KR101244788B1 - Method of Making Electric Wiring on Silicon Substrate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 기판 상에 금속 배선을 형성하는 방법으로서, 금속 분말을 포함하고 있고 상온에서 고상(solid phase)인 배선용 잉크 조성물을 잉크 젯 노즐을 통해 드롭렛의 형태로 적하시켜 실리콘 기판 상에서 고화시키는 과정을 포함하는 것으로 구성된 배선 형성 방법에 관한 것으로, 배선용 잉크 조성물의 퍼짐 현상 및 적하시의 튀김 현상을 억제하고, 건조된 후에도 일정한 선폭과 높이의 배선을 유지할 수 있으며, 용매를 제거하기 위한 건조 공정을 생략하여 완제품의 제조공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.The present invention is a method of forming a metal wiring on a silicon substrate, comprising a metal powder and solid phase at a room temperature dropping the ink composition for dropping through the ink jet nozzle in the form of droplets to solidify on the silicon substrate It relates to a wiring forming method comprising a process, comprising: suppressing the spreading phenomenon of the ink composition for wiring and splashing during dropping, can maintain the wiring of a constant line width and height even after drying, drying process for removing the solvent By omitting, there is an effect that can simplify the manufacturing process of the finished product.
Description
도 1은 종래기술에 따른 스크린 프린팅 방식으로 기재 상에 형성된 배선의 폭과 높이의 변화 과정에 대한 모식도이다;1 is a schematic diagram of the process of changing the width and height of the wiring formed on the substrate by the screen printing method according to the prior art;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 배선용 잉크 조성물이 잉크 젯 노즐을 통해 고점도 드롭렛의 형태로 적하되어 적층되는 과정에 대한 모식도이다.FIG. 2 is a schematic diagram of a process in which a wiring ink composition is dropped and stacked in the form of a high viscosity droplet through an ink jet nozzle according to one embodiment of the present invention.
본 발명은 실리콘 기판 상에 배선을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 기판 상에 금속 배선을 형성하는 방법으로서, 금속 분말을 포함하고 있고 상온에서 고상(solid phase)인 배선용 잉크 조성물을 잉크 젯 노즐을 통해 드롭렛의 형태로 적하시켜 실리콘 기판 상에서 고화시키는 과정을 포함하는 것으로 구성된 배선의 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a wiring on a silicon substrate, and more particularly, to a method for forming a metal wiring on a silicon substrate, comprising a metal powder and a solid phase (wiring ink composition) at room temperature A method of forming a wiring comprising a step of dropping in the form of droplets through an ink jet nozzle to solidify on a silicon substrate.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍 부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.Recently, with increasing interest in environmental problems and energy depletion, there is a growing interest in solar cells as an alternative energy source with abundant energy resources, no problems with environmental pollution, and high energy efficiency.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.Solar cells can be divided into solar cells that generate steam required to rotate a turbine using solar heat, and solar cells that convert photons into electrical energy using properties of semiconductors. Among them, researches on solar cells that convert light energy into electrical energy by absorbing light to generate electrons and holes have been actively conducted.
이러한 태양광 전지(이하에서는 태양전지 로 약칭함)의 구조를 살펴보면, 제 1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층이 형성되어 있고 그 계면에 pn 접합을 포함하고 있으며, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 적어도 일부에 접촉되어 있는 후면전극과 상기 제 2 도전형 반도체 층의 적어도 일부에 접촉되어 있는 전면전극을 포함하고 있다.Looking at the structure of such a solar cell (hereinafter abbreviated as solar cell), a second conductive semiconductor layer of the opposite conductivity type is formed on the first conductive semiconductor substrate and includes a pn junction at the interface thereof. And a back electrode in contact with at least a portion of the first conductivity type semiconductor substrate and a front electrode in contact with at least a portion of the second conductivity type semiconductor layer.
일반적으로 상기 후면전극과 전면전극은 스크린 프린팅 방식으로 반도체 기판인 실리콘 기판과 접하여 상, 하부의 배선으로서 형성된다.In general, the back electrode and the front electrode are formed as upper and lower wirings in contact with a silicon substrate, which is a semiconductor substrate, by a screen printing method.
