KR101199221B1 - method for depositing silicon-series nanoparticle thin film, silicon-series nanoparticle thin film, and apparatus for depositing silicon-series nanoparticle thin film - Google Patents
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Abstract
실리콘계 나노입자 박막 증착방법, 실리콘계 나노입자 박막 및 이를 위한 실리콘계 나노입자 박막 증착장치가 제공된다.
본 발명에 따른 실리콘계 나노입자 박막 증착방법은 실리콘계 나노입자를 합성하는 합성단계; 및 상기 실리콘계 나노입자를 기판에 제 1 증착시키는 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 실리콘계 나노입자 증착 방법 및 장치는, 합성된 실리콘계 나노입자를 또 다른 공정에서 전처리하지 않고, 합성과 동시에 기판에 증착시키므로, 나노입자 오염에 따른 전지효율 저하의 문제를 방지할 수 있다. 또한, 단일 시스템에서 합성과 증착이 진행되므로 경제성이 우수하며, 더 나아가, 나노입자의 속도 및 기판 높이를 조절함으로써 대면적 기판에서 원하는 형태의 나노입자 박막의 증착이 가능하다. Provided are a silicon-based nanoparticle thin film deposition method, a silicon-based nanoparticle thin film, and a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus therefor.
Silicon-based nanoparticle thin film deposition method according to the invention the synthesis step of synthesizing silicon-based nanoparticles; And depositing the first silicon-based nanoparticles on the substrate, wherein the silicon-based nanoparticle deposition method and apparatus according to the present invention are synthesized without pre-processing the synthesized silicon-based nanoparticles in another process. At the same time as the deposition on the substrate, it is possible to prevent the problem of battery efficiency degradation due to nanoparticle contamination. In addition, since synthesis and deposition proceed in a single system, it is economically superior, and furthermore, by controlling the speed and substrate height of the nanoparticles, it is possible to deposit a nanoparticle thin film of a desired shape on a large area substrate.
Description
본 발명은 실리콘계 나노입자 박막 증착방법, 실리콘계 나노입자 박막 및 이를 위한 실리콘계 나노입자 박막 증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘계 나노입자 박막과 증착이 하나의 시스템 내에서 진행되므로, 공정 안정성과 함께 외부로부터의 나노입자 오염을 방지할 수 있는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법, 실리콘계 나노입자 박막 및 이를 위한 실리콘계 나노입자 박막 증착장치에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon-based nanoparticle thin film deposition method, a silicon-based nanoparticle thin film and a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus for the same, and more particularly, silicon-based nanoparticle thin film and deposition proceeds in one system, with process stability The present invention relates to a silicon-based nanoparticle thin film deposition method capable of preventing nanoparticle contamination from the outside, a silicon-based nanoparticle thin film, and a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus therefor.
태양전지 시장의 대부분을 차지하는 벌크형 실리콘 태양전지는 높은 효율에도 불구하고 높은 원가라는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 시도로서 박막 태양전지가 활발히 연구되고 있다. Bulk silicon solar cells, which occupy most of the solar cell market, have a high cost despite their high efficiency. As an attempt to overcome this limitation, thin film solar cells have been actively studied.
박막 태양전지 형태 중 하나는 저가의 기판, 예를 들면 유리, 금속판 또는 플라스틱 상에 박막 형태로 실리콘, 게르마늄 등의 실리콘계 물질을 증착시킨 형태이며, 벌크형 실리콘 태양전지에 비하여 낮은 원가라는 장점과 함께, 하부 기판 특성에 따라 플렉서블 태양전지 등이 가능하다는 장점이 있다.One type of thin film solar cell is a thin film-type silicon-based material deposited on a low-cost substrate, for example, glass, metal plate or plastic, and has a low cost compared to bulk silicon solar cells. According to the characteristics of the lower substrate, there is an advantage that a flexible solar cell is possible.
