KR101284760B1 - 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 챔버; 상기 챔버의 내부에 배치되고, 제1 유닛 및 상기 제1 유닛과 체결되는 제2 유닛으로 구성되며, 온도 조절이 가능한 상기 제1 유닛 및 제2 유닛의 체결에 의해 밀폐 공간이 형성되어 열처리 공정이 수행되는 밀폐형 트레이; 상기 밀폐형 트레이와 연결되는 제1 가스공급유로; 상기 챔버의 외부에 배치되고, 상기 제1 가스공급유로를 통해 상기 밀폐형 트레이로 제1 가스를 공급하는 제1 가스공급장치; 및 상기 챔버의 외부에 배치되고, 시료를 증발시켜 상기 제1 가스공급유로를 통해 상기 밀폐형 트레이로 제공하는 시료증발원;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 챔버 내에 밀폐형 트레이를 더 구비하고, 상기 밀폐형 트레이로 제1 가스 및 증발된 시료를 공급함으로써, 실제 공정이 처리되는 공간이 넓지 않아 상기 시료의 소모량을 최소화할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법으로서, 더욱 구체적으로는 태양전지의 광흡수층을 제조하기 위하여 Cu, In, Ga 증착 후 셀렌화(Selenization) 또는 황화공정을 진행함에 있어서, 챔버 안에 밀폐 공간을 형성하는 밀폐형 트레이를 구비하고, 상기 밀폐형 트레이는 노즐을 이용하여 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 균일하게 증착시킬 수 있는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환하는 반도체 소자이다. 이러한 태양 전지의 기술은 대면적화, 저가화, 고효율화를 지향하고 있다. 일반적으로 태양 전지는 에너지 전환 효율과 제조 비용에 따라 3 단계로 구별하고 있다. 즉, 결정형 Si 태양전지를 1세대, Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 및 박막형 반도체 태양 전지를 2세대, 그리고 유기 및 나노 반도체 소재를 이용한 것을 3세대로 분류한다. 결정형 Si 태양전지는 효율이 높은 반면, 실리콘 웨이퍼의 공급 부족 현상으로 인하여 소재가 비싸고 공정 비용이 많이 들뿐만 아니라 향후 추가적인 비용절감을 기대하기 어렵다는 것이 큰 단점으로 지적되고 있다. 이러한 이유로 인하여, 기술 개발에 의한 추가적인 저가격화가 가능할 것으로 예상되는 차세대 박막형 태양전지에 관심이 쏠리고 있다.
한편, 박막형 태양전지는 실리콘 태양 전지에 비하여 에너지 회수 기간이 반으로 짧고 초박막화 및 대면적화가 가능하기 때문에 추가적인 재료 절감과 롤투롤(roll-to-roll) 생산 기술의 개발 등으로 혁신적인 생산 비용 절감이 가능할 것으로 전망되고 있다. 특히, 박막형 태양전지 중 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 4원소 화합물 반도체인 CIGS(CuInGaSe2) 태양전지는 셀 효율이 약 20%로서 다결정 실리콘 태양전지와 거의 유사한 고효율을 보여주고 있을 뿐만 아니라, 저가로 구현할 수 있다는 장점이 있다.
전술한 CIGS 태양 전지의 CIGS 박막을 제조하는 방법으로는 동시 증발법(Co-evaporation)과 프리커서(precursor)의 증착 후 열처리하는 2단계 공정법(two-step process)의 두가지가 대표적인 공정이 알려져 있다. 동시 증발법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 열 증발원(thermal evaporator)을 이용하여 동시에 증발시켜 고온 기판에 박막을 형성하는 방법이다. 하지만, 이러한 증발원은 주로 점원(point source)이기 때문에 넓은 대면적 기판에 박막을 균일하게 형성하기 어렵다는 문제점뿐만 아니라, 원소들 간의 오염 문제, 원소의 소모량이 많다는 문제점들이 있다.
2단계 공정법은 스퍼터링에 의한 프리커서 증착과 화학조성을 완성하기 위한 급속 열처리 공정을 이용하는 것이다. 2단계 공정법을 단계적으로 설명하면, 먼저 단위 원소인 구리, 인듐, 갈륨 또는 셀레늄이 스퍼터링 증착에 의하여 순차적으로 기판 위에 프리커서 박막으로 형성된다. 다음, CIGS의 조성을 맞추기 위하여 고온전기로 하이드라이드 가스(H2Se, H2S) 분위기에서 400~600℃로 열처리를 하는데, 이때 사용되는 소재에 따라 셀렌화(Selenization) 또는 황화(Sulfurization)라 불린다. 이 방법은 동시 증발법에 비하여 박막의 균일성이 좋고 소재의 활용도도 높일 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 셀레늄(Se)은 녹는점(Melting point)이 낮고 증기압(Vapor pressure)이 높기 때문에, 합금화가 어렵다는 특성을 갖는다. 또한, 셀레늄은 스퍼터링 시에 아크(Arc)가 발생하여 스퍼터링이 용이하지 않다는 문제점이 있다. 또한, 전술한 셀렌화 공정은, 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se) 기체를 흘려주면서 기판에 온도를 가하는 공정을 거쳐, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se) 원소의 당량비를 유지하는 CIGS 화합물을 만든다. 그러나 공정을 위하여 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se)를 사용함에 따라 안정성의 문제에 의해 안전설비를 갖추기 위해 엄청난 양의 시설비가 전제되어야 하기 때문에 CIGS 광흡수층의 단가가 상승하는 단점이 있다.
