KR20100128479A - 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치 - Google Patents

금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치 Download PDF

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Abstract

대면적의 기판에 금속박막을 진공분위기에서 증착코팅하거나, 박막형 태양전지의 광흡수층 박막을 대량생산할 경우, 증착챔버의 하부에는 기판의 선형이송이 가능하고, 상부에는 튜브증발원이 형성되고, 튜브증발원의 노즐을 통하여 금속기체의 하향 분사가 가능하여 기판상부에 박막의 연속형성이 가능하다. 튜브증발원에는 총신증발원이 연결되고, 총신증발원의 도가니로부터 금속기체가 증발되어 일정시간동안 박막의 증착을 수행하고 난 후, 금속물질이 소진되면, 총신증발원은 선형이송되어 튜브증발원으로부터 분리되고, 증발원챔버와 증착챔버는 게이트 밸브를 이용하여 진공으로부터 격리되고, 증발원챔버는 진공을 깨어 대기압상태에서 도가니에 금속물질의 충전이 가능함과 동시에, 증착챔버의 고진공 분위기가 유지되고, 증착챔버내에 설치된 다른 튜브증발원과 총신증발원을 이용하여 박막의 증착은 연속하여 이루어지므로 1년 내내 금속박막이나 화합물반도체의 광흡수층 박막의 연속제작이 가능하여 양산성이 획기적으로 향상된다.
금속박막, 화합물반도체, 증발원, 고진공, 챔버, 진공증착

Description

금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치{Continuous manufacturing system for metal film and compound semi-conductor light absorption film}
박막형 태양전지의 대량생산이 가능하면, 고가의 벌크형 실리콘 태양전지를 대체할 수 있다. 박막형 태양전지의 주요 박막은 광흡수층이며 두께가 1마이크론미터 이상이므로 고속이면서 연속적인 증착코팅장치의 기술이 필요하다. 예를 들면, CIGS 박막형 태양전지의 광흡수층은 약 2마이크론미터이며, CdTe 박막형 태양전지의 광흡수층은 5마이크론미터이다. 기존에 알려진 광흡수층의 진공증착 기술이 도1에 나타내었다. 고진공분위기를 유지하는 진공챔버(15)의 상부에는 유리기판(10)이 설치되고, 진공챔버의 하부에는 다수개의 포인트형 증발원(11, 12, 13, 14)이 설치된다. 예를 들면, 물질1은 구리, 물질2는 인디움, 물질3은 갈륨, 물질4는 셀레니움으로서, CIGS 박막을 상향식으로 진공증착하여 제작하는 기술은 주로 금속성의 증발기체가 포인트 증발원으로부터 상향으로 비행하여 기판에 형성되는 상향식 진공 증착 방법이다.
[문헌1] Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings: Science, Technology and Applications, 2nd Ed., 1994, Noyes Publications, 175~182페이지
상기의 상향식 CIGS 박막제조 방법은 포인트 증발원을 사용하므로, 소형의 박막형 CIGS 태양전지의 연구용 제작에는 알맞으나, 대량생산에는 적당하지 않아, 대량의 대면적 CIGS 박막 태양전지의 생산이 매우 어렵다. 즉, 포인트 증발원의 도가니의 용량이 제한되어 있으므로, 물질의 증발이 완료되면, 더 이상 광흡수층의 생산이 불가능하게 되고, 고진공 챔버의 진공을 깨고, 도가니에 물질을 재충전해야 한다. 이러한 점증발원의 용량은 매우 적어 장시간 증착이 불가능하므로, 이의 개선이 필요하다. 또한, 구리물질의 경우, 도가니의 온도를 섭씨 1600도 이상 가열해야 하기도 하므로, 가열시간이 매우 오래 걸리기도 하고, 냉각시간도 매우 오래 걸리므로 물질의 재충전시 생산을 멈추어야 하는 생산성 저하를 가져오므로 이의 개선이 필요하다. 즉, 물질의 재충전과 동시에 박막의 증착이 가능한 개념의 고생산성 양산용 금속 박막과 화합물 반도체 박막의 제조장비의 개발이 시급하다.
