KR101203905B1 - 태양전지 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 제조장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양 전지 제조 장치의 일례는 기판이 배치되는 챔버(Chamber); 상기 챔버내로 가스를 공급하는 가스 배출구; 오리피스들이 형성되지 않는 배플 구조를 가지고, 상기 가스배출구로부터 공급되는 가스를 분산시키는 분산부; 복수의 오리피스를 구비하고, 상기 분산부로부터 공급되는 상기 가스를 복수의 오리피스를 통하여 분배하는 제 2 분배판; 및 복수의 오리피스를 구비하고, 상기 제 2 분배판을 통과한 가스를 복수의 오리피스를 통하여 다시 분배하여 하단에 배치되는 상기 기판의 상부에 미세결정 실리콘층을 증착하는 제 1 분배판;을 포함하며, 제 1 분배판의 오리피스의 개수는 상기 제 2 분배판의 오리피스의 개수보다 많다.
본 발명에 따른 태양 전지 제조 장치의 일례는 기판이 배치되는 챔버(Chamber); 상기 챔버내로 가스를 공급하는 가스 배출구; 오리피스들이 형성되지 않는 배플 구조를 가지고, 상기 가스배출구로부터 공급되는 가스를 분산시키는 분산부; 복수의 오리피스를 구비하고, 상기 분산부로부터 공급되는 상기 가스를 복수의 오리피스를 통하여 분배하는 제 2 분배판; 및 복수의 오리피스를 구비하고, 상기 제 2 분배판을 통과한 가스를 복수의 오리피스를 통하여 다시 분배하여 하단에 배치되는 상기 기판의 상부에 미세결정 실리콘층을 증착하는 제 1 분배판;을 포함하며, 제 1 분배판의 오리피스의 개수는 상기 제 2 분배판의 오리피스의 개수보다 많다.
Description
본 발명은 태양전지 제조장치에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell)는 빛을 전기로 변환하는 소자이다.
일반적으로 외부에서 광이 입사되면, 입사되는 광에 의해 태양전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 형성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍이 반도체 내부에서 이동함으로써 전력을 생산할 수 있다.
태양전지는 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘 계, 화합물 계, 유기물 계 태양전지로 구분할 수 있다.
아울러, 실리콘 계 태양전지는 반도체의 상(Phase)에 따라 결정 실리콘(Crystalline Silicon, C-Si) 태양전지와 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si) 태양전지로 구분될 수 있다.
본 발명은 태양 전지 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 제조 장치의 일례는 기판이 배치되는 챔버(Chamber); 상기 챔버내로 가스를 공급하는 가스 배출구; 오리피스들이 형성되지 않는 배플 구조를 가지고, 상기 가스배출구로부터 공급되는 가스를 분산시키는 분산부; 복수의 오리피스를 구비하고, 상기 분산부로부터 공급되는 상기 가스를 복수의 오리피스를 통하여 분배하는 제 2 분배판; 및 복수의 오리피스를 구비하고, 상기 제 2 분배판을 통과한 가스를 복수의 오리피스를 통하여 다시 분배하여 하단에 배치되는 상기 기판의 상부에 미세결정 실리콘층을 증착하는 제 1 분배판;을 포함하며, 제 1 분배판의 오리피스의 개수는 상기 제 2 분배판의 오리피스의 개수보다 많다.
여기서, 상기 제 2 분배판의 오리피스는 상기 제 1 분배판의 오리피스에 비해 간격 및 폭 중 적어도 하나가 다를 수 있다.
또한, 상기 제 1 분배판의 오리피스들의 간격은 상기 제 2 분배판의 오리피스들의 간격보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제 1 분배판의 오리피스의 폭은 상기 제 2 분배판의 오리피스의 폭보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제 2 분배판의 오리피스들의 개수는 상기 제 1 분배판의 오리피스들의 개수의 절반 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 1 분배판, 상기 제 2 분배판 또는 상기 분산부 중 적어도 하나는 알루미늄 재질(Al)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판과 상기 제 1 분배판 사이의 간격은 상기 제 1 분배판과 상기 분산부 사이의 간격보다 작을 수 있다.
또한, 상기 기판과 상기 제 1 분배판 사이의 간격은 상기 제 1 분배판과 상기 제 2 분배판 사이의 간격 및 상기 제 2 분배판과 상기 분산부 사이의 간격 중 적어도 어느 하나보다 작을 수 있다.
여기서,상기 분산부의 면적은 상기 가스 배출구의 단면의 면적보다 클 수 있다.
또한, 상기 기판을 지지하는 받침대를 더 포함하고, 상기 받침대는 상기 기판에 균일하게 열을 가할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 분배판과 상기 기판 사이의 간격은 동일할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 제조 장치는 플라즈마 증착 공정 시 반응 가스를 고르게 분산시킴으로써, 박막 또는 태양전지의 Non-Uniformity 특성을 향상시켜 효율을 개선하는 효과가 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 일례에 대해 설명하기 위한 도면.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 태양전지의 제조 장치 및 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면.
