2.1 대기압 플라즈마 식각 장치와 실리콘 웨이퍼의 식각 원리

본 연구는 대기압 플라즈마 식각 장치를 이용하여 식 각된 결정질 실리콘 태양전지의 특성을 확인함에 목적 이 있다. Fig. 1은 실험에 사용된 대기압 플라즈마 식각 장치의 모식도를 나타낸다. 대기압 플라즈마 발생장치는 Capacitively Coupled Plasma (CCP)형태의 플라즈마 발 생장치이다. RF 전극(RF electrode)은 30 cm 길이의 2 mm 직경을 갖는 선형의 전도성 물질 표면에 고유전율 의 박막이 증착된 형태로 큰 길이의 플라즈마를 원활히 발생시킬 수 있는 형태로 제작되었다. 수백 sccm의 SF₆ 와 O₂를 사용하여 플라즈마를 발생시켰고, 페닝 효과 (penning effect)를 통한 원활한 플라즈마 발생을 위해 20 lpm (litter per minute)의 Argon을 동시에 주입하였다.⁸⁾ Fig. 1에서 보는 바와 같이 샤워 헤드를 통해서 주입된 가스가 RF 전극과 전극에서 1 mm 떨어진 기판 및 상 대전극(counter electrode) 사이에 흐르는 상태에서 RF 전극에 약 1~2 kW의 전력, 13.56 MHz의 주파수를 갖 는 전원을 인가하면, RF 전원에 의해 가속된 이온들에 의해 플라즈마가 생성된다. 혼합기체에서 플라즈마가 발 생 시, 생성되는 가속된 이온과 라디칼(Radical)은 실리 콘 표면과 충돌 및 반응하여 식각하게 된다.⁹⁾

Fig. 1

Schematic of atmospheric plasma texturing system.

2.2 실험 방법

본 연구에서는 boron이 도핑된 P-type 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으며, 200 um의 두께, 3~5 Ω·cm의 비저항을 갖는 다결정 실리콘 웨이퍼(multi-crystalline silicon wafer) 가 사용되었다. Fig. 2는 실험순서를 나타낸다. RCA 세 정, SDR (Saw Damage removal) 공정 후 대기압 플라 즈마 표면조직화 장치와 RIE 장치를 이용하여 식각하였 다. 반응성 이온식각은 진공환경하에 Capacitively Coupled Plasma - Reactive Ion etching (CCP-RIE)장치로 Argon, SF₆와 O₂의 혼합기체를 주입하여 10 분간 식각하였다. 대기압 플라즈마를 이용한 식각 공정의 특성을 확인하 기 위해 대기압 플라즈마 식각 장치에서는 대기압 환경 하에서 Ar 가스, SF₆와 O₂의 혼합가스를 사용하여 식각 하였으며 RF 전력, 기판의 온도, 가스 유량 등을 조절 하며 식각 속도를 확인하였다 식각된 웨이퍼는 SEM (Scanning Electron Microscopy)을 통해 표면 형상을 측 정하였다. 각각의 식각된 웨이퍼는 진공 확산 로(Diffusion furnace)에서 Argon과 POCl₃ 용액 소스를 이용하여 800 °C에서 선증착 공정과 870 °C에서 확산공정으로 N 형 불순물인 인(Phosphine)을 확산시켰으며, (50 ± 4)Ω/sq 의 면저항이 측정되어 불순물 확산 공정이 정상적으로 수행되었음을 확인할 수 있었다. 불순물 확산 공정 중 실 리콘 웨이퍼 표면에 생성된 PSG (Phosphorous Silicate Glass)를 제거하기 위해 DI water 와 HF (50 %) 용액을 1:24로 혼합한 용액에 30초간 식각하였다. 이후 실리콘 표면의 Passivation과 반사율 저감을 위해 PECVD 방식 을 통해 25:1:2 비율의 Ar 가스 및 NH₃와 SiH₄의 혼합 가스를 사용하여 약 80 nm의 SiNx:H 박막을 형성하였 다. 스크린 인쇄 공정을 수행하여 전면에 Silver 전극 패 턴을 형성, 후면에는 Aluminum 전극을 형성하여 건조 한 후, 3 zone furnace에서 5분간 소결하였다. 급속 열 처리 공정 후 제작된 태양전지는 1064 nm의 파장을 갖 는 Nd:YAG laser를 이용하여 측면분리 공정을 진행하 였으며, Solar simulator, PVE-300 solar measurement system(원우시스템즈)을 이용하여 전류-전압 특성, 반사 율, 양자효율 등을 측정하였다.

