(57)【要約】  本発明は、半導体シリコン基板のＰ型表面にｐ−ｎ接合層を形成するとき、特殊に考案されたスプレー装置でリン酸水溶液を常温および大気圧の条件で極微粒化させてシリコン表面に均一に塗布し、リン酸膜を０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで形成させた後熱拡散することで、半導体シリコン基板のＰ型表面にｐ−ｎ接合層が形成されるようにする方法に関するものである。また、本発明による半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置は、シリコン基板１を固定させるプレート２と、前記プレート２をステージ３に運ぶ移送装置１０と、前記ステージ３の鉛直上部に位置し一定角度（θ）を維持した状態で互いに向かい合うように配置された一対の液体噴霧用ヘッド２０と、を備え、前記ヘッド２０がスキャン装置４に搭載されて一定区間を往復動作しながらシリコン基板１の表面にリン酸水溶液をスプレーするように構成される。【選択図】図１
2011525296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプレー塗布装置を使用してシリコン基板の表面に１〜７％のリン酸水溶液を微細煙霧化させて０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの薄膜を形成させることを特徴とするリン酸水溶液を用いた半導体ｐ−ｎ接合層を形成する方法。
【請求項２】
シリコン基板１を上部に固定させるプレート２と、
前記プレート２を塗布作業がなされるステージ３に運ぶ移送装置１０と、
前記ステージ３の鉛直上部に位置し一定角度（θ）を維持した状態で互いに向かい合うように配置された一対の液体噴霧用ヘッド２０と、を備え、
前記ヘッド２０がスキャン装置４に搭載されて一定区間を往復動作しながらシリコン基板１の表面にリン酸水溶液をスプレーするようになった半導体ｐ‐ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置であって、
前記ヘッド２０が０．５ｍｍより小さい内径の液体自動噴霧ノズル２１を有し、前記ノズル２１先端から一定距離（Ａ）離れた地点でスプレー霧化部分を衝突させることができるように１０゜〜４５゜の範囲内で互いに向かい合うように配置されてスプレーされたリン酸水溶液がシリコン基板１に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで均一に塗布されるようにしたことを特徴とする半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置において、
前記ヘッド２０は、ノズル２１の先端から１０ｍｍ〜２０ｍｍ離れた地点でスプレー霧化部分を衝突させることを特徴とする半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置。
【請求項４】
請求項２記載の半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置において、
前記リン酸水溶液の適用濃度は１％〜７％であり、ヘッド２０から噴霧されるリン酸水溶液の噴霧圧力は０．３Ｍｐａであり、シリコン基板１の適正表面予熱温度が６０℃〜８０℃であることを特徴とする半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置。
【請求項５】
請求項２記載の半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置において、
前記移送装置１０の下部には、プレート２を加熱してシリコン基板１の表面温度を高めることができるヒータ３０が設けられたことを特徴とする半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置。
【請求項６】
請求項２記載の半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置において、
前記シリコン基板は、太陽電池対象の多結晶または単結晶シリコン基板のうちの一つであることを特徴とする半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置。
【請求項７】
請求項２記載の半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置において、
