KR101390167B1 - 인버스 디핑 장치 및 이를 이용한 시료의 표면처리 방법 - Google Patents

인버스 디핑 장치 및 이를 이용한 시료의 표면처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버스 디핑(inverse-deeping) 장치와 그를 이용하여 시료에 인버스 디핑을 하기 위한 제어방법에 관한 것으로, 인버스 디핑 장치는 시료를 식각하거나 시료에 증착하기 위한 전해질을 수용하는 욕조부; 상기 욕조부의 전해질과 물리적으로 접촉하기 위한 시료가 장착될 수 있고, 시료의 위치를 상하로 조절할 수 있는 인버스 디핑부; 및 상기 시료와 전해질의 접촉을 감지하여 시료의 위치를 조절할 수 있도록 상기 인버스 디핑부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 인버스 디핑 장치 및 제어방법에 의하면; 시료의 상하 위치를 미세하게 조절하는 것과 전기적 신호를 감지하는 것으로 역방향으로 장착된 시료와 전해질의 접촉 여부를 판단할 수 있고, 시료가 전해질에 침지하는 깊이를 예측할 수 있다는 효과가 있다.

Description

인버스 디핑 장치 및 이를 이용한 시료의 표면처리 방법{INVERSE-DEEPING DEVICE AND SURFACE TREATMENT METHOD USING THE DEVICE}
본 발명은 인버스 디핑(inverse-deeping) 장치와 그를 이용하여 시료에 인버스 디핑을 하기 위한 제어방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 시료를 식각하거나 시료에 증착하기 위해 인버스 디핑을 하기 위한 장치와 이를 이용한 표면처리 방법에 관한 것이다.
실리콘 마이크로 기반의 태양전지를 제작할 때, 일정한 간격과 높이로 배열된 실리콘 마이크로와이어와 투명전극과의 오믹(ohmic) 특성을 만들기 위해서는 마이크로 와이어의 최상단에 금속을 증착을 하여야 한다. 그런데, 이렇게 금속을 증착하는 방법은 PDMS(polydimethylsiloxane) 등을 이용하는데, 희생층을 이용하여 마이크로 와이어 최상단부분만을 오픈시키고 Al2O3과 같은 패시베이션(passivation) 층을 제거한 다음, 금속을 증착시키는 기술을 이용한다.
이렇게 기존의 방법은 PDMS의 증착, 식각 및 리프트오프(lift-off)와 금속박막 증착 공정이 반복되고, 높은 공정단가의 진공증착 장비가 필요하다.
그리고 PDMS 증착과 식각, 패시베이션 층의 식각, 금속 증착 등 다양한 공정이 연속적으로 진행되어야 하고 마이크로 와이어로 구성된 기판에 오염 및 손상을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 태양전지의 효율이 떨어지는 문제도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 PDMS를 이용하여 진행하던 공정을 단순화하여 비용과 공정과정이 단순화될 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 인버스 디핑 장치는, 전해질을 수용하는 욕조부; 상기 전해질과 물리적으로 접촉하기 위한 시료가 장착될 수 있고, 시료의 위치를 상하로 조절할 수 있는 인버스 디핑부; 및 상기 시료와 전해질의 접촉을 감지하고, 상기 시료에 대한 식각 또는 증착 작업의 시작 및 종료를 위해 시료의 위치를 조절하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 인버스 디핑이라 함은, 시료가 홀더에 거꾸로 매달린 상태에서 전해질에 침지되는 특징을 표현하는 용어로 정의한다.
이때, 시료와 전해질의 접촉은 전기적인 방법으로 감지하는 것이 바람직한데 이 경우, 상기 욕조부에는 제1단자가 구비되고, 상기 인버스 디핑부에는 제2단자가 구비되며, 상기 제어부는 제1단자 및 제2단자와 전기적으로 연결되어 상기 시료와 전해질의 접촉을 감지할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 제1단자 및 제2단자로부터 전기적 신호를 수신하고, 시료의위치를 상하로 조절하기 위해 상기 인버스 디핑부를 제어한다.
