KR100927509B1 - 태양 전지 분야의 사용에 적합한 레이저 스크라이빙 처리된 투과 도전성 산화물 층 위에 실리콘 층을 증착하는 방법 - Google Patents
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Abstract
투과 도전성 산화물(TCO) 층 상의 결함을 감소시키는 방법 및 장치가 제공된다. 상기 방법은 태양 전지 분야를 위한 TCO 층을 레이저 스크라이빙 처리하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 실리콘 층을 투과 전도성 산화물 층 상에 증착하는 방법은 태양 전지 분야를 위한 기판 상에 배치되는 TCO 층의 전지 집적 영역을 레이저 스크라이빙 처리하는 단계와, 스크라이빙 처리된 기판을 증착 챔버의 내측으로 이송하는 단계, 및 실리콘 함유 층을 증착 챔버 내의 TCO 층 위에 증착시키는 단계를 포함하며, 상기 TCO 층은 전지 집적 영역의 외측에 레이저 스크라이빙 처리되지 않은 주변 영역을 가지며, 상기 주변 영역은 상기 기판의 에지로부터 측정했을 때 약 10 mm 내지 약 30 mm 범위의 폭을 가진다.
Description
본 발명은 광기전력 장치(photovoltaic devices)의 제작에 적합한 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 실리콘 층을 증착하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
광기전력(PV) 장치 또는 태양 전지는 태양 광을 직류(DC) 전력으로 변환시키는 장치이다. PV 또는 태양 전지는 통상적으로, 하나 이상의 p-i-n 접합(p-i-n junction)을 가진다. 각각의 접합은 한 측면이 p-형 영역을 나타내고 다른 측면이 n-형 영역을 나타내는 반도체 재료 내에 두 개의 상이한 영역을 포함한다. PV 전지의 p-i-n 접합이 (양자 에너지로 구성되는)태양 광에 노출되면, 태양 광은 PV 효과를 통해 전기로 직접 변환된다. PV 태양 전지는 특정 양의 전력을 발생시키며 전지는 소정 양의 시스템 전력을 분배할 수 있는 크기의 모듈 내측으로 경사진다. PV 모듈은 다수의 PV 태양 전지를 연결하고 특정 프레임과 커넥터를 갖는 패널로 접합됨으로써 형성된다.
통상적으로, PV 태양 전지는 광전 변환 유닛과 투과한 전도성 산화물(TCO) 필름을 포함한다. 투과한 전도성 산화물 필름은 유리 기판과 접촉되게 PV 태양 전지의 바닥에 정면 전극 및/또는 PV 태양 전지의 상부에 후면 전극으로서 배치된다. 투과한 전도성 산화물 층은 태양 전지에 대한 높은 전기 수집력과 광전 변환 효율을 제공하는 전도성 층이다. 광전 변환 유닛은 p-형 실리콘 층, n-형 실리콘 층, 및 상기 p-형과 n-형 실리콘 층 사이에 끼인 진성형(i-type) 실리콘 층을 포함한다. 미세 결정질 실리콘 필름(μc-Si), 비정질 실리콘 필름(a-Si), 다결정질 실리콘 필름(poly-Si) 등을 포함하는 여러 형태의 실리콘 필름은 광전 변환 유닛의 p-형, n-형 및 i-형 층을 형성하는데 사용될 수 있다. 통상적으로, 광전 변환 유닛의 실리콘 필름은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)법에 의해 증착된다. 현재의 박막형 태양 전지를 형성하는데 있어서의 하나의 문제점은 흐릿함, 변색, 또는 다른 유사한 결함이 재료의 증착 중에 TCO 층 위에 형성될 수 있다는 점이다.
그러므로, 실리콘 층을 TCO 층 위에 증착하기 위한 개선된 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 실리콘 층을 증착하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 실리콘 층을 투과 도전성 산화물 층 위에 증착시키는 방법은 태양 전지 장치를 위한 기판 상에 배치되는 TCO 층의 전지 집적 영역을 레이저 스크라이빙하는 단계와, 스크라이빙된 기판을 증착 챔버로 이송하는 단계, 및 상기 증착 챔버 내에서 TCO 층 위에 실리콘 전도성 층을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 TCO 층은 전지 집적 영역의 외측에 레이저 스크라이빙 처리되지 않는 주변 영역을 가지며, 상기 주변 영역은 기판의 에지로부터 측정했을 때 약 10 mm 내지 약 30 mm 범위의 폭을 가진다.
다른 실시예에서, 실리콘 층을 투과 도전성(TCO) 층 위에 증착하는 방법은 상부에 배치된 TCO 층을 갖는 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판을 처리 챔버 내에 배치된 기판 지지 조립체 위에 위치시키는 단계와, 섀도우 프레임을 상기 TCO 층의 주변 영역 및 상기 기판 지지 조립체에 접촉시켜 상기 섀도우 프레임을 통해 상기 TCO 층과 상기 기판 지지 조립체 사이에 전기 접지를 형성하는 단계, 및 실리콘 전도성 층을 상기 섀도우 프레임의 구멍을 통해 상기 TCO 층 위에 증착하는 단계를 포함하며, 상기 TCO 층은 주변 영역과 전지 집적 영역을 가지며, 상기 전지 집적 영역은 상부에 배치된 레이저 스크라이빙 패턴을 가지며, 상기 기판 지지 조립체는 기판과 접촉하는 거친 표면을 가진다.
전술한 본 발명의 특징들이 달성되고 더 상세히 이해될 수 있도록 간단히 전술된 본 발명에 대해서 첨부 도면에 도시된 본 발명의 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명된다.