前記プレート２基板は、回転することを特徴とする半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体シリコン、太陽電池対象の多結晶または単結晶シリコン基板、またはその外のフレキシブル基板などのＰ型表面にｐ−ｎ接合層を形成するとき、特殊に考案されたスプレー装置でリン酸水溶液を常温および大気圧の条件で極微粒化させてシリコン表面に均一に塗布し、リン酸膜を０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで形成させた後熱拡散する方式であって、既存の高コスト蒸着工程を代替することができて設備投資費が安価なだけでなく、特に微細な凹凸のある表面や半球状パターンを有する表面にも均一な薄膜を形成してより精密なｐ−ｎ接合層が形成されるようにするリン酸水溶液を用いた半導体ｐ−ｎ接合層を形成する方法およびリン酸水溶液塗布装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、現在実用化されている多結晶シリコン太陽電池のＰ型半導体基板の表面には、不純物であるリンを含むオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3 ）またはＰＳＧ液などの拡散材料が塗布されｐ−ｎ接合層が形成されている。
通常前記ｐ−ｎ接合層は０．３ｍｍの厚さで形成され、このような超薄膜ｐ−ｎ接合層は熱拡散法として知られた特殊工法を通じて形成される。しかし、前記熱拡散法によれば、８００℃〜１，２００℃の火鉢内でＰ型シリコンの表面に不純物であるリンを含んでいるオキシ塩化リンやＰＳＧ液などを酸素と同時に投入する工程を必ず行うので、この過程で発生する塩素ガスや塩酸に対する防護または還元のような後処理が必須であり、これによる環境対策と処理対策に過多な費用が費やされているのが実情である。したがって、最近では前述したような後処理が不要なリン酸水溶液を拡散材料として用いる方案が研究されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述した拡散工程のような特別な雰囲気中で処理する必要がなく、薬液の取り扱いが容易であり、安全な水溶性リン酸溶液を塗布材料として用いて、常温および大気圧下の雰囲気で微粒化させてリン酸薄膜を半導体表面に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで形成した後簡単に加熱火鉢で熱拡散する方法が代案として検討される。
しかし、リン酸水溶液を拡散材料として用いる場合、シリコン基板にリン酸水溶液を塗布する過程で次のような問題が発生する。すなわち、リン酸水溶液を従来の薄膜塗布によく用いられるスピンコーティングまたはディップコーティング方式で塗布する場合、リン酸水溶液に含まれた水の表面張力の影響によってリン酸液がシリコン表面で跳ねて超薄膜領域で均一な膜の形成が難しくて実用化できなかった。また、リン酸水溶液を従来のスプレー方式で塗布するとしても、スプレーを通じて霧化されたリン酸水溶液の粒径が通常１０ｍｍ〜２０ｍｍ前後であるので、本工程で要求する０．３ｍｍの超薄膜が形成できないことはもちろん、スピンコーティングやディップコーティング方式と同じく水の表面張力の影響で均一な膜が形成されにくい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、前述したような問題点を考慮してなされたものであって、リン酸水溶液を用いてシリコン基板に０．３ｍｍの均一なｐ−ｎ接合層を形成させることができるリン酸水溶液を用いた半導体ｐ−ｎ接合層形成方法および基板のＰ型表面にリン酸水溶液を塗布するための装置を提供することにその目的がある。
【０００５】
前記目的を達成するために、本発明によるリン酸水溶液を用いた半導体ｐ−ｎ接合層を形成する方法は、スプレー塗布装置を使用してシリコン基板の表面に１〜７％のリン酸水溶液を微細煙霧化させて０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの薄膜を形成させることを特徴とする。
【０００６】
そして、本発明による半導体ｐ−ｎ接合層形成のためのリン酸水溶液塗布装置は、シリコン基板を上部に固定させる基板吸着用プレートと、前記プレートを塗布作業がなされるステージに運ぶ移送装置と、前記ステージ３の鉛直上部に位置し一定角度（θ）を維持した状態で互いに向かい合うように配置された一対の液体噴霧用ヘッド２０と、を備え、前記ヘッドがスキャン装置に搭載されて一定区間を往復動作しながらシリコン基板にリン酸水溶液をスプレーするようになった半導体ｐ−ｎ接合層を形成するためのリン酸水溶液塗布装置であって、前記ヘッド２０が０．５ｍｍより小さい内径の液体自動噴霧ノズルを有し、前記ノズル先端から一定距離（Ａ）離れた地点でスプレー霧化部分を衝突させることができるように１０゜〜４５゜の範囲内で互いに向かい合うように配置されてスプレーされたリン酸水溶液がシリコン基板に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで均一に塗布されるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
この場合、前記ヘッドは、ノズルの先端から１０ｍｍ〜２０ｍｍ離れた地点でスプレー霧化部分を衝突させることが望ましく、リン酸水溶液の濃度は１％〜７％の範囲、ヘッドから噴霧されるリン酸水溶液の噴霧圧力は０．３Ｍｐａ、シリコン基板１の表面温度は６０℃〜８０℃の予熱が望ましい。
また、前記移送装置の下部には、プレートを加熱してシリコン基板の表面温度をさらに高めることができるヒータが設けられ得る。
