소개

단결정 N형 TOPCon 태양전지는 태양광 산업에서 가장 유망한 고효율 기술 중 하나가 되었습니다. 이들의 생산은 텍스처링, 붕소 확산, 레이저 SE, 어닐링, 알칼리 연마, PE-poly, 어닐링, RCA 세정, 코팅, 금속화 및 최종 테스트와 선별을 포함한 일련의 신중하게 제어된 단계로 구성됩니다. 이 글에서는 각 주요 공정 단계를 살펴보고 그 중요성을 설명합니다.

1. 텍스처링 (TEX)

텍스처링의 목적

텍스처링의 목표는 웨이퍼 표면의 기계적 손상층을 제거하고 빛 흡수를 증가시키는 피라미드 모양의 텍스처 표면을 형성하는 것입니다. 표면 반사율을 줄임으로써 단락 전류(Isc)가 개선되어 궁극적으로 셀의 광전 변환 효율이 향상됩니다.

습식 식각은 현재 주류 텍스처링 공정입니다. 웨이퍼 표면의 금속 이온, 손상층 및 기타 오염 물질은 재결합 중심 역할을 합니다. 분리된 전자와 정공은 웨이퍼 표면을 가로질러 이동하여 수집되어야 하므로, 이러한 재결합 중심은 소수 캐리어 수명을 감소시켜 캐리어가 외부 전류로 출력되기 전에 재결합하게 합니다. 표면 산화층과 유기 오염은 또한 AlOx 및 SiNx 층의 증착 및 패시베이션 품질에 영향을 미치므로 철저한 표면 세정이 중요하며 셀 효율에 직접적인 영향을 미칩니다.

반응 원리

텍스처링은 결정질 실리콘의 이방성 에칭 특성을 이용하며, 저농도 알칼리와 첨가제가 서로 다른 결정 방향을 다른 속도로 에칭합니다. (110) 및 (100) 면의 에칭 속도는 (111) 면보다 훨씬 빠릅니다. 일정 시간 에칭 후, 단결정 웨이퍼 표면에는 (111) 면으로 구성된 4개의 "피라미드" 구조가 남습니다.

결정면에 따라 원자 배열이 달라 에칭 속도가 다릅니다:

• (100) 면: 원자 배열이 비교적 느슨하고 노출된 화학 결합이 많아 에칭 속도가 가장 빠릅니다.

• (110) 면: 원자 밀도가 (100)과 (111) 사이이며, (100)보다는 빠르지만 약간 느린 에칭 속도를 보입니다.

• (111) 면: 원자 배열이 가장 조밀하고 화학 결합이 공격받기 어려워 에칭 속도가 가장 느립니다.

텍스처링 첨가제의 역할

첨가제는 실리콘의 표면 장력을 낮추고, 반응 중 형성된 수소 기포의 방출을 촉진하며, 피라미드를 더 균일하게 만듭니다. 웨이퍼 표면과 반응 용액 간의 젖음성을 개선하고, NaOH 용액의 에칭 강도를 약화시키며, 핵 생성 지점과 핵 밀도를 증가시켜 많은 수의 작은 피라미드 형성을 촉진합니다. 일반적으로 첨가제의 특성은 텍스처링된 피라미드 표면에 가장 직접적인 영향을 미칩니다.

공정 흐름

텍스처링 순서는 일반적으로 다음을 포함합니다: NaOH와 H2O2를 사용한 사전 세정(60°C에서 초음파 세정 보조, 이어서 순수 헹굼)으로 유기물, 금속 불순물 및 톱날 손상 제거; 약 0.6% NaOH와 0.4% 첨가제를 사용하여 82°C에서 420초 동안 알칼리 텍스처링하여 피라미드 텍스처 형성; 잔류 유기물 제거를 위한 후 세정; 묽은 산(3.15% HCl + 7.1% HF)을 사용한 산 세정으로 잔류 알칼리 중화 및 산화물 층 제거; 표면 장력에 의한 수분막 제거를 위한 천천히 빼내는 사전 탈수; 마지막으로 90°C 열풍 건조.

