(150)과 n-형으로 도핑된 영역(160)으로 형성된다. 금속 접촉 라인(120)은 웨이퍼(110)의 표면 위에 프린트되거나 다른 방식으로 형성된다. 접촉 라인(120)이 금속이 아닌 전도성 재질로 형성될 수도 있다는 점이 고려된다. 전도성 핑거(130)는 접촉 라인으로부터 전기적인 전하를 수집하고 이를 외부 부하로 밖으로 전달하도록 웨이퍼(110)의 표면상에 배치된다. 도 1에서 접촉 라인이 5개의 수직 라인(120)으로 표시되었고, 전도성 핑거는 두 개의 수평 라인(130)으로 표시되었지만, 접촉(120)과 핑거(130)의 다른 수, 크기, 형태, 배열 및 배치가 사용될 수 있다는 점이 고려된다.
동작시, 접촉 라인(120)과 핑거(130) 사이의 노출된 표면(140)을 통해 웨이퍼(110)의 반도체 재질로 광이 들어올 때, 광은 전형적으로 n-형으로 도핑된 영역(160) 내에서 전자-홀 쌍으로 변환된다. 전자는 한 방향으로 진행하여 접촉(120)으로 유인되고, 반면에 홀은 p-형으로 도핑된 영역(150)을 향해 다른 방향으로 진행한다. 특정 영역 내에 더 많은 불순물이 존재할수록, 더 많은 전자-홀 쌍이 그 영역 내에서 회복되어, 더 많은 손실 전기를 초래한다. 그러므로, 다른 영역에 대해 도핑 레벨을 제어하는 것이 유리하다. 광이 전자-홀 쌍으로 변환되는 영역에서, 도핑 레벨은 상대적으로 낮아야 한다. 전하가 접촉 라인(120)으로 진행하는 영역에서, 도핑 레벨은 높아야 한다. 도 1의 (b)에서 n-형으로 도핑된 영역(160) 내의 어두운 영역은 낮은 레벨의 n-형 불순물로 균질하게 도핑된 균질한 에미터 영역을 표시한다. 웨이퍼(110)의 표면 근처에서 접촉 라인(120) 아래에 배치된 패턴화된 영역(170)은 상대적으로 높은 레벨의 n-형 불순물로 선택적으로 도핑된 선택적인 에미터 영역을 표시한다.
균질한 에미터 영역의 불순물 농도를 최소화(따라서 고유 저항을 최대화)하고, 선택적인 에미터 영역의 불순물 농도를 최대화(따라서 고유 저항을 최소화)한 결과로서, 생성된 전자를 균질의 에미터 영역으로부터 선택적인 에미터 영역을 통해 접촉 라인으로 전달하는 솔라 셀의 능력은 증가하고, 동시에 전자-홀 쌍의 재결합에 대한 전기를 손실할 위험은 줄어든다. 부가적으로, 더 두꺼운 접촉 라인이 더 많은 전기를 도통시킬 수 있지만, 또한 솔라 셀로 들어와 전자로 변환되는 광을 더 많이 차단한다. 접촉 라인 근처의 선택적인 에미터 영역의 불순물 농도를 최대화시킴으로써, 접촉 라인은 실질적으로 더 얇게 만들어질 수 있어서, 더 많은 광이 솔라 셀로 들어오게 허용하면서, 전자를 전자-홀 쌍 생성 영역으로부터 접촉 라인으로 전달하는 솔라 셀의 능력을 개선시킨다.
일부 실시예에 있어서, 균질하게 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□에 대략 160 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖도록 도핑되고, 반면에 선택적으로 도핑된 영역은 대략 10 Ω/□에 대략 40 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖도록 도핑된다. 일부 실시예에 있어서, 균질하게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 시트 저항을 갖도록 도핑되고, 반면에 선택적으로 도핑된 영역은 대략 25 Ω/□의 시트 저항을 갖도록 도핑된다.
이전에 언급한 바와 같이, 종래 기술은 이들 구성을 획득할 수 없었다. 이들 또는 유사한 불순물 농도와 시트 저항 레벨 및 이들의 관련 이점을 얻기 위하여, 본 발명은 이들 다른 영역의 형성시 독립적으로 수행되는 이온 주입을 채용한다.
도 2는 본 발명의 원리에 따라 솔라 셀을 형성하는 방법(200)의 일 실시예를 도시한다. 비록, 도 2가 특정 순서로 수행되는 특정 단계들의 일 실시예를 도시하지만, 본 발명의 원리에 따른 다른 실시예에서 단계들의 순서가 변경될 수 있다는 점이 고려된다. 부가적으로, 청구항에서 "이온 주입" 및 "도핑된 영역"의 용어와 함께 용어 "제 1" 및 "제 2"의 사용은 그 청구항이 명시적으로 달리 언급하지 않는한, 특정 순서를 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다. 용어 "제 1" 및 "제 2"는 주입 및 영역의 독립적인 성질을 반영하기 위하여 단순히 사용되었다.
