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KR20100136478A - 솔라 셀들에서의 연쇄 주입들의 이용 - Google Patents

솔라 셀들에서의 연쇄 주입들의 이용 Download PDF

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KR20100136478A
KR20100136478A KR1020107022022A KR20107022022A KR20100136478A KR 20100136478 A KR20100136478 A KR 20100136478A KR 1020107022022 A KR1020107022022 A KR 1020107022022A KR 20107022022 A KR20107022022 A KR 20107022022A KR 20100136478 A KR20100136478 A KR 20100136478A
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KR
South Korea
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solar cell
ion
implanted
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KR1020107022022A
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니콜라스 피. 티. 베이트맨
폴 제이. 머피
폴 설리번
아툴 굽타
Original Assignee
베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Publication date
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Abstract

삽입된 열 주기 없이 연속 이온 주입들을 수행하는 것을 통해, 솔라 셀들의 제조가 간소화되고 비용이 감소된다. 공정 시간을 감소시키는 것에 추가하여, 연쇄 이온 주입들의 이용은 솔라 셀의 성능을 향상시킬 수도 있다. 또 다른 실시예에서는, 진공을 중단하지 않고 2개의 상이한 종이 연속적으로 주입된다. 또 다른 실시예에서는, 기판이 주입되고, 그 다음으로 뒤집어져서 어닐링되기 전에 양쪽 면들 위에서 주입될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 마스크들이 적용되고, 진공 상태를 중단하지 않으면서 연속적인 주입들이 수행됨으로써, 공정 시간을 감소시킨다.

Description

솔라 셀들에서의 연쇄 주입들의 이용{USE OF CHAINED IMPLANTS IN SOLAR CELLS}
본 발명은 이온 주입(ion implantation)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 솔라 셀들의 이온 주입에 관한 것이다.
이온 주입은 전도성-변경 불순물(conductivity-altering impurity)들을 반도체 기판들에 도입하기 위한 표준 기술이다. 희망하는 불순물 물질은 이온 소스에서 이온화되고, 이온들은 미리 규정된 에너지의 이온 빔을 형성하기 위해 가속되고, 이온 빔은 기판의 표면으로 보내진다. 빔 내의 활성 이온(energetic ion)들은 반도체 물질의 벌크(bulk)로 침투하고 반도체 물질의 결정질 격자(crystalline lattice) 내에 내장되어, 희망하는 전도성의 영역을 형성한다.
솔라 셀들은 종종 기판 물질로서 실리콘을 이용하는 다른 반도체 디바이스(semiconductor device)들을 위해 이용되는 것과 동일한 공정들을 이용하여 전형적으로 제조된다. 반도체 솔라 셀은 반도체 물질에서 광자(photon)들의 흡수를 통해 발생되는 전하 캐리어(charge carrier)들을 분리시키는 내장 전기장(in-built electric field)을 가지는 간단한 디바이스이다. 이 전기장은 반도체 물질의 차등 도핑(differential doping)에 의해 생성되는 p-n 접합(다이오드)의 형성을 통해 전형적으로 생성된다. 반대 극성의 불순물들로 반도체 기판의 일부(예를 들어, 표면 영역)를 도핑하는 것은 광을 전기로 변환하는 광발전 디바이스(photovoltaic device)로서 이용될 수 있는 p-n 접합을 형성한다.
도 3은 솔라 셀의 제1 실시예를 도시하고 있고, 대표적인 기판(300)의 단면이다. 광자들(301)은 화살표들에 의해 표시되는 바와 같이, 상부 표면(305)을 통해 솔라 셀(300)에 진입한다. 이 광자들은 반사 방지 코팅(310)을 통과하며, 반사 방지 코팅(310)은 기판(300)에 침투하는 광자들의 수를 최대화하고 기판으로부터 반사되어 멀어지는 광자들을 최소화하도록 설계되어 있다.
내부적으로, 기판(300)은 p-n 접합(320)을 가지도록 형성된다. 접합이 표면에 대해 평행하지 않을 수 있는 다른 구현예들이 존재하지만, 이 접합은 기판(300)의 상부 표면(305)에 대해 실질적으로 평행한 것으로 도시되어 있다. 솔라 셀은 에미터(emitter)(330)라고도 알려져 있는 고농도 도핑 영역(heavily doped region)을 통해 광자들이 기판에 진입하도록 제조된다. 일부 실시예들에서는, 에미터(330)가 n형 도핑 영역일 수 있는 반면, 다른 실시예들에서는 에미터가 p형 도핑 영역일 수 있다. (반도체의 밴드갭(bandgap)을 초과하는) 충분한 에너지를 갖는 광자들은 반도체 물질의 가전자대(valence band) 내의 전자를 전도대(conduction band)로 활성화시킬 수 있다. 가전자대의 대응하는 양극성의 하전 정공(positively charged hole)은 이러한 자유 전자와 관련된다. 외부 부하를 구동할 수 있는 광전류를 발생하기 위하여, 이들 전자 정공(e-h) 쌍들은 분리될 필요가 있다. 이것은 p-n 접합에서의 내장 전기장을 통해 행해진다. 따라서, 디바이스의 공핍 영역으로 확산하는 임의의 다른 소수 캐리어들이 있으므로, p-n 접합의 공핍 영역(depletion region)에서 발생되는 임의의 e-h 쌍들은 분리된다. 입사 광자들의 다수는 디바이스의 표면 근처 영역들에서 흡수되므로, 에미터에서 발생된 소수 캐리어들은 에미터의 깊이를 가로질러 확산하여 공핍 영역에 도달하고 다른 면으로 휩쓸려 갈 필요가 있다. 따라서, 광에 의해 발생된 전류의 수집을 최대화하고 에미터에서의 캐리어 재결합의 기회들을 최소화하기 위해서는, 에미터 영역(330)을 매우 얕게 하는 것이 바람직하다.