이해를 촉진시키기 위해, 도면에 있어서 공통적인 동일한 구성 요소를 지칭하는데에는 가능하다면 동일한 도면 부호가 사용되었다. 일 실시예의 구성 요소와 특징들은 추가의 언급 없이도 다른 실시예에 유리하게 결합될 수 있다고 이해해야 한다.
그러나, 첨부된 도면은 단지 본 발명의 예시적인 실시예만을 도시하는 것이므로, 본 발명의 범주를 한정하는 것이 아니며 다른 동등한 효과를 갖는 실시예들이 있을 수 있다고 이해해야 한다.
본 발명의 실시예들은 다른 분야들에 있어서도 태양 전지분야에 적합한, 실리콘 층을 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 증착하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 검은색으로의 변색, 흐릿함 및 아아크(arcing)와 같은 잠재적 결함은 양호하게 접지된 증착 환경에 의해 TCO 표면 상에 적층된 전하를 방출시킴으로써 감소될 수 있다. 양호하게 접지된 증착 환경을 제공하기 위한 몇몇 실시예들은 TCO 층 상의 개선된 표면 설계 패턴, 거친 표면을 갖는 기판 지지 조립체 및/또는 실리콘 증착 중에 양호한 전기 접지를 제공하는데 사용되는 개선된 섀도우 프레임을 포함한다.
도 1은 본 발명이 실시될 수 있는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 시스템(100)의 일 실시예를 도시하는 개략적인 횡단면도이다. 하나의 적합한 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 시스템은 미국 캘리포니아 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티리얼즈로부터 이용가능하다. 다른 제작사들로부터 제작된 다른 플라즈마 처리 챔버도 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있다고 이해해야 한다.
상기 시스템(100)은 일반적으로, 처리 공간(180)을 부분적으로 한정하는 벽(110)과 바닥(111)을 갖는 처리 챔버 몸체(102)를 포함한다. 처리 공간(180)은 통상적으로, 유리 기판, 스테인레스 기판, 플라스틱 기판, 또는 다른 적합한 기판과 같은 기판(140)이 처리 챔버 몸체(102)의 내외측으로의 이동을 용이하게 하는 포트 및/또는 밸브(106)를 통해서 접근된다. 상기 챔버(100)는 커버 판(116), 제 1 판(128) 및 제 2 판인 확산기(120)로 구성되는 가스 입구 매니폴드(114)를 에워싸는 리드 조립체(118)를 지지한다. 일 실시예에서, 제 1 판(128)은 후면 판이며, 제 2 판(120)은 가스 분배 판, 예를 들어 확산기이다. 진공 펌프(129)는 챔버(100)를 소정의 압력 범위로 유지하기 위해 챔버 몸체(102)의 바닥 상에 배치된다. 선택적으로, 상기 챔버 몸체(102)의 벽(110)은 처리 중의 손상을 방지하도록 세라믹 재료와 같은 라이너(138), 양극 산화처리 또는 다른 보호 코팅에 의해 보호될 수 있다.
확산기(120)는 관통 형성된 복수의 오리피스(122)를 가지며, 오리피스는 가스 공급원(105)으로부터의 공정 가스(들)가 챔버 몸체(102)의 내측으로 유입될 수 있게 한다. 확산기(120)는 기판(140) 위에 위치되고 확산기 중력 지지대(115)에 의해 리드 조립체 아래에 현수될 수 있다. 일 실시예에서, 확산기(120)는 가요성 현수 수단(157)에 의해 리드 조립체(118)의 상부 립(155)으로부터 지지된다. 하나의 적합한 가요성 현수 수단(157)은 "유연하게 현수 지지된, 플라즈마 챔버용 가스 분배 매니폴드"라는 명칭으로 2002년 11월 12일자로 특허된 미국 특허 제 6,477,980호에 상세히 설명되어 있다. 가요성 현수 수단(157)은 확산기(120)의 팽창과 수축을 가능하게 하도록 에지로부터 확산기(120)를 지지하도록 구성된다.
일 실시예에서, 가요성 현수 수단(157)은 확산기(120)의 팽창과 수축을 촉진시키는데 이용될 수 있는 상이한 구성을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 가요성 현수 수단(157)은 확산기(120)의 곡률 반경을 제어하기 위해 확산기 중력 지지대(115)와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 확산기(120)는 오목, 평탄 또는 볼록한 표면을 가질 수 있다. 하나의 적합한 확산기(120)는 "확산기 중력 지지대"란 명칭으로 켈러 등에 의해 2004년 9월 20일자로 출원되어 제 2006/0,060,138호로 미국에서 특허 공개된 공보에 상세히 설명되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 확산기 표면(132)과 기판 표면 사이의 간극은 필름 증착의 균일성을 유지하면서 폭넓은 증착 조건에 대해 증착 공정이 최적화될 수 있도록 선택되고 조절된다. 일 실시예에서, 상기 간극은 약 400 mils 내지 약 1600 mils, 또는 약 400 mils 내지 약 1200 mils와 같이 약 100mils 이상으로 처리 중에 설정될 수 있다.
