KR101096554B1 - 박막 형성 장치 및 태양전지의 제조 장치 - Google Patents

박막 형성 장치 및 태양전지의 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 박막 형성 방법에 따르면, 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 형성한다. 상기 복수 개의 안테나 소자를, 상기 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열하여, 챔버 내에 설치함으로써, 하나 이상의 어레이 안테나를 형성한다. 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부를 고주파 전원에 접속하고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부를 접지한다. 상기 어레이 안테나의 양쪽에 평행으로, 각각 상기 간격과 동일한 정도의 피치로 복수 개의 기판을 설치한다. 상기 챔버 내에 원료 가스를 도입하여 막을 형성한다.

Description

박막 형성 장치 및 태양전지의 제조 장치 {APPARATUS FOR FORMING THIN FILM AND APPARATUS FOR MANUFACTURING SOLAR CELL}
본 발명은, 태양 전지 및 이것을 양산하는데 바람직한 박막 형성 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
태양 전지는 깨끗한 에너지원으로서 많이 기대되고 있지만, 광범위한 보급을 위해서는 추가적 비용 절하가 필요하다. 따라서, 고품질로 균일한 막 두께의 비결정질 실리콘(이하, a-Si라고 한다) 박막을, 더 큰 기판 상에 형성할 수 있는 박막 형성 장치가 요구되고 있다.
또한, 상기 a-Si 박막과 미세 결정 실리콘(이하, μc-Si라고 한다) 박막을 적층한 탠덤(tandem) 구조의 박막은, 상기 a-Si 단독의 박막보다, 높은 전력 변환 효율을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 μc-Si 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치가 또한 요구되고 있다.
박막 형성 장치의 기술로서, 일본국 특허공개공보 소59-014633은, 용량 결합형의 평행 평판형 플라즈마 CVD 장치의 기술을 개시하고 있다.
일반적으로, 평행 평판형 플라즈마 CVD 장치는, 고주파 전원에 접속된 전극판과 접지된 전극판을 대향시켜 배치하여 쌍을 이루게 하고, 상기 한쌍의 전극판 사이의 공간을 방전 영역으로 하며, 상기 접지 전극판 상에 설치된 기판의 표면에 박막을 형성시키는 것이다. 상기 평행 평판형 플라즈마 CVD 장치에 있어서는, 상기 한쌍의 전극판 상에, 1개의 기판 또는 작게 분할된 복수 개의 기판을, 상기 한쌍의 전극판 중 어느 하나에 설치할 수 밖에 없다. 이것은, 상기 고주파 전원에 접속된 전극판 상에서와 상기 설치 전극판 상에서는, 플라즈마로부터 받는 작용이 상이하기 때문이다. 따라서, 동시에 다수의 기판에 박막을 형성시키려면, 상기 플라즈마 CVD 장치의 챔버는 복수 개의 쌍의 전극판을 미리 구비하고 있지 않으면 안된다. 상기 챔버는 넓은 내부 공간을 필요로 한다. 또한, 전극을 3쌍 이상 설치하고자 하면, 보수가 곤란해진다. 따라서, 현실적으로는, 최대 2쌍의 전극판을 구비한 챔버를 가지는 장치를 사용하여, 한번에 최대 2개의 기판을 처리하는 것이 적당하다.
또 평행 평판형 플라즈마 CVD 장치는, 원리적인 제약 때문에, 각 전극판은 적어도 기판보다 크지 않으면 안된다. 따라서, 더 큰 면적의 기판에 막을 형성하려고 하면, 더 큰 전극판이 필요하게 되지만, 큰 전극판 사이에 균일한 플라즈마를 발생시키는 것은 곤란하다. 그와 같은 문제로부터, 대형 기판에 균일한 막 두께와 성질을 가진 막을 형성하는 것은 극히 곤란하다.
