KR101184022B1 - 반응성 이온 식각 장치 및 상기 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법 - Google Patents

반응성 이온 식각 장치 및 상기 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응성 이온 식각 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 화학적 식각 및 물리적 식각을 단일 공정으로 수행함으로써, 태양전지의 표면에 복잡한 식각 구조를 형성하여 텍스쳐링의 효율을 높일 수 있는 반응성 이온 식각 장치 및 상기 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법에 관한 것이다. 상기 텍스쳐링 방법은 태양전지의 기판 위에 박막을 증착하는 제1 단계; 상기 박막 상부에 패턴을 전사하는 제2 단계; 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 상기 박막에 등방성 식각하는 제3 단계; 및 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 상기 박막에 이방성 식각하는 제4 단계;를 포함하고, 상기 제3 단계 및 제4 단계는 동일한 반응성 이온 식각 장치에서 이루어진다.
본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법 및 그에 사용되는 반응성 식각 장치는 동일한 장치 내에서 간단한 장치의 조작만으로 화학적 및 물리적 식각 공정을 병행함으로써, 등방성 및 이방성 식각 형상을 형성할 수 있어 제조 공정을 안정화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 자유롭게 식각 형상을 형성함으로써 태양전지에 있어 광학적 손실을 효율적으로 줄일 수 있다.

Description

반응성 이온 식각 장치 및 상기 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법{ Reactive Ion Etching apparatus and Texturing method for solarcell using same}
본 발명은 반응성 이온 식각 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 화학적 식각 및 물리적 식각을 단일 공정으로 수행함으로써, 태양전지의 표면에 복잡한 식각 구조를 형성하여 텍스쳐링의 효율을 높일 수 있는 반응성 이온 식각 장치 및 상기 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지 고갈과 심각한 환경오염 문제가 대두됨에 따라 차세대 에너지 개발의 중요성이 증대되고 있다. 한편, 차세대 대체 에너지원 중 태양전지는 무한한 에너지로써 공해가 없고 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 각광받고 있다.
일반적인 태양전지의 작동 원리는 다음과 같다. 먼저, 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만드는데, p형 반도체와 n형 반도체가 접한 부분에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생하게 된다. 빛 에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부 전계에 의하여 각각 n형 반도체 측과 p형 반도체 측으로 이동하여 양쪽의 전극 부분에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부의 부하나 시스템에서 전력원으로 이용할 수 있게 된다.
그러나 상술한 바와 같은 태양전지는 동작 중에 캐리어의 재결합에 의한 손실, 캐리어를 수집하는 전극 부분에서의 저항에 따른 손실, 태양전지 표면에서 발생하는 광학적 손실 등에 의하여 그 특성이 저하되는 것으로 알려져 있다. 그 중에서도 특히 태양전지 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실이 가장 큰 비중을 차지하고 있다.
이러한 태양전지의 광학적 손실을 저감시키기 위하여 주로 텍스쳐링(texturing) 방법이 사용된다. 텍스쳐링이란 태양전지에서 사용되는 실리콘 기판의 표면을 거칠게 만드는 것, 즉 실리콘 기판 표면에 요철 형상의 패턴을 형성하는 것을 말한다. 텍스쳐링으로 실리콘 표면이 거칠어지면 한번 반사된 빛이 재반사되어 입사된 빛의 반사율을 감소시킴으로써 광 포획량이 증가되어 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
텍스쳐링 방법으로는 크게 화학적 식각 방법 및 물리적 식각 방법이 있다.
먼저, 화학적 식각 방법은 물질들의 화학적 반응을 이용하여 식각하는 방법으로써, 식각 구조간의 간격이 존재하지 않아도 되므로 표면 전체적인 텍스쳐링 효과를 기대할 수 있다. 한국공개특허 제 10-2006-0115296호의 "태양전지 디바이스 제조방법"은 습식 식각에 의해 단결정 실리콘 기판에 역 피라미드 모양의 패턴을 형성하여 태양전지의 특성을 향상시키는 텍스쳐링 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법은 단결정 실리콘 기판에서만 적용될 수 있는 기술이며, 습식 식각과 같은 화학적 식각은 등방성의 식각 구조로 형성되므로 빛의 반사 횟수가 많지 않아 물리적 식각에 비해 광 포획량이 적은 단점이 있다.