또한, 상기 용기부에는 제3단자가 구비되고, 상기 제어부는 시료가 전해질이 접촉할 때 발생되는 전기신호를 수신하여 시료와 전해질의 접촉을 감지하기 위해 상기 용기부에 구비된 제3단자에 기준 전압을 제공하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 인버스 디핑부는, 시료를 장착하기 위한 홀더와, 상기 홀더에 결합되고, 상기 홀더의 위치를 상하로 조절하는 구동기를 포함하여 이루어진다. 여기서, 구동기는 미세구동기와 초미세구동기가 결합된 상태로 구성될 수도 있다. 이 경우 초미세구동기는 나노미터 단위로 상기 홀더를 이동시키며, 홀더를 이동시키기 위해 압전소자를 이용할 수 있다. 미세구동기는 마이크로 단위로 상기 홀더를 이동시키며, 전동 모터가 이용될 수 있다. 전해질과 시료의 접촉은 광학적인 방법을 통해 감지될 수 있다. 즉 시료가 전해질과 접촉하는 것을 감지하는 광학센서가 장치에 추가로 구비되고, 상기 제어부는 상기 광학센서에서 시료와 전해질의 접촉을 감지하면 시료의 위치를 조절할 수 있도록 인버스 디핑부를 제어할 수도 있다
한편, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 표면처리 방법은, 시료가 장착된 홀더와 시료를 식각하거나 시료에 증착을 하기 위한 전해질이 수용된 욕조를 준비하는 제1단계; 상기 홀더를 욕조를 향해 하강시키는 제2단계; 상기 홀더 하강에 의한 시료와 전해질의 접촉을 감지하는 제3단계; 및 상기 접촉 감지 신호에 따라 식각 또는 증착을 수행하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1단계에서의 시료는 금속산화물일 수 있으며, 특히 Al2O3 패시베이션층이 코팅된 실리콘 마이크로 와이어이고, 전해질은 Al2O3 패시베이션층을 식각하기 위한 전해질일 수 있다.
그리고 상기 제3단계에서 시료와 전해질의 접촉을 감지하면, 상기 제2단계에서의 하강을 제어하는 제3-1단계를 더 포함할 수 있다. 즉 하강을 멈추거나, 식각 또는 증착 속도에 맞춰 하강 속도를 조절한다. 또는 하강을 멈춘 뒤, 식각 진행에 따라 다시 일정 속도로 하강시킬 수 있다.
한편, 식각 공정이 끝나면 홀더를 상승시키는 제5단계, 및 전해질을 증착을 위한 전해질로 교체하는 제6단계를 더 포함하고, 전해질 교체 후, 증착을 위해 제2단계 내지 제4단계를 수행하는 방식으로, 원하는 작업을 반복 수행할 수 있다.
상기 제1단계에서의 시료는 마이크로 스케일의 지름에 나노 스케일 두께의 금속 산화물 코팅이 이루어진 나노/마이크로 와이어일 수 있다.
제3단계에서 시료와 전해질의 접촉은 광학적인 방법으로 감지될 수 있다.
홀더를 욕조를 향해 1차로 마이크로미터 단위로 하강시킴으로써 하강 시간을 줄이고, 이어 나노미터 단위로 하강시킴으로써 위치를 정밀하게 제어할 수 있다.
상기 구성을 갖춘 본 발명에 따른 인버스 디핑 장치 및 제어 방법에 의하면, 시료와 전해질의 접촉 여부를 정확하고 신속하게 판단할 수 있다. 또 시료가 전해질에 침지되는 깊이를 예측할 수 있다.
따라서 예를 들어 실리콘 마이크로 와이어 기반의 태양전지 기술에서 마이크로 와이어 최상단 부분의 금속 산화물 일부를 선택적으로 식각 할 수 있기 때문에 투명전극과 오믹 특성을 나타내기 위해 금속 박막을 선택적으로 코팅할 수 있다. 또 인버스 디핑 시스템을 이용하여 코어-쉘(core-shell) 구조의 나노/마이크로 와이어를 형성할 수 있어, 방사형(radial) 구조의 PN 접합 나노/마이크로 와이어를 제작할 수 있다. 그러므로 이를 태양전지, 광센서 등 나노 기반 광전소자 및 다이오드 소자 등에 응용할 수 있다.
더욱이, TSV(Through-Silicon-Via) 기술에서는 기판 표면에 첨가제를 선택적으로 도포할 수 있기 때문에 슈퍼 비아 필링(super via filling)에 효과적으로 사용 가능하다.
도 1은 본 발명의 인버스 디핑 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 인버스 디핑 장치에서 시료와 전해질의 접촉할 때의 전기적 신호를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 인버스 디핑 장치에서 시료가 침지되는 정도에 따라 나타나는 전기적 신호를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 표면처리 방법에 따라 실리콘 마이크로 와이어에서 Al2O3 패시베이션층을 식각하는 것으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 표면처리 방법에 따라 Al2O3 패시베이션층이 식각된 실리콘 마이크로 와이어에 금속박막을 증착하는 것을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 표면처리 방법에 따라 코어-쉘 구조의 나노/마이크로 와이어를 제조하는 것을 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 알려진 기술적 부분에 대해서는 설명을 생략하거나 압축한다.