본 발명은, 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 한정된 공간안에 다수의 플라즈마 소스를 배치하고, 각 방전 영역에 균일한 플라즈마를 발생시켜, 대형 기판에 고품질의 균일한 막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 박막 형성 방법은, 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 형성하는 단계, 상기 복수 개의 안테나 소자를, 상기 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열하여, 챔버 내에 설치함으로써, 하나 이상의 어레이 안테나를 형성하는 단계, 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부를 고주파 전원에 접속하고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부를 접지하는 단계, 상기 어레이 안테나의 양쪽에 평행으로, 각각 상기 간격과 동일한 정도의 피치로 복수 개의 기판을 설치하는 단계, 및 각각의 상기 기판 상에 막을 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 챔버 내의 압력을 60Pa 이하로 유지한다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 박막 형성 방법은, 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 형성하는 단계, 상기 복수 개의 안테나 소자를, 상기 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열하여, 챔버 내에 설치함으로써, 하나 이상의 어레이 안테나를 형성하는 단계, 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부를 고주파 전원에 접속하고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부를 접지하는 단계, 및 상기 챔버 내의 압력을 60Pa 이하로 유지하고, 각 기판 상에 막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 박막 형성 방법은, 바람직하게는, 상기 기판을, 상기 어레이 평면에 대해 평행하고 상기 제1 직선형 도체 및 상기 제2 직선형 도체와 직교하는 방향으로, 왕복운동시킨다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 박막 형성 장치는, 원료 가스의 도입구 및 배기구를 구비한 챔버, 제l 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 구비하고, 상기 제1 직선형 도체와 상기 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열되어, 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부는 고주파 전원에 접속되고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부는 접지된, 상기 챔버 내에 설치되어 있는 하나 이상의 어레이 안테나, 및 상기 어레이 안테나의 양쪽에 평행으로, 각각 상기 간격과 동일한 정도의 피치로 복수 개의 기판이 설치될 수 있도록 구성된 기판 홀더를 구비한다.
상기 박막 형성 장치는, 바람직하게는, 상기 제1 직선형 도체의 주위를 각각 덮는 유전체를 더 구비한다.
본 발명의 제4 태양에 따르면, 태양 전지의 제조방법은, 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 형성하는 단계, 상기 복수 개의 안테나 소자를, 상기 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열하여, 챔버 내에 설치함으로써, 하나 이상의 어레이 안테나를 형성하는 단계, 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부를 고주파 전원에 접속하고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부를 접지하는 단계, 상기 어레이 안테나의 양쪽에 평행으로, 각각 상기 간격과 동일한 정도의 피치로 복수 개의 기판을 설치하는 단계, 멎 각각의 상기 기판 상에 막을 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 챔버 내의 압력을 60Pa 이하로 유지한다.
본 발명의 제5 태양에 따르면, 태양 전지의 제조방법은, 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 형성하는 단계, 상기 복수 개의 안테나 소자를, 상기 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열하여, 챔버 내에 설치함으로써, 하나 이상의 어레이 안테나를 형성하는 단계, 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부를 고주파 전원에 접속하고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부를 접지하는 단계, 및 상기 챔버 내의 압력을 60Pa 이하로 유지하고, 각 기판 상에 막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 태양 전지의 제조방법은, 바람직하게는, 상기 기판을, 상기 어레이 평면에 대해 평행하고 상기 제1 직선형 도체 및 상기 제2 직선형 도체와 직교하는 방향으로, 왕복운동시킨다.
본 발명의 제6 태양에 따르면, 태양 전지의 제조장치는, 원료 가스의 도입구 및 배기구를 구비한 챔버, 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 구비하고, 상기 제1 직선형 도체와 상기 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열되어, 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부는 고주파 전원에 접속되고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부는 접지된, 상기 챔버 내에 설치되어 있는 하나 이상의 어레이 안테나, 및 상기 어레이 안테나의 양쪽에 평행으로, 각각 상기 간격과 동일한 정도의 피치로 복수 개의 기판이 설치될 수 있도록 구성된 기판 홀더를 구비한다.
상기 태양 전지의 제조장치는, 바람직하게는, 상기 제1 직선형 도체의 주위를 각각 덮는 유전체를 더 구비한다.
본 발명의 제7 태양에 따르면, 태양 전지는, 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체 각각의 제1 단부를 서로 전기적으로 접속한 복수 개의 안테나 소자를 형성하고, 상기 복수 개의 안테나 소자를, 상기 제1 직선형 도체와 제2 직선형 도체가 교대로 동일한 간격으로 나란하게 되도록 평면에 배열하여, 챔버 내에 설치함으로써, 하나 이상의 어레이 안테나를 형성하며, 상기 제1 직선형 도체 각각의 제2 단부를 고주파 전원에 접속하고, 상기 제2 직선형 도체 각각의 제2 단부를 접지하며, 상기 챔버 내의 압력을 60Pa 이하로 유지하여, 기판의 표면에 형성된 박막을 구비한다. 바람직하게는, 상기 박막은, 상기 챔버 내의 압력을 60Pa 이하로 유지하여 형성된다.
상기 박막은, 바람직하게는, 상기 기판을 상기 어레이 평면에 대해 평행하고 상기 제1 직선형 도체 및 상기 제2 직선형 도체와 직교하는 방향으로 왕복 운동시켜, 형성된다.
본 발명에 의하면, 한정된 공간에 복수 개의 전극을 설치하고, 각 전극 사이에 각각 균일한 플라즈마를 발생되게 할 수 있으므로, 한번에 많은 기판에 균일한 막 두께와 성질을 가진 막을 형성할 수 있고, 효율적인 박막의 생산이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 형성 장치의 정면도이다.