금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치는 증착챔버 좌우에 증발원챔버가 밸브포트를 사이에 두고 게이트밸브에 의하여 연결되어 있고, 증착챔버의 내부에는 튜브증발원이 고정축에 의하여 수평하게 고정되어 있고, 증착챔버의 하부에는 기판과 기판 트레이가 롤러장치에 의하여 이송이 가능하고, 각 증발원 챔버에는 총신증발원이 한 개씩 설치되어 있는 구조이다.
튜브증발원은 기체 안내용 튜브가 중앙에 위치하고, 그 주위에 히터, 히터 주위에 방열벽, 그 주위에 하우징으로 마감한 전체적으로 튜브형태의 구조를 가지며, 좌우의 양끝입구내부는 다수 층의 단으로 형성되고, 튜브 하부에 일직선을 따라 다수개의 노즐 구멍이 일정 간격으로 형성되어 있다.
총신증발원의 총신은 튜브증발원의 좌우 끝에 형성된 원통형의 입구에 삽입되어 이가 맞는 형태를 취하며, 내부에 원통형의 도가니가 있고, 도가니는 상부와 하부로 나뉘어 탭으로 연결되어 있고, 상부의 측부에는 원통형의 총신이 탭으로 연결되어 있고, 총신의 외부는 다수개의 단으로 형성되고, 도가니의 상부에는 탭으로 형성되어 개폐가 가능한 덮개가 형성되어 있고, 도가니와 총신의 주위에는 히터가 설치되고, 히터의 주위에는 방열벽이 설치되고, 그 주위에는 하우징으로 마감되고, 도가니의 하부에는 도가니 받침이 있고, 총신의 끝 일부분은 일정길이 만큼 노출되는 형태를 가진다.
금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치에서 증발원챔버의 하부에는 증발원 이송롤러와 증발원 이송장치가 결합되고, 그 상부에 총신 증발원이 놓이고, 총신 증발원의 X축 이송이 가능하며, 직육면체형의 증착챔버의 좌우측면에는 두 개 이상의 증발원챔버가 게이트밸브를 사이에 두고 연결되고, 각 증발원 챔버의 내부에는 총신증발원이 한 개씩 설치되고, 증착챔버의 내부에는 두 개 이상의 튜브증발원이 설치된다.
한 튜브증발원의 좌우에는 총신 증발원이 연결되어, 금속물질의 기체가 튜브증발원의 노즐구멍들을 통하여 하향증발되어 기판에 금속박막을 연속하여 형성하고, 증발 물질을 소진한 다른 튜브증발원에서 총신증발원을 분리하고, 게이트밸브를 닫아 증발원챔버를 대기압 상태로 유지한 상태에서 도가니에 물질을 충전하여 박막 증착과 동시에 물질 충전을 하여 박막 증착의 멈춤 없이 연속적으로 증착이 가능한 양산성이 뛰어난 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조가 가능하다.
