KR20160002683A - 태양전지용 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
다결정 실리콘 잉곳을 고정 지립 방식으로 슬라이스하여 얻어지는 슬라이스 편을 이용하여 얻어진 저반사율이며 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다. 고정 지립 와이어 쏘우로 슬라이스된 다결정 실리콘 슬라이스 편을 불산, 질산 및 황산으로 이루어지는 혼산을 포함하는 에칭액으로 에칭하는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법이며, 혼산의 조성 범위가, 조성을 중량%로 나타내는 삼각도에 있어서, 불산이 2.82 중량%, 질산이 0.18 중량%, 황산이 97 중량%인 점 A와, 불산이 0.18 중량%, 질산이 2.82 중량%, 황산이 97 중량%인 점 B와, 불산이 8.47 중량%, 질산이 0.53 중량%, 황산이 91 중량%인 점 C와, 불산이 0.53 중량%, 질산이 8.47 중량%, 황산이 91 중량%인 점 D를 이 순서로 연결하는 4개의 선분으로 둘러싸인 영역 내에 있고, 에칭액의 물의 농도가 0 ~ 10.5 중량%이다.
Description
본 발명은, 고정 지립 방식(bonded abrasive machining)으로 실리콘 잉곳을 슬라이스(slice)하여 얻어지는 태양전지용 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
에너지 자원의 고갈의 문제나 환경 문제의 점 때문에, 태양전지가 새로운 에너지원으로서 실용화가 진행되어 오고 있다. 이것에 이용되는 태양전지 셀로서는, 실리콘 웨이퍼의 수광면에 불순물을 확산하는 것에 의해서 pn접합을 형성하고, 수광면과 수광면의 반대측의 이면에 각각 전극을 형성한 것이 주류로 되어 있다.
이러한 태양전지 셀 등을 이용한 태양전지에 이용되는 실리콘 웨이퍼는 실리콘 잉곳을 슬라이스한 후 그 표면을 처리한 것이다.
실리콘 잉곳의 슬라이스에는 일반적으로 와이어 쏘우(wire saw)가 이용된다. 와이어 쏘우의 방식으로서는, 와이어에 지립(abrasive grain)의 현탁액(슬러리)을 공급하면서 실리콘 잉곳에 꽉 누르면서 주행시키는 유리 지립 방식(Free abrasive method)(예를 들면, 특허문헌 1 참조)과, 심선의 표면에 지립을 접착 고정한 쏘우 와이어를 이용하여 실리콘 잉곳에 꽉 누르면서 주행시키는 고정 지립 방식(예를 들면, 특허문헌 2, 3 참조)을 예시할 수 있다.
고정 지립 방식의 와이어 쏘우에 이용되는 쏘우 와이어로서는, 지립을 접착제 수지로 심선 표면에 고정한 레진 본드 와이어(예를 들면, 특허문헌 4 참조)나, 지립을 심선 표면에 전착(electrodeposition)시켜서 도금층을 개재하여 고정한 전착 와이어(예를 들면, 특허문헌 5 참조) 등을 예시할 수 있다.
실리콘 잉곳을 슬라이스하여 얻어진 슬라이스 편은 표면을 조정하기 위하여 에칭에 의한 표면 처리가 이루어진다. 에칭에 의해, 슬라이스에 의한 슬라이스 편 표면의 가공 변질층이 제거됨과 함께 표면에 미세한 요철이 형성된다. 이 요철에 의해 웨이퍼 표면에서 빛이 다중 반사되고, 반사율이 저하됨과 함께 빛의 흡수가 증가하고, 그 결과, 입사광을 효율적으로 이용할 수 있게 된다.
그러나, 기계적, 열적인 작용을 수반하는 슬라이스 가공에 의해, 실리콘 웨이퍼에는 재질적으로 변화된 표면층, 즉, 결정 구조의 파괴나 흐트러짐, 다결정화, 비정질화, 또한 미시적으로는 적층 결함의 발생 등을 수반하는 가공 변질층이 생기고, 그 부분에 비틀림이나 응력이 잔류하게 된다.
유리 지립 방식은, 슬라이스 편 표면의 슬라이스에 의한 가공 변질층의 두께가 대략 10 ~ 20㎛로 비교적 두껍기 때문에, 에칭이 변형이나 잔류 응력이 큰 부분에서 생기기 쉬운 것을 고려하면, 에칭에 의한 효과가 얻어지기 쉽다. 즉, 에칭에 의해 가공 변질층을 제거하는 것으로써 요철이 형성된다.
고정 지립 방식에서는, 슬라이스에 의한 잉곳의 절단 손실이 유리 지립 방식에 비하여 비교적 작기 때문에 원료 수율이 향상한다고 하는 큰 메리트가 있는 한편, 고정 지립 방식에서는 슬라이스된 슬라이스 편은 표면의 가공 변질층의 두께가 10㎛ 미만으로 비교적 얇기 때문에, 에칭에 의해 반사율을 저하시키기에 충분한 요철이 형성되기 어렵다는 문제가 지적되어 왔다.
또한, 다결정 실리콘으로 이루어지는 슬라이스 편을 에칭하여 형성된 표면 요철은, 노출되어 있는 결정립의 결정 방위가 일정하지 않기 때문에, 결정면에 의한 용해 속도의 차이가 원인으로, 웨이퍼 표면에 밝기가 다른 광택 불균일(결정립 콘트라스트 차이)을 일으킨다는 문제가 있다. 이것은 태양전지 셀로 했을 경우의 외관 불량의 원인이 된다.