2. 붕소 확산 (B Diff)

목적

고온에서 붕소 원자가 N형 웨이퍼 표면으로 확산되어 PN 접합을 형성합니다. PN 접합의 내부 전계는 광생성 캐리어를 분리하여 외부로 전류를 출력합니다. 정공 농도가 높은 P형 웨이퍼는 접합 형성을 위해 인 도핑을 사용하고, 전자 농도가 높은 N형 웨이퍼는 붕소 도핑을 사용합니다.

공정 원리

삼염화붕소(BCl3)가 800-900°C의 석영관을 통과하며 산소와 반응하여 B2O3를 형성하고, 질소 운반 가스와 함께 웨이퍼 표면에 증착되어 Si와 반응하여 붕소 원자를 생성하고, 붕규산 유리(BSG) 층을 형성합니다. 그런 다음 붕소 원자가 웨이퍼 내로 확산되어 PN 접합을 형성합니다. BCl3는 무색의 발연 액체 또는 기체로, 밀도는 1.35 kg/m3, 녹는점은 -107.3°C, 끓는점은 12.5°C입니다. 불연성이며 자극적이고 자극적인 냄새가 나며, 물에서 분해되어 염화수소와 붕산을 생성하고 상당한 열을 방출합니다. 중간 생성물인 B2O3는 녹는점이 450°C, 끓는점이 1860°C로 공정 전반에 걸쳐 액체 상태를 유지하며 석영 부품에 강한 부식성을 나타냅니다.

붕소 확산은 인 확산보다 더 어렵기 때문에 TOPCon 경로는 장비에 더 높은 균일성, 더 높은 확산 온도(보통 1000°C 이상) 및 더 긴 확산 시간(막 형성에 최대 240분 소요)을 요구하여 접합 형성 단계의 장비 및 생산 비용을 증가시킵니다.

공정 흐름

확산은 두 가지 방식으로 수행됩니다. 예비 증착 확산(BSG 증착 단계)은 더 낮은 온도를 사용하고 웨이퍼를 포화 불순물 분위기에 유지하므로 표면 불순물 농도가 일정하게 유지됩니다. 이를 정표면 농도 확산이라고 합니다. 재분배 확산은 산소가 풍부한 분위기에서 외부 불순물 없이 더 높은 온도에서 BSG로부터 붕소를 웨이퍼 내로 밀어 넣습니다. 이 경우 표면 농도가 시간에 따라 변하며, 이를 제한 표면 확산이라고 하며 가우시안 불순물 분포를 갖습니다.

일반적인 공정 단계는 다음과 같습니다: 진공 펌핑으로 저압 도달; 확산 온도(800-900°C)로 가열; 온도 유지하면서 추가 감압; 저압에서 누출 감지; 사전 산화로 1nm SiO2 층 형성하여 다음 확산 단계를 늦추고 붕소 확산을 더 균일하게 함; 붕소 소스를 도입하여 활성 예비 증착 및 수동 구동 확산/증착; 900°C 이상으로 추가 가열하여 확산 속도 및 깊이 증가; 후 산화로 100nm 이상의 SiO2 층 형성하여 붕소 함량 제어, 접합 깊이 증가, 보호층 형성 및 기판 불순물 게터링; 안전한 관 개방 온도로 냉각; N2로 진공 파괴하여 대기압 복원.

3. BSG 제거 및 알칼리 에칭

BSG 제거

붕소 확산 후, 웨이퍼 후면과 가장자리에는 두꺼운 BSG 층(40-100nm 산화물)이 형성됩니다. 이 붕규산 유리 층은 후속 공정에 악영향을 미치고 PN 접합 누설을 유발할 수 있으므로, 도핑 후 화학적 에칭과 세정이 필요합니다. 알칼리 에칭 전, 인라인 단면 HF 공정으로 후면과 가장자리의 BSG를 제거하고, 전면 BSG는 알칼리 에칭 중 마스크로 보존되어 전면 구조를 보호합니다.

웨이퍼는 먼저 인라인 HF 세정 장비에 들어가며, 약 60% HF가 후면 BSG를 용액에 용해시키는 동안 물막이 전면 BSG를 보호한 후, 약 0.5분간 순수 헹굼을 진행합니다. 순서는 다음과 같습니다: SiO2의 친수성을 이용한 물막 형성으로 전면 BSG 보호; HF를 이용한 후면 및 가장자리 BSG 에칭; 오염 가능성이 있는 물막을 새로 고치는 워터건 단계; 잔류 HF 제거를 위한 수세; 잔류 불순물 이온 제거를 위한 산 세정; 전면 물막 건조.