일부 광자들은 에미터 영역(330)을 통과하여 베이스(base)(340)에 진입한다. 에미터(330)가 n형 영역인 시나리오(scenario)에서는, 베이스(340)가 p형 도핑 영역이다. 다음으로, 이들 광자들은 베이스(340) 내의 전자들을 여기시킬 수 있고, 전자들은 에미터 영역(330)으로 자유롭게 이동하는 반면, 관련된 정공들은 베이스(340)에 머무른다. 이와 달리, 에미터(330)가 p형 도핑 영역인 경우에는, 베이스가 n형 도핑 영역이다. 이 경우, 그 다음으로 이들 광자들은 베이스(340) 내의 전자들을 여기시킬 수 있고, 전자들은 베이스 영역(340)에 머무르는 반면, 관련된 정공들은 에미터(330)로 이동한다. 이 p-n 접합의 존재로 인해 야기되는 전하 분리의 결과로, 광자들에 의해 발생된 잉여 캐리어들(전자들 및 정공들)은 회로를 완성하기 위한 외부 부하를 구동하기 위해 이용될 수 있다.
외부 부하를 통해 에미터 영역(330)을 베이스(340)로 외부적으로 접속함으로써, 전류를 전도시키고 이에 따라 전력을 제공하는 것이 가능하다. 이를 달성하기 위하여, 전형적으로 금속인 컨택들(350)이 에미터 영역 및 베이스의 외부 표면에 배치된다. 베이스는 광자들을 직접 받아들이지 않으므로, 전형적으로 그 컨택(350b)은 전체 외부 표면을 따라 배치된다. 이에 비해, 에미터 영역의 외부 표면은 광자들을 받아들이므로, 컨택들로 완전히 피복될 수 없다. 그러나, 전자들이 컨택까지 큰 거리들을 이동해야 하면, 셀의 직렬 저항은 증가하고, 이것은 전력 출력을 낮춘다. 이들 두 고려사항들(자유 전자들이 컨택까지 이동해야 할 거리와, 노출된 에미터 표면(360)의 양(amount))의 균형을 맞추는 시도를 행하기 위하여, 대부분의 응용들은 핑거(finger) 형태의 컨택들(350a)을 이용한다. 도 4는 도 3의 솔라 셀의 평면도를 도시한다. 컨택들은 전형적으로 솔라 셀의 폭을 연장하면서 비교적 얇게 형성된다. 이와 같은 방식으로, 자유 전자들은 큰 거리들을 이용할 필요가 없지만, 에미터 외부 표면의 많은 부분이 광자들에 노출된다. 기판의 전면(front side) 위의 전형적인 컨택 핑거들(350a)은 +/- 0.1mm의 정밀도를 갖는 0.1mm이다. 이들 핑거들(350a)은 전형적으로 1-5mm 사이에서 상호 이격되어 있다. 이들 치수들은 전형적인 것이지만, 본 명세서에서는 다른 치수들이 가능하며 또한 고려된다.
솔라 셀들에 대한 추가적인 개량은 고농도로 도핑된 기판 컨택 영역들의 추가이다. 도 5는 이 개량된 솔라 셀의 단면을 도시한다. 상기 셀은 도 3과 관련하여 위에서 설명된 바와 같지만, 고농도로 도핑된 컨택 영역들(370)을 포함한다. 이 고농도로 도핑된 컨택 영역들(370)은 금속 핑거들(350a)이 기판(300)에 부착될 구역(area)에 대응한다. 이 고농도로 도핑된 컨택 영역들(370)의 도입은 기판(300) 및 금속 핑거들(350a) 사이의 더욱 양호한 접촉을 가능하게 하며, 셀의 직렬 저항을 상당히 감소시킨다. 기판의 표면 위에 고농도로 도핑된 영역들을 포함하는 이러한 패턴은 통상적으로 선택적 에미터 설계라고 칭한다.
또한, 솔라 셀을 위한 선택적 에미터 설계는 에미터 층의 노출된 영역들에서의 더 낮은 도펀트/불순물 도우즈로 인한 재결합(recombination)을 통해 소수 캐리어 손실들이 감소함으로 인해 더욱 고효율의 셀들이라는 이점을 가진다. 컨택 영역들 아래에서의 더욱 높은 도핑은 에미터에서 발생된 소수 캐리어들을 반발하여 이들을 p-n 접합을 향해 밀어내는 필드(field)를 제공한다.
