KR20110092825A - 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 방법 - Google Patents
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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 대면적기판이 놓여지는 로드락 챔버; 상기 로드락 챔버와 연결되고, 대면적기판을 반송하기 위한 반송로봇을 갖는 반송 챔버; 및 상기 반송 챔버와 연결되고, 상기 로드락 챔버로부터 이송된 대면적기판의 프로세스를 독립적으로 진행하는 공정챔버가 적어도 2개 이상 상하 방향으로 적층되어 있는 공정 모듈들을 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지와 같은 대면적 기판을 처리하는데 사용되는 플라즈마 강화 화학 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 장치 및 이를 이용한 방법에 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.
본 발명의 목적은 장비가 차지하는 면적 대비 생산성을 향상시킬 수 있는 대면적기판용 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 방법을 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 대면적기판용 PECVD 장치는 대면적기판이 놓여지는 로드락 챔버; 상기 로드락 챔버와 연결되고, 대면적기판을 반송하기 위한 반송로봇을 갖는 반송 챔버; 및 상기 반송 챔버와 연결되고, 상기 로드락 챔버로부터 이송된 대면적기판의 프로세스를 독립적으로 진행하는 공정챔버가 적어도 2개 이상 상하 방향으로 적층되어 있는 공정 모듈들을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 공정 챔버는 상기 챔버에서 반도체 기판을 탑재하는 서셉터(suscepter); 상기 서셉터의 상단에 위치한 샤워헤드(showerhead); 상기 서셉터와 샤워헤드 사이에 있는 플라즈마 형성영역; 및 상기 서셉터의 온도를 높일 수 있는 가열수단을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 공정 모듈들과 상기 로드락 챔버는 상기 반송 챔버를 중심으로 방사형으로 배치된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로드락 챔버는 공정 처리를 위해 반입되는 대면적기판이 일시적으로 대기하는 적어도 하나 이상의 로딩 챔버; 및 상기 공정 챔버에서 공정 처리된 대면적기판이 반출되기 위해 일시적으로 대기하는 적어도 하나 이상의 언로딩 챔버를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로딩 챔버와 상기 언로딩 챔버 각각은
외부와 통하는 제1출입구와 상기 반송 챔버와 통하는 제2출입구를 갖으며, 내부에는 대면적 기판이 놓여지는 스테이지를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로딩 챔버의 스테이지에는 기판을 예열하기 위한 예열 부재를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 언로딩 챔버의 스테이지에는 기판을 냉각하기 위한 쿨링 부재를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 독립적으로 운용가능한 공정챔버들이 수직 적층(2개 이상)된 공정 모듈을 구비함으로써 생산성이 적층된 공정챔버의 개수만큼 증가시킬 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 4는 도 3에 도시된 공정 챔버의 확대도이다.
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 4는 도 3에 도시된 공정 챔버의 확대도이다.
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(200)의 중앙에 위치된다. 반송 챔버(200)는 로드락 챔버(100)와 공정 모듈(300)의 각 공정 챔버(310)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(310)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. 한편, 각각의 공정모듈(300)은 4개의 공정 챔버(310)들이 적층되어 있는 구조로써, 각각의 공정 챔버(310)는 진공 챔버로써, 대면적기판에 대한 플라즈마 처리 공정을 독립적으로 수행하기 위한 공간을 제공한다. 본 실시예에서는 공정 모듈(300)이 4개의 공정 챔버(310)들이 적층 배치된 구조로 이루어져 있으나, 높이가 허용되는 경우 4개 이상의 공정 챔버들을 적층 배치할 수 있다.
상기 공정 챔버에서는 태양광 스펙트럼을 적외 영역에서 자외 영역까지 효율적으로 흡수하여 발전효율을 향상시키기 위해, 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon)(μc-Si) 박막 증착 공정이 진행된다.
