편집자 주

동기(Motivation)

흔히 언급되듯이, 단결정질(c-Si) 기반의 태양전지는 PV 전지의 전 세계 생산량의 약 80% 정도를 차지한다1). 대부분 실리콘질화물(SiN)을 전면의 반사방지막(AR) 코팅으로, 그리고 전면과 후면에 패시베이션(Passivation)용으로 사용한다. 코팅은 넓은 면적에 대해 이뤄지며(주로 PECVD), 비전도성 특성으로 인해 이 층(SiN Layer)에 대한 선별적인 재개방이 다음 공정인 스크린프린팅(Screen-priniting) 혹은 메탈리제이션(Metallization) 코팅을 이용한 전극형성(Electrical Contacting)의 준비단계를 필요로 한다 2), 3). 기본적인 구조는 그림 1과 같다.

레이저를 이용한 박막 제거는 여러 이점이 있다. 기계적인 접촉이 없는 이유로 도구의 마모가 없는 제거 방식이다. 이 방식은 선별적으로, 그리고 웨이퍼 상에서 특정 반응지점에만 에너지를 전달하며, 또한 구동 시스템을 최소화할 수 있어서 고속가공이 가능하다(일반적인 PV 웨이퍼 크기에서는 작고 가벼운 빔(Beam) 굴절용 거울을 이용하는 갈보 스캐너(Glavo Scanner) 만으로 구동시스템이 이뤄진다). 그리고 프로세스 자동화에 도움이 되는 고속 제어와 레이저 파라미터(Parameters)의 재현성을 쉽게 가능하도록 한다.

박막 공정 중에서 하나의 주요 요구사항은 용해(Melting)에 의한 격자(Lattice) 손상을 막는 것이다. 용해 효과는 실리콘에서 열전도에 의해 발생한다. 이 효과들은 피코초(ps) 혹은 펨토초(fs)의 펄스(Pulse) 지속시간(Duration)을 가진 극초단(Ultra Short) 펄스 레이저를 이용해 최소화 할 수 있다. 이 경우에는 비선형4) 흡수가 이뤄진다. 이것은 최대 세기(Peak Intensity)의 제곱과 흡수 계수(Absorption Coeffi cient) α가 중요한 요소로 작용한다는 것을 의미한다. 세기가 약 1010W/cm2을 초과하는 경우에는 극초단 펄스 레이저가 효율적이다.

현재 태양광산업에서는 UV(자외선) 피코초 레이저가 소개되었다. UV 변환용 크리스털과 빔 전달용 옵틱의 수명 문제로 인해 1,020~ 1,070nm 영역의 NIR(근적외선) 레이저가 장점을 가진다.

근적외선 파장의 흡수율은 자외선보다 더 낮지만(그림 2) 펨토초 펄스보다 짧은 펄스 지속시간으로 인해 보다 높은 비선형의 흡수율을 얻을 수 있다. 이렇게 해서 펨토초 제거의 효과를 살펴보게 되었다.

펨토초 레이저를 이용한 박막 제거

비선형의 흡수 공정에서는 10피코초 이하의 펄스 지속시간이 일반적이다. 이 시간 내에서 고전적인(열적인) 제거 방식인 예열·용해·증발은 다른 효과들로 건너뛰게 된다. 샘플 내의 일부 자유 전자들은 흡수의 중심적인 역할을 하고 아발란체 캐스케이드(Avalanche Cascade) 프로세스에 따라 다른 전자들을 더욱 더 빨리 여기시킨다. 뜨거운 전자들은 여기(Excitation) 지점의 주변에서 소멸되고 다른 전자들의 빈번한 충돌로 열중성자화(Thermalize) 된다. 이러는 동안 뜨거운 전자의 온도와 차가운 격자의 온도가 있다. 최종적으로 전자들은 0.5~5피코초 이내에 격자에 에너지로 변환되고 격자의 열전도를 시작한다(열전도는 격자의 원자 진동의 결합으로 발생한다). 이것은 격자 효과이기 때문에 용해는 에너지가 변환이 될 때까지는 발생하지 않을 것이다.

만약 펄스의 지속이 앞에 말한 변환 시간보다 더 짧다면, 10피코초보다 더 짧은 시간 안에서는 구속되지 않은 뜨거운 전자들이 방출되고, 이 전자들은 격자 원자들의 전하 차폐를 감소시킨다. 만약 정전기 반발력이 너무 크다면, ‘쿨롱 익스플로전(Coulomb Explo sion)’4) (즉, 용해 없는 제거)에 의해 격자가 부분적으로 붕괴된다. 자유전자의 이동 범위가 10피코초 이내에서는 대략 10μm 안이기 때문에 자유전자에 의한 사실상의 열전도는 무시할 수 있다.

이 원리는 도체, 반도체 혹은 유전체 특성을 갖는 모든 물질에 적용된다. 물질 특성에 따른 차이는 주로 특정한 전자-격자의 에너지 변환 시간에 따라 결정된다.

그래서 우리는 근적외선 펨토초 펄스를 이용한 SiN층 제거에 대해서 살펴보았다. 이 연구를 위해서 우리는 400fs 펄스 이하에서 40μJ 펄스 에너지를 가진 상업용 레이저(JenLas D2. Fs by JENOPTIOK)를 사용했다. 생산성에 대한 요구는 100kHz의 반복율로 만족시킬 수 있다. 주요 개요는 그림 3에서 볼 수 있다.