도 3에 도시된 실시예는 기판의 양면 위에 컨택들을 필요로 하며, 이에 따라, 광자들이 통과할 수 있는 전방 표면의 이용가능한 면적을 줄인다. 솔라 셀(400)의 제2 실시예의 단면이 도 6에 도시되어 있다. 기본적으로, 발생된 전자 정공 쌍들을 분리시키는 전기장(electric field)을 생성하기 위하여 p-n 접합이 이용되는 이 실시예의 물리 현상은 유사하다. 그러나, 이전의 실시예에서 행해지는 바와 같이, 전체 기판을 가로질러 p-n 접합을 생성하는 것이 아니라, 접합들은 기판(400)의 일부분들에서만 생성된다. 이 실시예에서는, 음극성으로 도핑된(negatively doped) 실리콘 기판(410)이 이용될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 추가적인 n형 도펀트(n-type dopant)들을 전방 표면에서 주입함으로써, 더욱 음극성으로 바이어스된 전방 표면 필드(FSF : front surface field)(420)가 생성된다. 다음으로, 이 전방 표면은 반사 방지 물질(430)로 코팅된다. 이 전방 표면은 흔히 표면적을 증가시키기 위하여, 톱니 또는 다른 비평면(non-planar) 표면을 생성하도록 에칭된다. 금속 컨택들 또는 핑커들(470)은 기판의 하부 표면 위에 모두 위치된다. 하부 표면의 어떤 부분들은 에미터들(440)을 생성하기 위하여 p형 도펀트들로 주입될 수 있다. 다른 부분들은 더욱 음극성으로 바이어스된 후방 표면 필드(back surface field)(450)를 생성하기 위하여 n형 도펀트들로 주입된다. 후방 표면은 후방 표면의 반사율을 향상시키기 위하여 유전체 층(460)으로 코팅된다. 금속 핑거들(470a)은 에미터(440)에 부착되고 핑거들(470b)은 BSF(450)에 부착된다. 도 7은 후방 표면 위의 금속 핑거들의 하나의 통상적으로 이용되는 구성을 도시한다. 이 유형의 셀은 상호교차 후방 컨택(IBC : interdigitated back contact) 솔라 셀이라고 알려져 있다.
현재의 에너지 비용들 및 환경적인 관심들에 의해, 솔라 셀들은 그 중요성이 증가하고 있다. 고성능 솔라 셀들의 제조 또는 생산을 위한 임의의 감소된 비용이나, 고성능 솔라 셀들을 위한 임의의 효율 향상은 전세계에 걸쳐 솔라 셀들의 구현에 긍정적인 영향을 가질 것이다. 이것은 이러한 청정 에너지 기술의 더 넓은 응용가능성을 가능하게 할 것이다.
현재의 솔라 셀 설계는 도펀트들을 솔라 셀의 실리콘으로 확산시킴으로써 달성될 수 있는 도펀트 프로파일들에 의해 제한된다. 또한, 상기 설계는 상이한 도펀트들을 적용하고 솔라 셀의 상이한 부분들을 도핑할 때의 어려움에 의해 제한된다. 추가적인 도핑 단계들의 비용은 상업적으로 이용될 수 있는 솔라 셀 설계들을 제한한다. 따라서, 당업계에서는 솔라 셀들의 향상된 이온 주입에 대한 필요성, 더욱 구체적으로는, 이온 주입기에 의한 솔라 셀의 연속 도핑 단계들을 가능하게 하는 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에 개시된 방법들의 이용을 통해 솔라 셀들의 제조가 간소화되고 비용이 감소된다. 진공을 중단하지 않고 연속 주입들을 수행함으로써, 솔라 셀들은 더욱 신속하게 생산될 수 있다. 게다가, 연쇄 주입의 이용은 셀의 성능을 향상시킬 수도 있다. 하나의 실시예에서는, 두 번의 주입들이 수행되며, 동일한 이온 종(ion species)이 이용되지만, 주입 에너지는 주입들 사이에서 수정된다. 또 다른 실시예에서는, 기판이 뒤집어지고, 기판이 어닐링(annealing)되기 전에 기판의 양면 위에 주입된다. 또 다른 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 마스크가 적용되고, 진공 상태를 중단하지 않으면서 주입들이 수행된다.
이상과 같이, 본 발명은 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 더욱 양호한 이해를 위하여, 참조를 위해 본 명세서에 포함되어 있는 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 물질을 이온들로 도핑하기 위한 플라즈마 도핑 시스템의 블럭도이다.
도 2는 물질을 이온들로 도핑하기 위한 빔-라인 이온 주입기의 블럭도이다.
도 3은 종래 기술의 솔라 셀의 단면을 도시한다.
도 4는 도 3의 솔라 셀의 평면도(top view)를 도시한다.
도 5는 선택적인 에미터 설계를 이용한 솔라 셀의 단면을 도시한다.
도 6은 종래 기술의 제2 유형의 솔라 셀의 단면을 도시한다.
도 7은 도 6의 솔라 셀의 저면도(bottom view)를 도시한다.
도 8은 도 7의 솔라 셀에서 이용하기 위한 마스크를 도시한다.