그러나, 실리콘 잉곳으로서는, 종래 단결정 실리콘으로 이루어지는 것이 일반적으로 이용되어 온 것에 비하여, 최근에는, 다결정 실리콘의 성능의 향상도 있고 제조 비용의 점에서 다결정 실리콘의 사용이 증가하고 있다.
에칭에 대해서는, 단결정 실리콘으로 이루어지는 슬라이스 편에 대해서 불산, 질산, 황산을 포함하는 에칭액에 의한 에칭이 개시되고 있다(예를 들면, 특허문헌 6, 7, 8, 9 참조). 또한, 다결정 실리콘으로 이루어지는 슬라이스 편에 대해서 불산, 질산의 혼합액에 의한 에칭이 개시되고 있다(예를 들면, 특허문헌 10 참조). 그러나, 다결정 실리콘으로 이루어지는 슬라이스 편, 특히 고정 지립 방식으로 슬라이스된 슬라이스 편의 에칭에 관하여, 충분히 반사율을 저하시키고 또한 웨이퍼 표면에 결정립의 크기나 형태의 차이에 의한 광택 불균일을 일으키지 않는 에칭 방법은 발견되지 않은 것이 현재의 상황이다.
본 발명은, 상기의 실상에 비추어서 이루어진 것으로, 다결정 실리콘 잉곳을 고정 지립 방식으로 슬라이스하여 얻어지는 슬라이스 편을 이용하여 얻어진 저반사율이며 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본원 발명자들은, 고정 지립 방식의 와이어 쏘우로 슬라이스된 다결정 실리콘 슬라이스 편을 어느 특정의 에칭액으로 에칭하는 것으로써, 저반사율이며 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 것을 발견하여 본원발명에 이르렀다. 즉, 본 발명은, 고정 지립 방식의 와이어 쏘우로 슬라이스된 다결정 실리콘 슬라이스 편을 불산, 질산 및 황산으로 이루어지는 혼산(mixed acid)을 특정의 비율로 포함하는 에칭액으로 에칭하는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법이다.
즉, 본 발명의 요지로 하는 것은, 다결정 실리콘의 슬라이스 편을 혼산을 주성분으로 하는 에칭액으로 에칭하는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법으로서,
상기 슬라이스 편이 고정 지립 방식의 와이어 쏘우로 슬라이스된 슬라이스 편이며,
상기 혼산이, 화학식 HF로 표현되는 불산, 화학식 HNO3로 표현되는 질산 및 화학식 H2SO4로 표현되는 황산으로 이루어지고,
상기 혼산의 조성 범위가, 이들 조성을 중량%로 나타내는 삼각도(ternary diagram)에서,
상기 불산이 2.82 중량%, 상기 질산이 0.18 중량%, 상기 황산이 97 중량%인 점 A와,
상기 불산이 0.18 중량%, 상기 질산이 2.82 중량%, 상기 황산이 97 중량%인 점 B와,
상기 불산이 8.47 중량%, 상기 질산이 0.53 중량%, 상기 황산이 91 중량%인 점 C와,
상기 불산이 0.53 중량%, 상기 질산이 8.47 중량%, 상기 황산이 91 중량%인 점 D를 이 순서로 연결하는 4개의 선분으로 둘러싸인 영역 내에 있고,
상기 에칭액의 물의 농도가 0 ~ 10.5 중량%인 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법인 것에 있다.
상기 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 있어서는, 상기 슬라이스 편이 레진 본드 와이어 쏘우로 슬라이스된 다결정 실리콘 웨이퍼인 경우에 특히 저반사율이며 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼가 얻어진다.
또한, 상기 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 의해, 표면에 복수의 대략 보울(bowl) 바닥 형상의 오목 구멍이 전체면에 걸쳐서 형성되어서 이루어지는 요철을 가지고, 상기 오목 구멍의 개구 지름이 2 ~ 15㎛이며, 또한, 각 상기 오목 구멍의 내벽에 개구 지름이 0.1 ~ 1.5㎛의 1 또는 복수개의 미세 구멍이 형성된, 태양전지용 실리콘 웨이퍼가 얻어진다.
또한, 본 발명의 요지로 하는 것은, 고정 지립 방식의 와이어 쏘우로 슬라이스된 다결정 실리콘의 슬라이스 편의 에칭에 이용하는 에칭액으로서, 혼산을 주성분으로 하고,
상기 혼산이, 화학식 HF로 표현되는 불산, 화학식 HNO3로 표현되는 질산 및 화학식 H2SO4로 표현되는 황산으로 이루어지고,
상기 혼산의 조성 범위가, 이들 조성을 중량%로 나타내는 삼각도에서,
상기 불산이 2.82 중량%, 상기 질산이 0.18 중량%, 상기 황산이 97 중량%인 점 A와,
상기 불산이 0.18 중량%, 상기 질산이 2.82 중량%, 상기 황산이 97 중량%인 점 B와,
상기 불산이 8.47 중량%, 상기 질산이 0.53 중량%, 상기 황산이 91 중량%인 점 C와,
상기 불산이 0.53 중량%, 상기 질산이 8.47 중량%, 상기 황산이 91 중량%인 점 D를 이 순서로 연결하는 4개의 선분으로 둘러싸인 영역 내에 있고,
상기 에칭액의 물의 농도가 0 ~ 10.5 중량%인 에칭액인 것에 있다. 상기 에칭할 때의 에칭액의 온도는 0 ~ 45℃이다.