이처럼, 본 발명의 PECVD 장치(1)는 동일한 면적에 다수(12개 이상)의 공정 챔버(310)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 3은 공정 챔버의 단면도로써, 도 3에 도시된 바와 같이 공정 챔버(310)는 외부와 차단되고, 서셉터와 샤워헤드 사이에 있는 플라즈마 형성영역(반응공간)을 제공한다. 공정 챔버 내에는 상하 이동이 가능하고 전기적으로 접지되는 서셉터(320)가 설치되어 있고, 대면적기판(S)은 서셉터(320) 상에 안착되며, 서셉터(320)의 내부에는 대면적기판(S)을 가열시키기 위한 히터(322)가 장착되어 있다. 공정 챔버(310)에는 리프트핀(330)들이 설치되는데, 이 리프트핀(330)들은 기판이 반입되거나 반출될 때 대면적기판(S)을 지지하게 되며, 기판 지지는 서셉터(320)가 아래로 하강한 상태에서 이루어진다. 즉, 대면적기판이 반송 로봇(210)에 의해 반입될 때 서셉터(320)가 하강한 상태에서 리프트핀(330)들 상에 기판이 지지되며, 서셉터(320)가 승강하게 되면서 기판이 서셉터(320) 상부에 놓여지게 되는 구조로 이루어진다.
한편, 서셉터(320)의 상부 공간에는 플라즈마를 형성시키기 위해 RF발전기와 같은 플라즈마 소스(370)에 연결되는 전극형 샤워헤드(340)가 설치되어 있다. 샤워헤드(340)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(310)의 내부에 설치된 샤워헤드(340)와 연결된다. 샤워헤드(340)는 가스 공급 유닛(도시하지 않음)을 통해 공정 챔버(310)에서 수행되는 처리 공정의 종류에 따라 기판에 박막 증착을 위한 플라즈마 형성용 혼합가스를 공급받는다. 가스 공급 유닛으로부터 공급되는 플라즈마 형성용 혼합가스는 샤워헤드(340)에서 플라즈마화 되어 대면적기판(S) 상에 소정의 박막 증착을 행한 후 기체 배기관(390)을 통해 배기된다. 공정 챔버(310)의 측벽에는 반송 챔버(200)와 반응공간과의 연통 여부를 결정하는 슬롯밸브(380)가 설치되어 있어서, 반송 챔버(200)로부터 서셉터(320) 상으로 대면적기판(S)이 반입될 때(또는 대면적 기판이 반출될 때) 슬롯밸브(380)가 개방된다.
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
310 : 공정 챔버
100 : 로드락 챔버
200 : 반송 챔버
300 : 공정 모듈
310 : 공정 챔버
Claims (8)
- 플라즈마 처리 장치에 있어서:
기판이 놓여지는 로드락 챔버;
상기 로드락 챔버와 연결되고, 기판을 반송하기 위한 반송로봇을 갖는 반송 챔버; 및
상기 반송 챔버와 연결되고, 기판에 대한 플라즈마 처리가 이루어지는 공정챔버가 적어도 2개 이상 상하 방향으로 적층되어 있는 공정 모듈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 공정 챔버는
상기 챔버에서 반도체 기판을 탑재하는 서셉터(suscepter);
상기 서셉터의 상단에 위치한 샤워헤드(showerhead);
상기 서셉터와 샤워헤드 사이에서 플라즈마를 형성시키기 위해 상기 샤워헤드에 연결되는 플라즈마 소스; 및
상기 서셉터의 온도를 높일 수 있는 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 공정 모듈들과 상기 로드락 챔버는 상기 반송 챔버를 중심으로 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 로드락 챔버는
공정 처리를 위해 반입되는 기판이 일시적으로 대기하는 적어도 하나 이상의 로딩 챔버; 및
상기 공정 챔버에서 공정 처리된 기판이 반출되기 위해 일시적으로 대기하는 적어도 하나 이상의 언로딩 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 로딩 챔버와 상기 언로딩 챔버 각각은
외부와 통하는 제1출입구와 상기 반송 챔버와 통하는 제2출입구를 갖으며, 내부에는 대면적 기판이 놓여지는 스테이지를 포함하되;
상기 로딩 챔버의 스테이지에는 기판을 예열하기 위한 예열 부재를 더 포함하며, 상기 언로딩 챔버의 스테이지에는 기판을 냉각하기 위한 쿨링 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치. - 플라즈마 처리 방법에 있어서:
로드락 챔버와 연결되는 반송 챔버 그리고 상기 반송 챔버와 연결되며 다단으로 적층 배치되는 공정챔버들을 제공하는 단계; 및
상기 로드락 챔버로부터 반출되어 상기 공정 챔버들 중에 어느 하나의 공정 챔버로 로딩되어 기판의 프로세스를 독립적으로 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 공정챔버에서는 플라즈마 강화 화학 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)법에 의해 미세결정 실리콘(micro-crystalline silicon)박막의 증착 공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 기판은 비정질 실리콘막과 미세결정 실리콘막이 적층되는 탠덤(tandem) 구조의 태양전지인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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