도 8 내지 도 13은 비교예와 본 발명에 따른 실시예의 두께의 불균일도를 비교하기 위한 도면.
도 14 내지 도 15는 미세결정 실리콘 박막의 불균일도를 낮추기 위한 또 다른 제조 장치의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 태양전지의 제조 장치 및 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면.
도 8 내지 도 13은 비교예와 본 발명에 따른 실시예의 두께의 불균일도를 비교하기 위한 도면.
도 14 내지 도 15는 미세결정 실리콘 박막의 불균일도를 낮추기 위한 또 다른 제조 장치의 일례를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지의 제조 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 일례에 대해 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 태양전지(10)는 미세결정 실리콘층을 포함할 수 있다.
예를 들면, 도 1의 경우와 같이 본 발명에 따른 태양전지(10)는 기판(100), 기판(100)에 형성되는 전면 전극(110), 전면 전극(110)에 형성되는 제 1 반도체부(120)와 제 2 반도체부(130), 제 2 반도체부(130)에 형성되는 반사층(140), 후면 전극(150)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 반도체부(120)와 제 2 반도체부(130) 중 어느 하나가 미세결정 실리콘층을 포함할 수 있다.
이하에서는, 제 1 반도체부(120)는 비정질 실리콘 재질로 이루어지고, 제 2 반도체부(130)는 미세결정 실리콘 재질로 이루어지는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 태양전지(10)는 도 1과 같은 구조에 한정되는 것은 아니고, 미세결정 실리콘층을 포함하는 구조라면 어떠한 것이든지 가능할 수 있다.
기판(100)은 외부로부터 광이 입사되는 방향에 배치되며, 광을 투과할 수 있도록 실질적으로 투명한 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 기판(100)은 유리 재질 혹은 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
전면 전극(110)은 제 1, 2 반도체부(120, 130)에서 생성된 전력을 수집하기 위해 전기 전도성을 가지면서도 기판(100)을 투과한 광이 제 1, 2 반도체부(120, 130)에 도달하도록 하기 위해 실질적으로 투명한 금속 재질을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 전면 전극(110)은 인듐주석산화물(ITO)과 같은 실질적으로 투명하면서도 전기 전도성을 갖는 재질을 포함할 수 있다.
아울러, 전면 전극(110)은 기판(100)을 투과한 광의 반사를 억제하기 위해 Texturing 구조를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
여기서, 전면 전극(110)이 실질적으로 투명한 재질로 구성되는 것을 고려하여, 전면 전극(110)을 투명 전극(Transparent Electrode)이라 할 수 있다.
후면 전극(150)은 광을 투과할 필요는 없으나 전기 전도성이 우수한 재질을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 후면 전극(150)은 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 재질을 포함할 수 있다.
반사층(140)은 제 1, 2 반도체부(120, 130)를 투과한 광을 다시 제 1, 2 반도체부(120, 130)의 방향으로 반사할 수 있다. 그러면, 제 1, 2 반도체부(120, 130)는 반사층(140)에 의해 반사된 광을 이용하여 전력을 생산을 증가시킬 수 있다.
제 1 반도체부(120)는 p형 비정질 실리콘층(121), i형 비정질 실리콘층(122) 및 n형 비정질 실리콘층(123)을 포함할 수 있다.
외부로부터 입사되는 광이 기판(100)과 전면 전극(110)을 투과하여 제 1 반도체부(120)에 도달하게 되면, 주로 p형 비정질 실리콘층(121)과 n형 비정질 실리콘층(123)의 사이에 배치된 i형 비정질 실리콘층(122)이 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 아울러, i형 비정질 실리콘층(122)에서 생성된 전자는 n형 비정질 실리콘층(123)을 경유하여 후면 전극(150) 쪽으로 이동하여 수집될 수 있고, 생성된 정공은 p형 비정질 실리콘층(121)을 경유하여 전면 전극(110) 쪽으로 이동하여 수집될 수 있다.
이러한 과정을 통해 제 1 반도체부(120)는 전력을 생산할 수 있다.
제 1 반도체부(120)는 제 2 반도체부(130)에 비해 상대적으로 높은 밴드갭 전압을 갖으며, 상대적으로 단파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
제 2 반도체부(130)는 제 1 반도체부(120)와 인접하게 배치되며, p형 미세결정 실리콘층(131), i형 미세결정 실리콘층(132) 및 n형 미세결정 실리콘층(133)을 포함할 수 있다.
제 2 반도체부(130)는 기판(100), 전면 전극(110) 및 제 1 반도체부(120)를 투과한 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
이러한 제 2 반도체부(130)는 제 1 반도체부(120)에 비해 상대적으로 낮은 밴드갭 전압을 갖으며, 상대적으로 장파장 대역의 광을 흡수하여 전력을 생산할 수 있다.