상기 에칭액에 있어서는, 상기 고정 지립 방식의 와이어 쏘우에 이용하는 쏘우 와이어가 레진 본드 쏘우 와이어일 수도 있다.
본 발명에 의하면 다결정 실리콘 잉곳을 고정 지립 방식으로 슬라이스하여 얻어지는 슬라이스 편을 이용하여 얻어진 저반사율이며 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼 및 그 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 이용되는 에칭액의 조성을 나타내는 삼각도이다.
도 2는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 촬영 화상이다.
도 3은 본 발명의 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태의 설명도이다.
도 4는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 광택 상태를 나타내는 촬영 화상이다.
도 2는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 촬영 화상이다.
도 3은 본 발명의 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태의 설명도이다.
도 4는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 광택 상태를 나타내는 촬영 화상이다.
본 발명에 대한 태양전지용 실리콘 웨이퍼는, 다결정 실리콘 잉곳을 고정 지립 방식으로 슬라이스하여 얻어지는 슬라이스 편을 에칭액으로 에칭하여 얻을 수 있다.
고정 지립 방식은, 심선 표면에 지립을 접착 고정한 쏘우 와이어를 이용하여 잉곳을 슬라이스하는 방식이며, 심선 표면에 지립을 접착 고정하는 형태로서는, 용융 금속 방식, 전착 방식, 레진 본드 방식을 예시할 수 있다.
용융 금속 방식은 심선 표면에 땜납 합금 등의 저융점 금속(브레이징재)을 개재하여 지립을 고정하는 방식이며, 일본 공개 특허 공보 2010-201602에 기재된 방식을 예시할 수 있다.
전착 방식은, 지립을 혼합한 도금액을 이용하여 심선 표면에 도금층을 형성하는 것으로써, 심선 표면에 도금층을 개재하여 지립을 고정하는 방식이며, 일본 공개 특허 공보 2003-340729에 기재된 방식을 예시할 수 있다.
레진 본드 방식은 심선 표면에 지립을 수지 접착제를 개재하여 고정하는 방식이다.
고정 지립 방식에 있어서 이용되는 심선으로서는 강선이 바람직하게 이용된다. 선 지름은 특별히 한정되지 않지만 0.3 ~ 0.05 mm의 것이 바람직하다. 강선에는, 고탄소강이나 중탄소 저합금강 등의 열처리 스프링강에 의한 선재, 경강선, 피아노선이나 스테인레스선, 냉간 압연 강선이나 오일 템퍼선 등의 가공 스프링강에 의한 선재, 저합금강, 중합금강이나 고합금강, 마르에이징(Maraging)강 등의 고인성·고피로강도의 강 선재를 예시할 수 있다.
고정 지립 방식에 있어서 이용되는 지립으로서는 특별히 한정되지 않지만, 다이아몬드 지립, 입방정계 BN 지립, 알루미나 지립, 탄화규소 지립 등이 예시된다. 다이아몬드 지립이 니켈 피복된 것이라도 좋다. 그 중에서도, 입경 5 ~ 15㎛의 다이아몬드 지립을 이용하는 것이 바람직하다
본 발명에 있어서는, 다결정 실리콘 잉곳을 고정 지립 방식으로 슬라이스하여 얻어지는 슬라이스 편을 에칭액을 이용하여 에칭하는 것으로써, 태양전지용 실리콘 웨이퍼가 제조된다.
본 발명에 있어서 이용되는 에칭액은, 불산(HF), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4) 으로 이루어지는 혼산을 주성분으로 한다. 이 에칭액은 물을 더 포함할 수 있다.
또한, 이 에칭액은 지방족 카르복실산, 지방족 설폰산, 지방족 인산 등의 유기산이나, 과염소산, 과염소산염, 과크롬산, 과크롬산염 등의 산화제를 조제로서 포함하고 있어도 좋다. 또한, 질산 나트륨, 질산 칼륨, 질산 암모늄 등의 질산염, 아질산 나트륨, 아질산 칼륨, 아질산 암모늄 등의 아질산염, 불화 나트륨, 불화 칼륨, 불화 암모늄 등의 불화물 염을 포함하고 있어도 좋다.
본 발명에 있어서 이용되는 에칭액에 있어서의 불산, 질산, 황산으로 이루어지는 혼산의, 이들 산의 합계 중량에 대한 각각의 산의 배합 비율은, 도 1에 나타내는 삼각도에 있어서의 점
A(HF: 2.82 중량%, HNO3: 0.18 중량%, H2SO4: 97 중량%),
B(HF: 0.18 중량%, HNO3: 2.82 중량%, H2SO4: 97 중량%),
C(HF: 8.47 중량%, HNO3: 0.53 중량%, H2SO4: 91 중량%),
D(HF: 0.53 중량%, HNO3: 8.47 중량%, H2SO4: 91 중량%)
를 연결하는 선분으로 둘러싸인 범위 내에 있다.
에칭액의 수분 농도(물을 포함하는 전체 성분을 포함시킨 에칭액 중의 중량 농도, 즉, 물의 함유 비율)는 0 ~ 10.5 중량%이다. 수분 농도가 이것보다 높으면 작은 오목부(작은 패임)가 형성되기 어려워지고, 반사율이 충분히 낮아지지 않고, 또한, 웨이퍼의 결정립 콘트라스트 차이가 현저하게 된다. 에칭액의 수분 농도는 10 중량% 이하인 것이 에칭 공정의 안정성에서도 더 바람직하다.
