KR20170033995A - Thin film silicon substrate and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박형 실리콘 기판 및 그 제조방법으로서, 더 상세하게는 실리콘과 금속의 응력 차이로 유발된 박리 공정을 이용하는 박형 실리콘 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a thin silicon substrate and a manufacturing method thereof, and more particularly to a thin silicon substrate using a peeling process caused by a stress difference between silicon and a metal and a manufacturing method thereof.
대부분의 에너지 소비를 화석에너지로 사용함에 따라 이산화탄소, 메탄등과 같은 온실가스 배출량은 늘어 지구온난화를 비롯해 해수면 상승, 스모그현상, 온실효과 등 기후변화를 일으키는 주원인이 되고 있으며 시간이 지날수록 화석에너지 매장량의 한계는 공급위기에 처하고 있다. 이러한 문제에 대응하기 위해 대체에너지의 이용과 보급 확대의 필요성 역시 부각되어 화석연료의 의존도를 줄이고 환경에 영향을 미치지 않으며 고갈될 염료가 없는 자연 에너지를 이용한 대체에너지에 대한 관심은 나날이 커지고 있다. 이러한 관점에서 우리나라 사정상 많은 대체 에너지 중 태양으로부터 무한한 에너지를 받을 수 있는 태양광 에너지에 대한 관심이 가장 높으며 연구 또한 활발히 진행되고 있다.As most of the energy consumption is used as fossil energy, greenhouse gas emissions such as carbon dioxide and methane are increasing, leading to global warming, sea level rise, smog phenomenon, greenhouse effect, etc. As time passes, fossil energy reserves Is at a supply crisis. In order to cope with these problems, the need to use and expand alternative energy has also been highlighted, and interest in alternative energy using natural energy without depleting dyestuffs has been increasing day by day, reducing dependence on fossil fuels and affecting the environment. From this point of view, the solar energy that can receive infinite energy from the sun among the many alternative energy sources is most interested in Korea, and the research is also actively carried out.
태양광 발전은 무한정, 무공해 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로서 재료에 따라 실리콘계, 화합물계, 유기물계 등으로 구분할 수 있고 형태에 따라서는 크게 결정형, 박막형, 집중형 등으로 구분 할 수 있다.Photovoltaic power generation is a technology that converts unlimited, pollution-free solar energy directly into electric energy, and it can be classified into silicon system, compound system, organic system system depending on the material, and it can be classified into crystal system, thin film system, .
이제는 태양광 에너지가 단순히 고효율이라는 목표를 넘어 저가화라는 것을 더해 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 나아가고 있다. 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있는 실리콘 태양전지의 대부분은 단결정 잉곳을 제조하고 이를 커팅한 웨이퍼 형태로 사용되는데 이 때 커팅에 의한 두께 한계 및 Kerf-less가 발생하게 되어 재료비용이 높아지게 된다. 그러므로 결정질 실리콘 소재를 얇게 박리함으로써 재료비용은 낮추고 태양전지의 고 효율화 및 저가실현을 위하여 박형화 및 결정화의 기술 개발을 해야 한다.Now, solar energy is moving beyond the goal of high efficiency and low cost, making solar cells one step closer to commercialization. Most of the silicon solar cells, which account for more than 90% of the solar cell market, are made of monocrystalline ingots and used as wafers for cutting. In this case, thickness limit and Kerf-less are caused by cutting, resulting in high material cost. Therefore, it is necessary to develop technology for thinning and crystallization in order to lower the material cost by thinly separating the crystalline silicon material and realize high efficiency and low cost of the solar cell.