단계(210)에서, 반도체 웨이퍼가 제공된다. 일부 실시예에 있어서, 반도체 웨이퍼는 실리콘 기판(단일- 또는 다-결정 구조를 갖는)으로서 제공된다. 이미 도핑된 반도체 웨이퍼가 제공된다. 일부 실시예에 있어서, 반도체 웨이퍼는 p-형 불순물로 사전 도핑되어, p-형 바탕 영역을 생성하고, p-형 바탕 영역 위에 솔라 셀의 다른 양상이 형성될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 반도체 웨이퍼는 n-형 불순물로 사전 도핑되어, n-형 바탕 영역을 생성하고, n-형 바탕 영역 위에 솔라 셀의 다른 양상이 형성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 사전 도핑된 바탕 영역은 대략 30 Ω/□ 내지 대략 70 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖도록 도핑된다.
단계(220)에서, 반도체 웨이퍼는 이온 주입 공정을 사용하여 낮은 농도 레벨의 불순물로 균질하게 도핑된다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 단계는 사전 도핑된 반도체 웨이퍼에 불순물의 블랭킷(blanket) 주입을 통해 달성된다. 도 3은 도 1의 (b)의 웨이퍼(110)와 유사한 반도체 웨이퍼(310)로 불순물의 균질한 이온 주입(305)의 일 실시예를 도시한다. 이러한 이온 주입(305)은 반도체 웨이퍼(310) 내에서 사전 도핑된 영역(350) 위에 균질하게 도핑된 영역(360)을 형성한다. 이러한 균질한 블랭킷 층(360)은 광의 입사 결과로서 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성된다. 이러한 균질한 층(360)은 전하 캐리어의 형성에 악영향을 미치지 않도록 낮은 레벨의 불순물(높은 고유 저항)을 필요로 한다. n-형 또는 p-형 불순물은 웨이퍼(310) 내로 낮은 도핑 레벨에서 중간 도핑 레벨로 깊이 주입되어, 사전 도핑된 재질에 대한 접합을 형성한다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 접합은 사전 도핑된 영역(350)과 균질하게 도핑된 영역(360) 사이의 접합부에서 형성된 p-n 접합이다. 바람직하게, 사전 도핑된 영역(350)은 p-형으로 도핑되고, 반면에 균질하게 도핑된 영역(360)은 n-형으로 도핑된다. 하지만, 다른 도핑 구성도 본 발명의 범주 내에 든다.
예컨대 제작자의 요구사항에 따라 불순물은 미리결정된 깊이로 주입되고, 접합이 미리결정된 깊이에서 형성된다. 일부 실시예에 있어서, 불순물의 깊이와 레벨은 특정 PV 제작자 고유 저항과 접합 요건에 의해 결정된다. 이러한 목적을 위한 맞춤화된 원자 프로파일을 사전분석하고 형성하기 위하여 다양한 모델이 사용될 수 있다. 이러한 요건을 충족하도록 정보가 주입 및 어닐링 시스템에 제공된다.
웨이퍼의 표면으로부터 접합의 거리는 불순물의 이온 주입 도중에 이온 빔에 사용된 에너지의 양에 의해 결정된다. 일부 실시예에 있어서, 에너지의 양은 솔라 셀 디바이스에 대한 원하는 규격에 따라 1 내지 150 KeV 범위이다. 불순물이 주입되는 임의의 영역의 불순물 농도와 따라서 시트 저항은, 이들 불순물이 균질하게 주입되었거나 선택적으로 주입되었는지에 관계없이, 이온 주입 시스템의 빔 전류에 의해 결정될 수 있다. 이온 빔을 위해 이온 주입 시스템에서 이온화되는 가스의 종은 도핑이 n-형인지 또는 p-형인지를 결정한다. 예컨대, 인과 비소는 각각 n-형 도핑을 초래하고, 반면 붕소는 p-형 도핑을 초래한다.
다양한 이온 주입 시스템이 본 발명에서 사용될 수 있다는 점이 고려된다. 일부 실시예에 있어서, 플라즈마 주입 기술이 사용된다. 일부 실시예에 있어서, 높은 생산성을 갖는 주입 시스템(미도시)이 다른 영역의 도핑을 위해 사용된다. 이러한 주입 기술은, 발명의 명칭이 "APPLICATIONS SPECIFIC IMPLANTATION SYSTEM FOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS"이고, 2008년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/131,688호의 요지이고, 이 가특허출원은 본 명세서에서 설명되는 것처럼 그 전체가 참조로서 본 명세서에 병합되었다. 일부 실시예에 있어서, 스폿 빔 또는 확장된 빔은 시간당 천개 이상의 웨이퍼의 생산성으로 웨이퍼를 가로질러 완전한 적용범위를 제공하기 위하여 사용된다.
단계(230)에서, 반도체 웨이퍼는 직접 및/또는 플라즈마 이온 주입 공정을 사용하여 높은 농도 레벨의 불순물로 선택적으로 도핑되어, 웨이퍼 상에 선택적인 에미터 영역을 형성한다. 단계(230)에서 사용된 이온 주입 공정은 단계(220)에서 사용된 이온 주입 공정과 독립적인 것이 바람직하다.