본 발명의 인버스 디핑 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 욕조부(110), 인버스 디핑부(120), 제어부(130)를 포함하여 구성된다.
욕조부(110)에는 전해질(200)을 수용할 수 있는 공간이 구비된다. 전해질(200)은 시료(300)를 식각하거나 시료(300)에 박막 등을 증착할 때마다 다양한 조성으로 채울 수 있다.
그리고 욕조부(110)의 바닥에는 제1단자(112)가 마련된다. 이 제1단자(112)는 시료(300)가 전해질(200)과 접촉을 하는지를 감지하기 위해 구비된다. 또한, 욕조부(110)에는 제3단자(114)가 구비될 수 있다. 제3단자(114)는 제1단자(112)에서 발생되는 전기적인 신호에 대한 기준을 제공하기 위해 마련된다. 필요에 따라 제3단자(114)는 구비되지 않을 수도 있다.
인버스 디핑부(120)는 욕조의 상단에 구비되며, 기둥(121), 구동기 및 홀더(127)를 포함하여 구성된다.
기둥(121)은 구동기 및 홀더(127)를 지지하기 위해 형성된다.
구동기는 홀더(127)의 위치를 상하로 조절하기 위해 마련되고, 미세구동기(123) 및 초미세구동기(125)로 이루어진다. 구동기는 기둥(121)과 결합된 상태에서 홀더(127)와 결합되어 홀더(127)의 위치를 상하로 조절한다.
미세구동기(123)는 홀더(127)의 위치를 상하로 조절하는데, 마이크로미터 단위로 홀더(127)의 위치를 조절한다. 즉, 미세구동기(123)는 제어부((130)의 제어를 받아 마이크로미터 스케일에서 홀더(127)를 상하로 이동시킬 수 있도록 동작한다.
초미세구동기(125)는 수십나노미터 단위로 홀더(127)의 위치를 조절한다. 그렇기 때문에 욕조부(110)에 수용된 전해질(200)에 시료(300)가 접촉하여 침치되는 정도를 나노미터 단위로 조절하여 정밀한 작업이 가능하다. 초미세구동기(125)도 미세구동기(123)와 마찬가지로 제어부(130)의 제어를 통해 동작한다.
그리고 초미세구동기(125)는 압전소자 등이 이용될 수 있는데, 제어부(130)에서 인가된 전기에 의해 압전소자에 걸리는 전압에 따라 압전소자가 나노미터 단위로 동작하여 홀더(127)의 위치를 이동시킨다.
홀더(127)는 시료(300)를 장착하기 위해 구비된다. 시료(300)는 홀더(127)의 하단에 장착된다. 그리고 시료(300)가 수평을 유지할 수 있도록 하기 위해 수평을 조절할 수 있는 기능이 추가될 수 있다.
그리고 홀더(127)에는 시료(300)가 전해질(200)에 접촉될 때, 전기적인 신호를 발생시킬 수 있는 제2단자(129)가 구비된다. 제어부(130)는 미세구동기(123), 초미세구동기(125), 제1단자 내지 제3단자(112, 129, 114)에 각각 전기적으로 연결이 되어 있으며, 미세구동기(123) 및 초미세구동기(125)를 제어한다. 그리고 제1 내지 제3단자(112, 129, 114)로부터 전기 신호를 수신하여 시료(300)가 전해질(200)과 접촉하는 것을 감지할 수 있다. 또 제어부(130)는 미세구동기(123) 및 초미세구동기(125)를 구동함으로써, 시료(300)에 적용되는 공정에 따라 시료(300)가 전해질(200)에 침지되는 정도를 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이 어느 시점에 시료(300)와 전해질(200)이 접촉하였는지를 사용자가 확인할 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 시료(300)가 전해질(200)에 얼마나 침지가 되었는지도 확인 할 수 있다.
즉 도 2에서 시료(300)와 전해질(200)이 접촉하지 않은 상태에서는 OCP(open circuit potential)에 변화가 없다가, 시료(300)가 하강하여 전해질(200)과 접촉하면 OCP가 변한다. 이는 시료(300)와 전해질(200)이 접촉하지 않았을 때에는 전기적으로 단락된 상태로 인지하다가 시료(300)와 전해질(200)이 접촉하면 전해질(200)이 매질이 되어 전기 신호가 발생하는 원리가 이용된다.