여기서, 제 1, 2 반도체부(120, 130)는 그 두께의 불균일도(Non-Uniformity)가 충분히 낮아야 한다.
만약, 제 1, 2 반도체부(120, 130)의 두께의 불균일도가 과도하게 큰 경우에는 전력 생산의 왜곡을 유발시킬 수 있고, 이에 따라 효율이 저하될 수 있다.
아울러, 제 2 반도체부(130)는 비정질 실리콘과 결정질 실리콘의 중간적인 성질을 갖는 미세결정 실리콘 재질을 포함하기 때문에 비정질 실리콘 재질로 이루어지는 제 1 반도체부(120)에 그 두께가 두꺼울 수 있다.
따라서 제 2 반도체부(130)의 두께의 불균일도(Non-Uniformity)는 제 1 반도체부(120)의 불균일도에 비해 태양전지(10)의 효율에 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 태양전지(10)의 두께의 불균일도를 향상시키기 위해서는 제 2 반도체부(130)의 두께의 불균일도를 개선하는 것이 더욱 유리할 수 있는 것이다.
한편, 제 2 반도체부(130)는 민감도(Sensitivity)는 태양전지(10)의 효율을 높이기 위해 조절될 수 있다. 이에 대해 도 2를 참조하여 살펴보면 아래와 같다.
도 2에는 태양전지(10)의 효율과 제 2 반도체부(130)의 민감도의 관계에 대한 그래프가 도시되어 있다. 도 2에서 가로축은 민감도의 축으로서 로그(Log) 스케일로 표현되어 있다. 아울러, 세로축은 태양전지(10)의 효율의 축으로서, 셀 초기효율을 의미한다.
아울러 민감도는 포토 전기 전도도(PC)/다크 전기 전도도(DC)이다. 여기서, 포토 전기 전도도(PC : Photo Conductivity)는 광이 입사되는 상태에서의 제 2 반도체부(130)의 전기 전도도이고, 다크 전기 전도도(DC : Dark Conductivity)는 광이 입사되지 않는 상태에서의 제 2 반도체부(130)의 전기 전도도이다. 따라서 민감도의 단위는 없다.
도 2를 살펴보면, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 10인 경우에는 태양전지(10)의 효율이 대략 3.8%인 것을 알 수 있다.
이러한 경우에는, 제 2 반도체부(130)에 결함(Defect)의 개수가 많은 경우로 외부로부터 광이 입사되더라도 생산되는 전력이 적어서 민감도도 작다.
반면에, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 100인 경우에는 태양전지(10)의 효율이 대략 8.8%로서 높은 수준인 것을 알 수 있다.
아울러, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 320인 경우에는 태양전지(10)의 효율이 대략 12.0%이고, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 600인 경우에는 태양전지(10)의 효율이 대략 12.6%이고, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 730인 경우에는 태양전지(10)의 효율이 대략 12.2%로서 충분히 높은 수준인 것을 알 수 있다.
이러한 경우에는, 제 2 반도체부(130)의 결함이 충분히 낮은 수준일 수 있다.
아울러, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 1000인 경우에는 태양전지(10)의 효율이 대략 10.2%로서 약간 감소하였으나 여전히 높은 수준인 것을 알 수 있다.
반면에, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 10000인 경우에는 태양전지(10)의 효율이 대략 5.0%로서 매우 낮은 수준인 것을 알 수 있다.
이와 같이, 제 2 반도체부(130)의 민감도가 대략 10000이상인 경우에는 제 2 반도체부(130)의 민감도가 높아 전력 생산 능력이 우수한 것처럼 보이나, 제 2 반도체부(130)의 성질이 비정질 실리콘에 근접하는 것으로 볼 수 있으며, 이에 따라 태양전지(10)가 비정질 실리콘 재질의 제 1 반도체부(120)와 비정질 실리콘 재질에 근접하는 제 2 반도체부(130)를 포함하는 결과를 초래할 수 있다. 이 경우는 태양전지(10)에서 제 2 반도체부(130)의 광 흡수 능력이 저하됨으로써 결과적으로 효율이 낮아질 수 있는 것이다.
상기한 도 2의 데이터를 고려할 때, 미세결정 실리콘층, 즉 제 2 반도체부(130)의 민감도(Sensitivity)는 대략 100~1000인 것이 바람직할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 대략 320~730일 수 있다.
상기한 본 발명에 따른 태양전지(10)를 제조하기 위한 제조 장치 및 제조 방법은 아래와 같다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 태양전지의 제조 장치 및 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 태양전지의 미세결정 실리콘 박막의 제조하는 경우에 한정하여 설명하고 있지만, 본 발명에 따른 제조 장치 및 제조 방법은 실리콘 박막을 형성하는 것이라면 어디든지 적용될 수 있다. 예컨대, 액정표시장치(LCD)의 실리콘 박막의 제조에 적용될 수 있는 것이다.