이러한 선택적인 도핑 단계에서, 적절한 깊이와 도핑 레벨은, 주입 에너지 및 사용량의 조절을 통해, 기판의 표면에서 또는 그 근처에서 매우 높은 불순물 농도(낮은 고유 저항)을 제공하도록 선택된다. 이는 맞춤화된 프로파일을 제공하기 위하여 변화하는 에너지 및 사용량의 다중 주입을 통해, 또는 변화성의 연속체로서 얻어질 수 있고, 맞춤화된 프로파일은 도 8 내지 도10b를 참조하여 이하에서 더 상세하게 논의될 것이다.
선택적인 도핑의 목적은 후속 접촉 형성을 위해 요구되는 표면 고유 저항을 얻는 것이다. 접촉의 제작을 위한 요건이 스크린 프린팅으로부터 리쏘그라피 또는 잉크젯 프린팅 또는 다른 새로운 방법으로 확산되기 때문에, 표면의 고유 저항은 이러한 요건을 충족시키도록 조절될 수 있어야 한다. 부가적으로, 임의의 표면 패시베이션 방법이 전개된다면, 주입 조건은 이러한 변화를 대처하도록 채택될 수 있어야 한다.
후속 그리드 라인 아래의 적절한 측면 위치에서 그리고 적절한 농도 레벨의 불순물의 배치는 대단히 유리하다. 반도체 웨이퍼 내에서 균질하게 도핑된 영역 위에 복수의 높게 도핑된 영역의 형성은 다양한 방법을 통해 달성될 수 있다. 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 원리에 따른 선택적인 주입의 다른 실시예를 도시한다.
도 4a는 필요한 주입 영역(470)만을 새기는 주입 시스템 내에서 물리적인 마스크 층(472)의 사용을 통해 이온 주입(405)이 수행되는 일 실시예를 도시한다. 물리적인 마스크 층(472)은 반도체 웨이퍼(310)의 표면 위에 미리결정된 거리에 배치된다. 일부 실시예에 있어서, 이온 빔은 주입 효율을 개선하기 위하여 도 4c에 도시된 바와 같이 성형될 수 있다.
도 4b는 이온 주입(405)이 반도체 웨이퍼(310)의 표면 위에 배치된 접촉 마스크 층(474)을 통해 수행되는 일 실시예를 도시한다. 접촉 마스크 층(474)은 필요한 주입 영역(470)만을 새긴다. 일부 실시예에 있어서, 접촉 마스크 층(474)은 코팅을 통해 형성된다. 예컨대, 접촉 마스크 층(474)은 리쏘그라피, 스크린 프린팅 단계 또는 다른 증착 및 제거 공정의 사용을 통해 형성될 수 있다.
도 4c는 이온 빔(405)이 반도체 웨이퍼(310)상의 필요한 주입 영역(470)만을 도핑하도록 맞춤화된 일 실시예를 도시한다. 일부 실시예에 있어서, 주입 빔(405)은 그리드 라인 크기에 충족하도록 형성되어, 관심 영역(들)만을 주입한다.
도 4a 내지 도 4c와 같은 일부 실시예에서 선택적으로 도핑된 영역은 사전 도핑된 영역(350)까지 아래로 확장되는 반면, 도 1의 (b)와 같은 일부 실시예에서 선택적으로 도핑된 영역은 사전 도핑된 영역(150)까지 아래로 멀리 확장하지 않는다는 것이 주지된다.
주입 단계(220 및 230)는 원하는 결과를 얻기 위하여 필요한 만큼 많은 횟수를 반복할 수 있음을 주목해야 한다.
선택적으로, 단계(235)에서, 바람직하게는 금속의, 접촉 시드 층은, 반도체 웨이퍼와, 궁극적으로 반도체 웨이퍼의 표면상에 배치될 금속(또는 다른 전도성) 접촉 사이에 전이 층을 생성하기 위하여, 선택적으로 도핑된 영역 위에 주입된다. 이러한 접촉 시드 층의 형성은 접촉/반도체 경계면의 일함수에 영향을 주도록 작용할 수 있어서, 반도체 재질과 금속 접촉 사이의 전기적인 접촉을 개선시킨다. 도 5는 본 발명의 원리에 따라 접촉 시드 주입(505)의 일 실시예를 도시한다. 표면에서 또는 표면 바로 근처에서 그리고 선택적으로 도핑된 영역(470) 위에 금속 주입의 상대적으로 높은 사용량(580)은 규화물 층을 형성할 수 있다. Ni, Ta, Ti, W, 및 Cu를 포함하지만 이에 국한되지 않는 다양한 금속 주입이 사용될 수 있다. 이러한 밴드 갭 기술은 솔라 셀의 전체적인 성능을 개선시킬 수 있다. 접촉 마스크 층(576)은 주입을 적절하게 정렬시키기 위하여 사용될 수 있다. 실제로는, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 임의의 주입 정렬 방법(물리적인 마스크, 접촉 마스크 및 물리적인 빔)이 선택적인 에미터 영역 위에서 접촉 시드 영역을 적절하게 정렬시켜 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 전이 층 단계는 심지어 종래의 에미터 성능을 개선하기 위하여 사용될 수 있다. 이 경우, 주입된 영역은 접촉 누설과 쇼트키 다이오드의 형성을 최소화하기 위하여 약간 더 작게 만들어질 수 있다. 금속-반도체 접촉은 종래 기술의 것을 포함하여 모든 광기전성 디바이스에 존재한다. 이들은 경계면의 특성에 따라 쇼트키 장벽 또는 저항 접촉으로서 거동한다. 그러므로, 이러한 경계면의 제어 및 관리는 솔라 셀의 성능을 개선하는데 유리하다.
