KR20090025031A - 탑 사이드 램프가열방식의 인-라인형 ａｐｃｖｄ 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탑 사이드 램프가열방식의 인-라인형 APCVD 장치에 관한 것으로서, 기판(10)이 걸쳐져서 이동할 수 있도록 설치되는 롤러(320); 박막증착구간에서 기판(10)의 상부공간에 위치하도록 롤러(320)의 상부에 반복적으로 설치되는 복수개의 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300); 및 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300)의 사이사이에 설치되는 복수개의 가열램프(350);를 구비하는 것을 특징으로 한다. 롤러(320) 사이에 위치하여 기판(10)의 밑에서 온도를 측정하는 온도측정수단(370)과, 가열램프(350)의 온도를 제어하는 온도제어수단(360)이 더 설치될 수 있으며, 이 때 온도측정수단(370)은 측정한 온도를 온도제어수단(360)으로 피드백하여 기판(10)의 이송 중에 상기 기판의 온도가 일정하도록 유지시킨다.
램프가열, 인-라인형 APCVD, 태양전지, 에어커튼, TCO, ITO
Description
도 1은 박막형 pn 접합 태양전지의 원리를 설명하기 위한 도면;
도 2는 태양전지의 TCO막에 형성되는 텍스쳐를 보여주는 사진;
도 3은 태양전지의 TCO층을 형성하는데 사용되는 종래의 인-라인형 APCVD 장치를 설명하기 위한 도면;
도 4는 본 발명에 따른 탑 사이드 램프가열방식의 인-라인형 APCVD를 설명하기 위한 개략도;
도 5는 도 4의 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300)을 설명하기 위한 도면;
도 6은 TCO막의 증착 균일성을 설명하기 위한 도면;
도 7은 본 발명에 따른 인-라인형 APCVD 장치의 온도제어를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명>
10: 유리기판 20: TCO층
30: p형 실리콘층 40: 진성형 실리콘층
50: n형 실리콘층 60: pin층
75: 금속반사전극 85: 그리드 라인
110: 반응가스 주입헤드 120: 에어커튼 주입구
140: 컨베이어 벨트 150: 히터
160: 에치머플 170: 에어 나이프
180: 초음파 탱크 190: 적외선램프
200: 세정장치 300: 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단
320: 롤러 350: 가열램프
본 발명은 APCVD 장치에 관한 것으로서, 특히 탑 사이드 램프가열방식의 인-라인형 APCVD(top side lamp heating type in-line APCVD) 장치에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 미래 에너지 고갈 문제를 해결할 열쇠로서 예로부터 주목받고 있었으며, 반도체 기술의 발달로 박막형 pn 접합 태양전지가 이미 양산되고 있다.
도 1은 박막형 pn 접합 태양전지의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, TCO막(transparent conducting oxide film, 20)이 형성되어 있 는 유리기판(10) 상에 p형 실리콘층(30), 진성형 실리콘층(intrinsic silicon layer, 40), 및 n형 실리콘층(50)이 순차적으로 적층된 pin층(60)이 형성된다. 그리고 n형 실리콘층(50) 상에는 금속반사전극(metal back reflector, 75)이 형성되고, TCO막(20)에는 그리드 라인(grid line, 85)이 형성된다. 유리기판(10)에 빛이 비춰지면 진성형 실리콘층(40)에 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 발생하고 그로 인해 드리프트 전류(drift current)가 생겨서, pin층(60)에 외부 회로를 연결하면 도시된 바와 같이 전류가 흐르게 된다.
이러한 태양전지의 효율은 크게 광 포획(light trapping), 광 흡수, 및 전자-정공 수집 효율에 의존한다. 이 중에서 광 포획 효율은 주로 금속반사전극(75)과 TCO층(20)을 통하여 이루어진다. 구체적으로, 유리기판(10)으로 들어온 빛은 TCO막(20)을 통과하여 pin층(60)에서 전자-정공쌍을 발생시키고, 거기에 기여하지 못한 빛은 금속반사전극(75)에 도달한다. 따라서 TCO막(20)에서 산란되어 외부로 빠져나가는 빛이 최소화되고 금속반사전극(75)에서 반사되는 빛이 최대화되어야 빛이 pin층(60)에 포획되는 양이 많아져서 전자-정공쌍의 발생률(electron-hole pair generation rate)이 증가하게 된다.