한편, 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(GuGa)의 금속합금 및 셀레나이드 화합물을 진공스퍼터링 방법을 통해 전구체를 형성하고, 유독기체 대신 셀레늄(Se) 원소를 진공챔버에서 증발시켜 원소의 당량비를 유지하는 CIGS 화합물을 만들기도 한다. 하지만, 이러한 방법은 재료별 스퍼터율이 서로 다른 특성으로 인하여 증착량이 매번 불규칙하기 때문에, 합금 타겟으로 셀레늄의 원하는 조성을 정확히 컨트롤하는 것은 현실적으로 한계가 있다. 또한, 이 경우, 열처리하기 위하여 시편의 온도를 올리기 전에 챔버 내부를 셀렌 분위기로 만들어야 하는데, 챔버의 온도를 올림과 동시에 셀렌 분위기를 만들기 위한 타이밍을 정확하게 파악하기도 쉽지 않다. 만약, 셀렌 분위기가 형성된 상태에서 시편의 온도를 올리지 않으면, 진공 중의 셀렌 기체가 옵서버층인 광흡수층 위에 증착될 우려가 있다. 또한, 셀레늄을 증착하고, 다시 셀렌화 공정을 거쳐야 하기 때문에 공정이 번거로워 양산 시스템에 적용이 어려울 뿐만 아니라, 균일한 대면적 대응이 어렵다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 챔버 안에 별도의 밀폐형 트레이를 구비하고, 상기 밀폐형 트레이에 구비된 노즐을 이용하여 셀레늄의 휘발 및 유출을 막고, 셀레늄 또는 황을 균일하게 증착할 수 있는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 셀레늄 증착과 셀렌화가 단일 챔버에서 진행될 수 있는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 고속 열처리 시스템에 있어서, 챔버; 상기 챔버의 내부에 배치되고, 제1 유닛 및 상기 제1 유닛과 체결되는 제2 유닛으로 구성되며, 온도 조절이 가능한 상기 제1 유닛 및 제2 유닛의 체결에 의해 밀폐 공간이 형성되어 열처리 공정이 수행되는 밀폐형 트레이; 상기 밀폐형 트레이와 연결되는 제1 가스공급유로; 상기 챔버의 외부에 배치되고, 상기 제1 가스공급유로를 통해 상기 밀폐형 트레이로 제1 가스를 공급하는 제1 가스공급장치; 및 상기 챔버의 외부에 배치되고, 시료를 증발시켜 상기 제1 가스공급유로를 통해 상기 밀폐형 트레이로 제공하는 시료증발원;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 제1 유닛은 상기 제2 유닛과 체결되는 제1 유닛 본체; 상기 제1 유닛 본체에 장착된 제1 열원; 상기 제1 유닛본체에 배치되되 상기 제2 유닛과 마주보는 제1 면에 배치되고, 상기 제1 가스공급유로와 연결되며 다수 개의 분사구가 형성되어 있는 노즐; 및 상기 제1 열원으로부터 발생되는 열을 상기 노즐로 전달하기 위한 윈도우;을 구비하고, 상기 제2 유닛은 상기 제1 유닛과 체결되는 제2 유닛 본체; 상기 제2 유닛 본체에 장착된 제2 열원; 상기 제1 면과 마주보는 제2 유닛 본체의 제2 면에 연결되어 기판을 안착시키는 기판 안착부;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 제1 유닛은 상기 챔버 상부에 고정 배치되는 고정 유닛이며, 상기 제2 유닛은 상기 제1 유닛의 하부에 배치되며, 이동이 가능한 이동 유닛인 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 제1 유닛의 노즐은 상기 다수 개의 분사구가 일정 간격으로 배치되어 있어, 상기 기판으로 상기 제1 가스 및 증발된 시료를 균일하게 분사하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 밀폐형 트레이의 제1 유닛 및 제2 유닛 중 하나 또는 전부의 이동을 조절하는 이동조절수단을 더 구비하고, 상기 밀폐형 트레이는 상기 이동조절수단에 의해 상기 제1 유닛과 제2 유닛의 이격 간격이 조절되어 체결되거나 분리되되, 상기 밀폐형 트레이가 체결되는 경우, 완전 밀폐되거나 미세 공극을 유지하면서 체결되는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 제1 유닛 및 제2 유닛은 체결 부분이 서로 맞물리는 요철 모양으로 형성되는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 제1 가스는 H2Se 및 H2S 중 적어도 하나를 포함하는 가스이며, 상기 시료는 셀레늄(Se) 및 황(S) 중 어느 하나인 시료이고, 상기 시스템은 상기 밀폐형 트레이에 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나 이상이 증착된 기판을 안착시키고, 상기 제1 가스 및 시료를 제공하여 상기 기판을 셀렌화시키는 것을 특징으로 한다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 제1 가스공급유로는 내부에 제 3열원을 구비하여, 상기 제1 가스 및 시료가 상기 제1 가스공급유로로 진행하는 동안 열을 지속적으로 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 제1 유닛은 상기 제1 가스공급유로와 연결되는 부분에 제4 열원을 더 구비하여, 상기 제1 가스공급유로에 열을 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 제1 유닛의 제1 면과 수직되는 양 측벽과 챔버의 내벽 사이에 배치되어, 상기 양 측벽과 챔버의 내벽 사이에 형성되는 공간을 챔버 내부와 분리시키는 입자 필터(particle filter)를 더 구비하고, 상기 입자 필터는 상기 증발된 시료 입자의 침투를 막아 제1 열원을 보호하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 입자필터는 상기 입자 필터 내부에 장착되는 제5 열원을 구비하며, 상기 제5 열원은 쉬쓰 히터(sheath heater)인 것이 바람직하다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징은, 