단계(240)에서, 금속(또는 다른 전도성) 접촉 라인은 반도체 웨이퍼의 표면상에 놓인다. 일부 실시예에 있어서, 금속 접촉 라인은 예컨대 프린팅을 통해, 또는 포토리쏘그라피와 도금을 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면상에 형성된다. 그러나, 금속 접촉을 반도체 웨이퍼상에 배치하기 위하여 다른 공정이 사용될 수 있다는 점이 고려된다. 도 6은 본 발명의 원리에 따라 금속 접촉 형성의 일 실시예를 도시한다. 금속 접촉 라인(690)은 시드 주입 단계에서 사용된 마스크와 유사한 접촉 마스크(576)를 사용하여 복수의 선택적으로 도핑된 영역(470) 위에 정렬되었다. 접촉 라인(690)은 선택적으로 도핑된 영역(470)로부터 전기적인 전하를 도통시키도록 구성된다.
선택적으로, 단계(245)에서, 반사-방지 코팅 층은 균질하게 도핑된 영역 위에 형성된다. 반사-방지 코팅 층은 균질하게 도핑된 영역 위에 반사-방지 코팅 재질을 증착시켜 형성된다. 반사-방지 코팅 층을 형성하기 위해 사용될 수 있는 재질은 SiO2와 Si3N4를 포함하지만 이에 국한되지 않는다. 일부 실시예에 있어서, 웨이퍼상에 이미 형성된 반사-방지 코팅 층이 이에 이온 주입을 적용시켜 개선될 수 있다. 도 7은 반도체 웨이퍼의 균질하게 도핑된 영역 위에 형성된 반사-방지 코팅 층(795)의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 선택적으로 도핑된 영역(470) 사이의 공간의 일 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 것과 같은 일부 실시예에 있어서, 선택적으로 도핑된 영역(470)은 대략 1mm 내지 대략 3mm 범위의 거리만큼 서로 측면으로 이격된다. 그러나, 다른 간격 크기도 본 발명의 범주 내에 드는 점이 고려될 수 있다.
단계(250)에서, 어닐링 공정이 웨이퍼상에 수행된다. 일부 실시예에 있어서, 어닐링 단계는 반도체 웨이퍼를 용융점 근처의 하지만 용융점 아래의 온도까지 가열하여 임의의 이온 주입 단계로 인한 반도체 웨이퍼의 결정 구조에 대해 가해진 손상을 복원시킨다. 어닐링 단계는 로 어닐링 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 레이저 어닐링 또는 플래쉬 램프 어닐링이 로 어닐링 대신에 사용될 수 있다. 도 2가 방법의 마지막에 수행되는 어닐링 단계를 도시하지만, 어닐링 단계가 임의의 시점에 수행될 수 있다는 점이 고려된다. 예컨대, 일부 실시예에 있어서, 어닐링 공정은 임의의 또는 각 이온 주입 단계에 후속하여 곧바로 수행되는 반면, 다른 실시예에서는 모든 이온 주입이 완료된 후 단일 어닐링 공정이 수행된다. 어닐링 공정의 타이밍은 후속 단계 공정이 주입이든 또는 다른 PV 제작 단계이든, 후속 단계 공정에 영향을 미치지 않을 것이다.
위의 일부 방법에 대해, 특징부 형성을 정렬시키기 위하여 반도체 웨이퍼상의 정합 표식의 설비가 사용될 수 있다. 이것은 다양한 방법을 통한 주입에 앞서 달성될 수 있고, PV 제작자의 능력 및 이들의 요건에 의존한다. 단순한 방법은 본 반도체 정합 표식과 조화를 이룬 레이저 새김 정합 표식일 것이다. 그러나, 광기전성 응용에 대한 요건은 반도체와 같이 엄격하지 않고, 따라서 단순한 정합 표식이면 충분하다.
그리드 라인 아래의 도핑은, 잠재적으로 접촉 그리드 라인보다 더 크거나 저 적을 수 있는 낮은 고유 저항의 영역을 형성하도록, 또한 측면으로 맞춤화될 수 있다. 이는 그리드 라인으로부터 웨이퍼의 나머지로 전기 누설의 전위를 감소시킬 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 그러한 누설은 셀 성능의 효율을 감소시킬 수 있다. 주입 빔 크기 또는 물리적인 마스크의 조절은 이러한 능력을 제공할 수 있다. 이러한 누설의 크기는 또한 측면으로 불순물의 유리한 배치를 통해 감소되거나 또는 제거될 수 있다.