Fig. 2

Process of the experiment.

3.1 대기압 플라즈마 공정 조건에 따른 식각 특성

대기압 플라즈마를 이용한 태양전지의 식각 공정은 RF 전력, 기판의 온도, 공정 가스의 유량 등을 변화시켜가 며 측정하였다. Fig. 3은 공정 가스의 유량 별 식각 속 도를 나타낸다. Table 1에서 표현되어 있는 고정변수를 기준으로 SF₆와 O₂의 유량을 변화시켜가며 식각 속도를 측정하였다.

Fig. 3

Etch rate with various flow rate of SF₆ and O₂ gas.

Table 1

Fixed conditions for the atmospheric plasma etching process.

SF₆의 유량이 늘어남에 따라, 식각 속도는 비교적 선 형적으로 증가함을 확인할 수 있다. 이는 Table 2에 표 현되어 있는 건식 식각의 화학 반응식에서 알 수 있다. 플라즈마를 이용한 건식 식각은 Table 2(a)와 Table 2(d) 와 같이 Argon과 SF₆ 가스의 물리적 충돌로 Fluorine radical을 생성하고, Fluorine와 Silicon의 화학반응을 통 해 이루어진다. SF₆ 유량이 증가할 때, Argon에 의해 생 성되는 Fluorine radical 의 양이 많아지게 되어 실리콘 과 직접적으로 반응하여 SiF₄를 생성하여 휘발한다. 반 면에 O₂의 유량에 따른 식각 속도는 선형적으로 증가하 지 않는다. 이는 Table 2(c)와 Table 2(e)를 통해 알 수 있다. Argon에 의해 분리된 SF₅와 Fluorine 입자는 화학 적으로 불안정한 상태이다. 이에 수 초 이내에 다시 SF₆ 로 재결합하게 되는데 O₂는 SF₅ 입자와 결합함으로써 Fluorine radical이 재결합하는 일을 막아준다. 이에 O₂ 의 유량이 500 sccm까지 증가할 때, 식각 속도는 식각 반응에 직접적으로 반응하는 Fluorine 입자 생성에 기여 하므로 증가하게 된다. 하지만 O₂의 양이 500 sccm 이 상일 때는 식각 속도가 조금씩 감소하게 된다. 이는 Table 2(b)와 Table 2(e)를 통해 알 수 있듯이 플라즈마 에 의해 활성화된 산소입자는 실리콘 표면을 passivation 시켜 SiO₂ 또는 SiO_x 상(phase)의 얇은 박막을 생성한 다. SiO₂ 박막은 Fluorine radical과 반응하지 않아 O₂의 유량이 높을 때는 식각 속도가 감소함을 알 수 있다. 하 지만 위와 같은 O₂는 결정질 실리콘 태양전지의 건식 식 각 공정에서 불균일한 표면 식각을 통해 반사율을 낮 춰, 광 흡수율을 향상하는데 중요한 역할을 한다.

Table 2

Chemical reaction formula.

Fig. 4는 RF 전력에 따른 식각 속도를 나타낸다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이, RF전력과 식각 속도는 선형적으로 비례함을 확인할 수 있었다. RF 전력이 증가하면, 전기 장에 의해 가속되는 이온의 수가 증가하게 되어, 이온 과 기판과의 물리적 식각이 활발히 이루어지며, 이온과 이온의 충돌로 인해 생성되는 라디칼 입자의 개수 증가 로 인해 화학적 식각 또한 활발히 이루어짐으로 인해, 식각률은 증가하게 된다. 이로 인해 RF전력에 따른 식 각 속도는 증가하지만 약 1600 W 이상의 RF전력에서는 활성가스가 포화상태에 도달해 식각 속도가 더 이상 증 가하지 않는다. Fig. 5는 기판의 온도에 따른 식각 속도 를 나타낸다. Fig 5에서 나타나듯 실리콘 기판의 온도가 40 °C일 때의 식각 속도는 400 nm/min, 120 °C일 때의 식각 속도는 1200 nm/min으로 증가함을 볼 수 있다. 일 반적으로 화학반응에서 온도가 10 °C 증가할 때 반응속 도는 2배 증가한다고 알려져 있다. 하지만 대기압 플라 즈마 식각 공정에서 기판의 온도는 약 20 lpm의 유속 으로 빠르게 흐르는 중성가스 전체를 가열하기 어렵다. 이 때문에 기판의 온도와 식각 속도는 비례하지만, 이론적 식각 속도에 비해 실험상 식각 속도의 변화폭은 크지 않 음을 알 수 있다.

