KR20100131512A - 웨이퍼 이미징 및 처리하는 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
발광 이미지는 다결정 실리콘 웨이퍼와 같은 잘린 상태 또는 부분적으로 공정된 밴드갭 물질로부터 캡쳐가 개시된다. 이 이미지들은 밴드갭 물질에서 전위와 같은 결함에 대한 정보를 얻기 위해 처리된다. 결과로 얻은 정보는 개회로 전압 및 단락 전류와 같은 밴드갭 물질로 제조된 태양 전지의 다양한 주요 파라미터를 예측하기 위하여 활용된다. 정보는 또한 밴드갭 물질에 분류를 적용하도록 활용될 것이다. 방법은 또한 밴드갭 물질에서의 결함의 밀도를 줄이기 위하여 실시하는 풀림과 같은 추가적인 공정 단계의 효과를 조정하거나 평가하기 위하여 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘 웨이퍼와 같은 직접(direct) 및 간접(indirect) 밴드갭 반도체 물질로부터 얻어지는 발광 이미지 처리의 분야에 관한 것이다. 특히 상기 웨이퍼 재료에서 결함에 관한 정보를 얻기 위하여 웨이퍼의 발광 이미지를 분석하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 정보는 상기 웨이퍼를 분류하고 웨이퍼로 만들어진 소자의 동작 특성을 예측하는 데 사용될 것이다.
본 명세서에서 종래 기술에 대한 어떠한 논의도 그러한 종래 기술이 널리 알려져 있거나 본 기술 분야에서의 일반적인 지식의 분야의 요소가 되는 인용으로써 고려되지 않을 것이다.
최근 가장 상업적인 광전지(특히 태양전지)는 주물 다결정(mc) 실리콘 블록으로부터 잘린 일반적으로 10×10 cm2 내지 21×21 cm2인 다결정 실리콘 웨이퍼로 만들어진다. 가장 넓게 사용되는 스크린 프린팅(screen printing) 태양전지 공정에서 실리콘 웨이퍼를 자른 후에 태양 전지를 형성하는데 있어서 주요 공정 단계는 (1) 표면 손상 식각, (2) 텍스쳐링(texturing), (3) 디퓨전(diffusion), (4) SiN 증착, (5) 금속 접속(metal contact)의 스크린 프린팅, (6) 급속 열처리, (7) 측면 분리(edge isolation), 및 (8) 전기적 특성화 및 결함 분류(binning)이다. 더 정교한 태양 전지 컨셉은 고농도로 도핑된 부분은 금속 접속 아래에 형성되는 소위 선택적 이미터(emitter)를 사용한다. 또 다른 진보된 전지 컨셉은 뒷면 재결합을 향상시키기 위하여 뒷면에 점 접속(point contact)를 사용한다. 일반적으로 전지의 상기 전기적 성능은 오직 제조 공정 가까이 또는 끝에서 측정된다.
초기 웨이퍼는 일반적으로 정사각형(10×10 cm2 내지 21×21 cm2)형의 기둥(또는 브릭(brick))에서 큰 주물 실리콘 블록(또한 주괴로 잘 알려진 일반적으로 1×1×0.7 cm3까지의 크기)을 잘라서 제조된다. 최근에 일부 웨이퍼 제조업자는 국부적인 재료의 질에 대한 정보를 얻기 위하여 정사각형 블록 또는 브릭을 따라 준안정상태 광전도도 또는 광전도도 쇠퇴 측정과 같은 소수 캐리어(minority carrier) 수명 측정을 사용한다. 각 웨이퍼의 웨이퍼 면적 안에서 하나 또는 여러 선스캐닝(line-scanning)을 하는 것은 상기 웨이퍼 품질을 평가하기 위하여 또한 사용될 수 있다. 일반적으로 각 웨이퍼에서 재료의 품질의 측면 변화(lateral variation)에 대한 제한된 이차원 정보만이 얻어진다. 이것은 특성 측정에 이용할 수 있는 시간을 한정하여, 일반적으로 매 1 내지 3초마다 한 장의 웨이퍼를 다루는 대규모 태양전지 제조라인의 결과이다.
전기 접속의 스크린 프린팅 및 급속 열처리와 같은 일부의 태양 전지 제조 공정은 부분적으로 공정된 웨이퍼는 일반적으로 벨트 위에서의 차례차례로 다음 공정으로 운반되는 실제 라인 상의 공정으로써 수행될 수 있다. 디퓨전 및 SiN 증착과 같은 다른 공정은 동시에 공정되는 몇 십 내지 몇 백 장의 웨이퍼들로 이루어진 배치 공정(batch process)로써 수행된다.
일반적인 실리콘 태양 전지 제조 라인의 평균 처리량은 매 1 내지 3초당 하나의 태양 전지일 것이며 이것은 라인에서의 각 시료의 특성 측정이 가능한 시간을 한정한다. 실재하는 공간적으로 해결된 측정은 일반적으로 그러한 짧은 시간 동안 전자 웨이퍼 품질에 대한 고해상 이차원 정보를 얻기에는 너무 느리다. 반면 작은 결함은 소자 성능에서 큰 영향을 줄 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 높은 공간 해상도(픽셀당 <1mm)는 신뢰할 수 있는 특성 특정을 위하여 필요하다. 따라서 제조업자들은 충분히 높은 측면 공간 해상도를 갖는 제조 공정을 거치는 모든 웨이퍼 또는 대부분의 웨이퍼의 전기적 특성을 측정하도록 하는 한정된 도구를 갖는다.
발광하는 물질들은 소위 밴드갭이라고 하는 전자의 상태 밀도에서의 간격을 갖는다. 그러한 물질들은 밴드갭 물질이라고 부른다. 실리콘을 포함하는 직접 및 간접 밴드갭 반도체들은 이 정의에 포함된다. 전위는 실리콘과 같은 반도체에서의 구조적 결함의 일반적 형태이고, 전위의 존재는 물질의 전기적 특성 및 상기 물질로 만들어진 태양 전지와 같은 소자의 성능에 강한 영향을 미친다.
본 발명은 종래 기술의 적어도 하나의 단점을 극복 또는 개선하거나 유용한 대안을 제공하기 위한 것이다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭(bandgap) 물질의 분석을 수행하는 방법으로서, (a) 상기 밴드갭 물질의 발광 이미지를 캡쳐(capture)하는 단계, (b) 상기 이미지를 처리하여 상기 밴드갭 물질의 결함들에 대한 정보를 얻는 단계 및 (c) 상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하는 단계를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질의 분석을 수행하는 방법으로서, (a) 상기 밴드갭 물질에 전위 결함(dislocation defect)들에 대한 정보를 얻는 단계 및 (b) 상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하는 단계를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법으로서, (a) 적어도 하나의 상기 밴드갭 물질 시료를 얻는 단계, (b) 상기 적어도 하나의 시료의 발광 이미지를 캡쳐하는 단계, (c) 상기 이미지를 처리하여 상기 적어도 하나의 시료에서 결함에 대한 정보를 얻는 단계, (d) 상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하는 단계 및 (e) 상기 동작 특성과 상기 정보의 연관성을 보여주는 단계를 포함한다. 여기서, (b) 및 (c) 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 정보를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 정보는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.
상기 이미지를 처리하는 단계는 종래에 알려진 적절한 기술에 의하여 이미지를 향상시키는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 정보는 상기 기판 재료의 전위 결함에 대한 정보를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 정보는 상기 재료를 가로지르는 전위 결함의 밀도의 측정을 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 이미지를 처리하는 단계는 상기 전위 밀도의 절대적 또는 상대적 면적 평균 또는 상기 전위 밀도와 관련된 측정 기준을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 처리하는 단계는 또한 태양 전지의 예를 들어 금속 접속에 관하여 상기 전위의 위치에 근거하여 가중 기능(weighting function)을 포함할 수 있다. 상기 처리하는 단계는 또한 예를 들어 유효한 소수 캐리어 수명에 강력한 영향에서 분명한 것으로써 결함의 심한 정도에 대한 가중 기능을 포함할 것이다.