챔버, 상기 챔버의 내부에 배치되며 온도 조절이 가능한 제1 유닛 및 제2 유닛을 포함하는 밀폐형 트레이, 상기 챔버의 외부에 배치되고 상기 제1 유닛과 제1 가스공급유로를 통해 연결되는 제1 가스 공급장치 및 시료증발원을 포함하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법에 있어서, (a) 제2 유닛의 기판 안착부에 기판을 안착시키는 단계; (b) 상기 챔버의 내부에 진공(vaccum)을 형성하는 단계; (c) 상기 제2 유닛을 이동시켜 밀폐형 트레이를 체결하되, 상기 제2 유닛과 제1 유닛의 체결부분에 미세 공극을 유지하면서 밀폐공간을 형성하는 단계; (d) 상기 제1 가스공급장치 및 시료증발원을 구동하고, 미세공극이 유지된 상태의 상기 밀폐형 트레이의 밀폐공간으로 제1 가스 및 증발시킨 시료를 공급하여 상기 기판에 시료를 제1 증착하는 단계; (e) 상기 제1 가스 및 시료의 공급을 중단하고, 상기 제2 유닛을 이동시켜 상기 밀폐형 트레이를 완전 밀폐하는 단계; (f) 상기 완전 밀폐된 밀폐형 트레이를 가열하여 상기 밀폐형 트레이에 남아있는 시료를 재증발시키는 단계; 및 (g) 상기 제1 가스를 재공급하여 상기 밀폐형 트레이를 제1 압력으로 유지시키는 것에 의해, 상기 재증발된 시료를 상기 기판으로 제2 증착하는 단계;를 포함한다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법에 있어서, 상기 (e) 단계는 상기 챔버 내부에 불활성 기체인 제2 가스를 공급하여 제2 압력으로 유지시키는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법에 있어서,상기 제1 압력 및 제2 압력은 1기압 이상인 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법에 있어서, 상기 제1 가스는 H2Se 및 H2S 중 적어도 하나를 포함하는 가스이며, 상기 시료는 셀레늄(Se) 및 황(S) 중 어느 하나인 시료이고, 상기 시스템은 상기 밀폐형 트레이에 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나 이상이 증착된 기판을 안착시키고, 상기 제1 가스 및 시료를 제공하여 상기 기판을 셀렌화시키는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법에 있어서, 상기 열처리 방법은 상기 (g) 단계 이후에 (f) 상기 챔버를 가열함과 동시에 펌핑(pumping)하여 잔존해있는 시료를 외부로 제거하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 챔버 내에 밀폐형 트레이를 더 구비하고, 상기 밀폐형 트레이로 제1 가스 및 증발된 시료를 공급함으로써, 실제 공정이 처리되는 공간이 넓지 않아 상기 시료의 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 밀폐형 트레이는 온도 조절이 가능한 제1 유닛과 제2 유닛으로 형성되기 때문에, 종래에 챔버의 온도 차이로 인하여 챔버에 응결되어버려 소실될 수 밖에 없었던 시료의 양을 최소로 할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 밀폐형 트레이 내에 제1 가스를 공급하여 압력을 높이는 것으로 증발된 시료를 기판으로 효과적으로 증착시킴으로써, 시료의 증착효율을 최대로 높일 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 손실되는 양을 최소로 하면서 시료에 증착시키기 때문에 잉여되는 시료로 인하여 발생되는 챔버의 오염을 최소로 할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In)이 증착된 상기 기판에 셀레늄을 증착시킨 후, 밀폐형 트레이를 가열하여 상기 기판을 셀렌화시키는 공정을 수행함으로써, 기판을 외부로 반출할 필요없이 인라인으로 공정을 수행할 수 있게 된다. 또한, 밀폐형 트레이에 미세 공극을 형성하는 것으로 제1 가스 및 증발된 시료의 균일한 흐름을 유지할 수 있어, 시료의 균일한 증착이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법은 밀폐형 트레이의 압력을 높이는 과정에서 챔버의 압력도 함께 높여주어, 밀폐형 트레이와 챔버와의 압력차를 줄여주게 된다. 따라서, 이러한 공정 단계를 통해 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 퀄츠로 형성되는 윈도우의 두께를 얇게 할 수 있어, 제1 열원으로부터 공급되는 열에너지를 효과적으로 노즐로 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템의 밀폐형 트레이를 개략적으로 도시한 단면도로서,(a)는 제1 유닛과 제2 유닛이 분리된 상태이며, (b)는 제1 유닛과 제2 유닛이 미세 공극을 유지한 상태로 체결된 상태, (c)는 제1 유닛과 제2 유닛이 완전히 체결된 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 공정 순서를 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템의 밀폐형 트레이를 개략적으로 도시한 단면도로서,(a)는 제1 유닛과 제2 유닛이 분리된 상태이며, (b)는 제1 유닛과 제2 유닛이 미세 공극을 유지한 상태로 체결된 상태, (c)는 제1 유닛과 제2 유닛이 완전히 체결된 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 공정 순서를 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템(10)은 챔버(100), 밀폐형 트레이(110), 제1 가스공급유로(190), 제1 가스공급장치(140) 및 시료 증발원(150)으로 구비되며, 이동조절수단(160), 제2 가스공급장치(170) 및 진공장치(180)을 더 구비할 수 있다.