본 발명은 양질의 박형 실리콘 기판을 안정적으로 구현할 수 있는 박형 실리콘 기판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a thin silicon substrate which can stably realize a thin silicon substrate of good quality. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
본 발명의 일 관점에 의한 박형 실리콘 기판의 제조방법이 제공된다. 상기 박형 실리콘 기판의 제조방법은 제 1 반응조 내에 실리콘 모재를 배치하는 제 1 단계; 상기 제 1 반응조 내에서 도금 공정에 의하여 상기 실리콘 모재의 상면에 니켈층을 형성하는 제 2 단계; 상기 니켈층 아래의 상기 실리콘 모재 측면의 적어도 일부에 레이저 스크라이빙 공정으로 그루브(groove)를 형성하는 제 3 단계; 니켈과 실리콘의 응력 차이로 인하여 상기 그루브를 기점으로 크랙이 전파되면서 상기 니켈층과 상기 실리콘 모재의 일부인 박형 실리콘이 상기 실리콘 모재의 나머지로부터 박리되어 분리되는 제 4 단계; 및 상기 실리콘 모재의 나머지로부터 박리되어 분리된 상기 니켈층과 상기 박형 실리콘의 복합 구조체를 니켈 에칭제를 수용한 제 2 반응조에 침지하여 니켈층이 제거된 박형 실리콘 기판을 형성하는 제 5 단계;를 포함한다. A method of manufacturing a thin silicon substrate according to one aspect of the present invention is provided. The manufacturing method of the thin silicon substrate includes: a first step of disposing a silicon base material in a first reaction vessel; A second step of forming a nickel layer on the upper surface of the silicon base material by a plating process in the first reaction vessel; A third step of forming a groove by laser scribing on at least a part of the side of the silicon base material below the nickel layer; A fourth step of separating the nickel layer and the thin silicon layer, which is a part of the silicon base material, from the rest of the silicon base material and separating the cracks by propagating a crack starting from the groove due to a difference in stress between nickel and silicon; And a fifth step of immersing the composite structure of the nickel layer separated from the remainder of the silicon base material and the thin silicon layer in a second reaction vessel containing a nickel etchant to form a thin silicon substrate from which the nickel layer has been removed, .
상기 박형 실리콘 기판의 제조방법에서, 상기 제 1 단계 내지 제 5 단계로 구성된 단위사이클이 연속하여 반복되며, 상기 제 5 단계에서 회수한 니켈은 후속의 단위사이클에서 상기 제 2 단계의 도금 공정에 재사용될 수 있다. In the method of manufacturing the thin silicon substrate, the unit cycles constituted by the first to fifth steps are successively repeated, and the nickel recovered in the fifth step is reused in the plating process of the second step in the subsequent unit cycle .
상기 박형 실리콘 기판의 제조방법에서, 상기 제 3 단계에서 상기 그루브는 상기 니켈층으로부터 10㎛ 내지 30㎛ 아래에 형성될 수 있다. In the method of manufacturing the thin silicon substrate, in the third step, the grooves may be formed at a depth of 10 mu m to 30 mu m below the nickel layer.
상기 박형 실리콘 기판의 제조방법에서, 상기 실리콘 모재의 나머지로부터 박리되어 분리된 상기 니켈층과 상기 박형 실리콘의 복합 구조체는 말려진 롤(roll) 형태를 가질 수 있다. In the method of manufacturing the thin silicon substrate, the composite structure of the nickel layer and the thin silicon film separated from the rest of the silicon base material may have a rolled shape.
상기 박형 실리콘 기판의 제조방법에서, 상기 제 1 단계 내지 제 4 단계는 상기 제 1 반응조에서 수행되며, 상기 제 5 단계는 상기 제 2 반응조에서 수행될 수 있다. In the method of manufacturing the thin silicon substrate, the first to fourth steps may be performed in the first reaction tank, and the fifth step may be performed in the second reaction tank.
본 발명의 다른 관점에 의한 박형 실리콘 기판이 제공된다. 상기 박형 실리콘 기판은 상술한 제조방법에 의하여 구현된 기판을 포함한다. A thin silicon substrate according to another aspect of the present invention is provided. The thin silicon substrate includes a substrate implemented by the above-described manufacturing method.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양질의 박형 실리콘 기판을 안정적으로 구현할 수 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention as described above, a thin silicon substrate of good quality can be stably realized. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 실리콘 기판의 제조방법을 순차적으로 도해하는 도면들이다. FIGS. 1 to 7 are views sequentially illustrating a method of manufacturing a thin silicon substrate according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, at least some of the components may be exaggerated or reduced in size for convenience of explanation. Like numbers refer to like elements throughout the drawings.