도 2는 상기 실시예에 따른 상기 박막 형성 장치의 측면도이다.
도 3은 상기 실시예에 따른 안테나 소자의 단면도이다.
도 4a는 균일한 박막이 형성되는 경우의 박막 형성의 상황을 나타내는 개략도이다.
도 4b는 불균일한 박막이 형성되는 경우의 박막 형성의 상황을 나타내는 개략도이다.
도 4c는 박막 형성의 상황을 나타내는 개략도로서, 기판의 스트로크(S)와 도체간의 피치(P)의 관계를 나타내는 개략도이다.
도 5a는 안테나 소자와 기판의 거리와 막질의 관계를 조사한 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 상기 안테나 소자와 상기 기판의 거리와 박막의 성장속도의 관계를 조사한 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 5c는 챔버 내의 압력과 막질 및 성장속도의 관계를 조사한 실험결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 박막 형성 장치를 도 1 및 도 2를 참조하여 이하에서 설명한다. 박막 형성 장치(1)는, 안테나 형식의 유도 결합형 플라즈마 CVD 장치이며, 예를 들면 전력용 태양 전지를 제조하는데 적합한 대형(대면적) 기판에 막을 형성할 수 있는 비교적 대형의 것이며, 막 형성실(10)과, 상기 막 형성실(10) 내에 설치된 어레이 안테나(20)와, 막 형성용 기판(40)을 유지하는 기판 홀더(50)를 구비하고 있다.
상기 막 형성실(10)은, 예를 들면 한 변이 1m를 넘는 대형 기판(40)에 막을 형성하기 위해 필요한 높이와 폭을 가지는 동시에, 이와 같은 복수 개(도시한 예에서는 6개)의 기판에 동시에 막을 형성할 수 있도록, 필요한 깊이를 가지는 공간 사이즈로 구성되어 있다.
상기 막 형성실(10) 내에는, 복수 조의 어레이 안테나(20)(도시한 예에서는 3개 조의 어레이 안테나(20a, 20b, 20c)가 설치되고, 각 어레이 안테나(20)는, 복수 개(도시한 예에서는 6개)의 안테나 소자(30)로 구성된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 각 안테나 소자(30)는, 평행한 2개의 직선형 도체(31, 35)의 인접하는 일단(예를 들면, 하단)끼리 결합부재(38)에 의해 전기적으로 결합함으로써, 대략 U자 모양을 이루는 왕복 평행 선로 모양으로 형성된 것이다. 상기 한쪽의 직선형 도체(31)의 타단(즉, 상단)은 고주파 전원에 접속하기 위한 고주파 전력 공급부이며, 다른 쪽의 직선형 도체(35)의 타단(즉, 상단)은 접지하기 위한 접지부이다.
직선형 도체(31)에는 중실(中實) 로드가 사용되고, 직선형 도체(31)의 상단인 상기 고주파 전력 공급부는 예를 들면 막 형성실(10)의 벽면이 구비하는 A12O3 등의 유전체로 된 관통벽(32)을 관통하고, 막 형성실(10)의 외측에 설치된 고주파 전원(11)에 접속된다. 또한, 막 형성실(10) 내의 직선형 도체(31)의 주위에는, 예를 들면 A12O3 등의 원통형의 유전체 파이프(33)가 설치되고, 상기 유전체 파이프 (33)의 두께는 필요에 따라 적당히 설정된다.
직선형 도체(35)에는, 원주면에 다수의 구멍(36)이 있는 중공의 파이프가 사용되고, 그 상단은 상기 막 형성실(10)의 프레임을 통하여 접지되는 동시에, 상기 막 형성실(10)의 외측에 설치된 원료 가스 공급원(12)에 연결된다. 따라서, 상기 각 안테나 소자(30)의 중공 파이프 모양의 직선형 도체(35)의 상기 접지부가 상기 막 형성실(10)의 원료 가스 도입구로서 기능한다.
상기 복수 개(도시한 예에서는 6개)의 안테나 소자(30)를, 각 고주파 전력 공급부와 각 접지부를 교대로, 즉, 직선형 도체(31)와 직선형 도체(35)를 교대로 하여, 늘어놓는다. 모든 직선형 도체(31, 35)는 동일 평면(이하, 어레이 평면이라고 한다) 상에 동일한 간격으로 배치된다. 이와 같이 하여, 각각의 어레이 안테나(20)가 구성된다. 상기 복수 개의 어레이 안테나(20)(도시한 예에서는 3개 조의 어레이 안테나(20a, 20b, 20c))는, 서로 소정의 간격을 두고 평행으로 되도록 하여, 상기 막 형성실(10) 내에 설치되어 있다. 따라서, 상기 각 어레이 평면은, 상기 막 형성실(10) 내에서 서로 소정의 간격을 두고 평행으로 위치하고 있다.
