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[연재 | 신재생에너지 기술 현황과 전망] 분광엘립소미터(Ellipsometer)법의 새로운 응용
2009-10-06

분광엘립소미터(Ellipsometer)법의 새로운 응용


다이니폰스크린제조_미디어 & 정밀기기 컴퍼니
PE사업부_Mr. Sugimoto 계측기기 비지니스 부장

박막 Si계 태양전지

박막 Si계 태양전지는 기존 태양전지에 비해 Si사용량을 100분의 1 이하로 억제할 수 있어 대면적, 저비용화가 가능해 큰 주목을 끌고 있다. 박막 Si계 태양전지는 발전 효율을 높이기 위해 복잡한 텍스쳐(Texture) 구조와 다접합 구조(텐덤 구조)로 이루어진 것이 특징이다. <그림 1>은 현재 개발되고 있는 박막 Si계 태양전지 모델이다.

패널 제조의 과제

태양전지 모듈은 줄무늬(Stripe)상의 요소 셀에 의해 구성되며, 각각의 요소 셀은 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 만약 모듈 제조 공정에서 단 하나의 요소 셀이라도 구조가 불균일하면 모듈 전체의 성능이 저하된다(<그림2>참조). Turn-Key 비즈니스로 제조되고 있는 패널은 완성 후에 I-V 특성만을 측정하기 때문에, 본래 얻을 수 있는 출력 변환 효율보다 낮은 값(5~6%)이 되는 경우가 있다. 균일한 박막 Si를 생산하기 위해서는 증착 공정에서 막 품질을 모니터 하는 것이 필요하다. 그러기 위해서는 대면적으로 박막 Si의 막질을 관리하는 툴을 준비해야 한다.

분광 엘립소식 막 두께 측정기 ‘RE-8000’

복잡한 텍스쳐 구조가 이용되는 박막 Si계 태양전지의 각 막 두께를 측정하는 것은 어렵다. 그래서 분광 엘립소미터법을 이용하는 것으로 이 문제점을 해결했다. 분광 엘립소미터법은 사용하기 쉬우며, 고감도로 박막의 막 두께를 측정하는 계측기로 폭 넓게 사용되고 있어 반도체 제조 프로세스의 많은 공정에서 운용되고 있다.


빛의 파장을 변화시켜 측정을 실시하는 분광 엘립소미터법은 비접촉 · 비파괴로 간편한 고정밀도 측정법으로서 그 지위를 확립해 왔다. 다이니폰스크린제조가 이용한 광 엘립소미터는 회전 보상자형으로 다른 방식(회전 편광자 / 검광자, 위상 변조(Phase Modulation))과 비교해 측정 감도가 풀 레인지(Full-range)로 뛰어나 단시간 측정을 실현한다. <표 1>은 ‘RE-8000’의 사양을 나타낸다.

‘RE-8000’의 측정 능력

분광 엘립소미터법은 일반적으로 시료로부터 반사하는 빛의 편광 상태를 측정한다. 분광 엘립소미터법으로 측정되는 파라미터는 편광의 진폭비와 위상 차이를 각도로 나타낸 Ψ(프사이)와 ⊿(델타)로 표현한다. 특히 정밀한 계측을 하기 위해서 입사각을 변화시키는 다입사각 분광 엘립소미터법은 파장과 입사각의 양쪽 모두를 함수로 해서 측정한다. 분광 엘립소미터법은 두 개의 값의 비를 측정하기 때문에 정도(精度)가 높고 재현성도 좋다. 또한 기준재료가 필요 없다. 위상 차이(⊿)를 측정하므로 Å레벨의 매우 얇은 막에 대해서 좋은 감도를 얻을 수 있다.
다이니폰스크린제조가 개발한 ‘RE-8000’는 회전 보상자법이 가세해 입사 각도를 바꾸어 복수 측정을 실시할 수 있는 방식을 채용했다. 입사 각도를 바꾸면, 시료 내를 통과하는 빛이 다른 광로를 취함으로써 새로운 정보가 취득되어 미지의 파라미터에 대한 감도가 최적화(Fitting) 된다. 게다가 두 종류의 분광기를 장착해 측정 파장 영역을 가시(可視)로 부터 근적외까지 측정 가능하게 했다.


이것으로 TCO(투명 전극막), a-Si 및 μc-Si의 막 두께 · 굴절률 · 흡수 계수를 정확하게 구할 수 있다.