명세서 전체에 걸쳐서, 층 또는 영역과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. It is to be understood that throughout the specification, when an element such as a layer or a region is referred to as being "on" another element, the element may be directly "on" It will be understood that there may be other intervening components. On the other hand, when an element is referred to as being "directly on" another element, it is understood that there are no other elements intervening therebetween.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 실리콘 기판의 제조방법을 순차적으로 도해하는 도면들이다. FIGS. 1 to 7 are views sequentially illustrating a method of manufacturing a thin silicon substrate according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 제 1 반응조(100) 내에 실리콘 모재(10)를 배치한다. 제 1 반응조(100) 내에는 니켈 도금액(150)이 수용될 수 있다. 실리콘 모재(10)는 위치 조절 받침대인 서셉터(110) 상에 위치할 수 있다. Referring to FIG. 1, a
도 2를 참조하면, 제 1 반응조(100) 내에서 도금 공정에 의하여 실리콘 모재(10)의 니켈층(20)을 형성한다. 표 1은 실리콘과 니켈은 열팽창계수(단위:μK-1)를 나타낸 것이다. 니켈과 실리콘의 열팽창계수의 차이는 후속 공정에서 열응력의 차이를 유발하므로 박리 공정을 수행함에 있어서 중요한 특성이라 할 수 있다. Referring to FIG. 2, a
도 3을 참조하면, 니켈층(20)이 형성된 실리콘 모재(10)의 적어도 일부를 니켈 도금액(150) 수면 위로 서셉터(110) 및 샤프트(120)를 이용하여 이동한다. 즉, 서셉터(110) 및 샤프트(120)는 실리콘 모재(10) 및 니켈층(20)의 위치를 조절하는 장치로 이해할 수 있다. 이동 결과, 니켈 도금액(150) 수면 위로 실리콘 모재(10)의 적어도 일부와 니켈층(20)이 노출된다. 3, at least a part of the
도 4를 참조하면, 실리콘 모재(10) 측면의 적어도 일부에 그루브(70, groove)를 형성한다. 그루브(70)는 오목부를 포함하는 임의의 형상을 가지며, 홀(hole), 트렌치(trench) 또는 캐비티(cavity) 등의 다른 용어로 이해될 수도 있다. 이러한 그루브(70)는 니켈과 실리콘의 응력 차이로 인하여 크랙이 전파되는 시작 영역일 수 있다. Referring to FIG. 4, a
그루브(70)는, 일 실시예에서, 실리콘 모재(10) 측면의 일부에만 형성될 수 있으며, 변형된 실시예에서는 실리콘 모재(10)의 측면을 따라 계속 형성되어 폐루프를 형성할 수도 있다. In one embodiment, the
그루브(70)는, 예를 들어, 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공정으로 구현될 수 있다. 실리콘 박리공정에서 박리된 실리콘의 두께 제어를 위해 레이저를 이용하여 스크라이빙을 하게 되면 두께에 대한 제어가 용이하다. The
그루브(70)는 니켈층(20)으로부터 소정의 이격거리를 가지는 영역에 형성되며, 상기 이격거리는 최종적으로 구현되는 박형 실리콘 기판(도 7의 30a)의 두께를 결정할 수 있다. 예를 들어, 그루브(70)는 니켈층(20)으로부터 10㎛ 내지 30㎛ 아래에 형성될 수 있으며 이로부터 구현되는 박형 실리콘 기판의 두께는 약 20㎛일 수 있다.The
한편, 그루브(70)를 균일한 위치에 형성하기 위하여, 레이저 장치(130)가 고정된 상태에서, 샤프트(120)의 회전으로 실리콘 모재(10)가 회전하는 동안 레이저가 조사될 수 있다.On the other hand, in order to form the
본 발명자는, 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공정에 의하여 형성된 스크라이빙 깊이(Scribing Depth)를 조절함으로써 유발되는 응력을 연동하여 조절할 수 있음을 확인하였다. 예를 들어, 스크라이빙 깊이가 0.625㎛, 1.25㎛, 2.5㎛ 일 때, 온도 구간과 상관없이, 스크라이빙 깊이가 0.625㎛ 일 때 평균적으로 스트레스가 크게 나타났고, 스크라이빙 깊이가 1.25㎛ 일때랑 2.5㎛에서는 근소하지만 스크라이빙 깊이가 1.25㎛ 일 때 스트레스가 더 작게 나타났다. 