KR101446631B1 - 대면적기판용 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

대면적기판용 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지와 같은 대면적 기판을 처리하는데 사용되는 플라즈마 강화 화학 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 장치에 관한 것이다. 본 발명의 대면적기판용 PECVD 장치는 반송 챔버와 연결되고, 기판에 대한 플라즈마 처리가 이루어지는 공정챔버가 적어도 2개 이상 상하 방향으로 적층되어 있는 공정 모듈들을 포함하되; 공정 챔버는 챔버에서 반도체 기판을 탑재하는 서셉터(suscepter); 서셉터의 상단에 위치되는 샤워헤드(showerhead); 서셉터를 저면에서 지지하는 서셉터 지지부재들; 서셉터 지지부재의 양단에 수직 방향으로 설치되고, 외부 승강장치에 의해 승강되어 서셉터 지지부재들을 승강시키는 승강샤프트; 및 서셉터와 샤워헤드 사이의 간격유지를 위해 서셉터와 샤워헤드 사이에 설치되는 간격유지부재를 포함한다.

Description

대면적기판용 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS FOR LARGE AREA SUBSTRATES}
본 발명은 태양전지와 같은 대면적 기판을 처리하는데 사용되는 플라즈마 강화 화학 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 장치에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지(이하 태양전지라 함)에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.
이러한 태양전지에는 플라즈마 CVD법에 의해 제작한 비정질 실리콘(a-Si)막이 주로 사용되어 왔는데, 태양광 스펙트럼을 적외 영역에서 자외 영역까지 효율적으로 흡수하여 발전효율을 향상시키기 위하여, 비정질 실리콘(a-Si)막과 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon)(μc-Si)막을 적층한 탠덤(tandem) 구조의 태양전지가 주목받고 있다.
실리콘 박막태양전지는 비정질(amorphous) 실리콘과 미세결정실리콘을 상부/하부에 증착하는 구조이며, 비정질 실리콘의 두께는 2,000~3,000 A(angstrom)이며 ~3A/sec의 속도로 증착된다. 하지만, 미세결정 실리콘은 그 증착속도가 비정질 실리콘막의 증착속도와 유사하나 증착두께가 ~20,000Angstrom(2um)정도로 두꺼운 것이 필요하므로 증착시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
이러한 미세결정 실리막은 주로 PECVD 방법에 의해 형성된다. 그리고, 최근에는 높은 생산성을 확보하기 위해 5세대급(1,100×1,300㎜) 크기의 대면적 태양전지를 제조함에 따라, 반송챔버 주변에 다수의 처리 챔버들이 배치되는 클러스터(Cluster) 타입의 PECVD 장치가 사용되고 있다. 하지만, 기존 클러스터 타입의 PECVD 장치의 경우 태양전지의 사이즈가 대면적화됨에 따라 클러스터가 차지하는 면적도 함께 증가하게 되고, 이로 인해 생산현장의 공간 활용도를 저하시키는 문제점이 대두되고 있다.
특히, PECVD 공정은 샤워헤드(상부전극)와 기판사이의 간격(process gap)이 매우 중요함에도 불구하고, 장비 특성상 기판이 놓여지는 서셉터가 온도 영향으로 변형 등이 발생되어 정확한 간격 유지에 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 장비가 차지하는 면적 대비 생산성을 향상시킬 수 있는 대면적기판용 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 샤워헤드와 기판 사이의 간격을 일정하게 유지시켜줄 수 있는 대면적기판용 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 대면적기판용 PECVD 장치는 반송 챔버와 연결되고, 기판에 대한 플라즈마 처리가 이루어지는 공정챔버가 적어도 2개 이상 상하 방향으로 적층되어 있는 공정 모듈들을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 공정 챔버는 상기 챔버에서 반도체 기판을 탑재하는 서셉터(suscepter); 상기 서셉터의 상단에 위치되는샤워헤드(showerhead); 상기 서셉터를 저면에서 지지하는 서셉터 지지부재들; 상기 서셉터 지지부재의 양단에 수직 방향으로 설치되고, 외부 승강장치에 의해 승강되어 상기 서셉터 지지부재들을 승강시키는 승강샤프트; 및 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 간격유지를 위해 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이에 설치되는 간격유지부재를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 서셉터 지지부재는 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 동일한 간격유지를 위해 상기 서셉터 지지부재의 특정부분으로 집중적으로 가해지는 저항(압력)을 상쇄시킬 수 있는 완충부재들을 갖는다.