결국, TCO층(20)의 경우는 유리기판(10)을 통하여 유입되는 빛의 반사가 최소화되어 많은 양의 빛이 pin층(60) 내로 굴절되어 들어가도록 하는 반사방지(anti- reflection) 기능이 요구되며, 금속반사전극(75)에서는 반사가 잘 일어나는 기능이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위하여 금속반사전극(75)으로는 ZnO/Ag 나 Al 미러가 많이 사용되며, TCO층(20)의 표면에는 텍스처(texture)를 형 성한다.
TCO층(20)의 재질로는 ITO, ZnO, SnO2 등이 사용되며 주로 스퍼터링(sputtering)법으로 증착한다. 스퍼터링법에 의할 경우에는 막 표면에 원하는 텍스처가 형성되지 않기 때문에 이를 위하여 스퍼터링 증착 후에 별도의 습식 또는 건식 에칭을 행한다. 도 2는 이러한 방법으로 형성된 ZnO막의 텍스쳐를 보여주는 사진다.
스퍼터링법으로 TCO층(20)을 형성하는 경우에는 증착직후 표면에 텍스처가 원하는 정도로 형성되지 않기 때문에 별도의 습식 또는 건식식각을 거쳐야 하지만, APCVD 법으로 형성하는 경우에는 증착 직후(as-deposited)에도 표면에 원하는 정도의 텍스처가 형성된다. 따라서 최근에는 태양전지의 TCO층(20)을 형성함에 있어서 공정단순화를 위해 APCVD 장치가 사용되고 있다.
도 3은 태양전지의 TCO층을 형성하는데 사용되는 종래의 인-라인형 APCVD 장치를 설명하기 위한 도면이다. 반응가스 주입헤드(110)가 복수개 설치되며 그 사이사이에는 에어커튼 주입구(120)가 설치된다. 에어커튼 주입구(120)를 통해서는 비활성 기체, 예컨대 N2기체가 주입된다.
반응가스 주입헤드(110)를 통하여 분사되는 반응가스는 컨베이어 벨트(140)의 밑에 설치되는 히터(150)에 의해 열분해 되어 유리기판(10)에 증착되며 그 잔류물은 에어커튼 주입구(120)를 통해서 주입되는 비활성 기체의 흐름에 편승하여 배기구(130)를 통하여 외부로 빠져나간다. 에어커튼은 반응가스의 분산을 방지하여 박막형성의 균일화를 도모하기 위한 것이다.
TCO층의 증착 시에 유리기판(10) 뿐만 아니라 컨베이어 벨트(140)에도 증착이 이루어질 수 있으며 이러한 증착물은 컨베이어 벨트(140)에 붙어 계속 운반되므로 후속으로 처리될 유리기판의 뒷면에 오염을 초래한다. 따라서 컨베이어 벨트(140)의 오염을 세정하기 위한 세정장치(200)가 요구된다. 세정장치(200)는 컨베이어 벨트(140)에 HF가스를 분사시켜 컨베이어 벨트(140)에 침적된 박막을 에칭하는 에치머플(160)과, 그 이후에 잔류하는 파티클을 제거하기 위한 순수가 수용된 초음파 탱크(180)와, 초음파 탱크(180)를 통과하면서 묻게 되는 수분을 제거하는 에어 나이프(170)와, 컨베이어 벨트(140)의 수분을 최종적으로 드라이하는 적외선램프(190)로 구성된다.
상술한 바와 같은 종래의 백 사이드(back-side) 가열방식의 인-라인형 APCVD 장치의 경우는 태양전지의 제조 시에 유리기판을 가열함에 있어서는 아래와 같은 문제점을 가지고 있다.
실리콘 웨이퍼와 같이 두께도 얇고 열전도율도 좋은 것을 기판으로 사용하는 경우에는 웨이퍼의 뒷면에서 가열하더라도 웨이퍼의 앞면까지 빠른 시간 내에 가열된다. 그러나 도 1의 박막형 태양전지의 경우에는 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하는 것이 아니라 유리기판(10)을 사용하는데, 이러한 유리기판(10)은 지지대로서의 역할도 하기 때문에 빛 투과도가 담보되는 상태에서 약간 두꺼운 것을 사용한다. 그래서 LCD 제조에 사용되는 유리기판 보다도 통상적으로 더 두꺼운 유리기판이 사용되어진다.