나아가, 박리 두께(Peeling Thickness)가 얇을수록, 그리고 레이저 가공 깊이가 얕을수록, 레이저 가공 폭이 고정되어 일정한 열에너지를 받았을 때 단위 면적당 받은 열에너지가 크기 때문에 더 많은 열적 응력을 받는 것으로 확인하였다. The present inventors confirmed that the stress induced by controlling the scribing depth formed by the laser scribing process can be controlled by interlocking. For example, when the scribing depth was 0.625 탆, 1.25 탆, and 2.5 탆, the stress was averaged on the average when the scribing depth was 0.625 탆, regardless of the temperature interval, and the scribing depth was 1.25 탆 At 2.5 μm, the stress was slightly smaller when the scribing depth was 1.25 μm. Furthermore, it was confirmed that as the thinning of the thinning thickness and the shallow depth of the laser processing are performed, the thermal energy received per unit area becomes larger when the laser processing width is fixed and constant heat energy is received, so that the thermal stress is further increased.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 니켈과 실리콘의 응력 차이로 인하여 그루브(70)를 기점으로 크랙이 전파되면서 니켈층(20)과 실리콘 모재(10)의 일부인 박형 실리콘(10a)이 실리콘 모재(10)의 나머지(10b)로부터 박리되어 분리될 수 있다. 5A to 5C, cracks propagate from the
니켈층(20)과 실리콘 모재(10)의 일부인 박형 실리콘(10a)로 이루어진 복합 구조체(30)는 말려진 롤(roll) 형태를 가질 수 있으며, 니켈과 실리콘의 계면은 접합된 상태일 수 있다. The
이러한 박리 공정은 초기의 크랙 기점인 그루브(70)로부터 시작되며, 박리된 실리콘과 니켈의 응력 차이로 말려 올라가며 크랙이 전파될 수 있다. 박리된 실리콘과 니켈의 두께는 얇기 때문에 복합 구조체(30)는 돌돌 말려질 수 있다. 예를 들어, 복합 구조체(30)는 니켈이 도금된 두께 20㎛의 실리콘 박막 기판일 수 있다. This peeling process starts from the
한편, 니켈층(20)과 실리콘 모재(10)의 일부인 박형 실리콘(10a)이 실리콘 모재(10)의 나머지(10b)로부터 박리되어 분리되는 과정을 촉진하기 위하여 별도의 열처리를 수행할 수 있다. 니켈과 실리콘의 열팽창계수의 차이에 기인하는 열응력은 박막의 박리 및 분리 공정에 기여할 수 있다. Separate heat treatment may be performed to facilitate separation of the
도 6 및 도 7을 참조하면, 제 1 반응조(100)에서 생성된 복합 구조체(30)를 니켈 에칭용액(350)을 수용한 제 2 반응조(300)로 이동(A)시킨다. 니켈 에칭용액(350)에 복합 구조체(30)가 침지되면 복합 구조체(30)를 구성하는 니켈층(20)은 니켈 에칭용액(350)에 의하여 복합 구조체(30)로부터 제거된다. 이에 따르면, 복합 구조체(30)는 박형 실리콘 기판(30a)과 니켈 용출부(30b)로 분리될 수 있다. 니켈 용출부(30b)는 복합 구조체(30)를 형성하는 니켈층(20)의 적어도 일부로 이해할 수 있으며, 일체로 형성되거나 또는 이격된 복수개의 덩어리나 박편으로 존재할 수도 있다. 6 and 7, the
한편, 순차적으로 설명한 상술한 단계들은 단위사이클을 형성하며, 이러한 단위사이클이 연속적으로 반복하여 수행됨으로써 박형 실리콘 기판(30a)을 연속적으로 대량 생산할 수 있다. 이 경우, 복합 구조체(30)에서 분리된 니켈 용출부(30b)는 후속으로 수행되는 단위사이클에서 니켈 도금공정에 재사용되도록 제 2 반응조(300)에서 제 1 반응조(100)로 이동(B)될 수 있다. 제 1 반응조(100)에 투입되는 니켈 용출부(30b)는 재사용되면서 니켈 도금액(150)의 농도를 일정하게 유지하므로 공정의 안정화를 구현하면서 동시에 제조공정의 비용을 절감할 수 있다. On the other hand, the above-described steps described above form a unit cycle, and such a unit cycle is continuously and repeatedly performed so that the
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (6)
상기 제 1 반응조 내에서 도금 공정에 의하여 상기 실리콘 모재의 상면에 니켈층을 형성하는 제 2 단계;
상기 니켈층 아래의 상기 실리콘 모재 측면의 적어도 일부에 레이저 스크라이빙 공정으로 그루브(groove)를 형성하는 제 3 단계;
니켈과 실리콘의 응력 차이로 인하여 상기 그루브를 기점으로 크랙이 전파되면서 상기 니켈층과 상기 실리콘 모재의 일부인 박형 실리콘이 상기 실리콘 모재의 나머지로부터 박리되어 분리되는 제 4 단계;