더 나아가, 실리콘계 박막 태양전지의 효율을 향상시키고자 미리 합성된 실리콘계 나노입자를 기판에 도입하는 기술이 있다. 상기 도입 기술로서 예를 들면 미리 합성된 나노입자를 함유하는 페이스트 또는 잉크 등을 박막 태양전지 기판에 도포시키는 기술이 있는데, 이 경우 미세한 크기 및 높은 표면적을 갖는 나노입자들이 외부에 노출되게 된다. 즉, 외부 공기나 조건에 나노입자들이 노출됨으로써 오염이 발생할 가능성이 높아지고, 더 나아가, 오염된 나노입자에 의하여 박막 태양전지의 효율이 떨어질 수 있다. Furthermore, there is a technique of introducing pre-synthesized silicon-based nanoparticles to a substrate to improve the efficiency of the silicon-based thin film solar cell. As the introduction technology, for example, a paste or ink containing pre-synthesized nanoparticles is applied to a thin film solar cell substrate. In this case, nanoparticles having a fine size and a high surface area are exposed to the outside. In other words, the exposure of the nanoparticles to outside air or conditions increases the likelihood of contamination, and furthermore, the efficiency of the thin film solar cell may be reduced by the contaminated nanoparticles.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는 실리콘계 나노입자 합성과 함께, 이를 외부에 노출시키지 않고 기판에 증착시킬 수 있는 실리콘계 나노입자 박막의 제조방법을 제공하는 것이다. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a silicon-based nanoparticle thin film that can be deposited on a substrate without exposing it to the outside, with the synthesis of silicon-based nanoparticles.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상술한 방법에 의하여 제조되며, 우수한 특성을 갖는 실리콘계 나노입자 박막을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a silicon-based nanoparticle thin film prepared by the above-described method, and having excellent characteristics.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 실리콘계 나노입자 합성과 증착이 하나의 시스템 내에서 진행될 수 있는 실리콘계 나노입자 박박 제조장치를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a silicon-based nanoparticle thin film manufacturing apparatus that the synthesis and deposition of silicon-based nanoparticles can be carried out in one system.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘계 나노입자를 합성하는 합성단계; 및 상기 실리콘계 나노입자를 기판에 제 1 증착시키는 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a synthesis step of synthesizing silicon-based nanoparticles; And it provides a silicon-based nanoparticle thin film deposition method comprising the step of depositing the first silicon-based nanoparticles on a substrate.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 방법은 상기 합성단계와 이송단계 사이에 상기 합성된 실리콘계 나노입자를 압력에 의하여 이송시키는 이송단계를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the method further comprises a transfer step of transferring the synthesized silicon-based nanoparticles by pressure between the synthesis step and the transfer step.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 증착단계는 실리콘계 박막을 증착하기 위한 반응가스가 유입되는 단계; 및 상기 유입된 반응가스가 분해되어 상기 기판에 실리콘계 박막이 제 2 증착되는 단계를 더 포함하며, 상기 제 1 증착과 제 2 증착은 동시에 진행될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the deposition step includes the steps of introducing a reaction gas for depositing a silicon-based thin film; And decomposing the introduced reaction gas to deposit a second silicon-based thin film on the substrate, and the first deposition and the second deposition may be simultaneously performed.
이와 달리, 상기 제 1 증착과 제 2 증착은 순차적으로 진행될 수 있으며, 상기 합성단계, 이송단계 및 증착단계는 연속적으로 진행될 수 있다. Alternatively, the first deposition and the second deposition may proceed sequentially, and the synthesis step, the transfer step and the deposition step may proceed sequentially.
본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 플라즈마 또는 열에 의하여 분해될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reaction gas may be decomposed by plasma or heat.
또한, 상기 이송단계에서 상기 실리콘계 나노입자는 감소하는 압력 프로파일을 갖는 복수 개의 압력 영역을 연속하여 통과할 수 있으며, 상기 복수 개의 압력 영역을 통과하면서 상기 실리콘계 나노입자는 속도 구배가 발생할 수 있다. In addition, in the transferring step, the silicon-based nanoparticles may continuously pass through a plurality of pressure regions having a decreasing pressure profile, and the silicon-based nanoparticles may have a velocity gradient while passing through the plurality of pressure regions.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 합성단계에서 실리콘계 나노입자는 또 다른 반응가스를 플라즈마 또는 레이저에 의하여 분해시켜 합성되며, 상기 방법은 이송단계 후 증착단계 전, 상기 실리콘계 나노입자를 분산시키는 분산 단계를 더 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, in the synthesis step, the silicon-based nanoparticles are synthesized by decomposing another reaction gas by plasma or laser, and the method disperses the silicon-based nanoparticles before the deposition step after the transfer step. Dispersing step may be further included.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 실리콘계 나노입자 박막 및 이를 포함하는 박막 태양전지를 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention provides a silicon-based nanoparticle thin film and a thin film solar cell comprising the same by the method described above.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘계 나노입자 박막 증착장치로서, 상기 장치는 제 1 반응가스로부터 실리콘계 나노입자가 합성되는 합성부; 상기 합성부와 연결되어, 합성된 상기 실리콘계 나노입자가 연속적으로 통과할 수 있는 하나 이상의 노즐을 포함하며, 상기 노즐을 통하여 실리콘계 나노입자가 이동되는 이송부; 및 상기 이송부와 연결되어, 상기 이송부를 통하여 이동된 실리콘계 나노입자를 기판에 증착시키는 증착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 이송부는 순차적으로 감소하는 압력 프로파일을 갖는 복수 개의 단위 영역을 포함하며, 상기 노즐은 상기 단위 영역 사이에 구비된다. In order to solve the above another problem, the present invention is a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus, the device comprises a synthesis unit for synthesizing silicon-based nanoparticles from the first reaction gas; A transfer unit connected to the synthesis unit and including one or more nozzles through which the synthesized silicon nanoparticles can continuously pass, and through which the silicon nanoparticles are moved; And a deposition unit connected to the transfer unit and depositing silicon nanoparticles moved through the transfer unit on a substrate. In one embodiment of the present invention, the conveying portion includes a plurality of unit regions having a pressure profile that sequentially decreases, and the nozzle is provided between the unit regions.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 복수 개의 단위 영역 각각에는 상기 단위 영역 내의 압력을 감소시킬 수 있는 압력 감소수단이 구비되며, 상기 합성부, 이송부 및 증착부에서의 압력은 순차적으로 감소한다. In another embodiment of the present invention, each of the plurality of unit regions is provided with a pressure reducing means for reducing the pressure in the unit region, the pressure in the synthesis section, the transfer section and the deposition section is sequentially reduced.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 증착 장치는 상기 이송부와 증착부 사이에 구비되어, 이동하는 상기 실리콘계 나노입자를 균일하게 분포시키는 분산수단을 더 포함할 수 있다. The deposition apparatus according to another embodiment of the present invention may further include a dispersing means provided between the transfer unit and the deposition unit to uniformly distribute the moving silicon-based nanoparticles.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 증착부는 실리콘계 박막 증착을 위한 제 2 반응가스가 유입되는 반응가스 유입부; 및 상기 유입된 제 2 반응가스를 분해하여, 상기 기판에 실리콘계 박막을 증착시키기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 실리콘계 나노입자 증착 및 실리콘계 박막 증착은 동시에 또는 순차적으로 진행될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the deposition unit may include a reaction gas inlet for introducing a second reaction gas for depositing a silicon-based thin film; And means for decomposing the introduced second reaction gas to deposit a silicon-based thin film on the substrate, wherein the silicon-based nanoparticle deposition and the silicon-based thin film deposition may be simultaneously or sequentially performed.
