1. 서 론

태양광 산업은 미래 에너지원으로 주목 받고 있으며, 결정질 실리콘 태양전지의 공급 시장이 점차 확대되고 있다. 결정질 실리콘 태양전지의 효율 향상을 위한 방 법 중에 하나인 선택적 에미터 형성에 대한 연구들이 진 행되고 있다.^1-3) 태양전지에 입사된 광에 의하여 발생된 전하들은 P-N 접합부에 형성된 전기장에 의해 전극으로 이동하게 되는데, 이때 전자와 정공들이 내부에서 재결 합 없이 전극으로 쉽게 도달할 수 있도록 전극 접촉 부 분에 고농도의 에미터를 형성하여 전위 계단을 만들어 주는 것을 선택적 에미터라고 한다.^4-5) 단일 에미터의 경 우 저농도 도핑으로 높은 면저항(R_sheet)값을 나타내는 반 면, 선택적 에미터의 경우 전면 전극 아래에는 고농도 도핑으로 인하여 낮은 면저항 값과 전면 전극이 없는 영 역에는 높은 면저항 값을 가진다.⁶⁾ 고농도의 도핑 영역 은 전극과 에미터 사이의 접촉 저항을 감소시킬 수 있 고 개방 회로 전압(V_oc)을 증가시킬 수 있고, 저농도의 도핑 영역은 표면에서의 재결합을 감소시키고 단파장 영 역에서 우수한 양자 효율 특성을 보여준다. 선택적 에 미터는 태양전지에서 전극을 형성하는 부분만이 고농도 의 영역이며 단일 에미터와 같이 형성된 에미터가 가지 는 단점을 제거하여 태양전지의 고효율화를 기대할 수 있는 구조이다.^7,8)

선택적 에미터를 형성하는 방법으로 여러 방법들이 제 안되고 있다. 선택적 에미터를 형성하기 위한 방법으로 고비용의 photoli- thograph와 스크린 프린팅 기술, 여러 번의 고온 확산을 이용하거나 레이저 도핑 기술을 활용 하고 있으며, 이와 더불어 reactive ion etching (RIE)와 wet etching공정을 이용하여 에미터를 식각하는 방법으 로 진행한다. 레이저 도핑의 경우 레이저가 샘플 표면 에 조사되면 표면의 용융(melt)이나 결함(defect)이 나타 날 수 있다. 또한, 레이저 조사에 의해 결정성이 훼손 이 되기 때문에 고농도로 도핑 된 선택적 영역이 전극 과의 안정적인 계면 형성을 막아 fill factor (FF)를 낮 아지게 하는 문제점이 있다.⁶⁾ RIE는 표면 손상에 따른 문제점이 있고, wet etching 공정은 표면 면저항을 조절 하는 어려움이 있다.^9,10) 지금까지의 연구는 주로 P형 실 리콘 기반의 인(phosphorous)을 이용하여 구현하였으며, N형 실리콘 태양전지의 붕소의 레이저 도핑 연구는 많 이 진행되지 않았다.^11,12) 이는 붕소의 실리콘/SiO_x산화막 또는 실리콘/borosilicate-glass (BSG) 계면에서의 산화막 으로의boron segregation문제들이 발생하며, 실리콘으로 확 산할 수 있는 붕소의 제한된 소스 량에 의하여 붕소의 레이저 도핑 조절이 쉽지 않기 때문이다.¹³⁾

본 연구에서는 UV 레이저 도핑 공정을 이용하여 레이 저 도핑의 최적화 및 레이저에 의한 최소한의 손상으로 선택적 에미터 형성을 위한 연구를 진행하였다.¹⁴⁾ 일반 적으로 사용되는 532 nm의 파장을 가지는 green 레이저 대신 355 nm의 UV 레이저는 실리콘 기판으로 침투되는 빛의 침투 깊이에 따라 더 얕은 영역에서 도핑 프로파 일의 제어가 가능하기 때문에, 표면 손상을 줄이고 에 미터의 표면 특성 제어가 가능한 장점을 가지고 있다.⁸⁾ 또한, 레이저 도핑 공정은 기존 도핑 기술에 비해 쉽고 경제적이며, 빠른 처리 속도와 선택적으로 국부적인 도 핑을 할 수 있다. 또한 레이저 도핑 공정을 통한 선택 적 에미터는 기존의 스크린 프린팅 기술로 생성된 전극 과 에미터 사이의 접촉 저항을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서 선택적 에미터를 가장 간단하게 형성할 수 있는 레이저 도핑 공정을 통해 기존의 단일 에미터와 선택적 에미터 특성을 비교하고자 한다.