상기 스크린 프린팅 공정은 금속 분말, 바인더 및 용제를 포함하는 페이스트를 기재의 전면 또는 후면에 도포하는 방식으로 행해지며, 도포 공정 후에 반드시 건조 공정을 거쳐서 용제를 제거하여야 한다. 이러한 건조 공정은 스크린 프린팅 공정의 수만큼 반복되어야 하므로, 태양전지의 전체 제조공정을 길어지게 하는 주요 요인들 중의 하나로서 작용한다.The screen printing process is performed by applying a paste containing a metal powder, a binder, and a solvent to the front or rear surface of the substrate, and after the coating process, the solvent must be removed through a drying process. This drying process has to be repeated as many times as the screen printing process, and thus serves as one of the main factors to lengthen the overall manufacturing process of the solar cell.
따라서, 미국 특허등록 제6,814,795호에는 스크린 프린팅, 패드 프린팅, 압 출 등에 의한 배선 작업 시 건조 과정이 요구되지 않는 핫 멜트 전도체 페이스트 조성물(hot melt conductor paste composition)을 제시하고 있다. 상기 페이스트 조성물은 그것을 융점 이상의 온도로 가열하여 용융 상태로 만든 후 실리콘 기판 상에 인쇄하는 과정을 거치며, 이러한 인쇄된 용융물은 자연 냉각에 의해 고화되어 배선을 형성하게 된다. Accordingly, US Patent No. 6,814,795 discloses a hot melt conductor paste composition which does not require a drying process in wiring work by screen printing, pad printing, extrusion, or the like. The paste composition is heated to a temperature above the melting point to make it melted and then printed on a silicon substrate, and the printed melt is solidified by natural cooling to form wiring.
그러나, 태양전지는 배선의 형성 시, 빛의 흡수량을 최대화하기 위하여 좁은 선폭이 요구되고, 배선에서의 옴 저항을 줄이기 위하여 배선의 높이가 높아야 하지만, 스크린 프린팅 방식으로 실리콘 기판 상에 배선을 형성할 경우, 액상 또는 용융 상태의 페이스트가 스크린을 통과하는 과정에서 퍼짐으로써 선폭이 증가하는 문제점을 가지고 있다.However, solar cells require a narrow line width in order to maximize the absorption of light when forming the wiring, and the wiring height must be high in order to reduce the ohmic resistance in the wiring, but the wiring may be formed on the silicon substrate by screen printing. In this case, the spread of the liquid or molten paste in the process of passing through the screen has a problem that the line width increases.
우선, 휘발성 용제를 포함하는 종래의 페이스트 조성물에 의해 배선을 행하는 경우, 도 1에서 보는 바와 같이, 건조 과정 및 경화 과정에서 선 폭의 증가와 높이의 감소가 매우 현저하게 나타난다. 상기 특허의 경우는 건조 과정을 거치지 않으므로 상대적으로 선 높이의 감소가 적지만, 용융 상태에서의 낮은 점도로 인해 선의 퍼짐 현상이 크므로 소망하는 수준의 폭과 높이를 가진 배선을 이루기 어렵다는 단점을 가진다. First, when wiring is performed by the conventional paste composition containing a volatile solvent, as shown in FIG. 1, the increase in line width and the decrease in height are very remarkable in the drying process and the curing process. In the case of the patent, since the drying process does not go through, the decrease in line height is relatively small. However, since the spreading of the line is large due to the low viscosity in the molten state, it is difficult to form a wiring having a desired width and height. .
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a technique capable of fundamentally solving such problems.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-described problems of the prior art and the technical problems required from the past.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 금속 분말을 포함하고 있고 상온에서 고상(solid phase)인 배선용 잉크 조성물을 잉크 젯 노즐을 통해 비용융 상태의 드롭렛 형태로 적하시켜 실리콘 기판 상에서 고화시킬 경우, 배선용 잉크 조성물의 퍼짐 현상 및 적하시의 튀김 현상을 억제하고, 고화된 후에도 일정한 선폭과 높이의 배선을 유지할 수 있으며, 용매를 제거하기 위한 건조 공정을 생략하여 완제품의 제조공정을 간소화할 수 있는 잇점이 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.After extensive research and various experiments, the inventors of the present application have dropped the ink composition for wiring which contains metal powder and is solid phase at room temperature in the form of droplets in a non-melt state through an ink jet nozzle. In the case of solidifying on the substrate, it is possible to suppress the spreading of the ink composition for wiring and frying at the time of dropping, to maintain the wiring of a constant line width and height even after solidification, and to omit the drying process to remove the solvent, thereby producing a finished product. It has been found that there is an advantage that can be simplified, and came to complete the present invention.