한편, 물리적 식각 방법은 큰 에너지를 갖는 이온 또는 원자, 분자를 식각하려는 물체 표면에 충돌시켜 식각하는 방법으로써, 비등방성 즉 이방성의 식각 구조로 형성되므로 빛의 반사 횟수를 증가키셔 광 포획량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이 방법은 식각 구조 간에 간격이 존재할 수 밖에 없어 식각되지 않은 부분에 대해서는 텍스쳐링 효과가 없어 화학적 식각에 비해 빛의 반사율이 높은 단점이 있다.
이에 따라, 상술한 단점을 개선하기 위하여 화학적 식각 방법 및 물리적 식각 방법을 혼재하여 식각하는 방법이 사용되고 있지만, 종래의 방법으로는 화학적 식각은 식각 용액을 사용하는 습식 공정으로 진행되고, 물리적 식각은 플라즈마 장비를 이용한 건식 공정으로 진행되기 때문에 생산성이 크게 저하되는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 화학적 식각 및 물리적 식각을 단일 공정으로 진행되도록 함으로써, 생산성을 높이고 제조 공정을 안정화시키고, 또한 텍스쳐링 효과를 극대화하여 태양전지의 효율을 높일 수 있는 반응성 이온 식각 장치 및 상기 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법을 제공하고자 하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 태양전지의 기판 위에 박막을 증착하는 제1 단계; 상기 박막 상부에 패턴을 전사하는 제2 단계; 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 상기 박막에 등방성 식각하는 제3 단계; 및 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 상기 박막에 이방성 식각하는 제4 단계;를 포함하고, 상기 제3 단계 및 제4 단계는 동일한 반응성 이온 식각 장치에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 텍스쳐링 방법은 상기 제3 단계 및 제4 단계를 수회 반복하는 제 5 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 박막은 공기의 굴절률 및 기판의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 저굴절률 박막인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 박막은 SiO2로 구성되고, 증착 두께가 3000Å 이상인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 태양전지의 기판은 비정질의 유리 및 고분자 물질 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 제2 단계는 나노 임프린팅 공정을 이용하여 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 제3 단계는 반응성 이온 식각 장치의 접지되는 영역의 면적을 감소시켜 등방성 식각하고, 상기 제4 단계는 반응성 이온 식각 장지의 접지되는 영역의 면적을 증가시켜 이방성 식각하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 제3 단계는 반응성 이온 식각 장치의 접지 전극에 양의 전극을 인가하여 등방성 식각하고, 상기 제4 단계는 반응성 이온 식각 장지의 접지 전극에 음의 전극을 인가하여 이방성 식각하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 반응성 이온 식각 장치에 있어서, 공정 가스가 채워지고, 식각 공정을 수행하는 공정 챔버; 상기 챔버 내부의 일측에 배치되는 접지 전극; 상기 접지 전극이 배치된 일측과 대향되는 상기 챔버 내부의 타측에 배치되는 파워 전극; 기판을 안착시키기 위해 상기 파워 전극 정면에 설치되는 척; 상기 파워 전극에 연결되어 고주파 전압을 인가하는 고주파 전압 공급수단; 및 상기 파워전극 및 고주파 전압 공급수단 사이에 배치되는 결합 콘덴서(blocking capacitor);를 구비하고, 상기 공정 챔버의 벽은 접지되고, 상기 접지 전극은 위치가 이동 가능한 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 반응성 이온 식각 장치에 있어서, 공정 가스가 채워지고, 식각 공정을 수행하는 공정 챔버; 상기 챔버 내부의 일측에 배치되는 접지 전극; 상기 접지 전극이 배치된 일측과 대향되는 상기 챔버 내부의 타측에 배치되는 파워 전극; 기판을 안착하기 위해 상기 접지 전극 정면에 설치되는 척; 상기 파워 전극에 연결되어 고주파 전압을 인가하는 고주파 전압 공급수단; 상기 접지 전극에 연결되어 직류 전압을 인가하는 직류 전압 공급수단; 및 상기 파워전극 및 고주파 전압 공급수단 사이에 배치되는 결합 콘덴서(blocking capacitor);를 구비하고, 상기 접지 전극에 인가되는 직류 전압은 양의 전극 및 음의 전극 중 어느 하나를 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 반응성 이온 식각 장치에 있어서, 상기 공정 가스는 O2 가스가 첨가된 공정 가스 