KR101226266B1 - 플라즈마 텍스처링 반응 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지용 웨이퍼상에 건식 식각 기법으로 플라즈마 텍스처링을 실시할 때 플라즈마 이온의 밀도와 균일성을 향상시키고 이온 에너지를 적절히 제어하여 태양 전지의 제조 효율 및 품질이 향상되도록 한 기술에 관한 것이다.
이를 위해, 유전체 윈도우와 챔버몸체로 이루어져 텍스처링 대상의 태양전지용 웨이퍼가 수용되는 챔버; 상기 유전체 윈도우의 외측 상부에 설치되어 플라즈마를 형성하기 위한 자계를 발생하는 다각형 구조의 안테나 코일을 구비한다.
그리고, 복수개의 고주파 전력 발생기 및 고주파 매칭부를 포함하는 고주파 하부파워 공급부를 구비하여 이온 에너지의 세기와 밀도, 활성종 농도를 조절한다.

Description

플라즈마 텍스처링 반응 장치{Plasma Reactor FOR TEXTURING OF SOLAR CELL}

본 발명은 태양전지의 플라즈마 텍스처링 기술에 관한 것으로, 특히 태양전지 표면에서의 광반사량을 줄여 태양전지 내부로 유효광의 흡수량이 증가되도록 하기 위해 태양전지용 웨이퍼상에 건식 식각 기법으로 플라즈마 텍스처링을 실시할 때 플라즈마 이온의 밀도와 균일성을 높이고 이온 에너지를 적절히 제어하여 솔라 소자의 제조 효율 및 품질이 향상되도록 한 플라즈마 텍스처링 반응 장치에 관한 것이다.

태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 광전소자로서 화석에너지 사용으로 인한 환경오염, 고유가 문제 등을 해소할 수 있는 청정 에너지원으로 자리매김하고 있다.

근래 들어, 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있는데, 그 일환으로써 태양전지 표면에서의 광반사량을 줄여 태양전지 내부로 유효광의 흡수량이 증가되도록 하기 위하여, 태양전지 웨이퍼 상에 습식 화학 식각에 의한 표면 텍스처링(Wet chemical texturing)을 실시한다. 이에 의해 태양전지 웨이퍼의 표면상에 4~10㎛ 크기 이내의 피라미드 형상이 형성된다.

그런데, 상기와 같이 습식 화학 식각을 이용하여 표면 텍스처링을 실시하는 경우 태양전지 웨이퍼의 양쪽 면이 모두 식각된다. 일반적으로, 태양전지 웨이퍼의 두께는 대략적으로 200㎛ 이상이 요구되는데, 두께가 200㎛ 이하인 울트라 신 웨이퍼(Ultra thin wafer)(200㎛ 이하의 태양전지 웨이퍼)를 대상으로 상기와 같이 습식 화학 식각으로 표면 텍스처링을 실시하는 경우 상기 설명에서와 같이 양쪽 면의 식각에 의해 파손(wafer breakage)될 수 있으므로 적용하는데 어려움이 따른다.

이와 같은 이유로 인하여 습식 화학 텍스처링의 대안으로써 플라즈마 텍스처링(Plasma texturing)이 주목을 받고 있다.

잘 알려진 바와 같이, 플라즈마는 제 4의 물질 상태로 기체의 일부가 전리된 가스를 의미한다. 이러한 플라즈마는 전기적으로 중성이나 양성과 음성으로 하전된 입자에 의해 전도도를 띄고 전자장에 민감한 반응을 보인다. 따라서 플라즈마에 인가되는 전자장을 제어하는 것을 솔라 셀 텍스처링(Solar cell texturing) 공정에 적용할 수 있다.

