피터 오스터린(Peter Oesterlin)

필자는 독일의 하노버(Hannover)와 프라이부르크(Freiburg) 대학교에서 물리학을 전공했다. 미국 캘리포니아에 있는 스탠포드(Stanford) 대학교에서 포스트 닥터(post-doc)로 1년을 보낸 후에 레이저 개발과 응용분야에 종사했다. 그는 현재 이 분야에서 대략 30년 정도의 경력을 가지고 있으며, Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH사의 자회사인 Innovavent  GmbH사의 General Manager로 근무하고 있다.

안드레아스 뷔셀(Andreas Buchel)

필자는 독일 에르푸트(Erfurt) 대학교에서 응용과학을 전공했다. 2010년 초부터 Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH사에서 결정질 태양광 부분의 Product Manger로 근무하고 있다.

이 공정은 기판에 부분적인 확산을 증대시켜 결정질 솔라셀의 효율을 향상시킬 수 있도록 한다. 이러한 부분적인 확산으로 PSG층에서 선택적인 에미터 도구에까지 도핑을 다양화할 수 있다. 이 기술의 가장 주된 장점은 태양광 변환을 위한 전면 도핑과 금속화 방식에 상관없이 독자적으로 수행할 수 있는 것이다. 컨택 핑거(Contact Fingers)들의 바로 아래에 더 나은 전기적 접함을 보장하기 위해서 고농도 도핑이 선택되었다. 다만 단파장 영역에서 재결합 손실을 줄이고 양자 효율을 증대하기 위해 광활성 영역에서 낮은 수준의 도핑이 이뤄졌다. 이러한 방식을 이용해 0.4~0.5%의 절대 셀 효율의 향상을 얻은 결과가 여러 연구기관을 통해 입증되었다(1).

레이저 프로세스 계획

레이저 도핑은 기본적으로 생산 현장에 하나의 프로세스 단계를 추가한다. 손상된 막을 제거하고 텍스처(Texture)를 생성하기 위한 웨이퍼 표면의 에칭이 끝난 후, 그리고 확산로(Diffusion Furnace)에서 전구체(Precursor)의 아인산(Phosphorous)을 웨이퍼 속으로 확산시킨 후에 일부 영역에 대해 레이저 공정 단계가 추가된다. 추후에 컨택 핑거가 위치할 영역에 대해 레이저가 짧은 시간 동안 표면을 녹인다. 이러한 용해는 로에서 생성된 PSG 층으로부터 추가적인 Ph 원자들의 확산뿐만 아니라 이미 확산된 Ph 원자들에 대해서 더 높은 수준의 활성화를 이끌어 낸다(그림 1). 이 추가적인 공정은 셀의 광활성 영역에 특히나 단파장 영역대에서 최고의 양자 효율을 조율할 수 있도록 해 주며, 컨택의 전기적 저항을 감소시켜 효율적인 전하 추출을 가능토록 한다.

레이저로 처리된 영역에서는 레이저로 처리가 안 된 영역과 비교하면 면 저항이 예를 들면, 90~150Ohm/sq에서 25~40Ohm/sq 정도로 상당히 줄어든다(그림 2).

공정을 위한 적합한 레이저의 선정

적외선(IR)에서 자외선(UV)에 이르는 다양한 레이저와 파장들이 고려되고 실험되어 왔다. 아주 높은 파워의 적외선 레이저도 가능하지만 레이저 빔이 실리콘 속으로 상당히(수백 마이크론) 침투하게 된다. 상당량의 레이저 파워가 벌크 물질을 가열하는 것으로 손실된다. 이런 과도한 가열로 인해 단파장의 레이저들보다 적외선 레이저가 더 많은 격자 손상을 발생시킨다. 스펙트럼 상 반대인 자외선 레이저는 아주 얕은 표면층에서 높은 흡수가 가능해 레이저 확산에 적합하다. 그러나 고체 자외선 레이저의 파워가 전형적으로 20W까지 정도로 제한되어 있고, 이는 생산에 필요한 처리량에 도달하기에는 부족하다. 엑시머(Excimer) 레이저는 더 높은 파워를 제공하지만 더 많은 유지보수가 필요하고, 주기적인 가스 교체 주기로 인해 가동시간이 낮아지며, 엄청나게 비싼 장비 운영비가 필요하다.