상기 기판 홀더(50)는, 상기 어레이 안테나(20)의 양쪽에 막이 형성되는 2개의 상기 기판(40)을 유지하여, 이 양쪽 기판(40)을 상기 어레이 안테나(20)의 상기 어레이 평면에 평행하게, 또한, 상기 어레이 안테나(20)와의 거리 D(도 2참조)를, 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 피치 P(도 1 참조:예를 들면 약 35mm)와 동일한 정도(구체적으로는 후술하는)로 하여 위치시키는 것이다. 도시한 예에서는 3개 조의 상기 어레이 안테나(20a, 20b, 20c)가 설치되어 있으므로, 상기 기판 홀더(50)는, 상기 각 어레이 안테나(20)마다 양쪽에 1개씩, 합계 6개의 상기 기판(40)을 유지한다. 모든 상기 기판(40)은, 대응하는 상기 어레이 안테나(20)의 상기 어레이 평면에 평행하게, 또한 상기 안테나 기판간 거리 D를 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P(약 35mm)와 동일한 정도로 하여 위치된다.
이와 같은 상기 기판 홀더(50)는, 모든 상기 기판(40)을 유지한 채로 상기 막 형성실(1O)에 반입 및 반출하기 위하여, 적당한 반송체(도시되어 있지않음)에 지지되어 상기 막 형성실(10)에 반입 및 반출 가능하게 구성되어 있다. 따라서, 도 1에는 나타내지 않았지만, 상기 막 형성실(10)의 좌우 측판은 개폐 가능하게 구성되어 있어, 좌우 어느 한쪽(예를 들면 좌측)의 측판을 개방하여 상기 기판 홀더(50)를 반입하는 한편, 다른 쪽(예를 들면 우측)의 측판을 개방하여 상기 기판 홀더(50)를 반출하도록 되어 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 상기 막 형성실(10)의 예를 들면 하부에는, 배기를 위한 배기구가 형성되어 있다.
또한, 상기 막 형성실(10)은, 막 형성 중에 상기 각 기판(40)의 온도가 상승하는 것을 억제하기 위한 제열장치(13)를 구비하고 있다. 상기 제열장치(13)는, 예를 들면, 상기 각 기판(40)으로부터 복사 또는 열전도에 의해 열을 흡수하는 적당한 흡열체와, 상기 흡열체가 흡수한 상기 열을 상기 막 형성실(10)의 상기 측벽 등으로 복사 또는 열전도에 의해 방사하는 기구로 구성된다. 상기 제열장치(13)는, 또한, 유체를 매체로 하는 냉각 기능을 가지는 흡열체만으로 구성할 수도 있고, 또한 흡열체 없이, 상기 막 형성실(10) 내의 열을 강제적으로 밖으로 방사하는 폐열 기구만으로 구성할 수 있다.
상기와 같이 구성된 상기 박막 형성 장치(1)를 사용할 때에는, 상기 막 형성실(10) 내의 압력을 60Pa 이하로 유지하여 막 형성 프로세스를 실행한다.
즉, 먼저, 상기 막 형성실(10) 내에서, 상기 기판 홀더(50)에 의하여, 모든(6개) 상기 기판(40)을 대응하는 상기 어레이 안테나(20)(20a, 20b, 20c)의 상기 어레이 평면에 평행하게, 또한 상기 안테나 기판간 거리 D를 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P(약 35mm)와 동일한 정도(D≒P)로하여 위치시킨다.
다음에, 상기 막 형성실(10)의 외측에 설치된 상기 원료 가스 공급원(12)으로부터 상기 어레이 안테나(20)(20a, 20b, 20c)의 상기 각 안테나 소자(30)의 모든 상기 직선형 도체(35) 내에 상기 원료 가스를 공급한다. 상기 원료 가스는, 모든 상기 직선형 도체(35)의 상기 구멍(36)으로부터 방출되어 상기 막 형성실(10) 내부를 채워, 상기 막 형성실(10) 내의 압력을 60Pa 이하의 적정 압력으로 한다.
그리고, 상기 막 형성실(10) 내부를 60Pa 이하의 적정 압력으로 유지하면서, 상기 막 형성실(10)의 외측에 설치된 상기 고주파 전원(11)으로부터 상기 어레이 안테나(20)(20a, 20b, 20c)의 상기 각 안테나 소자(30)의 모든 상기 직선형 도체(31)에 고주파 전력(예를 들면 85MHz의 VHF 전력)을 공급하여, 모든 상기 직선형 도체(31) 및 이것과 상기 결합부재(38)에 의해 전기적으로 결합된 모든 상기 직선형 도체(35)의 주위에 플라즈마를 발생시킴으써, 막 형성 프로세스가 실행된다.
