유 승 봉 인텍플러스 영업부장
필자는 한국과학기술원(KAIST) 측정공학 박사학위를 취득하고 현재 인텍플러스 영업부장으로 활동하고 있다.
전 세계적으로 태양광발전 단가를 낮추기 위한 노력으로 많은 연구들이 진행되고 있다. 크게 요약해 보면 태양전지 자체의 발전 효율을 높이는 부분과 태양전지 제조에 사용되는 재료의 양을 줄이면서 이로 인한 태양전지의 가격을 낮추는 부분, 그리고 대량 생산 체제 구축을 통한 생산 단가 인하 부분 등으로 정리할 수 있다. 특히 생산 단가 부분에 있어서 웨이퍼를 기반으로 한 태양전지의 생산 단가가 급격하게 낮아짐에 따라 초기 박막 태양전지로의 빠른 전환이 예상되었던 태양전지 업체는 지속적으로 웨이퍼 기반 태양전지가 대부분의 시장을 구성하고 있는 상황이다.
기존에 180㎛ 이상의 두께를 유지했던 웨이퍼를 공정의 개선을 통해 차츰 160㎛ 이하의 두께로 양산을 적용하면서, 전체 태양전지의 많은 부분을 차지하고 있었던 폴리실리콘의 재료에 대한 단가 인하가 가능해 졌다. 또한 기술의 발전에 따라 일반적으로 30MW 급으로 설치되었던 생산라인의 고속화에 따라 50MW 급으로 생산라인을 꾸밀 수 있게 됐다. 이처럼 대량생산 체제로의 빠른 전환 역시 태양전지 단가 인하에 많은 기여를 했다.
태양전지 생산 현장의 단가 인하와 관련된 노력에 따라 얇은 웨이퍼를 핸들링하면서 발생할 수 있는 생산 공정상의 불량을 효과적으로 검출하고 생산라인에 피드백 하는 등 불량이 출하되지 않도록 하는 검사에 대한 수요들이 점차 확대되고 있는 실정이다.
웨이퍼 기반 태양전지의 제조 공정은 크게 잉곳 제조, 웨이퍼 제조, 셀 제조, 모듈 제조 공정으로 구분할 수 있다. 본 기사에서는 웨이퍼 및 셀 제조 공정상에서 발생할 수 있는 다양한 외관상의 불량에 대한 검사 이슈를 살펴보고, 이에 대한 검사 솔루션을 소개한다.
그림 1. 태양광 산업 전망. 경제위기가 전세계를 강타한 2008년 하반기부터 2009년까지 약간의 성장세가 꺾이기는 했지만 각국의 경기부양 정책으로 바로 성장률을 회복해 앞으로 지속적인 성장이 예상되는 분야이다.
그림 2. 태양전지 제조 공정별 외관 검사 이슈. 점차 얇아지는 웨이퍼를 핸들링하면서 발생할 수 있는 공정상의 불량을 최소화하기 위해 검사에 대한 수요가 확대되고 있다.
웨이퍼 마이크로크랙 검사 : 웨이퍼 깨짐에 대한 치명적인 불량
태양전지 제조 공정에서 웨이퍼의 두께가 점차 얇아지면서 이와 관련된 공정 장비들도 점차 얇은 웨이퍼를 핸들링 해야 하는 상황이다. 웨이퍼의 두께가 얇아짐에 따라 가장 이슈가 많이 되고 있는 부분이 웨이퍼 제조 공정상 혹은 핸들링 과정에서의 충격으로 인한 웨이퍼 파손의 문제점이다.
특히 웨이퍼의 미세한 균열, 즉 마이크로크랙(Micro-crack)은 외형으로는 확인이 되지 않지만 내부에 이 결함을 갖고 있을 경우 작은 충격에 의해서도 균열이 전파되어 웨이퍼의 파손으로까지 연결될 수 있는 치명적인 불량이다. 때문에 웨이퍼 제조 공정에서 웨이퍼를 출하하는 시점이나 셀 제조 공정에 웨이퍼를 투입하는 시점에서 반드시 검사해야 하는 중요 검사 이슈이다.