그런데 유리기판(10)은 웨이퍼보다는 열전도가 나쁘기 때문에, 종래와 같이 유리기판(10)의 밑에서 히터에 의하여 가열하는 방식으로는 유리기판(10)이 이동하는 과정에서 유리기판(10)의 앞면까지 원하는 온도로 상승시키는 것이 쉽지 않다. 유리기판(10)이 두꺼우면 더욱 그러하다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 백 사이드 가열방식의 종래의 인-라인형 APCVD 장치에서 나타나는 기판가열문제를 해결하여 태양전지의 제조에 적합한 인-라인형 APCVD 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 인-라인형 APCVD 장치는, 프리히팅(pre-heating)구간과 박막증착구간으로 구분되며, 구체적으로는, 기판을 이송시키는 기판이송장치와, 상기 박막증착구간에서 상기 기판이송장치의 상부공간에 반복적으로 설치되는 복수개의 반응가스 주입수단과, 상기 반응가스 주입수단의 사이사이에 설치되어 탑 사이드(top side)에서 상기 기판을 가열하는 복수개의 가열램프와, 상기 가열램프의 온도를 제어하는 온도제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판이송장치로는 롤러 또는 컨베이어 벨트를 사용할 수 있으며, 롤러를 사용하는 경우에는 상기 롤러 사이의 상기 기판 아래공간에 상기 기판의 온도를 측정하는 온도측정수단을 설치하면 좋다. 이 경우 상기 온도제어수단은 상기 온도측정수단으로부터 측정된 온도를 피드백 받아 상기 기판의 이송 중에 상기 기판의 온도가 일정하도록 상기 기판의 이송방향에 따라 구간별로 상기 가열램프의 온도를 제어한다.
상기 프리히팅(pre-heating) 구간도 상기 박막증착구간의 경우와 마찬가지로 상기 기판이송장치 상부공간에 상기 기판을 가열하기 위한 가열램프를 설치하면 좋다.
상기 반응가스 주입수단으로는 예컨대 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단을 사용할 수 있다. 상기 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단은, 반응가스를 분사하는 반응가스 주입헤드와, 상기 반응가스 주입헤드의 양측에 설치되어 비활성 기체를 주입하는 에어커튼 주입구와, 상기 에어커튼 주입구와 상기 반응가스 주입헤드 사이에 설치되는 배기구를 포함하여 이루어진다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 4는 본 발명에 따른 탑 사이드 램프가열방식의 인-라인형 APCVD를 설명하 기 위한 개략도로서, (a)는 단면도이고, (b)는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 종래와 달리 유리기판(10)의 밑에서 가열이 이루어지는 것이 아니라 유리기판(10)의 상부에서 가열램프(350)를 통해 가열이 이루어지며, 유리기판(10)은 롤러(320)를 통해 이송된다. 물론, 컨베이어 벨트를 사용하여 유리기판(10)을 이송시킬 수도 있다. 컨베이어 벨트를 사용하면 후술하는 바와 같이 균일하게 기판을 가열할 수 있다는 측면에서 유리할지 모르나, 기판의 가열을 차단하기 때문에 기판의 앞면이 원하는 온도까지 상승하는데 장애물로 작용하고 또한 상술한 바와 같이 오염물 제거를 위한 세정수단이 요구된다는 단점이 있기는 하다.
가열램프(350)는 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300)의 양측에 설치된다. 가열램프(350)와 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300)은 연속적으로 반복 설치되며 유리기판(10)은 롤러(320)의 회전에 의하여 그 밑을 통과한다.
도 3의 경우에는 유리기판(10)의 가열이 밑에서 이루어진다. 유리기판(10)의 열전도도는 그리 좋은 것은 아니기 때문에 유리기판(10)의 앞면이 원하는 온도가 되기까지에는 시간지연이 발생하므로 온도보정작업이 필요하다. 이러한 시간지연은 유리기판(10)의 두께 및 재질 등에 따라 달라지므로 온도보정작업도 이러한 점들을 고려하여 이루어져야 한다. 그러나 본 발명과 같이 가열램프(350)를 통하여 급속열처리 방식으로 탑 사이드(top-side) 가열을 하면 이러한 시간지연 및 온도보정작업이 특별히 요구되지는 않는다.