원자 프로파일의 맞춤화는, 달성 가능한 최상의 셀 성능을 위한 최적의 프로파일을 달성하기 위하여 다양한 에너지(깊이) 및 사용량(도핑 레벨)의 부가적인 주입의 사용을 통해 추가로 개선될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 조합 주입은 높은 생산성과 맞춤화된 프로파일을 제공할 수 있는 일련의 낮은 사용량과 빠른 주입이다. 이러한 방법은 박스형 접합의 형성으로 확장될 수 있어서, 원자 분포에서 급격하고 깊은 접합 드롭을 갖는 평탄한 상부 프로파일을 제공한다. 선택적으로, 깊은 접합은 높은 도핑 영역에서 낮은 도핑 영역으로 완만한 전이를 제공하기 위하여 경사가 완만해질 수 있고, 따라서 전기적인 장벽의 형성을 방지한다.
부가적인 주입은 또한 교정 주입으로서 PV 제작 공정의 마지막에 사용될 수 있다. 이는 반도체 응용에서 전개된 역행 주입의 종래 의미에서 이루어질 수 있다. 이는 또한 표면 및 깊은 접합 고유 저항의 형성에 후속하여 또는 셀 제작의 최종 완료시에 주입이 수행될 때 사용될 수 있다. 만약 셀이 최종 시험 규격을 충족시키지 못한다면, 교정 단계로서 트리밍 주입이 성능을 개선하기 위하여 사용될 수 있다. 선택적으로, 그리드 라인의 가장자리 주위의 매우 약한 도핑이, 최종 시험이 역 효과를 보이는 경우, 추가 누설을 방지하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명이 이온 주입을 통한 다중의 독립적인 불순물 주입을 사용하는 것은 사용자의 선호도 또는 요건에 따라 솔라 셀 디바이스의 원자 프로파일의 성형을 가능케 한다. 일부 사용자는 특정 깊이에서 이상적인 급격한 접합으로서 박스형 접합(또는 박스형 프로파일)을 선호할 수 있다. 다른 사용자는 표면으로부터 접합 깊이(바탕 도핑)까지 아래로 롤링 프로파일을 선호할 수 있다. 다른 그룹의 사용자는 바탕 도핑까지 멀리 완만한 롤링 프로파일에 뒤이어 낮은 깊이에서 매우 뾰족한 프로파일을 선호할 수 있다. 지금까지, 당업자는 원자 프로파일의 형태를 더욱 더 효과적으로 제어할 수 있는 장점을 달성하지 못하였고, 단순한 가우스 분포에 제한되어 왔다. 본 발명은 사용자의 선호도에 따라 솔라 셀의 전체 원자 프로파일을 맞춤화하기 위하여 미리 결정된 다른 깊이 대 농도 프로파일을 갖는 다중의 독립적인 불순물 주입을 사용한다.
도 8은 본 발명의 원리에 따라 프로파일 맞춤화 그래프(800)의 일 실시예를 도시한다. 그래프(800)는 불순물 깊이(Å) 대 불순물 농도(원자/cm3)에 대한 솔라 셀의 원자 프로파일을 도시한다. 전체 원자 프로파일은 라인(810)으로 표시된다. 다른 깊이 대 농도 프로파일을 각각 갖는 다중 이온 주입의 사용을 통해, 솔라 셀의 불순물 농도( 및 따라서 고유 저항)는 사용자에 의해 미리결정된 깊이를 가로질러 정확하게 조절되고 제어될 수 있다. 그래프(800)는 세 가지 다른 주입 프로파일(812, 814, 및 816)을 도시한다. 이들 세 가지 프로파일의 조합은 솔라 셀의 전체 프로파일(810)을 초래한다.
각 개별 주입이 가우스 또는 유사 가우스 분포로 제한될 수 있지만, 본 발명은 이들을 조합하여 효과적으로 전체 원자 프로파일의 형태를 맞춘다. 다중의 독립적인 주입의 사용을 통해 전체 원자 프로파일을 제어할 때, 본 발명은 사용자가 접합 깊이(840)를 효과적으로 제어하는 것을 가능케 하고, 여기에서 한 가지 유형의 주입된 불순물(예컨대 n-형 불순물)은 사전 도핑된 바탕 영역(820)의 불순물(예컨대 p-형 불순물)과 부합된다. 사용자는 또한 솔라 셀의 표면에서 또는 그 근처에서 불순물 농도(830)의 제어도 가능하게 된다. 본 발명은 사용자가 표면 농도(830)와 접합 깊이(840)를 서로 독립적으로 제어하는 것을 가능케 한다. 일부 실시예에 있어서, 원자 프로파일은 대략 0.01㎛ 내지 대략 0.5㎛ 범위의 접합 깊이를 갖도록 맞추어진다. 일부 실시예에 있어서, 원자 프로파일은 대략 5×1018 원자/cm3 내지 대략 4.8×1021 원자/cm3 범위의 표면 농도를 갖도록 맞추어진다. 그러나, 원자 프로파일이 다른 접합 깊이와 표면 농도를 갖도록 맞추어질 수 있다는 점이 고려된다.
