KR20120117687A - 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼를 세정하는 방법 - Google Patents
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Abstract
태양 전지를 위한 기판이 표준 RCA 세정의 역에 의해서 제조된다. 기판은 먼저 RCA-2 용액에서 세정되고, 이어서, RCA-1 용액에서 세정된다. HF/HNO3 용액을 사용한 피라미드 라운딩 단계가 두 RCA 세정 과정들 사이에 삽입된다. 이러한 구성에 의해서 표면 오염 및 예리한 영역과 관련된 모든 문제가 해소된다. 이러한 구성은 또한 RCA-1 처리에 의해서 일정 범위로 표면상의 얼룩 층(stain layer)을 회피할 수 있다. 비정질 또는 미세결정상 진성 실리콘의 박막이 증착되어 표면을 패시베시션시킬 수 있다.
Description
본 출원은 2011년 4월 14일자 출원된 미국가출원 제98/85656호의 우선권을 주장하며, 본원에서는 상기 출원의 모든내용을 참조로 포함한다.
본 발명은 태양전지, 발광 다이오드 등을 제조하기 위해서 사용될 수 있는 저비용 실리콘에 관한 것이다.
배경 기술
태양전지의 제작은 많은 공정 단계를 포함한다. 기판 표면 세정은 일반적으로 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링(surface texturing) 직후에 수행되어 텍스쳐링 공정에 의해서 남겨진 오염물을 제거한다. 이미터(emitter)로서 확산 정션(diffusion junction)을 사용하는 태양전지의 경우에, 표면 세정은 두 주요 단계, 즉, 중화 및 표면 옥사이드의 스트리핑을 포함한다. 중화는 묽은 HCl 또는 H2SO4 중 하나를 사용하여 수행되어 표면상의 잔류 알칼리 및 다른 금속성 입자를 제거한다. 탈이온수(DI 수)에 의한 린싱 후에, 표면 옥사이드는 묽은 불화수소산(HF)에 이어진 완전한 DI 수 린싱에 의해서 스트리핑된다. 그러한 세정 과정은 다음 제작 단계, 즉, 확산 공정에 충분하다.
헤테로정션(heterojunction)을 이용하는 태양전지의 경우에, 표면은 텍스쳐링 공정 후에 광범위하게 처리되어야 하며, 이는 상기 방법이 불충분함을 의미한다. 표면 세정 후에, 박막 CVD a-Si 증착이 수행되며, 이러한 증착은 어떠한 오염물이 없는 순수하게 새로운 표면을 필료로 한다. 그리하여, 계면 성질(interface property)이 헤테로정션을 위한 가장 중요한 부분이다.
반도체 제조를 위한 광범위하게 사용되는 세정 과정은 RCA 세정이다. RCA 세정은 1986년 전에 미국의 Radio Corporation에 의해서 개발되었다. 이러한 세정 과정은 RCA-1 및 RCA-2를 포함한다. RCA-1은 유기 오염물의 제거를 포함하고, RCA-2는 금속성 오염물의 제거를 포함한다. RCA-1 및 RCA-2 둘 모두가, 묽은 HF에 의해서 스트리핑되어야 하는, 표면 상에 약 10Å의 얇은 실리콘 옥사이드를 형성시킨다. 일반적으로, RCA-1(또한, 표준 세정을 위한 SC-1으로도 일컬어짐)은 75 또는 80℃에서, 전형적으로는 10분 동안, NH4OH(수산화암모늄) + H2O2(과산화수소) + H2O(물)의 1:1:5 용액중에서 웨이퍼를 처리함을 포함한다. 이러한 처리는 실리콘 표면상의 얇은 실리콘 디옥사이드 층(약 10 옹스트롬)을 형성시키면서, 후속 단계에서 제거되어야 하는 특정한 정도의 금속성 오염(두드러지게는 철)을 형성시킨다. 이러한 단계는, 얇은 옥사이드 층 및 약간의 이온성 오염물을 제거하기 위해서, DI 린스에 이어진 25℃에서의 HF + H2O의 1:50 용액 중의 침지가 이어질 수 있다. 그 다음에, 제 2 세정(SC-2라고도 칭함)이 75 또는 80℃에서 HCl + H2O2 + H2O의 1:1:6 용액에 의해서 수행된다. 이러한 처리는 잔류 미량의 금속성 (이온성) 오염물을 효과적으로 제거한다.