본 발명에 의하면, 박막형 태양전지의 광흡수층이나 금속박막을 유리기판에 제조할 경우, 기판이 이송되면서,기판의 상부면에 연속으로 튜브증발원의 노즐구멍들을 통하여 금속기체의 하향 분사가 가능하여 일정 두께의 박막을 연속적으로 기판상에 형성이 가능하고, 한 개의 증착챔버 내에 다수개의 튜브증발원과 총신증발원의 설치가 가능하여 화합물 반도체의 광흡수층의 형성이 가능하고, 도가니의 물질이 소진될 경우 총신증발원은 튜브증발원과 분리 이송되어 게이트밸브로 증착챔버와 분리되는 증발원챔버는 진공을 깨고 대기압으로 전환하여, 증발원을 열고, 도가니에 물질을 재충전하게 되고, 동시에 다른 튜브증발원을 통하여 박막은 계속하여 증착하게 되므로, 금속박막이나 화합물 반도체의 광흡수층 박막의 연속 제작이 가능하여, 양산성이 획기적으로 향상된다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 도2에는 증착챔버(20)와 증발원챔버A, B(21, 22)가 좌우에 연결된 형태의 박막 증착장치를 도시하였다. 즉, 증착챔버와 증발원챔버는 밸브포트(24)들이 서로 만나게 되어 연결되며, 그사이에는 게이트 밸브(25)가 설치되어 있다. 증착챔버와 증발원챔버들은 모두 고진공 챔버들로서 상하부에 펌프포트(23)들이 형성되어 있다. 증착챔버의 하부에는 기판(35)을 실어 나르는 기판 트레이(36)가 위치하며, 이 기판 트레이는 양 끝에 롤러(37)에 얹혀져서 선형 방향으로 이송하게 된다. 증착챔버의 상부에는 튜브증발원A(32)가 튜브증발원 고정축(26)에 의하여 일정 높이에 수평방향으로 고정하게 되며 각 증발원 챔버에는 총신증발원A,B(30, 31)이 위치하게 되며, 총신증발원에 형성된 총신(33)은 도3에 도시한 바와 같이, 튜브증발원에 형성된 원통형의 입구에 삽입되어 진다. 튜브증발원의 하부에는 선을 따라서 다수 개의 노즐구멍(34)들이 형성되어 이 노즐구멍들을 통하여 금속기체가 하향으로 분사되므로 기판상에 금속박막이 제작 되어진다. 또한, 다수 개의 튜브증발원을 형성하면, 예를 들면, 구리, 인디움 갈륨, 셀레니움용의 튜브증발을 구성하면, CIGS 광 흡수층 박막이 형성되는 것이다.
도4에는 총신증발원과 튜브증발원의 구조를 나타내었다. 총신증발원은 내부에 원통형의 도가니(40)가 위치하고, 하부에는 도가니 받침(41)에 의하여 떠받쳐진다. 또한, 도가니 상부에는 원형의 구멍이 형성되어 원통형의 총신이 탭에 의하여 결합되므로 마치 권총형의 도가니 형태가 형성되는 것이다. 도가니와 총신의 주위에는 도4에서와 같이 히터A(42)로 둘려지고, 이주위에는 방열벽A(43)이 설치되므로, 히터에 전류를 공급하면 히터에서 방출되는 라디에이션에 의하여 도가니와 총신이 복사 가열된다. 상기의 장치는 하우징A(44)로 권총형으로 마감되어 지 며, 총신의 끝의 일정부분은 일정길이가 노출되어 있고, 이 노출되어진 부분이 튜브증발원으로 삽입된다.
튜브증발원의 내부에는 원통형의 기체 안내용 튜브(50)가 형성되고, 주위에는 가열용 히터B(51), 방열벽B(52), 하우징B(53)로 구성이 된다. 튜브증발원의 하부에는 선을 따라 다수개의 노즐구멍A(54)들이 형성되고, 총신으로부터 분사된 금속기체가, 이 노즐구멍들을 통하여 분출되어 기판에 증착이 된다. 도가니의 상부에는 개폐용 뚜껑이 형성되어 있어 도가니의 내부에 금속파우더(55)를 충전하게 된다.
도5에 도시한 바와 같이, 총신의 외부는 단(46)이 형성되는 점차적으로 좁아지고, 뷰브입구단(47) 이 역시 점차 커지는 형태로 형성되어, 총신과 튜브증발원의 도킹이 부드럽게 되도록 도와주는 역할을 한다.