도 1은 선택된 물질을 도핑하기 위한 이온들을 제공할 수 있는 플라즈마 도핑 시스템(100)의 블럭도이다. 도 2는 선택된 물질을 도핑하기 위한 이온들을 제공할 수 있는 빔-라인 이온 주입기(200)의 블럭도이다. 플라즈마 도핑 시스템(100) 및 빔-라인 이온 주입기(200)은 선택된 물질을 도핑하기 위한 이온들을 제공할 수 있는 상이한 플라즈마 도핑 시스템들 및 빔-라인 이온 주입기들의 여러 예들 중 각각 하나에 불과하다는 것을 당업자들이 인식할 것이다. 이 공정은 질량분석 미적용형 플러드 주입기(non-mass analyzed flood implanter), 다른 기판 또는 반도체 웨이퍼 처리 장비, 또는 이 시스템들의 둘 또는 그 이상의 몇몇 조합과 같은 다른 이온 주입 시스템들에 의해 수행될 수도 있다.
도 1로 돌아가면, 플라즈마 도핑 시스템(100)은 밀폐 용량(enclosed volume)(103)을 형성하는 처리 챔버(process chamber)(102)를 포함한다. 플래튼(134)은 기판(138)을 지지하기 위하여 처리 챔버(102)에 위치될 수 있다. 일례로서, 기판(138)은 하나의 실시예에서 300 밀리미터(mm) 직경의 실리콘 웨이퍼와 같은 디스크 형상을 가지는 반도체 기판일 수 있다. 이 기판(138)은 솔라 셀일 수 있다. 기판(138)은 정전기적 힘 또는 기계적인 힘에 의해 플래튼(134)의 평평한 표면에 조여질 수 있다. 하나의 실시예에서, 플래튼(134)은 기판(138)으로의 접속을 행하기 위한 전도성 핀(conductive pin)들(도시하지 않음)을 포함할 수 있다.
가스 소스(104)는 질량 흐름 제어기(106)를 통해 처리 챔버(102)의 내부 용량(103)으로 도펀트 가스를 제공한다. 가스 배플(gas baffle)(170)은 가스의 흐름을 가스 소스(104)로부터 편향시키기 위하여 처리 챔버(102)에 위치된다. 압력 게이지(pressure gauge)(108)는 처리 챔버(102) 내부의 압력을 측정한다. 진공 펌프(112)는 처리 챔버(102)의 배기구(110)를 통해 처리 챔버(102)로부터 배기가스들을 배출한다. 배기 밸브(114)는 배기구(110)를 통한 배기 컨덕턴스(exhaust conductance)를 제어한다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 질량 흐름 제어기(106), 압력 게이지(108) 및 배기 밸브(114)에 전기적으로 접속되어 있는 가스 압력 제어기(116)를 더 포함할 수 있다. 가스 압력 제어기(116)는 압력 게이지(108)에 반응하는 피드백 루프(feedback loop)에서 배기 밸브(114)에 의해 배기 컨덕턴스를 제어하거나 질량 흐름 제어기(106)에 의해 처리 가스 유량(flow rate)을 제어함으로써, 처리 챔버(102)에서 희망하는 압력을 유지하도록 구성될 수 있다.
처리 챔버(102)는 전반적으로 수평 방향으로 연장되는 유전체 물질로 이루어진 제1 섹션(120)을 포함하는 챔버 상부(118)를 가질 수 있다. 또한, 챔버 상부(118)는 제1 섹션(120)으로부터 전반적으로 수직 방향으로 어떤 높이로 연장되는 유전체 물질로 이루어진 제2 섹션(122)을 포함한다. 챔버 상부(118)는 제2 섹션(122)을 가로질러 수평 방향으로 연장되는 전기적 및 열적 전도성 물질로 이루어진 뚜껑(124)을 더 포함한다.
플라즈마 도핑 시스템은 처리 챔버(102) 내에서 플라즈마(140)를 발생하도록 구성된 소스(101)를 더 포함할 수 있다. 소스(101)는 플라즈마(140)를 발생시키기 위하여, 평면 안테나(126) 및 헬리컬 안테나(helical antenna)(146) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 RF 전력을 공급하기 위한, 전원 공급 장치와 같은 RF 소스(150)를 포함할 수 있다. RF 소스(150)는 RF 소스(150)로부터 RF 안테나들(126, 146)로 전달되는 전력을 최대화하기 위해 RF 소스(150)의 출력 임피던스(impedance)를 RF 안테나들(126, 146)의 임피던스로 정합시키는 임피던스 정합 네트워크(152)에 의해 안테나들(126, 146)에 결합될 수 있다.