또한, 상기 수단은 상기 증착부 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생부를 포함하며, 상기 증착부는 상기 기판이 적치되는 플레이트; 및 상기 플레이트에 구비되어 상기 기판의 온도를 조절하는 온도 조절 수단을 포함하며, 여기에서 상기 플레이트의 높이는 조절가능하다.
The means may include a plasma generator for generating a plasma in the deposition unit, wherein the deposition unit includes a plate on which the substrate is deposited; And temperature adjusting means provided on the plate to adjust the temperature of the substrate, wherein the height of the plate is adjustable.
본 발명에 따른 실리콘계 나노입자 증착 방법 및 장치는, 합성된 실리콘계 나노입자를 또 다른 공정에서 전처리하지 않고, 합성과 동시에 기판에 증착시키므로, 나노입자 오염에 따른 전지효율 저하의 문제를 방지할 수 있다. 또한, 단일 시스템에서 합성과 증착이 진행되므로 경제성이 우수하며, 더 나아가, 나노입자의 속도 및 기판 높이를 조절함으로써 대면적 기판에서 원하는 형태의 나노입자 박막의 증착이 가능하다.
The silicon-based nanoparticle deposition method and apparatus according to the present invention do not pre-process the synthesized silicon-based nanoparticles in another process, and are deposited on the substrate at the same time as synthesis, thereby preventing the problem of battery efficiency degradation due to nanoparticle contamination. . In addition, since synthesis and deposition proceed in a single system, it is economically superior, and furthermore, by controlling the speed and substrate height of the nanoparticles, it is possible to deposit a nanoparticle thin film of a desired shape on a large area substrate.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 단일장치 내에서 수행되는 실리콘계 나노입자 박막의 증착방법에 대한 단계도이다.
도 2는 본 발명에 따른 증착 방법을 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘계 나노입자 박막 증착 장치의 단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 단위 압력영역 사이에 형성된 노즐의 다양한 형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘계 나노입자 분산수단(340)의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 실리콘계 나노입자 박막 증착장치의 모식도이다.
도 7a 및 7b는 도 6에서 도시된 플레이트(660) 높이 조절을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 증착장치의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 증착장치의 모식도이다. 1 is a step diagram for a method of depositing a silicon-based nanoparticle thin film performed in a single device according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating a deposition method according to the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating various forms of nozzles formed between unit pressure regions according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a front view of the silicon-based nanoparticle dispersion means 340 according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic view of a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus according to another embodiment of the present invention.
7A and 7B illustrate the height adjustment of the
8 is a schematic view of a deposition apparatus according to another embodiment of the present invention.
9 is a schematic view of a deposition apparatus according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.
본 발명은 실리콘계 나노입자(이는 실리콘, 게르마늄 등의 4족 반도체 특성을 갖는 나노입자를 모두 포함하는 용어이며, 실리콘(Si) 자체로 나노입자의 종류가 한정되지 않는다)의 합성과 증착이 별도의 시스템에서 진행되는 종래 기술과 달리, 하나의 시스템 내에서 합성과 증착을 실질적으로 동시에 진행한다. 따라서, 합성된 실리콘계 나노입자가 증착장치 외부로 노출되지 않으므로, 나노입자의 오염 또는 입자 응집(aggregation), 그리고 오염 및 응착을 방지하기 위한 나노입자 표면처리 공정 등이 필요하지 않게 된다. 더 나아가, 본 발명은 실리콘계 나노입자 합성공정의 공정 압력(제 1 압력)과 증착공정의 공정압력(제 2 압력)은 서로 차이가 나며, 특히 제 1 압력이 제 2 압력보다 높다는 점에 주목하여, 합성된 나노입자가 응집되기 전, 합성된 나노입자에 압력차로 소정의 속도 구배를 발생시키고, 다시 이를 기판에 분산, 증착시키는 기술 구성을 제공한다 . In the present invention, the synthesis and deposition of silicon-based nanoparticles (which is a term including all nanoparticles having group IV semiconductor properties such as silicon and germanium, and silicon (Si) itself is not limited) are separate. Unlike prior art processes in a system, synthesis and deposition proceed substantially simultaneously in one system. Therefore, since the synthesized silicon-based nanoparticles are not exposed to the outside of the deposition apparatus, the nanoparticle surface treatment process for preventing contamination