KR101403479B1 - 화합물 반도체의 제조장치 및 이를 이용한 화합물 반도체의 제조방법 - Google Patents

화합물 반도체의 제조장치 및 이를 이용한 화합물 반도체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화합물 반도체의 제조장치 및 이를 이용한 화합물 반도체의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 증발원이 가열되지 않는 가열 대기영역 및 증발원이 가열될 수 있는 가열영역을 포함하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 구비되되, 1종 이상의 VIA족 원소를 포함하는 증발원이 담지되는 증발원 담지부; 상기 반응 챔버 내에서 상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, IB, IIB, IIIA, VA 및 IVA족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 시편이 표면에 형성된 기판; 상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, 상기 대기영역은 가열하지 않고, 상기 기판을 가열할 수 있도록 상기 가열영역으로 구비되는 가열부; 상기 증발원 담지부에 연결되어 상기 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송할 수 있는 이송장치; 상기 반응 챔버 내로 이송가스를 공급하는 이송가스 공급부; 및 상기 반응 챔버 내의 이송가스를 배출하는 이송가스 배출부;를 포함하는 화합물 반도체의 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치는 과량의 증발원을 시편과 함께 열처리하는 기존의 방법과 달리, VIA족 원소를 열처리 장치 내부에 순차적으로 그리고 지속적으로 공급함으로써 VIA족 원소의 기화 정도를 일정하게 제어할 수 있으며, 이에 따라 전구체의 균일한 반응을 유도할 수 있는 효과가 있다.

Description

화합물 반도체의 제조장치 및 이를 이용한 화합물 반도체의 제조방법{Device for preparation of compound semiconductor, and the preparation method of compound semiconductor using the same}
본 발명은 화합물 반도체의 제조장치 및 화합물 반도체의 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 효율이 높은 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양전지는 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기에너지로 변환하는 방식을 기본원리로 하며, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이때, 태양전지의 연구 초기에는 결정질 실리콘을 이용하여 태양전지를 제조하였으나, 결정질 실리콘 태양전지의 두께는 수백 μm 정도여서 효율이 떨어지고 원재료가 낭비된다는 등의 문제가 제기되어 수 μm 두께를 가진 박막 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 박막 태양전지 중 CIS계 및 CIGS계 태양전지는 화합물 반도체 태양전지로서, 실리콘 태양전지, 염료감응형 태양전지, 고분자 태양전지와 같은 다른 태양전지에 비하여 우수한 광전변환효율을 보이며 광조사 등에 의한 열화가 없어 유망한 태양전지로 인정받고 있다.
상기 화합물 반도체 태양전지의 화합물 반도체는 일반적으로 특정한 원소들의 조합으로 구성된 시편을 고온에서 열처리하여 제조되며, 열처리시 VIA족 원소를 함께 공급함으로써 다양한 화학적 조성을 갖는 반도체 소재를 합성할 수 있다. 그러나, 일반적인 열처리 방법은 유독한 H2Se나 H2S 가스를 일정량 계속 공급하여 열처리를 하며 안정성 문제 때문에 사용에 큰 어려움이 따르며 시설 투자비가 크다. 보다 간단하게는 고체인 과량의 VIA족 원소를 열처리 장치 내부에 시편과 함께 배치한 후 고온으로 가열하게 되는데, 이 경우 VIA족 원소의 공급량을 일정하게 유지하는 것이 불가능하여 화합물 반도체 내부의 VIA족 원소 조성을 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 즉 VIA족 원소가 고체상으로 존재하기 때문에 동일한 기화 공급량을 일정하게 유지시키기 어려우며 이를 극복하고자,
종래 기술에 따르면, 고체형 VIA족 원소를 활용한 열처리 시, VIA족 원소의 공급량을 일정하게 유지하고 반응성을 극대화하기 위한 용도로 상용화된 밸브 크랙커(valved cracker) 장비를 활용하고 있으나, 이와 같은 장비를 이용하여 화합물 반도체를 열처리할 경우 장비의 규모가 크고 경제적으로 많은 비용이 요구되므로 실질적으로 활용하는 것에 어려움이 크다는 문제점이 있으며 특히 소규모 R&D 연구 단계에서는 고체형 VIA족 원소를 활용한 열처리에 적용하기에는 경제적 비용 때문에 현실적으로 불가능하다.