이런 두 레이저들에 대해 녹색 파장은 최고의 해답을 제시한다. 대략 1.0μm의 침투 깊이는 수 100nm의 깊이 공정에 잘 조정되었으며, 산업용의 프리퀀스 더블(Frequency Doubled) 고체 레이저는 100W까지 가능하고, 이는 생산현장에서 필요한 처리량에 도달하기에 충분하다.

레이저 도핑 공정에 사용될 수 있는 녹색 레이저에는 두 가지 종류가 있다. 수 백 나노초의 펄스 지속을 가진 펄스 레이저와 연속파의 CW 레이저이다. CW 레이저는 현재 파워가 15W급 정도로 제한되어 있으며, 레이저 파워의 와트당 비용도 펄스 레이저보다 비싸다. 아주 잘 포커스 된 CW 레이저와 고속(10m/s 이상)의 스캐너를 이용해 수 마이크론초의 가공 시간을 얻을 수 있다. 하지만 펄스 레이저보다 대략 10배 혹은 20배 정도 긴 시간이다. 지름 10~20μm의 잘 포커스 된 빔은 이 정도 폭을 가진 컨택 핑거의 도핑을 가능하게 한다. 금속 컨택 생성을 위한 프린팅 공정에서는 이러한 작은 폭의 핑거에 충분한 정확도를 가지고 포개어 질 수 없다. 그러나 레이저의 강도를 올려서 웨이퍼 표면의 어떤 비유전층(Dielectric Layer), 예를 들면 SiNx 반사방지막 층을 제거할 수 있으면 셀프-얼라인(Self-aligning) 플레이팅 방식이 금속 컨택의 생성을 위해 사용될 수 있다. 이러한 공정은 ‘셀프-얼라인’ 공정으로 알려져 있으며, 호주에 있는 뉴사우스웨일즈(New South Wales) 대학교의 연구자들에 의해 처음으로 소개되었다(2).

펄스 레이저를 이용하면 레이저 빔을 예를 들면 150~300μm까지 더 키울 수 있다. 이 정도 크기로 도핑 된 핑거는 최신의 프린팅 기술을 사용하면 쉽게 프린트된 금속 컨택과 포개어 질 수 있다. 공정 시간이 더 짧기 때문에 열확산에 의한 열에너지 손실이 줄어들어 공정이 더 효율적으로 된다. 가용할 수 있는 레이저의 파워가 CW 레이저보다 훨씬 높은 관계로 동시에 하나의 핑거 이상을 프로세스 할 수 있으며, 이로 인해 더 생산성이 높은 레이저 가공을 가능하게 한다.

테스트 결과

독일 프라이부르그(Freiburg)에 있는 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems(ISE) 연구소와 함께 진행한 연속된 테스트에서 면 저항뿐만 아니라 실리콘 손상의 진전도 감소됨을 확인했다. 유효한 캐리어 수명의 측정 결과는 300ns 정도의 상당히 긴 레이저 펄스를 이용하는 공정은 캐리어의 수명을 눈에 띌 정도로는 감소시키지 않음을 보여준다(그림 3). 그러므로 격자 손상에 의한 셀 효율의 하락은 생기지 않을 듯하다. 추가적으로 긴 펄스는 그림 4에서 볼 수 있듯이 표면의 텍스처를 악화시키지 않는다.

비록 공정 자체는 지금까지 잘 알려져 있지만, 어떻게 레이저 빔을 가장 효율적이고 시간 절약 방식으로 적용할 것인가에 대한 논쟁은 지금도 계속되고 있다. 얇고 부서지기 쉬운(일반적으로 180μm 두께) 웨이퍼는 가장 단순하고 신뢰할 수 있는 빔 분할과 빔 쉐이핑 개념을 요구하고 있다. 빔 분할과 빔 쉐이핑은 하나의 레이저 빔을 컨택 핑거가 필요한 수만큼 나눌 수 있다. 장비 안으로 웨이퍼를 공급하는 방식은 웨이퍼의 로딩/언로딩 시간을 최소화하기 위해서 최적화되어야 한다. 추가적으로 웨이퍼들은 레이저 확산 공정을 위해 위치가 잘 정렬되어 한다. 왜냐하면 레이저 작업은 추후의 공정 단계에서 적용되는 컨택 핑거와 반드시 일치되어야 하기 때문이다.