레이저의 CW-offset(펄스와 펄스 사이)로 야기되는 용해 효과를 방지하기 위해 발진기-증폭기 결합에 정확한 배치와 타이밍 조절이 필요하다. 펨토초 펄스의 형태를 직접적으로 측정할 수 있는 디텍터(Detector)가 없기 때문에 자기상관(Autocor relation) 측정이 최첨단이다. 이 결과는 그림 4에 나와 있다. 우리는 레이저의 CW-offset을 측정하지는 않았지만 그림 8을 통해서 이것이 이 어플리케이션에는 의미가 없다는 것을 확인했다(펄스와 펄스 사이에서 제거된 흔적이 없다).

어플리케이션 결과

JENOPTIK사의 254mm 초점길이와 일반적인 PV 셀(156×156mm2)의 전체 크기를 가공할 수 있는 160×160mm2 작업필드를 가지는 옵틱을 사용했다. 빔의 프로파일은 M2가 약 1.2정도인 가우스(Gaussian) 형태이다.

어플리케이션의 결과를 그림 5에서 볼 수 있다. 하나의 펄스로 제거된 위치에서는 눈에 보이는 어떤 용해 효과도 없는 뛰어난 제거 형태를 보여준다.

또한 제거된 위치의 아주 날카로운 경계면을 주목해야 한다. 그림 6에서는 레이저 영향에 따른 제거 영역의 지름 변화를 보여준다.

최대한 적용 가능한 레이저의 영향은 0.35J/cm2이다. 이것은 광학 현미경(500배 확대)으로 관찰되어지는 용해 효과에 의해서 제한된다. SEM이나 RBS같은 광학현미경보다 더 자세한 분석은 진행 중이며 추후에 소개하겠다.

만약 레이저 영향이 임계한계치보다 아래에서 작용한다면 용해를 막을 수 있다(그림 6).

폴리싱 처리가 되어있는 c-Si 위의 SiN층에 대한 용해를 조사하는 것은 쉬운 일이 아니므로 KOH-에칭된 실리콘(Si)의 표면에 코팅된 SiN의 제거에 대해 살펴보았다. 이 에칭 과정은 솔라셀의 흡수율을 향상시켜주는 표준적인 방법으로 피라미드형의 표면을 생성한다. 샘플 표면에 어긋나게 생기는 방향성으로 인해 셀 표면에서 태양빛의 입사각을 변화시켜 주며, 이것이 솔라셀의 효율을 증대시킨다. 그림 7에서는 원형의 제거지점 안에서 완전한 SiN층의 제거와 탁월하고 날카로운 경계면을 볼 수 있다. 미세 구조가 보존된 것은 전혀 용해가 없는 제거의 입증이다.

레이저의 영향 제약뿐만 아니라 펄스 길이 또한 용해를 방지하는 것으로 고려된다. 그래서 우리는 비슷한 파장 영역에서 1,025nm의 400펨토초 레이저와 1,064nm의 10피코초 레이저를 이용해 그 특성을 비교해 보았다. 그림 8에서 보여지는 결과에서 레이저 영향 상수는 유지했다. 피코초 근적외선 레이저를 이용한 제거에서는 용해 효과와 제거영역에서 나쁜 경계면을 형성하는 것을 쉽게 눈으로 볼 수 있다. 전자-격자 에너지의 변환 시간이 10피코초보다 훨씬 빠르다는 것을 추정할 수 있고, 따라서 SiN 코팅에서 비선형 흡수가 충분하지 않다. SiN은 반사방지막으로 사용되는 이유로, 낮은 강도에서는 근적외선 영역은 투과가 된다. 이런 방식으로 펄스 에너지가 SiN 코팅을 통해 전도되고 결국은 아래에 있는 실리콘 벌크 층에서 흡수되며, 이것이 격자 온도를 상승시키고 결국은 용해가 나타난다.

SiN/Si층의 시스템에서 비선형 흡수 자료가 알려지지 않은 이유는 체계적인 연구가 부재했기 때문이다. 추가 실험에서는 펄스 지속을 600펨토초와 10피코초 사이에서 조율이 가능한 레이저를 준비할 계획이다.

근적외선 펨토초 레이저의 냉연 제거

우리는 근적외선 펨토초 레이저(JENOPTIK사의 JenLas D2.fs)를 이용해 50~80nm 두께의 SiN 층의 냉연 제거를 설명했다. 싱글샷의 중요한 실험은 원형으로 지름 60μm까지 손상이 없는 제거를 보여준다. 이 제거 방식은 최대 100kHz 반복율의 400펨토초 펄스에서 이뤄질 수 있다. 근적외선 피코초 레이저의 사용은 제거 특성이 상당히 악화됨을 보여주었다.

제거 품질 분석을 위한 극초단 펄스의 지속시간의 체계적인 조율뿐만 아니라 SiN/Si 시스템에서 위의 결과에서 보여진 제거 특성에 대해서는 더 자세한 분석이 진행되고 있으며, 추후에 소개하도록 하겠다.

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