확산기 중력 지지대(115)는 지지대(115) 상에 장착된 가스 블록(117)으로 공정 가스를 공급할 수 있다. 가스 블록(117)은 지지대(115)를 관통해 형성된 길이방향의 구멍(119)을 경유하여 확산기(120)와 연통되고 확산기(120) 내의 복수의 오리피스(122)로 공정 가스를 지지한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 공정 가스는 가스 블록(117)을 통해 이동하고, 후면 판인 제 1판(128)과 확산기(120) 사이에 형성된 대형 플레넘(121)과 상기 확산기(120) 내의 소형 플레넘(123)의 내측으로 경사진 구멍(119a)을 통해 길이방향 구멍(119)을 빠져 나간다. 계속해서, 하나 이상의 공정 가스는 대형 플레넘(121)과 소형 플레넘(123)으로부터 상기 확산기(120)를 관통해 형성된 복수의 오리피스(122)를 통해 상기 확산기(120) 아래에 있는 처리 공간(180)으로 이동한다. 작동시, 기판(140)은 처리 공간(180)으로 상승되며 플라즈마 공급원(124)으로부터 발생되는 플라즈마가 공정 가스를 여기시켜 필름을 기판(140) 상에 증착한다.
복수의 오리피스(122)는 처리 공간(180) 내에 상이한 가스 흐름을 촉진시키기 위한 상이한 구성을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 오리피스(122)는 약 0.01 인치 내지 약 0.5 인치 범위와 같은 약 0.01 인치 내지 약 1.0 인치 범위의 직경을 갖도록 플레어 가공될 수 있다. 오리피스(122)의 플레어 가공된 개구의 치수와 밀도는 확산기(120)의 표면에 걸쳐서 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 확산기(120)의 내측(예를 들어, 중심) 영역에 위치된 오리피스(122)의 치수와 밀도는 외측(예를 들어, 에지) 영역에 위치된 오리피스(122)보다 클 수 있다. 증착 시스템(100) 내에 사용될 수 있는 오리피스와 확산기의 구성의 예는 초이 등에 의해 2004년 7월 12일자로 출원되어 일반 양도된 미국 특허 제 2005/0,251,990호, 켈러 등에 의해 2001년 8월 8일자로 출원된 미국 특허 제 6,722,827호, 화이트 등에게 2002년 11월 12일자로 허여된 미국 특허 제 6,477,980호, 초이 등에 의해 2005년 7월 1일자로 출원된 미국 출원 번호 11/173,210호, 브로니간 등에 의해 2003년 1월 7일자로 출원된 10/337,483호, 초이 등에 의해 2004년 12월 22일자로 출원된 공개 번호 2005/0,255,257, 및 화이트 등에 의해 2004년 2월 24일자로 출원된 공개 번호 2005/0,183,827호에 설명되어 있다.
기판 지지 조립체(112)는 일반적으로 챔버 몸체(102)의 바닥에 배치된다. 지지 조립체(112)는 플라즈마 공급원(124)에 의해 공급되어 확산기(120)로 공급되는 RF 동력이 전술한 바와 같이 처리 공간(180) 내에 존재하는 가스, 소오스 화합물, 및/또는 전구체를 여기시키도록 접지된다. 플라즈마 공급원(124)으로부터의 RF 동력은 일반적으로, 화학 기상 증착 공정을 수행하도록 기판(140)의 크기에 적합하게 선택된다.
일 실시예에서, RF 동력은 확산기(120)로 공급되어 처리 공간(180) 내에 전기장을 발생시킨다. 예를 들어, 필름 증착 중의 RF 동력은 약 100 mWatts/㎠ 이상이다. 플라즈마 공급원(124)과 정합 네트워크(도시 않음)는 처리 공간(180) 내에 공정 가스 플라즈마를 형성 및/또는 유지한다. 다수 주파수의 RF 및 VHF 동력이 실리콘 필름을 증착하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 약 13.56 ㎒ 또는 약 40 ㎒와 같은 약 0.3 ㎒ 내지 약 200 ㎒ 범위의 RF 및 VHF 동력이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 약 13.56 ㎒의 RF 동력과 약 350 ㎑의 저주파 RF 동력이 사용될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 약 27 ㎒ 내지 최대 약 200 ㎒의 VHF 동력이 고 증착 비율로 필름을 증착시키는데 사용될 수 있다.
기판 지지 조립체(112)는 하부측(126)과 기판(140)을 지지하도록 구성된 상부측(108)을 가진다. 스템(142)은 상승된 처리 위치와 하강된 기판 이송 위치 사이로 기판 지지 조립체(112)를 이동시키기 위한 리프트 시스템(도시 않음) 및 상기 기판 지지 조립체(112)의 하부측(126)에 연결된다. 스템(142)은 전기 리드, 열전쌍 리드 및 다른 부품들을 기판 지지 조립체(112)에 연결하기 위한 도관을 제공한다. 기판 지지 조립체(112)는 또한 RF 접지를 기판 지지 조립체(112)의 주변 근처에 제공하기 위한 접지 스트랩(131)을 포함할 수 있다. 접지 스트랩의 예는 로우 등에 2000년 2월 15일자로 허여된 미국 특허 제 6,024,044호 및 박 등에 의해 2006년 12월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 11/613,934호에 설명되어 있다.
기판 지지 조립체(112)는 기판(140)을 상부에 지지하기 위한 상부측(108)을 갖는 전도성 몸체(194)를 포함한다. 전도성 몸체(194)는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 몸체(194)는 알루미늄으로 제조된다. 리프트 핀(146)은 기판 지지 조립체(112)를 통해 이동가능하게 배치되고 상부측(108)으로부터 기판을 이격시키도록 구성된다. 이와는 달리, 전도성 몸체(194)의 외측면은 유전체 층에 의해 코팅 및/또는 양극처리되어서 기판 지지 조립체(112)가 처리 공정 중에 화학적 침식에 견딜 수 있게 한다.