다음 단계 : 동시 공정

Jenoptik사 Optical Systems 부문 엔지니어와 함께 Innovavent사는 독점적인 빔 스프리터(Splitter) 기술을 개발했다. 이 기술은 디프랙티브 옵티컬 엘리먼트(Diffractive Optical Element : DOE, 특허 출원 중)를 기반으로 하며, 동시에 100개 이상의 컨택 핑거를 한 번에 프로세싱 할 수 있다(그림 5).

핑거 크기, 개수 그리고 간격은 DOE의 파라미터 디자인으로 정할 수 있다. DOE는 버스 바 생성용뿐만 아니라 작은 개수의 넓은 핑거에 대해서, 혹은 많은 개수의 좁은 핑거에 대해서 디자인 하는 것이 모두 가능하다. 적합한 녹색 레이저 소스와의 조합으로 하나의 셀에 있는 모든 컨택 핑거에 대해서 레이저 빔을 한번 통과하는 것으로 프로세스 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 각각 200μm 폭으로 72개의 스폿으로 나눠지는 경우, 200μm의 모든 72개의 핑거를 한 번의 통과로 약 1초안에 가공한다. 셀프-얼라인 공정용의 작은 컨택 핑거는 다른 DOE를 가지고 25μm의 크기로 만들어 질 수 있고, 156개의 핑거에 대해서 1초 이내에 공정이 가능하게 한다.

산업용 레이저 장비

산업에 적용할 목적으로 Jenoptik사는 특별한 레이저(JenLas disk 80모델)를 개발했다(그림 6). 이 레이저는 10kHz 반복율에서 80W 평균 파워의 펄스 빔을 방출한다. 이 레이저만의 독특한 특징은 반복율, 발산(Divergence), 모드 수, 빔 지름 등과 같은 다른 어떤 레이저 빔 파라미터를 바꾸지 않고도 300에서 1,200ns 사이에서 펄스 지속을 자유로이 조절 가능하다는 것이다. 이러한 특징은 레이저 도핑과 같은 레이저 가공에서 가공 조건을 최적화하는 부분에 있어서 추가적인 자유도를 제공한다.

이 레이저 빔의 특징은 특히나 DOE와의 조합에서 필수 조건인 작은 모드 수 M2를 가지는 것이다. 오직 이런 조합의 스팟만이 25μm의 작은 크기의 스팟을 생성할 수 있고, 한번에 156개의 라인을 동시에 프로세스가 가능하도록 해준다.

셀 효율을 높이기 위한 시장 동향에 맞추어 Jenoptik사에는 새롭게 전문 장비인 JENOPTIK-VOTAN Solas 1800(그림 7)와 Solas 3600(그림 8)을 개발했다.

Jenoptik사는 사내에 전체의 부가가치 연결고리가 이루어져 있다. Jenoptik사는 레이저 소스, 옵틱, 그리고 가공 장비에 이르는 모든 것을 생산한다. 결정질 솔라셀의 효율을 향상시키기 위한 플랫폼은 하루 수천의 웨이퍼 생산능력을 가지는 R&D 장비와 시간당 3,600장의 웨이퍼 생산능력(24시간/7일 가동)을 가지는 자동화 장비에 필요한 요구사항을 충실히 이행한다. 장비에서는 위치 컨트롤, 자재공급, 웨이퍼 전면 부에는 접촉이 없는 핸들링, 배기장치, 품질 관리(이미지 프로세싱을 이용한)의 기능을 제공한다.

이 장비는 새로운 생산라인이나 현재 생산라인의 개량에 이용될 수 있다. 서비스가 용이한 벨트타입의 이송 방식은 모든 고객사의 웨이퍼 이송방식과 쉽게 호환이 가능하다.

결론

선택적인 에미터 도핑은 셀 효율을 증대시키는 부분에서 많은 잠재력을 가지고 있다. 독창적인 빔 쉐이핑과 분할 기술을 이용해 실제 산업에서 요구하는 웨이퍼 당 1초 정도의 택 타임(Tact Time)을 달성했다. 이렇게 개발된 DOE 방식은 유동적인 디자인, 사용상의 효용성과 편리성으로 인해 대량 생산에 대해 새로운 방향을 제시한다. 녹색 레이저 광과 긴 펄스는 단지 무시할 정도의 표면과 재료 손상만을 유발한다.

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