상기 막 형성 프로세스를 실행함으로써, 도 4a에 부분적으로 나타낸 바와 같이, 모두 6개의 상기 기판(40)의 표면에는 목적으로 하는 박막이 성장한다. 상기 박막은, 미세 결정(微結晶) 내지 비결정질 형태로 얻어진다.
SiH4 가스를 원료 가스로 하여, 상기 막 형성 프로세스를 실제로 행하였는데, 상기 막 형성실(10) 내의 상기 기판(40) 모두(6개)에 미세 결정 실리콘(μc-Si)의 박막이 성장하여, 상기 박막은 상기 기판(40)의 표면 전체에 걸쳐 양호한 막질로 형성된 것이 확인되었다. 그리고, 미세 결정 실리콘의 막 형성에서, 단위 면적당 1kW를 넘는 고주파 전력을 적용하는 것이 필요하기 때문에, 막 형성 동안에 고밀도 플라즈마에 노출되어, 상기 각 기판(40)의 온도가 상승하는 현상이 발생한다. 그러나, 상기 막 형성실(10)은 상기 제열장치(13)를 구비하고 있으므로, 상기 제열장치(13)의 효과에 의하여, 상기 막 특성이 상기 막 형성 동안에 상기 각 기판(40)의 온도상승에 의해 열화되지 않는 것이 확인되었다.
또한, 상기 막 형성 프로세스에 있어서, 상기 안테나 기판간 거리 D를 여러가지로 변경하여 실험했는 데, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
즉, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 상기 안테나 기판간 거리 D가, 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P와 대략 동일한 약 35mm인 때, 비결정질 실리콘(a-Si)에 대한 미세 결정 실리콘(μc-Si)의 비율이 최대로 되어, 결정성이 좋고 우수한 막질을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 상기 안테나 기판간 거리 D가 이보다 크게 되더라도, 약 47mm 정도까지는, 매우 양호한 막질을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5a에는, 상기 안테나 기판간 거리 D가 35mm보다 작은 경우의 결과가 나타나 있지 않지만, 약 17mm 정도까지에는, 매우 양호한 막질을 얻을 수 있는 것이 확인되었다. 이상의 실험결과로부터, 상기 안테나 기판간 거리 D는, 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P와 대략 동일한 약 35mm가 최적이고, 이것을 중심으로 하여 ±50% 정도(약 17mm∼약 47mm)가 막질의 관점에서 볼 때 상기 안테나 기판간 거리 D의 허용범위인 것을 알 수 있었다. 이것은, 상기 안테나 기판간 거리 D가 상기 허용범위 내에 있으면, 전자계가 효율적으로 전리작용을 일으킨다는 것을 증명하는 것이다.
또한, 도 4b는, 상기 안테나 기판간 거리 D가, 최적치(약 35mm)로부터의 허용범위 하한에 가까운 약 17mm 때의 막 형성 실험의 결과를 나타내고 있다. 이때 형성되는 막의 두께는, 상기 어레이 안테나(20)의 상기 직선형 도체(31, 35)에 대응하는 위치에서는 보다 두껍게 되지만, 상기 직선형 도체(31, 35)로부터 멀어짐에 따라 얇아져, 그결과, 일정한 간격을 유지하여 배치된 상기 직선형 도체(31, 35)에 대응하여, 상기 각 기판(40)에는 두꺼운 부분과 얇은 부분이 교대로 된 줄무늬가 형성된다.
그래서, 막 형성동안에 상기 기판(40)을, 상기 어레이 평면에 평행하고 상기 직선형 도체(31, 35)와 직교하는 방향으로, 소정 스트로크 만큼 반복적으로 왕복 이동시킴으로써, 상기 줄무늬의 형성을 피할 수 있다. 왕복 이동 스트로크 S는, 도 4c에 나타낸 바와 같이, 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P(약 35mm)의 2배 정도(S≒2P)의 길이, 즉, 상기 어레이 안테나(20)의 인접하는 상기 안테나 소자(30)간의 피치(70mm)에 상당하는 길이로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 예를 들면, 상기 기판(40)상의 상기 직선형 도체(31)에 대응하는 위치와 상기 직선형 도체(35)에 대응하는 위치에서, 엄밀하게는 막 형성 상태가 상이하게 되더라도, 하나의 직선형 도체(31)로부터 그것과 인접하는 직선형 도체(31)까지, 또는 하나의 직선형 도체(35)로부터 그것과 인접하는 직선형 도체(35)까지, 막 형성 상태가 동일하다고 생각되는 2점 사이를 왕복 이동시킴으로써, 상기 각 기판(40)의 표면에는 줄무늬가 없는 균일한 미세 결정 박막이 형성될 것으로 기대되기 때문이다.