에칭은, 다결정 실리콘 잉곳을 고정 지립 방식으로 슬라이스하여 얻어지는 슬라이스 편을 에칭액에 침지하는 것으로써 행해지고, 그 후 이 슬라이스 편을 물로 수세한다. 침지에 있어서의 액체의 온도는 0 ~ 45℃, 시간은 1 ~ 30분인 것이 바람직하다. 액체의 온도가 이 범위를 하회하면, 에칭의 진행이 불충분하고, 요철이 형성될 때까지의 시간이 너무 많이 걸린다. 액체의 온도가 이 범위를 상회하면, 요철이, 특히 작은 오목부가 형성되기 어려워지고, 반사율이 충분히 낮아지지 않고, 또한, 결정립 콘트라스트 차이가 현저하게 되어 광택에 콘트라스트 차이가 생겨서 상품 가치가 떨어진다. 따라서, 액체의 온도는 5 ~ 40℃인 것이 더 바람직하다.
이 에칭액에 있어서, 불산, 질산, 황산의 조성 비율이 도 1에 나타내는 삼각도에 있어서의 점 ABCD를 연결하는 선분으로 둘러싸인 범위 밖이면, 에칭 속도가 너무 늦어지고, 에칭 반응이 진행되지 않기 때문에, 요철이 형성될 때까지의 시간이 너무 많이 걸린다. 혹은, 작은 오목부가 형성되기 어려워지고, 반사율이 충분히 낮아지지 않고, 또한 결정립 콘트라스트가 현저하게 된다.
또한, 이 에칭액에 있어서, 불산의 농도/(불산의 농도+질산의 농도)의 값은 0.059 ~ 0.94인 것이 바람직하다. 이 범위 밖에서는 에칭 속도가 떨어짐과 함께, 작은 오목부가 형성되기 어려워지고, 반사율이 높아지고, 또한 결정립 콘트라스트 차이가 현저하게 되는 일이 있다.
또한, 이 에칭액에 있어서, 황산 농도는 91 ~ 97 중량%이다. 황산 농도가 이 범위를 하회하면 에칭 속도가 너무 늦어지고, 에칭 반응이 진행되지 않기 때문에, 요철이 형성될 때까지의 시간이 너무 많이 걸린다. 범위를 상회하면 작은 오목부가 형성되기 어려워지고, 반사율이 충분히 낮아지지 않고, 또한, 결정립 콘트라스트 차이가 현저하게 된다.
또한, 본 발명에 있어서 이용되는 에칭액에 있어서의 불산, 질산, 황산의, 이들 산의 합계 중량에 대한 각각의 산의 배합 비율은, 도 1에 나타내는 삼각도에 있어서의 점
A′(HF: 2.62 중량%, HNO3: 0.88 중량%, H2SO4: 96.5 중량%),
B′(HF: 0.88 중량%, HNO3: 2.62 중량%, H2SO4: 96.5 중량%),
C′(HF: 6.75 중량%, HNO3: 2.25 중량%, H2SO4: 91 중량%),
D′(HF: 2.25 중량%, HNO3: 6.75 중량%, H2SO4: 91 중량%)
를 연결하는 선분으로 둘러싸인 범위 내에 있는 것이 저반사율이며 결정립 콘트라스트 차이에 기인하는 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 얻는 것에 있어서 더 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서 이용되는 에칭액에 있어서의 불산, 질산, 황산의, 이들 산의 합계 중량에 대한 각각의 산의 배합 비율은, 도 1에 나타내는 삼각도에 있어서의 점
A" (HF: 1.98 중량%, HNO3: 1.52 중량%, H2SO4: 96.5 중량%),
B" (HF: 1.44 중량%, HNO3: 2.06 중량%, H2SO4: 96.5 중량%),
C" (HF: 5.09 중량%, HNO3: 3.91 중량%, H2SO4: 91 중량%),
D" (HF: 3.71 중량%, HNO3: 5.29 중량%, H2SO4: 91 중량%)
를 연결하는 선분으로 둘러싸인 범위 내에 있는 것이 저반사율이며 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 얻는데 가장 바람직하다.
본 발명에 있어서 이용되는 에칭액은, 예를 들면, 농도 40 ~ 55 wt%, 혹은 그것보다 고농도의 불산의 수용액과, 농도 59 ~ 75 wt%, 혹은 그것보다 고농도의 질산의 수용액과, 바람직하게는 농도 95 ~ 98 wt%의 황산(농도 x%의 황산은 황산 x 중량부와 물(100-x) 중량부의 혼합물을 말한다)을 혼합하여 얻을 수 있다.
이러한 배합 비율의 에칭액에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 고정 지립 방식으로 슬라이스하여 얻어지는 슬라이스 편을 에칭하면, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 가공 변질층이 제거되어서 실리콘의 결정립이 이 슬라이스 편의 표면에 노출되는 것으로써 슬라이스 편의 표면에 요철이 형성됨과 함께, 이 표면이 더 에칭되어서 보울 바닥 형상의 패임이 형성되고, 또한, 이 패임에 기인하는 요철보다 더 미세한 요철이 보울 바닥 형상의 패임의 내면에 형성된다. 이것에 의해, 표면의 반사율이 작은 태양전지용 실리콘 웨이퍼가 얻어진다. 또한, 광택 불균일이 적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼가 얻어진다.