상기 밴드갭 물질은 실리콘을 포함할 수 있다. 일실시예에서 상기 밴드갭 기판 재료는 다결정 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있고, 상기 (c) 단계는 바람직하게는 기판으로서 상기 실리콘 웨이퍼 재료를 활용하는 반도체 소자의 적당한 동작 특성을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 다른 일실시예에서 상기 밴드갭 기판 재료는 주물 단결정 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 웨이퍼는 잘린 상태로 처리되지 않은 실리콘 웨이퍼 또는 부분적으로 처리된 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
상기 반도체 소자는 광전지를 포함할 수 있다.
상기 이미지 처리 단계는 배경 도핑 농도에 따라 이미지를 표준화하는 단계를 포함할 수 있다.
특정한 결함, 특히 전위는 종종 같은 블록에서 인접한 부분으로부터 웨이퍼에 매우 유사한 공간 분포로 나타난다. 다시 말하면 상기 공간 분포는 여러 인접 웨이퍼 사이에서 거의 다르지 않다. 일실시예는 실리콘 블록 또는 실리콘 브릭의 인접한 조각으로부터 잘린 단일 또는 다수의 웨이퍼에 상기 방법을 수행하는 단계 및 다른 인접한 웨이퍼에서 만들어진 소자의 적당한 동작 특성을 결정하기 위한 결과를 삽입 또는 추론하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 시료들 중 일부분에서만 측정한 것으로부터 더 큰 시료 세트를 예측할 수 있게 한다.
상기 방법은 (d) 상기 분석 단계의 결과를 활용하여 상기 태양 전지의 품질을 향상하도록 태양 전지의 형성에서 처리하는 단계의 계열과 연관된 파라미터를 고치는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 파라미터는 상기 실리콘 웨이퍼에 금속 패턴을 급속 열처리하기 위한 조건을 포함할 수 있다. 상기 파라미터는 또한 상기 실리콘 웨이퍼에 물질을 확산하기 위한 확산 조건을 포함할 수 있다.
다른 일실시예에서 상기 파라미터는 상기 밴드갭 물질에 물질을 확산하기 위한 확산 조건을 포함하거나 상기 물질에서 도핑된 부분을 만드는 다른 공정에 대한 파라미터를 포함한다.
다른 일실시예에서, 상기 방법은 또한 상기 웨이퍼의 상기 배경 도핑에 대하여 광발광 이미지를 표준화하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 표준화 단계는 상기 배경 도핑 농도에 의하여 각 화소에서 발광 강도를 나누는 것으로 이루어져 있다.
다른 실시예에서, 상기 처리 방법은 전위 밀도의 상기 가중 면적합 또는 면적 평균 또는 그리드 선에 대하여 및/또는 상기 전위 결함의 심한 정도에 따라서 상기 전위 결함의 위치에 대한 전위 밀도의 상대적 분포 볼타 전지(voltaic cell)의 금속 접속을 포함하는 다양한 옵션을 포함할 수 있다.
상기 정보는 광발광, 마이크로파 광전도도 쇠퇴, 광투과 또는 광반사 측정을 이용하여 상기 밴드갭 물질로부터 얻어질 수 있다. 광투과 또는 광반사 측정이 사용된 일부 경우에서, 1400nm~1700nm의 분광 범위에서 수행된다.
다음에서 논의될 것과 같이, 상기 언급된 방법들은 밴드갭 물질 및 소자의 범위에 대하여 적절하지만 개회로 전압을 포함하는 광전지의 동작 특성, 단락 밀도, 필 팩터 또는 효율을 예측하기 위해 설계되는 것이 바람직하다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법으로서, (a) 적어도 하나의 상기 밴드갭 물질의 시료를 얻는 단계, (b) 상기 적어도 하나의 시료에서 전위 결함들에 대한 정보를 얻는 단계, (c) 상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작특성을 분석하는 단계 및 (d) 상기 동작 특성과 상기 정보의 연관성을 보여주는 단계를 포함한다.
여기서, (b) 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 정보를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 정보는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법으로서, (a) 적어도 하나의 상기 밴드갭 물질의 시료를 얻는 단계, (b) 상기 적어도 하나의 시료에서 전위 결함들에 대한 정보를 얻는 단계, (c) 상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하는 단계, (d) 상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작특성을 분석하는 단계 및 (e) 상기 동작 특성과 상기 분류의 연관성을 보여주는 단계를 포함한다.
여기서, (b) 및 (c) 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 분류를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 분류는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.
바람직한 일실시예에서 상기 분류는 다른 품질 범주에서 상기 밴드갭 물질을 불량품 처리, 가격 책정 및/또는 결함 분류하거나, 상기 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 동작 특성을 예측하기 위하여 사용될 수 있다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 실리콘 웨이퍼 재료의 분석을 수행하는 방법에 있어서, (a) 상기 실리콘 웨이퍼 재료의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계, (b) 상기 이미지를 처리하여 상기 재료의 결함에 대한 정보를 얻는 단계 및 (c) 상기 정보를 활용하여 상기 실리콘 재료를 분류하는 단계를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 실리콘 웨이퍼로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법에 있어서, (a) 적어도 하나의 실리콘 웨이퍼 시료를 얻는 단계, (b) 상기 적어도 하나의 시료의 발광 이미지를 얻는 단계, (c) 상기 이미지를 처리하여 상기 적어도 하나의 시료에서 결함에 대한 정보를 얻는 단계, (d) 상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하는 단계 및 (e) 상기 동작 특성과 상기 정보의 관련성을 보여주는 단계를 포함한다.
여기서, (b) 및 (c) 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 정보를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 정보는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질의 분석하는 시스템에 있어서, 상기 밴드갭 물질의 발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치, 상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 결함에 대한 정보를 얻기 위한 이미지 처리기 및 상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하기 위한 분류기를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질의 분석하는 시스템에 있어서, 상기 밴드갭 물질에서 전위 결함에 대한 정보를 얻기 위한 수득 장치 및 상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하기 위한 분류기를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 시스템에 있어서, (a) 상기 밴드갭 물질의 적어도 하나의 시료의 발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치, (b) 상기 적어도 하나의 시료에서 결함에 대한 정보를 얻기 위한 이미지 처리기, (c) 상기 적어도 하나의 소자로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하기 위한 분석기, (d) 상기 동작 특성과 상기 정보와의 관련성을 얻기 위한 상관기(correlator) 및 (e) 상기 관련성 및 상기 더 많은 시료로부터 얻어진 상기 결함에 대한 정보에 기초하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료로부터 제조된 소자의 동작 특성을 예측하기 위한 예측기를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나이상의 동작 특성을 예측하는 시스템에 있어서, (a) 상기 밴드갭 물질의 적어도 하나의 시료에서 전위 결함에 대한 정보를 얻기 위한 수득 장치, (b) 상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하는 분석기 (c) 상기 동작 특성과 상기 정보 사이의 관련성을 얻기 위한 상관기 및 (d) 상기 상관관계 및 상기 더 많은 시료로부터 얻어진 전위 결함에 대한 정보에 기초하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료로부터 제조된 소자의 동작특성을 예측하기 위한 예측기를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 다결정 실리콘 웨이퍼에서 결정입계(grain boundary)와 전위 결함을 구분하기 위한 방법에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼의 발광 이미지를 캡쳐하는 단계, 상기 실리콘 웨이퍼의 일반적인 광학 이미지를 캡쳐하는 단계 및 상기 발광 이미지와 광학 이미지를 비교하는 단계를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 다결정 실리콘 웨이퍼에서 결정입계와 전위 결함을 구분하기 위한 시스템에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼의 발광 이미지를 캡쳐하기 위한 제1 이미지 캡쳐 장치, 상기 실리콘 웨이퍼의 일반적인 광학 이미지를 캡쳐하기 위한 제2 이미지 캡쳐 장치 및 상기 발광 이미지와 광학 이미지를 비교하기 위한 대조기를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 모니터링 공정에 대한 방법에 있어서, (a) 상기 공정 전에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계, (b) 상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 상기 결함의 밀도의 제1 측정을 얻는 단계, (c) 상기 공정 후에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계, (d) 상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 상기 결함의 밀도의 제2 측정을 얻는 단계 및 (e) 제1 측정 및 제2 측정을 비교하는 단계를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 제어 공정에 대한 방법에 있어서, (a) 상기 공전 전, 공정 후 또는 전후에 상기 물질의 하나 이상의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계, (b) 상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 상기 결함의 밀도의 하나 이상의 측정을 하는 단계 및 (c) 상기 하나 이상의 측정을 근거로 상기 공정의 하나 이상의 조건을 조정하는 단계를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 모니터링 공정에 대한 시스템에 있어서, 상기 결함 축소 공정 전후에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치, 상기 이미지를 처리하여 상기 결함 축소 공전 전후에 상기 물질에서 상기 결함의 밀도를 측정하기 위한 이미지 처리기 및 상기 측정을 비교하는 대조기를 포함한다.