도가니의 금속물질이 소진되어 금속파우더를 재충전할 경우에는, 도6에서와 같이, 양쪽의 총신증발원을 튜브증발원으로부터 분리하게 되며, 이때, 증발원 챔버의 하부에 형성되어 있는 증발원 이송장치(60)와 증발원이송롤러(61)를 사용하게 된다. 증발원의 분리가 완료되면, 게이트밸브(25)를 닫아서 증착챔버(20)와 증발원 챔버의 진공 분위기를 분리하게 되며, 증발원챔버는 진공을 깨고, 대기압하에서 증발원내의 도가니에 물질을 충전하게 되는 것이다. 이 경우, 기판에 더 이상 증착을 하지 못하게 되는 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위하여, 도7에 도시한 바와 같이, 증착챔버(20)의 좌우 측면에는 예를 들어 4개의 증발원 챔버(증발원챔버A,B, C,D(21,22,74,75))를 구성하고, 한 벌의 증발원(튜브증발원A(32) + 총신증발원A(30)+총신증발원B(31))이 게이트밸브A(25)가 닫혀져있으며, 물질 충전을 할 경우, 다른 한 벌의 증발원(튜브증발원B(72) + 총신증발원C(70)+총신증발원D(71))은 게이트밸브B(73)가 열려져있고, 박막의 증착공정을 수행하게 되므로, 증착챔버의 진공을 깨는 일이 발생하지 않게된다. 즉, 물질의 재층전과 동시에 박막의 증착이 항상 가능하므로, 1년내내 연속하여 박막의 생산이 가능한 것이다. 또한, 더욱 많은 개수의 증발원챔버를 설치하므로서, 화합물 반도체의 광흡수층도 같은 원리로 대량생산을 하게 되는 것이다.
제1도는 기존의 박막형 태양전지의 광흡수층 상향식 증착장치 구성도
제2도는 금속박막의 연속 제조가 가능한 하향식 증착장치 구성도
제3도는 금속박막을 제조하는 하향식 증착장치의 구성도
제4도는 총신증발원과 튜브증발원의 구성도
제5도는 총신과 튜브입구의 구성도
제6도는 물질충진을 위한 증발원 이송장치와 이송롤러의 개략도
제7도는 금속박막의 양산용 연속 생산과 물질 충진이 동시에 가능한 증착장치의 구성도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 유리기판 11: 물질1 상향증발원
12: 물질2 상향증발원 13: 물질3 상향증발원
14: 물질 4 상향증발원 15: 고진공 챔버
20: 증착챔버 21: 증발원 챔버A
22: 증발원 챔버B 23: 펌프포트
24: 밸브포트 25: 게이트밸브
26: 튜브 증발원 고정축
30: 총신 증발원A 31: 총신 증발원B
32: 튜브증발원A 33: 총신
34: 노즐구멍 35: 기판
36: 기판 트레이 37: 롤러
40: 원통형 고가니 41: 도가니 받침대
42: 히터A 43: 방열벽A
44: 하우징A 45: 총신A
46: 총신외부단 47: 튜브입구단
50: 기체 안내용 튜브 51: 히터B
52: 방열벽B 53: 하우징B
54: 노즐구멍A 55: 금속파우더
60: 증발원 이송장치 61: 증발원 이송롤러
70: 총신증발원C 71: 총신증발원D
72: 튜브증발원B 73: 게이트밸브B
74: 증발원챔버C 75: 증발원챔버D

Claims (16)

  1. 증착챔버 좌우에 증발원챔버가 밸브포트를 사이에 두고 게이트밸브에 의하여 연결되어 있고, 증착챔버의 내부에는 튜브증발원이 고정축에 의하여 수평하게 고정되어 있고, 증착챔버의 하부에는 기판과 기판 트레이가 롤러장치에 의하여 이송이 가능하고, 각 증발원 챔버에는 총신증발원이 한 개씩 설치되어 있는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  2. 제1항에 있어서, 튜브증발원은 중앙이 관통된 원통형의 튜브구조로써, 각 총신증발원의 총신은 튜브증발원의 좌우 끝에 형성된 원통형의 입구에 삽입되어 이가 맞는 형태를 취하는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  3. 제1항에 있어서, 튜브증발원은 기체 안내용 튜브가 중앙에 위치하고, 그 주위에 히터, 히터 주위에 방열벽, 그 주위에 하우징으로 마감한 전체적으로 튜브형태의 구조를 가지며, 좌우의 양끝입구내부는 다수 층의 단으로 형성되고, 하부에 일직선을 따라 다수개의 노즐 구멍이 일정 간격으로 형성되어 있는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  4. 