이에 본 발명자들은 화합물 반도체를 제조하는 방법을 연구하던 중, 상기 VIA족 원소 증발원 담지부의 위치를 제어하는 이송장치를 더 포함하는 화합물 반도체를 열처리하는 장치를 제조하였으며, 이를 화합물 반도체 제조과정에 이용함으로써, 종래의 화합물 반도체 제조과정에 비해 VIA족 원소를 열처리 장치 내부에 지속적으로 공급하여 VIA족 원소의 기화 정도를 일정하게 제어할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하게 되었다.
특허문헌 1 : 대한민국등록특허 제10-1168706호 특허문헌 2 : 대한민국공개공보 제10-2012-0109022호
본 발명의 목적은 화합물 반도체의 제조장치 및 이를 이용한 화합물 반도체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
증발원이 가열되지 않는 가열 대기영역 및 증발원이 가열될 수 있는 가열영역을 포함하는 반응 챔버;
상기 반응 챔버 내에 구비되되, 1종 이상의 VIA족 원소를 포함하는 증발원이 담지되는 증발원 담지부;
상기 반응 챔버 내에서 상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, IB, IIB, IIIA, VA 및 IVA족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 시편이 표면에 형성된 기판;
상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, 상기 대기영역은 가열하지 않고, 상기 기판을 가열할 수 있도록 상기 가열영역으로 구비되는 가열부;
상기 증발원 담지부에 연결되어 상기 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열부로 이송할 수 있는 이송장치;
상기 반응 챔버 내로 이송가스를 공급하는 이송가스 공급부; 및
상기 반응 챔버 내의 이송가스를 배출하는 이송가스 배출부;를 포함하는 화합물 반도체의 제조장치를 제공된다.
또한, 본 발명은
화합물 반도체의 제조방법에 있어서,
증발원 담지부에 VIA족 원소를 증착시킬 순서에 따라 순차적으로 배치하는 단계(단계 1);
표면에 시편이 형성된 기판을 반응 챔버 내로 구비시키는 단계(단계 2);
상기 이송장치를 이용하여 상기 단계 1의 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 기판을 향하도록 이송되는 증발원 담지부를 가열하여 증발원을 기화시켜 기판 표면의 시편으로 이송하여 시편과 반응시키는 단계(단계 4);를 포함하는 화합물 반도체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치는 과량의 증발원을 시편과 함께 열처리하는 기존의 방법과 달리, VIA족 원소를 열처리 장치 내부에 순차적으로 그리고 지속적으로 공급함으로써 VIA족 원소의 기화 정도를 일정하게 제어할 수 있으며, 이에 따라 전구체와 VIA족 원소간의 균일한 반응을 유도할 수 있는 효과가 있다. 또한, 2종 이상의 VIA족 원소를 조합하여 화합물 반도체 내의 VIA족 원소 분포를 효과적으로 제어할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치가 크래킹부를 포함하는 가열영역을 구비함으로써, VIA족 원소와 전구체의 반응을 보다 정밀하고 효율적으로 유도할 수 있어 기존의 상용 밸브 크랙커(valved cracker) 장비를 활용하지 않아도 적은 비용으로도 크랙킹(cracking) 방식을 손쉽게 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체의 제조장치를 나타낸 그림이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체의 제조장치에 있어서, 복수개의 가열수단을 포함하는 가열영역을 나타낸 그림이고;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 화합물 반도체의 제조장치를 나타낸 그림이고;
도 4는 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치를 통해 제조된 Mo/CIGSSE 태양전지의 단면을 나타낸 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하며, 본 발명을 기술함에 있어서, 관련된 기술은 동종 업계와 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 충분히 제공함에 목적이 있다. 따라서 도면에서의 형상은 보다 명확한 설명을 위해 과장 또는 단순화하여 표현될 수 있다. 본 발명의 핵심을 이해하는 데 있어 불필요하다 여겨지는 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은
증발원이 가열되지 않는 가열 대기영역 및 증발원이 가열될 수 있는 가열영역을 포함하는 반응 챔버;
상기 반응 챔버 내에 구비되되, 1종 이상의 VIA족 원소를 포함하는 증발원이 담지되는 증발원 담지부;
상기 반응 챔버 내에서 상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, IB, IIB, IIIA, VA 및 IVA족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 시편이 표면에 형성된 기판;
상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, 상기 대기영역은 가열하지 않고, 상기 기판을 가열할 수 있도록 상기 가열영역으로 구비되는 가열부;
상기 증발원 담지부에 연결되어 상기 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열부로 이송할 수 있는 이송장치;
상기 반응 챔버 내로 이송가스를 공급하는 이송가스 공급부; 및
상기 반응 챔버 내의 이송가스를 배출하는 이송가스 배출부;를 포함하는 화합물 반도체의 제조장치를 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 제조장치를 도 1의 그림을 통해 개략적으로 나타내었으며, 이하 도면을 참조하며 상기 제조장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치의 일실시예를 개략적으로 나타낸 그림으로, 도 1을 참조하면, 상기 제조장치는 그 내부에서 VIA족 원소와의 반응이 수행되는 반응 챔버(10)를 포함하며, 상기 반응 챔버는 증발원이 가열을 대기하는 대기영역 및 가열되는 가열영역을 포함하며, 상기 반응 챔버(10) 내로는 1 종 이상의 VIA족 원소를 포함하는 증발원이 담지되는 증발원 담지부(20)가 구비된다.