및 불소에 대한 탄소의 비율(C/F 비율)이 낮은 플라즈마 공정 가스 중 하나 또는 모두를 사용하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 반응성 이온 식각 장치에 있어서, 상기 플라즈마 공정 가스는 CF4 가스 및 F2 가스 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법 및 그에 사용되는 반응성 식각 장치는 동일한 장치 내에서 간단한 장치의 조작만으로 화학적 및 물리적 식각 공정을 병행함으로써, 등방성 및 이방성 식각 형상을 형성할 수 있어 제조 공정을 안정화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 자유롭게 식각 형상을 형성함으로써 태양전지에 있어 광학적 손실을 효율적으로 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 태양전지 기판을 식각하기 전에 나노 임프린트 공정으로 마스크를 형성한 후 식각 공정을 진행함으로써 균일한 식각 형상을 얻을 수 있다. 따라서, 기판 표면 전체에서 균일하게 반사도가 저감되는 효과를 나타낼 뿐만 아니라 단순화된 공정을 통해 양산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 의해 형성된 식각 형상을 포함하는 태양전지의 구조도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법을 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 의한 SiO2 박막의 식각 형상을 나타낸 구조도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 접지되는 영역의 면적을 변화시키는 반응성 이온 식각 장치를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 접지 전극에 인가하는 직류 바이어스 방향을 변화시키는 반응성 이온 식각 장치를 개략적으로 도시한 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치 및 상기 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 의해 형성된 식각 형상을 포함하는 태양전지의 구조도이다. 도 1을 참조하면, 태양전지의 기판에 증착된 SiO2 박막은 등방성 및 이방성 식각 형상이 혼재하는 구조로 형성되어 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 등방성 및 이방성 식각 형상을 형성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 태양전지의 기판 위에 박막을 증착하는 제1 단계, 상기 박막 상부에 패턴을 전사하는 제2 단계, 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 등방성 식각하는 제3 단계 및 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 상기 박막에 이방성 식각하는 제4 단계를 포함하며, 상기 제3 단계 및 제4 단계를 수회 반복하는 제5 단계를 더 포함할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 나노 임프린팅 공정 및 반응성 이온 식각 장치를 이용하여 태양전지를 텍스쳐링하는 것을 특징으로 한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 태양전지의 기판(200) 위에 박막(210)을 증착한다. 여기서, 상기 기판(200)은 방향성이 없어 균일한 식각이 어려운 비정질의 유리 및 고분자 물질 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
또한, 상기 박막(210)은 공기의 굴절률 및 기판의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 저 굴절률 박막으로서, 증착 두께는 3000Å이다. 상기 저 굴절률 박막은 상대적으로 굴절률이 큰 비정질의 유리로 구성된 기판 위에 증착됨으로써, 상기 기판의 표면 반사율을 줄이는 반사방지막의 역할을 한다.
일반적으로, 굴절률이 n1인 물질 및 굴절률이 n2인 물질이 적층된 구조에서 빛이 굴절률이 n1인 물질을 투과해서 굴절률이 n2인 물질에 수직으로 입사하면 경계면에서의 반사율은 수학식 1과 같이 표시된다.
Figure 112010041946177-pat00001
여기서 상대굴절률 n=n2/n1이다. 수학식 1을 참조하면, 적층된 물질들의 굴절률 차이가 작을수록 반사율이 줄어든다. 즉, 공기 중에서 기판으로 빛이 바로 입사되는 경우 굴절률 차이가 커서 반사율도 커지지만, 상기 저 굴절률 박막은 상대적으로 공기와의 굴절률 차이를 줄여 그만큼 반사율을 줄이는 효과를 야기한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에서는 굴절률이 1.52인 SiO2를 사용하여 박막을 증착한다.
다음, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 증착된 SiO2 박막 위에 나노 임프린트 공정으로 패턴을 전사한다.