or particle aggregation, and contamination and adhesion of the nanoparticles is not required. Furthermore, in the present invention, it is noted that the process pressure (first pressure) of the silicon-based nanoparticle synthesis process and the process pressure (second pressure) of the deposition process are different from each other, and in particular, the first pressure is higher than the second pressure. Before the aggregated nanoparticles are aggregated, the present invention provides a technology configuration in which a predetermined velocity gradient is generated by the pressure difference in the synthesized nanoparticles, and then dispersed and deposited on the substrate.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 단일장치 내에서 수행되는 실리콘계 나노입자 박막의 증착방법에 대한 단계도이다. 1 is a step diagram for a method of depositing a silicon-based nanoparticle thin film performed in a single device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 상기 실리콘계 나노입자 박막의 증착방법은 먼저 실리콘계 나노입자를 합성하는 합성단계로 개시된다. 본 발명의 일 실시예에서 실리콘계 나노입자는 상기 합성이 진행되는 합성부로 유입되는 반응가스(제 1 반응가스)를 분해시킴으로써 합성된다. 상기 반응가스는 실리콘계 나노입자의 종류 및 합성방식에 따라 결정된다. 예를 들면, 실리콘 나노입자인 경우는 실란과 수소가스가 제 1 반응가스의 주요 성분으로 사용될 수 있으며, 제 1 반응가스를 분해시키는 방식 또한 플라즈마 또는 열 분해 방식이 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명의 범위는 상기 열거한 예에 의하여 제한되지 않는다. Referring to FIG. 1, the deposition method of the silicon-based nanoparticle thin film is first disclosed as a synthesis step of synthesizing silicon-based nanoparticles. In one embodiment of the present invention, the silicon-based nanoparticles are synthesized by decomposing the reaction gas (first reaction gas) flowing into the synthesis unit where the synthesis is performed. The reaction gas is determined according to the type and synthesis method of the silicon-based nanoparticles. For example, in the case of silicon nanoparticles, silane and hydrogen gas may be used as main components of the first reaction gas, and a method of decomposing the first reaction gas may also be plasma or thermal decomposition. However, the scope of the present invention is not limited by the examples listed above.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 증착방법은 상기 합성단계와 증착단계 사이에 합성된 상기 실리콘계 나노입자를 이동시키는 단계를 더 포함한다. 본 발명은 특히 실리콘계 나노입자를 충분한 속도로 이동시켜, 증착단계 전 이를 분산시키는 것이 매우 중요하다는 점에 주목하였으며, 이를 위하여 상기 이송단계는 합성 단계부터 증착단계까지 순차적으로 감소하는 압력 프로파일을 갖는 복수 개의 압력 영역으로 합성된 상기 나노입자를 통과시키는 방식이었으나, 본 발명은 별도의 압력 영역 없이도 나노입자 합성 및 증착을 단일 시스템에서 구현가능하다. The deposition method according to another embodiment of the present invention further includes moving the silicon-based nanoparticles synthesized between the synthesis step and the deposition step. The present invention particularly noted that it is very important to disperse the silicon-based nanoparticles at a sufficient speed to disperse them before the deposition step. For this purpose, the transfer step has a plurality of pressure profiles that sequentially decrease from the synthesis step to the deposition step. Although the nanoparticles were synthesized through the pressure zones, the present invention can realize nanoparticle synthesis and deposition in a single system without a separate pressure zone.
도 2는 상기 방법을 설명하는 모식도이다.2 is a schematic diagram illustrating the method.
도 2를 참조하면, 먼저 실리콘계 나노입자가 합성부(110)에서 합성되며(S1). 이때의 압력 조건은 P1이다. 이후 합성된 실리콘계 나노입자(NP)는 상기 성부(110)에 연결되며, P1보다 낮은 P2 압력을 갖는 제 1 압력영역(120)으로 유입된다(S2). 본 명세서에서 압력영역이란, 소정의 원하는 압력을 유지할 수 있는 임의의 공간 영역을 모두 통칭하는 것으로, 챔버 형태, 구간 형태 모두 가능하다. P1과 P2 사이의 압력차에 따라 제 1 압력영역으로 유입된 실리콘계 나노입자는 소정의 속도를 갖게 된다. 제 1 압력영역(120)으로 유입된 실리콘계 나노입자(NP)는 상기 제 1 압력영역(120)의 타측과 연결되며, 상기 제 1 압력영역보다 낮은 압력(P3)을 갖는 제 2 압력영역(130)으로 유입될 수 있다(S3). 이때 두 압력영역 사이에서 나노입자 유입속도를 발생시키는 힘은 두 영역 사이의 압력차이다. 하지만, 상기 제 2 압력영역 없이도 실리콘계 나노입자는 하기 설명되는 증착부로 유입되어 내부에 적치된 기판 상에 증착될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 다만, 본 발명의 상기 실시예에서는 다단의 압력차이를 통하여 증착단계로 유입되는 나노입자의 속도를 적절히 조절, 제어하는 방식이다.