도 2(a)는, 본 발명에 의해 얻어진 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태의 주사형 전자 현미경 촬영 화상이며, 도 2(b)는, 유리 지립 방식으로 다결정 실리콘 잉곳을 슬라이스하여 얻어진 슬라이스 편을 종래의 불산 및 질산만의 혼합 에칭액으로 에칭하여 얻어진 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태의 주사형 전자 현미경 촬영 화상이다.
도 2(a)에 나타내는 본 발명에 의해 얻어진 태양전지용 실리콘 웨이퍼는, 표면에 바닥부가 곡면 형상의 복수의 오목 구멍이 전체면에 걸쳐서 형성되어서 이루어지는 요철을 가지고 있다. 이 오목 구멍의 개구 지름은 2 ~ 15㎛이며, 또한, 이 오목 구멍의 내벽에 개구 지름이 0.1 ~ 1.5㎛의 1 또는 복수개의 미세 구멍이 형성되어 있다. 즉, 본 발명의 태양전지용 실리콘 웨이퍼는, 표면에 복수의 오목 구멍이 전체면에 걸쳐서 형성되어서 이루어지는 요철을 가지고, 이 오목 구멍의 개구 지름이 2 ~ 15㎛이며, 또한, 이 오목 구멍의 내벽에 개구 지름이 0.1 ~ 1.5㎛의 1 또는 복수개의 미세 구멍이 형성된 형상을 실질적으로 가진다. 이러한 요철의 성상(性狀)은, 주사형 공초점(共焦點) 레이저 현미경, 혹은 일본 특허 공보 제3810749호에 기재된 형상 측정 장치 등에 의해서 확인할 수 있다.
도 3은, 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태를 웨이퍼의 두께 방향의 절단면에서 나타내는 모식도이며, 도 3(a)는 도 2(b)에 나타난 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태, 도 3(b)는 도 2(a)에 나타난 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태, 도 3(c)는 도 3(b)의 부분 확대 모식도이다. 도 3에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 태양전지용 실리콘 웨이퍼는, 확대하면 대략 보울의 패임 형상이 큰 홈(대략 보울 바닥 형상의 오목 구멍)(2)에 기인하는 큰 주기의 요철(대략 보울 바닥 형상 혹은 대략 보울 바닥 형상이 중첩된 형상)에, 에칭액에 의한 침식에 기인하는 작은 패임(미세 구멍)(3)에 기인하는 작은 주기의 요철이 중첩된 상태의 요철을 가진다. 큰 패임(2)의 상측 가장자리의 지름(d1)은 2 ~ 15㎛, 깊이(h1)는 2 ~ 15㎛이며, 작은 패임(3)의 상측 가장자리의 지름(d2)은 0.1 ~ 1.5㎛, 깊이(h2)는 0.1 ~ 1.5㎛이다. 또한, 서로 이웃하는 큰 패임(2)끼리의, 상측 가장자리의 간격(p)는 0 ~ 10㎛이다. 또한, 1개의 큰 패임(2)의 내면에 복수개의 작은 패임이 존재하고 있다. 이것에 비해서, 도 2(b)의 현미경 촬영 화상에서 나타낸, 유리 지립 방식으로 다결정 실리콘 잉곳을 슬라이스하여 얻어진 슬라이스 편을 에칭하여 얻어진 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 표면에 있어서는, 큰 패임(2)의 내면에, 도 3(b)에 있어서의 작은 패임(3)에 상당하는 작은 패임이 거의 없다. 또한 반사율은 30%이며, 본원 에칭액을 이용한 도 2(a)와 비교하여 충분히 낮은 표면 상태는 형성되지 않았다.
또한, 「전체 면에 걸쳐서」는, 서로 이웃이 되는 오목 구멍 각각의 상측 가장자리부 사이의 간격, 즉 p가 0 ~ 10㎛가 되도록 오목 구멍이 웨이퍼의 표면에 존재하고 있는 것을 의미한다. 또한, 서로 이웃하는 오목 구멍끼리가 서로 들어가서 중첩되어도 좋다.
큰 패임(2)은 보울의 패임 형상과 유사하여, 패임의 최심부(最深部)로부터 웨이퍼의 면방향에 수직으로 세운 직선을 대칭의 중심선으로 하여, 혹은 패임의 최심부로부터 웨이퍼의 면방향에 수직으로 세운 평면을 대칭면으로 하여, 대략 대칭적인 형상을 가지고 있다. 이것은 에칭에 의해 5㎛ 정도가 얇은 가공 변질층이 제거된 후에 에칭이 웨이퍼의 두께 방향으로 더 진행하여 이러한 대칭적인 형상의 패임이 형성된 것을 나타내고 있다. 이러한 대칭적인 형상의 패임에 의해, 웨이퍼 표면은 불규칙한 반사광이 생기기 어렵고, 광택 불균일이 적은 웨이퍼를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명의 에칭액을 이용한 에칭은, 가공 변질층의 유무에 의하지 않고 에칭을 행할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 표면에는 두께 방향에 관하여 대칭적인 형상의 보울 바닥 형상의 패임이 형성된다.