알칼리 에칭

알칼리 에칭의 목적은 후면과 가장자리의 PN 접합을 제거하여 누설을 방지하고, 균일하고 깨끗한 후면 형상을 만들어 후면 패시베이션을 준비하는 것입니다.

두 가지 주요 접근 방식이 있습니다. 2차 텍스처링은 첫 번째 텍스처링과 원리가 유사하지만, 첨가제는 BSG와 알칼리 간의 반응 속도를 낮춰야 합니다. 알칼리 폴리싱은 고농도 알칼리와 첨가제를 사용하여 알칼리-실리콘 반응을 가속화하고, 이방성 에칭 특성을 약화시켜 반사율이 높은 폴리싱 형상을 만듭니다. 알칼리 에칭 첨가제는 전면 BSG를 보호하고, 알칼리와의 반응 속도를 낮추어 과에칭을 방지하며, BSG를 후속 단계의 마스크로 유지하고, 표면 장력을 낮추어 수소 기포를 방출하며, 습윤성을 개선하고 핵 생성 밀도를 높입니다.

4. 증착 및 코팅

이 단계에서는 터널 산화물(TOX), 폴리실리콘 층 및 마스크를 증착합니다. 증착은 주로 진공 기상에서 이루어지며, 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD) 및 원자층 증착(ALD)으로 나눌 수 있습니다. PVD는 재료 소스를 원자, 분자 또는 이온으로 기화시켜 저압에서 기판에 증착합니다. CVD는 기판에서 화학 반응을 통해 증착물을 생성합니다. ALD는 단일 원자층으로 재료를 층별로 증착합니다.

터널 산화물 층(TOX)

터널 산화물 층은 양자 터널링 효과를 기반으로 하며, 초박형 산화물(일반적으로 1-2nm)을 장벽으로 사용합니다. n형 실리콘 기판과 도핑된 폴리-Si 층 사이에서 캐리어 선택적 수송을 가능하게 합니다: 전자(다수 캐리어)는 산화물을 통해 폴리-Si 층으로 터널링하는 반면, 정공(소수 캐리어)은 더 높은 장벽 높이(약 4.5-4.8eV)에 직면하여 차단됩니다. 또한 밴드 벤딩과 전계 효과 패시베이션을 생성하여, 도핑된 폴리-Si와 기판 간의 일함수 차이가 계면 에너지 밴드를 구부리고 다수 캐리어를 증가시키고 소수 캐리어를 반발하는 정전기장을 형성하여 계면 재결합을 더욱 줄입니다.

산화물은 열산화(LPCVD와 호환 가능) 또는 PECVD, PEALD 및 열산화(PECVD와 호환 가능)로 제조할 수 있습니다. 막 밀도 측면에서 PEALD가 가장 우수한 패시베이션을 제공하지만 장비 비용이 더 높은 반면, 열산화와 PECVD는 경제성이 더 좋습니다. ALD는 일반적으로 약 0.7nm, 열산화는 약 1.3nm이며, 터널링 메커니즘은 일반적으로 1.6nm 미만의 두께에서 달성됩니다. LPCVD는 더 성숙하여 제어가 간단하고 막 품질이 높은 장점이 있지만, 전면 가장자리에 감싸는 도핑된 폴리-Si 층을 형성하여 제거해야 하며 막 증착 속도가 느립니다. PECVD 폴리-Si는 더 새로운 기술로 증착이 빠르고, in-situ 도핑이 가능하며 감싸는 현상이 적지만, 성숙도가 여전히 개선이 필요하고 고온 어닐링 중 먼지, 높은 수소 함량 및 기포 형성 문제가 발생할 수 있습니다.

폴리-Si 층

다결정 실리콘(Poly)은 수많은 미세한 실리콘 결정립으로 구성되며, 결정립 크기는 일반적으로 수십에서 수백 나노미터이고 그 사이에 결정립계가 있습니다. 폴리-Si 층은 일반적으로 인 도핑되어 고도핑 n형 폴리-Si를 형성하여 전도성을 개선하고, 캐리어 선택적 수송을 가능하게 하며 기판과의 우수한 오믹 접촉을 형성합니다.