일 실시예에서, 기판(140)이 처리 공정 중에 상부에 놓이는 기판 지지 조립체(112)의 상부측(108)은 조직화(texture)될 수 있다. 기판(140)과 기판 지지 조립체(112) 사이의 접촉량은 기판 지지 조립체(112)의 상부측(108) 상에 포획되는 전하량에 상당한 영향을 끼친다. 상부측(108) 상에 포획되는 전하량이 증가하기 때문에, 기판 표면 상에 쌓이는 전하도 증가하며, 그에 따라 계면에서의 아아킹이나 비정상적인 방전 가능성도 증가하게 된다. 아아킹 또는 비정상적인 방전은 기판 표면과 그 위에 형성된 장치를 손상 및 오염시킬 수 있다. 거친 표면은 거친 표면의 예리한 선단부 또는 높은 지점에서의 높은 접촉 저항으로 인해 두 개의 표면, 예를 들어 기판 지지 조립체(112)의 상부측(108)과 기판(140) 간의 전기 접촉을 개선할 것이다. 두 표면 간의 개선된 전기 접촉은 계면에 전하 축적을 감소시키고 양호한 접지 표면을 제공함으로써, 기판 표면 상의 아아킹이나 검정색으로의 변색 가능성을 감소시킨다. 일 실시예에서, 기판 지지 조립체(112)의 전체 기판 지지면(예를 들어, 상부면)은 기판의 전체 바닥면이 거친 표면과 접촉되도록 거칠게 가공될 수 있다. 거친 표면은 약 100 마이크로-인치(μ-inch) 내지 약 3000 마이크로-인치 범위의 거칠기를 가진다.
기판 지지 조립체(112)의 온도는 기판 처리 중에 예정된 온도 범위 내에서 기판을 유지하도록 제어된다. 일 실시예에서, 기판 지지 조립체(112)는 처리 중에 기판 지지 조립체(112)의 온도를 제어하는데 이용되는 하나 이상의 전극 및/또는 가열 소자(198)를 포함한다. 가열 소자(198)는 기판 지지 조립체(112)와 그 위에 위치된 기판(140)을 예정 온도, 예를 들어 약 100 ℃ 이상의 설정 온도로 제어가능하게 가열한다. 예시적인 실시예에서, 가열 소자(198)는 기판 지지 조립체(112)의 중심부에 매설된 내측 가열 소자 및 상기 기판 지지 조립체(112)의 에지 부분에 매설된 외측 가열 소자를 포함할 수 있다. 기판(140)의 외측 에지가 플라즈마 분포에 따른 열 제공으로 인해 기판(140) 중심부보다 낮은 온도를 가질 수 있으며, 외측 가열 소자는 내측 가열 소자의 온도보다 조금 높은, 예를 들어 약 20℃ 이상 높은 온도로 유지되도록 구성됨으로써, 기판(140) 전체에 걸쳐서 균일한 온도를 유지한다. 내외측 가열 소자의 온도 구성은 공정 요건에 근거해서 변할 수 있다고 이해해야 한다.
다른 실시예에서, 기판 지지 조립체(112)는 도전성 몸체(194) 내에 매설된 하나 이상의 냉각 채널(196)을 더 포함한다. 하나 이상의 냉각 채널(196)은 처리 중에 예정된 온도 내에서 처리 공간(180)의 온도 편차, 예를 들어 약 20 ℃ 이하의 온도 편차를 유지한다. 냉각 채널(196)은 소정의 열 전도율을 제공하는 금속 또는 금속 합금으로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 냉각 채널(196)은 스테인레스 스 틸 재료로 제조된다.
일 실시예에서, 가열 소자(198)와 그 내부에 매설되는 냉각 채널(196)을 포함하는 기판 지지 조립체(112)의 온도는 알칼리 유리, 플라스틱 및 금속과 같은 저융점 기판이 본 발명의 실시예를 사용하여 처리될 수 있도록 구성된다. 다른 실시예에서, 가열 소자(198) 및 냉각 채널(196)은 약 150 ℃ 내지 약 550 ℃와 같은 약 100 ℃ 이상의 온도를 유지한다.
기판 지지 조립체(112)는 주변 섀도우 프레임(104)도 지지한다. 섀도우 프레임(104)은 기판(140)과 기판 지지 조립체(112)의 에지 증착을 방지함으로써 기판(140)이 처리 후에 기판 지지 조립체(112)에 달라붙지 않게 한다. 섀도우 프레임(104)은 기판 지지 조립체(112)가 낮은 미처리 위치(도시 않음)에 있을 때 챔버 몸체(102)의 내측 벽으로부터 일반적으로 지지된다. 섀도우 프레임(104)은 기판 지지 조립체(112)가 증착 공정을 위한 상부 처리 위치로 이동하면서 기판 지지 조립체(112)의 전도성 몸체(194)와 정렬 및 결합된다. 일 실시예에서, 섀도우 프레임(104)은 기판(140)과 결합하고 있는 동안 접지를 위한 양호한 전도성 계면을 제공하는 전도성 재료로 제조될 수 있다. 섀도우 프레임(104)은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 기타 적합한 재료로 제조될 수 있다.