또한, 상기 반응 챔버(10) 내로는 상기 증발원 담지부(20)와 이격되어 구비되되, IB, IIB, IIIA, VA 및 IVA족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 시편이 표면에 형성된 기판(30)이 구비된다.
아울러, 상기 증발원 담지부(20)와 이격되어 구비되되, 상기 대기영역은 가열하지 않고, 상기 기판(30)을 가열할 수 있도록 상기 가열영역으로 구비되는 가열부(40); 상기 가열부(40)으로 상기 증발원 담지부(20)를 이송할 수 있도록 상기 증발원 담지부(20)에 연결되는 이송장치가 구비되어 상기 증발원 담지부(20)를 상기 대기영역에서 상기 가열부(40)로 이송함으로써 증발원을 증발시킬 수 있다.
나아가, 상기 반응 챔버(10)의 일 단면, 예를 들어 일 측면부로는 상기 반응 챔버(10) 내로 이송가스를 공급하여 증발된 증발원을 상기 기판(30)으로 이송할 수 있는 이송가스 공급부(60)가 구비되며, 상기 반응 챔버(10)의 타 단면, 예를 들어 상기 이송가스 공급부(60)가 구비되지 않은 타 측면부로는 상기 반응 챔버(10) 내의 이송가스가 배출될 수 있는 이송가스 배출부(70)가 구비되어 이송가스 공급부(60)로부터 공급된 이송가스가 반응 챔버(10) 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 화합물 반도체의 제조장치에 있어서, 상기 증발원 담지부(20)에 담지되는 증발원은 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 VIA족 원소로서, 상기 증발원들은 가열부(40)를 통과하며 증발됨으로써 이송가스에 의해 상기 기판(30)으로 이송되어 기판 표면과 반응한다.
이때, 상기 증발원 담지부(20)는 이송가스 공급부(60)로부터 공급된 이송가스가 유출되는 방향에 대하여 평행하거나, 또는 이송가스가 유출되는 방향을 향하여 기울어져 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 증발원 담지부(20)에 담지된 증발원이 기판(30)으로 이송되는 것이 더욱 용이하도록 하기 위한 것으로, 상기 증발원 담지부(20)가 기울어져 있는 각도는 특별히 제한되는 것은 아니다. 이는 특히 상기 증발원 중 가열영역에 진입한 증발원이 액상으로 변할 수 있어 액상으로 변한 증발원이 이송 방향 반대편으로 넘쳐 흐를 우려가 있기 때문이다.
또한, 상기 증발원 담지부(20)에 담지된 1종 이상의 VIA족 원소들은 기화될 순서에 따라 상기 증발원 담지부(20)에 순차적으로 배치될 수 있다.