또한, 플라즈마 도핑 시스템(100)은 플래튼(134)에 전기적으로 결합되는 바이어스 전원 공급 장치(148)를 포함할 수 있다. 바이어스 전원 공급 장치(148)는 펄스 ON 및 OFF 시간 기간들을 갖는 펄스화된 플래튼 신호를 제공하여, 플래튼(134)과 이에 따라 기판(138)에 바이어스를 인가하고, 펄스 ON 시간 기간들 동안에는 플라즈마(140)로부터 기판(138)을 향해 이온들을 가속시키며 펄스 OFF 기간들 동안에는 가속시키지 않도록 구성된다. 바이어스 전원 공급 장치(148)는 DC 또는 RF 전원 공급 장치일 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 플래튼(134) 주위에 배치된 차폐 링(shield ring)(194)을 더 포함할 수 있다. 당업계에서 알려져 있는 바와 같이, 차폐 링(194)에 바이어스가 인가되어 기판(138)의 가장자리 근처에서 주입된 이온 분포의 균일성을 향상시킬 수 있다. 이온 빔 전류를 감지하기 위하여, 환형 패러데이 센서(annular Faraday sensor)(199)와 같은 하나 또는 그 이상의 패러데이 센서들이 차폐 링(194)에 위치될 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 제어기(156) 및 사용자 인터페이스 시스템(158)을 더 포함할 수 있다. 제어기(156)는 희망하는 입력/출력 기능들을 수행하도록 프로그래밍될 수 있는 범용 컴퓨터 또는 범용 컴퓨터들의 네트워크이거나 이들을 포함할 수 있다. 제어기(156)는 주문형 집적회로들, 다른 배선접속(hardwired) 또는 프로그램가능 전자 디바이스들, 개별 소자 회로들 등과 같은 다른 전자 회로 또는 구성요소들을 포함할 수도 있다. 제어기(156)는 통신 디바이스들, 데이터 저장 디바이스들 및 소프트웨어를 포함할 수도 있다. 예시의 명확함을 위하여, 제어기(156)는 출력 신호만을 전원 공급 장치들(148, 150)에 제공하고, 패러데이 센서(199)로부터 입력 신호들을 수신하는 것으로 예시되어 있다. 당업자들은 제어기(156)가 출력 신호들을 플라즈마 도핑 시스템의 다른 구성요소들에 제공하고 상기 구성요소들로부터 입력 신호들을 수신할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 사용자가 제어기(156)를 통해 명령들 및/또는 데이터를 입력하고, 및/또는 플라즈마 도핑 시스템을 감시하도록 하기 위하여, 사용자 인터페이스 시스템(158)은 터치 스크린들, 키보드들, 사용자 포인팅 디바이스들, 디스플레이들, 프린터들 등과 같은 디바이스들을 포함할 수 있다.
동작 시에, 가스 소스(104)는 기판(138)으로의 주입을 위한 희망 도펀트를 함유하는 1차 도펀트 가스(primary dopant gas)를 공급한다. 가스 압력 제어기(116)는 1차 도펀트 가스가 처리 챔버(102)로 공급되는 레이트(rate)를 조절한다. 소스(101)는 처리 챔버(102) 내에서 플라즈마(140)를 발생하도록 구성된다. 소스(101)는 제어기(156)에 의해 제어될 수 있다. 플라즈마(140)를 발생시키기 위하여, RF 소스(150)는 RF 안테나들(126, 146) 중 적어도 하나에 있어서의 RF 전류들을 공진시켜서 발진 자기장을 생성한다. 발진 자기장은 RF 전류들을 처리 챔버(102)로 유도한다. 처리 챔버(102)의 RF 전류들은 플라즈마(140)를 발생시키기 위하여 1차 도펀트 가스를 여기시키고 이온화한다.
바이어스 전원 공급 장치(148)는 펄스화된 플래튼 신호를 제공하여, 플래튼(134)과, 이에 따른 기판(138)에 바이어스를 인가하고, 펄스화된 플래튼 신호의 펄스 ON 기간들 동안에는 플라즈마(140)로부터 기판(138)을 향해 이온들을 가속시킨다. 펄스화된 플래튼 신호의 주파수 및/또는 펄스들의 듀티 사이클(duty cycle)은 희망하는 도우즈 레이트를 제공하도록 선택될 수 있다. 펄스화된 플래튼 신호의 진폭은 희망하는 에너지를 제공하도록 선택될 수 있다. 다른 파라미터들이 모두 동일하다면, 에너지가 더 클수록 주입되는 깊이가 더 클 것이다.
도 2로 돌아가면, 선택된 물질을 도핑하기 위한 이온들을 제공할 수 있는 빔-라인 이온 주입기(200)의 블럭도가 예시되어 있다. 빔-라인 이온 주입기(200)는 선택된 물질을 도핑하기 위한 이온들을 제공할 수 있는 빔-라인 이온 주입기들의 많은 예들 중에서 하나에 불과하다는 것을 당업자들이 인식할 것이다.
일반적으로, 빔-라인 이온 주입기(200)는 이온 빔(281)을 형성하는 이온들을 발생시키는 이온 소스(280)를 포함한다. 이온 소스(280)는 이온 챔버(283)와, 이온화될 가스를 함유하는 가스 박스(gas box)를 포함할 수 있다. 가스가 이온화되는 이온 챔버(283)로 가스가 공급된다. 이와 같이 형성된 이온들은 이온 챔버(283)로부터 추출되어 이온 빔(281)을 형성한다. 이온 빔(281)은 분해 자석(282)의 극(pole)들 사이로 보내진다. 전원 공급 장치는 이온 소스(280)의 추출 전극에 접속되고, 고전류 이온 주입기에서 예를 들어, 약 0.2 및 80 kV 사이의 조정가능한 전압을 제공한다. 따라서, 이온 소스로부터의 단일 하전 이온(singly charged ion)들은 이 조정가능한 전압에 의해 약 0.2 내지 80 keV의 에너지들로 가속된다.
이온 빔(281)은 억제 전극(284) 및 접지 전극(285)을 거쳐 질량 분석기(286)로 통과한다. 질량 분석기(286)는 분해 자석(282) 및 마스킹 전극(288)을 포함하고, 마스킹 전극(288)은 분해 개구(289)를 가진다. 분해 자석(282)은 희망 이온 종의 이온들이 분해 개구(289)를 통과하도록 이온 빔(281)의 이온들을 편향시킨다. 희망하지 않는 이온 종은 분해 개구(289)를 통과하지 않고, 마스킹 전극(288)에 의해 차단된다. 하나의 실시예에서, 분해 자석(282)은 희망하는 종의 이온들을 약 90°만큼 편향시킨다.