플라즈마 반응 장치는 안테나와 유전체 윈도우에 따라 솔레노이드 방식(solenoid type), 평면 방식(Planar type) 및 돔 방식(Dome type)으로 분류할 수 있다. 상기 솔레노이드 방식은 인덕턴스 값이 상대적으로 커서 고전압에 의한 스퍼터링 문제가 발생하여 효율 측면에서 떨어지고, 평면 방식은 플라즈마 소스와 웨이퍼와의 거리가 짧아 웨이퍼의 표면에 도달하는 이온 에너지를 독립적으로 조절하는데 어려움이 있고, 돔 방식은 기판이 대면적화 되면서 균일한 식각율을 확보하는데 문제점이 있다.

또한, 기존의 유도 결합 플라즈마(Planar Inductively Coupled Plasma) 시스템은 반도체 웨이퍼가 원형인 것에 대응하여 원통형 안테나 코일을 구비하였으나, 태양전지용 웨이퍼는 직사각형(rectangular) 혹은 정사각형(square)의 형태를 가지므로 기존의 플라즈마 반응장치를 이용하는 경우 웨이퍼 전체에 대하여 균일한 식각율을 확보하는데 어려움이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 태양전지용 웨이퍼상에 건식 식각에 의한 플라즈마 텍스처링을 실시할 때 사각(square) 형상의 안테나 코일을 이용하여 플라즈마 이온의 밀도와 균일성을 높이고 이온 에너지를 적절히 제어할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 목적들은 앞에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

유전체 윈도우와 챔버몸체로 이루어져 텍스쳐링 대상의 태양전지용 웨이퍼가 수용되는 챔버;
상기 유전체 윈도우의 외측 상부에 설치되어 플라즈마를 형성하기 위한 자계를 발생하는 다각형 구조의 안테나 코일;
상기 챔버의 하부전극에 공정특성에 상응되는 고주파 전력을 공급하는 고주파 하부파워 공급부 및,

삭제

상기 다각형의 안테나 코일에 고주파 전력을 공급하는 고주파 소스파워 공급부를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

본 발명은 태양전지의 제조공정상에서 건식 식각 방식으로 울트라 신 웨이퍼 표면을 텍스처링할 때 다각형 형태의 안테나 코일을 이용하여 자계를 발생함으로써, 웨이퍼의 중심부에서 외각부에 걸쳐 식각 균일도가 향상되어 태양전지의 반사율이 줄어들고, 이에 의해 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 텍스처링 반응 장치의 실시예를 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 의해 다각형 형상으로 제조된 안테나 코일의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 개략도.
도 5 내지 도 7의 (a)-(d)는 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 평면도.
도 8은 본 발명의 고주파 소스파워 공급부에 대한 다른 실시예의 블록도.
도 9는 본 발명에 의한 플라즈마 텍스처링 반응 장치를 사용하는 경우 태양전지용 웨이퍼의 반사율에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 발명에 의한 플라즈마 텍스처링 반응 장치를 사용하는 경우 태양전지용 웨이퍼의 균일도를 나타낸 그래프.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 텍스처링 반응 장치의 실시예를 나타낸 블록도로서 이에 도시한 바와 같이,

유전체 윈도우(103A)와 챔버몸체(103B)로 이루어져 텍스처링 대상의 태양전지용 웨이퍼(solar wafer)(102)가 수용되는 챔버(103);
상기 유전체 윈도우(103A)의 외측 상부에 설치되어 플라즈마를 형성하기 위한 자계를 발생하는 다각형 형상의 안테나 코일(Induction coil)(104);

상기 챔버(103)의 하부전극(101)에 공정특성에 상응되는 고주파 전력을 공급하는 고주파 하부파워 공급부(108) 및,

상기 안테나 코일(104)에 고주파 전력을 공급하는 고주파 소스파워 공급부(111)를 구비하여 구성된다. 여기서, 미설명부호 '105'는 프로세스 모듈이다.