본 발명에 의하면, 독립적으로 운용가능한 공정챔버들이 수직 적층(2개 이상)된 공정 모듈을 구비함으로써 생산성이 적층된 공정챔버의 개수만큼 증가시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 의하면 서셉터와 샤워헤드 사이에 간격 유지 부재가 제공됨으로써 서셉터와 샤워헤드 사이의 간격을 일정하게 유지시켜줄 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 의하면 서셉터를 지지하는 서셉터 지지대에 완충수단이 구비되어 어느 한쪽으로 과도한 압력이 가해지는 것을 상쇄시켜줄 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 평면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 측단면 구성도이다.
도 4a는 서셉터가 다운 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다.
도 4b는 서셉터가 업 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다.
도 5는 쉐도우 프레임의 사시도이다.
도 6은 서셉터 지지대의 요부 확대 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 상술한 본 발명이 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 및 효과는 첨부된 도면과 관련된 실시 예들을 통해서 용이하게 이해될 것이다. 각 도면은 명확한 설명을 위해 일부가 간략하거나 과장되게 표현되었다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 도시되었음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적기판용 PECVD 장치의 평면 구성도 및 측단면 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 대면적기판용 PECVD 장치(1)는 태양전지용 대면적기판(S)에 대한 PECVD 처리 공정을 수행하기 위한 것으로, 로드락 챔버(100), 반송 챔버(200), 그리고 복수의 공정 모듈(300)을 포함한다.
로드락 챔버(100)는 PECVD 장치(1)의 전방에 배치된다. 로드락 챔버(100)는 4개의 챔버들이 적층 배치된 구조로 이루어지는데, 이중에 2개의 챔버는 공정처리전 대면적기판(S)이 대기하는 로딩 챔버(110a)이고 나머지 2개의 챔버는 공정처리된 대면적기판(S)이 대기하는 언로딩 챔버(110b)로 사용될 수 있다.
로딩 챔버(110a)와 언로딩 챔버(110b) 각각은 제1출입포트(112)와 제2출입포트(114)를 갖으며 내부공간에는 대면적기판 한 장이 놓여지는 스테이지(120)가 제공된다. 로딩 챔버(110a)의 스테이지(120)에는 대면적기판을 예열하기 위한 예열 부재(130)가 설치되며, 언로딩 챔버(110b)의 스테이지(120)에는 공정 챔버에서 처리된 대면적기판(S)이 놓여지기 때문에 대면적기판의 온도를 낮추기 위한 쿨링부재(140)가 설치된다.
대면적기판은 대기압 반송 로봇(도시하지 않음)에 의해 로딩 챔버(110a)로 반입되거나 또는 언로딩 챔버(110b)로부터 반출된다. 로드락 챔버(100)를 구성하는 로딩챔버(110a)와 언로딩챔버(110b) 각각은 반송챔버(200)의 반송로봇(210)이 대면적기판을 로딩 또는 언로딩하는 시기에 반송챔버(200)와 동일한(근접한) 진공분위기를 형성하며, 대기압 반송로봇으로부터 미처리 대면적기판을 공급받거나 이미 처리된 대면적기판을 반출시키고자 할 때에는 대기압 상태로서 전환된다. 즉, 로드락 챔버(100)의 로딩/언로딩 챔버(110a,110b)는 반송챔버(200)의 기압상태가 변화되는 것을 방지시키기 위해 그 자체적으로 진공 상태와 대기압 상태를 교차하면서 압력을 유지하게 되며, 이러한 압력 변동을 최대한 신속하게 처리하기 위해 복수개의 로딩 챔버(110a)들과 언로딩 챔버(110b)들로 구획되어 있는 것이다. 물론, 로드락 챔버의 각 챔버들은 로딩용과 언로딩용으로 구분하지 않고 로딩/언로딩 겸용으로도 사용될 수 있다.