다른 일실시예에 따르면, 본 발명은 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 제어 공정에 대한 시스템에 있어서, 상기 결함 축소 공정 전후 또는 전 또는 후에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치, 상기 이미지를 처리하여 상기 결함 축소 공정 전후 또는 전 또는 후에 상기 물질에서 상기 결함의 밀도를 측정하기 위한 이미지 처리기 및 적어도 하나의 상기 측정에 근거하여 상기 공정의 하나 이상의 조건을 조정하는 제어기를 포함한다.
발광 이미지는 다결정 실리콘 웨이퍼와 같은 잘린 상태 또는 부분적으로 공정된 밴드갭 물질로부터 캡쳐가 개시된다. 이 이미지들은 밴드갭 물질에서 전위와 같은 결함에 대한 정보를 얻기 위해 처리된다. 결과로 얻은 상기 정보는 개회로 전압 및 단락 전류와 같은 밴드갭 물질로 제조된 태양 전지의 다양한 주요 파라미터를 예측하기 위하여 활용된다. 상기 정보는 또한 밴드갭 물질에 분류를 적용하도록 활용될 것이다. 상기 방법은 또한 밴드갭 물질에서의 결함의 밀도를 줄이기 위하여 실시하는 풀림과 같은 추가적인 공정 단계의 효과를 조정하거나 평가하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예는 다음 도와 관련하여 실시예에 의해서만 설명될 것이다.
도 1a는 바람직한 일실시예의 단계도이다.
도 1b는 다른 바람직한 일실시예의 단계도이다.
도 2는 다결정 실리콘 웨이퍼의 광발광 이미지이다.
도 3은 도 2에 나타낸 이미지를 필터링한 이미지이다.
도 4는 처리하지 않은 다결정 실리콘 웨이퍼의 여광된 광발광 이미지이다.
도 5는 도 4의 웨이퍼에 인접한 웨이퍼로부터 만들어진 전(全) 공정된 태양 전지의 고역 필터링(high pass filter)된 광발광 이미지이다.
도 6은 도 5에 나타낸 태양 전지의 스펙트럼 라이트 빔 유도전류(Light Beam Induced Current; LBIC) 지도이다.
도 7은 처리되지 않은 웨이퍼에서의 전위 밀도와 이웃한 웨이퍼들로 만들어진 완성된 전지에서의 개회로 전압 사이의 관련성을 나타낸 도이다.
도 8은 바운더리(boundary) 웨이퍼, 즉 주괴의 가장자리에 가까운 부분에서 잘린 웨이퍼의 광발광 이미지이다.
도 9는 도 8의 웨이퍼에 인접한 웨이퍼들의 광발광 이미지이다.
도 10은 바람직한 실시예의 이용을 위한 제조라인 처리도이다.
도 1a는 바람직한 일실시예의 단계도이다.
도 1b는 다른 바람직한 일실시예의 단계도이다.
도 2는 다결정 실리콘 웨이퍼의 광발광 이미지이다.
도 3은 도 2에 나타낸 이미지를 필터링한 이미지이다.
도 4는 처리하지 않은 다결정 실리콘 웨이퍼의 여광된 광발광 이미지이다.
도 5는 도 4의 웨이퍼에 인접한 웨이퍼로부터 만들어진 전(全) 공정된 태양 전지의 고역 필터링(high pass filter)된 광발광 이미지이다.
도 6은 도 5에 나타낸 태양 전지의 스펙트럼 라이트 빔 유도전류(Light Beam Induced Current; LBIC) 지도이다.
도 7은 처리되지 않은 웨이퍼에서의 전위 밀도와 이웃한 웨이퍼들로 만들어진 완성된 전지에서의 개회로 전압 사이의 관련성을 나타낸 도이다.
도 8은 바운더리(boundary) 웨이퍼, 즉 주괴의 가장자리에 가까운 부분에서 잘린 웨이퍼의 광발광 이미지이다.
도 9는 도 8의 웨이퍼에 인접한 웨이퍼들의 광발광 이미지이다.
도 10은 바람직한 실시예의 이용을 위한 제조라인 처리도이다.
기판 재료(예를 들어 실리콘 웨이퍼)의 전자 재료 품질에서의 측면 변화(lateral variation)는 개회로 전압, 단락 전류 밀도, 필 팩터 및 효율과 같이, 상기 재료로부터 제조된 태양 전지의 주요 성능 파라미터에 큰 영향을 가질 수 있다.
본 바람직한 일실시예는 태양 전지 제조의 시작 부분 또는 웨이퍼 제조의 끝 부분에서 처리하지 않은 웨이퍼의 품질을 빠르게 측정할 수 있고, 일반적인 공전 조건하에서 기대되는 전지 성능 파라미터 또는 통계적인 차이를 예측할 수 있는 방법 및 시스템을 제공한다. 상기 방법 및 시스템은 또한 전자 재료 품질을 향상시키기는 풀림(annealing)과 같은 추가적인 공정 단계의 효과를 측정하는 데 사용될 수 있다.
본 바람직한 일실시예는 밴드갭 물질의 광발광(PL) 이미지, 즉 상기 물질의 광여기(photo-excitation)에 의하여 발생되는 밴드간 재결합 발광 이미지의 분석을 포함한다. 다른 실시예에서 상기 발광은 전자 여기(전장발광(electroluminescence))와 같은 다른 수단에 의하여 발생될 수 있다. PL 이미징(PL imaging)은 참조에 의해 포함된 미국 특허 출원 2009/0051914 A1에 예시로서 기재된 실리콘 웨이퍼 특성에 대한 빠르고 접촉하지 않는 계측 기술이다. PL 이미징은 높은 공간 해상도 및 웨이퍼당 약 1초라는 총 데이터 수득 시간으로 잘린 상태의 다결정 실리콘 웨이퍼에서 수행된다.
본 바람직한 일실시예는 특히 전위와 같은 결함들의 절대적 또는 상대적 밀도 분포의 측정 및 개회로 전압, 단락 전류 밀도, 필 팩터 및 효율을 포함하는 태양 전지 파라미터의 예측을 포함한, 처리되지 않았거나 부분적으로 처리된 실리콘 웨이퍼의 특성 측정에 대하여 적용된다. 본 발명은 전위들의 분포 밀도를 결정하는 것에 집중하지만, 본 발명적인 컨셉은 또한 불순물, 갈라짐 및 분로(shunt)를 포함하는 저하된 전지 성능으로 나타날 수 있는 다른 결함의 분석에도 적용된다.
결함 밀도 분포에서의 이 정보에 근거하여 웨이퍼는 다음의 이점으로 분류되거나 가격이 책정될 수 있다.
(1) 웨이퍼 제조업자들은 사양을 만족하는 웨이퍼 품질을 제공했던 고객(전지 제조업자)들에게 실증할 수 있도록 출하된 제품(웨이퍼)의 품질을 평가하기 위한 정보를 사용할 수 있거나, 품질에 따라 제품의 가격을 책정할 수 있다.
(2) 전지 제조업자들은 상기와 반대 방법, 즉 웨이퍼 제조업자에서 받은 웨이퍼가 요구되는 품질 사양을 만족하는지를 체크하기 위하여 상기 정보를 이용할 수 있다.
(3) 웨이퍼 제조업자들은 삼차원(즉, 웨이퍼의 횡단면적 및 웨이퍼가 잘린 것으로부터 브릭을 아래로 관통한 것)에서 전위의 분포를 결정하기 위하여, 처리 되지 않았거나 부분적으로 처리된 웨이퍼에서 PL 이미지를 체계적으로 사용할 수 있다. 이 정보는 제조 공정을 향상시키기 위하여 블록 캐스팅에 대한 공정 조건에 피드백 될 것이다.