나노 임프린트 공정은 상기 박막 위에 UV로 경화되는 포토 레지스트(220)를 도포하는 단계(a), 나노 패턴(230)이 각인된 스탬프로 상기 포토 레지스트(220)의 표면을 눌러 가압하는 단계(b), 나노 패턴이 형성된 포토 레지스트에 UV를 조사하여 경화시키는 단계(c), 상기 스탬프(230)를 분리하고 잔여층을 식각하는 단계(d)를 포함한다. 상기 나노 임프린트 공정을 통해 형성된 패턴은 식각 형상을 형성하기 위한 마스크의 역할을 하게 된다.
다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 SiO2 박막을 화학적으로 식각함으로써, 등방성 식각 형상을 형성한다.
다음, 도 2d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 상기 전사된 패턴을 마스크로 하고, 상기 SiO2 박막의 등방성 식각 형상을 물리적으로 더 식각함으로써, 등방성 및 이방성 식각 형상이 복합적으로 형성되도록 한다.
본 발명에 따른 텍스쳐링 방법은 상기 화학적 식각 및 물리적 식각을 수회 반복하여 상기 등방성 및 이방성 식각 형상를 복잡하게 형성함으로써, 상기 식각 형상 내에서 빛의 반사 횟수를 늘려 태양전지 내부로 흡수하도록 하여, 태양전지의 효율을 증가시키게 된다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 의한 SiO2 박막의 식각 형상을 나타낸 구조도이다.
도 3a를 참조하면, 전사된 패턴을 마스크로 하여 박막을 화학적으로 식각하는 일반적인 경우, 언더컷(under cut)이 발생하여 마스크 패턴의 아래 부분까지 더 식각되는 반구형의 등방성 구조로 식각한다.
도 3b를 참조하면, 전사된 패턴을 마스크로 하여 박막을 물리적으로 식각하는 일반적인 경우, 마스크 패턴이 형성되지 않는 부분에서만 직육면체의 이방성 구조로 식각한다.
도 3c를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 상기 화학적 식각 및 물리적 식각을 모두 적용함으로써, 등방성 식각 형상 및 이방성 식각 형상이 혼재하는 복잡한 식각 형상을 형성하게 된다. 상기 복잡한 식각 형상은 태양전지에 빛이 입사되었을 때 내부로 흡수하도록 하여, 태양전지의 효율을 증가시키도록 한다.
도 3d를 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 상기 화학적 식각 및 물리적 식각을 수회 반복함으로써, SiO2 박막에 있어서 식각 형상의 간격이 없어지므로 상기 박막 전 표면에서 텍스쳐링 효과가 발생할 수 있도록 하며, 상기 식각 형상이 더 복잡해짐으로써 입사되는 빛의 반사 횟수를 증가시켜 태양전지 내부로 흡수되도록 하여 텍스쳐링 효과를 극대화하게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 화학적 식각 및 물리적 식각은 동일한 반응성 이온 식각 장치에서 진행된다.
본 발명에 따른 텍스쳐링 방법은 접지되는 영역의 면적을 변화시킬 수 있는 반응성 이온 식각 장치를 이용함으로써, 등방성 식각 및 이방성 식각을 동일한 반응성 이온 식각 장치에서 진행할 수 있다.
또는, 본 발명에 따른 텍스쳐링 방법은 접지 전극에 인가되는 직류 전원의 바이어스(bias) 방향을 바꿔줄 수 있는 반응성 이온 식각 장치를 이용함으로써, 등방성 식각 및 이방성 식각을 동일한 반응성 이온 식각 장치에서 진행할 수 있다.
따라서, 태양전지의 기판을 챔버 밖으로 꺼내 이동할 필요가 없어 안정적인 공정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 제조 시간을 단축시켜 생산 효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 반응성 이온 식각 장치는 플라즈마 식각 공정을 이용한다. 플라즈마란 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띈 양이온 및 전자들의 집단으로, 짝짓지 않은 전자를 갖는 원자단인 라디칼을 포함한다. 플라즈마 내부에는 활발하게 움직이는 전자, 이온 및 라디칼(radical)이 존재하므로 다른 물질을 여기 또는 전리시키는 화학적 반응을 일으킬 수 있다. 또한, 플라즈마 외부에 전계를 걸어줌으로써, 전자 및 이온의 운동 속도를 조절하여 다른 물질과 충돌을 유발하는 물리적 반응을 일으킬 수 있다. 상기 플라즈마에 의한 화학적 반응 및 물리적 반응은 물질을 증착하는 공정에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 물질을 식각하는 공정에도 적용할 수도 있다.