2. 실험방법

본 연구에서는 355 nm의 파장을 가지는 나노 초 UV 레이저를 이용하여 선택적 에미터를 형성하였다. Fig. 1 에 선택적 에미터 형성에 관한 공정 순서를 나타내었다. 먼저 N형 단결정 실리콘 웨이퍼를 표면 평탄화 과정과 클리닝 과정을 거쳐 표면의 금속 산화물, 유기물 및 기 타 오염원들을 제거하였다. NaOH와 IPA 혼합 용액을 이 용하여 80 °C에서 실리콘 표면 텍스처링을 진행하였다. PN 접합을 형성하기 위해서 확산로(diffusion furnace)에서 BBr₃ 소스를 이용하여 붕소(boron)를 도핑 하였고, 이때 도 핑 된 층의 면저항과 증착된 BSG의 두께를 확인하기 위 해 표면 저항 측정기(4-point probe)와 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 을 통해 확인하였 다. UV 레이저를 사용하여 선택적 에미터 형성 후 BSG 와 레이저 손상 영역을 제거하기 위하여 불화수소산(HF) 를 이용하여 제거하였고, HF dip 후 표면에 존재하고 있 는 boron rich layer (BRL)를 제거하기 위하여 HF, 질 산(HNO₃), 초산(CH₃COOH) 세 가지의 산 혼합 용액을 사용한 chemical etching treatment (CET)으로 BRL을 제 거하였다. 이후 표면 패시베이션을 위하여 원자층 증착 법(atomic layer deposition, ALD) 장비를 사용하여 약 10 nm의 Al₂O₃ 막을 증착하였다. Al₂O₃ 막을 형성한 이 후에 RTP (rapid thermal process) 장비를 통해서 H₂와 N₂가 혼합된 분위기에서 열처리를 진행하였다. 각 공정 후 에는 패시베이션 특성을 관찰하기 위해서 QSSPC (quasisteady- state pho- toconductance) 장비를 이용하여 개방 전압(implied V_oc, iV_oc) 및 소수 전하 수명(minority carrier lifetime)을 측정하였다. 단일에미터와 선택적 에 미터의 도판트 농도와 확산 깊이를 확인하기 위하여 2 차 이온 질량 분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 이용하여 측정하였다.

Fig. 1

Schematic diagram of the process of selective emitter formation.