상기 챔버(100)는 내부에 상기 밀폐형 트레이(110)가 배치되고, 상기 제2 가스공급장치(170) 및 진공장치(180)에 의해 내부 압력이 조절된다. 상기 제2 가스공급장치에 의해 공급되는 제2 가스는 불활성 기체인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템의 밀폐형 트레이를 개략적으로 도시한 단면도로서,(a)는 제1 유닛과 제2 유닛이 분리된 상태이며, (b)는 제1 유닛과 제2 유닛이 미세 공극을 유지한 상태로 체결된 상태, (c)는 제1 유닛과 제2 유닛이 완전히 체결된 상태를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 상기 밀폐형 트레이(110)는 상기 챔버(100)의 내부에 배치되고, 제1 유닛(120) 및 상기 제1 유닛(120)과 체결되는 제2 유닛(130)으로 구성된다. 상기 제1 유닛(120) 및 제2 유닛(130) 중 하나 또는 전부는 이동조절수단(160)에 의해 이격 간격이 조절되어 체결되거나 분리되며, 상기 밀폐형 트레이가 체결되는 경우, 완전 밀폐되거나 미세 공극을 유지하면서 체결이 가능하다. 본 발명에서, 상기 제1 유닛(120)은 상기 챔버(100) 상부에 고정 배치되는 고정 유닛이며, 상기 제2 유닛(130)은 상기 제1 유닛(120)의 하부에 배치되며, 이동이 가능한 이동유닛이다.
상기 제1 유닛(120) 및 제2 유닛(130)은 각각 제1 열원 및 제2 열원을 구비하여 온도 조절이 가능하며, 상기 제1 유닛(120) 및 제2 유닛(130)의 체결에 의해 밀폐 공간이 형성되어 상기 밀폐 공간에 배치되는 기판의 열처리 공정이 수행된다.
상기 제1 유닛(120)은 상기 제2 유닛과 체결되는 제1 유닛 본체(122), 상기 제1 유닛을 가열하기 위하여 상기 제1 유닛본체(122)에 장착된 제1 열원(124), 상기 제1 유닛본체(122)에 배치되되 상기 제2 유닛(130)과 마주보는 제1 면에 배치되고, 상기 제1 가스공급유로(190)와 연결되며 다수 개의 분사구가 형성되어 있는 노즐(126) 및 상기 제1 열원으로부터 발생되는 에너지를 상기 노즐로 전달하기 위한 윈도우(128)를 구비한다. 상기 제1 유닛의 노즐(126)은 상기 다수 개의 분사구가 일정 간격으로 배치되어 있어, 상기 기판으로 상기 제1 가스 및 증발된 시료를 균일하게 분사하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 유닛본체(122)는 스테인레스(SUS) 또는 알루미늄 등과 같이 금속 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 노즐(126)은 기판이 안착된 방향으로 다수 개의 분사공이 형성된 퀄츠튜브(quartz tube)로서, 할로겐 램프(Halogen lamp)와 같은 IR 램프로 구성되는 제1 열원(124)로부터 발생되는 적외선(IR)을 투과시켜, 내부의 제1 가스 및 시료를 가열할 수 있도록 한다. 마찬가지로, 윈도우(128)도 퀄츠(quartz)로 이루어져, 상기 제1 열원으로부터 방출되는 적외선(IR)이 투과되어 상기 노즐(126)로 전달되도록 한다. 여기서, 상기 제1 유닛(120)은 상기 제1 열원으로부터 발생되는 에너지를 상기 제1 면으로 반사시켜 제공하는 제1 반사판(129) 및 상기 제1 열원으로부터 외부로의 열전달을 차폐하는 제1 열차폐부(123)를 더 구비할 수 있다. 상기 제1 반사판(129)는 상기 제1 열원(124)로부터 발생되는 적외선(IR)을 반사시키기 위해 금(Au) 코팅과 같은 반사재질로 이루어지며, 상기 제1 열차폐부(123)는 상기 제1 열원으로 인하여 가열되는 상기 제1 반사판의 열이 외부로 전달되는 것을 막기 위해 방열판으로 형성되거나, 차폐막으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제2 유닛(130)은 제1 유닛과 체결되는 제2 유닛 본체(132), 상기 제2 유닛을 가열하기 위하여 상기 제2 유닛본체에 장착된 제2 열원(134), 상기 제1 면과 마주보는 제2 유닛 본체의 제2 면에 연결되어 기판을 안착시키는 기판 안착부(136)를 구비한다.