즉, 상기 증발원 담지부(20)는 이송장치(50)에 의해 기판(30) 방향으로 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송되며, 이에 따라 상기 가열부(40)에 의해 증발원이 증발된다. 이때, 상기 증발원들이 증착될 순서에 따라 배치됨에 따라 먼저 증착될 증발원이 가열영역에 의해 우선순위로 가열되어 증발되고, 나중에 증착될 증발원은 가열영역에 의해 나중 순위로 가열되어 증발되게 된다. 따라서, 상기 증발원들의 배치는 먼저 증착될 증발원이 가열영역에 더욱 가깝도록 배치되고, 증착될 순서에 따라 가열영역과 멀어지는 방향으로 배치될 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치의 다른 일 실시예를 개략적으로 나타낸 그림으로, 도 2를 참조하면, 상기 제조장치의 가열영역은 서로 상이한 온도를 나타내는 복수개의 가열수단을 포함할 수 있다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치에 있어서, 상기 가열부(40)는 복수개의 가열수단을 포함할 수 있으며, 상기 복수개의 가열수단들은 각각의 온도를 개별적으로 제어하는 것이 가능하여 상기 가열수단 각각은 서로 상이한 온도를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 상이한 온도의 가열구간을 설정할 수 있다. 이때, 상기 가열부(40)의 가열수단은 램프가열장치 또는 저항가열 장치일 수 있으나, 상기 가열수단이 이에 제한되는 것은 아니며 증발원을 가열시킬 수 있는 온도로 반응 챔버를 가열할 수 있는 가열장치들을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 가열부(40)는 바람직하게는 1 내지 5개의 가열수단을 포함할 수 있고, 상기 가열수단들은 100 내지 1000 ℃의 온도 범위 내에서 서로 상이한 온도를 나타내도록 설정될 수 있으며, 상기 가열수단들 각각의 온도는 공정 조건에 따라 적절히 변동될 수 있는 부분인 바, 각 가열수단들의 온도범위가 특별히 제한되는 것은 아니다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치의 또 다른 일실시예를 개략적으로 나타낸 그림으로, 도 3을 참조하면, 상기 제조장치의 증발원 담지부(20)는 개구부가 구비된 관형으로써, 상기 증발원 담지부(20) 내의 길이방향으로 증발원이 순차적으로 충진될 수 있다.
즉, 상기 증발원 담지부(20)는 기판 방향으로 개구부가 구비된 관형일 수 있으며, 관형의 증발원 담지부(20) 내로는 증착될 순서에 따라 증발원이 증발원 담지부(20)의 길이방향으로 순차적으로 충진될 수 있다. 이때, 상기 증발원 담지부(20) 내에 충진된 증발원들은 상이한 증발원이 될 수 있고, 상기 상이한 증발원들은 기화될 양에 따라 서로 상이한 길이로 충진될 수 있으며, 공급량이 많을수록 더욱 많은 양의 증발원들이 충진될 수 있는바, 충진되는 증발원의 양을 조절하여 기화 공급량을 용이하게 제어할 수 있다. 필요에 따라 기화된 증발원이 개구부에 도달할 필요 없이 증발원 담지부 밖으로 나갈 수 있도록, 관형의 증발원은 일정한 유격의 기화구를 추가로 가질 수 있다.
한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제조장치의 가열부(40)는 증발원 담지부(20)를 가열하여 증발원을 기화시키는 증발원 기화부(80)와, 상기 증발원 기화부(80)에서 기화된 증발원을 가열하는 크래킹부를 포함할 수 있으며, 상기 크랙킹부는 바람직하게는 800 내지 1000 ℃의 온도로 가열하여 증발원 원소를 크래킹하는 크래킹부(90)를 포함할 수 있다.
즉, 상기 증발원 기화부(80) 및 크래킹부(90)는 증발원 담지부(20)에 담지된 증발원을 정밀하게 공급함과 동시에 고온에서 높은 반응성을 부여하기 위한 것으로, 상기 증발원 기화부(80)에 의해 증발원 담지부(20) 내의 증발원이 기화되며, 기화된 증발원들은 기판(30)에 도달하기 전 상기 크래킹부(90)에 의해 600 내지 1000 ℃의 온도로 가열됨으로써 크래킹되며, 이에 따라 상기 기판(30)으로 이송되었을 때 반응성이 커 더욱 효율적으로 반응이 수행될 수 있다.
즉, 예를 들어, 저온에서 기화된 Se은 5개 이상의 원자가 뭉쳐서 기상으로 존재할 수 있다. 이때, 상기한 바와 같이 고온가열을 통해 크래킹 되는 경우 4개 이하의 원자가 뭉친 형태로 기판(30)에 도달할 수 있는바, 이로 인하여 더욱 효율적으로 기판으로의 증착이 수행될 수 있다.
이때, 상기 크래킹부(90)는 플라즈마 인가장치로도 제공할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니며, 기상으로 존재하는 증발원들을 더욱 크래킹할 수 있는 가열장치를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조장치에 있어서, 상기 이송장치(50)는 리니어 모션 이송장치 또는 자력(magnetic force) 이송장치인 것이 바람직하나, 상기 이송장치가 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 증발원 담지부(20)를 안정적으로 이송할 수 있는 적절한 장치들을 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판(30)의 표면에는 IB, IIB, IIIA, VA 및 IVA족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 시편이 표면에 형성될 수 있으며,
바람직하게는 IB족 원소로 구리 (Cu), IIB족 원소로 아연 (Zn) 또는 카드뮴(Cd), IIIA족 원소로 인듐 (In) 또는 갈륨 (Ga), VIA족 원소로 주석 (Sn), 저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si), 및 VA족 원소로 안티몬 (Sb) 또는 비스무스 (Bi)을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 시편은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 CIG 전구체 또는 구리, 아연 및 주석을 포함하는 CZT 전구체일 수 있다. 또한 경우에 따라 전구체는 O, Se, S, Te 등 VIA족 원소를 함께 포함할 수도 있다.