본 발명의 에칭액은 가공 변질층이 제거된 후의 실리콘에 다시 이러한 큰 패임(2)과 작은 패임(3)을 함께 형성할 수 있는 에칭액이다. 다시 말하자면, 본 발명의 에칭액은 가공 변질층의 유무에 관계없이 웨이퍼 표면에 큰 패임(2)과 작은 패임(3)을 함께 형성할 수 있는 에칭액이다.
이것에 비해서, 유리 지립 방식으로 다결정 실리콘 잉곳으로부터 슬라이스된 슬라이스 편은, 가공 변질층이 두껍기 때문에, 에칭에 의해 이 가공 변질층을 제거하는 것만으로 표면에 결정립에 기인하는 요철이 발생하게 된다. 가공 변질층의 제거는 불산이나 질산을 이용한 종래의 에칭액을 이용하여 비교적 용이하게 행할 수 있다. 그러나, 이와 같이 하여 얻어진 패임은 결정립의 결정 방위에 기인하므로 형상이 불규칙하고 웨이퍼의 두께 방향에 관하여 비대칭적인 형상을 가지고 있다. 이 때문에, 웨이퍼 표면은 불규칙한 반사광이 생기기 쉽고, 광택 불균일이 남은 웨이퍼가 얻어지게 된다. 이와 같이, 종래의 에칭액은 가공 변질층의 제거의 과정에서 요철을 형성하는 것이며, 가공 변질층이 제거된 후의 실리콘에 다시 요철을 형성하는 것은 아니다. 또한, 종래의 에칭액에서는 가공 변질층이 제거된 후의 실리콘에 작은 패임(3)을 더 형성할 정도의 에칭을 실시하는 것이 어렵다.
불산, 질산 및 인산 등을 주성분으로 한 산성의 에칭액중에서 화학 에칭을 행하는 것에 의해서, 결정면이 고르지 않은 다결정 실리콘 웨이퍼에 관해서도, 10㎛ 혹은 그 이상의 두께의 가공 변질층을 에칭 제거하고 요철을 얻는 방법이 개시되어 있다(예를 들면, 일본 공개 특허 공보 평10-303443호, 일본 특허 공보 제4766880호 등).
이것은, 이하의 반응이 진행하기 때문으로 알려져 있다.
HNO3+H2O+HNO2→2HNO2+2OH-+2h+(정공)
Si+4h+→Si4+
Si4++2OH-→SiO2+H2
SiO2+6HF→H2SiF6+H2O
따라서, 실리콘을 산화하는 질산과 실리카 산화물을 용해하는 불산의 비율에 대응하여, 반응속도를 변경하거나, 요철의 형상이나 크기도 변화시키지만, 보다 안정된 제어에는, 황산을 계 내에 가하는 것이 바람직하다. 이 이유는 이하와 같다.
즉, 실리콘의 산화 반응은, 위 식과 같이 농질산만으로도 조금은 반응하지만, 농황산을 가하면 황산이 산이며 질산이 염기인 산·염기 반응이 일어난다. 그 결과, 「-O-SO2-OH」 음이온과 「H2O(+)-NO2」 양이온이 형성되고, 「H2O(+)-NO2」 양이온으로부터 물이 빠져서 「(+)NO2」 양이온(니트로늄·양이온)이 계 중에 많아진다. 결국은, 하기 반응식에 있어서 평형은 농황산을 넣지 않을 때보다 오른쪽으로 치우치게 되고, 반응이 빨라지고, 실리콘 편의 표면의 요철 형상을 지배하게 된다.
2H2SO4+HNO3⇔NO2 ++H3O++2HSO4 -
이러한 현상에 비추어서, 본 발명에 있어서, 실리콘 편의 표면에 양호한 요철 형상을 형성하기 위한 산의 농도, 그 중에서도 황산의 농도를 찾아냈다.
[실시예]
이하에 본 발명의 실시예를 기술하나, 본 발명은 이 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예, 비교예에 있어서의 실리콘 웨이퍼의 반사율의 측정은, 시마즈세이사쿠쇼(島津製作所)제 자외 가시 근적외 분광 광도계 Solidspec-3700와 적분구(積分球) BIS-3700을 이용하여 행했다. 파장 600nm의 값 중 9개소 측정의 평균치를 구하여 반사율로 했다.
<실리콘 잉곳>
GET사제 다결정 실리콘 잉곳을 이용했다.
<쏘우 와이어>
주식회사 TKX사제 레진 본드 쏘우 와이어(품번: MW-100-8-16)를 이용했다.
(레진 본드 쏘우 와이어용 접착제 조성물 … 페놀 수지 조성물
지립 … 다이아몬드 지립: 지석(砥石) 지름 8 ~ 16㎛(10.5㎛±1㎛)
와이어 … φ100㎛ 강선)
<슬라이스 공정>
둘레면에 홈을 형성한 풀리에 쏘우 와이어를 감아서 루프를 형성하는 절단 장치에 장착하고, 600m/분의 속도로 주행시켜서 슬라이스 편을 얻었다.
<에칭액>
불산 수용액(농도 47 wt%): 6.2 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 5.0 중량%
농도 95 wt%의 황산: 88.8 중량%
이 조성은 도 1에 실시예 1의 점으로서 표시되어 있다.
<에칭>
슬라이스 편을 10℃의 에칭액에 20분간 침지 후 수세하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 18.6%였다. d1는 3 ~ 12㎛(평균 5.4㎛), d2는 0.1 ~ 1㎛였다. 도 4(a)에 나타내는 표면 상태의 촬영 화상과 같이, 실리콘 웨이퍼의 표면에 광택 불균일은 거의 인지되지 않았다. 또한, 도 2(a)는 실시예 1의 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태의 현미경 촬영 화상이다.
