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문제 정의
- 본 논문에서는 수소화된 실리콘 질화막 증착 및 표면 패시베이션과 반사방지막으로서의 급속열처 리(rapid thermal processing) 효과를 조사하기 위해, 사일렌(SiHQ과 암모니아 (NH3)의 가스비와 열처리 온도를 가변하여 굴절률, 반사도, 소수 반송자 수명도, 퓨리에 변환 적외선 스펙트럼, 광전류 전압을 측정함으로써 실리콘 태양전지 제작에 적용하기 위한 최적의 전기적, 화학적, 광학적 특성을 가진 수소화된 실리콘 질화막을 연구하였다.
- 따라서 Si-rich 또는 n-rich 는 높은 effective 반송자 수명에 적절치 않으므로 표면 재결합 속도를 감소시키는데 유용하지 않다고 사료된다. 본 실험을 통해 태양전지 제작에 응용하기 위한 고온.열처리 조건을 수반하는 수소화된 실리콘 질화막의 가스비 R = 0.
제안 방법
- PECVD 시스템은 수평의 실린더형 석영(quartz) 튜브와 저항 열을 이용한 열전도 방식의 수직형 흑연(graphite) 전극을 사용하여 동시에 40장의 웨이퍼를 증착이 가능하며, 대면적 증착을 위한 우수한 균일도를 확보할 수 있도록 설계되었다. 모든 샘플은 비저항 10 - 20 Q-cm의 (100) P-type, 두께 500 - 550 ㎛ 및 고정된 크기(2 X 2 cm)의 쵸크랄스키 웨이퍼를 이용하여 수행되었고, RCA(Radio Corporation of America) 세정을 이용하여 웨이퍼 표면의 오염물을 제거하였다.
- 79로 가변하여 박막의 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. 그림 1은 수소화된 실리콘 질화막의 급속 열처리 공정을 위한 시스템으로써, 결정질 실리콘 태양전지 제작시 BSF(back surface field)와 저항 접촉 형성을 위해 수행되는 고온의 firing 조건에 의한 SiNx 박막의 특성 평가를 위해 600 - 900 ℃의 온도에서 1분간 수행하였다. 그림에서와 같이, 챔버내에 세 가지(Nz, H2, Air) 종류의 가스 주입이 가능하고, 수냉식이며, 12개의 텅스텐 할로겐 램프가 열원(Heating source)으로 장착되어 있다.
- 기판온도, 가스비 및 열처리 조건에 따라 획득된 수소화된 실리콘 질화막의 두께와 굴절률은 분광 분석용 엘립소메터 (Spectroscopic Ellipsometer)에 의해 측정되었고, 우수한패시베이션에 영향을 미치는 표면 재결합 속도 (Surface recombination velocity)를 유추하기 위한 Effective 소수 반송자 수명도는 마이크로파 광 전도성 감쇠 (Microwave Photo Conductance Decay) 기술을 이용한 LTA-330A에 의해 분석되었다. 또한 가스비 및 열처리온도에 따른 수소의 결합(Si-H, H-N) 변화는 퓨리에 변환 적외선 분광기(FTIR, Bruker IFS66V/S)에 의해 관찰한 후 수소 함유량을 계산하였다.
- 또한 세정 된 웨이퍼는 도펀트 소스로써 POC13를 이용하여 면저항 40 - 45 Q/square 범위에서 도핑 공정이 수행 되었고, 도핑된 웨이퍼는 열적 산화막 패시베이션과 측면 분리후 PECVD를 이용하여 굴절률 2.24, 두께 720 A의 수소화된 실리콘 질화막을 증착하였다. 마지막으로, 금속 전극 형성을 위해 스크린 프린터를 이용하여 전면, 후면에 각각 Al, Ag paste를 인쇄하였고 급속 열처리 공정으로 동시 소결시켰다.
- 57로 고정하고, 150 - 450 ℃로 가변하였다. 또한 획득한 증착 온도를 고정하고 가스비 R을 0.5 - 0.79로 가변하여 박막의 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. 그림 1은 수소화된 실리콘 질화막의 급속 열처리 공정을 위한 시스템으로써, 결정질 실리콘 태양전지 제작시 BSF(back surface field)와 저항 접촉 형성을 위해 수행되는 고온의 firing 조건에 의한 SiNx 박막의 특성 평가를 위해 600 - 900 ℃의 온도에서 1분간 수행하였다.
- 24, 두께 720 A의 수소화된 실리콘 질화막을 증착하였다. 마지막으로, 금속 전극 형성을 위해 스크린 프린터를 이용하여 전면, 후면에 각각 Al, Ag paste를 인쇄하였고 급속 열처리 공정으로 동시 소결시켰다. 제작된 결정질 실리콘 태양전지의 전기적 특성 평가를 위해 광전류 전압(light current-voltage)을 측정하였다.
