KR20110081772A - 실리콘의 선택적인 도핑 방법 및 이 방법으로 처리된 실리콘 기판 - Google Patents

실리콘의 선택적인 도핑 방법 및 이 방법으로 처리된 실리콘 기판 Download PDF

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Abstract

실리콘 내의 pn-접합을 제조하기 위한 실리콘 기판 (1) 의 실리콘의 선택적인 도핑 방법이, a) 인계 도핑제 (2) 를 실리콘 기판 (1) 의 표면에 제공하는 단계, b) 실리콘의 표면에 포스포실리케이트 유리 (2) 를 생성하기 위해 실리콘 기판 (1) 을 가열하는 단계 (여기서, 인은 제 1 도핑 (3) 으로서 실리콘 내로 확산함), c) 포스포실리케이트 유리 상에 마스크 (4) 를 형성하여 이후에 고농도로 도핑되는 영역 (5) 을 커버하는 단계, d) 마스킹되지 않은 영역에서의 포스포실리케이트 유리 (2) 를 제거하는 단계, e) 포스포실리케이트 유리 (2) 로부터 마스크 (4) 를 제거하는 단계, f) 고농도로 도핑된 영역을 생성하기 위해 제 2 도핑으로서 포스포실리케이트 유리 (2) 로부터의 인을 실리콘 내로 추가적으로 확산하기 위해 재차 가열하는 단계, g) 실리콘으로부터 포스포실리케이트 유리 (2) 를 완전하게 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