CIGSSe 또는 CZTSSe는 대표적인 화합물 반도체 물질들로서, 상기 시편이 CIG 전구체 또는 CZT 전구체인 경우 가열영역에 의해 가열 중에 있으므로 공급되는 VIA족 원소와 반응하여 CIGSSe 또는 CZTSSe 화합물 반도체가 형성될 수 있다.
이때, 예를 들어 상기 시편이 CIG 전구체인 경우, 가열부(40)에 의하여 상기 CIG 전구체가 공급된 황(S) 원소, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS 화합물, 또는 CIGSe 화합물을 형성할 수 있다.
아울러, 형성된 상기 CIGS 화합물, 또는 CIGSe 화합물은 증발원 담지부(20)에 담지되는 증발원(황, 셀레늄 등)의 양에 따라 그 분포를 적절히 조절할 수 있다.
한편, 상기 기판(30)은 표면에 형성된 시편이 증발원 담지부(20)를 향하도록 기울어져 있는 것이 바람직하다. 즉, 상기 기판(30)은 증발원 담지부(20)로부터 증발된 증발원이 효율적으로 될 수 있도록 상기 증발원 담지부(20)를 향하도록 기울어져 있는 것이 바람직하며, 이를 통해 황, 셀레늄 등의 증발원과 효율적으로 반응 시킬 수 있다. 이때, 상기 기판(30)가 기울어져 있는 각도는 특별히 제한되는 것은 아니다. 이는 특히 상기 증발원이 가열영역에 진입한 증발원이 액상으로 변할 수 있어 액상으로 변한 증발원이 이송 방향 반대편으로 넘쳐 흐를 우려가 있기 때문이다.
아울러, 상기 증착 챔버(10) 내의 압력은 0.1 Torr 내지 2 기압인 것이 바람직하다. 상기 압력 범위로 반응 챔버 내의 압력을 제어함으로써, 최종 형성된 박막의 반응 균일도를 높이거나 다르게는 반응 형성물의 기화나 분해를 방지할 수 있다.
또한, 상기 반응 챔버(10)는 외부의 공기가 유입되지 않도록 차단되어 있으며, 일정한 온도를 유지하기 위해 단열재가 설치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 이송가스 공급부(60)로부터 공급되는 이송가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)일 수 있으며, 상기 가스들을 혼합한 혼합가스일 수 있으나, 상기 이송가스가 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 제조장치는 증발원 담지부(20)를 이송할 수 있는 이송장치(50)를 포함함에 따라 증발원 담지부(20)에 담지된 VIA족 원소를 반응 챔버(10) 내부로 지속적으로 공급할 수 있으며, 나아가 VIA족 원소의 기화 정도를 일정하게 제어할 수 있어 기판(30)의 표면에 형성된 시편(예를 들어, CIG 전구체)과의 균일한 반응을 유도할 수 있는 효과가 있다.
이는 종래의 화합물 반도체를 형성할 때 하나의 방법으로 과량의 VIA족 원소를 열처리 장치 내부에 시편과 함께 배치한 후 고온으로 가열함으로써 제조됨에 따라, VIA족 원소의 공급량을 일정하게 유지하는 것이 불가능하고, 화합물 반도체 내부에 VIA족 원소 조성을 제어하기 어려웠던 점을 개선한 것으로, 본 발명에 따른 제조장치를 통해 CIGS, CIGSe와 같은 화합물 반도체를 더욱 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은
상기의 제조장치를 이용한 화합물 반도체의 제조방법에 있어서,
증발원 담지부에 VIA족 원소를 증착시킬 순서에 따라 순차적으로 배치하는 단계(단계 1);
표면에 시편이 형성된 기판을 반응 챔버 내로 구비시키는 단계(단계 2);
상기 이송장치를 이용하여 상기 단계 1의 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 기판을 향하도록 이송하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 기판을 향하도록 이송되는 증발원 담지부를 가열하여 증발원을 기판 표면의 시편으로 공급하는 단계(단계 4);를 포함하는 화합물 반도체의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조방법에 있어서, 단계 1은 상기 제조장치의 증발원 담지부에 VIA족 원소를 증착시킬 순서에 따라 순차적으로 배치하는 단계이다.