- 모든 샘플은 비저항 10 - 20 Q-cm의 (100) P-type, 두께 500 - 550 ㎛ 및 고정된 크기(2 X 2 cm)의 쵸크랄스키 웨이퍼를 이용하여 수행되었고, RCA(Radio Corporation of America) 세정을 이용하여 웨이퍼 표면의 오염물을 제거하였다. 본 실험에서의 수소화된 실리콘 질화막 증착 조건은 기판 온도와 가스비에 중요성을 두었고 모든 증착 조건에 서표 1에 나타낸 바와 같이, 전력 및 공정 압력을 각각 250 W, 970 - 975 mTorr로 고정하였다. 최적의 증착 온도를 획득하기 위해, 가스비 R (R = NH3 / SiH4 + NH3)을 0.
- 마지막으로, 금속 전극 형성을 위해 스크린 프린터를 이용하여 전면, 후면에 각각 Al, Ag paste를 인쇄하였고 급속 열처리 공정으로 동시 소결시켰다. 제작된 결정질 실리콘 태양전지의 전기적 특성 평가를 위해 광전류 전압(light current-voltage)을 측정하였다.
- 본 실험에서의 수소화된 실리콘 질화막 증착 조건은 기판 온도와 가스비에 중요성을 두었고 모든 증착 조건에 서표 1에 나타낸 바와 같이, 전력 및 공정 압력을 각각 250 W, 970 - 975 mTorr로 고정하였다. 최적의 증착 온도를 획득하기 위해, 가스비 R (R = NH3 / SiH4 + NH3)을 0.57로 고정하고, 150 - 450 ℃로 가변하였다. 또한 획득한 증착 온도를 고정하고 가스비 R을 0.
대상 데이터
- 모든 샘플은 비저항 10 - 20 Q-cm의 (100) P-type, 두께 500 - 550 ㎛ 및 고정된 크기(2 X 2 cm)의 쵸크랄스키 웨이퍼를 이용하여 수행되었고, RCA(Radio Corporation of America) 세정을 이용하여 웨이퍼 표면의 오염물을 제거하였다. 본 실험에서의 수소화된 실리콘 질화막 증착 조건은 기판 온도와 가스비에 중요성을 두었고 모든 증착 조건에 서표 1에 나타낸 바와 같이, 전력 및 공정 압력을 각각 250 W, 970 - 975 mTorr로 고정하였다.
- 태양전지 제작을 위해, 125 * 125 mm(pseudo square) 크기의 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하였고, 알칼리 에칭에 의해 웨이퍼 절단시 발생하는 표면 손상을 세정하였다. 또한 세정 된 웨이퍼는 도펀트 소스로써 POC13를 이용하여 면저항 40 - 45 Q/square 범위에서 도핑 공정이 수행 되었고, 도핑된 웨이퍼는 열적 산화막 패시베이션과 측면 분리후 PECVD를 이용하여 굴절률 2.
이론/모형
- 그림에서와 같이, 챔버내에 세 가지(Nz, H2, Air) 종류의 가스 주입이 가능하고, 수냉식이며, 12개의 텅스텐 할로겐 램프가 열원(Heating source)으로 장착되어 있다. 기판온도, 가스비 및 열처리 조건에 따라 획득된 수소화된 실리콘 질화막의 두께와 굴절률은 분광 분석용 엘립소메터 (Spectroscopic Ellipsometer)에 의해 측정되었고, 우수한패시베이션에 영향을 미치는 표면 재결합 속도 (Surface recombination velocity)를 유추하기 위한 Effective 소수 반송자 수명도는 마이크로파 광 전도성 감쇠 (Microwave Photo Conductance Decay) 기술을 이용한 LTA-330A에 의해 분석되었다. 또한 가스비 및 열처리온도에 따른 수소의 결합(Si-H, H-N) 변화는 퓨리에 변환 적외선 분광기(FTIR, Bruker IFS66V/S)에 의해 관찰한 후 수소 함유량을 계산하였다.
성능/효과
- effective 반송자 수명(¥0을 나타낸 것이다. 모든 조건의 수소화된 실리콘 질화막은 800 °(:에서 %"가 최고치를 보였고, 800 ℃ 이상의 온도에서는 Si과 결합하는 H의 감소로 인해 t가 급격히 감소하고 있음을 알 수 있었다. 또한 R = 0.
- 열처리 온도가 증가함에 따라, 수소화된 실리콘 질화막의 굴절률은 증가하였고, R의 작을수록 즉, SiH4 함유량이 높을수록 굴절률의 증가 폭이 크게 나타났다. 그 결과, R = 0.5일 때 굴절률은 2.46에서 2.73, R = 0.79일 때 L86에서 1.87로 나타냄으로써 가스비 R이 클수록 굴절률의 변화폭이 적은 것으로 보아 열에 대한광학적 안정도가 우수하다는 것을 알 수 있었다.