이때의 전기 신호는 TPD(touch-point detection) 신호이다. 즉 시료(300)와 전해질(200)이 접촉하는 것을 인지하는 신호로서, OCP, 전류 및 전위 등이 이용될 수 있다.
만일 시료(300)로서 부도체가 이용되는 경우에는 전기적 신호가 발생될 수 없기 때문에 광학센서 등을 이용하여 시료(300)와 전해질(200)이 접촉하는 것을 감지할 수도 있다.
광학센서는 빛을 이용해서 물체의 위치를 감지한다. 이때 0.57㎛ 내지 1㎛ 정도 파장의 적외선을 이용한다. 광학센서는 발광부(light source)와 수신부(detector)가 포함되고, 발광부에서 발광된 적외선이 물체에 부딪힌 다음 반사되는 것을 수신부에서 수신한다. 수신된 적외선의 파장 및 세기의 변화량을 검출하여 물체까지의 거리를 측정한다.
즉 본 실시예에서 광학센서로서 적외선 위치 감지센서가 이용되어 전기화학적으로 측정할 수 없는 부도체 물질의 위치를 감지할 수 있다. 또 적외선 위치 감지센서뿐만 아니라, 자기장, 인덕턴스, 고주파 및 정전 용량 등을 이용하여 물체의 위치를 감지할 수도 있다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 시료(300)가 침지되는 정도에 따라 OCP 값이 변하기 때문에 그에 따라 침지 깊이를 확인할 수 있다. 구체적으로, 시료(300)가 전해질(200)에 침지되는 깊이가 깊어질수록 OCP 값이 상승하는데, 이는 침지 깊이에 따라 시료(300)와 전해질(200)이 접촉하는 면적이 많아지기 때문이다.
이상 설명한 인버스 디핑 장치(100)를 이용하여 마이크로 와이어의 최상단부를 식각하고 금속박막(330)을 증착하는 과정에 대해서 도 4 및 도 5에 도시된 도면을 참조하여 설명한다.
태양전지를 제조하는 기술 중에서 마이크로/나노 와이어를 배열하는 기술에 대해 설명한다. 즉 시료는 실리콘 마이크로 와이어(310)이고, 표면에 Al2O3 패시베이션층(320)이 도포되어 있다.
이렇게 Al2O3 패시베이션층(320)이 도포된 실리콘 마이크로 와이어(310)의 최상단을 식각하기 위해서는 미세구동기(123)와 초미세구동기(125)를 이용하여 홀더(127)를 하강시켜 홀더(127)에 장착된 실리콘 마이크로 와이어(310)의 최상단을 Al2O3 패시베이션층 식각용액(210)에 접촉시킨다.
미세구동기(123)와 초미세구동기(125)를 제어할 때, 제어부에서 전기 신호를 감지하면 미세구동기(123)와 초미세구동기(125)를 정지시켜 실리콘 마이크로 와이어(310) 최상단의 Al2O3 패시베이션층(320)을 식각할 수 있다. 이때의 Al2O3 패시베이션층 식각용액(210)은 Al2O3 패시베이션층(320)을 식각하기 위한 조성이면 된다.
그러면 도 4에 도시된 바와 같이, 실리콘 마이크로 와이어(310) 최상단만 Al2O3 패시베이션층(320)이 식각된 상태가 된다.
따라서 기존 공정에 비해 시료(300)의 손상을 줄일 수 있고, 공정 효율성을 높일 수 있다. 또 희생층을 사용하지 않고 Al2O3 패시베이션층(320)을 제거하게 된다.
이렇게 Al2O3 패시베이션층(320)이 식각된 실리콘 마이크로 와이어 최상단에 금속 박막을 증착하기 위해서는 다시 제어부에서는 미세구동기(123)와 초미세구동기(125)를 제어하여 홀더(127)를 상승시킨다. 그런 다음, 욕조부(110)의 Al2O3 패시베이션층 식각용액(210)을 금속박막(330)을 증착하기 위한 금속박막 증착 용액(220)로 교체를 하고, 미세구동기(123)와 초미세구동기(125)를 제어하여 홀더(127)를 다시 하강시킨다.
그리고 홀더(127)의 하강으로 시료(300)와 금속박막 증착 용액(220)이 접촉하면, 전기적 신호가 발생되어 제어부(130)에서는 신호를 수신하고, 그에 따라 홀더(127)가 더 이상 하강하지 않도록 미세구동기(123)와 초미세구동기(125)를 제어한다.