Fig. 4

Etch rate with various RF power.

Fig. 5

Etch rate with various substrate temperature.

3.2 대기압 플라즈마 식각 공정으로 제작된 태양전 지의 특성

Fig. 6은 대기압 플라즈마로 식각된 실리콘 표면형상 을 측정한 SEM (Scanning Electron Microscopy) 측정 결과이다. Fig. 6(c)와 같이 SDR (saw damage removal) 로 생성된 수 μm의 식각구조 내에 Fig. 6(a)와 Fig. 6(b) 와 같이 플라즈마로 발생한 Fluorine 입자에 의한 수백 nm 크기의 식각이 이루어짐을 확인할 수 있다. 대 기압 플라즈마 방전은 RF 전극과 상대전극의 거리가 가 까울수록 방전 개시 전압이 낮아지는 특성이 있다. SDR 구조 표면의 산이 형성된 부분에서는 대기압 플라즈마 의 밀도가 높아 Fig. 6(d)와 같이 실리콘의 일부 표면의 산이 형성된 부분에서는 더 높은 식각률로 인해, 산이 일그러지는 형상을 볼 수 있었다. 이와 같은 이중 텍스 쳐 구조로 태양전지에 입사한 광을 실리콘 표면에서 난 반사 및 재흡수하여 광 흡수율을 극대화하는 역할을 하 며, 이와 같은 방식은 반응성 이온 식각 방식에서도 적 용된다.

Fig. 6

SEM (Scanning Electron Microscopy) image of atmospheric plasma etched wafers (a) 800 sccm of SF₆, 500 sccm of O₂, (b) 1000 sccm of SF₆ 500 sccm of O₂ (c) 800 sccm of SF₆, 300 sccm of O₂ 5 minutes, (d) 1000 sccm of SF₆, 300 sccm of O₂, (fixed condition 20 lpm of Argon gas, 10 minute etching).

Fig. 7과 Fig. 8은 20 lpm의 Argon, 800 sccm의 SF₆, 500 sccm의 O₂를 사용하여 10분간 식각한 웨이퍼와 반 응성 이온 식각 방식으로 식각된 웨이퍼의 광학적 특성 을 나타낸다. 대기압 플라즈마로 식각된 태양전지는 가 중치 평균 8.04 %의 반사율로 가중치 평균 7.88 %의 반 사율을 갖는 반응성 이온 식각 공정으로 식각된 태양전 지의 반사율과 유사하거나 조금 낮은 특성을 가진다. 하 지만 대기압 플라즈마 식각 공정으로 제작된 태양전지 와 반응성 이온 식각 방식으로 식각된 태양전지의 외부 양자효율을 비교할 때, 350 nm ~ 500 nm의 파장 범위에 서 대기압 플라즈마로 식각된 태양전지의 외부양자효율이 높음을 확인할 수 있다. 일반적으로 플라즈마를 이용한 반응성 이온 식각 공정에서 가속된 Argon 이온들에 의 한 이온포격에의 한 표면의 손상이 생길 수 있다. 하지 만 대기압 플라즈마를 이용한 식각 공정에서는 반응성 이온 식각 공정에 비해, 가스와 이온들이 매우 짧은 평 균자유행로(mean free path)를 갖는다. 이로 인해 대기압 플라즈마 식각 공정은 이온포격으로 인한 표면 손상을 최소화하여, 단파장 영역에서의 외부 양자효율이 높게 측 정된 것을 확인할 수 있었다. Fig. 8의 전류-전압 특성 곡선에서도 위와 같은 원인의 결과를 확인할 수 있었 다. 대기압 플라즈마로 식각된 태양전지의 충진율과 개 방전압은 각각 77 %와 620 mV로, 반응성 이온 식각 방 식으로 식각된 태양전지보다 0.68 % 우수한 광전 변환 효율을 얻을 수 있었다.

Fig. 7

Reflectance and internal and external quantum efficiency of atmospheric plasma etched solar.

Fig. 8

Current-Voltage characteristic of the atmospheric plasma etched solar cells.