실리콘의 선택적인 도핑 방법 및 이 방법으로 처리된 실리콘 기판{METHOD FOR THE SELECTIVE DOPING OF SILICON AND SILICON SUBSTRATE TREATED THEREWITH}
본 발명은 실리콘 내의 pn 접합을 제조하기 위해 실리콘 기판의 실리콘의 선택적인 도핑 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 예를 들어, 태양 전지의 제조시에 요구된다.
실리콘 내의 pn 접합을 제조하기 위한 실리콘의 에미터 (emitter) 의 선택적인 도핑은, 솔러 기술 (solar technology) 에서 콘택트-형성 및 전도 특성을 향상시키기 위해 이용된다. 태양 전지의 효율성은 이러한 프로세스에 의해 개선될 수 있다. 도핑 매질 (dopping medium) 이 고-에너지 레이저 빔에 의해 실리콘내로 확산하는 레이저 기술이 선택적인 에미터의 제조를 위해 이미 사용되어 왔다. 다른 방법은 고농도로 도핑된 에미터의 플라즈마 에칭에 기초한다. 고농도 도핑이 유지되도록 의도되는 영역은 미리 마스킹된다.
다른 방법의 일 예시는 미국 특허 제5,871,591호이고, 여기서 원칙적으로 에칭 이후에도 초기 고농도 도핑이 유지되도록 의도되는 영역은 통상 리소그래피적으로 (lithographically) 마스킹된다. 따라서, 이들 방법은 선택적인 에미터 분포를 얻기 위해 표면 가까이에 고농도의 도핑을 갖는 얇은 층 (통상, 100-200㎚ 두께) 을 제거한다. 그러나, 이들 방법의 단점은, 태양 전지의 효율성의 상당한 손실을 초래하지 않게 하기 위해 표면의 에칭이 매우 정밀하게 수행되어야만 한다는 것이다. 레이저-지원 기술 (laser-aided technologies) 의 경우, 마찬가지로 태양 전지 표면에 심각한 손상의 위험이 있고, 이는, 이 기술이 솔러 기술에서 매우 가끔씩만 사용되는 이유이다.
본 발명은, 종래 기술에서의 문제점들이 제거될 수 있는 특히 실리콘 기판의 선택적인 도핑을 위한 효과적이고 용이한 실행가능한 방법이 달성될 수 있는, 초기에 언급된 방법뿐만 아니라 이 방법으로 처리된 실리콘 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 목적은, 청구항 1 의 특징을 포함하는 방법뿐만 아니라 청구항 7 의 특징을 포함하는 실리콘 기판에 의해 달성된다. 본 발명의 유리하고 바람직한 구성은 추가적인 청구항에서 구체화되고, 이하 더욱 상세하게 설명된다. 이 경우, 몇몇 특징은 방법 또는 실리콘 기판에 대해서만 언급되지만, 본 발명의 모든 양태들에 독립적으로 적용가능하도록 의도된다. 청구항의 단어는 상세한 설명의 내용의 명시적 참조에 의해 통합된다. 또한, 본 출원의 명칭에서 2008년 4월 14일자 우선권 출원 DE 102008019402.6 의 단어는 본 상세한 설명의 내용에서 명시적 참조에 의해 통합된다.
이 발명은 본 발명에 따른 이하의 단계를 갖는다. 단계 a) 에서, 실리콘 또는 실리콘 기판의 표면은 인계 또는 인을 함유하는 도펀트로 코팅된다. 예를 들어, 이 도펀트는 인산으로 구성된 용액이다. 그후, 단계 b) 에서, 도펀트로부터 표면상에 포스포실리케이트 유리 (phosphosilicate glass) 를 제조하기 위해, 실리콘 기판은 도펀트가 있는 채로 가열된다. 이 경우, 인은 실리콘 기판의 제 1 도핑으로서 실리콘으로 동시에 확산된다. 이 도핑의 강도는 가열의 기간 및 온도에 의해 설정될 수 있다.
후속 단계 c) 에서, 실리콘 기판의 표면상의 포스포실리케이트 유리에 마스킹이 형성된다. 이 경우, 마스킹이 실리콘 기판의 후속으로 고농도로 도핑되는 영역을 커버하는 방식으로 이 마스킹이 형성된다. 후속 단계 d) 에서, 포스포실리케이트 유리는 마스킹되지 않은 영역에서 제거된다. 그후, 단계 e) 에서, 그 표면 또는 포스포실리케이트 유리로부터 마스킹이 제거된다. 후속 단계 f) 에서, 실리콘 기판은 잔여 포스포실리케이트 유리로부터의 인을 실리콘 내로 추가 내부확산하기 위해 재차 가열된다. 이것은 고농도로 도핑된 영역을 제조하기 위한 실리콘 기판의 제 2 도핑이다. 포스포실리케이트 유리를 갖지 않는 영역에서, 표면 가까이에서의 상대적으로 낮은 인 도핑은 기저 물질로의 인의 더 깊은 확산을 위한 제 2 의 도핑 소스로서 기능한다. 또 다른 단계 g) 에서, 약하게 도핑된 영역상의 산화물 및 잔여 포스포실리케이트 유리는 또한 실리콘 기판으로부터 완전하게 제거된다. 이 절차는 태양 전지의 에미터를 형성할 수 있는 고농도로 도핑된 영역을 갖는 실리콘 기판의 선택적인 도핑만을 제공하지는 않는다. 이는, 대규모의 실리콘 기판의 적절한 제조 또는 프로세싱을 제공하는 방법을 제공하게 하는 것도 또한 주로 가능하다. 이 방법은 주로 연속-처리 장치 (continuous-throughput apparatus) 에서 수행될 수 있다. 레이저 또는 플라즈마 에칭 소스와 같은 복잡한 기술이 회피될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가적인 구성에서, 인계 도펀트는 인산을 함유하는 용액일 수 있다.