이하, 화학적 식각 및 물리적 식각을 사용 상황에 맞게 선택하여 사용할 수 있는 반응성 이온 시각 장치의 구조 및 동작 원리에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치에 있어서, 반응성 이온 식각 장치의 접지되는 영역의 면적을 변화시켜 화학적 식각 및 물리적 식각을 통제하는 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 접지되는 영역의 면적을 변화시키는 반응성 이온 식각 장치를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치(40)는 접지 전극(410), 파워 전극(420), 척(430), 고주파 전압 공급수단(440), 결합 콘덴서(blocking capacitor)(450) 및 공정 챔버(400)을 구비한다.
상기 접지 전극(410)은 상기 공정 챔버(400) 내부의 일측에 배치되며, 위치가 이동 가능하도록 한다. 상기 파워 전극(420)은 상기 공쟁 챔버(400) 내부의 일측에 배치하되, 상기 접지 전극(410)이 배치된 일측에 대향되는 타측에 배치된다. 상기 척(430)은 기판을 안착하는 수단으로써, 상기 파워 전극(420) 정면에 배치된다. 상기 고주파 전압 공급수단(440)은 상기 공정 챔버(400) 외부에 배치되며, 상기 파워 전극(420)에 연결되어 고주파 전압을 인가한다. 상기 결합 콘덴서(450)는 상기 파워전극(420) 및 고주파 전압 공급수단(440) 사이에 배치된다. 상기 공정 챔버(400)는 접지 전극(410), 파워 전극(420) 및 이를 지지하는 벽으로 구비되며, 공정 가스로 채워지고, 식각 공정을 수행한다.
이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치의 동작 원리에 대하여 구체적으로 설명한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치(40)는 접지되는 영역의 면적을 변화시킴으로써, 변화된 면적에 따라 화학적 식각 및 물리적 식각 중 어느 한 방법이 주로 선택되어 식각되는 것을 특징으로 한다. 도 4를 참조하면, 식각할 기판을 척(430)에 장착한 후 공정 챔버(400) 내부에 공정 가스가 공급된다. 이때, 상기 공정 가스는 등방성 식각이 진행되는 경우 탄소 성분에 의해서 고분자가 형성되는 것을 막기 위해 O2 가스가 첨가된 공정가스 및 불소에 대한 탄소의 비율(C/F 비율)이 낮은 플라즈마 공정 가스 중 하나 또는 모두를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 플라즈마 공정 가스는 CF4, F2 등이 있다.
다음, 결합콘덴서(Blocking capacitor)는 교류 전원을 입력받아 직류 및 저주파 성분을 제거하여 상기 파워 전극(420)으로 인가한다. 그러면, 접지된 접지 전극(410) 및 상기 파워 전극(420)의 전압차에 의해 상기 챔버(40) 내에 전기적 평형 상태인 플라즈마가 형성된다.
상기 플라즈마는 접지 전극(410) 및 파워 전극(420) 사이에 존재하며, 상기 접지 전극(410) 및 파워 전극(420)과는 이격을 두고 형성된다. 상기 플라즈마 기체 및 전극과의 이격된 공간에 존재하는 전압을 쉬쓰 전압(sheath voltage)이라고 한다. 본 발명에서는 편의상 플라즈마 기체 및 파워 전극(420) 사이에 존재하는 쉬쓰 전압을 "V1" 이라고 하고, 플라즈마 기체 및 접지 전극 (410) 사이에 존재하는 쉬쓰 전압을 "V2" 라고 한다.