2, first, silicon-based nanoparticles are synthesized in the synthesis unit 110 (S1). The pressure condition at this time is P1. Thereafter, the synthesized silicon-based nanoparticles NP are connected to the
도 2를 다시 참조하면, 상기 제 2 압력영역으로 유입된 실리콘계 나노입자는 다시 증착되어야 하는 기판(S)이 적치된 증착부(140)로 유입되어 기판(S) 상에 적층된다(S4). 이때 본 발명은 증착부로 나노입자가 유입되어 증착되기 전, 증착부로 유입되는 실리콘계 나노입자를 소정 영역 범위로 분산시킬 수 있다. 특히 본 발명의 일 실시예에서 유입되는 나노입자의 속도를 이용할 수 나노입자를 분산시킬 수 있는데, 이는 아래에서 보다 상세히 설명한다. Referring back to FIG. 2, the silicon-based nanoparticles introduced into the second pressure region are introduced into the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 증착 단계에서 실리콘계 나노입자의 증착(제 1 증착)과 실리콘계 박막 증착(제 2 증착)이 동시에 또는 순차적으로 진행될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상기 증착 단계는, 실리콘계 박막을 증착하기 위한 또 다른 반응가스(제 2 반응)를 분해시켜, 동일 기판상에 실리콘계 나노입자와 실리콘계 박막을 증착한다. 제 2 반응가스는 박막의 종류에 따라 결정되는데, 예를 들면 실리콘 박막이 증착되는 경우, 상기 제 2 증착을 위한 제 2 반응가스는 실란과 수소를 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the deposition of the silicon-based nanoparticles (first deposition) and the silicon-based thin film deposition (second deposition) may proceed simultaneously or sequentially in the deposition step. That is, in the deposition step according to the present invention, another reaction gas (second reaction) for depositing a silicon-based thin film is decomposed to deposit silicon-based nanoparticles and a silicon-based thin film on the same substrate. The second reaction gas is determined according to the type of the thin film. For example, when the silicon thin film is deposited, the second reaction gas for the second deposition may include silane and hydrogen.
또한, 증착부에서 진행되는 상기 제 2 증착공정은 플라즈마 공정일 수 있으며, 이를 위하여 아르곤과 같은 비활성가스가 플라즈마 발생을 위하여 상기 증착단계에서 사용될 수 있다. 하지만, 플라즈마 공정 이외에 열 분해 공정, 레이저 공정 등과 같이 반응가스를 분해시킬 수 있는 임의의 모든 공정이 제 2 증착공정으로 사용될 수 있다. In addition, the second deposition process performed in the deposition unit may be a plasma process. For this purpose, an inert gas such as argon may be used in the deposition step for plasma generation. However, in addition to the plasma process, any process capable of decomposing the reaction gas, such as a thermal decomposition process and a laser process, may be used as the second deposition process.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 합성-이송-증착공정은 하나의 단일 시스템 내에서 연속적으로 수행될 수 있다. 즉, 합성 후 나노입자를 외부 시스템으로 유입시켜 처리하고, 다시 이를 기판에 증착시키는 종래 기술과 달리, 본 발명은 단일 시스템 내에서 합성-증착이 연속적으로 진행되게 하며, 그 결과 합성된 나노입자의 외부노출과 그로부터 발생하는 오염의 문제를 효과적으로 방지한다.
As described above, the synthesis-transfer-deposition process according to the invention can be carried out continuously in one single system. That is, unlike the prior art in which nanoparticles are introduced into an external system after synthesis and processed, and then deposited on a substrate, the present invention allows the synthesis-deposition to proceed continuously in a single system, resulting in the synthesis of the synthesized nanoparticles. It effectively prevents the problem of external exposure and contamination from it.
이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 실리콘계 나노입자 박막 증착 장치를 설명한다. Hereinafter, a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘계 나노입자 박막 증착 장치의 단면 모식도이다.3 is a schematic cross-sectional view of a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 증착 장치는 유입되는 반응가스(제 1 반응가스)로부터 실리콘계 나노입자가 합성되는 합성부(310)를 구비한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 합성부(310)는 플라즈마 방식에 의하여 유입되는 반응가스를 분해, 나노입자를 합성하였으나, 실란 등과 같은 반응가스를 분해할 수 있는 임의의 모든 수단, 예를 들면 열선, 레이저 등이 상기 합성부(310)에 사용될 수 있다. Referring to FIG. 3, the deposition apparatus according to the present invention includes a
상기 합성된 실리콘계 나노입자는 수 내지 수백 나노미터의 크기를 가지며, 특히 실리콘 나노입자 박막의 입자요소로 태양전지 등에 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 장치 및 방법에 의하여 기판에 증착된 실리콘계 나노입자 박막은 그 적용범위가 다양할 수 있으며, 상술한 방법에 의하여 나노입자 박막이 기판에 증착되는 한, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. The synthesized silicon-based nanoparticles may have a size of several hundreds to several hundred nanometers, and in particular, the silicon-based nanoparticles may be used in solar cells and the like as a particle element of a silicon nanoparticle thin film. However, the silicon-based nanoparticle thin film deposited on the substrate by the apparatus and method according to the present invention may have a variety of applications, as long as the nanoparticle thin film is deposited on the substrate by the above-described method, all of the scope of the present invention Belongs to.