프린팅 기술은 실리콘 기판 및 그 위에 형성된 포스포실리케이트 유리에 마스킹을 형성하는데 이용될 수 있다. 이는, 스크린 프린팅에 의해 또는 대안적으로 소위 잉크젯 프린팅 기술 둘 중 하나에 의해 효과적일 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 왁스 또는 레지스트를 포함하는 마스킹이, 소위 잉크젯 프린터에 사용되는 것에 대응하는 방법에 의해 액체 형태 또는 페이스트 형태로 도포된다. 따라서, 원하는 마스킹이 넓은 면적에 걸쳐서 매우 정확하고 빠르게 생성될 수 있다. 이 방법에 의해, 예를 들어 고농도로 도핑된 또는 전도성 에미터로서 콘택트 그리드가 제조될 수 있고, 실리콘 기판에 의해 태양 전지가 형성된다. 실리콘의 이중 도핑의 결과로서 고농도로 도핑된 영역이 나타난다. 도핑은 동작의 보다 긴 기간 또는 더 긴 가열에 의해 주로 제 2 도핑의 단계 f) 에서 훨씬 더 강하게 영향을 받을 수 있다. 결과적으로, 고농도로 도핑된 영역에서가 다른 보다 약하게 도핑된 영역에서보다 도핑이 몇 배 높을 수 있다.
단계 c) 에 따라서 마스킹되지 않은 영역에서 포스포실리케이트 유리를 제거하기 위해, 에칭 프로세스가 사용될 수 있다. 예시에 의해, HF-계 에칭 용액이 적절하지만, 다른 에칭 매질도 가능하다. 이는, 하나의 프로세스 단계 또는 상이한 화학물질을 통한 복수의 단계 둘 중 하나에 영향을 받을 수 있다.
이 방법을 수행하기 위한 연속-처리 장치는 복수의 모듈을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 단계들이 하나의 모듈 내에서 또한 수행될 수 있다. 실리콘 기판이 운반되고 수평 위치에서 처리되는 수평 연속-처리 장치가 특히 바람직하다.
이러한 특징 및 추가적인 특징은 청구범위뿐만 아니라 상세한 설명 및 도면에서도 나타나고, 여기서, 개별적인 특징들은 각각의 경우에 특징들 자신에 의해 또는 본 발명의 실시형태 및 다른 분야에서 서브조합 (subcombination) 의 형태의 다수로서 실현될 수 있고, 보호가 요구되는 바람직하고 본질적으로 보호가능한 실시형태들을 구성할 수 있다. 본 출원을 서브-헤딩 및 개별적인 섹션으로 세분하는 것은 아래 나오는 문장들의 일반적인 유효성을 제한하지 않는다.
본 발명의 예시적인 실시형태는 도면에서 개략적으로 도시되고, 이하 더욱 상세하게 설명된다. 도면에서, 도 1 내지 도 6 은 태양 전지의 제조를 위해 실리콘 기판상에서 행해지는 단계 a) 내지 g) 를 나타낸다.
도 1 은 단계 a) 및 단계 b) 에 따라서 넓은 면적에 걸쳐서 도펀트가 공급된 실리콘 기판 (1) 을 도시한다. 도펀트 (2) 는 인을 함유하거나 또는 인계이고, 예를 들어 인산으로 이루어진 용액이다. 또한, 인은, 상세하게 도시되지 않았지만, 예를 들어, 방열 히터 (radiant heater) 등에 의해 가열함으로써 도펀트 (2) 로부터 그 상부측으로 또는 실리콘 기판 (1) 으로 내부확산된다. 그 결과, 크로스 해칭 (cross hatching) 으로 도시된 저농도로 도핑된 영역 (3) 이 발생된다.
도 2 는, 단계 c) 에 따라서 마스킹 (4) 이 도펀트 (2) 의 상부측으로 어떻게 형성되는지를 나타낸다. 이 마스킹 (4) 은 다른 마스킹 패턴도 가능하지만, 전술한 방식으로 잉크젯 프린팅 기술에 의해 형성되고, 도시된 좁은 트랙에서 대부분 움직인다. 마스킹 (4) 의 이러한 트랙은, 바람직하게 고농도로 도핑된 영역에 해당하고, 이는 이하 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 3 은, 단계 d) 에 따라서, 도 1 및 단계 b) 에 따른 가열 이후에 포스포실리케이트 유리로 전환되는 도펀트가 어떻게 마스킹 (4) 으로 커버되지 않은 곳에서 제거되는지를 도시한다. 결과적으로, 실리콘 기판 (1) 의 저농도로 도핑된 영역 (3) 의 표면은 본질적으로 커버되지 않는다. 이에 부합하여 형성된 포스포실리케이트 유리 (2) 의 영역은 마스킹 (4) 아래에 여전히 존재한다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 마스킹 (4) 은 단계 e) 에 따라서 이후에 제거된다. 포스포실리케이트 유리가 도 3 에 따라서 단계 d) 에서 HF 에칭에 의해 제거될 수 있는 동안, 훨씬 적은 공격 용액 (aggressive solution) 이 마스킹 (4) 을 제거하는데 충분하다.
도 5 는, 단계 f) 에 따라서, 형성되고 다시 제거되는 마스킹 (4) 에 대응하는 형태를 갖는 현재 커버되지 않은 포스포실리케이트 유리 (2) 로부터 인이 재차 가열에 의해 실리콘 기판 (1) 내로 어떻게 다시 내부 확산하는지를 나타낸다. 포스포실리케이트 유리 (2) 로부터의 인은, 도 4 에 따른 포스포실리케이트 유리 (2) 및 도 2 에 따른 마스킹 (4) 에 해당하는 형태를 갖는 좁은 영역을 형성한다. 또한, 이러한 경우, 실리콘 기판 (1) 의 저농도로 도핑된 영역 (3) 에서, 즉, 본질적으로 전체 면적에 걸쳐서, 제 1 확산 단계 이후의 경우보다 인이 표면 가까이의 영역으로부터 실리콘 기판 (1) 으로 약간 더 깊게 확산된다. 저농도로 도핑된 영역 (3) 및 고농도로 도핑된 영역 (5) 에서, 인 농도는 표면으로부터 기저 물질로 진행할수록 감소하며, 여기서 도핑 깊이는 사실상 상이할 수 있다.
단계 g) 에 따르면, 도 6 에 도시된 바와 같이, 잔여 포스포실리케이트 유리 (2) 가 HF 에칭에 의해 다시 바람직하게 제거된다. 이와 마찬가지로, 약하게 도핑된 영역에서 산화물을 갖는 얇은 층이 이 단계 도중에 제거된다. 도 6 에 따른 실리콘 기판 (1) 이 전체 면적에 걸쳐서 저농도로 도핑된 영역 (3) 에 존재한다. 고농도로 도핑된 영역 (5) 은 이 저농도로 도핑된 영역 (3) 내에서 움직이고 태양 전지에서의 저-임피던스 에미터 또는 소위 콘택트 그리드를 형성한다.
본 발명은, 기술적으로 용이하게 제어가능하고 연속적인 방식으로 모두 수행될 수 있는 방법의 수단들에 의해 실리콘 기판의 선택적인 도핑이 영향을 받게 한다. 따라서, 설명된 바와 같이, 태양 전지에 대한 콘택트 그리드를 제조하는 것이 가능하다.