확산 정션을 사용하는 태양 전지를 위한 세정 과정은 표면 오염물을 제거하기에 불충분하다. 반도체 제조를 위한 RCA 세정은 표면 오염물을 제거하기에 충분하다. 그러나, 또 다른 문제가 이러한 방법을 헤테로정션을 사용하는 태양전지, 즉, 계면 지배 장치(interface dominated device) 구조에 직접 적용하는 것을 방해한다. 이러한 문제는 다음과 같이 처리된다.
알칼리 텍스쳐링된 Si 표면의 경우에, 피라미드형 구조가 표면에 형성되고, 그러한 표현은 예리한 피크와 밸리(valley)로 가득차 있다. 어떠한 처리가 수행되지 않은 예리한 피크 및 밸리는 수십 옹스트롬에서 약 100 옹스트롬에 이르는 박막 CVD a-Si에 의해서 효과적으로 패시베이션되는 것이 가능하지 않다. 한정된 패시베이션(qualified passivation)의 경우에, 박막 CVD a-Si의 컨포멀 성장(conformal growth)은 예리한 영역 - 피크 및 밸리 및 평면 영역 - 형성된 피라미드의 말단면(facet) 및 다른 비-텍스쳐링된 부분을 포함하는 완전한 표면을 필요로 한다. 이러한 사항은 텍스쳐링된 단결정 Si 및 다결정 Si 둘 모두에 적용된다. RCA 세정된 표면상에 박막 CVD a-Si를 직접 증착시면 예리한 영역에서 높은 표면 재조합 속도(surface recombination velocity: SRV) 및 가능한 단락이 발생하며, 그러한 영역에서, a-Si 막이 평탄 영역에 비해서 더 두꺼워서, 결국, 제조된 장치에서 낮은 개로 전압(open circuit voltage)이 발생한다.
본 발명의 하기 요약은 본 발명의 일부 관점 및 특징의 기본 이해를 위해서 제공되고 있다. 이러한 요약은 본 발명의 광범위한 개관을 제공하는 것이 아니며, 그리하여, 본 발명의 주요 또는 중요 구성요소를 특별히 확정하여 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 여겨지지 않는다. 이러한 요약의 유일한 목적은 이하 나타내는 더욱 상세한 설명에 대한 서두로서 단순화된 형태로 본 발명의 일부 개념을 나타내고자 하는 것이다.
본 발명의 여러 구체예는 텍스쳐링 공정에 의해서 형성된 표면 오염을 제거하고 피라미드를 라운딩(rounding)하여, 박막 CVD a-Si 증착에 훨씬 더 양호한 표면을 생성시키는데 이용되는 방법을 제공한다. 공정 흐름이 RCA-1, RCA-2 및 피라미드의 라운딩을 포함하는 주요 공정 단계들을 통합하여 특수 설계된다.
본 발명의 구체예에 따르면, 표준 RCA 세정의 역이 수행되고 HF/HNO3 용액을 사용하는 피라미드 라운딩 단계가 두 RCA 세정 과정들 사이에 삽입된다. 이에 의해서 표면 오염 및 예리한 영역과 관련된 모든 문제가 해소된다. 본 발명의 구체예는 또한 RCA-1에 의해서 일정 범위로 표면상의 얼룩 층(stain layer)을 회피할 수 있다.
본 발명의 다른 관점 및 특징은 첨부된 도면을 참조로 하여 설명되고 있는 상세한 설명으로부터 자명할 것이다. 상세한 설명 및 도면은 첨부된 특허청구범위에 의해서 한정되는 본 발명의 여러 구체예의 다양한 비-제한 예를 제공하고 있음을 인지해야 한다.