먼저, 도 3을 살펴보면 본 발명에 따른 태양전지의 제조 장치(30)는 기판(370)이 배치되는 챔버(Chamber, 310)와, 챔버(310)내로 가스를 공급하는 가스 배출구(320)와, 가스 배출구(320)로부터 공급되는 가스를 분산시키는 분산부(330)와, 분산부(330)로부터 공급되는 가스를 분배하는 제 2 분배판(340) 및 제 2 분배판(340)을 통과한 가스를 다시 분배하는 제 1 분배판(350)을 포함할 수 있다.
챔버(310)에는 받침대(360)가 배치되고, 기판(370)은 받침대(360)에 배치될 수 있다. 여기서, 받침대(360)는 기판(370)을 지지할 뿐 아니라, 기판(370)에 열을 가할 수 있다.
아울러, 받침대(360)는 기판(370)에 위치에 관계없이 균일하게 열을 가할 수 있다.
챔버(310)의 주위에는 챔버(310)의 진공도를 높이기 위한 챔버 외벽(300)이 배치될 수 있다.
아울러, 태양전지의 제조 장치(30)는 분산부(330), 제 1 분배판(350), 제 2 분배판(340)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 분배판(350)은 챔버(310) 내에서 기판(370)과 소정 거리 이격되게 배치되고, 다수의 오리피스(Orifice)들을 포함할 수 있다. 여기서, 오리피스는 반응 가스가 통과할 수 있는 소정의 관통홀(Hole)을 의미할 수 있다.
이하에서는 제 1 분배판(350)에 형성된 오리피스들을 제 1 오리피스라 하겠다.
제 2 분배판(340)은 제 1 분배판(350)과 마찬가지로 다수의 오리피스들을 포함한다. 이러한 제 2 분배판(340)에 형성된 오리피스를 이하에서는 제 2 오리피스라 하겠다.
이러한 제 2 분배판(340)은 제 1 분배판(350)과 챔버(310) 내에 가스를 공급하는 가스 배출구(320) 사이에 배치될 수 있다.
제 2 분배판(340)의 제 2 오리피스(341)는 제 1 분배판(350)의 제 1 오리피스(351)에 비해 간격, 폭 또는 갯수 중 적어도 하나가 다를 수 있다.
자세하게는, 도 5의 (a)와 같이 제 2 분배판(340)에 형성된 제 2 오리피스(341)의 개수는 (b)와 같이 제 1 분배판(350)에 형성된 제 1 오리피스(351)의 개수보다 더 적을 수 있다.
바람직하게는, (a)와 제 2 분배판(340)에서 인접하는 두 개의 제 2 오리피스(341)들의 사이 간격(W1)은 (b)와 같이 제 1 분배판(350)에서 인접하는 두 개의 제 1 오리피스(351)들의 사이 간격(W2)보다 클 수 있다.
아울러, 제 1, 2 분배판(350, 340)의 가수 분배 효율을 높이기 위해 제 2 분배판(340)에 형성된 제 2 오리피스(341)들의 개수는 제 1 분배판(350)에 형성된 제 1 오리피스(351)들의 개수의 절반 이하인 것이 바람직할 수 있다.
또는, 가스의 분산 효율을 높이기 위해 도 6의 (b)의 경우와 같이 개수가 상대적으로 많은 제 1 오리피스(351)의 폭, 즉 직경(R2)은 (a)의 개수가 상대적으로 적은 제 2 오리피스(341)의 직경(R1)보다 작은 것이 가능할 수 있다.
분산부(330)는 제 2 분배판(340)과 가스 배출구(320) 사이에 배치될 수 있다.
이러한 분산부(330)은 도 4의 (a) 내지 (b)와 오리피스들이 형성되지 않는 배플(Baffle) 구조를 갖는 플레이트(Plate)일 수 있다. 아울러, 분산부(330)는 챔버(310) 내에 배치되는 기판(370)의 형상에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 도 4의 (a)와 같이 다각형 형상을 가질 수 있고, 또는 (b)와 같이 원형 또는 타원형 형상을 갖는 것도 가능할 수 있다.
도 7과 같이 가스 배출구(320)를 통해 반응 가스가 챔버(310) 내로 유입되면 가스 배출구(320)에 소정 거리 이격된 분산부(330)에 의해 유입된 가스가 1차적으로 분산될 수 있다. 자세하게는, 분산부(330)는 오리피스가 형성되지 않은 플레이트이기 때문에 유입되는 가스는 분산부(330)을 주위로 흘러내리게 됨으로써 분산될 수 있다.
아울러, 분산부(330)에 의한 가스 분산 효율을 향상시키기 위해 분산부(330)의 면적은 가스 배출구(320)의 단면의 면적보다 큰 것이 바람직할 수 있다.