상기 실리콘 모재의 나머지로부터 박리되어 분리된 상기 니켈층과 상기 박형 실리콘의 복합 구조체를 니켈 에칭제를 수용한 제 2 반응조에 침지하여 니켈층이 제거된 박형 실리콘 기판을 형성하는 제 5 단계;
를 포함하는, 박형 실리콘 기판의 제조방법.A first step of disposing a silicon base material in a first reaction vessel;
A second step of forming a nickel layer on the upper surface of the silicon base material by a plating process in the first reaction vessel;
A third step of forming a groove by laser scribing on at least a part of the side of the silicon base material below the nickel layer;
A fourth step of separating the nickel layer and the thin silicon layer, which is a part of the silicon base material, from the rest of the silicon base material and separating the cracks by propagating a crack starting from the groove due to a stress difference between nickel and silicon.
A fifth step of immersing the composite structure of the nickel layer separated from the rest of the silicon base material and the thin silicon layer in a second reaction vessel containing a nickel etchant to form a thin silicon substrate from which a nickel layer has been removed;
Wherein the thin silicon substrate is a silicon substrate.
상기 제 1 단계 내지 제 5 단계로 구성된 단위사이클이 연속하여 반복되며,
상기 제 5 단계에서 회수한 니켈은 후속의 단위사이클에서 상기 제 2 단계의 도금 공정에 재사용되는, 박형 실리콘 기판의 제조방법.The method according to claim 1,
The unit cycles constituted by the first to fifth steps are successively repeated,
And the nickel recovered in the fifth step is reused in the plating process of the second step in a subsequent unit cycle.
상기 제 3 단계에서 상기 그루브는 상기 니켈층으로부터 10㎛ 내지 30㎛ 아래에 형성되는, 박형 실리콘 기판의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein in the third step, the groove is formed to a thickness of 10 to 30 占 퐉 below the nickel layer.
상기 실리콘 모재의 나머지로부터 박리되어 분리된 상기 니켈층과 상기 박형 실리콘의 복합 구조체는 말려진 롤(roll) 형태를 가지는, 박형 실리콘 기판의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the composite structure of the nickel layer and the thin silicon film separated and separated from the rest of the silicon base material has a rolled form.
상기 제 1 단계 내지 제 4 단계는 상기 제 1 반응조에서 수행되며,
상기 제 5 단계는 상기 제 2 반응조에서 수행되는, 박형 실리콘 기판의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the first to fourth steps are performed in the first reaction vessel,
Wherein the fifth step is performed in the second reaction tank.
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| WO2019216506A1 (en) * | 2018-05-09 | 2019-11-14 | 한국기계연구원 | Ultrathin silicon substrate and manufacturing method therefor |
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- 2015-09-18 KR KR1020150132034A patent/KR102427002B1/en active IP Right Grant
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