また、前記シリコン基板は、太陽電池対象の多結晶または単結晶シリコン基板が望ましい。
一方、必要な場合、前記プレートは、回転するようにすることもできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は以下の効果を奏する。
シリコン基板の表面に０．３ｍｍの超薄膜ｐ−ｎ接合層を均一に形成させることができる。
【０００９】
本願明細書に添付される以下の図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明によるリン酸水溶液塗布装置の平面図および正面図である。
【図２】本発明によるリン酸水溶液塗布装置を構成するヘッドの配置状態を示す正面図および側面図である。
【図３】本発明によるリン酸水溶液スプレー塗布装置のリン酸水溶液供給系統図と圧縮空気回路図である。
【図４】シリコン基板を回転させた塗布例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本願明細書および特許請求の範囲に使われた用語や単語が通常使われている意味や辞書で使われている意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。
【００１２】
図１は本発明によるリン酸水溶液塗布装置の平面図および正面図であり、図２は本発明によるリン酸水溶液塗布装置を構成するヘッドの配置状態を示す正面図および側面図である。
図１および図２に示すように、本発明は、シリコン基板１を上部に固定させる基板吸着用プレート２と、前記プレート２を塗布作業がなされるステージ３に運ぶ移送装置１０と、前記ステージ３の鉛直上部に位置し一定角度（θ）を維持した状態で互いに向かい合うように配置された一対の液体噴霧用ヘッド２０と、を基本的に備え、前記ヘッド２０がスキャン装置４に搭載されて一定区間を往復動作しながらシリコン基板１にリン酸水溶液をスプレーするように考案されたリン酸水溶液塗布装置に適用される。
【００１３】
前記スキャン装置４には、ヘッド２０を一定角度（θ）で支持するためのヘッドブラケット５が固定される。そして、前記ヘッドブラケット５は、ヘッド２０のボディと嵌合結合されるためのスロット５ａが左右対称の円弧状に形成され、ヘッド２０には前記スロット５ａに挿入される突起が形成される。作業者は、前記１対のヘッド２０をそれぞれスロット５ａの両側に挿入して結合させた後、ヘッド２０をスロット５ａに沿って移動させながら適正な角度に調節することができる。
【００１４】
本発明によれば、前記ヘッド２０は、スプレーされたリン酸水溶液がシリコン基板１に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで均一に塗布できるようにスプレーされるリン酸水溶液の霧化パターンの幅が５ｍｍ前後で狭く、吐出量は毎分当たり５ｃｃ以下で１０ｍｍ以下の微細粒子の形成が可能であるように０．５ｍｍより小さい内径を有した液体自動噴霧ノズル２１を有する。これは、ノズル２１の内径が０．５ｍｍより大きければ、スプレーされるリン酸水溶液の粒径が大きすぎて塗布層の厚さが増大するので、シリコン基板１に要求される０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの薄膜の均一塗布が難しいからである。
【００１５】
また、本発明によれば、スプレーされたリン酸水溶液の極微粒化を通じてシリコン基板１に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで塗布できるようにするために、前記ヘッド２０は、前記ノズル２１の先端から１０ｍｍ〜２０ｍｍほどの一定距離離れた地点でスプレー霧化部分を衝突させることができるように１０゜〜４５゜の角度範囲内で互いに向かい合うように配置される。
【００１６】
スプレー霧化の衝突距離がノズル２１の先端から１０ｍｍ未満であれば衝突距離が近すぎてまだ十分な霧化が形成されていない状態であるので微粒化の進行が行われなくなり、２０ｍｍを超えれば衝突距離が遠すぎて衝突圧力が小さいので微粒化の進行がわずかにしか行われなくなるだけでなく、塗布部領域も狭くなって、結局狭い空間に多すぎるリン酸水溶液が塗布されて塗布層の厚さが増大するので、シリコン基板１に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの均一な薄膜を得ることが難しい。
【００１７】
また、ヘッド２０がなす角度が１０゜未満であれば、塗布角が小さくて衝突した後の霧化パターンの幅が狭くなって狭い空間に多すぎるリン酸水溶液が噴射されて塗布層の厚さが増大するので、シリコン基板１に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの均一な薄膜を得ることが難しい。そして、ヘッド２０がなす角度が４５゜を超えれば、衝突された後の霧化パターンの幅が大きくて塗布部領域が広くなって、リン酸水溶液が広すぎる空間に塗布されて付着効率が大きく低下することになる。
【００１８】
図３は、本発明の望ましい実施例によるリン酸水溶液塗布装置のリン酸水溶液供給系統図とそれに対応する圧縮空気回路図である。