즉, 상기 단계 1은 이송장치가 연결된 증발원 담지부에 VIA족 원소를 순차적으로 배치되는 단계로서, 증발원 담지부에 VIA족 원소를 시킬 순서에 따라 순차적으로 배치한다. 상기 단계 1에서 배열된 순서에 따라 VIA족 원소는 이송장치에 의해 대기영역에서 가열영역으로 이송되어 증발되며, 증발된 증발원은 순차적으로 기판으로 기화되어 공급될 수 있다.
이때, 상기 증발원 담지부 내에 충진된 증발원들은 상이한 증발원이 될수 있고, 공급될 양에 따라 서로 상이한 길이로 충진될 수 있으며, 필요 공급량이 많을수록 더욱 많은 양의 증발원들이 충진될 수 있는바, 충진되는 증발원의 양을 조절하여 공급량을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조방법에 있어서, 단계 2는 표면에 시편이 형성된 기판을 반응 챔버 내로 구비시키는 단계이다.
이때, 상기 단계 2의 기판 표면에는 IB, IIB, IIIA, VA 및 IVA족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 시편이 표면에 형성될 수 있으며,
바람직하게는 IB족 원소로 구리 (Cu), IIB족 원소로 아연 (Zn) 또는 카드뮴(Cd), IIIA족 원소로 인듐 (In) 또는 갈륨 (Ga), VIA족 원소로 주석 (Sn), 저마늄(Ge), 실리콘(Si) 및 VA족 원소로 안티몬 (Sb), 비스무스 (Bi)를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 시편은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 CIG 전구체 또는 구리, 아연 및 주석을 포함하는 CZT 전구체일 수 있다.
CIGSSe 또는 CZTSSe는 대표적인 화합물 반도체 물질들로서, 상기 시편이 CIG 전구체 또는 CZT 전구체인 경우 가열영역에 의해 가열되는 동시에 공급되는 VIA족 원소와 반응하여 CIGSSe 또는 CZTSSe 화합물 반도체가 형성될 수 있다.
이때, 예를 들어 상기 시편이 CIG 전구체인 경우, 가열영역에 의하여 상기 CIG 전구체가 공급된 황(S) 원소, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS 화합물, 또는 CIGSe 화합물을 형성할 수 있다.
아울러, 형성된 상기 CIGS 화합물, 또는 CIGSe 화합물은 증발원 담지부에 담지되는 증발원(황, 셀레늄 등)의 양에 따라 그 분포를 적절히 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 이송장치를 이용하여 상기 단계 1의 증발원 담지부를 기판을 향하도록 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송하는 단계이다.
상기 이송장치를 통해 상기 단계 1의 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송함으로써, 상기 증발원 담지부에 담지된 증발원들은 가열영역에 의하여 가열되어 증발된다. 즉, 상기 증발원 담지부를 이송함에 따라 증발원들이 가열되어 증발되며, 이때, 상기 증발원들은 배치된 순서에 따라 순차적으로 가열되어 증발되는바, 증발된 순서에 따라 기판으로 공급이 순차적으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 기판을 향하도록 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송되는 증발원 담지부를 가열하여 증발원을 기판 표면의 시편으로 공급하는 단계이다.
상기 단계 3에서 기판을 향하도록 이송되는 증발원 담지부는 가열영역에 의하여 가열되어 담지된 증발원이 증발되어 기상으로 존재하게 된다. 이때, 상기 단계 4에서는 기상으로 존재하는 증발원들을 이송가스를 통해 기판으로 이송하여 기판 표면에 존재하는 시편으로 공급되어, 시편과 공급된 증발원과의 반응을 통해 최종적으로 화합물 반도체를 제조할 수 있다.