(4) 전지 제조업자들은 웨이퍼를 분류하기 위하여 웨이퍼 결함 분류¸| 사용할 수 있다. 다른 최적의 공정조건은 다수의 전위를 갖는 웨이퍼에 대하여 존재하므로, 상기 웨이퍼는 최적화된 결함 분류 사양 공정 조건으로 공정될 것이다. 공정에서의 변화는 더 높은 품질이 나오도록 성취된다. 예를 들어 웨이퍼는 반드시 결함이 분명하고 높은 부분은 완료된 상태의 전지의 부스바(bus bar) 가까이에 있지 않도록 회전될 것이다. 레이저가 측면으로 전도 전류도를 한정하기 위하여 사용되는 반도체 핑거 기술(semiconductor finger technology)과 같은 최근 전지 컨셉에서, 상기 레이저는 전위 또는 불순물이 많이 있는 영역을 피하기 위하여 유도될 수 있을 것이다.
(5) 전지 제조업들은 또한 불충분한 재료 품질을 가진 웨이퍼를 불량 처리할 것이다.
(6) 전지 제조업들은 또한 특정한 태양 전지 공정 라인에 웨이퍼를 배치하기 위하여 상기 웨이퍼 결함 분류를 사용할 것이다. 상기 배치는 같은 종류의 태양 전지를 제조하지만 다른 라인에서 다른 공정 파라미터 또는 다른 종류의 태양전지를 생산하는 다른 전지라인을 갖는 다른 태양 전지 라인에 배치하는 것을 포함할 수 있다.
(7) PL 이미지로부터 결정된 것으로써 상기 결함 분포 파라미터는 웨이퍼 품질에 대하여 표준 파라미터가 될 수 있다.
(8) 시간을 넘어, 분석의 대용량은 향상된 이미지 분석 결과 및 결함 분류에 대한 향상된 알고리즘을 제공하기 위하여 구축될 수 있다.
일실시예에 포함된 단계는 실리콘과 같은 밴드갭 물질로부터 광발광 이미지의 캡쳐 및 처리를 포함하고, 상기 물질로부터 제조된 광(태양) 전지와 같은 소자의 동작 특성을 예측하기 위한 처리의 결과를 사용하는 것을 포함한다. 단계 1은 도 1a에 나타내었고, 시료에 존재할 것인 전위와 같은 결함을 강조하기 위해 맨 먼저 이미지의 화질을 높이고, 다음으로 상기 결함의 분포에 대한 정보를 얻기 위한 상기 캡쳐된 이미지의 처리 단계 3이 이어지는 광발광 이미지를 캡쳐링 하는 제1 단계 2를 포함한다. 이 정보는 결함 밀도, 결함 분포 또는 두 가지 모두와 관계된 전함 밀도 또는 ic의 절대적 또는 상대적 면적 평균을 포함할 것이다. 마지막으로 단계 4에서 상기 정보는 상기 물질로 만들어진 태양 전지와 같은 소자의 동작 특성을 예측하기 위하여 사용된다.
다른 일실시예에 포함된 단계는 실리콘과 같은 밴드갭 물질로부터 광발광 이미지의 캡쳐 및 처리를 포함하고, 상기 물질을 분류하기 위한 처리의 결과를 사용하는 것을 포함한다. 단계 5는 도 1b에 나타내었고, 첫째로 상기 시료에 존재하는 전위와 같은 결함을 강조하기 위하여 이미지의 화질을 높이고, 둘 때로 상기 결함들의 분포에 대한 전보를 얻기 위하여, 상기 캡쳐된 이미지의 처리 단계 3이 이어지는 광발광 이미지를 캡쳐하는 제 1단계 2를 포함한다. 이 정보는 결함 밀도, 결함 분포 또는 두 가지 모두와 관계되고, 시료에서 성능지수를 부과하는 데 사용되는 전함 밀도 또는 메트릭(metric)의 절대적 또는 상대적 면적 평균을 포함할 것이다. 마지막으로 단계 6에서 이 성능 지수는 시료를 분류하기 위하여, 예를 들어 결함분류 또는 가격 책정을 목적으로 사용된다. 그 다음 소자의 동작 특성은 절대적인 정확도로 예측할 수 없는 반면에, 캡쳐된 이미지 처리(3)의 결과와 특정한 태양 전지 특성 사이의 밴드갭 통계적 관련성으로 만들어진 태양 전지를 알기 위한 목적을 분류하고 가격을 책정하기에 충분하다는 것이 인정될 것이다. 또한 이것은 더 높은 전위 밀도를 가진 물질로 만들어진 소자는 통계적으로 저급의 특성을 갖는다는 동작 특성의 예측을 바탕으로 분류된 시료에 대하여 가능할 것이다.
PL 이미지 캡쳐는 잘 알려져 있고, 예를 들어 교차 참조에 의해 포함된 항목인 '실리콘 웨이퍼 및 태양 전지의 특성 측정을 위한 발광 이미지의 발달(Progress with luminescene imaging for the characterization of silicon wafers and solar cells)', 22회 유러피안 광전 태양 에너지 컨퍼런스, 이탈리아 밀라노, 2007년 9월에 기재되어 있다.
도 2는 태양 전지 제조에서 일반적으로 사용되는 다결정 실리콘 웨이퍼 1Ωcm p형 15×15cm2의 PL 이미지(10)의 예를 보여준다. 이 이미지는 재료 품질의 강한 차이, 즉 좋은 전기적 특성을 가진 부분에 해당하는 밝은 부분(11) 및 더 좋지 않은 전기적 특성을 가진 부분에 해당하는 어두운 부분(12)을 보여준다. 여기서 논의된 PL 이미지의 응용에서 발명자들은 반도체의 전도대에 있는 전자와 가전도대에 있는 정공간의 방사성 재결합하는 동안 일어나는 밴드간 발광의 측정을 언급한다. 실리콘에서 공정되는 동안 방사된 다수의 포톤(photon)들은 상온에서 850nm 내지 1300nm의 분광 범위에 있다.
PL 이미지(10)는 질린 상태의 15×15cm2의 다결정 실리콘 웨이퍼에서 수행되었다. 분석은 상기 이미지가 갖는 두 개의 두드러진 형태((a) 중심부(11)에서 더 높은 발광 강도 및 가장자리(12)를 향해 더 낮은 강도로 긴 범위 변화 및 (b) 더 낮은 강도의 짧은 범위 변화(13))를 포함한다. 상기 후자의 패턴은 전위 무리로서 해석된다. 일부 각 선은 또한 재결합-활성 결정입계에 의하여 발생될 수 있다.
바람직한 일실시예의 방법에서 다음 단계(3)는 PL 이미지를 처리하는 것이다.
다양한 표준 이미지 처리 기술은 특정한 미리 결정된 이미지 형태의 여광 또는 화질개선을 하도록 존재하며, 이것은 본 발명에서 태양전지의 품질을 떨어뜨릴 수 있는 결함의 특정 종류의 예에 대한 특성이다. 다른 것들 중에 이미지 처리 기술의 일반적인 형태는 노이즈 감소(중간값 필터링, 파형요소 영역(wavelet domain) 방법, 양방 필터링(bilateral filtering), 그레이 스케일(grey scale) 형태 복원), 선 검출(예를 들어 Sobel-외곽 검출과 같은 외곽 검출 기술을 사용) 및 이미지 디콘볼루션(deconvolution)(Weiner 필터링, 블라인드 디콘볼루션, Lucy-Richardson 및 Landweber 방법을 통한 반복 디콘볼루션)을 포함한다. 이 기술들은 R. Genzalez 및 R. Woods(3차 편집, 2008)에 의해 작성된 '디지털 이미지 처리'와 같은 표준 교재에 설명된다.
고역 필터링(high pass filtering) 이미지 또는 어떤 다른 신호 또는 데이터 셋의 낮은 파장 요소를 제거하는 필터링 처리에 대한 포괄적인 용어이다. 이와 관련해서 고역 필터링은 PL 이미지로부터 긴 범위 발광 변화의 영향을 제거하는데 사용될 수 있다. 도 3은 예를 들어 전위 또는 재결합 활성 결정입계에 의해 발생되는 작은 스케일의 변화(21)의 분포와 같이 긴 범위의 변화를 제거하는 고역 필터링으로 처리된 도 2 이미지의 PL 이미지의 결과 예(20)를 나타낸다. 고역 필터링의 단순한 형태의 예만이 원래 이미지에 빠른 푸리에 변형(Fast Fourier Transform; FFT)를 적용, 결과적인 파장 영역 이미지로부터 낮은 공간 파장을 제거 및 역 FFT를 적용하는 것으로 구성된다.