반송 챔버(200)는 로드락 챔버(100)와 공정 모듈(300)의 중앙에 위치된다. 반송 챔버(200)는 로드락 챔버(100)와 공정 모듈(300)의 각 공정 챔버(300a)들과 연결되며, 대면적기판을 반송하기 위한 반송로봇(210)을 갖는다. 반송 로봇(210)은 로딩 챔버(110a)의 스테이지(120)에 놓여진 대면적기판을 반출하여 공정 모듈(300)의 공정 챔버(300a)에 반입할 수 있는 1개 또는 2개의 암 구조를 갖는 로봇으로 구성될 수 있다.
반송 챔버(200)에 구비되는 반송 로봇(210)은 본 실시예에서 보여주는 구조 이외에도 통상적인 태양전지 제조 공정에서 사용되는 다양한 로봇들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 장의 대면적기판(S)을 하나의 암으로 핸들링 할 수 있는 더블 블레이드 구조의 암을 구비한 로봇이나, 하나 이상의 암을 구비한 로봇 또는 이들을 혼합적으로 채용한 로봇이 사용될 수 있다.
공정 모듈(300)들은 반송 챔버(200)를 중심으로 측면에 연결 배치된다. 본 실시예에서는 공정 모듈(300)이 반송 챔버(200)를 중심으로 90도 간격으로 3개가 배치되어 있는 것을 도시하고 있으나, 필요에 따라서는 4개에서 5개의 공정 모듈(300)이 배치될 수 있다.
공정모듈(300)은 대면적기판에 대한 플라즈마 처리 공정을 독립적으로 수행하기 위한 공정 챔버(300a)들이 적층되어 있는 구조로써, 각각의 공정 챔버(300a)는 진공 챔버이며, 본 실시예에서는 공정 모듈(300)이 4개의 공정 챔버(300a)들이 적층 배치된 구조로 이루어져 있으나, 높이가 허용되는 경우 4개 이상의 공정 챔버들을 적층 배치할 수 있다. 최하단에 위치하는 공정 챔버(300a) 아래에는 승강구동부(410)에 의해 동작되는 승강장치(400)가 설치되어 있으며, 이 승강장치(400)는 4개의 공정 챔버(300a) 각각에 설치된 서셉터(310)를 동시에 승강시킨다. 승강장치(400)의 승강 구동력은 승강 샤프트(360)들을 통해 각각의 공정 챔버(300a)들에 전달될 수 있다. 이러한 구조를 갖는 공정모듈(300)은 설비 높이를 최대한 낮출 수 있어 보다 많은 공정 챔버(300a)들을 적층 배치할 수 있다.
공정 챔버(300a)에서는 태양광 스펙트럼을 적외 영역에서 자외 영역까지 효율적으로 흡수하여 발전효율을 향상시키기 위해, 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon)(μc-Si) 박막 증착 공정이 진행될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 PECVD 장치(1)는 동일한 면적에 다수(12개 이상)의 공정 챔버(300a)들이 배치 가능함으로써 공정 및 생산 유연성을 높일 수 있으며 장치당 생산성을 극대화할 수 있다. 특히, 본 발명은 증착두께가 ~20,000Angstrom(2um)정도로 두꺼워서 증착시간이 다른 박막에 비해 오래 걸리는 미세결정 실리콘 박막을 증착하는 탠덤(tandem) 구조의 태양전지 제조 공정에 매우 적합하다.
도 4a는 서셉터가 다운 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이고, 도 4b는 서셉터가 업 위치된 상태의 공정 챔버 단면도이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(300a)는 외부와 차단되고, 서셉터(310)와 샤워헤드(320) 사이에 있는 플라즈마 형성영역(반응공간)을 제공한다.