한편, 상기 제조방법을 통해 제조되는 화합물 반도체는 증발원 및 시편의 종류에 따라 다양하게 제조될 수 있으나,
바람직하게는 CuaInbGacSedSe (0 ≤ (a,b,c) ≤ 1, 0 ≤ (d, e) ≤ 2.5),
CuaZnbSncSedSe (0 ≤ (a,b,c) ≤ 1, 0 ≤ (d, e) ≤ 2.5),
SbxSy, SbxSey, CdxSy, CdxSey , ZnxSy, InxSey, GaxSey, ZnxSey, SnxSey, InaGabSec, ZnaSnbSec, GexSy, GexSey, BixSy, BixSey,InxSy, GaxSy, SnxSy 및 ZnaSnbSc (x, y, a, b, 및 c는 0 보다 크고, x에 대한 y의 비는 0.5 이상 2 이하이고, a와 b의 합에 대한 c의 비는 0.5 이상 2 이하이다)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 화합물 반도체일 수 있으며,
이성분계 화합물 반도체를 이용한 나노 구조체 기반의 코어-쉘(core-shell) 구조인 화합물 반도체를 제조할 수 있다. 일예로 코어는 Sb2Se3로 구성하고 쉘은 Sb2S3로 구성할 경우, Se 증발원을 먼저 배치하여 기화시켜 Sb나 Sb2O3로 구성된 전구체 기판에 공급하고 연속해서 S 증발원을 기화시켜 제작할 수 있다.
또한, 상기 제조방법에 따라 제조되는 화합물 반도체는 태양전지의 광흡수층으로 이용될 수 있으며, 상기 제조방법을 통해 화합물 반도체의 조성범위를 용이하게 제어하여 적절한 조성의 화합물 반도체로 제조될 수 있는바, 상기 화합물 반도체가 태양전지의 광흡수층 물질로 제한되는 것은 아니다.
즉, 일 예로서 증발원 담지부에 셀레늄 및 황 원소가 순차적으로 배치되어 있고, 기판의 시편으로는 구리, 인듐, 갈륨을 포함하는 CIG 전구체가 배치되어 있는 경우, 상기 제조방법에 의해 처음에는 셀레늄이 가열되어 CIG 전구체와 반응하게 되어 CIGSe 화합물이 형성되고, 이후 황 원소가 공급되면서 CIGS 화합물이 형성되어 도 4에 나타낸 바와 같이 최종적으로 화합물 내부에 셀레늄 및 황의 분포 차이를 갖는 화합물 반도체가 형성될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
< 실시예 1> CIGSe 및 CIGS 화합물 반도체의 제조
단계 1 : 도 1에 개시된 제조장치의 증발원 담지부로 셀레늄(Se) 및 황(S) 원소를 순차적으로 배치하였다.
단계 2 : 반응 챔버 내로 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 포함하는 CIG 전구체를 포함하는 시편이 표면에 형성된 기판을 구비시켰다. 이때, 상기 기판으로는 Mo 기판을 이용하였다.
단계 3 : 상기 단계 1의 셀레늄 및 황 원소가 순차적으로 배치된 증발원 담지부를 이송장치를 이용하여 기판 방향, 즉 대기영역에서 가열영역으로 이송하였다.
단계 4 : 상기 단계 3에서 이송된 증발원 담지부의 증발원을 가열영역을 통해 가열하여 증발시킨 후, 기상으로 존재하는 증발원들을 기판 표면의 시편과 반응시킴으로써 CIGSe 및 CIGS 화합물 반도체를 제조하였다.
< 실시예 2> CZTSSe 화합물 반도체의 제조
상기 실시예 1의 단계 2에서 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Tin)을 포함하는 CZT 전구체를 시편으로 기판에 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 CZTSSe 화합물 반도체를 제조하였다.