희망 이온 종의 이온들은 분해 개구(289)를 거쳐 각도 보정기 자석(294)으로 통과한다. 각도 보정기 자석(294)은 희망 이온 종의 이온들을 편향시키고 이온 빔을 발산 이온 빔으로부터 리본 이온 빔(212)으로 변환시키고, 리본 이온 빔(212)은 실질적으로 평행한 이온 궤도들을 가진다. 하나의 실시예에서, 각도 보정기 자석(294)은 희망 이온 종의 이온들을 약 70°만큼 편향시킨다. 빔-라인 이온 주입기(200)는 일부 실시예들에서 가속 또는 감속 유닛들을 더 포함할 수 있다.
종단 스테이션(end station)(211)은 희망하는 종의 이온들이 기판(138)에 주입되도록, 리본 이온 빔(212)의 경로에서 기판(138)과 같은 하나 또는 그 이상의 작업물들을 지지한다. 기판(138)은 예를 들어, 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 이 기판(138)은 솔라 셀일 수 있다. 종단 스테이션(211)은 기판(138)을 지지하기 위한 플래튼(295)을 포함할 수 있다. 또한, 종단 스테이션(211)은 리본 이온 빔(212) 단면의 긴 치수에 수직으로 기판(138)을 이동시킴으로써 기판(138)의 전체 표면 상부에 이온들을 분포시키기 위한 스캐너(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 리본 이온 빔(212)이 예시되어 있지만, 다른 실시예들은 스폿 빔(spot beam)을 제공할 수 있다.
이온 주입기는 당업자들에게 알려져 있는 추가적인 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 종단 스테이션(211)은 전형적으로, 작업물들을 빔-라인 이온 주입기(200)로 도입하고 이온 주입 후에 작업물들을 제거하기 위한 자동화된 작업물 취급 장비를 포함한다. 또한, 종단 스테이션(211)은 도우즈 측정 시스템, 전자 플러드 건, 또는 다른 알려진 구성요소들을 포함할 수 있다. 이온 빔에 의해 횡단되는 전체 경로는 이온 주입 도중에 비워진다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 빔-라인 이온 주입기(200)는 일부 실시예들에서 이온들의 핫 주입(hot implantation) 또는 콜드 주입(cold implantation)을 포함할 수 있다.
생산성 및 솔라 셀 효율은 둘 또는 그 이상의 주입들을 수행함으로써 증가될 수 있다. 상기 주입들은 "연쇄 주입(chained implant)"으로서, 즉, 하나의 주입 직후에 다른 하나의 주입과 같이, 진공을 중단하지 않고 동일한 주입 기구에서 수행된다. 비용들을 감소시키고 생산성 및 솔라 셀 효율을 향상시키는 것에 추가하여, 이 방법은 도펀트 프로파일들을 더욱 향상시킬 수 있다. 연쇄 주입들이 솔라 셀 생산 공정으로 포함될 수 있는 여러 상이한 방법들이 존재한다. 이들 공정들은 질량분석 미적용형 플러드 주입기, 다른 기판 또는 반도체 웨이퍼 처리 장비, 또는 이 시스템들의 둘 또는 그 이상의 몇몇 조합과 같이, 도 1의 플라즈마 도핑 시스템(100), 도 2의 빔-라인 이온 주입기(200), 다른 이온 주입 시스템들 중의 어느 하나에서 수행될 수 있다.
첫째, 상이한 에너지들에서의 둘 또는 그 이상의 주입들은 연쇄 주입에 의해 수행될 수 있다. 에너지들의 범위는 도펀트 프로파일의 세밀한 재단(tailoring)을 가능하게 할 것이다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 전방 컨택 셀에서의 에미터(330)의 도핑을 위하여, 컨택들(350)이 접합을 단락시키는 것을 방지하도록 깊고 더 낮은 도우즈의 주입이 수행될 수 있다. 또한, 셀의 표면에서 높은 도펀트 농도를 생성하기 위하여, 얕고 더 높은 도우즈의 주입이 수행될 수 있다. 주입들의 이러한 조합은 전방 표면으로부터 후방 표면을 향해 이동하여 멀어질수록 감소하는 도펀트 프로파일을 생성한다. 이러한 프로파일은 소수 캐리어들을 p-n 접합을 향해 가속시키는 지향 전기장(directed electric field)을 생성함으로써 재결합을 최소화할 수도 있다. 하나의 특정한 실시예에서는, 빔이 플래튼 위의 솔라 셀에 도달하기 전에 감속 전압을 추가함으로써, 도 2의 빔-라인 이온 주입기(200)의 빔 에너지가 변경될 수 있다.