공정 챔버(310)에는 리프트핀(390)들이 설치되는데, 이 리프트핀(390)들은 기판이 반입되거나 반출될 때 대면적기판(S)을 지지하게 되며, 기판 지지는 서셉터(310)가 아래로 하강한 상태에서 이루어진다. 즉, 대면적기판이 반송 로봇(210)에 의해 반입될 때 서셉터(310)가 하강한 상태에서 리프트핀(390)들 상에 기판이 지지되며, 서셉터(310)가 승강하게 되면서 기판이 서셉터(310) 상부에 놓여지게 되고, 리프트핀(390)들은 서셉터(310)에 형성된 핀홀에 삽입되는 구조로 이루어진다.
한편, 서셉터(310)의 상부 공간에는 플라즈마를 형성시키기 위해 RF발전기와 같은 플라즈마 소스(미도시됨)에 연결되는 전극형 샤워헤드(320)가 설치되어 있다. 샤워헤드(320)에는 작은 직경의 분사공들(미도시됨)이 형성되어 있으며, 플라즈마에 의한 아크 발생을 방지하기 위하여 표면이 양극화 처리되어 있다. 도시하지 않았지만, 가스 공급 유닛이 공정 챔버(300a)의 내부에 설치된 샤워헤드(320)와 연결된다. 샤워헤드(320)는 가스 공급 유닛(도시하지 않음)을 통해 공정 챔버(300)에서 수행되는 처리 공정의 종류에 따라 기판에 박막 증착을 위한 플라즈마 형성용 혼합가스를 공급받는다. 가스 공급 유닛으로부터 공급되는 플라즈마 형성용 혼합가스는 샤워헤드(320)에서 플라즈마화 되어 대면적기판(S) 상에 소정의 박막 증착을 행한 후 기체 배기관(370)을 통해 배기된다.
공정 챔버(300a)의 측벽에는 반송 챔버(200)와 반응공간과의 연통 여부를 결정하는 슬롯밸브(380)가 설치되어 있어서, 반송 챔버(200)로부터 서셉터(310) 상으로 대면적기판(S)이 반입될 때(또는 대면적 기판이 반출될 때) 슬롯밸브(380)가 개방된다.
서셉터(310)는 공정 챔버(300a) 내에서 상하 이동이 가능하게 설치되며, 전기적으로 접지된다. 대면적기판(S)은 서셉터(310) 상에 안착된다. 서셉터(310)의 내부에는 대면적기판(S)을 가열시키기 위한 히터(미도시됨)가 장착되어 있다. 한편, 서셉터(310)와 샤워헤드(320) 사이의 가장자리에는 서셉터(310)와 샤워헤드(320) 사이의 간격유지를 위한 간격유지부재인 쉐도우 프레임(shadow frame)(330)이 설치된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 쉐도우 프레임(330)은 4각틀 형상으로 4지점에 스톱퍼(340)가 설치되며, 이 스톱퍼(340)는 서셉터(310)가 상승 이동되었을때 샤워헤드(320)의 상면과 접하게 되면서 서셉터(310)와 샤워헤드(320) 사이의 간격을 일정하게 유지시킨다. 쉐도우 프레임(330)은 서셉터(310)가 다운 위치되었을 때 샤워헤드(320)의 저면 가장자리로부터 내측으로 돌출된 받침턱(301)에 얹혀지는 제1받침부(332)와, 서셉터(310)가 업 위치되었을 때 서셉터(310)의 가장자리에 얹혀지는 제2받침부(334)를 갖으며, 스톱퍼(340)는 제2받침부(334) 상에 설치된다.
서셉터(310)는 온도에 의한 변형 또는 쳐짐이 발생하여 서셉터(310)가 상승 위치되는 경우 샤워헤드(320)와 동일한 간격 유지가 어렵지만, 본 발명에서와 같이 샤워헤드(320)와 서셉터(310) 사이에 스톱퍼(340)가 위치됨으로써 일정한 간격을 유지할 수 있게 된다.
한편, 서셉터(310)는 저면이 서셉터 지지대(350)들에 의해 지지된다. 서셉터 지지대(350)는 서셉터(310)보다 길이가 넓으며, 양단에는 승강 샤프트(360)가 수직방향으로 설치된다.