도 2a는 기판 지지 조립체(112)의 에지 상에 배치되는 섀도우 프레임(104)의 확대된 부분 단면도이다. 도 2a에 도시된 실시예에서, 전도성 TCO 층(212)은 기판(140)의 표면 상에 증착된다. 기판(140)이 PECVD 시스템(100)의 내측으로 이송된 후에, 섀도우 프레임(104)은 처리 이전에 기판(140)의 에지 위에 위치된다. 섀도우 프레임(104)의 몸체는 기판(140)의 외측 에지와 접촉될 수 있는 기판 에지를 에워싸고 있는 낮은 내벽(204)을 가진다. 섀도우 프레임 몸체도 기판 지지 조립체(112)의 주변 영역(250)과 접촉하도록 구성된 낮은 바닥면을 가진다. 섀도우 프레임(104)은 기판의 상부 위에서 내측으로 연장하는 립(214)도 가진다. 립(214)은 기판(140) 상에 배열되는 전도성 TCO 층(212)과 접촉하는 바닥면(202)을 가진다. 일 실시예에서, 립(214)의 바닥면(202)은 섀도우 프레임 몸체의 하부면으로부터 수직으로 오프셋된 전도성 표면이다. 일 실시예에서, 립(214)은 2200 mm × 2600 mm의 치수를 갖는 기판을 유지하기 위해 약 2 mm의 높이(298) 및 약 13mm의 길이(296)를 가진다. 섀도우 프레임(104)은 약 145 mm의 전체 길이(294)와 약 15mm의 높이를 가질 수 있다. 섀도우 프레임(104)과 그 위에 형성된 립(214)의 치수는 상이한 치수와 재료를 갖는 상이한 기판을 수용하도록 변경될 수 있다고 이해해야 한다.
실리콘 필름을 TCO 층(212) 상에 증착하기 위한 플라즈마 강화 공정을 수행함에 있어서, 투과한 전도성 산화물(TCO)층이 PECVD 시스템(100) 내에 형성된 플라즈마 환경에 노출된다. 실리콘 증착 공정으로부터의 고전압 플라즈마가 TCO 층(212)의 표면 상에 전하를 발생시킬 수 있다. 전하가 TCO 표면 상에 연속적으로 적층되기 때문에, 기판 표면으로부터 적층된 전하를 방출시키기 위해서는 플라즈마 공정 중에 TCO 기판을 유지하기 위한 양호하게 접지된 기판 지지 조립체가 바람직하다. 양호하지 않게 접지된 처리 환경은 전도성 TCO 기판 표면 상에서의 비정상적인 방전 및/또는 아아킹을 유발함으로써, TCO 층 상에 흑색으로의 변색, 흐릿함 및 기타의 결함을 초래한다. TCO 기판 상의 심각한 흑색 변색 또는 흐릿함은 TCO 필름의 특성을 손상시켜서, PV 태양 전지의 전기 장치의 성능과 집적화에 악영향을 끼친다.
도 2a에 도시된 실시예에서, 바닥면(202)이 TCO 층(212)과 직접 접촉하므로, 섀도우 프레임(104)의 전기 전도율은 화살표(216)로 나타낸 바와 같이, TCO 층(212)과 접지 사이에 적층된 전하의 방출을 촉진시킨다. 실리콘 층을 TCO 층(212) 상에 플라즈마 증착하기 위한 양호하게 접지된 표면을 제공하기 위해, 섀도우 프레임(104)은 기판 표면 상에 적층된 전하를 방출시키기 위한 양호한 전기 통로를 제공하는 전도성 재료로 제조될 수 있다. 또한, 섀도우 프레임 몸체의 바닥면은 상부에 쌓인 전하의 방출에 양호한 전기 전도율을 제공하기 위해 기판 지지 조립체의 주변 영역(250)과 접촉하도록 구성되는 전도성 표면이다. 일 실시예에서, 섀도우 프레임(104)은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 기타 적합한 전도성 재료로 제조될 수 있다. 바닥면(202)은 또한, 기판 표면의 유해한 스크래치 및/또는 손상 없이 기판 표면에 양호한 접촉 계면을 제공하기 위해 상이한 구성을 갖는 접촉면도 가질 수 있다. 예를 들어, 바닥면(202)은 평탄 면, 둥근 선단부, 절취 면, 오목 또는 볼록 면, 돌기형 표면, 홈진 면, 거친 표면 등과 같은 형태일 수 있다.
도 2b는 도 2a의 기판 지지 조립체(112)의 상부와 기판(140)과의 경계면을 도시하는 확대도이다. 전술한 바와 같이, 기판 지지 조립체(112)는 기판(140)과의 양호한 전기 접촉을 제공하는 거친 표면(210)을 가짐으로써, 플라즈마 처리 중에 기판(140)의 대향 표면과 기판 지지 조립체(112) 표면 사이의 전하 방출을 촉진시킨다. 일 실시예에서, 거친 표면(210)은 기판(140)이 기판 지지 조립체 표면과 접촉하는 전체 표면에서 약 90% 이상을 포함한다. 예를 들어, 거친 표면(210)은 기판(140)을 바로 아래에서 지지하는 전체 표면을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 거친 표면은 도 2a에 도시한 바와 같이, 섀도우 프레임(104)이 배치되는 주변 영역(250)으로 연장할 수 있다. 거친 표면이 주변 영역(250)으로 연장하지 않는 특정 실시예에서, 거친 표면은 기판(140)과 접촉하는 바로 아래의 영역에서 전체적으로 형성된다. 그와 같이, 섀도우 프레임(104)의 립(214)의 내벽에 의해 한정된 개방 면적은 거친 표면의 면적보다 작아서, 섀도우 프레임(104)이 접촉 개선을 위해 거친 영역에 대해 기판을 샌드위치식으로 배치될 수 있게 한다.
섀도우 프레임(104)의 바닥면(202)과 주변영역(250) 사이의 양호한 전기 접촉은 전하 방출을 위한 양호한 전기 접촉을 제공할 수 있다. 예정된 위치 및/또는 기판 지지 조립체와 접촉하는 재료와 그 표면 거칠기의 양호한 제어에 의해, TCO 층(212)과 같은 전도성 재료 상에서 발생되는 흐릿함, 변색 또는 다른 관련된 아아킹이 효과적으로 제어 또는 제거될 수 있다.