실험한 바에 의하면, 막 형성동안에 상기 기판(40)을, 어레이 안테나(20)의 인접하는 안톄나 소자(30)간의 피치(70mm)에 상당하는 스트로크 만큼 반복적으로 왕복 이동시킴으로써, 상기 각 기판(40)의 표면에는 줄무늬가 없는 균일한 미세 결정 박막이 형성되는 것이 확인되었다.
따라서, 상기 안테나 기판간 거리 D를, 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P(약 35mm)와 대략 동일한 최적치를 중심으로 하여 ±50%정도의 허용범위 내에서, 최적치 부근에 설정하면, 막 형성 동안에 상기 기판(40)을 왕복 이동시키지 않고도, 양호한 막질의 미세 결정 박막이 균일한 막 두께로 형성되는 것이 확인되었다. 또한, 최적치로부터 멀어져도 허용범위 내에 설정하면, 막 형성 동안에 기판(40)을 소정 스트로크 만큼 반복적으로 왕복 이동시킴으로써, 줄무늬가 없는 양호한 막질의 미세 결정 박막이 균일한 막 두께로 형성되는 것이 확인되었다.
또한, 막 형성 속도에 대하여는, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 안테나 기판간 거리 D가 약 40mm일 때 최대치가 되고, 상기 안테나 기판간 거리 D가 이보다 크거나 작으면, 상기 막 형성 속도는 저하된다.
상기 막질에 대하여는, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 상기 안테나 기판간 거리 D가 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P와 대략 동일한 약 35mm일 때최적값으로 되는 것에 대하여, 상기 막 형성 속도에 대하여는, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 안테나 기판간 거리 D가 막질 최적치의 거리 약 35mm보다 먼 약 40mm일 때 최대치로 된다. 이 원인 중 하나는, 상기 기판(40)을 상기 어레이 안테나(20)에 너무 접근시키면, 상기 어레이 안테나(20)의 상기 직선형 도체(31, 35)의 주위에 발생하는 전자계가 상기 기판(40)을 빠져나가거나 새거나 하기 때문이라고 생각된다.
그래서, 상기 안테나 기판간 거리 D를 그 허용 범위 내에서 최적치(약 35mm)보다 좁게 설정하는 경우는, 상기 기판(40)의 배면에 금속으로 된 배면판을 설치하는 것이 바람직하다. 금속으로 된 상기 배면판에 의해 상기 전자계를 반사시켜, VHF 전력을 효율적으로 상기 플라즈마에 흡수시킬 수가 있기 때문이다.
또한, 상기 막 형성 프로세스에 있어서, 상기 막 형성실(10) 내의 압력을 여러가지로 변경하여 실험한 바, 도 5c에 나타낸 바와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
즉, 도 5c에 나타낸 바와 같이, 상기 막 형성실(10) 내의 압력이 약 20Pa이하로 되면, a-Si에 대한 μc-Si의 비율이 갑자기 크게 되어, 결정성이 좋고, 우수한 막질을 얻을 수 있다. 또한, 막 형성 속도면에서도, 상기 막 형성실(10) 내의 압력이 낮은 것이 속도를 약간 빨리 증가시키는 것을 알 수 있다. 도 5c에는 명시되지 않았지만, 상기 막 형성실(10) 내의 압력이 60Pa를 넘어 높게 되면, 상기 각 기판(40)에는, 상기 어레이 안테나(20)의 상기 직선형 도체(31, 35)에 대응하는 위치에서 두껍고, 상기 직선형 도체(31, 35)로부터 멀어짐에 따라 얇으며, 일정한 간격을 유지하여 배치된 상기 직선형 도체(31, 35)에 대응하여 막 두께가 두꺼운 부분과 얇은 부분이 교대로 된 줄무늬가 형성된다. 그리고, 상기 막 형성실(10) 내의 원료 가스 압력이 60Pa 이하이면, 이와 같은 줄무늬가 실질적으로 형성되지 않고, 실질적으로 양호한 막질을 얻을 수 있으며, 또한, 실용적인 막 형성 속도를 얻을 수 있는 것을 확인했다.
상기한 다양한 사항은 상기 μc-Si 박막의 형성에 대하여 실험에 의해 확인된 것이지만, 이들 실험으로 얻어진 확인 사항에 대하여는, 그 외의 박막(예를 들면 a-Si, SiN, DLC등)을 형성하는 경우에도 마찬가지의 경향이 인정된다.