종래 기술에 있어서, 원자 프로파일의 조절은 제한된다. 도 9는 확산을 이용하여 도핑된 솔라 셀에 대한 프로파일 맞춤화 능력에서의 결핍을 도시하는 그래프(900)이다. 여기에서, 라인(910)은 솔라 셀에 대한 원자 프로파일을 도시한다. 반도체 웨이퍼를 도핑하기 위한 확산의 사용은 사용자가 표면 농도와 접합 깊이를 독립적으로 제어하지 못하게 한다. 사용자는 농도와 깊이를 함께 라인(910')까지 단순히 증가시켜 프로파일(910)을 더 깊게 하거나, 농도와 깊이를 함께 라인(910'')까지 단순히 감소시켜 프로파일(910)을 더 옅게 하는 것으로 제한된다. 사용자는 원자 프로파일의 형태를 변화시킬 수 없고, 원자 프로파일의 한 가지 양상에 다른 양상과는 달리 영향을 미칠 수 없다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 원리에 따라 이온 주입을 사용하여 도핑된 솔라 셀을 위한 프로파일 맞춤화 능력에서의 장점을 도시하는 그래프이다. 도 10a의 그래프(1000)에서, 깊이 대 농도의 항에서의 원자 프로파일(1010)은 종래 기술의 방법을 사용하여 형성된 솔라 셀에 대해 도시되었다. 여기에서 프로파일(1010)은 단순한 가우스 분포로 제한되어, 전자-홀 쌍의 생성 영역에서 생성된 전자가 접촉쪽으로 위로 이동하는 것을 어렵게 한다. 프로파일(1010)의 가파른 기울기는, 전자가 웨이퍼 표면의 전도성 접촉을 향해 이동할 때 불순물 농도(및 따라서 고유 저항)에서의 상당한 증가를 반영한다. 이러한 가파른 기울기는 전자가 접촉에 도달하는 것을 더 어렵게 할 수 있고, 따라서 바람직하지 못한 전기 손실을 초래한다.
도 10b의 그래프(1000')에서, 깊이 대 농도의 항에서의 원자 프로파일(1010')은 본 발명의 다중 이온 주입을 사용하여 형성된 솔라 셀에 대해 도시되었다. 프로파일(1010')은, 전자가 반도체 웨이퍼 표면의 접촉을 향해 이동할 때 농도에서 보다 점진적인(덜 가파른) 증가를 형성하도록, 성형될 수 있다. 원자 프로파일의 이러한 맞춤화는, 접합 깊이 및 표면 농도와 함께 그 사이의 모든 것을 독립적으로 제어하기 위한 다중 이온 주입을 사용함으로써 가능하게 된다.
도 8에서, 다른 주입(812, 814 및 816)은 솔라 셀의 다른 양상을 결정할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에 있어서, 라인(812)(중간 범위의 주입)은 균질한 에미터를 결정하는 반면, 라인(814 및 816)은 선택적인 에미터 영역을 제공하기 위한 일련의 선택적인 주입으로서 부가된다. 이들 주입 단계는 어떠한 커버도 없는 블랭킷 기판상에, 또는 임의의 반사-방지 커버(예컨대, 질화물, 산화물 또는 임의의 다른 막)를 통해 블랭킷 기판상에, 또한 솔라 셀 제작에 필요한 표면 조직상에 수행될 수 있다. 표면 조직의 경우, 이온 주입은 표면 윤곽에 양호한 부착을 제공하여, 접촉 형성을 개선시킨다. 도 8의 그래프(800)는 이전에 논의한 반사-방지 코팅과 같은 표면 코팅(850)을 도시한다. 이러한 코팅은 임의의 두께일 수 있다.
위에서 논의한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 솔라 셀 디바이스를 제작하기 위해 매우 적합하다. 각각이 본 명세서에서 설명된 것처럼 참조로서 그 전체가 본 명세서에 병합된, 다음의 공동 계류중인 특허출원은 솔라 셀 디바이스를 제작하기 위한 방법을 기술한다 : 대리인 관리번호가 SITI-00100이고, 발명자가 Babak Adibi와 Edward S. Murrer이며, 2009년 6월 11일에 출원된 "SOLAR CELL FABRICATION USING IMPLANTATION"; 대리인 관리번호가 SITI-00200이고, 발명자가 Babak Adibi와 Edward S. Murrer이며, 2009년 6월 11일에 출원된 "APPLICATIONS SPECIFIC IMPLANT SYSTEM FOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS"; 및 대리인 관리번호가 SITI-00400이고, 발명자가 Babak Adibi와 Edward S. Murrer이며, 2008년 6월 24일에 출원된 "SOLAR CELL FABRICATION WITH FACETING AND IMPLANTATION". 이들 공동 계류중인 특허출원 내에서 기술된 특징들 중 어느 것이라도 본 발명에 병합될 수 있다는 점이 고려된다.