이와 같이, 분산부(330)를 이용하여 가스를 1차적으로 분산시키는 단계에서는 유입된 가스가 배플 구조의 분산부(330)를 타고 흘러내림으로서 상대적으로 넓은 공간으로 퍼지게 된다. 따라서 이러한 단계에서는 챔버(310) 내로 유입된 가스를 상대적으로 넓은 제 1 영역으로 분산시키는 것이라 할 수 있다.
이후, 분산부(330)에 의해 분산된 가스는 다시 제 2 분배판(340)에 의해 2차적으로 분산될 수 있다.
자세하게는, 분산부(330)에 의해 분산되어 제 2 분배판(340)에 도달한 가스는 제 2 분배판(340)에 형성된 제 2 오리피스(341)들을 통과하면서 좀 더 고르게 분산될 수 있다.
이와 같이, 제 2 분배판(340)를 이용하여 가스를 2차적으로 분산시키는 단계에서는 가스가 제 2 분배판(340)에 형성된 제 2 오리피스(341)를 통과하는 단계로서, 유입된 가스가 분산부(330)에 의해 분산되는 단계와 비교하여 제 1 영역보다 상대적으로 좁은 제 2 영역으로 가스를 분산시키는 것이라 할 수 있다.
이후, 제 2 분배판(340)에 의해 2차적으로 분산된 가스는 제 1 분배판(350)에 의해 3차적으로 분산될 수 있다.
자세하게는, 제 2 분배판(340)에 의해 분산되어 제 1 분배판(350)에 도달한 가스는 제 1 분배판(350)에 형성된 제 1 오리피스(351)들을 통과하면서 좀 더 고르게 분산될 수 있다.
여기서, 제 1 분배판(350)에 형성된 제 1 오리피스(351)의 개수가 제 2 분배판(340)에 형성된 제 2 오리피스(341)의 개수보다 더 많으며, 아울러 제 1 오리피스(351)들 사이의 간격(W2)이 제 2 오리피스(341)들 사이의 간격(W1)보다 작기 때문에 보다 가스를 보다 고르게 분산시킬 수 있는 것이다.
이와 같이, 제 1 분배판(350)를 이용하여 가스를 3차적으로 분산시키는 단계에서는 가스가 제 1 분배판(350)에 형성된 제 1 오리피스(351)를 통과하는 단계로서, 분산부(330)를 경유하여 유입된 가스가 제 2 분배판(340)에 의해 분산되는 단계와 비교하여 제 1 영역 및 제 2 영역보다 상대적으로 좁은 제 3 영역으로 가스를 분산시키는 것이라 할 수 있다.
제 1 분배판(350)에 의해 분산된 가스는 기판(370)에 분사될 수 있다.
이때, 음극으로서 제 1 분배판(350)에 -전압을 인가하고 양극으로서 받침대(360)에 +전압을 인가하게 되면 제 1 분배판(350)과 받침대(360) 사이에서 플라즈마 방전이 발생하게 되고, 이에 따라 기판(370)에는 박막(Thin Film Layer)이 증착될 수 있다.
이러한 방법을 태양전지의 제조공정에 적용한다면, 기판(370)에 미세결정 실리콘 박막이 증착될 수 있는 것이다.
여기서, 제 1 분배판(350), 제 2 분배판(340) 또는 분산부(330) 중 적어도 하나는 플라즈마 방전에 의한 에칭 손상을 억제하기 위해 알루미늄 재질(Al)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 제 1 분배판(350), 제 2 분배판(340) 및 분산부(330) 모두가 알루미늄 재질(Al)을 포함할 수 있다.
아울러, 제 1 분배판(350)과 받침대(360) 사이에서 발생하는 플라즈마 방전에 의해 기판(370)에 박막, 예컨대 미세결정 실리콘 박막을 보다 효과적으로 증착하기 위해서는 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격(t1)을 충분히 작게 해야 한다.
만약, 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격(t1)이 큰 경우에는 미세결정 실리콘 박막의 증착 속도가 느려지게 되고, 아울러 미세결정 실리콘 박막의 민감도 특성이 악화될 수 있다.
바람직하게는, 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격(t1)은 제 1 분배판(350)과 분산부(330) 사이의 간격(t2)보다 작을 수 있다. 더욱 바람직하게는, 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격(t1)은 제 1 분배판(350)과 제 2 분배판(340) 사이의 간격(t4) 및 제 2 분배판(340)과 분산부(330) 사이의 간격(t3) 중 적어도 어느 하나보다 작을 수 있다.
상기와 같이, 챔버(310) 내로 유입되는 가스를 분산부(330), 제 2 분배판(340), 제 1 분배판(350)을 이용하여 차례로 분산시키게 되면, 분산된 가스가 기판(370)에 균일하게 조사될 수 있다. 이에 따라, 기판(370)에 증착되는 미세결정 실리콘 박막의 두께의 불균일도 특성이 개선될 수 있다. 즉, 미세결정 실리콘 박막의 두께가 균일해질 수 있는 것이다.