제1항에 있어서, 총신증발원은 내부에 원통형의 도가니가 있고, 도가니는 상 부와 하부로 나뉘어 탭으로 연결되어 있고, 상부의 측부에는 원통형의 총신이 탭으로 연결되어 있고, 총신의 외부는 다수개의 단으로 형성되고, 도가니의 상부에는 탭으로 형성되어 개폐가 가능한 덮개가 형성되어 있고, 도가니와 총신의 주위에는 히터가 설치되고, 히터의 주위에는 방열벽이 설치되고, 그 주위에는 하우징으로 마감되고, 도가니의 하부에는 도가니 받침이 있고, 총신의 끝 일부분은 일정길이 만큼 노출되는 형태를 가지는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  5. 제1항에 있어서, 증발원챔버의 하부에는 증발원 이송롤러와 증발원 이송장치가 결합되고, 그 상부에 총신 증발원이 놓이고, 총신 증발원의 X축 이송이 가능한 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  6. 직육면체형의 증착챔버의 좌우측면에는 두 개 이상의 증발원챔버가 게이트밸브를 사이에 두고 연결되고, 각 증발원 챔버의 내부에는 총신증발원이 한 개씩 설치되고, 증착챔버의 내부에는 두 개 이상의 튜브증발원이 설치된 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  7. 제6항에 있어서, 한 튜브증발원의 좌우에는 총신 증발원이 연결되어, 금속물질의 기체가 튜브증발원의 노즐구멍들을 통하여 하향증발되어 기판에 금속박막을 연속하여 형성하고, 다른 튜브증발원에는 총신증발원이 분리되어 있고, 게이트밸브 가 닫혀있는 증발원챔버는 대기압으로 유지되어 도가니에 물질을 충전하는 기능을 가지는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  8. 제3항에 있어서, 총신증발원을 통하여 안내된 금속기체는 튜브증발원의 하부에 형성된 노즐구멍들을 통하여 하향으로 분사되는 것을 특징으로 하는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  9. 제4항에 있어서, 도가니의 내부에 담긴 금속알갱이가 증발되어 총신의 원통형 관을 통하여 도가니의 외부로 분사되는 특징을 가지는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  10. 제1항에 있어서, 증착챔버와 증발원챔버의 진공도는 1기압에서 1x10-8Torr 까지 유지되는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  11. 제1항에 있어서, 증발원챔버의 압력이 1기압에서 증발원챔버의 도어를 통하여 총신증발원을 챔버 외부로 꺼내고, 증발원의 도가니를 꺼내어 도가니의 뚜껑을 개페하여 금속 물질을 도가니에 층진하는 기능을 가지는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  12. 제3항에 있어서, 튜브증발원의 내부온도는 섭씨 200도에서 섭씨 2000도까지 의 범위 내에서 작동되는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  13. 제4항에 있어서, 총신증발원의 작동온도는 섭씨 200도에서 섭씨 2000도까지의 범위 내에서 작동되는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  14. 제1항에 있어서, 기판의 선형이송과 동시에 기체의 분출이 가능하여 박막을 형성하는 공정을 특징으로 하는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  15. 제3항에 있어서, 노즐구멍의 크기는 지름이 1mm에서 30mm까지의 범위 내에서 결정되고, 노즐구멍사이의 간격은 1mm에서 5000mm사이의 범위 내에서 결정되고, 노즐구멍의 개수는 2개에서 100개사이의 범위 내에서 결정되는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
  16. 제1항에 있어서, 기판의 크기는 대각선의 길이가 100mm에서 10000mm까지의 범위 내에서 결정되는 금속박막과 화합물반도체 광흡수층 박막의 연속 제조장치
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