폴리-Si 제조는 증착과 도핑을 모두 포함합니다. 증착은 주로 LPCVD 또는 PECVD를 사용하며 두께는 약 100-150nm입니다. 비정질 막은 어닐링 중에 결정성이 변화하여 미세결정-비정질 혼합상에서 다결정으로 변환되고 패시베이션이 활성화됩니다. 도핑의 경우, LPCVD는 일반적으로 먼저 진성 폴리-Si 층을 증착한 후 확산로 또는 이온 주입(외부 도핑)을 통해 인 도핑을 완료합니다. 느린 LPCVD 증착 중 도핑은 속도를 더욱 느리게 하기 때문입니다. PECVD는 더 높은 막 효율을 가지며 코팅 중에 인 도핑을 완료할 수 있습니다(내부 도핑). 폴리-Si의 주류 기술인 LPCVD는 실란(SiH4)을 열분해하여 실리콘 원자로 만든 후 막으로 증착합니다. 두꺼운 폴리-Si는 더 심각한 FCA(기생) 손실과 더 큰 단락 전류 손실을 유발하며, 높은 인 도핑은 FCA 흡수와 전류 손실을 증가시킵니다.

마스크 층

마스크 층은 일반적으로 폴리-Si 증착 후 성장된 약 10nm 두께의 SiO2 막으로 후면 구조를 보호하며, 주로 후속 습식 공정이 폴리-Si 층을 식각하는 것을 방지합니다. 탱크형 습식 장비에서 후면 구조가 손상되지 않도록 하기 위해, 폴리 공정 후 실란과 아산화질소를 사용하여 후면에 SiOx 마스크(약 10nm)를 성장시킵니다(참고: 비진공 환경에서 실란과 산소는 폭발 위험이 있습니다).

공정 단계는 다음과 같습니다: 진공 예열로 웨이퍼를 필요한 온도로 가져옴; 진성 실리콘 소스의 사전 증착(가스만, RF 없음, 튜브를 균일하게 채우고 압력 안정화); 진성 실리콘 소스 증착(RF 켜짐, 도핑된 폴리로부터 인을 차단하고 완충하는 도핑되지 않은 막 증착); 도핑된 실리콘 소스의 사전 증착(가스만); 도핑된 실리콘 소스 증착(RF 켜짐, 인 도핑된 폴리 막 증착); PECVD SiOx에 의한 산화물 마스크 형성; N2/Ar 퍼징으로 SiH4와 N2O를 튜브 밖으로 밀어내어 퍼니스 도어 개방 시 연소 방지.

5. 어닐링

어닐링의 목적은 PECVD로 성장된 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변환하고, 인 원자를 활성화하여 접합 깊이를 증가시키며, 핀홀을 형성하는 것입니다. 공정은 BN2(질화붕소)를 도입하고 890-920°C로 천천히 가열하여, BN2가 고온에서 주입되어 폴리 막의 인 원자를 활성화하고 효과적인 도핑을 형성합니다.

어닐링과 TOX 사이에는 관계가 있습니다: 터널 산화막이 변하지 않은 상태에서 어닐링 온도를 높이면 더 많은 핀홀과 내부 확산이 발생하여 접촉 저항률이 낮아지고 FF가 개선되면서도 패시베이션 요구 사항을 충족합니다; 동일한 어닐링 온도에서 더 두꺼운 터널 산화막은 더 많은 핀홀과 내부 확산 및 더 높은 포화 전류를 생성합니다.

6. PSG 제거 및 RCA 세정

PEALD 증착 중 n+-폴리-Si 필름이 웨이퍼 전면에 형성되며, 얇은 마스크(SiOx) 필름으로 덮여 있습니다. 단면 HF가 SiOx를 제거한 후, 알칼리 배스가 전면 n+-폴리-Si를 제거합니다. 웨이퍼는 에칭 탱크, 알칼리 탱크 및 세정 탱크를 순차적으로 통과하여 화학 반응을 거친 후 건조됩니다.

RCA의 목적은 랩어라운드 도금을 제거하고 에지 누설을 방지하기 위해 에지 에칭을 수행하며, 전면 및 후면 BSG와 마스크를 제거하고 웨이퍼를 탈수하여 전면 및 후면 패시베이션 필름을 준비하는 것입니다. 폴리는 다결정 실리콘이므로 랩어라운드 제거는 고농도 알칼리와 첨가제를 사용한 알칼리 폴리싱을 사용합니다.