본 발명은, 본 발명의 구성 원리 및 동작 원리의 이해를 돕기 위한 세부사항을 포함하는 특정 실시예에 관해 기술되었다. 특정 실시예 및 이들의 세부사항에 대한 본 명세서에서의 참조는 첨부된 청구범위의 범주를 제한하려 의도되지 않는다. 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고도 예시를 위해 선택된 실시예에서 다른 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다.
100 : 솔라 셀 110,310 : 웨이퍼
120, 690 : 금속 접촉 라인 130 : 전도성 핑거
140 : 노출된 표면 150 : p-형으로 도핑된 영역
160 : n-형으로 도핑된 영역 170 : 패턴화된 영역
305,405 : 이온 주입 350 : 사전 도핑된 영역
360 : 균질하게 도핑된 영역 470 : 주입 영역
472 : 물리적인 마스크 층 474,576 : 접촉 마스크 층
580 : 높은 사용량 795 : 반사-방지 코팅 층

Claims (36)

  1. 솔라 셀(solar cell)을 형성하는 방법으로서,
    사전 도핑된 영역을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계와,
    상기 사전 도핑된 영역 위에 제 1 도핑된 영역을 형성하기 위해 상기 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 1 이온 주입을 수행하는 단계로서, 상기 제 1 이온 주입은 깊이 대 농도 프로파일을 갖는, 제 1 이온 주입 단계와,
    상기 사전 도핑된 영역 위에 제 2 도핑된 영역을 형성하기 위해 상기 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 2 이온 주입을 수행하는 단계로서, 상기 제 2 이온 주입은 상기 제 1 이온 주입의 것과는 다른 깊이 대 농도 프로파일을 갖는, 제 2 이온 주입 단계를 포함하고,
    상기 제 1 도핑된 영역과 상기 제 2 도핑된 영역 중 적어도 한 영역은 광을 수용할 때 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성되고,
    상기 제 1 및 제 2 이온 주입은 서로 독립적으로 수행되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 사전 도핑된 영역과, 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성된 상기 제 1 도핑된 영역과 상기 제 2 도핑된 영역 중 상기 적어도 한 영역 사이에 p-n 접합이 형성되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 실리콘 기판으로서 제공되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 이온 주입으로 형성되는 상기 제 1 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□ 내지 대략 160 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 이온 주입으로 형성되는 상기 제 2 도핑된 영역은 대략 10 Ω/□ 내지 대략 40 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 이온 주입으로 형성되는 상기 제 1 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□ 내지 대략 160 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖고,
    상기 제 2 이온 주입으로 형성되는 상기 제 2 도핑된 영역은 대략 10 Ω/□ 내지 대략 40 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼의 표면상에 금속 접촉 라인을 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속 접촉 라인은 상기 제 1 및 제 2 도핑된 영역 중 적어도 한 영역으로부터 전기적인 전하를 도통시키도록 구성되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 사전 도핑된 영역은 p-형으로 도핑되고, 상기 제 1 및 제 2 도핑된 영역은 n-형으로 도핑되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 이온 주입 단계 중 적어도 한 단계 이후에 상기 반도체 웨이퍼상에 어닐링 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  10. 솔라 셀(solar cell)을 형성하는 방법으로서,
    사전 도핑된 영역을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계와,
    상기 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 1 이온 주입을 수행함으로써 상기 사전 도핑된 영역 위의 상기 반도체 웨이퍼 내에 균질하게 도핑된 영역을 형성하는 단계로서, 상기 사전 도핑된 영역과 상기 균질하게 도핑된 영역 사이에 p-n 접합이 형성되고, 상기 균질하게 도핑된 영역은 광을 수용할 때 전자-홀 쌍을 생성하도록 구성되는, 균질하게 도핑된 영역을 형성하는 단계와,
    상기 반도체 웨이퍼내로 불순물의 제 2 이온 주입을 수행함으로써 상기 균질하게 도핑된 영역 위의 상기 반도체 웨이퍼내에 복수의 선택적으로 도핑된 영역을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 이온 주입은 서로 독립적으로 수행되고,
    상기 선택적으로 도핑된 영역은 상기 균질하게 도핑된 영역보다 더 높은 불순물 농도를 갖는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 실리콘 기판으로서 제공되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 이온 주입으로 형성되는 상기 균질하게 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□ 내지 대략 160 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 제 2 이온 주입으로 형성되는 상기 선택적으로 도핑된 영역 각각은 대략 10 Ω/□ 내지 대략 40 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 이온 주입으로 형성되는 상기 균질하게 도핑된 영역은 대략 80 Ω/□ 내지 대략 160 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖고,