상기 합성부(310)의 일 측은 이송부(320)이 연결되며, 상기 이송부(320)는 연속하는 2 개의 단위 압력영역(챔버)으로 이루어진다. 상기 단위 압력영역은 서로 상이한 압력 프로파일을 갖도록 격벽(L)으로 분리되나, 상기 격벽에는 적어도 하나 이상의 노즐(N)이 구비된다. 즉, 감소하는 압력구배를 갖는 단위 압력영역에서, 높은 압력에 있는 나노입자는 낮은 압력영역으로 이동하는데, 이때 압력차에 따라 이동하는 상기 나노입자에는 소정의 속도 구배가 발생한다. 따라서, 소정의 속도 구배가 형성된 나노입자는 격벽(L)에 형성된 상기 노즐(N)을 통하여 이동한다.One side of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 단위 압력영역 사이에 형성된 노즐의 다양한 형태를 나타내는 도면이다.4 is a view illustrating various forms of nozzles formed between unit pressure regions according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 단위 압력영역 사이의 상기 노즐은 두 영역 사이에 서로 다른 압력 조건을 유지하면서도, 나노입자가 이동할 수 있는 통로를 제공하는 형태인 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the nozzles between the unit pressure regions provide a passage through which nanoparticles can move while maintaining different pressure conditions between the two regions.
다시 도 3을 참조하면, 상기 이송부(320)를 통하여 이동된 실리콘계 나노입자가 유입되어, 기판(S)에 증착되는 증착부(330)는 다시 상기 이동부(320)의 타측에 연결된다. Referring to FIG. 3 again, the silicon-based nanoparticles moved through the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 증착부(330)에서 또 다른 실리콘계 박막이 플라즈마 공정 등에 의하여 기판 상에 증착되므로, 상기 증착부(330)는 저압이 유지될 수 있는 챔버 형태이나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 따라서, 상기 증착부(330)에는 실리콘계 나노입자 박막 증착과 함께 실리콘계 박막을 증착하기 위한 반응가스(제 2 반응가스)가 유입되며, 상기 유입된 반응가스는 플라즈마 또는 열분해 반응에 의하여 분해된다. 따라서, 상기 증착부(330)는 유입되는 제 2 반응가스를 분해하기 위한 분해 수단을 더 구비하며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 분해수단은 플라즈마이나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.According to an embodiment of the present invention, since another silicon-based thin film is deposited on the substrate by the plasma process in the deposition unit 330, the deposition unit 330 is in the form of a chamber in which a low pressure can be maintained, but the present invention The scope of is not limited to this. Accordingly, a reaction gas (second reaction gas) for depositing a silicon-based thin film together with deposition of silicon-based nanoparticle thin film is introduced into the deposition unit 330, and the introduced reaction gas is decomposed by a plasma or pyrolysis reaction. Therefore, the deposition unit 330 further includes a decomposition means for decomposing the second reaction gas flowing in, in one embodiment of the present invention, the decomposition means is plasma, but the scope of the present invention is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따른 증착장치는 더 나아가 증착부 내에 적치된 기판(S)상에 나노입자 박막의 균일한 증착을 위하여, 상기 이송부(320)와 증착부(330) 사이에 소정 속도로 유입되는 나노입자를 넓은 범위로 분산시키기 위한 분산 수단(340)이 더 구비될 수 있다. The deposition apparatus according to an embodiment of the present invention further has a predetermined speed between the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘계 나노입자 분산수단(340)의 정면도이다. 5 is a front view of the silicon-based nanoparticle dispersion means 340 according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 분산 수단(340)은 나노입자가 통과할 수 있는 경로인 노즐이 복수 개 구비된 플레이트 또는 스크린 형태이다. 즉, 소정 속도로 유입되는 나노입자는 소정 간격으로 이격된 복수 개의 노즐을 통해서만 증착부(330)에 유입되게 함으로써, 균일한 나노입자 증착을 가능하게 한다.더 나아가, 상기 분산 수단(340)의 크기에 따라 대면적 기판의 박막 증착이 가능하며, 압력차에 따라 발생한 속도구배에 의하여 나노입자는 상기 노즐(들)을 통과하여 분산되므로, 분산을 위한 별도의 에너지원이 필요하지 않게 된다. Referring to FIG. 5, the dispersing means 340 according to the present invention is in the form of a plate or a screen having a plurality of nozzles that are paths through which nanoparticles can pass. That is, the nanoparticles flowing at a predetermined speed are allowed to flow into the deposition unit 330 only through a plurality of nozzles spaced at predetermined intervals, thereby enabling uniform nanoparticle deposition. Thin film deposition of a large-area substrate is possible according to the size, and the nanoparticles are dispersed through the nozzle (s) by the velocity gradient generated by the pressure difference, so that no separate energy source is required for dispersion.