아울러, 기판(370)에 증착되는 미세결정 실리콘 박막의 민감도 특성이 향상될 수 있다.
아울러, 기판(370)에 형성된 미세결정 실리콘 박막의 불균일도의 악화를 억제하기 위해 제 1 분배판(350)과 기판(370) 사이의 간격은 위치에 관계없이 실질적으로 동일하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
아울러, 기판(370)에 형성되는 미세결정 실리콘 박막의 민감도를 균일하게 하기 위해 받침대(360)는 기판(370)에 위치에 관계없이 균일하게 열을 가하는 것이 바람직할 수 있다.
도 8 내지 도 13은 비교예와 본 발명에 따른 실시예의 두께의 불균일도를 비교하기 위한 도면이다.
먼저, 도 8을 살펴보면 앞선 도 3의 구조에서 분산부와 제 2 분배판이 생략되고, 가스 배출구(320)와 기판(370)의 사이에 제 1 분배판(350)이 배치되는 제조 장치의 일례가 도시되어 있다.
이러한 도 8과 같은 구성의 제조 장치에서는 가스 배출구(320)를 통해 유입된 가스가 직접 제 1 분배판(350)에 도달하고, 이후 도달한 가스는 제 1 분배판(350)에 형성된 제 1 오리피스를 통과하여 분산될 수 있다.
그러나 이러한 구성에서는 가스 배출구(320)를 통해 유입된 가스가 직접 제 1 분배판(350)에 도달하기 때문에 제 1 분배판(350)의 중앙부분에서는 다량의 가스가 도달하게 되고, 제 1 분배판(350)의 가장자리에는 중앙부분에 비해 상대적으로 적은 양의 가스가 도달하게 된다.
이에 따라, 기판(370)의 중앙부분에는 다량의 가스가 도달할 수 있고, 반면에 기판(370)의 가장자리부분에는 중앙부분에 비해 상대적으로 적은 양의 가스가 도달하게 됨으로써, 기판(370)에 증착되는 미세결정 실리콘 박막의 두께의 균일도가 저하될 수 있다. 자세하게는, 기판(370)의 중앙부분에는 상대적으로 두껍게 박막이 증착될 수 있고, 기판(370)의 가장자리부분에는 상대적으로 얇게 박막이 증착될 수 있다.
도 8과 같은 구성의 제조 장치를 이용하여 제조한 태양전지의 두께 균일도를 측정한 데이터가 도 9에 도시되어 있다.
태양전지의 제조 공정 조건은 파워가 대략 0.7W/cm2이고, 공정 압력이 대략 4토르(torr)이고, 증착온도는 대략 180℃이고, 가스는 SiH4와 H2를 사용하였다.
박막 균일도의 측정 장비로는 Elipsometer를 사용하였다.
아울러, 박막의 불균일도(Non-Uniformity)는 아래와 같은 수학식 1로 계산하였다.
수학식 1 : NU = (MAXT-MINT)×100/(MAXT-MINT)
여기서, NU는 박막의 불균일도이고, MAXT는 박막의 최고 두께이고, MINT는 박막의 최저 두께이다.
측정결과, 도 9와 같이 도 8과 같은 제조 장치로 제조한 미세결정 실리콘 박막의 불균일도는 대략 8.27%이다.
즉, 도 8과 같은 제조 장치로 제조한 박막은 도 10과 같이 중앙부분의 두께(T1)가 가장자리 부분의 두께(T2, T3)에 비해 상대적으로 얇은 돔형태를 갖는 것이다.
상기와 같이 도 8과 같은 제조 장치로 박막의 제조하게 되면 제조한 박막의 불균일도가 증가하여 두께 특성이 저하될 수 있다.
또한, 기판(370)의 가장자리부분에는 도달하는 가스의 양 및 유입 속도가 중앙부분에 비해 적거나 더 느리기 때문에 기판(370)의 가장자리부분에 증착되는 미세결정 실리콘 박막의 민감도가 악화될 수 있다. 이에 따라, 앞선 도 2와 같은 민감도 특성을 갖기 어렵다.
다음, 도 11에는 앞선 도 3의 구조에서 제 2 분배판이 생략되는 제조 장치의 일례가 도시되어 있다.
이러한 도 11과 같은 구성의 제조 장치에서는 가스 배출구(320)를 통해 유입된 가스가 분산부(330)에 의해 1차적으로 분산되고, 이후 분산된 가스가 제 1 분배판(350)에 도달하고, 이후 도달한 가스는 제 1 분배판(350)에 형성된 제 1 오리피스를 통과하여 분산될 수 있다.