図３に示すように、前記一対のヘッド２０は、タンクに貯蔵されたリン酸水溶液をポンプ（Ｐ）に定量供給するための正配管４０をそれぞれ有する。そして、前記一対のヘッド２０が動作しないとき、リン酸水溶液を液体タンクに復帰させるための逆配管５０がさらに備えられる。また、前記正配管４０と逆配管５０にはそれぞれ第１電子バルブ４１と第２電子バルブ５１が設けられ、前記第２電子バルブ５１には逆配管５０に圧縮空気を供給する圧縮機７０が設けられる。
【００１９】
したがって、正常にリン酸水溶液が供給される場合には、第１電子バルブ４１が開放され第２電子バルブ５１が閉鎖状態になり、ヘッド２０が動作しない場合には、ポンプ（Ｐ）の作動が中止されると同時に第２電子バルブ５１が開放されながら圧縮された外部空気が逆配管５０を通じて一対のヘッド２０に供給される。その結果、ヘッド２０に供給されたリン酸水溶液が液体タンクに復帰することになる。
一方、一対のヘッド２０には別の圧縮空気供給用配管６０および圧縮空気供給用電子バルブ６１がさらに備えられて、ヘッド２０側に提供されるスプレー噴射圧力が調整可能に構成される。前記圧縮空気供給用配管６０は、前記圧縮機７０と連結される。
【００２０】
このように、スプレーされたリン酸水溶液がシリコン基板１に０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚さで塗布されれば、塗布厚さに応じて一回または数回の塗布過程を終えた後乾燥過程を経て水分が除去された状態で０．３ｍｍ厚さのｐ−ｎ接合層を得ることができるようになる。
【００２１】
本発明によれば、均一で精密な厚さの塗布層を得ることができるように、前記リン酸水溶液の濃度は１％〜７％にし、ヘッド２０から噴霧されるリン酸水溶液の噴霧圧力は０．３Ｍｐａにし、シリコン基板１の表面温度を６０℃〜８０℃に予熱させることが望ましい。
ここで、シリコン基板１を予熱させる理由は、噴霧されるリン酸水溶液の濃度を短時間に満足できるレベルに高めるためである。このため、前記移送装置１０の下部にはプレート２を加熱してシリコン基板１の表面温度を高めることができるヒータ３０がさらに設けられ得る。
【００２２】
前記ヒータ３０によってプレート２が適正温度に事前に加熱されれば、前記移送装置１０がプレート２をステージ３側に移送するように動作し、プレート２がスキャン装置４に搭載された一対の液体噴霧用ヘッド２０の中央下部に到逹すれば自動噴霧ノズル２１からリン酸水溶液が噴霧される。そして、噴霧されたリン酸水溶液の中でシリコン基板１に塗布されない残る余分は、ヒータ３０装置下部の排気口４０を通じて外部に排出される。
一方、図４に示すように、前記プレート２は回転可能に構成してリン酸水溶液の塗布が均一になされるようにすることが望ましい。
【００２３】
表１は、シリコン基板の温度およびリン酸水溶液の濃度をそれぞれ異ならせて得られるｐ−ｎ接合層の精密度を測定した結果である。本実験条件において、噴霧圧力は０．３Ｍｐａであり、塗布室温／相対湿度は２０℃、５０％であり、シリコン基板１は多結晶シリコン基板を用いて実験した。また、ノズル２１の移動速度は３００ｍｍ／ｍｉｎにし、ノズル２１とシリコン基板１との垂直距離は１８０ｍｍにした。このときの吐出量は１１ｃｃ／ｍｉｎ／ｄｕａｌ  ｓｐｒａｙ  ｇｕｎ（５．５ｃｃ／ｍｉｎ／ｓｉｎｇｌｅ  ｓｐｒａｙ  ｇｕｎ）であり、塗布回数は１回にした。完成したｐ−ｎ接合層は２００倍の光学顕微鏡を使用して観察した。
【表１】
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前記表１から分かるように、リン酸水溶液の濃度が１％〜７％であるときに、シリコン基板１の温度を６０℃〜８０℃に予熱した場合、最も精密度が良いｐ−ｎ接合層を得ることができる。
【００２４】
以下の表２は、リン酸水溶液の濃度が１％〜７％であり、シリコン基板１の温度を６０℃〜８０℃にした場合に、噴霧圧力を異ならせて得られる霧化粒径とｐ−ｎ接合層の精密度をともに測定した結果である。
【表２】
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前記表２から分かるように、リン酸水溶液の濃度が１％〜７％であるときに、シリコン基板１の温度を６０℃〜８０℃に予熱した場合、噴霧圧力が０．３Ｍｐａであるとき、最も精密度が良いｐ−ｎ接合層を得ることができる。
これは、前述した条件で噴霧圧力が０．３Ｍｐａより小さいかあるいは大きい場合には、霧化粒径が小さすぎるかあるいは大きすぎるようになってしまうので、塗布層の厚さが厚すぎるかあるいは薄すぎるようになって、完成したｐ−ｎ接合層の精密度を低下させるからである。
【００２５】
以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正および変形が可能なのは言うまでもない。
【図１】
2011525296.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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