이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 증착장치를 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the deposition apparatus according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 실리콘계 나노입자 박막 증착장치의 모식도이다. 6 is a schematic view of a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 증착장치는 제 1 반응가스가 유입되는 합성부(610)를 포함하며, 상기 합성부에 형성된 플라즈마(Induced coupled plasma, ICP)에 의하여 유입된 제 1 반응가스가 분해되어 실리콘계 나노입자(NP)가 합성된다. 합성된 상기 실리콘계 나노입자(NP)는 다시 제 1 압력영역(620)으로 이동하며, 상기 이동은 합성부(610)와 제 1 압력영역(620) 사이의 압력차에 의하여 수행되는 것임은 상술한 바와 같다. 따라서, 상기 압력영역에는 영역 내의 압력을 일정하게 유지하기 위한 압력 유지 수단이 각각 구비된다. 예를 들면, 진공 펌프와 압력 센서(미도시) 그리고, 센싱된 압력에 따라 펌프의 동작을 제어하는 제어장치(미도시) 등이 상기 압력 유지 수단에 포함될 수 있다. Referring to FIG. 6, the deposition apparatus according to the present invention includes a
상기 제 1 압력영역(620)은 다시 제 2 압력 영역(630)과 연결되며, 제 2 압력 영역(630)은 제 1 압력 영역(620) 보다는 낮은 압력을 유지한다. The
제 2 압력 영역(630)의 타 측에는 상기 유입된 나노입자를 분산시키기 위한 분산수단(640)이 구비되며, 상기 분산 수단(640)을 통과한 나노입자는 증착부(650) 내에서 플레이트(660) 상에 적치된 기판(S)로 흐르게 된다.Dispersion means 640 is provided on the other side of the
상기 증착부(650) 내에는 나노입자 박막 증착과 함께 실리콘계 박막 증착을 형성하기 위하여 내부로 유입되는 제 2 반응가스를 분해하기 위한 분해수단이 더 구비되는데, 예를 들면, RF 또는 마이크로웨이브 플라즈마 또는 열선 등이 사용될 수 있다. 도 6은 RF 플라즈마 또는 열선을 통하여 제 2 반응가스를 분해하는 예를 나타낸다. The
본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트(660)에는 상부에 적치되는 기판의 온도를 조절, 제어하기 위한 온도조절수단(미도시, 예를 들면 열선 등)이 더 구비될 수 있으며, 상기 플레이트(660)의 높이는 조절가능하다.
도 7a 및 7b는 도 6에서 도시된 플레이트(660) 높이 조절을 설명하는 도면으로, 본 발명은 증착부(650) 내의 플레이트(660) 높이조절을 통하여 실리콘계 박막 증착(제 2 증착)과 실리콘계 나노입자 박막 증착(제 1 증착)을 동시에 또는 순차적으로 진행할 수 있게 한다. 7A and 7B illustrate the height control of the
도 7a를 참조하면, 증착부(650) 내의 플라즈마 형성영역(P) 아래에 플레이트(660)를 두는 경우, 유입된 실리콘계 나노입자는 먼저 플라즈마 형성 영역에서 분해된 제 2 반응가스와 접촉하게 되며, 그 결과 상부에는 실리콘계 박막이 증착된 코어-쉘 구조의 나노입자가 형성되어, 다시 아래의 기판(S)에 증착될 수 있다. Referring to FIG. 7A, when the
도 7b를 참조하면, 플레이트(660)가 상기 플라즈마 형성영역(P) 상부에 있는 경우, 먼저 실리콘계 나노입자(NP)가 먼저 기판(S) 상에 증착된다. 이후, 상기 플레이트(660)를 아래로 이동시켜, 상기 기판이 플라즈마 형성 영역(P) 내에 위치하도록 한다. 이로써, 먼저 기판 상에 증착된 실리콘계 나노입자(NP) 위에 제 2 반응가스에 의한 또 다른 실리콘계 박막 증착이 진행될 수 있으며, 그 결과 레이어-바이-레이어 형태의 다층 이종 박막이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7B, when the
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 증착장치의 모식도이다.8 is a schematic view of a deposition apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 상기 증착장치의 증착부(650) 상단에는 RF 플라즈마 형성을 위한 원형 전극이 구비되며, 상기 원형 전극의 중심부에는 나노입자가 통과할 수 있는 복수 개의 노즐이 구비된 분산수단(640)이 더 구비될 수 있다. Referring to FIG. 8, a circular electrode for forming an RF plasma is provided on an upper portion of the
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 증착장치의 모식도이고, 상기 증착장치에는 제 2 반응가스가 유입된 상기 나노입자(NP)와 먼저 혼합된 후, 동일 분산스크린(640)을 통과하여 증착부(650)로 유입되는 형태이다. 상기 유입된 제 2 반응가스는 이후 플라즈마에 의하여 분해되어, 기판상에 실리콘계 박막이 증착되며, 이는 상술한 바와 같다. FIG. 9 is a schematic diagram of a deposition apparatus according to another embodiment of the present invention, wherein the deposition apparatus is first mixed with the nanoparticles (NP) into which the second reaction gas is introduced, and then passes through the
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들을 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.
Claims (22)
실리콘계 나노입자를 합성하는 합성단계; 및
상기 합성된 실리콘계 나노입자를 상기 합성단계와 하기 증착단계에서의 공정 압력차를 이용하여 이송시키는 이송 단계;
상기 이송된 실리콘계 나노입자를 기판에 제 1 증착시키는 증착단계를 포함하며, 상기 합성 단계, 이송 단계 및 증착단계는 동일 장치 내에서 진행되는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법. Silicon-based nanoparticle thin film deposition method, the method
Synthesis step of synthesizing silicon-based nanoparticles; And
A transfer step of transferring the synthesized silicon-based nanoparticles using a process pressure difference between the synthesis step and the following deposition step;
And depositing the transferred silicon-based nanoparticles on a substrate, wherein the synthesizing, transferring, and depositing steps are performed in the same device.
실리콘계 박막을 증착하기 위한 반응가스가 유입되는 단계; 및
상기 유입된 반응가스가 분해되어 상기 기판에 실리콘계 박막이 제 2 증착되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법. The method of claim 1, wherein the depositing step
Introducing a reaction gas for depositing a silicon-based thin film; And
And depositing a second silicon thin film on the substrate by decomposing the introduced reaction gas.