그러나 이러한 구성에서도 앞선 도 8의 경우와 마찬가지로 챔버(310)로 유입되는 가스의 분산효과가 충분하지 않을 수 있고, 이에 따라 기판(370)의 중앙부분에는 다량의 가스가 도달할 수 있고, 반면에 기판(370)의 가장자리부분에는 중앙부분에 비해 상대적으로 적은 양의 가스가 도달하게 됨으로써, 기판(370)에 증착되는 미세결정 실리콘 박막의 두께의 균일도가 저하될 수 있다.
도 11과 같은 구성의 제조 장치를 이용하여 제조한 태양전지의 두께 균일도를 측정한 데이터가 도 12에 도시되어 있다.
태양전지의 제조 공정 조건은 앞서 설명한 바와 동일하다.
박막의 불균일도의 측정결과, 도 12와 같이 도 11과 같은 제조 장치로 제조한 미세결정 실리콘 박막의 불균일도는 대략 6.30%이다.
즉, 도 11과 같은 제조 장치로 제조한 박막은 여전히 도 12와 같이 중앙부분의 두께가 가장자리 부분의 두께에 비해 상대적으로 얇은 돔형태를 갖는 것이다.
다음, 도 13에는 앞선 도 3과 같은 본 발명에 따른 제조 장치를 이용하여 제조한 태양전지의 두께 균일도를 측정한 데이터가 도시되어 있다.
공정 조건은 앞서 설명한 바와 동일하다.
도 13을 살펴보면, 앞선 도 3과 같은 제조 장치로 제조한 미세결정 실리콘 박막의 불균일도는 대략 3.89%이다.
상기한 도 8 내지 도 13의 내용을 고려할 때, 도 3과 같이 챔버(310) 내로 유입된 가스를 분산부(330), 제 2 분배판(340), 제 1 분배판(350)을 이용하여 차례로 분산시키는 것이 미세결정 실리콘 박막의 불균일도를 개선하는데 효과적인 것을 알 수 있다.
아울러, 도 3과 같은 제조 장치를 사용하게 되면, 기판(370)의 중앙부분 및 가장자리 부분에 실질적으로 동등한 양의 가스가 도달하도록 제어할 수 있고, 아울러 가스의 유입 속도도 동등 수준으로 제어할 수 있다. 이에 따라 기판(370)의 가장자리부분에 증착되는 박막의 민감도 특성은 기판(370)의 중앙부분에 증착되는 박막의 민감도 특성과 실질적으로 동등 수준을 가질 수 있게 된다. 따라서 앞선 도 2와 같이 민감도 특성의 미세결정 실리콘 박막의 구현이 가능한 것이다.
도 14 내지 도 15는 미세결정 실리콘 박막의 불균일도를 낮추기 위한 또 다른 제조 장치의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 14를 살펴보면, 가스 배출구(320)와 기판(370) 사이에 배치되는 제 1 분배판(350)에 곡률(Curvature)을 가하는 제조 장치의 일례가 도시되어 있다.
이러한 구성에서는 기판(370)의 중앙부분에서는 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격(h2)이 상대적으로 크고, 가장자리부분에서는 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격(h1, h3)이 상대적으로 작을 수 있다.
이에 따라, 기판(370)의 중앙부분에서는 제 1 분배판(350)을 통과한 가스가 확산할 수 있는 충분한 공간이 마련될 수 있어서, 기판(370)의 중앙부분에서 박막의 증착속도를 늦춤으로써 기판(370)의 중심부분과 가장자리부분에서 박막의 증착 속도가 실질적으로 동등 수준이 되도록 할 수 있다.
따라서 기판(370)에 형성되는 미세결정 실리콘 박막의 불균일도를 충분히 낮출 수 있다.
그러나 이러한 도 14와 같은 제조 장치를 사용하는 경우에는 기판(370)의 중앙부분에서 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격(h2)이 과도하게 증가할 수 있고, 이에 따라 기판(370)의 중앙부분에 증착되는 미세결정 실리콘 박막의 민감도 특성이 악화됨으로써 앞선 도 2와 같은 민감도 특성을 만족하기 어렵다.
다음, 도 15에는 받침대(360)가 기판(370)에 열을 차등적으로 가하는 방식을 사용하는 제조 장치의 일례가 도시되어 있다.
자세하게는, 받침대(360)는 히터를 사용하여 기판(370)의 중심부분에는 상대적으로 낮은 A℃의 열을 가하고, 기판(370)이 가장자리부분에는 A℃보다 높은 B℃의 열을 가할 수 있다.
이러한 경우에는, 기판(370)의 중심부분의 온도가 기판(370)의 가장자리부분의 온도보다 낮기 때문에 기판(370)의 중심부분에서 박막의 증착 속도가 가장자리부분에 비해 느려질 수 있다. 이에 따라, 도 15와 같은 제조 장치에 의해 제조된 박막의 두께 불균일도가 낮아질 수 있다.