3. 결과 및 고찰

3.1. BBr₃ 도핑과 레이저 공정 조건

P-N 접합을 형성하기 위하여 확산로에서 N-type 웨이 퍼에 BBr₃ 확산 공정을 진행하였다. 레이저 도핑의 최 적화를 위하여 BBr₃ 확산 조건을 웨이퍼의 면저항을 기 준으로 50 ± 2 Ω/sq, 105 ± 6 Ω/sq로 형성하였으며, 각 각의 균일도 표준편차는 5% 이하였다. 이때 면저항은 4-point probe로 측정하였고 증착된 BSG의 두께는 약 140 nm이며, SEM으로 측정한 두께를 Fig. 2에 나타내 었다. BBr₃ 확산을 통하여 형성된 면저항 105 Ω/sq를 가지는 BSG층을 UV 레이저를 이용하여 선택적 에미 터를 형성 하기위하여, 레이저 도핑 조건인 레이저 파 워, 스피드, 전류를 변화시켰다. Fig. 3(a)은 레이저 파 워와 면저항의 관계를 보여준다. 기존 phosphoroussilicate glass (PSG)의 레이저 도핑 조건으로 확보된 전 류와 주파수를 이용하여 각 34.5 A와 30 kHz로 고정하 여 실험을 진행하였다. 레이저의 파워가 커질수록 면저 항이 감소하는 경향을 보이다가 다시 증가하는 경향을 보인다. 레이저 파워가 증가할수록 BSG층에 있던 도판 트가 더 깊은 에미터 층으로 확산하여 면저항 값이 낮 아지는 레이저 도핑효과를 확인할 수 있다. 0.18 W 파 워에서 가장 낮은 면저항 값을 나타내고, 0.2W에서 다 시 증가되어 약 100 Ω/sq를 나타내었다. 이는 레이저 파 워가 강하게 되어 BSG층을 에칭하는 효과를 나타내기 때문이다. Fig. 3(b)은 레이저의 스피드와 면저항의 관계 를 보여준다. 앞선 실험과 같이 전류와 주파수는 같으 며 파워는 면저항이 43 Ω/sq까지 감소한 파워인 0.18 W 로 고정하였다. 레이저 스캔 속도의 경우 속도와 큰 상 관관계가 나타나지 않아 보이며, 100 mm/s이후의 조건에 서는 약간의 면저항이 상승된 약 50 Ω/sq정도로 유지되 었다. 50 mm/s 속도보다 더 느린 스피드의 경우 공정 시 간이 길어지고 면저항의 편차가 증대되어, 50 mm/s 속 도가 최적의 조건이라고 판단된다. 마지막으로 전류가 증 가할수록 면저항은 감소되는 경향을 나타내고 있으며, 레 이저 장비의 최대 전류조건인 34.5 A에서 최소의 면저 항을 확보하였으며, 이를 Fig. 3(c)은 나타내었다. 레이 저 공정 조건인 파워와 전류를 증가시키시고 속도를 낮 출수록 도핑은 많이 되지만, 표면 손상에 의해 재결합 이 증가하기 때문에, 손상을 최소화 하면서 면저항이 감 소할 수 있는 최적의 조건을 찾는 것이 중요하다. 레이 저 도핑 공정 후 5%의 HF 용액에서 BSG를 제거하는 동시에 레이저에 의한 손상 영역을 제거하였고, HF 후 제거 되지 않은 BRL의 두께는 약 45nm 였다. 이 BRL은 웨이퍼 표면의 면저항을 균일하게 하지만 캐리 어의 재결합 사이트로 작용하고, 웨이퍼의 전하수명을 감 소시키는 등 전기적인 특성을 저하시키기 때문에 고효 율의 태양전지를 제작하기 위해서 반드시 제거해야만 한 다.^15-16) 제거되지않은 BRL층을 제거하기 위하여 HF, HNO₃, CH₃COOH의 혼합 용액을 사용한 CET로 제거 하였다.¹⁷⁾ UV 레이저에 의해 선택적 도핑이 된 SEM 사 진을 Fig. 4(a), 표면 광학 사진을 Fig. 4(b)로 확인하였 다. 레이저 도핑 조건으로 확보된 전류와 속도를 34.5 A 와 50 mm/s로 고정하여 파워를 0.08, 0.10, 0.18, 0.20 W으로 조절하여 관찰하였다. 0.08 W에서는 레이저 파 워가 약해 조사된 영역을 관찰하기 어려웠으며, 파워가 증가할수록 조사된 영역이 뚜렷하게 관찰되었다. 레이저 파워가 증가할수록 조사된 영역의 폭이 41 μm에서 104 μm로 증가하는 것을 확인하였다.

Fig. 2

SEM image of BSG thickness (a) SDR (Saw Damage Removal) wafer, (b) Texturing wafer.

Fig. 3

Sheet resistances variation with the laser doping parameters. (a) power, (b) speed, (c) current.

Fig. 4

SEM images of silicon wafer after laser doping with laser power of 0.08 W, 0.10 W, 0.18 W and 0.20 W (a) SEM, (b) OM (Optical Microscope).