고주파 하부파워 공급부(108)의 고주파 전력 발생기(106)에서 생성되는 고주파 전력이 고주파 매칭부(107)를 통해 텍스처링 대상의 태양전지용 웨이퍼(102)가 놓여진 하부전극(cathod)(101)에 공급되는데, 이에 의해 그 하부전극(101)이 음전위 상태로 유지되고 이온 에너지의 세기와 이온 밀도(ion density)가 결정된다.

이와 동시에, 상기 고주파 소스파워 공급부(111)의 고주파 전력 발생기(109)에서 생성되는 고주파 전력이 고주파 매칭부(110)를 통해 상기 태양전지용 웨이퍼(102)의 상부에 설치된 안테나 코일(104)에 공급된다. 상기 안테나 코일(104)은 특정 방식의 안테나코일로 한정되지 않지만 본 발명의 실시예에서는 유도 결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 방식의 안테나 코일인 것으로 하여 설명한다.

이에 따라, 상기 안테나 코일(104)에 공급되는 고주파 전류에 의해 그 안테나 코일(104)의 주변에 수직 방향의 자계가 형성된다. 상기와 같이 형성되는 자계에 의해 플라즈마 내부에 수평 방향으로 전계가 형성되고, 이 전계에 따라 전자들이 가속된다. 상기 가속된 전자는 침투 깊이(skin depth)를 통과하여 전자장으로부터 에너지를 얻어 플라즈마 내로 유입되어 가속 입자와 충돌된다. 이에 의해, 챔버(103)에 유입된 가스가 이온화되어 고밀도의 플라즈마가 형성된다.

그런데, 상기 안테나 코일(104)은 직사각형(rectangular) 형태의 태양전지용 웨이퍼(102) 전체에 대하여 균일한 식각율을 확보할 수 있도록 하기 위하여 다각형(예: 직사각형 혹은 정사각형)의 형상으로 구현하였다.

도 2는 상기와 같은 형상으로 제조된 안테나 코일의 실시예를 나타낸 개략도로서 코일이 직사각형의 형상으로 3회 권취된 구조의 예를 나타낸 것이다. 도 1에서의 안테나 코일(104)은 상기 도 2의 안테나 코일(104)의 A-A'선의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 평면도로서, 균일성(uniformity)을 증가시키기 위해 코일을 방사형으로 권취한 구조를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 개략도로서, 이온 에너지, 이온 밀도를 균일하게 하기 위한 다중 안테나 코일의 구조를 나타낸 것이다. 상기 다중 안테나 코일은 동일한 형상(예: 사각형)으로 된 두 그룹의 안테나 코일(401A),(401B)이 병렬접속된 형태로 구성된다. 그리고, 상기 두 그룹의 안테나 코일(401A),(401B)의 전류 방향은 동일하다. 상기 그룹의 수는 두 그룹으로 한정되는 것이 아니라 필요에 따라 더 많은 그룹으로 할 수 있다.

실험결과, 한 그룹 내의 안테나 코일 예를 들어, 안테나 코일(401A)에서 좌우 권선 간의 반경 'r'과 두 그룹의 안테나 코일(401A),(401B) 간의 간격 'd'의 비율이 '1'일 때 식각율의 균일도(uniformity)가 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 상기 두 그룹의 안테나 코일(401A),(401B)에서의 상기 반경과 내부간격은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.