RCA 첨가제는 무기 물질과 잔류 생성물을 세정하여 표면 습윤성을 개선하고, 반응 촉매 역할을 하여 OH-와 실리콘의 결합을 가속화하여 랩어라운드 및 에지 에칭 속도를 높이며, 이산화규소의 알칼리 에칭 속도를 감소시켜 전면 BSG와 후면 마스크가 과도 에칭되는 것을 보호합니다.

공정 단계는 다음과 같습니다: 인라인 HF로 N2 어닐링 후 전면 및 에지에 형성된 PSG를 제거하고 후면 PSG는 유지하여 후면 폴리를 보호합니다; NaOH와 첨가제를 사용한 알칼리 폴리싱으로 과도한 전면 및 에지 폴리를 제거합니다; 알칼리 세척으로 잔류 첨가제와 불순물을 제거합니다; 산 세척으로 잔류 알칼리를 중화하고 금속 이온을 제거합니다; 로봇을 사용하여 상온 탈이온수에서 천천히 인상하여 물자국을 방지합니다; 90°C에서 건조하여 웨이퍼와 캐리어에 잔류 액체가 없도록 합니다.

7. ALD (원자층 증착)

원자층 증착(ALD)은 기판 위에 단일 원자층으로 재료를 코팅하며, 자기 제한적 특성이 ALD의 기초입니다. 시간적 또는 공간적 간격을 통해 기판은 교대로 다른 전구체에 노출됩니다. 기판이 전구체 A의 분위기에 있을 때, A는 표면에 화학적으로 흡착되어 포화될 때까지 진행된 후 멈춥니다. 전구체 B에 노출되면 B는 이미 흡착된 A와 반응하여 부산물을 생성하고, 첫 번째 전구체가 완전히 소모될 때까지 반응이 자동으로 중단되어 필요한 원자층을 형성합니다. ALD는 이 반응을 반복하여 원하는 박막을 형성합니다.

웨이퍼 후면에서 AlOx 패시베이션은 후면 표면 재결합 속도를 줄입니다. 산화알루미늄은 웨이퍼 표면의 산화알루미늄과 산화규소 사이의 계면에 위치한 고정 음전하를 가지며, 이 고밀도 음전하는 효과적인 전계 패시베이션을 보장합니다. 산화알루미늄은 또한 우수한 화학적 패시베이션을 제공하여 결정질 실리콘 표면의 댕글링 본드를 포화시키고 계면 상태 밀도를 줄입니다.

공정 단계는 다음과 같습니다: 사전 증착(가스만, RF 없음, 튜브를 균일하게 채우고 압력 안정화, 가스 낭비 및 안전 위험을 피하기 위해 짧게 유지); 증착(RF 켜짐, TMA가 플라즈마를 형성하여 표면과 반응해 AlOx 형성, 이후 불활성 가스 퍼지, 40사이클 반복); 및 Ar 퍼지로 TMA와 O2를 튜브 밖으로 밀어내어 퍼니스 도어 개방 시 TMA 연소 방지.

8. 전면 및 후면 실리콘 질화물(SiNx)

SiNx 코팅은 여러 목적을 수행합니다. 셀 표면을 보호하는데, 실리콘 질화물은 1200°C까지 견디는 매우 높은 강도, 거의 모든 무기산 및 30% 이하 NaOH에 대한 우수한 내화학성, 그리고 고성능 전기 절연체입니다. 반사 방지 기능을 제공하며, 공기 중 최적 단일층 굴절률은 1.96입니다. 실리콘 함량을 높이면 표면 패시베이션이 강화되며, 문헌에 따르면 굴절률 2.3에서 표면 재결합 속도가 20cm/s 미만으로 떨어지고, 2.1~2.3 사이에서 최적의 벌크 패시베이션을 보입니다. 또한 조밀한 구조를 통해 산화를 방지합니다. TOPCon 전면 이미터 패시베이션은 주로 산화알루미늄과 SiNx:H 막을 사용하며, 후면 패시베이션은 주로 폴리-Si를 사용합니다.