상기 제2 유닛본체(132)은 전술한 제1 유닛본체(122)와 같이 스테인레스(SUS) 또는 알루미늄 등과 같이 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 기판안착부(136)는 기판이 안착된 상태에서 인라인 공정이 수행되도록 이동가능하다. 즉, 상기 기판안착부(136)는 다른 챔버에서 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나 이상이 증착되는 공정을 수행한 후 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템에 진입하여 상기 제2 유닛본체(132)와 체결되게 된다. 이때, 상기 제2 유닛본체(132)는 이동조절수단(160)에 의해 상하이동이 가능하며, 상기 기판안착부(136)과 체결되면, 상기 제2 유닛본체(132)가 이동되는 것에 의해 상기 기판안착부(136)도 함께 상하 이동하게 된다.
또한, 상기 기판안착부(136)는 전체가 그라파이트(graphite)로 형성되거나, 각 부분에 따라 그라파이트(graphite), 퀄츠(quartz) 및 스테인레스(SUS)의 조합으로 형성될 수 있다. 상기 제2 유닛본체(132)는 내부에 장착된 제2 열원(134)으로부터 발생되는 열을 효과적으로 전달하기 위하여 그라파이트 재질로 형성되는 것이 바람직하나, 구조적인 내구성 및 원가절감을 위하여 각 부분에 따라 다양한 재질로 형성되어 조합을 이룰 수 있다. 또한, 상기 기판 안착부(136)는 상기 제1 유닛본체(122)의 노즐(126)과 마주보는 위치에 함몰부가 형성되며, 상기 함몰부에 기판이 안착되고, 밀폐형 트레이가 체결이 되는 것으로 밀폐 공간이 형성되게 된다. 또한, 할로겐 램프로 구성되는 제2 열원(134)는 열을 발생시켜 상기 기판 안착부(136)를 가열하고, 전달된 열로 인하여 기판도 가열하게 된다.
또한, 상기 제2 유닛(130)은 전술한 제1 유닛(120)과 마찬가지로, 상기 제2 열원으로부터 발생되는 에너지를 상기 제2 면으로 반사시켜 제공하는 제2 반사판(139) 및 상기 제2 열원으로부터 외부로의 열전달을 차폐하는 제2 열차폐부(133)를 더 구비할 수 있다.
한편, 도 2의 (b)를 참조하면, 상기 제1 유닛(120) 및 제2 유닛(130)은 체결 부분('A')이 서로 맞물리는 요철 모양으로 형성된다. 이러한 체결부분은 상기 제2 유닛(130)이 이동조절수단(160)에 의해 이동 거리를 조절함으로써, 공극을 유지하게 되는데, 요철 모양으로 형성되어 있어 더욱 미세한 공극을 형성할 수 있도록 한다.
또한, 도 2의 (c)를 참조하면, 상기 제1 유닛(120)과 제2 유닛(130)이 체결됨에 있어, 제2 유닛의 이동거리를 조절함으로써, 밀폐형 트레이를 완전히 밀폐시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1 가스는 H2Se 및 H2S 중 적어도 하나를 포함하는 가스이며, 상기 시료는 셀레늄(Se) 및 황(S) 중 어느 하나이다. 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In)을 증착한 후의 공정이 진행되는 시스템으로서, 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 증착하고, 셀렌화 또는 황화 공정을 인라인(in-line)으로 진행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 시스템은 태양전지의 광흡수층을 제조하기 위한 것으로서, 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나 이상이 증착된 기판을 셀렌화시키기 위한 시스템이다.
태양전지 제조에 주로 사용되는 셀레늄(Se)은 녹는점이 낮고, 증기압이 높기 때문에, 기화되기가 쉬우나 온도가 낮아지면 바로 응결이 되어버리는 특성이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 상기 시료증발원(150)으로부터 증발된 시료를 상기 밀폐형 트레이(110)로 전달하기 위해서 상기 증발된 시료가 지나가는 통로인 제1 가스공급유로(190)의 내부에 제3 열원(195)을 구비하여, 상기 시료 및 제1 가스가 상기 제1 가스공급유로로 진행하는 동안 열을 지속적으로 제공한다. 상기 제3 열원은 튜브 형태인 쉬쓰히터(sheath heater)인 것이 바람직하며, 상기 쉬쓰 히터는 상기 제1 가스공급유로(190)의 중심에 배치되되, 상기 제1 가스공급유로의 전반에 걸쳐 배치된다. 여기서, 상기 쉬쓰히터의 보호관(sheath)은 니켈 또는 니켈 합금류로 이루어져 국부적 가열에 의한 파손을 방지할 수 있다.