명세서의 일부에 포함되며 그러한 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 구체예들을 예시하고 있으며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 예시하는 역할을 한다. 도면은 도식적인 방법으로 예시적인 구체예의 특징을 예시하고자 하는 것이다. 도면은 도시된 구성요소들의 실제 구체예의 모든 특징을 도시하고자 하는 것도 아니고, 도시된 구성요소의 상대적인 치수를 도시하고자 하는 것도 아니며, 척도로서 도시되지도 않는다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 공정을 예시하는 흐름도이다.
명세서의 일부에 포함되며 그러한 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 구체예들을 예시하고 있으며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 예시하는 역할을 한다. 도면은 도식적인 방법으로 예시적인 구체예의 특징을 예시하고자 하는 것이다. 도면은 도시된 구성요소들의 실제 구체예의 모든 특징을 도시하고자 하는 것도 아니고, 도시된 구성요소의 상대적인 치수를 도시하고자 하는 것도 아니며, 척도로서 도시되지도 않는다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 공정을 예시하는 흐름도이다.
본 발명의 구체예는 장치, 예컨대, 태양전지 및 발광 다이오드의 제조를 위해서 사용되는 기판을 세정하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 저농도 알칼리 용액에 의해서 Si 기판을 표면 텍스쳐링 한 후에, 표면은 표면 활성화제로부터 발생되는 KOH 잔류물, 금속성 입자 및 유기 잔류물을 함유한다. DI 수에 의한 완전한 린싱 후에, 기판은 RCA-2 용액에 침지되어 KOH 잔류물을 중화시키고, 동시에 표면상의 금속성 잔류물을 제거한다. RCA-2는 "Piranha Clean"으로도 본 기술분야에서 공지된 H2SO4/H2O2 용액에 의해서 대체될 수 있다. 이어서, 기판은 DI 수에 의해서 완전히 린싱되고, 따뜻한 공기에 의해서 건조된다. 다음 단계는 약 1:25 농도로 불화수소산(49-50% HF)과 질산(69-70% HNO3)을 함유하는 용액을 사용하여 피라미드를 라운딩한다. 이러한 단계는 초당 수백 옹스트롬의 식각 속도로 Si의 식각을 수행하여, 새로운 Si 표면을 생성시킨다. 예리한 영역에서의 식각 속도는 약간 상이하여 라운딩 효과를 유발시킨다. 이러한 단계는 또한 표면에 결합된 유기 잔류물을 연소시킨다. 그 후에, 기판은 전체적인 린싱을 위한 DI 수 링싱 탱크에 신속하게 전달된 다음, 묽은 HF(2%) 및 염산-HCl(2%) 침지액에 의해서 표면 옥사이드 및 금속성 입자가 스트리핑된다. 이러한 단계를 부적절하게 수행하는 실패는, Si와 HF/HNO3의 반응으로부터의 부산물의 불완전한 제거로부터 발생되는, 표면 상의 제거하기 어려운 황색빛 얼룩 층을 생성시킬 수 있다. 이어서, 기판은 DI 수로 린싱된 다음, RCA-1 세정액으로 세정되어 유기 잔류물을 다시 제거하고, 동시에 아주 소량의 Si를 식각시킨다. RCA-1은 또한 표면으로부터의 가능하게 형성된 얼룩 층을 제거하는 것을 도울 수 있다. RCA-1 세정 후에, 기판은 DI 수에 의해서 린싱된 다음, 묽은 HF (2%) 및 HCL(2%)에 의해서 링싱되어 표면 옥사이드를 스트리핑하고 금속성 입자를 제거한다. 기판은 최종적으로 DI 수에 의해서 린싱되고 고온 질소 가스에 의해서 건조되어 박막 CVD a-Si 패시베이션을 위한 새로운 소수성 표면을 형성시킨다. 완전한 공정 흐름이 이하 기재되어 있다:
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 공정을 설명하는 흐름도이다. 도 1에서, 공정은 텍스쳐링된 실리콘 기판을 얻음으로써 단계(100)에 시작된다. 텍스쳐는 예를 들어, 습식 또는 건식 식각을 이용하는 본 기술분야에 공지된 어떠한 표준 과정을 이용하여 얻어질 수 있다. 단계(102)에서, RCA-2 공정이 70-80℃에서 약 10분 동안 1:1:6 비의 HCl : H2O2 : H2O의 혼합물을 사용하여 기판상에서 수행된다. 이어서, 웨이퍼는 DI 수에서 2분 동안(단계(104)) 수행되고, 이어서, 약 60 내지 80℃의 온도의 따뜻한 공기 중에서 건조된다(단계(106)). 이어서, 웨이퍼는 약 30 내지 120 초 동안 약 1:20-30의 비의 HF/HNO3 용액중에 침지된다(단계(108). 단계(110)에서, 웨이퍼는 약 2.5 분 동안 DI 수중에서 린싱된다. 단계(112)에서, 웨이퍼는 약 2 분 동안 약 2% HF + 2% HCL의 묽은 HF/HCl중에 침지된다. 이어서, 웨이퍼는 약 2 분 동안 DI 수중에서 린싱된다. 이어서, 단계(116)에서, RCA-1 세정이 10 분 동안 70 내지 80℃의 온도에서 1:1:5의 NH4OH : H2O2 : H2O의 혼합물을 사용하여 수행된다. 이어서, 웨이처는 약 2 분동안 DI 수중에서 린싱된다. 간계(120)에서, 웨이퍼는 약 2 분 동안 2% HF + 2% HCl의 묽은 HF/HCl 침지액에 침지되고, 이어서, 단계(122)에서, 약 2 분 동안 DI 수중에서 린싱된다. 이어서, 웨이퍼는 약 10 내지 15분 동안 고온 N2중에서 건조된다.
한 가지 특정 구체예에 따르면, 웨이퍼가 건조되자마자, 이들은 증착 시스템, 예컨대, 화학적 기상 증착(CVD) 또는 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD)에 전달되고, 진성의 비정질 또는 미세결정상 실리콘(i-Si)의 얇은 층이 텍스쳐링된 표면상에 증착된다. 이러한 단계는 웨이퍼의 표면을 패시베이션시킨다. i-Si 층은, 예를 들어, 50 내지 200 마이크론의 두께일 수 있다. 패시베이션 단계는 또한 웨이퍼내의 미량의 캐리어의 수명을 증가시키는데, 그 이유는 표면상의 조합 부위가 i-Si 층에 의해서 제거되기 때문이다.
본원에 기재된 기술은 어떠한 특정의 장치와 본질적으로 관련되지 않으며 성분들의 어떠한 적절한 조합에 의해서 실행될 수 있음을 이해해야 한다. 추가로, 다양한 유형의 범용 장치가 본원에 기재된 교시내용에 따라서 사용될 수 있다. 또한 본원에 기재된 방법 단계를 수행시키기 위한 특수 장치를 구성시키는 것이 유리한 것으로 입증될 수 있다. 본 발명은 특정의 예와 관련하여 기재되고 있으며, 그러한 예는 모든 관점에서 본 발명을 제한하는 것이 아니라 설명하기 위한 것으로 의도된다. 당업자는 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어(firmware)의 많은 상이한 조합이 본 발명의 실행에 적합할 것임을 인식할 것이다.
본 발명은 특정의 예와 관련하여 기재되어 있으며, 그러한 예는 모든 관점에서 본 발명을 제한하는 것이 아니라 설명하기 위한 것으로 의도된다. 당업자는 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어(firmware)의 많은 상이한 조합이 본 발명의 실행에 적합할 것임을 인식할 것이다. 또한, 본 발명의 다른 실행이 본원에 개시된 본 발명의 명세서 및 실시를 고려함으로써 당업자에게는 자명할 것이다. 명세서 및 예는 단지 예시로서 여겨져야 하며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해지는 것으로 의도된다.