3.2. 패시베이션 효과 확인 및 도핑 프로파일

레이저 도핑 후 HF및 CET공정을 통해 표면의 손상 과 BRL이 제거된 웨이퍼에 패시베이션 박막인 Al₂O₃ 박 막을 원자층 증착법으로 10 nm 두께를 증착하였다. 그 후 패시베이션 활성화를 위해 H₂와 N₂가 혼합된 분위 기에서 450 °C, 25 min동안 forming gas 열처리(FGA)를 진행하였다. 각 공정 후에는 패시베이션 효과를 측정하 기 위해서 QSSPC 장비를 이용하여서 implied V_oc 및 lifetime을 측정하여 이를 Fig. 5에 나타내었다. 레이저 도 핑된 선택적 에미터의 특성을 비교하기 위해 초기 BSG 층의 기준 시료인 면저항 105 Ω/sq와 선택적 도핑 후의 면저항을 나타내는 43 Ω/sq 시료와 비교하였다. 단일 도 핑의 에미터(homogeneous emitter)에서는 도핑 농도가 감 소할수록 iV_oc는 610 mV에서 638 mV로, 전하 수명은 71 µs에서 86 µs로 증가되는 것을 확인 할 수 있다. 레이 저 도핑 후의 경우, 레이저에 의한 손상으로 인해 iV_oc와 전하수명이 감소하였으나 열처리 진행 후 증가하는 결 과를 보여준다. UV 레이저 도핑을 통한 면저항 43 Ω/sq 의 선택적 에미터는 단일 에미터인 50 Ω/sq 보다 좋은 83 µs의 전하수명을 나타내었으며, 105 Ω/sq 에미터와 동 등한 수준을 보였다. iV_oc값도 628 mV로 50 Ω/sq 에미 터보다는 향상되었고, 105 Ω/sq 에미터에 근접하는 값 을 보였다. 도판트의 농도를 확인하기 위하여 SIMS를 이 용하여 깊이에 따른 도핑 농도를 측정하였다. Fig. 6은 레이저 도핑 된 셀과 면저항 105 Ω/sq을 가지는 단일 에미터의 붕소 도판트의 프로파일을 보여준다. 표면 도 판트 농도는 레이저 도핑에 의해서 감소된것으로 확인 된다. 레이저 도핑 동안 레이저는 실리콘과 전구체 층 을 선택적으로 가열하여 전구체 층에서 실리콘으로 도 판트가 확산되고 재분배된다. 레이저 도핑 공정을 진행 하면 실리콘이 용융이 깊어지고 냉각에 필요한 시간이 길어지고, 실리콘 안으로 확산될 수 있는 열 에너지가 더 많아지게 된다.^18-20) 따라서 레이저 도핑에 의해 확산 되는 붕소의 양과 깊이가 더 깊어지게 된다. Fig. 6에서 보면서 레이저 도핑의 경우, 500 nm 깊이에서 붕소가 더 확산된 것을 확인할 수 있다. 이는 UV 레이저를 통 해 에너지를 실리콘 표면에 얇게 BSG층에 있는 한정된 붕소로 전달되면서 실리콘 표면의 프로파일이 많이 바 뀌지 않으면서 확산(shallow junction)된 것으로 판단된다.

Fig. 5

Lifetime and Implied V_oc for homogeneous emitter and selective emitter by QSSPC.

Fig. 6

B concentration with depth measured by SIMS for 105 Ω/ sq emitter and for laser doping emitter.

4. 결 론

본 연구에서는 확산로를 이용하여 BSG층을 형성하고, 이를 UV 레이저를 이용하여 선택적 에미터를 형성하여 그 특성을 단일 에미터와 비교 분석하였다. 레이저 도 핑 공정을 통하여 면저항을 105 Ω/sq에서 43 Ω/sq으로 표면 손상을 줄이면서 낮출 수 있었다. 레이저 도핑으 로 형성된 선택적 에미터는 50 Ω/sq 에미터 보다 패시 베이션 특성이 향상되었으며 105 Ω/sq 에미터의 특성과 동등한 수준을 달성하였다. 결과적으로, UV 레이저를 통 한 표면 전달 에너지를 줄이면서 붕소 확산 프로파일을 최대한 얇게 조절할 수 있는 장점을 보여주었으며, 이 는 고효율 N형 태양전지를 제조에 나노 초 UV 레이저 사용을 통하여 특성 조절이 가능할 것으로 기대된다.