따라서, 본 발명에 따른 배선 형성 방법은 실리콘 기판 상에 금속 배선을 형성하는 방법으로서, 금속 분말을 포함하고 있고 상온에서 고상(solid phase)인 배선용 잉크 조성물을 잉크 젯 노즐을 통해 가열 가압하여 비용융 상태의 드롭렛의 형태로 적하시켜 실리콘 기판 상에서 바로 고화시키는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.Accordingly, the wiring forming method according to the present invention is a method for forming a metal wiring on a silicon substrate, which is a non-melting method by heating and pressurizing an ink composition for wiring containing a metal powder and solid phase at room temperature through an ink jet nozzle. And dropping in the form of droplets in a state to solidify directly on the silicon substrate.
본 발명에 따른 배선 형성 방법은 스크린 프린팅 방식에서 요구되는 건조 공정 등을 거치지 않음으로써 전체 제조공정을 크게 단축하고 장치의 간소화를 추구할 수 있다. 또한, 비용융 상태로 적하되어 실리콘 기판 상에 충적되므로 선 폭에 대비하여 상대적으로 큰 높이의 배선을 이룰 수 있다.The wiring forming method according to the present invention can greatly shorten the entire manufacturing process and pursue device simplification by not undergoing the drying process required by the screen printing method. In addition, since it is dropped in a non-melting state and is deposited on the silicon substrate, wiring of a relatively high height can be made in preparation for the line width.
본 발명에서의 특징 중의 하나는, 배선용 잉크 조성물을 가열하더라도 완전한 용융 상태가 아닌 고점도 물질 상태, 즉, 비용융 상태로 유지하고 이를 강압적으로 가압하여 드롭렛의 형태로 만들어 배선 작업을 행한다는 점이다. 이러한 고점도 드롭렛은 기판 상에 적하될 때 되튀김 현상을 억제할 수 있으며, 용융 상태의 물질에 일반적으로 나타나는 포짐 현상을 최대한 억제하여 선 폭 대비 높은 높이의 배선을 이룰 수 있다. One of the characteristics of the present invention is that even when the wiring ink composition is heated, it is not completely melted, but is maintained in a high viscosity material state, that is, in a non-melt state, and it is pressurized to form a droplet to perform wiring work. . Such high-viscosity droplets can suppress the phenomenon of bounce when dropped onto the substrate, and can minimize the forcing phenomenon commonly seen in the molten state to achieve the wiring having a height higher than the line width.
이를 위하여 바람직하게는, 상기 잉크 젯 노즐을 배선용 잉크 조성물의 융점 이하의 온도로 가열하면서 동시에 가압하여 배선용 잉크 조성물을 고점도의 드롭렛의 형태로 실리콘 기판 상에 적하시켜 배선을 형성할 수 있다. 배선용 잉크 조성물은 그것의 융점 이하의 온도로 가열된 잉크 젯 노즐을 통과하므로 점도가 상대적으로 높지만 가압에 의해 강제적으로 압출될 수 있으며, 높은 점도로 인해 적하시 상기 드롭렛의 튀김 현상을 방지하여 더욱 좁은 선폭과 높은 높이를 가진 배선을 형성할 수 있다.To this end, preferably, the ink jet nozzle may be heated to a temperature below the melting point of the wiring ink composition and simultaneously pressed to drop the wiring ink composition onto the silicon substrate in the form of droplets of high viscosity to form wiring. The wiring ink composition passes through an ink jet nozzle heated to a temperature below its melting point, so that the viscosity is relatively high, but it can be forcibly extruded by pressure, and the high viscosity prevents splashing of the droplet upon dropping. It is possible to form wiring having a narrow line width and a high height.
상기 잉크 젯 노즐의 가열 온도는 배선용 잉크 조성물의 융점 이하로서 가압에 의해 드롭렛의 형성이 가능한 온도로서, 조성물의 구성성분들에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 상기 융점보다 5 내지 20℃ 이하일 수 있다. The heating temperature of the ink jet nozzle is a melting point of the ink composition for wiring, which is a temperature at which droplets may be formed by pressing, and may vary depending on the components of the composition, and may be 5 to 20 ° C. or lower than the melting point. have.