Claims (16)
- 기판을 제조하는 방법으로서, 이하 순서로,
예리한 피라미드 표면을 지니는 텍스쳐링된 웨이퍼(textured wafer)를 얻는 단계;
웨이퍼에 대해서 RCA -2 세정을 수행하는 단계:
웨이퍼에 대해서 평활화 식각을 수행하는 단계; 및
웨이퍼에 대해서 RCA-1 세정을 수행하는 단계를 수행함을 포함하는 방법. - 제 1항에 있어서, 평활화 식각을 수행하는 단계가 HF/HNO3 용액중에 웨이퍼를 침지시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 2항에 있어서, RCA-1 세정 전에 묽은 HF 용액 중에 웨이퍼를 침지시키는 단계 및 RCA-1 세정 후에 묽은 HF 용액 중에 웨이퍼를 침지시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 3항에 있어서, 묽은 HF 용액 중의 각각의 침지 후에 DI 수(DI wafer) 린싱을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 4항에 있어서, 고온 N2 대기 중에서 웨이퍼를 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 평활화 식각을 수행하는 단계가 약 30 내지 120 초 동안 약 1:20 내지 30의 비의 HF/HNO3 용액 중에 웨이퍼를 침지시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 웨이퍼를 처리하는 마지막 단계에서 텍스쳐링된 표면상에 진성의 비정질 또는 미세결정상 실리콘의 박막을 증착시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 기판을 제조하는 방법으로서, 이하 순서로,
텍스쳐링된 표면을 지닌 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼를 얻는 단계;
웨이퍼를 화학 용액에 침지시켜서 텍스쳐링된 표면상에 존재하는 금속성 입자를 제거하고 텍스쳐링된 표면상에 존재하는 임의의 KOH 잔류물을 중화시키는 단계;
웨이퍼의 텍스쳐링된 표면상의 예리한 에지를 평활화시키는 단계;
웨이퍼를 화학 용액에 침지시켜서 유기 잔류물을 제거하는 단계; 및
웨이퍼를 린싱 및 건조시키는 단계를 수행함을 포함하는 방법. - 제 8항에 있어서, 웨이퍼를 화학 용액에 침지시켜서 금속성 입자를 제거하는 단계가 웨이퍼를 RCA-2 용액에 침지시킴을 포함하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 웨이퍼를 화학 용액에 침지시켜서 금속성 입자를 제거하는 단계가 웨이퍼를 H2SO4/H2O2 용액에 침지시킴을 포함하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 웨이퍼를 화학 용액에 침지시켜서 유기 잔류물을 제거하는 단계가 웨이퍼를 RCA-1 용액에 침지시킴을 포함하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 웨이퍼의 텍스쳐링된 표면상의 예리한 에지를 평활화시키는 단계가 웨이퍼를 불화수소산과 질산의 용액에 침지시킴을 포함하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 웨이퍼를 린싱하고 건조시키는 단계 후에 텍스쳐링된 표면상에 진성의 비정질 또는 미세결정상 실리콘의 박막을 증착시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 제 8항의 각각의 단계 후에 웨이퍼를 DI 수 중에서 린싱하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 8항에 있어서,
웨이퍼를 화학 용액에 침지시켜서 금속성 입자를 제거하는 단계가 웨이퍼를 70 내지 80℃의 온도에서 1:1:6의 비의 HCl:H2O2:H2O의 용액 중에 침지시킴을 포함하고;
텍스쳐링된 표면상의 예리한 에지를 평활화시키는 단계가 웨이퍼를 묽은 HF/HCl 용액에 침지시킴을 포함하고;
웨이퍼를 화학 용액에 침지시켜서 유기 잔류물을 제거하는 단계가 웨이퍼를 70 내지 80℃의 온도에서 1:1:5 비의 NH4OH:H2O2:H2O의 용액에 침지시킴을 포함하는 방법. - 제 8항에 있어서, 텍스쳐링된 표면을 지닌 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼를 얻는 단계가 실리콘 웨이퍼를 얻고 웨이퍼를 알칼리 용액에 침지시켜서 웨이퍼의 표면을 텍스쳐링함을 포함하는 방법.
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