측정 사례

태양전지는 빛을 효율적으로 전기로 변환하기 위해서 여러 가지 방안이 궁리되고 있다. 그 중 하나로 투명 전극막의 텍스쳐 구조를 들 수 있다. 이것은 빛을 효율적으로 흡수시키기 위해서 일부러 규칙적인 요철을 만들어, 빛을 가능한 한 반사시키지 않고 태양 전지 내부에 가두는 구조이다. 그러나 이 구조는 빛의 난반사(亂反射)에 의해 가두는 효과는 안정적이지만 광학 측정이 곤란하다. 여기서 텍스쳐 구조를 가지는 막의 평가에 대해 데이터 해석 모델의 최적화(의사 구조화와 적절한 유전함수 결정)가 필요하다. 이 모델화가 태양전지 구조를 평가하는 데 중요한 노하우가 됐다. 분광 엘립소미터 해석에서는 적절한 모델화와 유전함수의 선택이 가장 중요한 요소이다. 게다가 다 입사각 데이터의 동시 해석이 광파장의 다른 복수의 데이터를 해석할 수 있기 때문에 막의 구조를 보다 정확하게 평가할 수 있다. 또한 재료가 가지는 흡수의 평가에 대해서도 보다 정확한 측정이 가능해졌다. 이러한 높은 해석 기술을 이용해 <그림 1>에 나타난 단접합형 박막 Si계 태양전지의 TCO 막상에 적층된 a-Si 구조(PIN 층)의 평가 · 해석 사례를 <그림 4>로 나타냈다. 다이니폰스크린제조가 개발한 ‘RE-8000’에 의해 기존 장치로는 부정확한 TCO 막상의 PIN 층 분리 측정이 가능해졌다.


Tturn-key 도입 후의 문제

Turn-key를 도입한 라인에서는 CVD 증착 장치관리 때문에 일부러 유리상에 PIN 층을 증착한 후, 단차계 또는 광간섭법(SR)에 의해 막 두께를 측정하고 있다. 이 방법에서는 텍스쳐 구조가 있는 TCO 막상의 PIN 층 분리 측정은 할 수 없다. 그 결과 불량 패널을 면 내에서 막 두께 관리가 되고 있지 않다.

패널 메이커의 동향

단접합형 박막 Si계 패널로부터 변환 효율이 향상하는 텐덤 구조(변환 효율 8~9%)로 이행한다. 이 기회에 모든 것을 고액의 Turn-key로 준비하는 것이 아니라 자사 개발이 가능한 프로세스 장치는 자사에서 준비해 TCO 막 유리를 구입했지만, 패널 제조 코스트를 내리기 위해서 자사에서 TCO 막을 제막하는 장치를 준비해 나갈 계획이다.


마무리

본 기사에서는 단접합의 측정 사례까지를 소개했다. 향후 높은 변환 효율의 다접합형 박막 Si계 태양전지가 보급될 것이다. 그러기 위해서는 μc-Si 층 또는 a-SiGe 층을 최적으로 모델화 한 측정과 유리 기판상의 TCO 막 측정이 열쇠를 쥐고 있다.
다이니폰스크린제조는 ‘RE-8000’의 자매기를 투입해 TCO 막의 투과율, 헤이즈율, 시트 저항도측정 가능한 장치를 제공할 예정이다. 아울러 분광엘립소미터법은 캐리어 밀도, 캐리어 이동도, 밴드갭 등 재료의 물성도 측정할 수 있도록 하기 위해, 향후의 응용 전개를 검토하고 있다. 또한 다이니폰스크린제조는 CO₂배출량 삭감, 에코 사회 실현을 위해 고변환 효율을 유지하는 박막 태양전지 패널 제조의 품질관리를 서포트 하는 것으로 사회공헌을 달성해 나갈 예정이다.

출처 : Semiconductor FPDWorld 2009년 7월
자료 제공 : 다이니폰스크린코리아㈜ 박진홍 (02)727-0836


Ellipsometry
‘Ellipsometry’는 ‘Ellips(타원)’과 ‘Metry(측정기술)’의 합성어로, 편광을 이용한 광 측정기술의 일종이다. 다양한 방식으로 빛의 편광 특성 변화를 확인해 빛의 파장에 따른 물질의 복소 굴절률(Complex Refrective Index)을 측정하는 방법이다. ‘Ellipsometry’는 그 측정기술을 일컫고 그 장비를 지칭할 때는 ‘Ellipsometer’라고 부른다.
한국에서는 기술의 경우 ‘타원해석기술’, ‘타원계측법’또는 ‘타원해석법’으로, 장비의 경우 ‘타원해석기’로 번역해 사용하고 있다.
또한 ‘타원편광분석기(술)’라고 표현하기도 한다.

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