또한, 상기의 설명에서는, 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P가약 35mm이므로, 상기 안테나 기판간 거리 D의 최적치는 약 35mm, 또 허용 범위는 약 17mm∼약 47mm이지만, 상기 직선형 도체(31, 35) 사이의 상기 피치 P가 이외의 수치인 경우에는, 당연히, 상기 안테나 기판간 거리 D의 최적치는 상기 수치에 의 존하고, 또한, 허용범위는 상기 안테나 기판간 거리 D를 중심으로 하여 ±50% 정도로 되는 것은 말할 필요도 없다.
이상과 같이, 상기 박막 형성 장치(1)(안테나식의 유도 결합형 플라즈마 CVD 장치)를 사용하여 막을 형성하면, 한번에, 1조의 어레이 안테나(20)에 대하여 그 양쪽에 1개씩, 즉 2개의 상기 기판(40)의 표면에 막을 형성할 수 있다. 도시한 바와 같이 상기 박막 형성 장치(1)가 3조의 상기 어레이 안테나(20a, 20b, 20c)를 구비하고 있는 경우에는, 한번에, 상기 각어레이 안테나(20)마다 2개씩, 전체 6개의 기판(40)의 표면에 막을 형성할 수 있다.
상기 각 어레이 안테나(20)는, 상기 복수 개의 안테나 소자(30)로 구성되는 것으로서, 상기 안테나 소자(30)의 개수(도시한 예에서는 6개)는, 상기 막 형성실(10)의 크기가 허락하는 한, 원리적으로는 얼마든지 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 각 기판(40)을 대형화하고, 도 1에 있어서 좌우방향으로는 원리적 제약이 없다고 할 수 있다.
한편, 도 1에 있어서 상하방향으로 상기 각 기판(40)을 대형화하는 데에는, 상기 각 안테나 소자(30)의 상기 직선형 도체(31, 35)를 길게 해야 한다. 상기 직선형 도체(31)의 주위에 설치된 상기 유전체 파이프(33)는, 상기 직선형 도체(31, 35)를 길게 하는 데에 유효하다. 상기 유전체 파이프(33)가 없는 경우에, 상기 고주파는 상기 직선형 도체(31)의 상기 상단으로부터 공급되므로, 상기 플라즈마는 아래쪽으로 비교적 짧은 거리까지 밖에 발생하지 않는다. 상기 유전체 파이프(33)가 있기 때문에, 상기 직선형 도체(31, 35)를 길게 하면, 상기 플라즈마의 발생영역은 아래쪽으로 연장된다.
그리고, 상기 유전체 파이프(33)의 두께를 부위에 따라 적절히 조정함으로써, 상기 플라즈마의 밀도의 분포를 균일하게 유지할수 있다. 또한, 유전체 파이프(33)의 두께를 바꾸는 것은, 실질적으로 상기 안테나 기판간 거리 D를 조정하는 것과 같기 때문에, 얻어지는 박막의 결정성이나 성장속도를 제어하는 데에 이용할수 있다.
또한, 상기 플라즈마 유전율과 상기 안테나 형상의 관계로부터, 임피던스 정합을 얻을 수 없는 경우에는, 예를 들면, 상기 관통벽(32)의 두께를 바꾸어 유전율을 조정하거나, 상기 각 안테나 소자(30)의 상기 직선형 도체(31, 35)의 단부 또는 상기 결합부재(38)에 적절한 임피던스 소자를 장착함으로써, 임피던스 정합을 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 박막 형성 장치(1)는, 대형 기판에 고품질로 균일한 막 두께의 a-Si 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치로서 사용할 수 있다. 상기 a-Si 박막은 태양 전지로서 매우 적합하여, 즉 상기 박막 형성 장치(1)는, 태양 전지의 제조장치로서 매우 적합하다. 또한, 상기 a-Si 박막은, a-Si가 단층인 것에 비해 높은 변환 효율을 얻기 위하여, a-Si 박막과 μc-Si 박막을 적층한 탠덤 구조의 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치로서 사용할 수도 있다.
그리고, 상기의 실시예에서는, 상기 막 형성실(10)을 1개만 도시하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면, 각각 p형 막 형성용, i형 막 형성용, n형 막 형성용 등을 위한 복수 개의 막 형성실(10)을 배열하여, 상기 각 막 형성설(10)에 상기 기판 반송체(60)의 반입 및 반출을 반복함으로써, 예를 들면 전력용 태양 전지를 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 기술했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 상기 개시 내용에 근거하여, 당업자는 상기 실시예의 수정 내지 변형에 의해 본 발명을 실시할 수 있다.