도 4a 및 도 6을 참조하면, 서셉터 지지대(350)는 양단에 승강 샤프트(360)가 관통되어 장착되는 고정단(352)과, 고정단(352)에 연결되는 지지바(354) 그리고 고정단(352)에 설치되고 지지바(354)을 탄력적으로 지지하는 완충부재인 스프링(356)을 포함한다. 즉, 지지바(354)는 고정단에 고정설치되는 것이 아니라 스프링(356)에 의해 탄력적으로 지지되어 있는 것으로, 스프링(356)은 서셉터 지지대에 대면적에 동일한 압력으로 상승시키면서 서셉터 대면적의 한곳에 집중적으로 작용하는 저항을 상쇄시키면서 동일한 간격 유지를 위해 설치된다. 다시 설명하면, 지지바(354)에 대면적으로 동일한 압력이 작용되도록 하고 간격 틀어짐 보정을 위해 지지바(354) 양단에는 스프링(356)이 설치된다.
승강 샤프트(360)는 상단이 샤워헤드(320)를 관통해서 상부에 위치하는 공정챔버(300a)의 또 다른 승강 샤프트(360)와 연결된다. 즉, 승강 샤프트(360)는 승강장치(400)의 승강 구동력을 상호 전달하는 역할을 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 로드락 챔버 200 : 반송 챔버
300 : 공정 모듈 300a : 공정 챔버
330 : 쉐도우 프레임
340 : 스톱퍼
350 : 서셉터 지지대

Claims (12)

  1. 기판용 플라즈마 처리 장치에 있어서:
    반송 챔버와 연결되고, 기판에 대한 플라즈마 처리가 이루어지는 공정챔버가 적어도 2개 이상 상하 방향으로 적층되어 있는 공정 모듈들을 포함하되;
    상기 공정 챔버는
    상기 챔버에서 반도체 기판을 탑재하는 서셉터(suscepter);
    상기 서셉터의 상단에 위치되는 샤워헤드(showerhead);
    상기 서셉터를 저면에서 지지하는 서셉터 지지부재들;
    상기 서셉터 지지부재의 양단에 수직 방향으로 설치되고, 외부 승강장치에 의해 승강되어 상기 서셉터 지지부재들을 승강시키는 승강샤프트;
    상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 간격유지를 위해 상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이에 설치되는 간격유지부재를 포함하며,
    상기 승강 샤프트는
    상단이 상기 샤워헤드를 관통해서 상부에 위치하는 공정챔버의 또 다른 승강 샤프트와 연결되어 상기 외부 승강장치의 승강 구동력을 상호 전달하는 것을 특징으로 하는 기판용 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터 지지부재는
    상기 서셉터 저면을 지지하는 지지바; 및
    상기 지지바의 양단에 연결되고 상기 승강 샤프트에 고정되는 고정단을 포함하는 기판용 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 서셉터 지지부재는
    상기 고정단에 설치되고, 상기 지지바를 탄력적으로 지지하는 완충부재를 더 포함하는 기판용 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 서셉터 지지부재는
    상기 서셉터와 상기 샤워헤드 사이의 동일한 간격유지를 위한 완충부재들을 포함하는 기판용 플라즈마 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 간격유지부재는
    상기 서셉터가 상승 이동되었을 때 상기 샤워헤드의 상면과 접하게 되는 스톱퍼를 포함하는 기판용 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 간격유지부재는
    사각틀 형상으로 이루어지며, 상기 서셉터가 다운 위치되었을 때 상기 샤워헤드의 저면 가장자리로부터 내측으로 돌출된 받침턱에 얹혀지는 제1받침부; 및
    상기 서셉터가 업 위치되었을 때 상기 서셉터의 가장자리에 얹혀지는 제2받침부를 포함하는 기판용 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 간격유지부재는
    상기 제2받침부 상에 설치되는 스톱퍼를 더 포함하는 기판용 플라즈마 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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