또한, 제1 유닛본체(122) 중 상기 제1 가스공급유로(190)가 연결되는 부분은 내구성을 높이기 위해 금속 재질인 SUS로 형성된다. 따라서, 상기 제3 열원(195)으로 가열하더라도 상기 연결되는 부분에서 열 손실이 발생할 수 있으므로, 상기 연결되는 부분에 제4 열원(125)을 더 구비하여, 상기 제1 가스공급유로에 열을 제공할 수 있다. 제4 열원(125)은 제3 열원과 마찬가지로 쉬쓰히터인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 상기 제1 유닛의 제1 열원이 증발된 시료로 인하여 오염되는 것을 막기 위해서 입자 필터(particle filter;200)를 더 구비할 수 있다. 즉, 상기 제1 유닛의 제1 면과 수직되는 양 측벽과 챔버의 내벽 사이에 상기 입자 필터(200)를 배치시켜, 상기 양 측벽과 챔버의 내벽 사이에 형성되는 공간을 챔버 내부와 분리시킴으로써, 상기 증발된 시료 입자의 침투를 막아 제1 열원을 보호하게 된다. 상기 입자필터(200)는 금속 재질의 다공성 필터인 것이 바람직하다. 또한, 상기 입자필터(200)는 제5 열원을 더 구비할 수 있으며, 상기 제5 열원은 쉬쓰 히터(sheath heater)인 것이 바람직하다. 즉, 상기 입자필터(200)이 셀레늄과 같은 시료로 오염되면, 제5 열원을 통해 가열과 동시에 상기 챔버의 진공장치를 구동하여 펌핑하는 것으로 상기 셀레늄을 외부로 방출할 수 있다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 챔버 내에 밀폐형 트레이를 더 구비하고, 상기 밀폐형 트레이로 제1 가스 및 증발된 시료를 공급함으로써, 실제 공정이 처리되는 공간이 넓지 않아 상기 시료의 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 밀폐형 트레이는 온도 조절이 가능한 제1 유닛과 제2 유닛으로 형성되기 때문에, 종래에 챔버의 온도 차이로 인하여 챔버에 응결되어버려 손실될 수 밖에 없었던 시료의 양을 최소로 할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 밀폐형 트레이 내에 제1 가스로 압력을 높여 증발된 시료를 기판으로 증착시킴으로써, 시료의 증착효율을 최대로 높일 수 있다는 장점을 갖는다. 뿐만 아니라, 손실되는 양을 최소로 하면서 시료에 증착시키기 때문에 잉여되는 시료로 인하여 발생되는 챔버의 오염을 최소로 할 수 있다.
이하, 전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 공정 순서를 도시한 순서도이다. 도 3을 참조하면, 먼저, 전술한 본 발명에 따른 시스템의 밀폐형 트레이를 구성하는 제2 유닛의 기판 안착부에 기판을 안착한다(S200).
다음, 상기 챔버의 내부는 진공장치를 구동하여 진공(vaccum)을 형성한다(S205).
다음, 상기 제2 유닛을 이동시켜 밀폐형 트레이를 체결하되, 상기 제2 유닛과 제1 유닛의 체결부분에 미세 공극을 유지하면서 밀폐공간을 형성한다(S210).
다음, 상기 제1 가스공급장치 및 시료증발원을 구동하여 미세 공극이 유지된 상태의 상기 밀폐형 트레이의 밀폐공간으로 제1 가스 및 증발시킨 시료를 공급하여 상기 기판에 시료를 제1 증착한다(S220). 여기서, 상기 챔버의 내부는 진공 상태이므로, 상기 제1 가스 및 증발시킨 시료는 상기 미세 공극을 통해 챔버로 균일하게 흘러나가게 된다. 따라서, 상기 기판에 균일하게 시료를 증착시키게 된다.
다음, 상기 제1 가스 및 시료의 공급을 중단하고, 상기 제2 유닛을 이동시켜 상기 밀폐형 트레이를 완전 밀폐한다(S230). 상기 밀폐형 트레이를 가열하여 상기 완전 밀폐된 밀폐형 트레이에 남아있는 시료를 상기 기판으로 재증발시키고(S240), 상기 제1 가스를 재공급하여 상기 밀폐형 트레이를 제1 압력으로 유지시키는 것에 의해, 상기 재증발된 시료를 상기 기판으로 제2 증착하게 된다(S250). 상기 제1 압력은 1기압 이상인 것이 바람직하다.