< 실시예 3> 코어-쉘( core - shell ) 구조의 셀렌화안티몬 -황화안티몬 제조
상기 실시예 1의 단계 2에서 삼산화안티몬(Sb2O3) 나노로드를 시편으로 기판에 형성시켜 코어-쉘(core-shell) 구조의 셀렌화안티몬-황화안티몬을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나 본 발명의 기술적 구성은 상기에 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 않으며 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능하므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 또한 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 반응 챔버
20 : 증발원 담지부
30 : 기판
31 : 몰리브덴(Mo) 막
32 : CIGSe
33 : CIGS
34 : CdS
35 : 투명전극
40 : 가열부
50 : 이송장치
60 : 이송가스 공급부
70 : 이송가스 배출부
80 : 증발원 기화부
90 : 크래킹부

Claims (19)

  1. 증발원이 가열되지 않는 가열 대기영역 및 증발원이 가열될 수 있는 가열영역을 포함하는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내에 구비되되, 1종 이상의 VIA족 원소를 포함하는 증발원이 담지되는 증발원 담지부;
    상기 반응 챔버 내에서 상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, IB, IIB, IIIA, VA 및 IVA족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 시편이 표면에 형성된 기판;
    상기 증발원 담지부와 이격되어 구비되되, 상기 대기영역은 가열하지 않고, 상기 기판을 가열할 수 있도록 상기 가열영역으로 구비되는 가열부;
    상기 증발원 담지부에 연결되어 상기 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송할 수 있는 이송장치;
    상기 반응 챔버 내로 이송가스를 공급하는 이송가스 공급부; 및
    상기 반응 챔버 내의 이송가스를 배출하는 이송가스 배출부;를 포함하며,
    상기 시편은 IB족 원소로 구리 (Cu), IIB족 원소로 아연 (Zn) 또는 카드뮴(Cd), IIIA족 원소로 인듐 (In) 또는 갈륨 (Ga), VIA족 원소로 주석 (Sn), 저마늄(Ge) 또는 실리콘(Si) 및 VA족 원소로 안티몬 (Sb) 또는 비스무스 (Bi)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증발원은 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 VIA족 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 증발원 담지부는 공급된 이송가스가 유출되는 방향에 대하여 평행하거나, 또는 이송가스가 유출되는 방향을 향하여 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 증발원 담지부로는 1종 이상의 VIA족 원소를 포함하는 상이한 증발원이 기화 공급될 순서에 따라 순차적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 증발원 담지부는 기판 쪽으로 개구부가 구비된 관형으로써, 상기 증발원 담지부 내의 길이방향으로 증발원이 순차적으로 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 증발원 담지부 내의 길이방향으로 상이한 증발원이 서로 상이한 길이로 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 이송장치는 리니어 모션 이송장치 또는 자력(magnetic force)이송장치인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 시편은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 CIG 전구체 또는 구리, 아연 및 주석을 포함하는 CZT 전구체인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판은 표면에 형성된 시편이 증발원 담지부를 향하도록 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가열영역은 서로 상이한 온도를 나타내는 복수개의 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가열수단은 램프가열장치 또는 저항가열 장치인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 가열영역은 1 내지 5개의 가열수단을 포함하고, 상기 가열수단은 100 내지 1000 ℃의 온도 범위 내에서 서로 상이한 온도를 나타내며, 각각의 가열수단은 개별적으로 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반응 챔버 내의 압력은 0.1 Torr 내지 2 기압인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 이송가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 가스인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 가열영역은
    증발원 담지부를 가열하여 증발원을 기화시키는 증발원 기화부, 및
    상기 증발원 기화부에서 기화된 증발원을 800 내지 1000 ℃의 온도로 가열하여 증발원 원소를 크래킹하는 크래킹부를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조장치.
  17. 제1항 내지 제13항, 제15항, 및 제16항 중 어느 한 항의 제조장치를 이용한 화합물 반도체의 제조방법에 있어서,
    증발원 담지부에 VIA족 원소를 시킬 순서에 따라 순차적으로 배치하는 단계(단계 1);
    표면에 시편이 형성된 기판을 반응 챔버 내로 구비시키는 단계(단계 2);
    상기 이송장치를 이용하여 상기 단계 1의 증발원 담지부를 상기 대기영역에서 상기 가열영역으로 이송하는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3에서 기판을 향하도록 이송되는 증발원 담지부를 가열하여 증발원을 기판 표면으로 기화 공급하는 단계(단계 4);를 포함하는 화합물 반도체의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 제17항의 방법에 의해 제조되는 화합물 반도체는
    CuaInbGacSedSe (0 ≤ (a,b,c) ≤ 1, 0 ≤ (d, e) ≤ 2.5),
    CuaZnbSncSedSe (0 ≤ (a,b,c) ≤ 1, 0 ≤ (d, e) ≤ 2.5),
    SbxSy, SbxSey, CdxSy, CdxSey, ZnxSy, InxSey, GaxSey, ZnxSey, SnxSey, InaGabSec, ZnaSnbSec, GexSy, GexSey, BixSy, BixSey,InxSy, GaxSy, SnxSy 및 ZnaSnbSc (x, y, a, b, 및 c는 0 보다 크고, x에 대한 y의 비는 0.5 이상 2 이하이고, a와 b의 합에 대한 c의 비는 0.5 이상 2 이하이다)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 화합물 반도체는 태양전지의 광흡수층으로 이용되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체의 제조방법.
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KR20120122369A (ko) * 2011-04-29 2012-11-07 주식회사 디엠에스 인라인 타입의 태양전지 제조장치 및 이에 의하여 제조된 태양전지

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