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 6.3 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 4.2 중량%
농도 95 wt%의 황산: 89.5 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
이 조성은 도 1에 실시예 2의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 18.0%였다. d1는 3 ~ 10㎛(평균 4.8㎛), d2는 0.1 ~ 1㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에 광택 불균일은 완전하다고 해도 좋을 정도로 인지되지 않았다.
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 6.6 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 3.4 중량%
농도 95 wt%의 황산: 90 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
이 조성은 도 1에 실시예 3의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 20.8%였다. d1는 2 ~ 8㎛(평균 3.9㎛), d2는 0.1 ~ 1㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에 광택 불균일은 완전하다고 해도 좋을 정도로 인지되지 않았다.
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 6 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 6 중량%
농도 95 wt%의 황산: 88 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
이 조성은 도 1에 실시예 4의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 21.0%였다. d1는 3 ~ 10㎛(평균 3.9㎛), d2는 0.1 ~ 0.5㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에 광택 불균일은 약간 인지되었지만, 상품 가치를 떨어뜨릴 정도는 아니었다.
쏘우 와이어로서 일본 공개 특허 공보 2010-201602의 실시예 1에 기재된 방법에 의해 얻어진, 용융 금속 방식에 의한 쏘우 와이어를 이용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
<쏘우 와이어의 제조 방법>
와이어의 금속제 심선은, 황동에 의해서 피복된 선 지름 φ100㎛의 피아노선으로 했다.
브레이징재로서 Sn- 3.0%Ag -0.5%Cu(고상선: 218℃, 액상선: 220℃)를 이용했다. 이것에, 0.2%의 알루미늄(Al) 분말을 첨가하여, 용융했다.
지립(2)으로서 니켈이 피복된 다이아몬드의 분말을 이용했다. 지립의 입경은 20 ~ 35㎛이다. 이것을 상술한 브레이징재 분말과 다이아몬드 분말에 대해서 유기 아민계 활성 로진 플럭스를, 70 대 30(중량%)의 비율로 혼련하고, 터피네올에 의해서 점도를 300Pa·s로 조정, 이것을 페이스트로서 디스펜서(실린지(syringe))에 충전했다.
계속하여, 100㎛의 노즐 지름을 가지는 디스펜서를 이용하여, 피아노선 심재 상에 해당 페이스트를 균질하게 22 ~ 20㎛의 막 두께로 도포했다. 그것을 출력 1 W, 빔 지름 600 ~ 1300㎛, 파장: 808 nm의 레이저광을 조사하는 것으로써 용융하고, 그 후 자연 냉각했다.
용융 상태를 판단하면서, 다이아몬드와 브레이징재와의 비율은, 용융 고체화층의 두께가 지립(2)의 입경의 5 ~ 40%에 수렴하도록 설정했다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 22.0%였다. d1는 3 ~ 14㎛(평균 4.0㎛), d2는 0.1 ~ 0.5㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에 광택 불균일은 약간 인지되었지만, 상품 가치를 떨어뜨릴 정도는 아니었다.
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 4.2 중량%
질산 수용액(농도 69 wt%): 7.8 중량%
농도 95 wt%의 황산: 88.0 중량%
로 하고, 슬라이스 편을 25℃의 에칭액에 142초간 침지 후 수세하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다. 그 외는 실시예 1과 같다.
이 조성은 도 1에 실시예 6의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 23.0%였다. d1는 2 ~ 12㎛(평균 4.1㎛), d2는 0.4 ~ 1.0㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에, 광택 불균일은 약간 인지되었지만, 상품 가치를 떨어뜨릴 정도는 아니었다.
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 4.6 중량%
질산 수용액(농도 69 wt%): 6.9 중량%
농도 95 wt%의 황산: 88.5 중량%
로 하고, 슬라이스 편을 25℃의 에칭액에 142초간 침지 후 수세하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다. 그 외는 실시예 1과 같다.
이 조성은 도 1에 실시예 7의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 19.4%였다. d1는 3 ~ 8㎛(평균 4.8㎛), d2는 0.4 ~ 1.1㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에, 광택 불균일은 약간 인지되었지만, 상품 가치를 떨어뜨릴 정도는 아니었다.
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 4.95 중량%
질산 수용액(농도 69 wt%): 6.05 중량%
농도 95 wt%의 황산: 89.0 중량%
로 하고, 슬라이스 편을 25℃의 에칭액에 142초간 침지 후 수세하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다. 그 외는 실시예 1과 같다.
이 조성은 도 1에 실시예 8의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 19.4%였다. d1는 3 ~ 10㎛(평균 6.5㎛), d2는 0.5 ~ 1.3㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에, 광택 불균일은 약간 인지되었지만, 상품 가치를 떨어뜨릴 정도는 아니었다.
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 5.25 중량%
질산 수용액(농도 69 wt%): 5.25 중량%
농도 95 wt%의 황산: 89.5 중량%
로 하고, 슬라이스 편을 25℃의 에칭액에 142초간 침지 후 수세하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다. 그 외는 실시예 1과 같다.
이 조성은 도 1에 실시예 9의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 19.8%였다. d1는 3 ~ 11㎛(평균 5.6㎛), d2는 0.5 ~ 1.1㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에, 광택 불균일은 거의 없었다.