그림 3. 적외선 조명 투시를 통한 마이크로크랙 검사 개략도. 근적외선 조명을 투시하면 일반 조명상태에서는 확인되지 않는 웨이퍼 내부의 마이크로크랙을 확인할 수 있다.
일반적으로 마이크로크랙을 검사하는 방식은 실리콘 웨이퍼의 적외선에 대한 투과 특성을 이용한다. 실리콘 웨이퍼의 경우 약 1㎛ 수준의 파장대에 대해서 비교적 높은 투과 특성을 갖는다. 이러한 원리를 이용해 근적외선 조명을 웨이퍼에 조사하고 반대쪽에서 영상을 획득하게 되면 웨이퍼 내부에 존재해 일반 조명상태에서는 확인되지 않는 마이크로크랙을 확인할 수 있는 영상을 얻을 수 있다.
사진 1은 마이크로크랙 불량이 존재하는 웨이퍼에 대해 일반 조명으로 획득한 영상과 IR 투과 조명을 이용해 획득한 영상의 예다. 사진에서 확인할 수 있듯이 일반 조명에서는 일부 스크래치만 확인될 뿐 마이크로크랙을 확인할 수 없으나 IR 투과 조명에서는 마이크로크랙이 웨이퍼보다 어둡게 보이는 것을 확인할 수 있다.
사진 1. 일반 조명 및 IR 투과 조명 이미지 비교. 일반조명에서는 일부 스크래치만 확인될 뿐이지만 IR 투과 조명에서는 내부의 마이크로크랙까지 확인할 수 있다.
일반적으로 단결정 웨이퍼에 대한 마이크로크랙 검사는 이상의 방법으로 큰 어려움 없이 검출이 가능하다. 하지만 다결정 웨이퍼에 대해서는 결정의 결정립계(Grain Boundary)와 마이크로크랙에 의한 어두운 라인에 대한 구분을 효과적으로 진행하는 것이 검사기의 검출력을 높일 수 있는 중요한 요소가 된다.
최근에는 이러한 결정립계를 효과적으로 제거한 영상을 얻을 수 있는 방법들이 제시되고 있는 상황이며, 기존의 근적외선 투과 방식에 비해 아직까지는 검사 속도가 느린 단점으로 인해 실제 시장에서는 두 가지 검사 솔루션들이 모두 활용되고 있는 실정이다.
사진 2. 다결정 웨이퍼의 마이크로크랙 검사. 다결정 웨이퍼는 결정의 결정립계와 마이크로크랙에 의한 어두운 라인에 대한 구분을 효과적으로 진행하는 것이 검출력을 높일 수 있는 중요한 요소가 된다.
웨이퍼 외관 불량 검사 : 웨이퍼 제조 공정상의 외관 불량 검사
웨이퍼 제조 공정에서 완성된 웨이퍼에 대한 검사 공정은 이미 표준 공정으로 자리 잡혀 있으며, 대부분의 제조업체에서 이러한 외관상의 불량에 대한 부분도 웨이퍼의 기본 사양으로 제공하고 있다. 표 1은 웨이퍼 제조업체에서 일반적으로 제공하는 웨이퍼의 사양이다. 웨이퍼의 물성치에 해당하는 부분 이외에도 치수 관련 항목이나, 제조 공정에서 발생할 수 있는 Saw Mark 및 표면상의 불량 등에 대해서도 출하 시에 반드시 체크하는 부분이어서 이러한 부분에 대한 고속 자동 검사가 필요하다.
표 1 . 태양전지용 웨이퍼 사양. 웨이퍼에 대한 검사 공정은 이미 표준 공정으로 자리잡혀 있으며 대부분의 제조업체에서는 외관상의 불량도 웨이퍼의 기본 사양으로 제공한다.