상기 잉크 젯 노즐을 가열하는 방법은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 잉크 젯 노즐 자체를 열전도성이 높은 소재로 구성하여 직접 가열하는 방법, 잉크 젯 노즐에 인접하도록 열전도성이 높은 코일 등을 설치하고 상기 코일을 가열하는 열전도를 행하는 방법 등이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 코일에 의해 소정의 온도로 가열된 잉크 젯 노즐을 통해 배선용 잉크 조성물이 고점도 드롭렛의 형태로 적하되어 실리콘 기판 상에 적층되는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.The ink jet nozzles may be heated in various ways. For example, the ink jet nozzles may be made of a material having high thermal conductivity to directly heat the ink jet nozzles, and a coil having a high thermal conductivity may be installed to be adjacent to the ink jet nozzles. And a method of conducting heat conduction for heating the coil may be used, but are not limited thereto. FIG. 2 schematically illustrates a process in which a wiring ink composition is dropped in the form of a high viscosity droplet and deposited on a silicon substrate through an ink jet nozzle heated to a predetermined temperature by a coil in accordance with one embodiment of the present invention. It is.
하나의 바람직한 예에서, 상기 실리콘 기판을 상온 이하로 냉각시켜 적하된 드롭렛을 빠르게 고화시킴으로써 드롭렛의 퍼짐 현상을 최대한 억제하여 소망하는 선 폭과 높이의 배선을 형성할 수도 있다. 이때, 배선용 잉크 조성물은 상온에서 고상의 형태이므로, 실리콘 기판을 상온 이하로 냉각시킬 경우, 드롭렛은 실리콘 기판과 접촉하는 것과 동시에 빠르게 고화될 수 있다.In one preferred example, the silicon substrate is cooled to below room temperature to rapidly solidify the dropped droplets, thereby minimizing the spreading of the droplets to form a wiring having a desired line width and height. At this time, since the wiring ink composition is in the form of a solid at room temperature, when the silicon substrate is cooled to less than or equal to room temperature, the droplet may be rapidly solidified at the same time as being in contact with the silicon substrate.
이 경우, 실리콘 기판의 온도는 상온 이하의 온도라면 특별히 제한된 것은 아니며, 바람직하게는 10 ~ 20℃로 설정될 수 있다. In this case, the temperature of the silicon substrate is not particularly limited as long as the temperature is less than or equal to room temperature, and may be preferably set to 10 to 20 ° C.
본 발명에서 상기 배선용 잉크 조성물은 금속 분말, 글라스 프릿(frit), 및 바인더를 포함하고 있는 조성물로서, 상기 금속 분말은 전도성이 높은 Ag 분말이 특히 바람직하다.In the present invention, the wiring ink composition is a composition containing a metal powder, a glass frit, and a binder, and the metal powder is particularly preferably Ag powder having high conductivity.
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상기 글라스 프릿은, 예를 들어, SiO2, Bi2O3, PbO, ZnO 등의 금속산화물로 이루어진 물질로서, 배선용 잉크 조성물의 융점을 낮추는 작용을 한다. 또한, 글라스 프릿은, 예를 들어 이후 설명하는 바와 같이, 실리콘 기판 상에 반사방지막 등의 층이 형성되어 있고 상기 층 상에 배선용 잉크 조성물을 적하시켜 배선용 패턴을 형성한 뒤 실리콘 기판에 대해 소결 공정을 행함에 있어서, 상기 층을 관 통(punch through)하여 배선용 잉크 조성물에 포함되어 있는 금속 분말이 실리콘 기판과 전기적 접촉을 이룰 수 있도록 조력하는 역할도 수행하므로, 상기 층의 존재 여부 및 그것의 성분에 따라 적정한 함량 등을 결정할 수 있다.The glass frit is, for example, made of a metal oxide such as SiO 2 , Bi 2 O 3 , PbO, ZnO, and lowers the melting point of the wiring ink composition. In the glass frit, for example, as described later, a layer such as an antireflection film is formed on the silicon substrate, and a wiring pattern is formed by dropping the ink composition for wiring on the layer, followed by sintering the silicon substrate. In performing the above, the metal powder contained in the ink composition for wiring through the layer (punch through) also serves to help the electrical contact with the silicon substrate, so that the presence of the layer and its components Depending on the appropriate content can be determined.