[비교예 1]
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 4.5 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 9 중량%
농도 95 wt%의 황산: 86.5 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
이 조성은 도 1에 비교예 1의 점으로서 표시되어 있다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 26.1%였다. d1는 3 ~ 15㎛(평균 5.1㎛), d2는 0.1 ~ 1㎛였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에 상품 가치를 떨어뜨릴 정도의 광택 불균일이 인지되었다. 도 4(b)는 얻어진 실리콘 웨이퍼의 광택 상태를 나타내는 촬영 화상이다.
[비교예 2]
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 3.6 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 16 중량%
농도 95 wt%의 황산: 80.4 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 27%였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에 상품 가치를 떨어뜨릴 정도의 광택 불균일이 인지되었다.
[비교예 3]
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 6 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 29 중량%
농도 95 wt%의 황산: 65 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 30%였다. 실리콘 웨이퍼의 표면에 상품 가치를 크게 떨어뜨릴 정도의 광택 불균일이 인지되었다.
[비교예 4]
<슬라이스 공정>
유리 지립 방식의 멀티 와이어 쏘우 방식을 이용하고, 실시예 1에 이용한 것과 동일한 잉곳을 슬라이스했다.
와이어 직경: 0.1 mm(JFE스틸사제, 형식 SRH)
지립: 탄화 규소
(후지미인코포레이티드사제, GC#1500, 평균 입경 약 8㎛)
절단 속도: 0.35mm/분 (잉곳 이송 속도)
와이어 주행 속도: 600m/분
<에칭>
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 25 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 45 중량%
물: 30 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일한 에칭에 의해 실리콘 웨이퍼를 얻었다. 단, 에칭은 10℃×2분으로 행했다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
d1는 평균 10㎛이며, 큰 패임(2)만 인지되고, 작은 패임(3)은 인지되지 않았다. 이 때문에 얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 30.8%로 높은 그대로였다. 도 4(c)는 이 실리콘 웨이퍼의 광택 상태를 나타내는 촬영 화상이다.
[비교예 5]
에칭액의 조성을
불산 수용액(농도 47 wt%): 25 중량%
질산 수용액(농도 67 wt%): 45 중량%
물: 30 중량%
로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실리콘 웨이퍼를 얻었다. 단, 에칭은 10℃×2분으로 행했다.
<실리콘 웨이퍼의 특성>
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 32.5%로 높은 값이었다. 도 2(c)는 이 실리콘 웨이퍼의 표면의 요철 상태의 현미경 촬영 화상이며, 도 4(d)는 이 실리콘 웨이퍼의 광택 상태를 나타내는 촬영 화상이다. d1는 3 ~ 15㎛(평균 5.5㎛)였지만, 작은 패임(3)은 인지되지 않았다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 표면에 상품 가치를 떨어뜨릴 정도의 광택 불균일이 인지되었다.
얻어진 실리콘 웨이퍼의 반사율은 32.5%였다.
[산업상의 이용가능성]
본 발명은, 태양전지용 실리콘 웨이퍼나, 그 외의 광전 변환 소자의 제조에 널리 적용할 수 있는 유익한 기술이다.
2: 큰 패임
3: 작은 패임
3: 작은 패임
Claims (4)
- 다결정 실리콘의 슬라이스 편을 혼산(mixed acid)을 주성분으로 하는 에칭액으로 에칭하는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법으로서,
상기 슬라이스 편이 고정 지립 방식(bonded abrasive machining)의 와이어 쏘우(wire saw)로 슬라이스된 슬라이스 편이며,
상기 혼산이, 화학식 HF로 표현되는 불산, 화학식 HNO3로 표현되는 질산 및 화학식 H2SO4로 표현되는 황산으로 이루어지고,
상기 혼산의 조성 범위가, 이들 조성을 중량%로 나타내는 삼각도(ternary diagram)에서,
상기 불산이 2.82 중량%, 상기 질산이 0.18 중량%, 상기 황산이 97 중량%인 점 A와,
상기 불산이 0.18 중량%, 상기 질산이 2.82 중량%, 상기 황산이 97 중량%인 점 B와,
상기 불산이 8.47 중량%, 상기 질산이 0.53 중량%, 상기 황산이 91 중량%인 점 C와,
상기 불산이 0.53 중량%, 상기 질산이 8.47 중량%, 상기 황산이 91 중량%인 점 D를 이 순서로 연결하는 4개의 선분으로 둘러싸인 영역 내에 있고,
상기 에칭액의 물의 농도가 0 ~ 10.5 중량%인 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 고정 지립 방식의 와이어 쏘우에 이용하는 쏘우 와이어가 레진 본드 쏘우 와이어인 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 에칭할 때의 에칭액의 온도가 0 ~ 45℃인 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 제조 방법. - 고정 지립 방식의 와이어 쏘우로 슬라이스된 다결정 실리콘의 슬라이스 편이 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 에칭액으로 에칭되어서 이루어지고, 표면에 복수의 대략 보울(bowl) 바닥 형상의 오목 구멍이 전체면에 걸쳐서 형성되어서 이루어지는 요철을 가지고, 상기 오목 구멍의 개구 지름이 2 ~ 15㎛이며, 또한, 각 상기 오목 구멍의 내벽에 개구 지름이 0.1 ~ 1.5㎛의 1 또는 복수개의 미세 구멍이 형성된, 태양전지용 실리콘 웨이퍼.
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