    상기 제 2 이온 주입으로 형성되는 상기 선택적으로 도핑된 영역 각각은 대략 10 Ω/□ 내지 대략 40 Ω/□ 범위의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼의 표면상에 금속 접촉 라인을 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속 접촉 라인은 상기 복수의 선택적으로 도핑된 영역 위에서 정렬되고, 상기 복수의 선택적으로 도핑된 영역으로부터 전기적인 전하를 도통시키도록 구성되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 근처에 금속 시드 층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속 시드 층은 상기 선택적으로 도핑된 영역과 상기 금속 접촉 라인 사이의 전이 층으로서 작용하도록 구성되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 금속 시드 층은 규화물을 포함하는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 금속 시드 층을 형성하는 단계는 적어도 하나의 재질을 상기 반도체 웨이퍼에 이온 주입하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 재질은 Ni, Ta, Ti, W 및 Cu로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  19. 제 10항에 있어서, 상기 사전 도핑된 영역은 p-형으로 도핑되고, 상기 균질하게 도핑된 영역 및 선택적으로 도핑된 영역은 n-형으로 도핑되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  20. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 이온 주입 단계 중 적어도 하나의 이온 주입 단계 이후에 상기 반도체 웨이퍼상에 어닐링 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  21. 제 10항에 있어서, 상기 균질하게 도핑된 영역 위에 반사-방지 코팅 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  22. 제 10항에 있어서, 상기 선택적으로 도핑된 영역은 마스크를 사용하여 미리 결정된 위치의 상기 반도체 웨이퍼 내에 주입되고, 상기 마스크는 상기 미리 결정된 위치와 정렬되는 개구부를 포함하는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 마스크는 상기 제 2 이온 주입 동안 상기 반도체 웨이퍼의 표면상에 배치된 접촉 마스크인, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 마스크는 상기 제 2 이온 주입 동안 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위의 미리 결정된 거리에 배치되는 물리적인 마스크인, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  25. 제 10항에 있어서, 상기 선택적으로 도핑된 영역은 성형된 이온 빔을 사용하여 미리 결정된 위치의 상기 반도체 웨이퍼 내에 주입되고, 상기 성형된 이온 빔은 상기 미리 결정된 위치와 정렬되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  26. 제 10항에 있어서, 상기 선택적으로 도핑된 영역은 대략 1 mm 내지 대략 3 mm 범위의 거리만큼 서로로부터 측면으로 이격되는, 솔라 셀을 형성하는 방법.
  27. 솔라 셀(solar cell)로서,
    바탕의 도핑된 영역을 갖는 반도체 웨이퍼와,
    상기 바탕의 도핑된 영역 위의 상기 반도체 웨이퍼 내에 형성된 균질하게 도핑된 영역으로서, 대략 80 Ω/□ 과 대략 160 Ω/□ 사이의 시트 저항을 갖고, 상기 반도체 웨이퍼 내에 불순물을 이온 주입하여 형성되는, 균질하게 도핑된 영역과,
    상기 균질하게 도핑된 영역과 상기 바탕의 도핑된 영역 사이에 형성된 p-n 접합과,
    상기 균질하게 도핑된 영역 위의 상기 반도체 웨이퍼 내에 형성된 복수의 선택적으로 도핑된 영역으로서, 선택적으로 도핑된 영역의 각각은 대략 10 Ω/□ 과 대략 40 Ω/□ 사이의 시트 저항을 갖고, 상기 반도체 웨이퍼 내에 불순물을 이온 주입하여 형성되는, 복수의 선택적으로 도핑된 영역과,
    상기 반도체 웨이퍼의 표면상에 배치되고, 상기 복수의 선택적으로 도핑된 영역 위에서 정렬되는 복수의 금속 접촉으로서, 상기 복수의 선택적으로 도핑된 영역으로부터의 전기적인 전하를 도통시키도록 구성되는, 복수의 금속 접촉을
    포함하는, 솔라 셀.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 실리콘 기판인, 솔라 셀.
  29. 제 27항에 있어서, 상기 제 1 이온 주입에 의해 형성된 상기 균질하게 도핑된 영역은 대략 100 Ω/□의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀.
  30. 제 27항에 있어서, 상기 제 2 이온 주입에 의해 형성된 상기 선택적으로 도핑된 영역의 각각은 대략 25 Ω/□의 시트 저항을 갖는, 솔라 셀.
  31. 제 27항에 있어서, 상기 선택적으로 도핑된 영역 위에 그리고 상기 금속 접촉 아래에 배치된 금속 시드 층을 더 포함하는, 솔라 셀.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 금속 시드 층은 규화물을 포함하는, 솔라 셀.
  33. 제 31항에 있어서, 상기 금속 시드 층은 Ni, Ta, Ti, W 및 Cu로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재질을 포함하는, 솔라 셀.
  34. 제 27항에 있어서, 상기 사전 도핑된 영역은 p-형으로 도핑되고, 상기 균질하게 그리고 선택적으로 도핑된 영역은 n-형으로 도핑되는, 솔라 셀.
  35. 제 27항에 있어서, 상기 균질하게 도핑된 영역 위에 배치된 반사-방지 코팅 층을 더 포함하는, 솔라 셀.
  36. 제 27항에 있어서, 상기 선택적으로 도핑된 영역은 대략 1 mm 내지 대략 3 mm 범위의 거리만큼 서로로부터 측면으로 이격되는, 솔라 셀.
KR1020117000605A 2008-06-11 2009-06-11 주입을 이용한 솔라 셀-선택 에미터의 형성 및 어닐링 방법 KR20110042053A (ko)

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