상기 쉬쓰 전압은 교류 전원이 인가되는 영역의 면적 및 접지되는 영역의 면적의 비율에 의해 그 크기가 결정된다. 여기서, 교류 전원이 인가되는 영역은 파워 전극의 면적(A1)과 동일하며, 접지되는 영역의 면적은 접지 전극의 면적 및 공정 챔버 중 접지시킨 벽의 면적을 더한 값(A2)과 동일하다. 상기 파워 전극의 면적(A1) 및 접지되는 영역의 면적(A2)은 상기 V1 및 V2와 관련하여 수학식 2와 같은 관계를 갖는다.
Figure 112011080744144-pat00014
여기서, n은 1~2 사이의 값을 갖는다. 즉, V1/V2 는 A1/A2와 반비례 관계를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치는 파워 전극의 면적(A1)은 고정시키고, 접지 전극(410)의 위치를 이동시킴으로써 접지되는 영역의 면적(A2)을 변화시키게 되는데, 상기 면적(A2)의 크기에 따라서 V1 및 V2의 크기가 달라지게 된다.
상기 플라즈마를 구성하는 입자 중 전자는 이온 및 라디칼(radical)보다 질량이 작아 이동이 자유롭기 때문에, 전극 방향에 따라 상기 접지되는 영역 및 상기 파워 전극의 면적으로 빠져나가게 된다. 이때, 접지되는 영역과 파워 전극의 면적 차이가 크면, 면적이 큰 영역으로 빠져나갈 수 있는 전자의 수만큼 면적이 작은 영역으로 모두 빠져나갈 수 없게 되고, 상쇄되지 못하는 여유의 전자들이 면적이 작은 영역에 쌓이게 된다. 여기서, 면적이 작은 영역은 파워 전극이다. 따라서, 상기 파워 전극(420)으로 전자가 쌓이게 되고, 쌓인 전자에 의해 큰 쉬쓰 전압(sheath voltage)이 형성된다.
도 4의 (a)를 참조하면, 전극 간의 거리를 조절하여 접지 전극(410)이 공정 챔버(400) 끝단에 위치하게 함으로써, 접지되는 영역의 면적이 큰 값을 갖도록 한다. 여기서, 접지되는 영역의 면적(A2) 및 파워 전극의 면적(A1)의 차이가 커지므로 파워전극 및 플라즈마 사이에 형성되는 쉬쓰 전압(V1) 또한 커지게 된다. 따라서, 파워전극 및 플라즈마 사이의 영역에는 큰 전기장이 형성되고, 이온이 빠른 속도로 파워 전극으로 이동하여 기판과 충돌함으로써 기판은 물리적 식각에 의해 이방성 구조로 식각된다.
한편, 도 4의 (b)를 참조하면, 전극 간의 거리를 조절하여 접지 전극(410)이 파워 전극(420) 가까이에 위치하게 함으로써, 접지되는 영역의 면적이 작은 값을 갖도록 한다. 여기서, 접지되는 영역의 면적(A2) 및 파워 전극의 면적(A1)의 차이는 작아지므로 파워전극 및 플라즈마 사이에 형성되는 쉬쓰 전압(V1) 또한 작아지게 된다. 따라서, 파워전극 및 플라즈마 사이의 영역에 형성되는 전기장은 상기 면적의 차이가 클 때보다 상대적으로 작아져서 이온에 의한 물리적 식각보다 반응성 이온 및 라디칼(radical)에 의한 화학적 반응이 일어나게 되고, 기판은 화학적 식각에 의해 등방성 구조로 식각된다.
다음, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치에 있어서, 반응성 이온 식각 장치의 접지 전극에 인가하는 직류 바이어스 방향을 변화시켜 화학적 식각 및 물리적 식각을 선택하는 방법에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서, 접지 전극에 인가하는 직류 바이어스 방향을 변화시키는 반응성 이온 식각 장치를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치(50)는 접지 전극(510), 파워 전극(520), 척(530), 고주파 전압 공급수단(540), 결합 콘덴서(bloking capacitor)(550), 직류 전압 공급수단(560) 및 공정 챔버(500)을 구비한다.