즉, 전술한 열처리 방법은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나 이상이 증착된 상기 기판에 셀레늄을 증착시킨 후, 밀폐형 트레이를 가열하여 상기 기판을 셀렌화시키는 공정을 수행함으로써, 기판을 외부로 반출할 필요없이 인라인으로 공정을 수행할 수 있게 된다. 또한, 미세 공극을 형성하는 것으로 제1 가스 및 증발된 시료의 균일한 흐름을 유지할 수 있어, 시료의 균일한 증착이 가능하게 된다.
이후, 진공장치의 구동을 멈추고, 상기 챔버 내부에는 불활성 기체인 제2 가스를 공급하여 제2 압력을 유지함으로써, 제1 압력으로 유지되는 밀폐형 트레이와의 압력차를 줄일 수 있게 된다. 만약 챔버를 그대로 진공상태로 유지시키게 되면, 상기 밀폐형 트레이와의 압력차로 인하여 퀄츠로 형성되는 윈도우이 압력을 이기지 못하고 깨질 수 있기 때문에, 상기 챔버 내부 또한 상기 밀폐형 트레이와 동일한 압력인 제1 압력으로 유지시키는 것이다. 이러한 공정 단계를 통해 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 퀄츠인 윈도우의 두께를 얇게 할 수 있어, 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템은 전술한 공정을 진행한 후, 진공장치를 이용하여 펌핑함으로써, 챔버 내에 잔존해있는 셀레늄을 제거할 수 있다. 이때, 상기 챔버(100)는 가열수단을 더 구비하여 가열시킴으로써, 챔버 내벽에 응결된 셀레늄을 증발시켜 효과적으로 외부로 펌핑하여 제거할 수 있도록 한다.
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 여러가지의 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 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법은 반도체 제조 분야에 널리 활용될 수 있다. 특히, CGI 증착 후 셀레늄을 증착시키는 셀레나제이션 공정에 사용될 수 있다.
10 : 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템
100 : 챔버
110 : 밀폐형 트레이
120 : 제1 유닛
122 : 제1 유닛본체
123 : 제1 반사판
124 : 제1 열원
125 : 제4 열원
126 : 노즐
128 : 윈도우
129 : 제1 열차폐부
130 : 제2 유닛
132 : 제2 유닛본체
133 : 제2 반사판
134 : 제2 열원
136 : 기판안착부
139 : 제2 열차폐부
140 : 제1 가스공급장치
150 : 시료증발원
160 : 이동조절수단
170 : 제2 가스공급장치
180 : 진공장치
190 : 제1 가스공급유로
195 : 제3 열원
200 : 입자 필터
100 : 챔버
110 : 밀폐형 트레이
120 : 제1 유닛
122 : 제1 유닛본체
123 : 제1 반사판
124 : 제1 열원
125 : 제4 열원
126 : 노즐
128 : 윈도우
129 : 제1 열차폐부
130 : 제2 유닛
132 : 제2 유닛본체
133 : 제2 반사판
134 : 제2 열원
136 : 기판안착부
139 : 제2 열차폐부
140 : 제1 가스공급장치
150 : 시료증발원
160 : 이동조절수단
170 : 제2 가스공급장치
180 : 진공장치
190 : 제1 가스공급유로
195 : 제3 열원
200 : 입자 필터
Claims (16)
- 고속 열처리 시스템에 있어서,
챔버;
상기 챔버의 내부에 배치되고, 제1 유닛 및 상기 제1 유닛과 체결되는 제2 유닛으로 구성되며, 온도 조절이 가능한 상기 제1 유닛 및 제2 유닛의 체결에 의해 밀폐 공간이 형성되어 열처리 공정이 수행되는 밀폐형 트레이;
상기 밀폐형 트레이와 연결되는 제1 가스공급유로;
상기 챔버의 외부에 배치되고, 상기 제1 가스공급유로를 통해 상기 밀폐형 트레이로 제1 가스를 공급하는 제1 가스공급장치; 및
상기 챔버의 외부에 배치되고, 시료를 증발시켜 상기 제1 가스공급유로를 통해 상기 밀폐형 트레이로 제공하는 시료증발원;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 제1 유닛은
상기 제2 유닛과 체결되는 제1 유닛 본체;
상기 제1 유닛 본체에 장착된 제1 열원;
상기 제1 유닛본체에 배치되되 상기 제2 유닛과 마주보는 제1 면에 배치되고, 상기 제1 가스공급유로와 연결되며 다수 개의 분사구가 형성되어 있는 노즐; 및
상기 제1 열원으로부터 발생되는 열을 상기 노즐로 전달하기 위한 윈도우;를 구비하고,
상기 제2 유닛은
상기 제1 유닛과 체결되는 제2 유닛 본체;
상기 제2 유닛 본체에 장착된 제2 열원;
상기 제1 면과 마주보는 제2 유닛 본체의 제2 면에 연결되어 기판을 안착시키는 기판 안착부;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 제1 유닛은 상기 챔버 상부에 고정 배치되는 고정 유닛이며, 상기 제2 유닛은 상기 제1 유닛의 하부에 배치되며, 이동이 가능한 이동 유닛인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템.