그럼으로써, 실리콘 마이크로 와이어(310)의 최상단에는 금속박막(330)이 증착된다. 물론, 증착 시 금속박막 증착 용액(220)의 종류와 역할에 따라 금속박막(330)의 종류가 달라질 수 있으며, 전해 증착이나 무전해 증착에 적용할 수 있다.
또 도 6에 도시된 바와 같이 코어-쉘(core-shell)의 구조를 가지는 나노/마이크로 와이어(340)를 제작할 수도 있다. 나노/마이크로 와이어(340)가 침지되는 깊이에 따라 연속적으로 증착공정을 수행하면, 도 6에 도시된 바와 같이 방사형(radial) 구조로 이중 접합을 이루는 코어-쉘 나노/마이크로 와이어(340)를 제작할 수 있다.
그 과정을 살펴보면, 홀더(127)에 나노/마이크로 와이어(340)를 장착하고 욕조부(110)에 제1증착용액을 수용한 상태에서 제어부에서 미세구동기(123)와 초미세구동기(125)를 이용하여 제1증착용액에 나노/마이크로 와이어(340)를 하강시켜 침지시킨다. 나노/마이크로 와이어(340)가 제1증착용액에 접촉하면 전기신호가 발생되고, 발생된 전기신호에 따라 나노/마이크로 와이어(340)가 제1증착용액에 침지되는 정도를 제어한다.
이렇게 나노/마이크로 와이어(340)에 1차적으로 제1증착층(350)이 증착이 이루어지면, 나노/마이크로 와이어(340)를 상승시키고, 욕조부(110)의 용액(230)을 제2증착용액으로 교체한다. 그리고 다시 나노/마이크로 와이어(340)를 하강시켜 침지시키고, 발생되는 전기신호에 따라 나노/마이크로 와이어(340)의 침지정도를 제어하여, 2차적으로 제2증착층(360)의 증착으로 마무리하여, 코어-쉘 구조의 나노/마이크로 와이어(340)를 제작한다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌다. 하지만 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명한 것일 뿐이며, 본 발명의 청구범위는 상기 실시예에만 국한되는 것이 아니라 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 인버스 디핑 장치 110: 욕조부
112: 제1단자 114: 제3단자
120: 인버스 디핑부 121: 기둥
123: 미세구동기 125: 초미세구동기
126: 홀더 129: 제2단자
130: 제어부 200: 전해질
210: Al2O3 패시베이션층 식각용액 220: 금속박막 증착 용액
230: 용액 300: 시료
310: 실리콘 마이크로 와이어 320: Al2O3 패시베이션층
330: 금속박막 340: 나노/마이크로 와이어
350: 제1증착층 360: 제2증착층

Claims (14)

  1. 전해질을 수용하며 제1단자를 구비하는 욕조부;
    상기 전해질과 물리적으로 접촉하기 위한 시료가 장착될 수 있고, 시료의 위치를 상하로 조절할 수 있는 구동기 및 제2단자를 구비하는 인버스 디핑부; 및
    상기 제1단자 및 제2단자와 전기적으로 연결되어 상기 시료와 전해질의 접촉 여부 및 시료가 전해질에 침지된 깊이를 감지하고, 상기 시료에 대한 식각 또는 증착 작업의 시작 및 종료를 위해 시료의 위치를 조절하기 위한 구동기를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 시료와 전해질이 접촉하면 전해질이 매질이 되어 발생하는 전기 신호에 의해, 상기 시료와 전해질의 접촉 여부 및 시료가 전해질에 침지된 깊이를 감지하는 것을 특징으로 하는 인버스 디핑 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부와 전기적으로 연결되는 제3단자가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 인버스 디핑 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 시료를 식각하거나 시료에 증착을 하기 위한 전해질이 수용되고 제1단자가 구비된 욕조부; 시료가 장착된 홀더 및 제2단자를 구비하는 인버스 디핑부; 및, 상기 제1단자 및 제2단자와 전기적으로 연결된 제어부를 준비하는 제1단계;
    상기 홀더를 욕조를 향해 하강시키는 제2단계;
    상기 제어부가 홀더 하강에 의한 시료와 전해질의 접촉을 감지하고, 시료가 전해질에 침지된 깊이를 감지하는 제3단계; 및
    상기 접촉 감지 신호에 따라 식각 또는 증착을 수행하는 제4단계를 포함하고,
    상기 3단계에서, 상기 시료와 전해질이 접촉하면 전해질이 매질이 되어 발생하는 전기 신호에 의해, 상기 시료와 전해질의 접촉 여부 및 시료가 전해질에 침지된 깊이를 감지하는 것을 특징으로 하는 시료의 표면처리 방법.
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