태양전지용 웨이퍼의 외관 검사는 크게 길이·평행도·직각도 등 2차원 치수로 정의되는 치수 검사 항목과, 얇은 웨이퍼를 제조하면서 발생할 수 있는 휨이나 절단 시 진동 등에 의해 발생할 수 있는 Saw mark와 같은 3차원 테크놀로지 검사 항목, 그리고 웨이퍼의 깨짐 이물 등과 같은 표면 불량에 대한 검사로 구분할 수 있다. 대부분 검사기 공급업체들은 이러한 검사 특성에 따라 별도의 비전 모듈을 설치해 해당 검사 항목들을 검사하고 있다.
그림 4. 인텍플러스에서 실시하는 웨이퍼의 외관 검사 항목. 외관 검사는 크게 2차원 치수로 정의되는 항목과, 3차원 테크놀로지 검사 항목, 그리고 표면 불량에 대한 검사로 구분한다.
인텍플러스, 다양한 검사 요구를 하나의 비전모듈에서 구현
초기 태양광 산업은 유럽을 중심으로 발전해 왔으며, 이에 따른 제조 장비나 검사 부분들도 해당 지역의 업체들이 산업을 주도해 왔다. 하지만 차츰 생산 기지가 아시아권으로 이전함에 따라 제조 및 검사장비 관련 산업들도 아시아권으로 이동하고 있다. 이러한 과정에서 기존의 유럽업체들이 갖고 있는 한계들을 개선한 검사 솔루션들이 공급되고 있다. 인텍플러스(Intekplus) 사는 기존에 검사항목 당 다양한 비전을 활용해야 하는 기존 비전모듈들의 단점을 보완해 하나의 비전모듈에서 다양한 검사가 가능한 솔루션을 시장에 공급하고 있다.
다양한 검사 요구를 하나의 카메라로 통합하기 위해 적용한 기술은 다양한 조명 조건의 이미지를 하나의 비전모듈에서 구현할 수 있도록 한 기술이다. 이러한 다양한 조명조건을 획득할 수 있는 기술들은 자동검사 공정 도입 이전에 육안 검사자들이 다양한 각도에서 웨이퍼를 검사하는 것과 유사한 조건을 제공해 더욱 안정적인 검사 결과를 도출할 수 있는 장점을 제공한다.
사진 3. 미국 KLA-Tencor 사의 외관 검사 비전모듈 PVI-6. 초기 태양광 산업을 비롯한 장비나 검사부분은 유럽을 중심으로 발전했으나 차츰 아시아권으로 이동하고 있다.
웨이퍼 제조 공정에서 검사 공정이 표준 공정으로 자리 잡음에 따라, 높은 생산성을 갖는 장비에 대한 수요가 계속 증가하고 있다. 특히 셀 제조 라인을 기준으로 기존 30MW 라인이 시간당 2,000장 수준의 웨이퍼에 대한 프로세싱이 진행되었던 반면, 최근에는 50MW 급 라인이 주를 이루고 있으며, 시간당 3,000장 이상의 웨이퍼가 프로세싱 될 수 있어야 한다. 비전 검사의 경우 다른 공정에 비해 병목이 되지 않도록 지속적으로 고속화에 대한 이슈가 존재하며, 이러한 이슈들을 기술적으로 해결하기 위해 최근 외관 검사 공정들은 라인스캔 카메라를 활용해 속도에 대한 부분들을 많이 해결해 나가고 있다.
Source : Intekplus, 2010
그림 5. 태양전지 검사공정 통합개념과 라인스캔 개념. 인텍플러스는 기존 비전모듈들의 단점을 보완해 하나의 비전모듈에서 다양한 검사가 가능한 솔루션을 공급하고 있다.