- 제 2항에 있어서, 상기 제1 유닛의 노즐은
상기 다수 개의 분사구가 일정 간격으로 배치되어 있어, 상기 기판으로 상기 제1 가스 및 증발된 시료를 균일하게 분사하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 시스템은
상기 밀폐형 트레이의 제1 유닛 및 제2 유닛 중 하나 또는 전부의 이동을 조절하는 이동조절수단을 더 구비하고,
상기 밀폐형 트레이는 상기 이동조절수단에 의해 상기 제1 유닛과 제2 유닛의 이격 간격이 조절되어 체결되거나 분리되되, 상기 밀폐형 트레이가 체결되는 경우, 완전 밀폐되거나 미세 공극을 유지하면서 체결되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 5항에 있어서, 상기 제1 유닛 및 제2 유닛은
체결 부분이 서로 맞물리는 요철 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 제1 가스는
H2Se 및 H2S 중 적어도 하나를 포함하는 가스이며,
상기 시료는 셀레늄(Se) 및 황(S) 중 어느 하나인 시료이고,
상기 시스템은 상기 밀폐형 트레이에 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나 이상이 증착된 기판을 안착시키고, 상기 제1 가스 및 시료를 제공하여 상기 기판을 셀렌화시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 제1 가스공급유로는
내부에 제 3열원을 구비하여, 상기 제1 가스 및 시료가 상기 제1 가스공급유로로 진행하는 동안 열을 지속적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 제1 유닛은
상기 제1 가스공급유로와 연결되는 부분에 제4 열원을 더 구비하여, 상기 제1 가스공급유로에 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 2항에 있어서, 상기 시스템은
상기 제1 유닛의 제1 면과 수직되는 양 측벽과 챔버의 내벽 사이에 배치되어, 상기 양 측벽과 챔버의 내벽 사이에 형성되는 공간을 챔버 내부와 분리시키는 입자 필터(particle filter)를 더 구비하고,
상기 입자 필터는 상기 증발된 시료 입자의 침투를 막아 제1 열원을 보호하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 제 10항에 있어서, 상기 입자필터는
상기 입자 필터 내부에 장착되는 제5 열원을 구비하며,
상기 제5 열원은 쉬쓰 히터(sheath heater)인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템. - 챔버, 상기 챔버의 내부에 배치되며 온도 조절이 가능한 제1 유닛 및 제2 유닛을 포함하는 밀폐형 트레이, 상기 챔버의 외부에 배치되고 상기 제1 유닛과 제1 가스공급유로를 통해 연결되는 제1 가스 공급장치 및 시료증발원을 포함하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법에 있어서,
(a) 제2 유닛의 기판 안착부에 기판을 안착시키는 단계;
(b) 상기 챔버의 내부에 진공(vaccum)을 형성하는 단계;
(c) 상기 제2 유닛을 이동시켜 밀폐형 트레이를 체결하되, 상기 제2 유닛과 제1 유닛의 체결부분에 미세 공극을 유지하면서 밀폐공간을 형성하는 단계;
(d) 상기 제1 가스공급장치 및 시료증발원을 구동하고, 미세공극이 유지된 상태의 상기 밀폐형 트레이의 밀폐공간으로 제1 가스 및 증발시킨 시료를 공급하여 상기 기판에 시료를 제1 증착하는 단계;
(e) 상기 제1 가스 및 시료의 공급을 중단하고, 상기 제2 유닛을 이동시켜 상기 밀폐형 트레이를 완전 밀폐하는 단계;
(f) 상기 완전 밀폐된 밀폐형 트레이를 가열하여 상기 밀폐형 트레이에 남아있는 시료를 재증발시키는 단계; 및
(g) 상기 제1 가스를 재공급하여 상기 밀폐형 트레이를 제1 압력으로 유지시키는 것에 의해, 상기 재증발된 시료를 상기 기판으로 제2 증착하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법. - 제 12항에 있어서, 상기 (e) 단계는
상기 챔버 내부에 불활성 기체인 제2 가스를 공급하여 제2 압력으로 유지시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법. - 제 12항에 있어서, 상기 제1 압력 및 제2 압력은
1기압 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법. - 제 12항에 있어서, 상기 제1 가스는
H2Se 및 H2S 중 적어도 하나를 포함하는 가스이며,
상기 시료는 셀레늄(Se) 및 황(S) 중 어느 하나인 시료이고,
상기 시스템은 상기 밀폐형 트레이에 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In) 중 적어도 하나 이상이 증착된 기판을 안착시키고, 상기 제1 가스 및 시료를 제공하여 상기 기판을 셀렌화시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법. - 제 12항에 있어서, 상기 열처리 방법은 상기 (g) 단계 이후에
(f) 상기 챔버를 가열함과 동시에 펌핑(pumping)하여 잔존해있는 시료를 외부로 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템을 이용한 열처리 방법.
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| KR1020110122306A KR101284760B1 (ko) | 2011-11-22 | 2011-11-22 | 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020110122306A KR101284760B1 (ko) | 2011-11-22 | 2011-11-22 | 태양전지 제조용 고속 열처리 시스템 및 이를 이용한 열처리 방법 |
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2011
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