그러나 상대적으로 온도가 높은 기판(370)의 가장자리부분에서는 증착되는 박막의 결정화도가 낮아지고, 상대적으로 온도가 낮은 기판(370)의 중앙부분에서는 증착되는 박막의 결정화도가 높아지게 된다. 이에 따라 기판(370)이 중앙부분과 가장자리부분에 형성되는 박막의 민감도의 차이가 심화될 수 있으며, 앞선 도 2와 같은 민감도의 특성을 만족하기 어려울 수 있다.
자세하게는, 미세결정 실리콘 박막의 결정화도는 민감도를 결정하는 변수 중 하나로서 결정화도가 과도하게 높은 경우에는 비정질 실리콘의 경향을 띄게 되고, 이에 따라 민감도가 과도하게 높아질 수 있다.
따라서 기판(370)의 중앙부분의 온도를 유지한 상태에서 기판(370)의 가장자리부분의 온도를 높이는 방법으로 박막의 불균일도를 개선하는 방법에서는 기판(370)의 가장자리부분에 형성되는 박막의 민감도가 과도하게 높아짐으로써 앞선 도 2의 민감도의 특성을 만족하기 어렵다.
또한, 기판(370)의 가장자리부분의 온도를 유지한 상태에서 기판(370)의 중앙부분의 온도를 낮추는 방법으로 박막의 불균일도를 개선하는 방법에서는 기판(370)의 중앙부분에 형성되는 박막의 민감도가 앞선 도 2의 민감도의 특성을 만족하기 어렵다.
반면에, 앞선 도 3과 같이 챔버(310)에 유입되는 가스를 분산부(330), 제 2 분배판(340), 제 1 분배판(350)을 이용하여 차례로 분산시키면서도, 기판(370)의 온도를 위치에 관계없이 실질적으로 동등 수준을 유지하고, 아울러 기판(370)의 위치에 관계없이 기판(370)과 제 1 분배판(350) 사이의 간격을 실질적으로 일정하게 유지하는 방법으로 미세결정 실리콘 박막을 제조하게 되면, 두께 불균일도를 충분히 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 미세결정 실리콘 박막의 민감도 특성을 앞선 도 2의 수준으로 유지하는 것이 가능할 수 있는 것이다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (11)
- 기판이 배치되는 챔버(Chamber);
상기 챔버내로 가스를 공급하는 가스 배출구;
오리피스들이 형성되지 않는 배플 구조를 가지고, 상기 가스배출구로부터 공급되는 가스를 분산시키는 분산부;
복수의 오리피스를 구비하고, 상기 분산부로부터 공급되는 상기 가스를 복수의 오리피스를 통하여 분배하는 적어도 하나의 분배판; 및
상기 적어도 하나의 분배판 하부에 배치되며, 상기 기판을 지지하는 받침대;를 포함하며,
상기 적어도 하나의 분배판 중에서 상기 기판과 가장 인접한 분배판과 상기 기판 사이의 간격은 상기 기판과 가장 인접한 분배판과 상기 분산부 사이의 간격보다 좁고,
상기 받침대는 상기 기판은 중심 부분보다 가장 자리 부분에 상대적으로 더 높은 열을 가하는 태양전지의 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 분배판은
복수의 제2 오리피스를 구비하고, 상기 분산부로부터 공급되는 상기 가스를 상기 복수의 제2 오리피스를 통하여 분배하는 제2 분배판; 및
복수의 제1 오리피스를 구비하고, 상기 제 2 분배판을 통과한 가스를 상기 복수의 제1 오리피스를 통하여 다시 분배하여 하단에 배치되는 상기 기판의 상부에 미세결정 실리콘층을 증착하는 제 1 분배판;을 포함하고,
상기 제 2 분배판의 제2 오리피스는 상기 제 1 분배판의 제1 오리피스에 비해 간격 및 폭 중 적어도 하나가 다른 태양전지의 제조장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 분배판의 제1 오리피스들의 간격은 상기 제 2 분배판의 제2 오리피스들의 간격보다 작은 태양전지의 제조장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 분배판의 제1 오리피스의 폭은 상기 제 2 분배판의 제2 오리피스의 폭보다 작은 태양전지의 제조장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 분배판의 제2 오리피스들의 개수는 상기 제 1 분배판의 제1 오리피스들의 개수의 절반 이하인 태양전지의 제조장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 분배판, 상기 제 2 분배판 또는 상기 분산부 중 적어도 하나는 알루미늄 재질(Al)을 포함하는 태양전지의 제조장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 기판과 상기 제 1 분배판 사이의 간격은 상기 제 1 분배판과 상기 분산부 사이의 간격보다 작은 태양전지의 제조장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 기판과 상기 제 1 분배판 사이의 간격은 상기 제 1 분배판과 상기 제 2 분배판 사이의 간격 및 상기 제 2 분배판과 상기 분산부 사이의 간격 중 적어도 어느 하나보다 작은 태양전지의 제조장치. - 삭제
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