양극 처리된 층(206)이 기판 지지 조립체(112) 상에 존재하는 실시예에 있어서, 양극 처리된 층(206)의 상부면(208)은 소정의 표면 거칠기를 얻도록 양호하게 표면 처리될 수 있다. 일 실시예에서, 양극 처리된 층은 기판에 양호한 전기 접촉을 제공하도록 기판이 접촉되는 전체 영역이 거칠게 표면 가공될 수 있다. 양극 처리된 층은 약 0.1 마이크로-인치(μ-inch) 내지 약 2마이크로-인치(μ-inch) 범 위의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 기판 지지 조립체(112)의 거친 표면(210)은 예정된 표면 거칠기로 비드 블라스팅(BB)에 의해 표면 처리될 수 있다. 비드 블라스팅(bead blasting)은 기판 지지 조립체(112)를 세라믹 또는 산화물 비드로 충돌시키는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 비드는 약 125 마이크로 미터 내지 약 375 마이크로미터 범위의 평균 직경을 갖는 산화 알루미늄이다. 비드는 약 100 마이크로-인치(μ-inch) 내지 약 3000마이크로-인치(μ-inch)의 표면 거칠기를 제공하기에 충분한 출구 속도를 갖는 노즐을 통해 제공된다. 이와는 달리, 기판의 거칠기는 접착제 블라스팅, 그라인딩, 텍스쳐링, 엠보싱, 샌딩, 에칭 또는 본 기술분야에 사용되는 다른 적합한 방법에 의해 달성될 수 있다. 양극 처리된 층(206)이 바람직한 실시예에서, 거친 표면(210)은 거친 표면(210) 상에 양극 처리된 층(206)을 형성하도록 양극 처리된다. 양극 처리된 층(206)은 계속해서 거친 표면을 제공하도록 처리된다. 처리 공정은 예정된 표면 거칠기를 제공하기 위한 접착제 블라스팅, 그라인딩, 텍스쳐링, 엠보싱, 샌딩, 에칭 또는 다른 방법을 포함할 수 있다. 표면 마무리 및/또는 처리 공정 후에, 광 세정(LC), 강화 세정(EC), 초음파 세정(UC), 화학 세정(CC) 등과 같은 화학적 그라인딩 공정이 수행되어 표면 마무리 및/또는 처리 표면을 세정할 수 있다. 일 실시예에서, 표면 처리하는데 사용되는 강화 세정(EC)에는 통상적으로 HNO3, NaOH, H3PO4/H2SO4의 혼합 용액이 사용된다. 화학 세정(CC)은 소정의 표면 거칠기에 도달할 때까지 약 30초와 같은 짧은 시간 주기 동안 처리될 표면과 접촉되게 NO3, HF 및 DI 수(water)의 혼합 용액을 사용하는 절차를 지칭한다. 기판 지지 조립체의 표면 가공 공정에 대한 세부 사항은 초이에 의해 "서셉터를 거칠게 가공함으로써 정전하를 감소시키는 방법"이란 명칭으로 출원되어 2006년 2월 16일자로 공개된 미국 특허 공개 2006/0032586호 및 초이에 의해 "화학 기상 증착 처리 장치의 표면에서 미립자 감소 방법"이란 명칭으로 2006년 8월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 11/498,606호에 설명되어 있다.
p-i-n 접합을 형성하는데 사용되는 실리콘 필름 스택이 태양 전지 분야의 전도성 TCO 층 상에 계속해서 증착되므로, 전도성 TCO 표면 상에 형성되는 아아킹과 표면 손상을 방지하기 위해서는 기판(140)과 기판 지지면 사이의 양호한 전기 접촉이 중요하다. 기판 표면의 양호하게 제어된 표면 거칠기에 의해, 실리콘 필름이 증착되는 전도성 TCO 층은 기판 지지면에 대한 양호한 전기 접촉을 가질 수 있으며, 그에 따라 증착 공정으로부터 전하를 방출시키기 위한 양호하게 접지된 기판 지지 조립체를 제공한다.
도 3a 내지 도 3c는 레이저 스크라이빙에 의해 기판(140) 상에 증착되는 TCO 층(212)의 설계 패턴을 도시하는 상이한 실시예들이다. TCO 층(212)이 실리콘 층을 증착시키도록 PECVD 시스템(100)으로 이송되기 이전에, TCO 층(212)은 TCO 층(212) 상에 소정의 패턴을 형성하도록 레이저 스크라이빙 처리된다. 스크라이빙 처리된 패턴은 일반적으로, 특정 장치의 요건에 적합하도록 선택된다. 전하가 플라즈마 처리 중에 TCO 층(212) 상에 적층되므로, TCO 층(212)에 대한 상이한 패턴 설계는 기판 표면 전체에 걸친 전하 분포에 커다란 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 레이저 스크라이빙 처리된 TCO 층(212)의 양호한 설계 패턴은 기판 표면 전체에 있어서 소정의 위치에 쌓인 불균일한 전하 분포를 효과적으로 제거함으로써, 기판(140)의 선단 및/또는 에지에서의 아아킹을 방지한다.