- 지금까지의 연구에서, 3340, 1170 cm 1 에서의 N-H 결합과 관련되고, Si-N 결합과 연관된 850, 465 cufi에서의 기본 결합과 함께 2170,630 cnr에서 Si-H 결합에 의해 발생하는 다른 흡수 결합들은 발견되었다 [12], Si-H 및 N-H 결합 농도는 다음의 식을 이용하여 2170 및 3340 cm-1 부근에 중심이 있는 흡수도 최고점의 적분에 의해 추측할 수 있다.그 결과, 가스 비 R이 증가함에 따라 Si-H 결합 농도 1.4 X 1022 cm'3 에서 2.92 x 1021 cm 3 에 감소했고, N-H 결합 농도는 4.84 X 1021 cm-3 에서 4.07 x 1022 cm 3 증가하고 있었으며, 수소 총 결합 농도는 1.89 X 1022 cm-3 에서 4.36 X 1022 cm 3 로 증가하고 있음을 그림 6 을 통하여 알 수 있었다.
- 급속 열처리 효과에 있어서, 가스비 R이 증가함에 따라온도 가변에 대한 굴절률 및 박막 두께 변화율이 비례적으로 감소하고 있음을 알 수 있었다. 태양전지 제작에 응용하기 위한 고온 열처리 조건을 수반하는 수소화된 실리콘 질화 막은 Effective .
- 그림 3에서 알 수 있듯이, 150 ℃ 온도에서 Teff 값은 13 ㎲으로 측정되었으나, 450 ℃에서는 40 ㎲로 증가했다. 따라서 증착 온도가 증가할 경우, 표면 및 벌크 패시베이션이 개선과, 표면 재결합 속도를 감소시키는데 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.
- 45의 수소화된 실리콘 질화 막은 가스비 R (R = N* H / SiH4 + NHG과 증착 온도를 가변하여 획득하였고, 최적의 증착 온도는 450 ℃ 임을 알 수 있었다. 또한 가스비 R의 증가에 따라 굴절률이 감소하였고, 수소 총 결합 농도는 증가하였다.
- 또한 그림 5로부터 굴절률의 증가는 급속 열처리에 의한 수소화된 실리콘 질화막의 두께 감소가 원인임을 발견하였는데, 증착온도 450 ℃에서 가스비 R의 변화에 따라 증착된 초기 굴절률 L85(R = 0.79), 1.9(R = 0.71), 2.05(R = 0.64), 2.24(R = 0.57), 2.45(R = 0.5)인 수소화된 실리콘 질화막이 900 ℃에서 열처리 후 각각 20A, 25A, 41A, 60A, 106A 만큼 두께 변화가 굴절률이 증가할수록 높게 측정되고 있음으로 미루어 굴절률의 변화폭과 두께의 감소는 비례적 관계가 존재함을 알 수 있었다.
- 본 논문에서는 결정질 실리콘 태양전지 제작에 적용할 우수한 반사방지막 및 표면 패시베이션 효과를 위한 수소화된 실리콘 질화막의 증착 및 열처리 조건을 연구하였으며, 대면적 (125 x 125 mm) 결정질 태양전지의 광전류전압 (Illuninated Current-Voltage) 특성을 분석한 결과, 17.05 % 의 변환효율을 획득할 수 있었다.
- 예를 들어, Browne 굴절률 L85인 수소화된 실리콘 질화막의 열처리에서 굴절률 증가 및 박막 두께와 수소결합의 감소를 설명했고, Bruyere는 수소화된 실리콘 질화 막의 열적 안정도는 결합된 수소 총용량이 감소될 때 증가한다는 것을 발견했다 [10, 11], Szweda는 일반적인 열적 열처리와 flash-lamp 열처리가 굴절률을 증가시키고, 수소화된 실리콘 질화막의 두께를 감소시킴을 알아냈다. 부가적으로, 급속 열처리 (rapid thermal annealing, RTA)은 확산 및 게 터 링과 같은 반도체 공정을 위한 일반적인 방식의 열처리보다 더 효과적임을 제안했다.
- 굴절률의 변화를 나타낸 것이다. 열처리 온도가 증가함에 따라, 수소화된 실리콘 질화막의 굴절률은 증가하였고, R의 작을수록 즉, SiH4 함유량이 높을수록 굴절률의 증가 폭이 크게 나타났다. 그 결과, R = 0.
- 24로 나타냈다. 이러한 결과를 통하여, 증착 온도의 증가에 의한 SiNx 박막의 표면 밀도가 증착률 및 굴절률에 영향을 미치고 있음을. 알 수 있었다.
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