둘째, 상이한 종의 주입들은 기판을 이동시키지 않고 연쇄 주입에 의해 수행될 수 있다. 하나의 실시예에서, 비소(arsenic)는 인(phosphorus)에 추가하여 n형 도펀트로서 이용된다. 따라서, 추후의 열 공정은 이러한 두 n형 도펀트들의 상이한 거동(behavior)들을 이용할 것이다. 예를 들어, 하나의 도펀트는 기판으로 더 깊이 확산할 수 있는 반면, 다른 도펀트는 기판에 더 근접하게 머무름으로써, 도펀트 경도(dopant gradient)를 생성할 수 있다. 이 도펀트 경도는 표면 재결합을 최소화하는데 도움이 된다. 다른 실시예들에서는, 붕소(boron), 비소, 인, 갈륨(gallium), 알루미늄(aluminum) 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 종이 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 도핑 농도에 영향을 주지 않으며, 카본(carbon), 실리콘(silicon) 및 게르마늄(germanium)과 같이 Ⅳ족에 속하는 그러한 원소들과 같은 비-도펀트(non-dopant)들로도 알려져 있는 종이 이용될 수 있다. 도 1의 플라즈마 도핑 시스템(100) 또는 도 2의 빔-라인 이온 주입기(200)와 같은 이온 주입기의 확산 퍼니스(diffusion furnace)에서 종을 변경하는 것이 어렵지만, 종을 변경하는 것은 이온 소스들, 빔 라인들, 또는 도펀트 원자들을 제공하기 위해 이용되는 가스 또는 고체 물질을 변경함으로써 수행될 수 있다. 이것은 도 1의 플라즈마 도핑 시스템(100) 또는 도 2의 빔-라인 이온 주입기(200)의 복잡도 및 비용을 증가시킬 수 있지만, 이 증가는 제2의 주입기를 구입하는 것보다 상당히 작다.
셋째, 주입되는 기판의 면은 연쇄 주입 도중에 변경될 수 있다. 주입 도중에 기판을 뒤집음으로써, 진공을 중단시키지 않고 제2 주입이 반대 면 바로 위에 수행될 수 있다. 이 뒤집기(flipping)는 예를 들어, 로봇 방식의 기판 취급 디바이스들을 통해 달성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 기판을 뒤집는 것은 주입되는 종을 변경하는 것과 조합된다. 예를 들어, 이온들은 도 6에 도시된 IBC 셀의 양 표면들 위에 주입된다. 전방 표면 위에서 n+ 주입(420)이 수행되는 반면, 후방 표면 위에서는 n+ 주입들(450) 및 p+ 주입들(440)이 모두 수행된다. 따라서, 따라서, 전방 표면 위에서의 주입이 수행될 수 있고, 그 다음으로, 기판이 뒤집어질 수 있으므로, 솔라 셀의 붕소 후방 표면 필드가 수행될 수 있다. 또 다른 특정 실시예에서는, IBC 솔라 셀 위의 전방 표면 필드 및 1 세트(set)의 컨택들의 주입이 수행된다. 또 다른 실시예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 n+ 전방 표면 필드 및 n+ 후방 표면 필드가 적용된다. 현재의 확산 기술에 의해서는, 셀의 상이한 면들에 상이한 도우즈들을 적용하는 것이 가능하지 않다. 진공을 중단하지 않으면서 기판의 양쪽 면들을 주입하는 것은 솔라 셀을 제조하기 위해 요구되는 공정 단계들의 수를 감소시킬 수 있다.
넷째, 주입의 패턴은 연쇄 주입 도중에 변경될 수 있다. 마스크를 삽입하거나 일부 마스크를 기판에 적용함으로써, 솔라 셀의 표면 위에서 상이한 분포들을 갖는 다수의 주입들이 수행될 수 있다. 이 마스크는 일부 실시예들에서 기판의 일부분들이 주입되는 것을 차단하는 하드 마스크(hard mask), 섀도우 마스크(shadow mask) 또는 스텐실 마스크(stencil mask)일 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서는, 도 5의 솔라 셀의 전방 표면이 도핑된다. 다음으로, 컨택 영역들(370)만 노출되도록, 마스크가 기판(300) 위에 배치된다. 그 다음으로, 더 높은 도우즈의 제2 주입이 수행되어 이들 영역들의 전도성을 향상시킨다. 또 다른 실시예에서는, 도 6 및 도 7에 도시된 것과 같은 IBC 솔라 셀의 n+ 후방 표면 필드(450)에 n형 도펀트가 주입되며, 한편으로 표면의 일부를 피복하기 위하여 마스크가 이용된다. 다음으로, p+ 에미터만 노출되게 하는 제2 마스크가 이용된다. 이러한 마스크는 도 8에 도시되어 있다. 마스크의 배치 이후에, p형 도펀트가 주입된다. 상이한 마스크들에 의한 이러한 주입 순서는 IBC 셀들을 위해 요구되는 컨택 패턴의 생성을 가능하게 한다. 따라서, 종의 변경과 조합될 때, IBC 솔라 셀을 위한 모든 후방 컨택 도핑이 한번에 수행될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 컨택들이 이 방법에 의해 솔라 셀의 전방 또는 후방 중 어느 한쪽 위에서 도핑될 수 있다. 매립형 컨택 접근법은 더 높은 비용으로 유사한 도핑 방식을 가능하게 한다. 또 다른 실시예에서는, 마스크에 의해 n++ 주입이 수행되고, 그 다음으로 마스크 없이 n+ 주입이 수행된다.