도 3a에 도시된 실시예에서, 스크라이빙 라인(302)은 스트링 형태의 태양 전지를 형성하도록 기판 상의 TCO 층(212)의 중심부(308)에 장방형 웨이브 패턴으로 형성된다. 스크라이빙 라인(302)은 기판(140)의 에지부(306)에서 이격되게 오프셋됨으로써 립(214)이 스크라이빙 라인(302)과 겹쳐지지 않는다. 기판(140)의 에지부(306)는 약 15mm와 같은 약 10 mm 내지 약 30 mm 범위의 폭(304)을 가질 수 있다. 에지부(306)에는 스크라이빙 라인(302)이 없으며 립(214)이 전도성 TCO 표면과 완전히 접촉될 수 있어서, 일반 통로의 방해물 및/또는 균일성을 방지한다. TCO 층(212)의 에지부(306)는 전도성 TCO 층(212)을 주변 영역(310)과 태양 전지 소자들이 형성되는 전지-집적 영역(312)으로 나눈다. 어떤 소자들도 형성되지 않는 주변 영역(310)은 기판 지지 조립체(112) 상에 배치된 기판(140)을 전체적으로 전기가 통할 수 있도록 유지하도록 립(214)에 충분한 공간을 제공함으로써, 양호한 전도성 접지 통로가 달성된다. 그러나, 전지-집적 영역(312)은 주변 영역(310)으로부터 일정 간격만큼 떨어져 있음으로써, 전지 집적 영역에서 발생되는 바람직하지 않은 방전이나 아아킹에 대한 가능성을 제거한다.
일 실시예에서, TCO 층(212)의 중심부(308)에 각각 형성되는 스크라이빙 라 인(302)은 서로로부터 이격된 간극(314)을 가진다. 도 3a에 도시된 예시적인 실시예에서, 스크라이빙 라인(302)은 약 300mm 이상의 폭을 가지며 각각의 스크라이빙 라인(302) 사이에 형성된 간극은 약 5mm 내지 약 45 mm, 예를 들어 약 10 mm와 같은 약 5 mm 내지 약 15 mm이다.
도 3b 및 도 3c는 TCO 층(212) 상에 형성된 스크라이빙 처리된 패턴에 대한 상이한 실시예들을 도시한다. 도 3a에 도시된 스크라이빙 라인(302)의 장방형 웨이브 패턴과 유사하게, 다수의 평행한 직선 라인(326)이 도 3b에 도시된 바와 같이 TCO 층(212) 상에 형성될 수 있다. 각각의 라인(326)은 서로로부터 거리(320) 만큼 분리되어 있다. 거리(320)는 예를 들어, 약 10 mm인 약 5 mm 내지 약 15 mm 범위이다. 이와는 달리, 도 3c에 도시한 바와 같이, 스크라이빙 라인(328)은 상부 그룹(330)과 하부 그룹(340)으로 나누어질 수 있다. 일 실시예에서, 그룹(330,340)은 기판(140)의 중심선(322)을 가로지는 거리만큼 떨어져 있다. 거리(324)는 약 5mm 내지 약 45 mm, 예를 들어 약 30 mm와 같은 약 10 mm 내지 약 45 mm범위일 수 있다.
도 4는 기판 지지 조립체(112) 상에 위치되는 기판(140) 상에 배열된 TCO 층(212) 상의 실리콘 층(402)을 도시하는 횡단면도이다. 실리콘 층(402)은 적합한 방법을 사용하여 기판(140) 상에 증착될 수 있다. 섀도우 프레임(104)은 기판(140)의 에지와 접촉되게 에지를 에워싸고 있으므로, 실리콘 층(402)이 TCO 층(140)의 주변 영역(310)에 증착되는 것이 방지됨으로써, 실리콘 증착 공정 중에 양호한 접지 접촉면을 제공한다.
이와 같이, 투과 전도성 산화물(TCO) 층 상에 실리콘을 증착하는 개선된 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명에 따른 상기 방법 및 장치는 실리콘 증착 공정 중에 TCO 층을 기판 상에 유지하는 동안에 기판 지지 조립체를 통한 접지력을 증가시킴으로써, 실리콘 증착 공정 중에 TCO 층으로부터의 결함 발생을 방지한다.
전술한 설명들이 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 기본 사상으로부터 이탈함이 없는 본 발명의 다른 추가의 실시예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범주는 다음의 특허청구범위에 의해 결정된다.
도 1은 본 발명에 따른 처리 챔버의 일 실시예를 도시하는 개략적인 횡단면도.
도 2a는 도 1의 기판 지지대 상에 배열된 섀도우 프레임의 에지를 도시하는 확대 단면도.
도 2b는 도 1의 기판 지지대 상에 배열된 기판 사이의 계면을 도시하는 확대 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 상부에 배치된 TCO 층을 갖는 기판 표면 상의 레이저 스크라이빙된 패턴 설계를 도시하는 상이한 실시예에 따른 평면도.
도 4는 기판 지지 조립체 상에 배치된 TCO 층을 갖는 기판의 횡단면도.
Claims (23)
- 실리콘 층을 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 증착시키는 방법으로서,상부에 배치된 TCO 층을 갖는 기판을 제공하는 단계와,상기 기판을 처리 챔버 내에 배치된 기판 지지 조립체 위에 위치시키는 단계와,섀도우 프레임을 통해 상기 TCO 층과 상기 기판 지지 조립체 사이에 전기 접지가 형성되도록 상기 섀도우 프레임을 상기 TCO 층의 주변 영역 및 상기 기판 지지 조립체에 접촉시키는 단계, 및실리콘 함유 층을 상기 섀도우 프레임의 구멍을 통해 상기 TCO 층 위에 증착하는 단계를 포함하며,상기 TCO 층은 주변 영역과 전지 집적 영역을 가지며, 상기 전지 집적 영역은 상부에 배치되는 레이저 스크라이빙 패턴을 가지며,상기 기판 지지 조립체는 기판과 접촉하는 거친 표면을 가지며,상기 섀도우 프레임은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되며,상기 섀도우 프레임을 상기 TCO 층의 주변 영역에 접촉시키는 단계는,상기 섀도우 프레임의 일부분을 상기 기판 지지 조립체의 거친 표면 위에 위치시키는 단계를 더 포함하며, 상기 섀도우 프레임의 구멍은 상기 거친 표면의 면적보다 적은 개방 면적을 가지는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물 층 위에 증착시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판 상에 있는 상기 TCO 층의 주변 영역은 상기 기판의 에지로부터 측정했을 때 10 mm 내지 30 mm 범위의 폭을 가지며, 상기 주변 영역은 스크라이빙 패턴이 없는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물 층 위에 증착시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판 지지 조립체의 거친 표면은 100 마이크로-인치 내지 3000 마이크로-인치 범위의 표면 거칠기를 가지는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물 층 위에 증착시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판 지지 조립체는 양극 처리된 층을 가지는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물 층 위에 증착시키는 방법.