셀 제조 공정상의 외관 불량 검사
태양전지 제조 공정은 공정을 인-라인화해 전체 생산 효율을 높이고 있다. 검사 공정은 각각의 프로세스 장비 이후에 장착되어 해당 공정이 문제없이 진행되었는지를 확인하는 용도로 많이 활용하고 있다. 특히 최근에는 ARC 공정 이후의 컬러 검사 및 프린팅 공정 이후의 상태 검사에 대한 수요가 많이 존재하고 있다. 그림 7은 셀 제조 공정에서 요구되는 대표적인 검사 항목들이다.
웨이퍼 검사와 마찬가지로 셀 제조 공정에서도 검사 항목별로 서로 다른 비전 모듈을 활용해 해당 검사들을 수행하고 있으며, 고속 생산 라인에 대응하기 위해 고속 검사 비전에 대한 수요가 지속적으로 확대되고 있는 상황이다.
Source : Intekplus
그림 6. 다양한 조명 조건의 영상 획득. 다양한 검사 요구를 하나의 카메라로 통합하기 위해 다양한 조명 조건의 이미지를 하나의 비전모듈에서 구현할 수 있도록 했다.
그림 7. 셀 제조 공정상의 외관 검사 항목. 셀 제조 공정에서도 다양한 비전 모듈로 검사를 수행하고 있으며 고속 검사 비전에 대한 수요가 지속적으로 확대되고 있다.
EL 효과를 이용한 셀 마이크로크랙 검사
태양전지 검사 공정에서 최근 많은 관심을 갖고 있는 부분이 완성품 셀에 대한 마이크로크랙 검사다. 이 부분은 웨이퍼에서의 마이크로크랙 검사와 마찬가지로 제품의 신뢰도와 직접적인 연관이 있기 때문에 다양한 검사 솔루션들이 검토되어 왔으며, 최근에는 일렉트로루미네이선스(EL : Electroluminescence) 효과를 활용한 방식들이 시장에 많이 공급되고 있는 상황이다.
그림 8. EL 검사 개념도. 완성된 셀에 전류를 인가해 태양전지가 갖는 고유한 파장대의 빛을 방출하는 효과를 이용한 검사 방식이다.
EL 방식은 완성된 셀에 전류를 인가했을 때 태양전지가 갖는 고유한 파장대의 빛을 방출하는 효과를 이용한 검사 방식이다. 일반적인 실리콘 태양전지의 경우 약 1.1㎛ 대의 파장을 방출하게 되며, 해당 파장대를 감지할 수 있는 센서를 활용해 영상을 얻게 된다.
동일한 원리를 이용해 에너지를 인가하는 방식으로 전류를 인가하는 방식이 아닌 레이저를 이용한 포토루미네이선스(Photoluminescence) 방식에 대한 연구들도 활발하게 이루어지고 있다.
사진 4. EL 검사 이미지. 일반적인 실리콘 태양전지의 경우 약 1.1㎛ 대의 파장을 방출하게 되며, 해당 파장대를 감지할 수 있는 센서를 활용해 영상을 얻는다.
태양전지 외관 검사 공정의 확대
초기 반도체 산업이 발전하는 단계에서 보여준 각 공정에 대한 피드백 및 불량에 대한 스크린 기능으로써의 외관 검사 공정 도입은 태양광 산업에서 그대로 되풀이되고 있다. 초기 생산장비 위주로의 투자가 진행되었던 각 태양전지 제조업체들은 제품의 품질 및 가격 경쟁력을 확보하기 위해 공정을 모니터링 할 수 있는 검사공정을 도입하고 있으며, 이러한 요구에 따라 태양광 시장에서의 검사에 많은 기회를 제공할 것이다. 태양광 산업에서 본격적인 대량생산 체제가 구축됨에 따라 자동 검사를 통한 품질의 안정화 수요는 지속적으로 발생할 것으로 보이며, 반도체 등 기타 산업에서 발전해 온 검사 기술들도 계속해서 태양광 산업에 접목되어 더욱 발전해 나갈 것으로 예상된다.
SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com