상기 제 1 증착과 제 2 증착은 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법. The method of claim 3, wherein
The deposition method of the silicon-based nanoparticle thin film, characterized in that the first deposition and the second deposition proceeds at the same time.
상기 제 1 증착과 제 2 증착은 순차적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법. The method of claim 3, wherein
Wherein the first deposition and the second deposition is a silicon-based nanoparticle thin film deposition method characterized in that the proceeding sequentially.
상기 합성단계, 이송단계 및 증착단계는 연속적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법.The method of claim 1,
The synthesis step, the transfer step and the deposition step of the silicon-based nanoparticle thin film deposition method characterized in that the proceeding continuously.
상기 반응가스는 플라즈마 또는 열에 의하여 분해되는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법.The method of claim 3, wherein
The reaction gas is silicon-based nanoparticle thin film deposition method characterized in that the decomposition by plasma or heat.
상기 이송단계에서 상기 실리콘계 나노입자는 감소하는 압력 프로파일을 갖는 복수 개의 압력 영역을 연속하여 통과하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법.The method of claim 1,
The silicon-based nanoparticle thin film deposition method, characterized in that in the step of transferring the silicon-based nanoparticles continuously pass through a plurality of pressure regions having a decreasing pressure profile.
상기 복수 개의 압력 영역을 통과하면서 상기 실리콘계 나노입자는 속도 구배가 발생하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법.The method of claim 8,
The silicon-based nanoparticle thin film deposition method, characterized in that the velocity gradient occurs in the silicon-based nanoparticles while passing through the plurality of pressure regions.
상기 합성단계에서 실리콘계 나노입자는 또 다른 반응가스를 플라즈마 또는 레이저에 의하여 분해시켜 합성되는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법.The method of claim 1,
In the synthesis step, the silicon-based nanoparticles thin film deposition method of the silicon-based nanoparticles, characterized in that the synthesis of another reaction gas by plasma or laser decomposition.
이송단계 후 증착단계 전, 상기 실리콘계 나노입자를 분산시키는 분산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착방법.The method of claim 1,
And a dispersion step of dispersing the silicon-based nanoparticles after the transfer step and before the deposition step.
제 1 반응가스로부터 실리콘계 나노입자가 합성되는 합성부;
상기 합성부와 연결되어, 합성된 상기 실리콘계 나노입자가 연속적으로 통과할 수 있는 하나 이상의 노즐을 포함하며, 상기 노즐을 통하여 실리콘계 나노입자가 이동되는 이송부; 및
상기 이송부와 연결되어, 상기 이송부를 통하여 이동된 실리콘계 나노입자를 기판에 증착시키는 증착부를 포함하며, 상기 합성부, 이송부 및 증착부에서의 압력은 순차적으로 감소하며, 상기 이송부는 순차적으로 감소하는 압력 프로파일을 갖도록 하는 압력 감소수단이 각각 구비된 복수 개의 단위 영역을 포함하고, 상기 노즐은 상기 단위 영역 사이에 구비된 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착장치.Silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus, the apparatus is
Synthesis unit for synthesizing silicon-based nanoparticles from the first reaction gas;
A transfer unit connected to the synthesis unit and including one or more nozzles through which the synthesized silicon nanoparticles can continuously pass, and through which the silicon nanoparticles are moved; And
A deposition unit connected to the transfer unit and depositing silicon-based nanoparticles moved through the transfer unit on a substrate, wherein the pressure in the synthesis unit, the transfer unit, and the deposition unit is sequentially reduced, and the transfer unit is sequentially reduced in pressure. And a plurality of unit regions each provided with a pressure reducing means to have a profile, and the nozzle is provided between the unit regions.
상기 이송부와 증착부 사이에는 이동하는 상기 실리콘계 나노입자를 균일하게 분포시키는 분산수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착장치.The method of claim 14,
Silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus further comprises a distribution means for uniformly distributing the silicon-based nanoparticles moving between the transfer unit and the deposition unit.
상기 증착부는 실리콘계 박막 증착을 위한 제 2 반응가스가 유입되는 반응가스 유입부; 및
상기 유입된 제 2 반응가스를 분해하여, 상기 기판에 실리콘계 박막을 증착시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착장치.The method of claim 14,
The deposition unit may include a reaction gas inlet for introducing a second reaction gas for depositing a silicon-based thin film; And
Decomposing the introduced second reaction gas, the silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus further comprises a means for depositing a silicon-based thin film on the substrate.
상기 실리콘계 나노입자 증착 및 실리콘계 박막 증착은 동시에 또는 순차적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착장치.20. The method of claim 19,
The silicon-based nanoparticle deposition and silicon-based thin film deposition is a silicon-based nanoparticle thin film deposition apparatus, characterized in that proceeding simultaneously or sequentially.
상기 수단은 상기 증착부 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착장치.20. The method of claim 19,
And the means comprises a plasma generating unit for generating a plasma in the deposition unit.
상기 기판이 적치되는 플레이트; 및
상기 플레이트에 구비되어 상기 기판의 온도를 조절하는 온도 조절 수단을 포함하며, 여기에서 상기 플레이트의 높이는 조절가능한 것을 특징으로 하는 실리콘계 나노입자 박막 증착장치.The method of claim 14, wherein the deposition unit
A plate on which the substrate is placed; And
And a temperature adjusting means provided in the plate to adjust the temperature of the substrate, wherein the height of the plate is adjustable.
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