다른 일실시예에서, 이미지 처리 단계는 상기 이미지에 더 적용될 수 있다. 일례로, 이미지 그 자체는 향상된 결과에 대하여 배경 도핑 수준에 관하여 표준화될 것이다. 상기 배경 도펀트(dopant)는 예를 들어 p형 실리콘에 대하여 붕소(boron)이고, n형 실리콘에 대하여 인(phosphorus)이다. 다른 일례로, 이미지 명암 대비는 기술적인 해석 또는 시스템의 실험적으로 측정된 점 분포함수를 인용하는 위에서 언급된 이미지 디콘볼루션 기술의 하나에 의하여 개선될 것이다. 점 분포 효과는 일반적으로 비이상 빛에 의하여 발생되고, CCD 카메라를 이용한 발광 이미지의 경우에, 또한 CCD 칩에서 빛 측면 산란에 의하여 일어날 수 있다. 전위와 관련해서, 디콘볼루션 알고리즘은 전위 또는 다른 위치적 형태와 배경 사이의 이미지 명암대비를 매우 개선시킬 수 있다.
상기 재료에서 전위를 강조하기 위하여 필터링 및 디콘볼루션 기술의 조합에 의해 PL 이미지가 화질 개선될 때, 상기 이미지 처리 단계는 상기 전위의 분포 밀도에 대한 정보를 얻기 위하여 Sobel-외곽 검출(Sobel-edge detection)과 같은 하나 이상의 알고리즘을 이용하여 계속될 것이다.
다결정 실리콘의 PL 이미지에서 결정입계로부터 전위를 구분하는 것은 실제로 어려울 수 있다. 광학 이미지는 구분되기 위한 특징의 두 가지 형태인 결정입계를 보여주지만 전위는 보여주지 않기 때문에, 보통의 광학 이미지와 PL 이미지의 비교는 이와 관련해서 유용할 수 있다.
특정한 결함, 특히 전위는 종종 같은 브릭에서 인접한 위치로부터 웨이퍼에 유사한 공간적 분포로 나타난다. 즉, 상기 공간적 분포는 이웃한 여러 웨이퍼 사이에서 거의 달라지지 않는다. 도 4는 고역 필터링 후의 처리되지 않은 웨이퍼의 PL 이미지(40)가 나타내고, 도 5는 인접한 웨이퍼로 만들어진 완성된 전지의 PL 이미지(50)를 나타내고, 도 6은 같은 전지에서 취해진 스펙트럼 라이트 빔 유도전류(Light Beam Induced Current; LBIC) 지도로부터 얻어진 해당 확산 거리 이미지를 나타낸다. 강한 관련성은 상기 LBIC 데이터(도 6)과 처리되지 않은 인접한 웨이퍼에서의 PL 이미지(도 4)와의 사이에서 관찰된다. 이런 이유로 전지의 필터링된 PL 이미지는 상기 LBIC 데이터 이미지 대신 작용할 수 있고, 처리되지 않은 웨이퍼의 필터링된 PL 이미지는 그 웨이퍼 또는 브릭의 인접한 부분으로부터 잘린 웨이퍼로 만들어진 전지의 적당한 동작 조건의 지표로써 사용될 수 있다. 이것은 웨이퍼 시료들의 일부에서만의 측정으로부터 더 많은 시료의 세트에 대하여 기여되기 위하여 성능이 예측되도록 한다.
낮은 소수 캐리어 확산 거리를 가진 위치에 해당하는 도 6에서 상기 LBIC 데이터는 광 발생 캐리어의 수집은 상대적으로 낮은 위치와 일치하고, 이것은 상기 전지의 단락 전류 밀도에 직접적인 영향을 주는 경향이 있다. 도 4 및 도 6의 데이터간에 발견된 관련성은 처리되지 않은 웨이퍼에서의 PL 이미지는 완성된 전지에서 단락 전류 밀도와 연관이 있다는 것을 암시한다. 유사한 방식으로, 도 7은 위에서 PL 이미징으로 설명된 처리되지 않은 웨이퍼에서 평균 전위 밀도와 자매(인접한) 웨이퍼로부터 제조된 태양전지의 개회로 전압 간의 관련성을 나타낸다. 특히 더 낮은 전위 밀도는 처리되지 않거나 부분적으로 공정된 웨이퍼에서 관찰된 상기 전위 밀도는 전지 전압을 예측하기 위하여 사용될 수 있도록 더 높은 개회로 전압과 관련이 있는 것으로 보인다.
간단하게, 태양 전지 공정의 전반 부분에서 취해지는 모든 PL 이미지에 걸쳐 결함이 있는 위치(전위를 가진 위치)의 절대적이거나 상대적인 밀도의 평균 처리법은 단락 전류 밀도, 개회로 전압, 필 팩터 또는 효율(도 7)과 같은 전지 파라미터와 관련될 수 있다. 더 정교한 알고리즘은 예를 들어 금속 접속의 근접성(예를 들어 그리드 선 또는 부스바) 또는 상기 전지의 측면과 같은 상기 결함의 위치에 근거한 가중 기능(weighting function) 사용할 수 있다. 예를 들어 부스바 또는 금속 핑거etal finger)의 하나에 근접한 결함은 부스바로부터 더 멀리 위치한 결함보다 상기 전지 전압에 더 큰 영향을 주는 경향이 있다.
결함이 광발광 이미지에서 더 어둡게 나타날수록, 재결합 활동은 더 강하다. 가중 기능은 또한 결함이 있는 위치에서 발광 강도의 상대적 강도 변화에 근거할 것이다. 상기 발광 강도는 일반적으로 배경 도핑에 비례하고, 이것은 주괴의 바닥에서 꼭대기까지 잘 알려진 방법에서 다르다. 그러므로 상기 배경 도핑을 안다면(주괴에서 웨이퍼의 알려진 위지 및 별개의 측정을 통하는 것 중 어느 하나), 상기 발광 강도는 다른 웨이퍼로부터 상기 발광 강도의 대량 비교가 가능하도록, 도핑 수준에 표준화될 것이다. 상기 표준화는 동등하거나 주괴에서의 웨이퍼 위치에 일반적으로 비선형에 해당하는 전체 웨이퍼에 걸쳐 평균 배경 도핑 농도에 비례하는 정수 요소에 의하여 측정된 발광 이미지를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
설명된 상기 PL 이미징 기술은 처리되지 않거나 완성된 전지에서뿐만 아니라 태양 전지 제품에서 어느 공정 단계에서 나오는 웨이퍼에서도 사용될 수 있다.
실리콘 웨이퍼 또는 실리콘 브릭에서 전위의 밀도는 열 풀림 공정에 의하여 줄일 수 있다고 알려져 있다(K. Hartman 외 '높은 온도에서의 풀림에 의한 다결정 실리콘 태양 전지 재료에서 전위 밀도 감소(Dislocation density reduction in multicrystalline silicon solar cell material by high temperature annealing)', Applied Physics Letters vol 93(12) 122108(2008)). 웨이퍼 상에서의 그러한 공정은 전지 성능에서 전위의 효과를 경감시키기 위하여 웨이퍼 제조업자들 또는 태양 전지 제조업자들에 의해 사용될 수 있고, 웨이퍼 제조업자들은 또한 전체 브릭에 대해 풀림 공정을 진행할 수 있을 것이다. 상기 풀림 공정은 1200℃ 내지 1400℃ 사이의 온도에서 배치 공정(batch process) 또는 연속 일련 공정으로써 수행될 수 있을 것이다. 이론 상으로는 상기 공정은 실리콘 웨이퍼의 어떤 종류에서도 수행될 수 있지만, 전위를 포함한다고 알려진 실리콘 시료 즉, 다결정 실리콘 웨이퍼(스트링리본(string ribbon) 및 EFG(edge-defined film-fed growth) 웨이퍼를 모두 포함한다) 및 주물 단결정 웨이퍼에 대하여 가장 유용하다.