다섯째, 주입들이 수행되었던 동일한 챔버에서는, 연쇄 주입들 이후에 즉각적인 열 어닐링(thermal anneal)이 수행될 수 있다. 이것은 처리 시간 및 비용에 있어서의 감소를 가능하게 할 것이다. 주입 챔버에서 수행되는 이 어닐링은 예를 들어, 플래쉬 어닐링, 레이저 어닐링, 스파이크 어닐링, 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 어닐링 방법일 수 있다.
여섯째, 이들 연쇄 주입들은 클러스터 기구(cluster tool)에서 수행될 수 있다. 클러스터 기구는 하나의 특정한 실시예에서 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 플라즈마 도핑 시스템들(100)을 포함할 수 있다. 따라서, 연쇄 주입들은 다수의 플라즈마 도핑 챔버들에서 진공을 중단하지 않으면서 수행되거나, 단일 플라즈마 도핑 챔버에서 다수의 주입들에 의해 수행될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어들 및 표현들은 한정이 아니라 설명을 위해 사용되고 있으며, 이러한 용어들 및 표현들의 사용에 있어서, 도시되고 설명된 특징들(또는 그 일부)의 임의의 등가물들을 제외하기 위한 의도는 없다. 또한, 청구항들의 범위 내에서 다양한 변형예들이 가능하다는 것을 인식해야 한다. 다른 변형예들, 수정예들 및 대안들도 가능하다. 따라서, 이전의 설명은 단지 예시를 위한 것이며, 한정을 위한 것이 아니다.
100 : 플라즈마 도핑 시스템 101 : 소스
102 : 처리 챔버 103 : 밀폐 용량
104 : 가스 소스 106 : 질량 흐름 제어기
108 : 압력 게이지 110 : 배기구
112 : 진공 펌프 114 : 배기 밸브
116 : 가스 압력 제어기 118 : 챔버 상부
120 : 제1 섹션 122 : 제2 섹션
124 : 뚜껑 126 : 평면 안테나
134 : 플래튼 138 : 기판
148 : 바이어스 전원 공급 장치 150 : RF 소스
152 : 임피던스 정합 네트워크 156 : 제어기
158 : 사용자 인터페이스 시스템

Claims (20)

  1. 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법으로서,
    상기 기판이 주입되는 진공을 생성하는 단계;
    제1 종(species)을 이용하여 상기 기판의 제1 표면 위에 제1 이온 주입을 수행하는 단계;
    상기 기판의 상기 제1 표면의 일부분을 피복하도록 마스크 패턴을 도입하는 단계; 및
    제2 종을 이용하여 상기 표면 위에 제2 이온 주입을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 기판의 상기 제1 표면의 피복되지 않은 부분만 상기 제2 종으로 주입되고, 상기 제1 및 제2 이온 주입들은 상기 진공을 중단시키지 않으면서 수행되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 동일한 종인, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 도펀트들을 포함하는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 상이한 종인, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 종 또는 상기 제2 종은 비-도펀트(non-dopant)를 포함하는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 이온 주입 이전에 제2 마스크 패턴이 도입되어, 상기 기판의 일부분만 상기 제1 종에 의해 주입되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  7. 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법으로서,
    상기 기판이 주입되는 진공을 생성하는 단계;
    제1 종을 이용하여 상기 기판의 제1 표면 위에 제1 이온 주입을 수행하는 단계;
    제2 표면을 노출시키도록 상기 기판을 뒤집는(flip) 단계;
    상기 기판의 상기 제2 표면의 일부분을 피복하도록 마스크 패턴을 도입하는 단계; 및
    제2 종을 이용하여 상기 제2 표면 위에 제2 이온 주입을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 기판의 상기 제2 표면의 피복되지 않은 부분만 상기 제2 종으로 주입되고, 상기 제1 및 제2 이온 주입들은 상기 진공을 중단시키지 않으면서 수행되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 동일한 종인, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 도펀트들을 포함하는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 상이한 종인, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 종 또는 상기 제2 종은 비-도펀트를 포함하는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 이온 주입 이전에 제2 마스크 패턴이 도입되어, 상기 기판의 상기 제1 표면의 일부분만 상기 제1 종에 의해 주입되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  13. 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법으로서,
    상기 기판이 주입되는 진공을 생성하는 단계;
    제1 종을 이용하여 상기 기판의 제1 표면 위에 제1 이온 주입을 수행하는 단계;
    제2 표면을 노출시키도록 상기 기판을 뒤집는(flip) 단계; 및
    제2 종을 이용하여 상기 제2 표면 위에 제2 이온 주입을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 이온 주입들은 상기 진공을 중단하지 않으면서 수행되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 동일한 종인, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 도펀트들을 포함하는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 및 제2 종은 상이한 종인, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 종 또는 제2 종은 비-도펀트를 포함하는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 이온 주입 이전에 제1 마스크 패턴이 도입되어, 상기 기판의 상기 제1 표면의 일부분만 상기 제1 종에 의해 주입되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제2 이온 주입 이전에 제2 마스크 패턴이 도입되어, 상기 기판의 상기 제2 표면의 일부분만 상기 제2 종에 의해 주입되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
  20. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 이온 주입 이전에 마스크 패턴이 도입되어, 상기 기판의 상기 제2 표면의 일부분만 상기 제2 종에 의해 주입되는, 기판을 이용하여 솔라 셀을 제조하는 방법.
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