상기 접지 전극(510)은 상기 공정 챔버(500) 내부의 일측에 배치된다. 상기 파워 전극(520)은 상기 공쟁 챔버(500) 내부의 일측에 배치하되, 상기 접지 전극(510)이 배치된 일측에 대향되는 타측에 배치된다. 상기 척(530)은 기판을 안착하는 수단으로써, 상기 접지 전극(510) 정면에 배치된다. 상기 고주파 전압 공급수단(540)은 상기 공정 챔버(500) 외부에 배치되며, 상기 파워 전극(520)에 연결되어 고주파 전압을 인가한다. 상기 결합 콘덴서(550)는 상기 파워전극(520) 및 고주파 전압 공급수단(540) 사이에 배치된다. 상기 직류 전압 공급수단(560)은 상기 접지 전극(510)에 연결되어 직류 전압을 인가한다. 상기 공정 챔버(500)는 접지 전극(510), 파워 전극(520) 및 이를 지지하는 벽으로 구비되며, 공정 가스로 채워지고, 식각 공정을 수행한다.
이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치의 동작 원리에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 바람직한 실시예와 중복되는 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응성 이온 식각 장치(50)는 접지 전극에 인가되는 직류 전압의 바이어스 방향을 변화시킴으로써, 상기 바이어스 방향에 따라 화학적 식각 및 물리적 식각 중 어느 한 방법이 주로 선택되어 식각되는 것을 특징으로 한다. 도 5를 참조하면, 기판을 안착하는 척(530)은 앞서 설명한 바람직한 실시예와 달리 접지 전극의 정면에 위치한다. 상기 접지 전극(510)은 고정되어 있으며, 직류 전압 공급수단(560)과 연결되어 직류 전압이 인가된다. 이때, 공정 챔버(500)의 벽만 접지된다. 다음, 직류 전압이 인가된 접지 전극(510) 및 교류 전압이 인가된 파워 전극(520)의 전압차에 의해 상기 챔버(50) 내에 전기적 평형 상태인 플라즈마가 형성된다.
먼저, 접지 전극에 음의 전압이 인가되는 경우를 설명한다.
도 5의 (a)를 참조하면, 접지 전극(510)은 직류 전압 공급수단(560)에 의해 음의 전압이 인가된다. 그러면, 플라즈마를 구성하는 입자 중 이온이 접지 전극(510)으로 빠른 속도로 이동하게 되고, 척(530)에 안착된 기판과 충돌함으로써 기판은 물리적 식각에 의해 이방성 구조로 식각된다.
다음, 접지 전극에 양의 전압이 인가되는 경우를 설명한다.
도 5의 (b)를 참조하면, 접지 전극(510)은 직류 전압 공급수단(560)에 의해 양의 전압이 인가된다. 그러면, 상기 이온은 접지 전극(510)의 반대 방향으로 이동하게 되고, 척(530)에 안착된 기판에는 이온에 의한 물리적 식각보다 반응성 이온 및 라디칼(radical)에 의한 화학적 반응이 일어나게 되고, 기판은 화학적 식각에 의해 등방성 구조로 식각된다.
본 발명에 따른 반응성 이온 식각 장치는 화학적 식각 및 물리적 식각을 동일 장치 내에서 수행하게 함으로써, 태양전지의 기판을 챔버 밖으로 꺼내 이동할 필요가 없어 안정적인 공정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 제조 시간을 단축시켜 생산 효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 등방성 식각 형상 및 이방성 식각 형상을 혼재시켜 복잡한 텍스쳐링 구조를 형성함으로써, 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 천연에너지로 대두되고 있는 태양전지를 사용하는 모든 분야에 널리 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지의 텍스쳐링 방법은 표면의 면적을 넓게 함으로써, 빛이 입사되는 효율을 증대시키기는 효과도 있기 때문에 광센서와 같이 빛을 사용하는 모든 분야에 널리 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 반응성 이온 식각 장치는 한 챔버 내에서 화학적 반응 및 물리적 반응을 모두 구현할 수 있으므로, 식각 장치를 이용하는 반도체와 같은 분야에도 널리 사용될 수 있다.