그러나, 상기 두 그룹의 안테나 코일(401A),(401B)의 사이에 텍스처링 대상의 태양전지용 웨이퍼(102)를 장착하는데 어려움이 있다. 이를 감안하여, 상기 도 1에서와 같이 챔버(103) 내의 하부전극(101) 위에 태양전지용 웨이퍼(102)를 장착하고, 그의 상부에 상기 도 4와 같이 제조된 다중 안테나 코일을 설치하되, 상기 두 그룹의 안테나 코일(401A),(401B) 간의 간격 'd'를 적절히 조절하여 이온 밀도 및 에너지 분포가 균일하게 되도록 하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 평면도로서, 한 번에 여러 장의 태양전지용 웨이퍼를 동시에 텍스처링할 수 있도록 설계된 배치 타입(batch type)의 구조를 나타낸 것이다. 매트릭스 형태로 배열된 각각의 안테나 코일(501)은 하부전극(101)의 상부에 배열된 각각의 태양전지용 웨이퍼(102)에 대응하여 독립적으로 상기와 같이 자계를 발생하므로 동시에 텍스처링을 수행할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 평면도로서, 한 번에 여러 장의 태양전지용 웨이퍼를 동시에 텍스처링할 수 있도록 설계된 또 다른 배치 타입의 구조를 나타낸 것이다. 상기 배치 타입의 안테나 코일은 수평 방향으로 배열된 다수의 코일(601)과, 상기 코일(601)의 하부(또는 상부에서) 수직 방향으로 배열된 다수의 코일(602)로 구성된다. 여기서, 좌,우 코일 간의 간격 'd'와 상,하 코일 간의 높이 'h'(도면에 미표시)를 조절하여, 각 웨이퍼의 이온 밀도 및 이온 에너지를 개별적으로 제어할 수 있고, 한 번에 여러 장의 태양전지용 웨이퍼를 텍스처링할 수 있다.

도 7의 (a)-(d)는 본 발명에 따른 안테나 코일의 다른 실시예의 평면도로서, 태양전지용 웨이퍼의 대구경화(예: 300mm, 450mm)에 대응하여 플라즈마 이온밀도를 균일하게 하기 위해 내부에 안테나 코일을 추가로 배치한 구조를 나타낸 것이다.

도 7의 (a)는 사각형의 안테나 코일(701)의 내측에 원통형의 안테나 코일(702)을 추가로 배치한 구현예를 나타낸 것이다. 도 7의 (b)는 사각형의 안테나 코일(703)의 내측에 사각형의 안테나 코일(704)을 추가로 배치한 구현예를 나타낸 것이다. 도 7의 (c)는 원통형의 안테나 코일(705)의 내측에 사각형의 안테나 코일(706)을 추가로 배치한 구현예를 나타낸 것이다. 도 7의 (d)는 사각형의 안테나 코일(707)의 내측에 사각형의 안테나 코일(708)을 추가로 배치하고, 다시 그 사각형의 안테나 코일(708)의 내측에 사각형의 안테나 코일(709)를 배치한 구현예를 나타낸 것이다.

이와 같은 구조의 안테나 코일을 이용하는 경우, 고주파 소스파워 공급부(111)로부터 외부에 배치된 안테나 코일에 공급되는 고주파 전력과 내부에 배치된 안테나 코일에 공급되는 고주파 전력을 전력분배기(도면에 미표시)를 이용하여 독립적으로 조절함으로써 해당 영역의 이온 밀도를 원하는 정도로 결정할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예가 상기 도 7의 (a)-(d)로 한정되는 것이 아니라, 하나의 안테나 코일의 내측 방향으로 동일 형상이나 다른 형상의 안테나 코일이 적어도 하나 이상 순차적으로 배치되는 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 8은 상기 도 1에서 고주파 소스파워 공급부(111)의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 복수개의 고주파 전력 발생기 및 고주파 매칭부(106A,107A),(106B,107B), (106C,107C)를 구비하여 이온 에너지의 세기와 밀도, 활성종 농도를 조절할 수 있도록 하였다.

이와 같은 경우, 상기 고주파 전력 발생기(106A),(106B),(106C)에서 공급되는 고주파 전력을 공정 특성에 적합하게 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 고주파 전력 발생기(106A)에서 비교적 낮은 주파수(2MHz)의 전력을 공급하고, 고주파 전력 발생기(106B)에서 비교적 높은 주파수(12.56~13.56MHz)의 전력을 공급하며, 고주파 전력 발생기(106C)에는 보다 높은 주파수(27~30MHz 또는 60MHz)의 전력을 공급한다.