상기 배선용 잉크 조성물에는 실리콘 기판에 대한 접착성을 향상시키고 배선 형성 공정을 더욱 효율적으로 진행할 수 있도록 소정량의 바인더가 더 포함될 수도 있다. 상기 바인더의 종류는 당업계에서 사용되고 있는 바인더라면 특별히 제한된 것은 아니며, 예를 들어, 셀룰로오즈 계열의 에틸렌셀룰로오즈, 아크릴 계열의 폴리아크릴레이트 등일 수 있다.The wiring ink composition may further include a predetermined amount of binder to improve the adhesion to the silicon substrate and to proceed with the wiring forming process more efficiently. The type of the binder is not particularly limited as long as it is a binder used in the art, and for example, may be cellulose ethylene cellulose, acrylic polyacrylate, or the like.
본 발명에 따른 배선용 잉크 조성물은 잉크 젯 노즐에 의하여 가열됨으로써 드롭렛의 형태로 적하되며, 이러한 드롭렛의 점도는 조성물의 구성성분들과 가열 정도에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 1 Poise 이하일 수 있다. 상기 드롭렛의 점도가 너무 높은 경우에는 잉크 젯 노즐로부터의 분사가 용이하지 않고 기판 상에 적하되었을 때 높은 접착력을 가지지 못할 수 있으므로 바람직하지 않다.The wiring ink composition according to the present invention is dropped in the form of droplets by heating by an ink jet nozzle, and the viscosity of the droplets may vary depending on the constituents of the composition and the degree of heating, preferably 1 poise or less. have. If the viscosity of the droplet is too high, it is not preferable because the injection from the ink jet nozzle is not easy and may not have a high adhesive force when dropped onto the substrate.
본 발명에 따른 배선 형성 방법은, 특히 실리콘 기판에 전면전극을 형성하는 태양전지의 전극 배선 공정에 바람직하게 사용될 수 있다.The wiring forming method according to the present invention can be preferably used in the electrode wiring process of a solar cell, in particular, to form a front electrode on a silicon substrate.
태양전지의 전면전극 배선 공정에서, 드롭렛이 적하되는 실리콘 기판 위에는, 필요에 의해 다양한 종류의 층이 형성될 수도 있으며, 예를 들어, N+ 도핑층 등의 불순물 층 상에 반사방지막이 도포되어 있는 경우, 상기 드롭렛은 그러한 반사 방지층 상에 적하된다. 상기 반사방지막으로는 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 등이 일반적으로 사용된다.In the solar cell front electrode wiring process, various kinds of layers may be formed on the silicon substrate on which the droplets are dropped. For example, an anti-reflection film is coated on an impurity layer such as an N + doping layer. If present, the droplet is deposited on such an antireflective layer. As the anti-reflection film, silicon nitride or silicon oxide is generally used.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 실리콘 기판 상에 배선을 형성하기 위하여 드롭렛이 적하된 후에는 소결 과정을 거쳐 상기 드롭렛을 완전하게 배선으로서 고화시킬 수 있으며, 이때 용매를 제거하는 건조 과정은 생략된다.According to one embodiment of the present invention, after the droplet is dropped to form the wiring on the silicon substrate, the droplet may be completely solidified as the wiring through a sintering process, in which a drying process of removing the solvent Is omitted.
본 발명은 또한 상기 방법으로 실리콘 기판 상에 형성되어 있는 배선을 전면전극으로 포함하는 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지의 구조 및 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 생략한다. The present invention also provides a solar cell comprising as a front electrode a wiring formed on a silicon substrate by the above method. Since the structure of the solar cell and its manufacturing method are known in the art, it is omitted herein.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 배선 형성 방법은 배선용 잉크 조성물의 퍼짐 현상 및 적하시의 튀김 현상을 억제하고, 건조된 후에도 일정한 선 폭과 높이의 배선을 유지할 수 있으며, 용매를 제거하기 위한 건조 공정을 생략하여 완제품의 제조공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.As described above, the wiring forming method according to the present invention can suppress the spreading phenomenon of the ink composition for wiring and the splashing phenomenon at the time of dripping, and can maintain the wiring of a constant line width and height even after drying, and to remove the solvent By omitting the drying process there is an effect that can simplify the manufacturing process of the finished product.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims.
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Patent Citations (2)
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