PL 측정은 절대적 또는 상대적인 영역의 전위 밀도 및 PL 측정은 전위가 영향을 미치는 영역(즉, 전위 밀도의 절대적 또는 상대적 분포)의 공간적 분포의 신속한 평가를 가능하게 하기 때문에, PL 이미징은 이 열 풀림 공정을 모니터 하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어 풀림 전후에 시료에 수행된 PL 이미징은 풀림 공정의 효율의 대량 평가를 가능하게 할 것이다. 개별 시료 추적은 불가능 하다면, 분석은 상기 풀림 단계 전후에 얻어진 PL 이미지로부터 계산된 다수의 시료로부터 전위 밀도에 대한 통계적인 데이터에 근거하여 수행될 수 있을 것이다.
그러한 공정 모니터링은 또한 상기 풀림 조건이 PL 이미지 분석으로부터 얻어진 결과에 근거하여 조절되는 향상된 공정 제어가 될 수 있다. 이 공정 제어는 미리 결정된 알고리즘 또는 실험에 의거한 데이터에 근거하여 자동적으로 수행될 수 있을 것이다. 예를 들어 이 풀림 조건들은 온도 프로파일(요구되는 온도로 시료를 가열, 하나 이상의 일정한 온도에서 유지 및 최종적으로 상온까지 상기 시료를 냉각) 또는 풀림로(annealing furnace)에서의 기압일 것이다. 풀림에 있어서의 최적의 공정조건은 또한 사전 풀림 PL 측정의 결과가 최적의 풀림 조건을 결정하는 데 사용되는 것처럼, 상기 전위 밀도 그 자체에 따라 달라질 것이다. 이것은 주어진 풀림 조건으로 각각의 결함 분류를 처리하도록 하기 위하여 서로 다른 품질 결함 분류로 웨이퍼를 분류하는 것과 결합된다.
풀림 전에 측정된 PL 이미지는 또한 상기 풀림 단계를 필요로 하지 않는 낮은 전위 밀도를 갖는 웨이퍼의 선택을 가능하게 하는, 높은 전위 밀도를 갖는 웨이퍼에 비해서 낮은 전위 밀도를 갖는 웨이퍼로 웨이퍼를 분리하기 위하여 사용될 수 있고, 그렇게 함으로써, 상기 추가적인 풀림 단계를 고려해야 하는 웨이퍼의 전체 양을 줄이고, 웨이퍼 또는 전지 제조에서 최적화된 동작을 얻는다.
밴드간 재결합 발광의 PL 이미징이 실리콘에서 전위의 분포밀도를 분석하는데 바람직한 방법이지만 유일한 방법은 아니다. 특정한 공정 및 여기 조건 하에서, 실리콘의 전위는 1400nm 내지 1700nm 분광 범위에서 발광하는 것이 입증되어 왔다(I. Tarasov 외, Defect Passovation in multicrystalline silicon for solar cells', Applied Physics Letters vol 85(19), 4346~4348(2004)). 발광에 적용되는 키르히호프의 법칙의 발생에 따라, 특정한 파장 범위에서 빛을 흡수할 수 있는 어떤 물질은 또한 반대로 같은 범위에서 발광할 수 있다. 그러므로 실리콘 웨이퍼에서 전위가 많은 영역은 전위 밀도가 0이거나 낮은 영역보다 1400nm 내지 1700nm 분광 범위에서 더 강하게 흡수할 것이다. 일실시예에서, 반사 또는 투과 측정은 분광 범위가 실리콘에서 전위를 찾아내기 위하여 사용되도록 제한했다. 이 반사 또는 투과 측정은 적합하고 좁은 스펙트럼 또는 적합하게 여과된 광원과 결합하여 1400nm 내지 1700nm 분광 범위에서 민감한 선스캔(line-scan) 또는 면카메라(area camera)를 이용하여 공간적으로 분석된 방법으로 수행될 수 있다.
전위와는 별도로, 발광 이미징에 의한 개시 웨이퍼 재료(즉, 잘린 상태의 웨이퍼)에서 확인될 수 있는 결함의 특정한 형태의 다른 예는 낮은 캐리어 수명 및 그에 따른 감소된 전지 효율의 결과로 나타나는 웨이퍼 가장자리에 가까운 불순물과 관련된 결함이다. 잘린 상태의 다결정 웨이퍼는 종종 웨이퍼가 잘렸던 주물 다결정 블록의 바닥, 꼭대기 및 옆면에서 고농도의 불순물로부터 비롯된 가장자리 주변 또는 모서리에서 낮은 품질을 갖는다. 이 불순물들은 종종 캐스팅되고, 결정화 과정 동안 상기 실리콘 블록에서 도가니(crucible) 벽으로부터 산소 및 전이금속 또는 다른 금속의 확산의 결과로 생긴다. 블록의 꼭대기에서, 캐리어의 수명은 블록의 바닥부터 꼭대기까지 일반적으로 진행되는 상기 결정화하는 동안 꼭대기에 떠오르는 전이 금속 및 탄소와 같은 분리된 불순물에 의하여 낮아진다. 바닥, 꼭대기 및 측면에서의 캐리어 수명이 낮은 영역은 이상적으로 좋은 품질의 영역만 웨이퍼 제조에 사용되도록 상기 블록은 브릭으로 잘게 썰리기 전에, 일반적으로 상기 웨이퍼 제조업자에 의해 제거된다. 그러나 종종 웨이퍼 제조업자들은 캐리어의 수명이 매우 낮은 물질은 가장자리나 한 모서리에 가까운 일부 웨이퍼들에서 발견되는 것과 같이 충분히 재료를 자르지 않는다.
도 8은 블록(왼쪽)의 가장자리로부터 잘렸던 웨이퍼의 PL 이미지의 예를 나타낸다. 상기 PL 이미지에서 일반적으로 어둡게 나타나는 고 불순물/낮은 수명 영역에서, 전위 및 결정입계와 같은 결함은 더 어두운 것 대신에 더 밝게 나타난다. 이 명암대비 반전은 전위 부근에서 재료 품질을 향상시키는 전위에 의하여 불순물의 제거 때문에 일어난다. 이 '밝은' 전위는 불순물 농도가 낮은 영역의 '어두운' 전위보다 더 확산되는 것으로 나타나지만, 유사 직선 추출(similar line detection) 알고리즘은 여전히 상기 전위를 강조하고 그 영역의 밀도를 측정하기 위하여 사용될 수 있다.
다른 일실시예에서, 따라서 상기 PL이미징은 (1) 주괴의 바닥 또는 꼭대기로부터의 웨이퍼 및 (2) 주괴의 가장자리 또는 모서리로부터의 웨이퍼를 구분하는 데 사용할 수 있다. 상기 PL이미지의 이미지 처리 단계는 자동 식별 및 특정한 특징의 분류할 수 있다. 분류는 예를 들어 예를 들어 발광 강도에 의한 PL 이미지에서 마지막에 발견할 수 있는 결함의 심한 정도 또는 영향을 받은 영역 또는 두 가지의 조합에 근거할 것이다. 따라서 웨이퍼 및 전지 제조업자들은 다양한 품질 결함 분류로 이 웨이퍼들을 분류하기 위하여 PL 이미징을 활용할 것이고, 전지 제조업자들은 그러한 웨이퍼들을 불합격시켜 웨이퍼 제조업자로 되돌려 보내거나 낮은 가격을 지불할 수 있을 것이다.
예를 도 9에 나타낸다. 네 개의 인접한 웨이퍼들은 (a) 표면 손상 식각 후, (b) 이미터(emitter) 확산 후, (c) SiN 증착 후 및 (d) 전체 전지 공정 후에 PL이미지 처리 되었다. 상기 완성된 전지(d)에서 알아볼 수 있는 전위 덩어리들은 상기 확산 단계(b) 후 선명하게 관찰된다. 상기 전위는 또한 잘린 상태의 웨이퍼에서 PL에 의하여 검출할 수 있는 반면에, 상기 확산 단계 후에 측정하는 것은 PL 강도가 더 짧은 데이터를 수득, 낮은 품질의 장비 또는 높은 공간 해상도 이미지로 나타나는 결과 또는 그것들의 조합이 가능하도록 하는 그 단계 후에 일반적으로 향상되기 때문에 유리할 수 있다. 상기 향상된 광발광 신호는 확산된 면의 상기 이미터에서 전계 효과 표면 부동태처리(passivation)의 결과이다.