10: 막 형성실
13: 제열 장치
20: 어레이 안테나
31, 35: 직선형 도체
33: 유전체 파이프
36: 구멍
40: 기판
50: 기판 홀더

Claims (2)

  1. 원료 가스의 도입구 및 배기구를 가지고, 미세 결정(微結晶) 실리콘 박막을 균일한 막 두께로 성막할 때 실내의 원료 가스의 압력이 0Pa보다 크고 60Pa 이하로 유지되는 성막실과,
    각 어레이 안테나는, 평행한 2개의 직선형 도체의 인접하는 일단(一端)끼리를 전기적으로 결합하고, 타단(他端)의 한쪽을 고주파 전력 공급부, 다른 쪽을 접지부로 하는 안테나 소자 복수개가, 각 고주파 전력 공급부와 각 접지부가 교대로 배열되어 모든 상기 직선형 도체가 평면(어레이 평면) 위에 동일 간격으로 배치하여 구성되고, 이들 어레이 안테나의 각 어레이 평면이 서로 소정의 간격을 사이에 두고 평행하게 위치하도록 상기 성막실 내에 설치되는 복수 조(組)의 어레이 안테나와,
    상기 복수 조의 각 어레이 안테나의 양측에 있어서 성막되는 각 기판을 상기 어레이 평면에 평행하게 유지하고, 상기 각 어레이 안테나와 상기 각 기판과의 거리(안테나 기판간 거리)를 상기 직선형 도체끼리의 피치로 위치 결정하는 기판 홀더와,
    상기 성막실 내에 있어서 상기 각 기판의 상기 어레이 안테나에 면한 측과는 반대측에 설치되고, 성막 중의 해당 각 기판의 온도 상승을 억제하는 제열(制熱) 장치
    를 구비하고,
    상기 각 안테나 소자의 2개의 직선형 도체 중 고주파 전력 공급부를 단부(端部)로 하는 직선형 도체는, 중실(中實)의 로드가 사용되고, 주위에, 통형(筒狀)으로 그 두께를 변경할 수 있도록 설정되는 유전체를 배치하는 동시에,
    접지부를 단부(端部)로 하는 직선형 도체는, 주면(周面)에 다수의 구멍이 뚫린 중공(中空)의 파이프가 사용되고, 상기 접지부를 통하여 원료 가스 공급원에 연결됨으로써, 상기 접지부가 상기 성막실의 원료 가스 도입구로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
  2. 원료 가스의 도입구 및 배기구를 가지고, 미세 결정(微結晶) 실리콘 박막을 균일한 막 두께로 성막할 때 실내의 원료 가스의 압력이 0Pa보다 크고 60Pa 이하로 유지되는 성막실과,
    각 어레이 안테나는, 평행한 2개의 직선형 도체의 인접하는 일단(一端)끼리를 전기적으로 결합하고, 타단(他端)의 한쪽을 고주파 전력 공급부, 다른 쪽을 접지부로 하는 안테나 소자 복수개가, 각 고주파 전력 공급부와 각 접지부가 교대로 배열되어 모든 상기 직선형 도체가 평면(어레이 평면) 위에 동일 간격으로 배치하여 구성되고, 이들 어레이 안테나의 각 어레이 평면이 서로 소정의 간격을 사이에 두고 평행하게 위치하도록 상기 성막실 내에 설치되는 복수 조(組)의 어레이 안테나와,
    상기 복수 조의 각 어레이 안테나의 양측에 있어서 성막되는 각 기판을 상기 어레이 평면에 평행하게 유지하고, 상기 각 어레이 안테나와 상기 각 기판과의 거리(안테나 기판간 거리)를 상기 직선형 도체끼리의 피치로 위치 결정하는 기판 홀더와,
    상기 성막실 내에 있어서 상기 각 기판의 상기 어레이 안테나에 면한 측과는 반대측에 설치되고, 성막 중의 해당 각 기판의 온도 상승을 억제하는 제열(制熱) 장치
    를 구비하고,
    상기 각 안테나 소자의 2개의 직선형 도체 중 고주파 전력 공급부를 단부(端部)로 하는 직선형 도체는, 중실(中實)의 로드가 사용되고, 주위에, 통형(筒狀)으로 그 두께를 변경할 수 있도록 설정되는 유전체를 배치하는 동시에,
    접지부를 단부(端部)로 하는 직선형 도체는, 주면(周面)에 다수의 구멍이 뚫린 중공(中空)의 파이프가 사용되고, 상기 접지부를 통하여 원료 가스 공급원에 연결됨으로써, 상기 접지부가 상기 성막실의 원료 가스 도입구로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 장치.

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