도 5는 도 4의 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300)을 설명하기 위한 도면으로서, 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300)은 도 3의 경우와 마찬가지로 반응가스 주입헤드(110), 에어커튼 주입구(120), 및 배기구(130)를 포함하여 이루어지며, 종래의 범주를 벗어나지 않는다.
도 6은 TCO막의 증착 균일성을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이 반응가스 주입헤드(110)에서 주입되는 반응가스는 에어커튼으로서 제공되는 비활성기체의 흐름에 편승하여 배기구(130)를 통해서 외부로 빠져나가기 때문에 반응가스 주입헤드(110)의 바로 밑에 있는 부분에 더 두꺼운 TCO막이 형성되고 배기구(130) 근처에는 상대적으로 얇거나 거의 증착되지 않는다. 따라서 본원발명과 같이 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단(300)을 연속적으로 반복 설치하여 인-라인 방식으로 TCO막을 증착할 필요성이 있는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 인-라인형 APCVD 장치의 온도제어를 설명하기 위한 도면이다. 프리히팅구간(A)에서는 유리기판(10)을 열 쇼크 없이 빠른 시간 내에 원하는 온도까지 가열하는 것이 바람직하고, 일단 원하는 반응온도까지 올라간 이후의 TCO 증착구간(B)에서는 유리기판(10)이 식지 않고 그 온도를 계속 유지할 정도로만 가열해주면 된다.
이를 위해 가열램프(350)를 복수개 설치하여 구간별로 차등화되게 가열하면 좋다. 예컨대 프리히팅구간(A)에서는 뒤로 갈수록 가열 강도가 높아지도록(예:20% -> 30% -> 50% )하고, TCO 증착구간(B)에서는 뒤로 갈수록 가열강도를 낮게(50% -> 30% -> 20%) 하는 경우가 그러하다. 이러한 온도 차등화 수치는 하나의 예에 불과하며 구체적인 경우에 따라 다를 것이다.
유리기판(10)의 밑공간에는 온도측정장치(370), 예컨대 파이로미터를 설치하 여 적절한 간격마다 유리기판(10)의 온도를 측정하여 이를 온도제어수단(360)으로 피드백시키는 것이 바람직하다. 그러면 온도제어수단(360)은 이를 바탕으로 가열램프(350)에 인가되는 전력을 조절하여 유리기판(10)이 항상 같은 온도를 유지할 수 있게 한다. 온도측정장치(370)는 접촉식, 비접촉식 어느 것이든 무방하다. 컨베이어 벨트(140)를 사용하는 경우에는 컨베이어 벨트(140)에 가리기 때문에 이러한 온도측정장치의 설치위치를 마땅히 정하기 어려우나, 롤러(320)를 사용하는 경우에는 유리기판(10)의 밑에 설치할 수 있어 좋다.
종래와 같이 유리기판(10)의 밑에서 가열하는 경우에는 롤러(350)를 사용하면 열복사가 롤러(350)에 가려 롤러(350)가 닿는 부분에서 유리기판(10)의 온도 불균일이 나타나기 때문에 균일한 가열을 위해 컨베이어 벨트(140)를 사용하였다. 그러면 필연적으로 컨베이어 벨트(140)의 세정작업이 필요하게 된다.
그러나 본 발명에서와 같이 탑 사이드 방식의 램프가열을 택하면 굳이 컨베이어 벨트(140)를 사용하지 않고 롤러(350)를 사용해도 된다. 따라서 컨베이어 벨트(140)의 세정수단이 필요없다. 물론 이 경우에도 롤러(350)의 오염이 문제될 수 있는데, 이는 도 7에 도시된 바와 같이 롤러(350)의 간격을 크게 하여 박막증착구간에는 롤러(320)의 설치를 삼가 하면 되기 때문에 유리기판(10)의 크기, 에어커튼부착식 반응가스 주입수단(300)과 가열램프(350)의 설치 폭을 고려하여 유리기판(10)이 휘어지지 않는 범위 내에서 롤러(350)를 설치하면 이러한 오염문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 가열하고자 하는 기판의 아래(Bottom)에서 발열체 를 이용하여 히팅하는 종래의 간접 히팅 방식의 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것이며, 그 핵심은 램프 히팅을 이용하여 탑-다운(Top-down) 방식으로 기판을 가열하는 것이다. 그러므로 기판의 이송수단으로서 롤러나 컨베이어 벨트, 기타 어떠한 방식을 적용하더라도 본 발명의 기술사상에 포함된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 태양전지의 제조에 사용되는 종래의 인라인형 APCVD 장치에서 문제점이었던, 비효율적인 방식의 기판가열문제를 해결할 수 있게 된다. 또한 램프 히팅에 의한 급속열처리와 직접적인 기판온도측정이 가능하기 때문에 기판의 온도를 실시간으로 측정하여 램프에 피드백 시킴으로서 보다 직접적인 방식으로 효과적으로 기판의 온도제어가 가능하게 되며, 그에 따라서 막 증착의 균일성을 쉽게 확보할 수 있게 된다.