일실시예에서, 결함 분류 및 전용 처리과정은 상기 이미터 확산 단계 후에 적용될 것이다. 상기 확산 단계 후의 상기 PL 이미지로부터 얻은 결과에 근거하여 급속 열처리 조건과 같은 처리 단계를 조정하는 것이 가능하고, 그렇게 함으로써 향상된 결과를 제공한다.
더 수정하는 것도 가능하다. 웨이퍼 제조업자는 예를 들어 웨이퍼에서 뿐만 아니라 전체 블록 또는 개별 사각 기둥(브릭)에 상기 PL 이미징 기술을 쓸 수 있을 것이다. 예를 들어 보든 브릭은 상기 웨이퍼 제조업자들이 수명이 낮은 영역의 위치를 확인하거나 상기 브릭의 측면에서 전위 밀도를 발견하도록 웨이퍼로 잘라지기 전에 하나이상의 면에 PL 이미징으로 측정할 수 있고, 그렇게 함으로써 주어진 높이(즉 특정한 웨이퍼의 위치)에서 주괴 내부의 전위 밀도 또는 불순물의 높은 함유량에 의해 야기되는 수명이 낮은 영역의 위치에 대한 정보를 얻을 수 있다. 여러 이미지를 조합하는 것은 이와 관련해서 더 자세하고 정밀한 정보를 수득하는 것이 가능할 것이다. 웨이퍼 제조업자들은 또한 불순물이 많은 측면, 바닥 및 꼭대기를 잘라내기 위하여 가장 좋은 위치를 확인하기 위해 블록 전체를 측정할 것이다.
웨이퍼를 잘라서 만든 '브릭'이 측정될 때, 속도는 개별 웨이퍼를 측정하는 것만큼 결정적이지 않다. 일반적으로 브릭은 특성 측정을 위해 더 많은 시간을 쓸 수 있도록 몇 백 장의 웨이퍼로 잘린다. 그러므로 빛이 선형이고 선형 검출기 어레이(linear detect array)는 방출을 캡쳐하기 위하여 사용되는 선 스캐닝 PL 도구가 이용된다. 그 대신에 연속적인 이차원 이미지는 매핑(mapping) 형식의 배열로 상기 주괴 또는 블록의 다양한 부분에서 취해질 수 있고, 이렇게 함으로써 상기 전체 주괴 또는 블록의 고해상도 이미지를 만들어 낸다.
도 10은 바람직한 일실시예의 방법을 이용한 태양 전지의 제조에 대하여 표본 제조 라인을 도식적으로 나타내었다. 이 시스템에서 웨이퍼는 PL 캡쳐 시스템에 의하여 상이 비추어진 벨트를 따라 운반된다. 상기 결과 이미지는 표시 및 저장 전에 처리 및 분석된다.
바람직한 일실시예의 활용은 단결정 및 다결정 웨이퍼 모두로 확장될 수 있다. 다결정 웨이퍼는 일반적으로 주물 공정을 이용하여 공정된다. 다른 방법들은 'Czochralsky 법(Cz) 및 플롯존(float zone) 방법 등을 포함한 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조하는 공정에 대하여 존재한다. 전지 효율 면에서, 단결정 실리콘은 일반적으로 다결정 실리콘보다 선호되지만, 태양 전지의 더 높은 효율은 일반적으로 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조하는 더 높은 비용에 의해 상쇄된다. 최근 주물 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위한 방법이 도입되고 있고, 방법의 상세한 내용은 Stoddard 등의 명의로 출원된 미국 출원 특허 2007/0169684 A1에서 찾을 수 있다. 기존의 단결정 실리콘 웨이퍼의 일반적인 이점은 단결정 실리콘 웨이퍼는 다결정 웨이퍼에 비교해서 더 낮은 불순물 농도를 가지며, 전위 또는 결정입계와 같은 구조적인 결함이 본질적으로 없게 될 수 있는 것이다. 반대로 전위는 위에서 언급된 주물 단결정 웨이퍼에서 나타날 수 있다. 바람직한 일실시예의 기술은 부동태화하지 않은 주물 단결정 실리콘 웨이퍼에 동일하게 적용된다. 뿐만 아니라, 초반 단계에서 발광 이미징에 의한 웨이퍼로부터 결정된 것과 같은 구조적 결함의 밀도는 전류 밀도 및/또는 전압 또는 다른 전지 파라미터와 관련된 것이다. 다결정 웨이퍼에 비해서 발광 이미지로부터의 구조적 결함의 확인은 상당히 더 쉽고, 다결정 웨이퍼에서 취해진 발광 이미지에서 흔히 발견되는 많은 다른 특성의 결핍 때문에 주물 단결정 실리콘 웨이퍼의 경우에서 더 신뢰할 수 있다.
상기 바람실한 일실시예는 다른 광전지 재료에 직접 적용되고, 단결정 실리콘, 박막 실리콘, CdTe, 비정질 실리콘, 미세구조 실리콘(micro-morph silicon), 유리 상의 나노결정 실리콘, 셀렌화 구리 인듐 갈륨(Copper Indium Gallium Diselenide; CIGS) 및 박막과 관련된 재료와 같은 다른 밴드갭 물질에 활용될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 여러 다른 형식으로 구현되는 당업자에 의하여 인정될 것이다.
Claims (39)
- 밴드갭(bandgap) 물질의 분석을 수행하는 방법으로서,
상기 밴드갭 물질의 발광 이미지를 캡쳐(capture)하는 단계;
상기 이미지를 처리하여 상기 밴드갭 물질의 결함들에 대한 정보를 얻는 단계; 및
상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하는 단계를 포함하는 방법. - 밴드갭 물질의 분석을 수행하는 방법으로서,
상기 밴드갭 물질에 전위 결함(dislocation defect)들에 대한 정보를 얻는 단계; 및
상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하는 단계를 포함하는 방법. - 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법으로서,
적어도 하나의 상기 밴드갭 물질 시료를 얻는 단계;
상기 적어도 하나의 시료의 발광 이미지를 캡쳐하는 단계;
상기 이미지를 처리하여 상기 적어도 하나의 시료에서 결함에 대한 정보를 얻는 단계;
상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하는 단계; 및
상기 동작 특성과 상기 정보의 연관성을 보여주는 단계를 포함하는 방법.
(여기서, 발광 이미지를 캡쳐하는 단계 및 정보를 얻는 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 정보를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 정보는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.) - 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법으로서,
적어도 하나의 상기 밴드갭 물질의 시료를 얻는 단계;
상기 적어도 하나의 시료에서 전위 결함들에 대한 정보를 얻는 단계;
상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작특성을 분석하는 단계; 및
상기 동작 특성과 상기 정보의 연관성을 보여주는 단계를 포함하는 방법.
(여기서, 정보를 얻는 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 정보를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 정보는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.) - 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법으로서,
적어도 하나의 상기 밴드갭 물질의 시료를 얻는 단계;
상기 적어도 하나의 시료에서 전위 결함들에 대한 정보를 얻는 단계;
상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하는 단계;
상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작특성을 분석하는 단계; 및
상기 동작 특성과 상기 분류의 연관성을 보여주는 단계를 포함하는 방법.