200 : 기판
210 : SiO2 박막
220 : 포토 레지스트
230 : 스탬프
40, 50 : 반응성 이온 식각 장치
410, 510 : 접지 전극
420, 520 : 파워 전극
430, 530 : 척
440, 540 : 고주파 전압 공급 수단
450, 550 : 결합 콘덴서(Blocking capacitor)
560 : 직류 전압 공급 수단

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 공정챔버, 상기 챔버 내부의 일측에 배치되고 직류전원이 인가되는 접지전극, 상기 챔버 내부의 타측에 배치되는 파워 전극, 기판을 안착하기 위해 상기 접지 전극 정면에 설치되는 척, 상기 파워 전극에 연결되어 고주파 전압을 인가하는 고주파 전압 공급수단, 및 상기 파워전극 및 고주파 전압 공급수단 사이에 배치되는 결합 콘덴서를 구비하는 반응성 이온 식각 장치를 이용한 태양전지의 텍스쳐링 방법에 있어서,
    태양전지의 기판 위에 박막을 증착하는 제1 단계;
    상기 박막 상부에 패턴을 전사하는 제2 단계;
    상기 기판을 상기 반응성 이온 식각 장치의 척에 안착시키고, 접지전극에 직류전원의 양전압을 인가한 상태에서, 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 상기 박막을 식각하는 제3 단계; 및
    상기 기판이 상기 반응성 이온 식각 장치의 척에 안착되고, 상기 접지전극에 직류전원의 음전압을 인가한 상태에서, 상기 전사된 패턴을 마스크로 하여 상기 박막을 식각하는 제4 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 텍스쳐링 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 박막은 공기의 굴절률 및 기판의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 저굴절률 박막인 것을 특징으로 하는 태양전지의 텍스쳐링 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 박막은 SiO2로 구성되고, 증착 두께가 3000Å 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지의 텍스쳐링 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 태양전지의 기판은 비정질의 유리 및 고분자 물질 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 텍스쳐링 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 단계는 나노 임프린팅 공정을 이용하여 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 텍스쳐링 방법.
  7. 삭제
  8. 제 2항에 있어서, 상기 텍스쳐링 방법은
    상기 제3 단계 및 제4 단계를 수회 반복하는 제 5 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 텍스쳐링 방법.
  9. 공정 가스가 채워지고, 식각 공정을 수행하는 공정 챔버;
    상기 챔버 내부의 일측에 배치되는 접지 전극;
    상기 접지 전극이 배치된 일측과 대향되는 상기 챔버 내부의 타측에 배치되는 파워 전극;
    기판을 안착시키기 위해 상기 파워 전극 정면에 설치되는 척;
    상기 파워 전극에 연결되어 고주파 전압을 인가하는 고주파 전압 공급수단; 및
    상기 파워전극 및 고주파 전압 공급수단 사이에 배치되는 결합 콘덴서(blocking capacitor);
    를 구비하고,
    상기 공정 챔버의 벽은 접지되고, 상기 접지 전극은 양단이 상기 공정 챔버의 벽과 연결된 상태에서 상기 파워 전극을 향하여 위치가 이동 가능한 것을 특징으로 하는 반응성 이온 식각 장치.
  10. 공정 가스가 채워지고, 식각 공정을 수행하는 공정 챔버;
    상기 챔버 내부의 일측에 배치되고, 직류전압이 인가되는 접지 전극;
    상기 접지 전극이 배치된 일측과 대향되는 상기 챔버 내부의 타측에 배치되는 파워 전극;
    기판을 안착하기 위해 상기 접지 전극 정면에 설치되는 척;
    상기 파워 전극에 연결되어 고주파 전압을 인가하는 고주파 전압 공급수단;
    상기 접지 전극에 연결되어 직류 전압을 인가하는 직류 전압 공급수단; 및
    상기 파워전극 및 고주파 전압 공급수단 사이에 배치되는 결합 콘덴서(blocking capacitor);
    를 구비하고,
    상기 접지 전극은 직류 전압이 양의 전압 및 음의 전압 중 어느 하나로 선택되어 인가되는 것을 특징으로 하는 반응성 이온 식각 장치.
  11. 제 9항 및 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정 가스는 O2 가스가 첨가된 공정 가스 및 불소에 대한 탄소의 비율(C/F 비율)이 낮은 플라즈마 공정 가스 중 하나 또는 모두를 사용하는 것을 특징으로 하는 반응성 이온 식각 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 플라즈마 공정 가스는 CF4 가스 및 F2 가스 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반응성 이온 식각 장치.
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