SiNx 패시베이션 메커니즘은 두 가지 방식으로 작동합니다. 화학적 패시베이션은 표면층을 성장시켜 원자가 댕글링 본드를 포화시킬 충분한 시간과 에너지를 제공하거나, 수소가 풍부한 유전체 막을 증착하고 소결 중 수소를 방출하여 댕글링 본드와 결합하도록 함으로써 댕글링 본드를 줄여 계면 결함 밀도를 낮춥니다. 전계 효과 패시베이션은 표면 근처에 전기장을 생성하여 동일한 극성의 캐리어를 반발시킴으로써 표면에 도달하는 소수 캐리어의 수를 줄이며, 이는 높은 표면 도핑 농도를 낮추거나 높은 고정 전하를 가진 유전체 층을 추가하여 달성됩니다.

SiNx 공정 단계는 다음과 같습니다: 사전 증착(가스만, RF 없음, 튜브를 채우고 압력 안정화); 증착 1-2-3(RF 켜짐, SiH4와 NH3를 도입하여 Si-N 비율이 점차 감소하는 세 개의 SiNx 층 형성, Si-N 비율이 높을수록 굴절률이 높아짐); 증착 4(RF 켜짐, SiH4, O2 및 NH3가 SiONx 층 형성); 증착 5(RF 켜짐, SiH4와 O2가 SiO2 층 형성); 그리고 N2 퍼지를 통해 라인과 튜브에서 반응성 가스를 제거하고 퍼니스 도어를 열 때 SiH4 폭발을 방지합니다.

9. 스크린 인쇄(금속화)

텍스처링, 확산 및 코팅이 PN 접합과 패시베이션을 완료한 후, 셀은 빛 아래에서 전류를 생성할 수 있습니다. 이 전류를 추출하고 수집하기 위해 일반적으로 스크린 인쇄, 건조 및 소결을 통해 셀 표면에 전면 및 후면 전극이 인쇄됩니다.

스크린 인쇄 시스템은 다섯 가지 요소로 구성됩니다: 스퀴지, 잉크(페이스트), 스크린, 기판(웨이퍼) 및 인쇄 플랫폼. 적절한 페이스트 인쇄 성능(점도, 전단 박화 능력)은 대량 생산의 전제 조건이며, 스크린 메쉬 수, 와이어 직경 및 설계된 선폭은 인쇄 형상을 크게 결정합니다. 작동 시, 페이스트는 패턴화된 메쉬 개구부를 통과하고, 스퀴지는 스크린을 가로질러 이동하면서 압력을 가해 페이스트를 패턴 개구부에서 웨이퍼로 밀어냅니다. 페이스트의 점도는 페이스트가 범위 내에 접착되도록 유지하며, 스퀴지는 스크린과 기판과 선형 접촉을 유지하고 접촉선이 스퀴지와 함께 이동하여 인쇄 스트로크를 완료합니다.

페이스트는 대량 생산을 위한 우수한 인쇄성, 낮은 접촉 저항과 높은 FF를 위한 이미터와의 양호한 오믹 접촉, 금속화로 인한 Voc 손실을 제한하기 위한 이미터 손상 최소화, 전류 손실을 줄이기 위한 가능한 가장 낮은 벌크 저항을 제공해야 합니다. 공정 단계는 다음과 같습니다: 페이스트 내 유기물을 증발시키기 위한 건조; 유리 프릿을 녹이고 은 입자를 용해시키며 패시베이션 층을 열기 위한 사전 소결; 더 많은 금속을 유리에 용해시키고 결합시키기 위한 소결; 그리고 냉각을 통해 유리에 용해된 금속이 표면에 석출되어 금속과 반도체 사이에 오믹 접촉을 형성합니다.

결론

TOPCon 제조 공정은 텍스처링, 도핑, 패시베이션, 증착, 어닐링 및 금속화 단계의 정밀한 순서로, 각 단계는 캐리어 선택성을 최대화하고 재결합을 최소화하여 더 높은 변환 효율을 달성하도록 설계되었습니다.

ooitech의 견해: ooitech는 TOPCon의 높은 효율이 터널 산화물과 패시베이션 접촉 기술의 시너지에서 비롯되며, 모든 세정, 증착 및 어닐링 단계가 함께 작용하여 캐리어 선택성과 표면 패시베이션의 한계를 극복한다고 믿습니다.