Claims (11)
- 프리히팅(pre-heating)구간과 박막증착구간으로 구분되는 인-라인형 APCVD 장치에 있어서,기판을 이송시키는 기판이송장치;상기 박막증착구간에서 상기 기판이송장치의 상부공간에 반복적으로 설치되는 복수개의 반응가스 주입수단;상기 반응가스 주입수단의 사이사이에 설치되어 탑 사이드(top side)에서 상기 기판을 가열하는 복수개의 가열램프; 및상기 가열램프의 온도를 제어하는 온도제어수단; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기판이송장치가 롤러인 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 온도제어수단은 상기 기판의 이송방향에 따라 구간별로 상기 가열램프의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 롤러 사이의 상기 기판 아래공간에는 상기 기판의 온도를 측정하는 온도측정수단이 설치되며, 상기 온도제어수단은 상기 온도측정수단 으로부터 측정된 온도를 피드백 받아 상기 기판의 이송 중에 상기 기판의 온도가 일정하도록 상기 기판의 이송방향에 따라 구간별로 상기 가열램프의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 프리히팅(pre-heating)구간의 상기 기판이송장치 상부공간에 상기 기판을 가열하기 위한 가열램프가 설치되는 것을 특징으로 인-라인형 APCVD 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기판이송장치가 컨베이어 벨트인 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 반응가스 주입수단은, 반응가스를 분사하는 반응가스 주입헤드와, 상기 반응가스 주입헤드의 양측에 설치되어 비활성 기체를 주입하는 에어커튼 주입구와, 상기 에어커튼 주입구와 상기 반응가스 주입헤드 사이에 설치되는 배기구를 포함하여 이루어지는 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단인 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 기판이 걸쳐져서 이동할 수 있도록 설치되는 롤러;박막증착구간에서 상기 기판의 상부공간에 위치하도록 상기 롤러의 상부에 반복적으로 설치되는 복수개의 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단; 및상기 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단의 사이사이에 설치되는 복수개의 가열램프;를 구비하는 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 에어커튼 부착식 반응가스 주입수단은, 반응가스를 분사하는 반응가스 주입헤드와, 상기 반응가스 주입헤드의 양측에 설치되어 비활성 기체를 주입하는 에어커튼 주입구와, 상기 에어커튼 주입구와 상기 반응가스 주입헤드 사이에 설치되는 배기구를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 롤러 사이에 위치하여 상기 기판의 밑에서 온도를 측정하는 온도측정수단과, 상기 가열램프의 온도를 제어하는 온도제어수단이 더 설치되며, 상기 온도측정수단은 측정한 온도를 상기 온도제어수단으로 피드백하여 상기 기판의 이송 중에 상기 기판의 온도가 일정하도록 유지시키는 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 박막증착구간 이전에 프리히팅(pre-heating)구간이 더 설치되며, 상기 프리히팅 구간에는 복수개의 가열램프가 상기 기판의 상부공간에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 인-라인형 APCVD 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070090059A KR20090025031A (ko) | 2007-09-05 | 2007-09-05 | 탑 사이드 램프가열방식의 인-라인형 ａｐｃｖｄ 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020070090059A KR20090025031A (ko) | 2007-09-05 | 2007-09-05 | 탑 사이드 램프가열방식의 인-라인형 ａｐｃｖｄ 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20090025031A true KR20090025031A (ko) | 2009-03-10 |
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ID=40693619
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|---|---|
| KR (1) | KR20090025031A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110707028A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-01-17 | 长江存储科技有限责任公司 | 晶圆热处理装置及晶圆热处理方法 |
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2007
- 2007-09-05 KR KR1020070090059A patent/KR20090025031A/ko not_active Application Discontinuation
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