Claims (7)

  1. 실리콘 내의 pn 접합을 제조하기 위한 실리콘 기판 (1) 의 실리콘의 선택적인 도핑 방법으로서,
    a) 인계 (phosphorus-based) 도펀트 (2) 로 상기 실리콘 기판 (1) 의 표면을 코팅하는 단계,
    b) 그후, 상기 실리콘의 상기 표면 상에 포스포실리케이트 유리 (2) 를 제조하기 위해 상기 실리콘 기판 (1) 을 가열하는 단계로서, 제 1 도핑 (3) 으로서 인이 상기 실리콘내로 동시에 확산하는, 상기 가열하는 단계,
    c) 마스킹 (4) 이 후속으로 고농도로 도핑되는 영역 (5) 을 커버하도록 하는 방식으로, 상기 포스포실리케이트 유리 (2) 에 상기 마스킹 (4) 을 형성하는 단계,
    d) 마스킹되지 않은 영역에서의 상기 포스포실리케이트 유리 (2) 를 제거하는 단계,
    e) 상기 포스포실리케이트 유리 (2) 로부터 상기 마스킹 (4) 을 제거하는 단계,
    f) 상기 고농도로 도핑되는 영역 (5) 의 제조를 위해 제 2 도핑으로서 상기 실리콘내로 상기 포스포실리케이트 유리 (2) 로부터의 인의 추가적인 내부 확산을 위해 재차 가열하는 단계, 및
    g) 상기 실리콘 기판 (1) 으로부터 산화물 및 상기 포스포실리케이트 유리 (2) 를 완전하게 제거하는 단계를 포함하는, 실리콘의 선택적인 도핑 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인계 도펀트 (2) 는 인산을 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 실리콘의 선택적인 도핑 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마스킹 (4) 은 프린팅 기술에 의해, 바람직하게는 소위 잉크젯 프린팅 기술에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 선택적인 도핑 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판 (1) 은 태양 전지를 형성하고, 상기 실리콘이 2 번 도핑된 상기 영역 (5) 은 고농도로 도핑됨으로써 저 임피던스를 갖고 상기 태양 전지의 콘택트 영역을 구성하는 상기 태양 전지의 콘택트 그리드 (contact grid) 가 제조되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 선택적인 도핑 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 d) 에 따라서 상기 마스킹되지 않은 영역에서의 상기 포스포실리케이트 유리 (2) 를 제거하는 단계는, 에칭에 의해, 바람직하게는 HF 에칭에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 선택적인 도핑 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연속-처리 장치 (continuous-throughput apparatus) 에서, 바람직하게는 수평 연속-처리 장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 선택적인 도핑 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘의 선택적인 도핑 방법으로 처리되는 것을 특징으로 하는 태양 전지용 실리콘 기판 (1).
KR1020107025363A 2008-04-14 2009-04-09 실리콘의 선택적인 도핑 방법 및 이 방법으로 처리된 실리콘 기판 KR101577086B1 (ko)

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