상기 고주파 전력 발생기(106A),(106B),(106C)에 전력을 공급함에 있어서, 이온 에너지의 세기를 향상시키고자 하는 경우 비교적 낮은 주파수의 전력을 공급하고, 이온 에너지의 밀도를 향상시키고자 하는 경우에는 비교적 높은 주파수의 전력을 공급하는 것이 바람직하다.

그리고, 낮은 해리 영역이나 높은 해리 영역에서 상기 고주파 전력 발생기(106A),(106B),(106C)에서 공급되는 상기와 같은 고주파 전력과 고주파 전력 발생기(109)에서 공급되는 고주파 전력을 조절하여 이온 에너지의 세기와 밀도, 활성종 농도가 조절되고, 이에 의해 태양전지용 웨이퍼(102)의 높은 식각률과 넓은 균일도 및 공정 마진을 확보할 수 있게 된다.

물론, 공정의 특성에 따라 상기 복수개의 고주파 전력 발생기 및 고주파 매칭부(106A,107A),(106B,107B),(106C,107C) 중에서 원하는 고주파 전력 발생기 및 고주파 매칭부를 선택적으로 사용할 수 있다.

도 9는 본 발명에 의한 플라즈마 텍스처링 반응 장치를 사용하는 경우 태양전지용 웨이퍼의 반사율에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 일반 태양전지용 웨이퍼 (bare wafer)의 광 반사율이 300~800nm의 파장 영역에서 평균 31.54%인 것에 비하여, 본 발명이 적용된 태양전지용 웨이퍼의 광 반사율은 텍스처링 시간에 따라 감소하여 최대 1% 미만인 것을 알 수 있다.

도 10은 본 발명에 의한 플라즈마 텍스처링 반응 장치를 사용하는 경우 태양전지용 웨이퍼의 균일도(uniformity)를 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 일반 안테나 코일을 이용하여 텍스처링한 경우 센터 부분과 에지 부분의 균일도가 1% 이상 차이를 나타내는 것에 비하여, 본 발명에 의한 안테나 코일을 이용하여 텍스처링한 경우 센터 부분과 에지 부분의 균일도가 0.03% 미만인 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

101 : 하부전극
102 : 태양전지용 웨이퍼
103A : 유전체 윈도우
103B : 챔버몸체
103 : 챔버
104 : 안테나 코일
105 : 프로세스 모듈
106,109 : 고주파 전력 발생기
107,110 : 고주파 매칭부
108 : 고주파 하부파워 공급부
111 : 고주파 소스파워 공급부

Claims (11)

1. 유전체 윈도우와 챔버몸체로 이루어져 텍스처링 대상의 태양전지용 웨이퍼가 수용되는 챔버;
   상기 유전체 윈도우의 외측 상부에 설치되어 플라즈마를 형성하기 위한 자계를 발생하는 다각형 구조의 안테나 코일;
   상기 챔버의 하부전극에 공정특성에 상응되는 고주파 전력을 공급하는 고주파 하부파워 공급부 및,
   상기 다각형의 안테나 코일에 고주파 전력을 공급하는 고주파 소스파워 공급부를 구비하되,
   상기 안테나 코일은 수평 방향으로 배열된 다수의 코일과, 상기 수평방향으로 배열된 코일의 하부 또는 상부에 수직 방향으로 배열된 다수의 코일에 의해 배치 타입으로 구성된 안테나 코일인 것을 특징으로 하는 플라즈마 텍스처링 반응 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서, 고주파 하부파워 공급부는 복수개의 고주파 전력 발생기 및 고주파 매칭부를 구비하여 이온 에너지의 세기와 밀도, 활성종 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 텍스처링 반응 장치.
    
11. 제10항에 있어서, 복수개의 고주파 전력 발생기는 서로 동일한 주파수 또는 상이한 주파수의 고주파 전력을 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 텍스처링 반응 장치.

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