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- PECVD 챔버에 사용되는 기판 지지 조립체로서,상부 기판 지지면을 갖는 알루미늄 가열기 몸체를 포함하며,상기 상부 기판 지지면은 주변 영역에 의해 에워싸인 내측 영역을 가지며, 상기 상부 기판 지지면의 적어도 내측 영역은 100 마이크로-인치 내지 3000 마이크로-인치 범위의 표면 거칠기를 가지는,PECVD 챔버에 사용되는 기판 지지 조립체.
- 제 6 항에 있어서,상기 주변 영역과 접촉하게 배치되는 도전성 섀도우 프레임을 더 포함하는,PECVD 챔버에 사용되는 기판 지지 조립체.
- 제 7 항에 있어서,상기 섀도우 프레임은,상기 상부 기판 지지면의 주변 영역과 접촉되게 배치되는 제 1 알루미늄 표면, 및상기 제 1 알루미늄 표면과 평행하게 배치되는 제 2 알루미늄 표면을 더 포함하며,상기 제 1 및 제 2 알루미늄 표면은 제 2 알루미늄 표면이 상기 상부 기판 지지면 상에 배치되는 태양 전지 제작용 기판과 접촉할 때 상기 제 1 알루미늄 표면과 상기 상부 기판 지지면의 주변 영역 사이의 접촉을 유지하도록 선택되는 간극을 가지는,PECVD 챔버에 사용되는 기판 지지 조립체.
- 제 7 항에 있어서,상기 주변 영역은 10 mm 보다 큰 폭을 가지고 상기 내측 영역의 표면 거칠기보다 적은 표면 거칠기를 가지며,상기 섀도우 프레임은 상기 상부 기판 지지면의 내측 영역 면적보다 적은 개방 면적을 갖는 구멍을 더 포함하는,PECVD 챔버에 사용되는 기판 지지 조립체.
- PECVD 챔버에 사용되는 기판 지지 조립체로서,다각형 대형 기판을 상부에 수용하도록 구성되는 거친 상부면 가지는 접지된 기판 지지 조립체, 및상기 기판 지지 조립체의 주변 영역에 배치되는 도전성 섀도우 프레임을 포함하며,상기 상부면은 주변 영역에 의해 에워싸인 내측 영역을 가지며, 상기 상부면의 적어도 내측 영역은 100 마이크로-인치 내지 3000 마이크로-인치 범위의 표면 거칠기를 가지며, 상기 주변 영역은 상기 내측 영역의 표면 거칠기보다 적은 표면 거칠기를 가지며,상기 섀도우 프레임은 제 2 알루미늄 표면에 평행하게 배치되는 제 1 알루미늄 표면을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 알루미늄 표면은 제 2 알루미늄 표면이 상부 기판 지지면 내에 배치되는 기판과 접촉할 때 상기 제 1 알루미늄 표면과 상기 상부 기판 지지면의 주변 영역 사이의 접촉을 유지하도록 선택되는 간극을 가지는,PECVD 챔버에 사용되는 기판 지지 조립체.
- 실리콘 층을 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 증착하는 방법으로서,태양 전지 분야용 기판 상에 배치되는 TCO 층의 전지 집적 영역을 레이저 스크라이빙 처리하는 단계와,상기 스크라이빙 처리된 기판을 증착 챔버로 이송하는 단계, 및실리콘 함유 층을 상기 증착 챔버 내의 TCO 층 상에 증착하는 단계를 포함하며,상기 TCO 층은 상기 전지 집적 영역의 외측에 레이저 스크라이빙 처리되지 않은 주변 영역을 가지며, 상기 주변 영역은 상기 기판의 에지로부터 측정했을 때 10 mm 내지 30 mm 범위의 폭을 가지는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물 층 위에 증착하는 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 레이저 스크라이빙 처리하는 단계는,평행한 부분을 갖는 스크라이빙 라인을 형성하는 단계를 더 포함하며,상기 평행한 부분은 5 mm 내지 45 mm 범위로 이격되어 있는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 증착하는 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 스크라이빙 처리된 기판을 증착 챔버로 이송하는 단계는,상기 증착 챔버 내에 배치되는 기판 지지 조립체의 지지면 상에 기판을 위치시키는 단계를 더 포함하며,상기 지지면은 상기 기판과 접촉하는 전체 표면에 걸쳐서 100 마이크로-인치 내지 3000 마이크로-인치 범위의 표면 거칠기를 가지는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 증착하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,섀도우 프레임의 제 2 표면을 상기 스크라이빙 처리되지 않은 기판의 주변 영역과 접촉시키는 단계, 및상기 섀도우 프레임의 제 1 표면을 상기 지지면의 주변 영역과 접촉시키는 단계를 더 포함하는,실리콘 층을 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 증착하는 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 표면은 알루미늄인,실리콘 층을 투과 도전성 산화물(TCO) 층 위에 증착하는 방법.
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