(여기서, 발광 이미지를 캡쳐하는 단계 및 정보를 얻는 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 분류를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 분류는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.) - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 발광 이미지는 광발광(photoluminescence)인 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정보는 상기 밴드갭 물질에서 전위 밀도의 면적합(area sum) 또는 면평균(area average), 또는 전위의 상대적 분포를 포함하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밴드갭 물질은 실리콘을 포함하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 밴드갭 물질은 잘린 상태이거나 부분적으로 공정된 다결정 또는 단결정 실리콘 웨이퍼를 포함하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 활용하는 단계는 상기 다결정 또는 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 제조된 반도체 소자의 동작특성을 예측하는 것을 포함하는 방법. - 제10항에 있어서,
상기 반도체 소자는 광전지를 포함하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밴드갭 물질은 실리콘 블록을 포함하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밴드갭 물질의 주괴 또는 블록의 인접한 조각으로부터 잘린 하나 이상의 웨이퍼에 방법을 수행하고, 상기 주괴 또는 블록으로부터 잘린 하나 이상의 인접한 웨이퍼로부터 제조된 소자의 동작특성을 예측하거나 상기 인접한 웨이퍼를 분류한 결과를 삽입하거나 추론하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 밴드갭 물질의 가장자리를 따라서 칼날전위(edge defect) 또는 불순물에 기인하는 재질이 낮은 부분의 위치를 찾아내는 단계를 더 또는 양자택일로 포함하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전지의 질을 향상시키기 위하여 광전지의 형성 과정에서 일련의 처리하는 단계와 관련된 파라미터(parameter)를 변경하는 분류 또는 예측된 동작 특성을 활용하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 파라미터는 상기 밴드갭 물질에 금속 패턴을 발사하기 위한 조건을 포함하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 파라미터는 상기 밴드갭 물질로 물질들이 확산하기 위한 확산 조건 또는 상기 물질에 도핑된 부분을 만들어 내는 다른 공정에 대한 파라미터를 포함하는 방법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 밴드갭 물질의 배경 도핑 수준(background doping level)에 관하여 상기 이미지를 표준화하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제7항에 있어서,
상기 전위 밀도의 면적합 또는 면평균, 또는 전위의 상대적 분포는 광전지의 그리드 선(grid line) 또는 다른 금속 접속에 관한 상기 전위의 위치에 대하여 가중치가 주어지는 방법. - 제7항에 있어서,
상기 전위 밀도의 면적합 또는 면평균, 또는 전위의 상대적 분포는 상기 전위의 심한 정도에 따라서 가중치가 주어지는 방법. - 제20항에 있어서,
상기 심한 정도는 발광 이미지에서 명암대비에 기초하여 평가되는 방법. - 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정보는 광발광, 마이크로파 광전도도 쇠퇴, 광투과 또는 광반사 측정을 이용하여 상기 밴드갭 물질로부터 얻어지는 방법. - 제22항에 있어서,
상기 광투과 또는 광반사 측정은 1400nm~1700nm 분광 범위(spectral range)에서 수행되는 방법. - 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소자는 광전지이고, 상기 동작 특성은 개회로 전압(open circuit voltage), 단락 전류(short circuit current) 밀도, 필 팩터(fill factor) 또는 효율을 포함하는 방법. - 제1항, 제2항 또는 제5항에 있어서,
상기 밴드갭 물질의 상기 분류는 결함 분류(binning), 불량품 처리, 가격 책정 또는 상기 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성의 예측을 포함하는 방법. - 실리콘 웨이퍼 재료의 분석을 수행하는 방법에 있어서,
상기 실리콘 웨이퍼 재료의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계;
상기 이미지를 처리하여 상기 재료의 결함에 대한 정보를 얻는 단계; 및
상기 정보를 활용하여 상기 실리콘 재료를 분류하는 단계를 포함하는 방법. - 실리콘 웨이퍼로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 방법에 있어서,
적어도 하나의 실리콘 웨이퍼 시료를 얻는 단계;
상기 적어도 하나의 시료의 발광 이미지를 얻는 단계;
상기 이미지를 처리하여 상기 적어도 하나의 시료에서 결함에 대한 정보를 얻는 단계;
상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하는 단계; 및
상기 동작 특성과 상기 정보의 관련성을 보여주는 단계를 포함하는 방법
(여기서, 발광 이미지를 얻는 단계 및 정보를 얻는 단계는 더 많은 시료들에서 결함들에 대한 더 많은 정보를 얻기 위하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료들에 대하여 반복되고, 상기 더 많은 정보는 상기 더 많은 시료들로부터 제조된 소자의 상기 동작 특성을 예측하기 위하여 활용된다.) - 밴드갭 물질의 분석하는 시스템에 있어서,
상기 밴드갭 물질의 발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치,
상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 결함에 대한 정보를 얻기 위한 이미지 처리기, 및
상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하기 위한 분류기를 포함하는 시스템. - 밴드갭 물질의 분석하는 시스템에 있어서,
상기 밴드갭 물질에서 전위 결함에 대한 정보를 얻기 위한 수득 장치 및
상기 정보를 활용하여 상기 밴드갭 물질을 분류하기 위한 분류기를 포함하는 시스템. - 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 예측하는 시스템에 있어서,
상기 밴드갭 물질의 적어도 하나의 시료의 발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치,
상기 적어도 하나의 시료에서 결함에 대한 정보를 얻기 위한 이미지 처리기,
상기 적어도 하나의 소자로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하기 위한 분석기,
상기 동작 특성과 상기 정보와의 관련성을 얻기 위한 상관기(correlator), 및
상기 관련성 및 상기 더 많은 시료로부터 얻어진 상기 결함에 대한 정보에 기초하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료로부터 제조된 소자의 동작 특성을 예측하기 위한 예측기를 포함하는 시스템. - 밴드갭 물질로부터 제조된 소자의 하나이상의 동작 특성을 예측하는 시스템에 있어서,
상기 밴드갭 물질의 적어도 하나의 시료에서 전위 결함에 대한 정보를 얻기 위한 수득 장치,
상기 적어도 하나의 시료로부터 제조된 소자의 하나 이상의 동작 특성을 분석하는 분석기,
상기 동작 특성과 상기 정보 사이의 관련성을 얻기 위한 상관기, 및
상기 상관관계 및 상기 더 많은 시료로부터 얻어진 전위 결함에 대한 정보에 기초하여 상기 밴드갭 물질의 더 많은 시료로부터 제조된 소자의 동작특성을 예측하기 위한 예측기를 포함하는 시스템. - 다결정 실리콘 웨이퍼에서 결정입계(grain boundary)와 전위 결함을 구분하기 위한 방법에 있어서,
상기 실리콘 웨이퍼의 발광 이미지를 캡쳐하는 단계;
상기 실리콘 웨이퍼의 일반적인 광학 이미지를 캡쳐하는 단계; 및
상기 발광 이미지와 광학 이미지를 비교하는 단계를 포함하는 방법. - 다결정 실리콘 웨이퍼에서 결정입계(grain boundary)와 전위 결함을 구분하기 위한 시스템에 있어서,
상기 실리콘 웨이퍼의 발광 이미지를 캡쳐하기 위한 제1 이미지 캡쳐 장치,
상기 실리콘 웨이퍼의 일반적인 광학 이미지를 캡쳐하기 위한 제2 이미지 캡쳐 장치, 및
상기 발광 이미지와 광학 이미지를 비교하기 위한 대조기를 포함하는 시스템. - 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 모니터링 공정에 대한 방법에 있어서,
상기 공정 전에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계;
상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 상기 결함의 밀도의 제1 측정을 얻는 단계;
상기 공정 후에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계;
상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 상기 결함의 밀도의 제2 측정을 얻는 단계; 및
제1 측정 및 제2 측정을 비교하는 단계를 포함하는 방법. - 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 제어 공정에 대한 방법에 있어서,
상기 공전 전, 공정 후 또는 전후에 상기 물질의 하나 이상의 광발광 이미지를 캡쳐하는 단계;
상기 이미지를 처리하여 상기 물질에서 상기 결함의 밀도의 하나 이상의 측정을 하는 단계; 및
상기 하나 이상의 측정을 근거로 상기 공정의 하나 이상의 조건을 조정하는 단계를 포함하는 방법. - 제34항 또는 제35항에 있어서,
상기 밴드갭 물질은 실리콘이고, 상기 결함은 전위 결함이고, 상기 공정은 열 풀림(thermal annealing)인 방법. - 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 모니터링 공정에 대한 시스템에 있어서,
상기 결함 축소 공정 전후에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치,
상기 이미지를 처리하여 상기 결함 축소 공전 전후에 상기 물질에서 상기 결함의 밀도를 측정하기 위한 이미지 처리기, 및
상기 측정을 비교하는 대조기를 포함하는 시스템. - 밴드갭 물질에서 결함의 밀도를 줄이기 위한 제어 공정에 대한 시스템에 있어서,
상기 결함 축소 공정 전후 또는 전 또는 후에 상기 물질의 광발광 이미지를 캡쳐하기 위한 이미지 캡쳐 장치,
상기 이미지를 처리하여 상기 결함 축소 공정 전후 또는 전 또는 후에 상기 물질에서 상기 결함의 밀도를 측정하기 위한 이미지 처리기, 및
적어도 하나의 상기 측정에 근거하여 상기 공정의 하나 이상의 조건을 조정하는 제어기를 포함하는 시스템. - 제37항 또는 제38항에 있어서,
상기 밴드갭 물질은 실리콘, 상기 결함은 전위 결함이고, 상기 공정은 열 풀림인 시스템.
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